Die wichtigsten Erkenntnisse dieses Artikels:
- Wasserbasierte Technologien werden zunehmend eingesetzt, um VOC-Emissionen zu reduzieren, die Sicherheit zu erhöhen und besser recycelbare Materialstrukturen zu ermöglichen.
- Der Wandel geht über den Ersatz von Lösemitteln hinaus, da wasserbasierte Beschichtungen auch Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffbarrieren bieten können.
- Der Umstieg auf wasserbasierte Chemie bedeutet nicht einfach, eine Flüssigkeit durch eine andere zu ersetzen, sondern bringt andere Anwendungen, chemische Zusammensetzungen und Produktionsprozesse mit sich.
- Wasserbasierte Formulierungen stellen neue Anforderungen an die Trocknung. Einige biobasierte Formulierungen reagieren dabei besonders empfindlich darauf, wie das Wasser entfernt wird.
- Im industriellen Maßstab können wasserbasierte Anwendungen eine Anpassung des Trocknungsprozesses erforderlich machen, um höhere Verdampfungslasten zu bewältigen, ohne Produktionsgeschwindigkeit oder Produktqualität zu beeinträchtigen.
Umweltanforderungen verändern die Beschichtungschemie
In der Papier-, Verpackungs- und Converting-Industrie führen steigende Anforderungen an geringere Emissionen, sicherere Produktionsprozesse, bessere Recyclingfähigkeit und einen reduzierten Einsatz fossiler Rohstoffe zu Veränderungen bei der Chemie, die auf bahnförmige Materialien aufgebracht wird.
Beschichtungen, Klebstoffe und andere funktionale Behandlungen verleihen Papier, Folien und anderen Substraten die für ihre jeweilige Endanwendung erforderlichen Eigenschaften. Sie können Barrieren gegen Wasser, Öl oder Fett bilden, dafür sorgen, dass ein Etikett auf einer Oberfläche haftet, die Bedruckbarkeit verbessern, Heißsiegeleigenschaften ermöglichen oder dem Substrat andere Funktionen verleihen.
Traditionell basieren viele dieser Funktionen auf lösemittelbasierten chemischen Systemen, Kunststoffschichten oder anderen Materialien, die hervorragende Eigenschaften bieten, gleichzeitig aber Herausforderungen hinsichtlich Emissionen, Sicherheit, Recyclingfähigkeit oder Umweltverträglichkeit mit sich bringen können. Heute prüfen Hersteller zunehmend wasserbasierte Alternativen.
Von lösemittelbasiert zu wasserbasiert
Lösemittel wie Toluol und MEK spielen traditionell eine wichtige Rolle bei industriellen Beschichtungen und Klebstoffen. Sie ermöglichen eine sehr gute Benetzung und einen kontrollierten Auftrag. Gleichzeitig erlaubt ihre Flüchtigkeit eine schnelle Verdampfung. Für einige anspruchsvolle Anwendungen sind sie nach wie vor unverzichtbar.
Allerdings bringen sie auch Nachteile mit sich. Viele organische Lösemittel sind flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und werden während der Trocknung an die Umgebungsluft abgegeben. VOC-Emissionen belasten die Umwelt und tragen zur Luftverschmutzung bei. Ihr Einsatz kann daher zusätzliche Maßnahmen für Belüftung, Emissionskontrolle, Brandschutz und Explosionsschutz erforderlich machen.
Anstatt das funktionale Material in einem organischen Lösemittel zu lösen oder zu transportieren, verwenden wasserbasierte Formulierungen Wasser als Hauptträgermedium und enthalten nur geringe Mengen oder keine VOCs. Dadurch reduzieren sie VOC-Emissionen und den Einsatz potenziell schädlicher organischer Lösemittel und stellen für viele Anwendungen eine umweltfreundlichere und sicherere Alternative dar.
