Plasmabeschichtungen für flexible Verpackungen – Gespräch mit Prof. Dr. Rainer Dahlmann

Im neuen Innoform-Podcast spricht Karsten Schröder mit Prof. Dr. Rainer Dahlmann, wissenschaftlicher Direktor am IKV – dem Institut für Kunststoffverarbeitung in Aachen. Der Fokus: moderne Barrierebeschichtungen mittels Plasmatechnologie und deren Rolle für nachhaltige, recyclingfreundliche Verpackungslösungen.

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Transkript

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Und jetzt noch ein kleines Spaß am Ende. Jetzt wieder Karsten Schröder. Was für eine Episode habe ich eben aufgenommen mit Professor Rainer Dahlmann zum Thema Siliziumoxidbeschichtung auf Folien. Ein alter Hut werden manche sagen, aber das ist weit gefehlt.

Im Forschungszentrum beim IKV werden Siliziumoxidabscheidungen auf Vollkörpern, aber auch auf Folien durchgeführt. Und dort findet man das gesamte Wissen, wie man eine dichte Schicht auf einem flexiblen Packstoff überhaupt aufbringt, wie man den kontrolliert, prüft und natürlich auch, wie man dichte Verpackungen daraus produziert. Alle Herstellverfahren, Verarbeitungsverfahren, die für Flexpack nötig sind, können dort getestet und geprüft werden. Freuen Sie sich auf diese spannende Episode rund um das Thema Siliziumoxidbeschichtung, Kreislaufwirtschaft, Rezyklate und wie das zu neuartigen Verpackungen bis 2030 zum Inkrafttreten der PPWR eine runde Sache wird.

Hier kommt Professor Rainer Dahlmann. Ich freue mich heute mit dem IKV direkt live verbunden zu sein, und zwar mit Professor Dahlmann. Er hat mich angesprochen, weil er aufmerksam geworden ist über die Barrierefolien-Tagesaktivität, denn er ist auch ein Barrierefolien-Fan, Experte und vor allen Dingen ein Beschichtungsexperte. Darüber wollen wir heute sprechen.

Herr Dahlmann, viele kennen das IKV, Sie persönlich aber nicht. Wie sind Sie vom Physiker zum Institutsdirektor geworden? Also erst einmal ganz herzlichen Dank für das Gespräch. Ich habe mich sehr gefreut, dass wir so schnell den Weg dorthin gefunden haben.

Was auch bedingt ist dadurch, dass wir, glaube ich, schon viele gemeinsame Themen haben. Deswegen freue ich mich jetzt auch sehr auf den Austausch, den wir haben. Ich muss erst mal korrigieren. Ich bin jetzt hier nicht der Institutsleiter, sondern ich bin der stellvertretende Leiter.

Ich bin hier wissenschaftlicher Direktor. Der Leiter ist Professor Hobmann. Aber Ihre Frage war ja eigentlich, wie komme ich eigentlich hier hin? Und das ist eigentlich ein ganz kurzer Weg.

Ich bin von Hause aus Physiker. Ich habe hier an der RWTH Physik studiert. Das war damals in der Tat eine große Leidenschaft von mir. Wir haben hier in der Physik auch verschiedene Möglichkeiten.

Man kann sich da theoretisch ausrichten und auch praktisch ausrichten. Und ich habe natürlich die praktische Ausrichtung damals gewählt. Und irgendwann muss man dann, so war das damals, so ist es damals noch, eine Diplomarbeit schreiben in Physik. Und diese Diplomarbeit, da habe ich dann mir sehr schnell jemanden gesucht außerhalb der Physik, weil das, was die Physiker gemacht haben, auch was die anwendungsnahen Physiker gemacht haben, mir einfach noch viel zu weit weg war von der Praxis, viel zu weit weg war.

Plasma-Forschung an Kunststoffoberflächen

Und so habe ich mir dann hier ein Institut gesucht. Ich weiß gar nicht, ich bin, glaube ich, durch irgendeinen Ausschreiblauf gekommen, das sich dann eben mit Beschichtungstechnologien beschäftigt. Da ging es schon damals darum, Polkörper von innen zu beschichten. Da war ein großer Limonadenhersteller, der damals ein großes Interesse daran hatte, sowas in PET-Flaschen zu machen, um die Haltbarkeit der Getränke zu verbessern.

Und das war für mich genau das Richtige, weil damals ging es schon ums Plasma. Es hatte also was Physikalisches dabei. Es ging um Maschinenbau, weil da muss man dann eben Anlagen haben, die Mikrowellen reinbringen in so eine Beschichtungskammer. Man braucht eine Vakuumtechnologie, eine Steuertechnik.

Und man hat eben das Plasma noch als ein urtypisch physikalisches Phänomen, das man auch sehr gut dazu nutzen kann. Und es geht gleichzeitig um eine Anwendung, also sowas Triviales wie Getränkeflaschen, wo ich vorher mal gesagt hätte, was soll man denn daran forschen. Das ist der Punkt gewesen, der mich einfach fixiert hat. Ich habe dann hier die Diplomarbeit geschrieben.

