Smarte Oberflächen für papierbasierte Anwendungen Forschungs- und Technologieforum Mostviertel, , Dirk Fiedler

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1 Smarte Oberflächen für papierbasierte Anwendungen Forschungs- und Technologieforum Mostviertel, , Dirk Fiedler

2 2 Papiertechnische Stiftung im Überblick Wir schaffen Innovationen, um Unternehmen aller Branchen bei der Entwicklung und Anwendung von modernen faserbasierten Lösungen zu helfen. Stifter München Verband Deutscher Papierfabriken (VDP) Hauptverband Papier- und Kunststoffverarbeitung e.v. (HPV) Forschungsvereinigung Papiertechnik (FPT) Fakten Heidenau 1951 gegründet 150 Beschäftigte Zwei Standorte unabhängig und neutral

3 3 Aktuelle Finanzierungsstruktur der PTS Umsatz: 14 Mio.

4 4 Lösungen für die gesamte Wertschöpfungskette Zulieferindustrie Papiererzeuger Papierverarbeiter Endanwender Endkunden Branchenübergreifende Lösungen durch die PTS Weitere Industrien Lebensmittel, Bauwesen, Keramik, Automotive Endanwender Endkunden Ressourcen & Ökodesign

5 5 PTS Entwicklungen Kompetenzfelder Neue Werkstoffe Verpackungen Printlösungen Ressourcen Leichtbaumaterialien Keramische Papiere Adsorptive Eigenschaften, thermische Beständigkeit oder elektromagnetische Funktion Nachhaltige Lösungen Migrationsanalytik Verpackungsdruck Barrieren und Smart Functions Papiere für neue Verfahren Druck auf neuen Materialien Lösungen bei Druckproblemen Wertschöpfung aus Reststoffen Reduzierung des Energieverbrauchs und des Carbon Footprint Optimaler Wassereinsatz

6 6 Papiertechnische Stiftung Dirk Fiedler Dipl.-Ing. (FH) Biotechnologie, FH Hamburg-Bergedorf PTS Papiertechnische Stiftung: Seit 01/2014 Abteilungsleiter Oberflächen und Print Werdegang: Abteilungsleiter Funktionale Oberflächen Papiertechnische Stiftung Forschung und Entwicklung von bioaktiven Schichtsystemen Gesellschaft für Medizin-, Bio- und Umwelttechnologie (GMBU e.v.) Kontakt: Tel. 0(+49)3529/ ,

7 7 PTS Neue Produkte durch Neue Oberflächen Oberflächenfunktionalisierung: erst dadurch sind u. a. Haptik, Optik, Eigenschaften wie Bedruckbarkeit, Fettdichtigkeit, Licht- oder Temperaturbeständigkeit erzielbar. Technologieorientiert Materialorientientiert - Strahlenvernetzung von Schichten - Modifikation von Rohstoffen - Mikrostrukturierung - Schadstoffrückhaltung - Produktschutz - Photokatalyse - antimikrobielle Eigenschaften

8 Oberflächenfunktionalisierung Kompetenzenportfolio Vom Magnetrührer bis zum Industriemaßstab in einem Haus 8 Einsatz und Kombination geeigneter und innovativer Verfahrens- und Analysentechnik auch in Kooperation hohes Know-how in der Entwicklung von Beschichtungsrezepturen und deren Applikation Erfahrungen beim Einsatz neuartiger Materialien in Papierbeschichtungen Erfahrungen beim Einsatz neuartiger Beschichtungstechnologin Erfahrung bei der Modifikation von Beschichtungen hohe methodische Kompetenz auf dem Gebiet der stofflichen und strukturellen Oberflächencharakterisierung

9 9 Beispiel Cool Touch Oberfläche Situation Erzeugung einer speziellen Haptik auf Verpackungen Lösung Einsatz von verkapselten PCMs Einarbeitung der wachsartigen Materialien in typische Streichfarben Ergebnis Cool Touch - Effekt bei Beibehaltung weiterer wichtiger Oberflächeneigenschaften

10 10 Beispiel - Mineralölbarriere Situation Mineralölanteile können in Verpackungen mit bis zu 1000 mg/kg z. B. aus Altpapier, Druckfarben enthalten sein. Es sind Barrieren zu entwickeln, die die Migration dieser Bestandteile auf Lebensmittel verhindern. Lösung Entwicklung von Barriereschichten unter Nutzung geeigneter Streichfarbenrezepturen, Applikation und betriebliche Umsetzung. Ergebnis Reduzierung bzw. vollständige Vermeidung der Mineralölmigration durch geeignete Barrieren.

