Sichere Verpackung für Chemikalien

Kunststoffe sind leicht, formbar und bruchsicher und daher vor allem als Transportverpackung gefragt. Auch Chemikalien werden vorzugsweise in Kunststoffkanistern oder -containern abgefüllt transportiert. Allerdings ist das Füllgut mitunter korrosiv und kann die Verpackung angreifen. Andere Chemikalien sind empfindlich gegenüber Sauerstoff oder Wasserdampf, der durch die meisten Kunststoffe aus der Umgebungsluft hindurch in das Füllgut diffundiert. Solche Chemikalien können nur für kurze Zeit ohne Qualitätsverlust gelagert werden.

Umgekehrt werden bei manchen Chemikalien giftige oder explosive Dämpfe frei, die nicht durch die Verpackung nach außen in die Umwelt gelangen dürfen. Zudem bleiben zähflüssige Chemikalien wie Schmierstoffe oder Lacke häufig an der Behälterwand hängen. Dies ist nicht nur ein Kostenfaktor, sondern erschwert auch die Reinigung der Verpackungen und damit eine mehrmalige Verwendung sowie das Recycling des Behältermaterials. Bis heute gibt es keine hinreichende Beschichtung, die diese Anforderungen erfüllt.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB wollen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie Abhilfe schaffen und entwickeln neue funktionale Innenbeschichtungen für Chemikalienbehälter. Sie erzeugen anorganische Barriereschichten, die eine Sperre gegenüber Sauerstoff oder Wasserdampf als auch für explosive Gase darstellen. Die Herausforderung: Die Schichten müssen bis zu einem gewissen Maß elastisch sein, damit sie beim Befüllen oder Entleeren des Kunststoffbehälters, der sich hierbei deutlich deformieren kann, nicht brechen oder reißen.

Um dies zu gewährleisten, bestehen die Beschichtungen aus mehreren, mechanisch voneinander entkoppelten Lagen übereinander. Die Schichten scheiden die Forscher mittels Plasmatechnologie sukzessive direkt im Kanister ab. Der Behälter wird hierzu in eine Vakuumkammer geführt, in der im Behälter durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Spannung ein Plasma gezündet wird, in dem Gasmoleküle angeregt und fragmentiert werden.

„Die hochreaktiven Gasmolekülbruchstücke können nun auf der Oberfläche der Kunststoffe angekoppelt werden: es bildet sich eine Schicht“, erläutert Projektleiter Dr. Jakob Barz. „Durch Optimierung verschiedener Prozessparameter wie der Art und Menge des eingesetzten Plasmagases, der Anregungsfrequenz, der Gasströmung, dem Druck und der Behandlungszeit können wir glasartige Schichten mit der gewünschten Barrierefunktion und silikonartige Zwischenschichten nacheinander erzeugen.“

Die abgeschiedenen Barriereschichten werden dann mit einer weiteren Schicht kombiniert, die ein Ablaufen des Füllguts bei Entleeren der Verpackung verbessert. Auf diese Weise konnten die Forscher die Barrierewirkung des Kunststoffes PET gegen Wasserdampf und Sauerstoff um etwa den Faktor 1000 gegenüber dem unbehandelten Material erhöhen. „Vergleicht man unsere Beschichtung mit einer handelsüblichen Beschichtung auf Basis von Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH), so wird Sauerstoff fünfmal besser, Wasserdampf sogar fünfzigmal besser zurückgehalten. Die Restentleerbarkeit ist um ein vierfaches erhöht“, präsentiert Barz die bisherigen Ergebnisse.

Nicht nur die Verpackung von Chemikalien wird mit den kombinierten Multifunktionsschichten sicherer. Sehr teure proteinbasierte Medikamente, die trotz Bruchgefahr zumeist in Glasfläschchen verpackt werden, könnten in Zukunft auch in Kunststofffläschchen abgefüllt den Weg zum Patienten im Krankenhaus finden – und dabei sicher gegen eine Zerstörung durch Sauerstoff sein und bis auf den letzten Milliliter entleert werden.

Das Projekt „Innofunk“ (Innovative funktionale Innenbeschichtung von Chemikalienbehältern mittels Plasmaverfahren) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.