Und naja, wie die Dinge dann manchmal so laufen, wurde dann hier auch eine Stelle frei von meinem damaligen Betreuer. Und man hat mich dann gefragt, ob ich mir das nicht vorstellen könnte. Und ich habe mich dann darauf beworben und habe dann auch diese Stelle bekommen. Ich bin hier wissenschaftlicher Mitarbeiter gewesen, habe auf dem Thema dann auch promoviert.

Also das ist dann natürlich etwas anders gelagert, das Thema etwas breiter aufgestellt gewesen. Ja, so bin ich hier dann wissenschaftlicher Mitarbeiter geworden. Normalerweise ist auch diese Zeit hier dann typischerweise nach viereinhalb Jahren vorbei, etwa. Manchmal gibt es dann auch die Option, dass man noch eine größere Verantwortung übernehmen kann, zum Beispiel als Abteilungsleiter.

Und auch diese Aufgabe habe ich dann natürlich gerne genommen. Da habe ich mich schon damals immer nach Alternativen umgeschaut, aber habe immer gedacht, so richtig vielseitig ist das, was man da an Alternativen angeboten bekam, nicht. Zumindest nicht zu vergleichen in der Vielseitigkeit mit dem, was man hier in so einem Institut bekommt. Und deswegen hat mich das gereizt und ich bin hier Abteilungsleiter geworden.

Für den Bereich, in dem auch die Plasma-Aktivitäten damals lokalisiert wurden. Also mein richtiger Titel heißt Wissenschaftlicher Direktor. Das habe ich eben nicht richtig abgelesen von meinem Manuskript hier. Und das ist eben auch das Schöne, weil wir gar nicht so richtig in einem Manuskript vorgehen.

Mich interessiert natürlich: Die Flasche war jetzt der Auftakt. Aber Sie arbeiten heute natürlich auch noch mit anderen Dingen, nehme ich an. Darüber wollen wir gleich auch sprechen, bevor wir das tun. Das IKV – Sie haben zwar den Professor vorne vor dem Namen, aber das IKV ist ja keine Universität.

Mission und Aufgaben des IKV

Wie genau ist das mit dem IKV? Was macht das? Und welche Mission verfolgt das IKV überhaupt? Ja, das ist eine durchaus längere Geschichte, die man dazu erzählen kann und muss.

Ich versuche es aber so kurz zu halten, wie es nun geht. Also das Institut für Kunststoffverarbeitung gehört schon irgendwo auch der RWTH an. Wir sind ein sogenanntes An-Institut. Das ist ein gewisses Unwort, aber man versteht das, glaube ich, sofort, wenn ich mal erläutere, wie das zustande gekommen ist.

Gründet worden ist das Institut 1950 von damals sechs Parteien, die erkannt haben: 1950 – das mit den Kunststoffen, das wird wohl was. Wir müssen uns mal überlegen, wie wir eigentlich diese Kunststoffe verarbeiten wollen, weil damals das Ganze noch in den Kinderschuhen stand. Also die Maschinen, Extruder und Spritzgussmaschinen, die es heute existieren, die kannte man damals noch gar nicht. Es gab auch kein Institut, das sich damit so wirklich schwerpunktmäßig beschäftigt hat.

Und das waren diese sechs Unternehmen oder sechs Parteien, sage ich mal, neutral – das waren nämlich nicht nur Unternehmen, die damals schon die Vision gehabt haben: da müssten wir unbedingt was tun. Wir brauchen ein Institut, das sich mit der Verarbeitung von Kunststoffen beschäftigt. Wenn man sich heute diese Kunststoffmengen anschaut – also diese typischen Zahlen, Kunststoffmenge über das Jahr –, dann sieht man genau in der Eskalierung, wie wir sie heute haben: heute etwa 400 Millionen Tonnen pro Jahr. Das ist doch weltweit, die 400 Millionen?

In dieser Eskalierung löst sich gerade 1950 die Kurve von der X-Achse. Das ist genau der Zeitpunkt, wo diese sechs Parteien die Vision gehabt haben: da wird sich was tun. Ich glaube nicht, dass da ein kausaler Zusammenhang ist zwischen diesem Lösen von der Kurve, aber man sieht doch trotzdem, dass das genau der Zeitpunkt gewesen ist, wo Kunststoffverarbeitung auf einmal eine große Rolle gespielt hat. So ist also dieses Institut gegründet worden – ein Institut der Industrie, das sind wir auch heute noch.

Wir haben sofort einen Kooperationsvertrag geschlossen mit der Universität hier, mit der RWTH Aachen. Das war auch von vornherein der Plan, um einfach eben auch eine Wissenschaftlichkeit sofort mit hineinzubringen und die Nähe zur Wissenschaft hineinzubringen. In den 60er Jahren hat die RWTH dann eben einen Lehrstuhl eingerichtet für Kunststoffverarbeitung, und das hat natürlich dazu geführt, dass wir dann in der Lage gewesen sind, in der Fachrichtung Maschinenbau dann auch Studierende auszubilden, die sehr viel stärker schon was mitgebracht haben, um dann auch hier in unserem Institut als Assistenten und wissenschaftlichen Mitarbeitern zu arbeiten. Und diese enge Kooperation, die besteht halt heute auch noch – also wenn man hier durch das Haus geht, dann kann man in aller Regel das gar nicht so richtig unterscheiden. Wir sind eigentlich vom Ankläger her ein Institut wie jedes andere Institut auch, haben aber eben noch diesen anderen Stammfuß über diesen Förderverein.