11 11 Beispiel - Sicherheitsmerkmale Situation Produktpiraterie Produktschaden in der deutschen Wirtschaft schätzungsweise derzeit 50 Mrd. jährlich Lösung Arbeit mit Biomolekülen (Antigen/Antikörper) Ergebnis Nachweis erfolgt mit Schnelltestsystem, dabei aber hochspezifisch Transparente Funktionsschicht auf andere Schichten applizierbar

12 12 Beispiel Verbesserte Barrieren Situation Barrierewirkung von Papierbeschichtungen gegen verschiedene Gase erfordern Optimierungen Lösung Einsatz plättchenförmiger Pigmente mit hohem AR Ergebnis Verlängerung der Wegstrecke des Gases durch Erhöhung der Tortuosität im Strich = verbesserte Barriere Reduzierung von Auftragsmengen möglich bei Beibehaltung der Barrierewirkung Verbesserte Optik / Haptik von Schichten Wirtschaftlich positive Effekte

13 13 Beispiel Photokatalytische Schicht Situation Starkes Kreiden von Papierbeschichtungen durch photokatalytische Schädigung organischer Bestandteile im Papierstrich Lösung Einarbeiten des Photokatalysators als konventionelles oder modifiziertes Pigment in Coatingmassen mit reduzierten organischen Bestandteilen Nachweis der Photokatalyse durch Farbstoff- Abbau t 0 t 1 t 2 t 0 Bestrahlungsdauer Ergebnis Photokatalytisch aktive Papierstriche zur Reduzierung organischer Schad-/Geruchsstoffe und mikrobieller Schädigung Nachweismethode für photokatalytische Aktivität der Beschichtungen

14 14 Charakterisierung von Oberflächen Licht- und Elektronenmikroskopie diverse abbildende Darstellungen Morphologie von Materialien Elementaranalyse mittels EDX optische Verfahren und Rasterkraftmikroskopie topografische Kennwerte Strukturierungen physikalische Verfahren Schichthärte mit Nanoindentation Biegeverhalten von Schichten

15 15 Charakterisierung von Oberflächen Porosität und Penetrationsverhalten Porenverteilung/-volumen zur Strichentwicklung und -charakterisierung Wegschlagverhalten Bewertung der Strichhomogenität, Optimierung Wegschlaggeschwindigkeit zur Strich-/Druckoptimierung, Durchschlagsmessungen 50 ms 100 ms

16 16 Bewertung der Codierbarkeit von Faltschachtelkarton mittels DataMatrix-Code DIN EN ISO/IEC Einsatz Bewertung der Bedruckbarkeit von gestrichenem und unlackiertem Pharma-Falt- Schachtelkarton mit wasserbasierenden Inkjet-Tinten Methode PTS-Methode PTS-DF 103/2011 Anwendungsbeispiele Bestimmung der Trocknungszeit von Inkjet- Tinte mittels Wischtest nach definierter Zeit Offline-Bewertung des DataMatrix-Codes mittels Verifier Überprüfung von Strichrezepturen auf Codierbarkeit

17 17 Charakterisierung von Oberflächen Bewertung der Vernetzung Rheologie Vernetzungsreaktionen in Streichfarben Spektroskopie qualitative/halbquantitative Beurteilung der Verteilung von Strichkomponeten Nanoindentation Aussagen zur Flexibilität von Schichten UV-Binder unvernetzt UV-Binder vernetzt Vernetzung spezieller Rezepturen bei gleicher Temperatur und Scherrate Bewertung des UV-Vernetzungsgrades - Strichdicke ca. 16 µm (Raman, Auflösung 1 µm) Flexibilität mit verschiedenem Härteranteil (Messfeld von 200 µm*800µm,17 Messpunkte)