Beispiele hierfür sind Acryl- und Polyurethandispersionen, wasserbasierte Barrierebeschichtungen, Primer sowie eine Vielzahl von Klebstoffen. Wasserbasierte Klebstoffe werden bereits in großem Umfang bei Papier, Etiketten, Klebebändern und Verpackungen eingesetzt. Gleichzeitig werden ihre Einsatzmöglichkeiten durch kontinuierliche Weiterentwicklung stetig erweitert.
Für Hersteller und Verarbeiter kann der Umstieg von lösemittelbasierten auf wasserbasierte Systeme jedoch neue Herausforderungen in der Produktion mit sich bringen. Es handelt sich nicht lediglich um eine Veränderung der Chemie. Auch die Anforderungen an den Produktionsprozess können sich verändern. Unterschiedliche Formulierungen können unterschiedliche Prozessbedingungen erfordern und neue Anforderungen an Produktionsgeschwindigkeit, Energieverbrauch, Prozessstabilität und vorhandene Anlagen stellen.
Der Ersatz von Kunststoffbarrieren verändert den Produktionsprozess
Der Wechsel von lösemittelbasierter zu wasserbasierter Chemie ist nicht die einzige Entwicklung, die den Einsatz wasserbasierter Technologien vorantreibt. Auch bei Papier und Karton suchen Hersteller nach Möglichkeiten, herkömmliche Kunststoffbarrieren zu reduzieren und gleichzeitig die für die Endanwendung erforderliche Funktionalität beizubehalten.
Lebensmittelverpackungen müssen beispielsweise Schutz gegen Wasser, Feuchtigkeit, Sauerstoff, Öl und Fett bieten. Traditionell wurden einige dieser Eigenschaften durch das Aufbringen von Polyethylen oder anderen Kunststoffbarrieren erreicht. Mit der steigenden Nachfrage nach recyclingfähigen, faserbasierten Verpackungen und einem geringeren Kunststoffeinsatz entwickeln Chemieanbieter, Papierhersteller und Verarbeiter neue funktionale Barrieretechnologien. Wasserbasierte Dispersionsbeschichtungen gehören zu den Lösungen, die eingesetzt werden, um herkömmliche Kunststoffschichten zu reduzieren oder zu ersetzen.
Diese Beschichtungen werden zunehmend leistungsfähiger. Neue Formulierungen werden entwickelt, um Eigenschaften wie Feuchtigkeits-, Sauerstoff- und Fettbarrieren sowie in einigen Fällen Heißsiegeleigenschaften miteinander zu kombinieren und gleichzeitig die Recyclingfähigkeit und Leistungsfähigkeit papierbasierter Verpackungen zu erhalten. Der Trend zu PFAS-freien Fettbarrieren ist ein weiterer Treiber für die Entwicklung neuer Barrieretechnologien.
Das bedeutet, dass der Umstieg auf wasserbasierte Chemie nicht immer darin besteht, eine lösemittelbasierte Beschichtung durch eine wasserbasierte Alternative zu ersetzen. Wasserbasierte Chemie kann auch in einen Produktionsprozess eingeführt werden, der zuvor völlig anders funktioniert hat.
Eine durch Extrusion aufgebrachte Polyethylenbarriere beispielsweise basiert darauf, dass ein geschmolzenes Polymer aufgebracht und anschließend abgekühlt wird. Wird diese Funktion durch eine wasserbasierte Beschichtung ersetzt, wird stattdessen eine Flüssigkeit aufgetragen, aus der anschließend das Wasser verdampft werden muss. Dadurch entsteht im Produktionsprozess eine völlig andere Trocknungsanforderung.
Biobasiert ist die nächste Dimension
Gleichzeitig richten Hersteller ihren Blick zunehmend über die Trägerflüssigkeit hinaus. Wasserbasiert bedeutet nicht automatisch biobasiert. Eine wasserbasierte Acryldispersion kann beispielsweise weiterhin Polymere enthalten, die größtenteils aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden.
Das Interesse daran, zumindest einen Teil dieser Materialien durch erneuerbare Alternativen zu ersetzen, wächst jedoch. Stärke ist in Papier- und Klebstoffanwendungen bereits seit Langem etabliert. Weitere Entwicklungen umfassen Cellulose und Nanocellulose, natürliche Polymere und andere erneuerbare Rohstoffe.