Also es ist ein gemeinnütziger Verein, der im Prinzip die Trägerin dieses Instituts ist. Genau, ja – auch getragen von den Mitgliedsfirmen logischerweise. Da können wir gleich nochmal drauf einstellen. Sie arbeiten aber nicht nur mit Maschinenbau zusammen. Sie haben natürlich einen Maschinenpark – das haben Sie beim Vorgespräch schon erwähnt –, aber Sie haben auch mit Materialien natürlich zu tun und auch großes Wissen. Wo sehen Sie den Schwerpunkt?

Maschine, Material oder eine Mischung aus allem? Oder wie ist das eigentlich? Wie muss ich mir das vorstellen? Ja, also klar, wir sind das Institut für Kunststoffverarbeitung, so heißen wir, aber am Ende machen wir Kunststofftechnik.

Kunststoffverarbeitung von Entwicklung bis Schadensanalyse

Also wenn man Kunststoff verarbeiten will und gerade in diesem Gebiet auch etwas entwickeln will, dann muss man natürlich den Werkstoff sehr genau kennen. Man muss natürlich sehr genau wissen, in welchem Zustand befinden sich diese Werkstoffe eigentlich auch während des Verarbeitungsprozesses. Dazu ist einfach werkstofftechnisches Wissen Voraussetzung, man muss dazu rheologische Grundkenntnisse haben, man muss natürlich – also es geht bei uns dann auch um die Produktentwicklung beispielsweise, eben nicht nur bei Folien, sondern auch bei Spritzgießprodukten. Und das heißt, man muss eben auch ein wenig Kenntnisse haben von der Auslegung von Kunststoffen, heißt eben designtechnische Fragestellungen, man muss natürlich mechanische Modelle beherrschen, mehr oder weniger, um Kunststoffverhalten simulieren zu können.

Oder es geht dann hinten rein bis in die Schadensanalyse beispielsweise, wenn also irgendwelche Produkte mal nicht das leisten, was sie leisten sollen, oder weil sie vielleicht missbraucht worden sind, dann muss man natürlich da auch mit der entsprechenden Analytik und Prüftechnik herangehen können, um herauszufinden, was da mit diesen Teilen passiert worden ist, um sicherzustellen, dass es nicht nochmal. Also diese ganze Analytik, die dazu da ist, werkstofftechnische Fragestellungen aufzuklären, Werkstoffzustände zu beschreiben, dann die Entwicklung von Verarbeitungsprozessen, die Weiterentwicklung von Arbeitsprozessen, bis hin zur Beschreibung der Eigenschaften der fertigen Produkte und das Ganze auch simulativ abzubilden. Das ist eigentlich so ungefähr mal ganz grob gesagt das, was wir als gesamtes Spektrum abbilden. Das ist eigentlich die gesamte Kunststofftechnik, die dabei eine Rolle spielt.

Wir sind ja dann auch in allen Branchen unterwegs, die man sich vorstellen kann, so wie Kunststoff eben auch in aller Breite unterwegs ist. So befinden wir uns eben auch dort aus diesen Feldern. Ich selber bin ja auch Werkstoffingenieur, habe in Osnabrück studiert, damals an der Fachhochschule. Das ist natürlich ein ganz anderer Schnack, aber wir waren eben auch sehr praktisch orientiert.

Mich hat es ja dann in die Folienindustrie, und darüber wollen wir heute auch besonders sprechen, die Flexpack-Industrie, wie wir heute sagen, weil es nicht nur um Kunststofffolien, sondern um alle rollbaren Materialien geht in dieser flexiblen Verpackungsindustrie, um die ich mich ja im Speziellen kümmere. Und da haben Sie jetzt sich auch mit Barrieren beschäftigt. Da wollen wir jetzt mal ein bisschen reingehen. Was haben Sie denn überhaupt für ein Labor?

Was ist das überhaupt, wenn Sie von Barriere sprechen und wie erzeugen Sie die? Gut, also wenn man Barriere sagt, dann denkt man dann allgemein an EVOH, beispielsweise bei Folien, auch bei Ridges denkt man ja durchaus an EVOH oder an Blends oder an Polyamide oder sowas in dieser Art und Weise. Das machen wir natürlich auch, wobei das da eher prozesstechnische Fragestellungen sind. Wie bringt man sowas gut zusammen und so weiter, wie dünn kann man es ausfahren und so weiter.

Was wir seit vielen Jahren schon machen, das ist eben die Beschichtung mithilfe von Plasma-Prozessen. Seit den 80er Jahren, seit 1983 sind wir unterwegs. In diesen Plasma-Prozessen haben wir selber immer Anlagen entwickelt, um Plasmaprozesse zu realisieren. Das fing damals an mit Hohlkörpern.

Eigentlich ging es damals darum, einen Automobil-Tank aus Kunststoff, das waren die ersten Automobil-Tanks aus Kunststoff, diese Tanks mit einer Barriere auszurüsten, weil die nämlich ohne eine weitere Ausrüstung – die sind ja nun mal nur aus PE gewesen – mehrere Gramm Benzin verloren haben, allein durch Permeation. Das musste man natürlich verhindern, und da war die Plasmatechnologie eine der wesentlichen Technologien, die damals diskutiert worden ist. Beruht darauf heute auch noch das Beschichten von Rollenware, das Sie heute machen? Ist das noch immer der Grundzug eigentlich?

Ja, das ist genau die gleiche Technik, die man dazu benutzt. Man muss es nur ein bisschen anders arrangieren. Das Thema mit den Hohlkörpern, das haben wir dann weitergeführt. Wir haben das in Getränkeflaschen gebracht.

Plasmabeschichtung flexibler Verpackungsfolien

Da waren wir zumindest schon in einem Verpackungssektor auf einmal drin. So ging das dann in diese Richtung. Und dann haben wir natürlich auch angefangen, ein bisschen grundlegende Hohluntersuchungen zu machen. Und dazu sind diese Hohlkörper auch nicht immer geeignet.

So kam das dann, dass man sich dann beispielsweise auch ebene Substrate benutzt hat, wie Polycarbonate oder so was. Dann hat man da Kratzfestbeschichtung drauf gemacht, eine richtige Schichtentwicklung drauf gemacht. Dann sind diese ebenen Substrate einfach ein bisschen der Analytik zugänglicher. Das kann man etwas einfacher in aller Regel dann darstellen.

Und so kamen wir dann eben von den Hohlkörpern ursprünglich auf die ebenen Substrate. Und dann kamen natürlich irgendwann noch auch die Anfragen, wie ist denn das eigentlich mit den Folien, die brauchen noch auch eine Barriere. Das Thema, das ist auch größer geworden, ich würde mal sagen vor allen Dingen in den letzten 15 bis 20 Jahren, vielleicht in den letzten 10 Jahren vor allen Dingen, wo man eben dann auch für Kunststofffolien alternative Barrieren gesucht hat. Die Recyclingfähigkeit dieser herkömmlichen Barrieren ist ja bekanntermaßen nicht allzu hoch eingestuft vom Verpackungsregister, weil man halt einfach die ganzen Stoffströme verunreinigt damit.

Und das liefert natürlich dann relativ schlechte Bewertungen, was die Recyclingfähigkeit angeht. Und diese Schichten, die wir hier produzieren können, das sind dann auch sehr unterschiedliche Beschichtungstypen in ihrer Chemie. Also Beispiele sind so SiOx-Schichten. Das kennt man vielleicht, also glasähnliche Beschichtungen, die man dann mit nur wenigen Nanometern aufbringt, die aber dann eine ähnliche Wirkung haben wie eine Barriere, eine herkömmliche Barriere mit einem EVOH von einigen Mikrometern beispielsweise.

Und die stören das Recycling dann weniger. Habe ich das richtig verstanden? Ja, die werden vom Verpackungsregister eben auch so eingestuft, dass sie das Recycling nicht stören. Ich glaube, der wesentliche Punkt dabei ist tatsächlich, dass diese SiOx-Schichten, wenn man sie so gestaltet, ja auch der Natronlauge extrem zugänglich sind.

Das heißt, die werden quasi abgewaschen mit Natronlauge. Das ist ja wie Glas, Glas wird ja auch angegriffen. Sodass die also den weiteren Recyclingprozess nicht stören. Deswegen werden die sehr gut eingestuft vom Verpackungsregister.

Also als vollrecyclingfähig. Abgesehen davon ist es ja auch eine unheimlich dünne Schicht. Sie sprachen ja von Nanometern. Jetzt stelle ich mir natürlich vor und ich habe auch ein bisschen Erfahrung mit diesen anorganischen Barrierschichten.

Die auf so einen Hohlkörper aufzubringen, ist ja schon eine Herausforderung für sich. Aber auf eine Folie aufzubringen, flächig, gleichbleibend, stelle ich mir schwieriger vor. Würden Sie sagen, das ist schwieriger, oder ist es einfach nur eine Frage der Prozessparameter und des Maschinenbaus? Und dass eben das, was man im Hohlkörper innen vollflächig abschaltet, eben auch in der Fläche schön gleichmäßig hinkriegt?

Herausforderungen bei Folienbeschichtungen

Ja, es kommen halt einfach andere Herausforderungen. Ich würde jetzt nicht sagen, das eine ist schwerer oder leichter. Der Vorteil bei dieser Hohlkörperbeschichtung ist einfach, man kann eine Anlagenkonzeption machen, bei der der Hohlkörper eigentlich der Reaktor ist. Und das sorgt dafür, dass Sie eigentlich einen neuen, sauberen Reaktor haben mit jedem Hohlkörper, den Sie beschichten.

Und so eine Konstellation war letztendlich auch das Ziel der anderen Entwicklungen, die wir gemacht haben. Zu versuchen eben, dass der Reaktor nicht ständig irgendwo auch durch diesen Beschichtungsprozess mit verändert wird und damit wir so eine Art Prozessalterung bekommen, weil sich diese Schichten eben nicht nur auf dem Substrat ablagern, sondern eben auch auf anderen Anlagenteilen, was natürlich dann für Veränderung sorgt. Genau, das ist so ein wesentlicher Punkt gewesen, an dem wir konstruktiv gearbeitet haben. Auf der anderen Seite spielt auch nochmal eine große Rolle, dass man jetzt bei einer Folie ja beispielsweise dann über eine Breite von 1,20 Meter, 1,50 Meter, 2 Meter und vielleicht sogar noch mehr, mehr oder weniger auch eine homogene Schichtdicke abfahren muss und eine homogene Schicht-Chemie erreichen muss.