Damit erhält die Entwicklung zu wasserbasierten Technologien eine dritte Dimension. Neben dem Wechsel von lösemittelbasierten zu wasserbasierten Beschichtungen und Klebstoffen sowie von herkömmlichen Kunststoffbarrieren zu wasserbasierten Barrierebeschichtungen versuchen Hersteller zunehmend, fossile funktionale Materialien durch teilweise oder vollständig biobasierte Alternativen zu ersetzen. Diese Entwicklungen kommen in neuen Formulierungen und Anwendungen immer häufiger zusammen.
Dies kann zusätzliche Herausforderungen für die Verarbeitung mit sich bringen. Einige biobasierte Formulierungen benötigen relativ große Mengen Wasser, während ihre endgültigen Eigenschaften davon beeinflusst werden können, wie dieses Wasser entfernt wird. Dadurch kann der Trocknungsprozess beim Scale-up dieser Materialien auf die industrielle Produktion noch wichtiger werden.
Was bedeutet das für Hersteller und Verarbeiter?
Für Unternehmen, die diese Materialien verarbeiten, besteht die Herausforderung darin, neue Formulierungen in zuverlässige industrielle Produktionsprozesse zu überführen. Lohnbeschichter müssen möglicherweise neue Formulierungen ihrer Kunden verarbeiten können, Spezialpapierhersteller können ihren Produkten neue Funktionen verleihen und Hersteller von Klebebändern, Etiketten und Verpackungen können neue Klebstoff- und Barrieretechnologien einsetzen.
Eine Formulierung, die im Labor gute Ergebnisse erzielt, muss auch auf einer industriellen Produktionslinie zuverlässig und reproduzierbar funktionieren. Bei höheren Bahngeschwindigkeiten und Auftragsgewichten können Unterschiede in der Auftragstechnik, den Prozessbedingungen und der verfügbaren Verarbeitungszeit beeinflussen, wie sich die Formulierung verhält.
Das industrielle Scale-up ist daher nicht nur eine technische Herausforderung, sondern auch eine wirtschaftliche Notwendigkeit. Neue Materialien müssen bei Produktionsgeschwindigkeiten zuverlässig und effizient verarbeitet werden können, die ihren wirtschaftlichen Einsatz ermöglichen. Ob ein ausreichender Durchsatz zu wettbewerbsfähigen Kosten erreicht werden kann, kann letztlich darüber entscheiden, ob sich eine vielversprechende neue Technologie über Nischenanwendungen hinaus am Markt durchsetzt.
Der Umstieg auf wasserbasierte Chemie ist daher nicht einfach nur der Austausch eines Materials. Er kann auch andere Anforderungen an den Produktionsprozess und die eingesetzten Anlagen stellen.
Neue Chemie und Produktionsprozesse führen zu neuen Anforderungen an die Trocknung
Eine der wichtigsten Auswirkungen auf den Prozess betrifft die Trocknung. Wird eine wasserbasierte Flüssigkeit auf eine Materialbahn aufgetragen, muss das darin enthaltene Wasser anschließend entfernt werden.
Im industriellen Maßstab können dabei erhebliche Wassermengen anfallen. Die Verdampfungslast hängt von einer Kombination zahlreicher Variablen ab, darunter Bahnbreite, Produktionsgeschwindigkeit, Auftragsgewicht und Feststoffgehalt. Zusammen bestimmen diese Faktoren, wie viel Wasser innerhalb der verfügbaren Trocknungszeit entfernt werden muss.
Für Unternehmen, die neue wasserbasierte Anwendungen einführen, stellt sich damit eine entscheidende Frage: Kann der vorhandene Trocknungsprozess die erforderliche Verdampfungslast bewältigen, ohne die Produktionsgeschwindigkeit oder Produktqualität zu beeinträchtigen?
Genau darum geht es in unserem nächsten Artikel.