Und das ist in der Tat nochmal eine ganz neue Herausforderung, die mit diesen Beschichtungsmaschinerien nicht so ganz einfach zu handhaben ist. Da arbeiten wir im Moment sehr intensiv dran, sowas genau darzustellen und auch zu entwickeln. Da sprechen Sie schon meinen nächsten Fragepunkt an. Sie haben auch 2024 unter anderem eine Veröffentlichung vorgelegt zum Thema Defekte in SiOx-Schichten.

Weil eigentlich, von der Physik her, müsste die Schicht ja absolut dicht sein. Ist sie aber nicht. Es permeiert immer noch ein bisschen was durch. Was steht da drin?

Was haben wir gelernt? Und was können wir Folienleute davon lernen, wenn wir die Defekte in den SiOx-Schichten verstehen? Das Thema Defekte in SiOx-Schichten ist schon relativ alt. 2024 ist nur eine Publikation dazu.

Es gibt nicht nur von uns, sondern auch von vielen, vielen anderen maßgebliche Veröffentlichungen dazu. Es ist in der Tat nicht ganz so, wie Sie sagen. Auch eine perfekte SiOx-Schicht wäre nicht ganz dicht. Da würde immer noch etwas hindurchpermeieren.

Deutlich weniger als das, was man so kennt von der Größenordnung. Aber der wesentliche Stofftransport von SiOx-Schichten passiert tatsächlich durch Poren. Das sind dann teilweise Poren, die gehen durch die gesamte Schichtdicke durch. Oder das sind Bläschen-artige Poren, sodass man sich vorstellen kann, dass dann permanent von Pore zu Pore hüpft.

Aber dann eben diese Poren nur sehr dünnwandig begrenzt sind voneinander, wodurch natürlich dann so ein Permeationsprozess deutlich begünstigt wird. Das ist der eine wichtige Punkt dabei. Das kann man sich über verschiedene Möglichkeiten gut darstellen. Ein wichtiges Ding dabei ist auch noch, dass dieser Effekt eben nicht gleich ist für alle Permeanten.

Wasserdampfpermeation und Porenstruktur

Beispielsweise ist es so, dass bei Wasserdampfpermeation diese Poren eine ganz andere, noch viel intensivere Rolle spielen als bei Sauerstoffpermeation. Sie können also zum Beispiel eine gute Barriere gegenüber Sauerstoff erzeugen mit SiOx-Schichten. Das heißt aber noch nicht, dass dies auch eine gute Barriere gegen Wasserdampf ist. Andersrum schon.

Andersrum schon, wollte ich sagen. Weil wir sagen auch immer in unseren Seminaren, lehren wir auch immer gute Wasserdampfbarriere mit anorganischen Schichtungen, hat eigentlich auch immer eine gute Aroma- und Sauerstoffbarriere zur Folge. Andersrum aber nicht. Gibt es dafür Erklärungsansätze, warum das nicht so ist?

Aus dem Handgelenk her gesagt, es hängt natürlich vor allen Dingen mit der Polarität des Permeanten ab. Das ist sehr polar. Wir haben eine Wasserstoff-Sauerstoff-Bindung, die eine sehr starke Polarität hat. Und dadurch sind die Wechselwirkungen mit den Schichten einfach ganz andere.

Dadurch können sich wirklich Filme bilden auf den Poren, die dann letztendlich diesen Transport noch mal komplett beschleunigen und damit eben für einen steuernden stärkeren Durchsatz sorgen, obwohl der Sauerstoff eigentlich durch seine Größe schon in dieser Pore mehr oder weniger herumpendelt, aber nicht mehr zielgerichtet dadurch transportiert. Diese drei Schritte, Adsorption, Diffusion, Desorption, das ist ja immer das, um da irgendwie durchzukommen. Und das kann man sich vorstellen mit einem polaren SiOx und einem polaren Wasserdampf, ist das wahrscheinlich anders als mit einem Sauerstoffmolekül, was da vielleicht irgendwie durchfällt. Auf Folie verhält sich das anders als bei Hohlkörpern?

Oder sind das eigentlich die gleichen Mechanismen? Wenn wir den gleichen Grundstoff jetzt mal haben, den gleichen Kunststoff. Ja, also den gleichen Grundstoff. Sie meinen jetzt zum Beispiel Polyethylen.

Dann hat er ja immer noch eine unterschiedliche Oberfläche. Wenn man Polyethylen blasformen würde als Hohlkörper, dann würde das ja von innen quasi durch Luft ausgeformt werden, während bei einer Folie das Ganze irgendwie durch Walzen oder ebenfalls durch Luft ausgeformt wird, je nachdem, wie wir die Folie erzeugen. Und das alleine sorgt für unterschiedliche Rauhigkeiten. Und diese Rauhigkeiten wiederum sorgen dafür, dass der Schichtabscheideprozess davon unterschiedlich beeinflusst wird.

Man kann sagen, je rauer die Oberfläche ist, desto stärker wird jeder Rauhigkeitspiek dann auch als einen Wachstumskeim interpretiert von dem Wachstumsprozess, sodass sich quasi um jede Spitze herum so ein kleiner Blumenkohl bildet, der dann da wächst. Und dann wachsen die Blumenkohle erst zusammen. Und dadurch haben sie dann eben zwischen den Blumenkohlen relativ viele Lücken und Säulen und Blasen und Freiräume, durch die dann bevorzugt die Permeation stattfinden würde. Hätten sie nun eine glattere Oberfläche, dann würde dieses Blumenkohlwachstum weniger stark beeinflusst werden.

Sondern man hätte ein wesentlich langsameres Wachstum, das aber dann auch viel, viel glatter sein würde. Und damit auch in aller Regel deutlich geschlossener. Man hätte also nicht mehr diese Korngrenzen, durch die dann eben diese Restpermeation stattfinden kann. Das ist aber nur der eine Punkt.

Additive in Polyethylenfolien als Störstellen

Also man muss jetzt noch berücksichtigen, dass bei einem Polyethylen, das für eine Folie verwendet wird, ja noch andere Additive drin sind. Wie Antiblockteilchen beispielsweise oder sowas. Das hat man zumindest noch mal erkennen, ist bei einem Hohlkörper nicht so drin. Und diese Antiblockteilchen haben ja gerade die Funktion, an die Oberfläche zu migrieren.

Und die sorgen letztendlich genau dafür, dass sie als Störstelle für das Schichtwachstum fungieren können. Man kann da auch wieder Maßnahmen einleiten mit den Plasmaprozessen. Aber das muss man natürlich wissen, beherrschen und auch wissen, wie man damit umgehen kann. Es gibt ja gar nicht so viele Anbieter von Siliciumoxid bedampften Folien.

Und man hat ja mit Polyester eigentlich so als Standardsubstrat begonnen. Er hat dann später auf biaxial orientierte Polypropylen beschichtet. Kann man heute auch weltweit kaufen. Die sind dann auch meistens sterilisierfest oder retortfähig, wie man das ja auch neudeutsch sagt.

Aber ich habe jetzt ja gerade von Ihnen gelernt, die Topographie, aber auch der Werkstoff selber hat einen großen Einfluss auf die Ausbildungsqualität der SiOx-Schicht. Wenn ich jetzt überlege, ich habe jetzt Polyethylenterephthalat – PET – und will jetzt einen Polyolefin mit Siliciumoxid bedampfen. Da kann ich also nicht sagen, ich nehme die eine Rolle raus, die andere Rolle rein, ich stelle ein bisschen Temperatur runter oder rauf und dann geht es los. Man muss wirklich Forschung betreiben, wenn man das machen will.

Oder wie muss ich mir das vorstellen, als Siliciumoxid bedampfen? Also ich würde das auch nicht als Bedampfungsprozess bezeichnen. Das ist eine Abgrenzung zu den PVD-Prozessen, sondern das hier ist wirklich ein chemischer Prozess. Man nennt das dann PECVD.

Das ist ein Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition. Also aus der chemischen, aus der Dampfphase heraus scheidet man chemisch ab und man regt das an eben durch ein Plasma. Ganz wichtiger Hinweis, weil alle sprechen von Bedampfen, auch bei Siliciumoxid ist, werde ich mir jetzt abgewöhnen. Also das ist wirklich eine chemische Abscheidung, habe ich jetzt von Ihnen gelernt.

Eine chemische Gasphasenabscheidung im Deutschen, kann man sagen. Und dieser Prozess, weil er eben ein chemischer Prozess ist, sucht er natürlich auch Ankopplungsmöglichkeiten an die Oberfläche. Und ob Sie nun ein Polyethylen haben oder Polypropylen haben oder PET haben, ist dann schon durchaus ein großer Unterschied. Das kennt man ja auch von anderen Beschichtungsverfahren, wenn man dann die Polyolefine irgendwie Corona behandelt oder in einer anderen Weise vorbehandelt, einfach um dort Hydroxygruppen einzubauen, die dann eben eine höhere Polarität haben und bessere Ankopplungspunkte bieten, auch für die chemische Gasphasenabscheidung.

Ähnlich kann man das auch machen für die SiOx-Schichten, wenn man die abscheiden möchte. Allerdings hat man eben bei den Plasmaprozessen noch viel mehr Möglichkeiten. Bei einer Corona-Behandlung ist ja ein relativ einfacher Prozess. Sie erzeugen damit Hydroxygruppen, sie haben konkurrierenden Abbau, polymeren Abbau, den sie im Griff haben müssen logischerweise.

Multi-Schicht-Prozesse im Plasmareaktor

Aber das war es in der Regel eigentlich auch. Bei den Plasmaprozessen können Sie in einem und demselben Reaktor SiOx-Schichten abscheiden. Sie können eine Sauerstoffbehandlung machen, Sie können eine Argonbehandlung machen, Sie können mit anderen Dämpfen dort eine Vorbehandlung machen und haben damit viel, viel mehr Möglichkeiten, auf ein gegebenes Substrat abzuscheiden. Und was dann passiert, ist nicht ein Forschungsprozess.

Ich glaube, den Begriff haben Sie gerade eben benutzt. Das würde ich so als typische Schichtentwicklung beschreiben. Haben wir ein neues Substrat, da muss man sich erstmal anschauen, was hat das denn für Eigenschaften. Natürlich geht man da erstmal mit so Standardparametern dran, guckt dann aber beispielsweise, was erreichbar ist für eine Permeationshemmung.

Die ist in aller Regel nicht so, wie man das am allerbesten scannt. Und dann fängt man eben an mit Hilfe von verschiedener Analytik zu eruieren, was man denn tun kann, um das zu verbessern. Ich kann mich an eine Entwicklung erinnern, da hat ein großer Polyesterfolienhersteller zum Beispiel eine PEN-PET-Mischung aufkoextrudiert auf seine PET-Folie, also eine Dreischichtfolie quasi gemacht, um eben mit der PEN-Schicht nochmal auch die Permeation zu verbessern. Das hat auch in der Praxis geklappt.

Wir haben natürlich damals nicht verraten, was dahinter lag. Da vermuteten natürlich alle auch schon eine gleichmäßige SiOx-Schicht auf diesem PET-PEN. Und PEN hat an sich ja auch schon eine bessere Sauerstoffbarriere. Welche Rolle spielt denn hinsichtlich der Sauerstoffbarriere, wenn wir jetzt wieder an die Defekte denken?

Die Barriere des Substrates, Polyolefine zum Beispiel, für Sauerstoff – offenes Fenster – geht alles so durch. Ist das dann auch für die Sauerstoffbarriere mit Siliziumoxid schon von vornherein schwieriger, auf z.B. ein OPP im Vergleich zum PET eine gute Sauerstoffbarriere mit SiOx herzustellen? Ja, da ist jetzt die Frage, wie man es misst.

Misst man das jetzt absolut einfach in Kubikzentimetern mit der Tag und Bar? Oder reden wir über Verbesserungsfaktoren? Ja, richtig. Wenn man Verbesserungsfaktoren nimmt, dann sind natürlich die Polyolefine immer die Favoriten.

Man erreicht dann auch natürlich mit einer noch nicht mal allzu guten Schicht locker viele Verbesserungsfaktoren von 100 oder sowas. Das kriegt man schon locker hin, aber nur, weil die Basis so schlecht ist. In aller Regel ist es aber so: Wenn Sie jetzt den ein und denselben Reaktor nehmen und Sie würden einerseits eine Polyethylenfolie beschichten, eine Polyethylenfolie beschichten, eine PET-Folie beschichten, dann können Sie davon ausgehen, dass genau dieser Parameter auf der PET-Schicht eine bessere Barriere entwickelt, also nur die Schicht für sich gesehen, eine bessere Barriere entwickelt, als auf der PE-Folie. Wegen der unterschiedlichen Rauhigkeiten usw.

ist das halt einfach grober, was auf der PE-Schicht aufwächst, als das, was auf der PET-Schicht aufwächst. Aber wie gesagt, man kann auch da noch rangehen mit Prozessparametern und mehrlei Geschichten abscheiden, die quasi so als Puffer gelten und die Eigenschaften der Folie so ein bisschen abpuffern, sodass man also sich mit ein bisschen Behelfen eine Oberfläche schaffen kann, auf der dann die Barriere ihre maximale Wirkung ist. Also fast eine Art Primer-Schicht sozusagen, die dann so ein bisschen die Beschichtung unterstützt. Das macht man ja auch bei den Folien-Extrusionsbetrieben.

Oberflächenvorbehandlung für optimale Bedampfung

Man versucht ja dann natürlich eine Oberfläche zu erzeugen, die sich besonders gut bedampfen lässt. Nur Additive zu verwenden, die vielleicht nicht so stark migrieren oder die vielleicht gar nicht so sehr an der Oberfläche liegen. Wenn man überhaupt Additive braucht, die braucht man ja auch für die Prozessexklusion selber natürlich, da muss man natürlich auch gucken. Aber Sie haben ja immer den Vorteil, habe ich jetzt verstanden, dass Sie mit der SiOx-Chemie halt chemisch auch anpacken können und nicht nur prozesstechnisch.

Also wärmer, kälter, schneller, langsamer, sondern Sie können eben sagen, ich mache auch eine andere chemische Reaktion im Reaktor, damit ich diese vielleicht etwas schlechter zu beschichtenden Materialien dann eben doch gut beschichten kann, weil ich an der Chemie spiele. Ist es das ungefähr? Man hat bei diesem Prozess eine ganze Menge von Parametern. Das ist beispielsweise natürlich der Druck, unter dem ich abscheide.

Das ist aber auch die Auswahl der Precursor, die ich auswähle. Also zum Beispiel ein Hexamethyldisiloxan. Das ist so die typische Quelle für ein SiOx. Dann kann ich aber noch zusätzliche Gase dazu geben und ich kann auch dieses Verhältnis dieser Gasflüsse zueinander noch massiv variieren.

Dann kann ich variieren die elektrische Energie, die ich reingebe. Damit habe ich ganz unterschiedliche Anregungszustände im Plasma und damit begünstige ich auch ganz unterschiedliche chemische Reaktionen da drin. So kann man beispielsweise durch diese Variation der Parameter ganz gezielt SiOx-Schichten erzeugen. Das macht man indem man einen starken Sauerstoffüberschuss hineingibt in dieses Hexamethyldisiloxan.

Oder man nimmt diesen Sauerstoff deutlich zurück. Dann bekommt man SiOx-Schichten mit X fast gegen zwei. Oder man nimmt diesen Sauerstoff sehr stark zurück und dann bekommen sie eine Schicht, die einen sehr viel stärker organischen Charakter hat, sehr weich ist und auch sehr schnell aufwächst. Im Übrigen, die auch sich sehr gut adaptieren kann an verschiedene Substrate.

Das ist dann quasi die Primer-Schicht, wie Sie es gerade eben genannt haben. Diese ganzen Parameter, die ich gerade eben genannt habe, es gibt noch ein paar mehr dazu, die kann man eben gezielt variieren und damit die Schichteigenschaften verändern. Aber man muss sie eben auch beherrschen in ihrer gesamten Vielfalt. Wenn ich jetzt so eine Plasma-Beschichtungsanlage hätte, könnte ich zu Ihnen kommen und mit Ihnen zusammen zum Beispiel so eine Optimierung durchführen.

Oder was ist eigentlich Ihr Angebot an die Industrie? Wir sind ja ein Forschungs- und Entwicklungsinstitut. Das heißt, wir bieten, da wir so anwendungsnah sind, natürlich sehr gerne der Industrie unsere Kooperation an. Das ist eigentlich das, wofür wir leben.

Um das zu tun, machen wir dann hier und da auch noch mal ein bisschen Grundlagenforschung. Aber ich sage das mal so einfach ganz massiv her. Das ist nicht unser Zweck. Unser Zweck ist wirklich die Kooperation mit der Industrie und wirklich Dinge zu entwickeln, die dann noch auf den Markt kommen.

Industrielle Umsetzbarkeit von Plasmatechnologie

Das, was wir hier im Bereich Plasmatechnologie machen, ist natürlich vom Umsetzer der industriellen Umsetzbarkeit so noch nicht gegeben, logischerweise. Wir haben zwar hier ein Labor, in dem wir Beschichtungen machen können. Da haben wir Anlagen stehen, die wir alle selber gebaut haben. Also von den Rezipienten, also von der Vakuumkammer selber über die Mikrowelleneinsteuerung, über die Gasversorgung, über die Steuerung des gesamten Prozesses, die Datenerfassung usw.

Das sind Anlagen, die wir selber konstruiert haben, die wir auch im Übrigen sehr viel mit Sensorik ausbauen können, sodass wir auch sehen können, wie sich das, was wir von außen an Parametern einstellen, sich innen im Plasma auswirkt. Und damit können wir eben dann solche Machbarkeitsanalysen sehr schön machen und wir können das eben auch weiter treiben, bis eben in die Schicht entwickeln. Also wirklich gucken, wie muss denn die Schicht zusammengesetzt sein, damit sie ein bestimmtes Eigenschaftsportfolio tatsächlich reichen kann. Das machen wir hier bis zu Größen.

Also bei Flaschen bis zu Literflaschen oder sowas, zwei Literflaschen, können wir das locker machen. Nach unten sind wir so auf typische Spritzen hin begrenzt. Dann müsste man noch mal ein bisschen anders schauen. Und bei den Folien haben wir so typischerweise DIN-A4-Größe erst einmal, sind aber momentan auch dabei, eine Anlage zu entwickeln, die wirklich in Form von Bahnware durchlaufend beschichten kann.

Diese Anlage ist noch nicht geeignet für industrielle Zwecke, aber sie zeigt schon mal den Weg dorthin. Und dann haben wir natürlich entsprechende Kontakte zu Unternehmen, die dann eben dort ankoppeln können und mit denen wir dann erarbeiten können, okay, wie müsst ihr denn eure Anlagen einstellen mit diesen Schichtsystemen? Unsere Zuhörer interessiert jetzt natürlich die Bahnbeschichtung.

Und da haben Sie mir auch schon verraten, dass das was Besonderes ist. Denn Sie machen kein Badge-Verfahren beim DBD-Beschichten von bahnförmigen Materialien. Sondern Sie machen das anders, oder? Ja, genau, wir machen das anders.

Wir haben nämlich uns überlegt, wir müssten eigentlich, so wie der Extrusionsprozess und alle nachgeschalteten Prozesse auch sind, etwas Kontinuierliches haben. Das, glauben wir, findet eine wesentlich höhere Akzeptanz insgesamt. Und so genau haben wir uns dann auch mal ein wenig umgeschaut. Das, was wir da jetzt aufgebaut haben im Labor, das hat halt Neuheitswert.

Aber die grundsätzliche Idee, die ist eigentlich schon in Patenten zu finden. Ich glaube, aus dem Ende der 90er Jahre, Anfang der 2000er Jahre. Das heißt, man führt nämlich die Bahnware jetzt endlich durch ein Schleusensystem ein – in die eigentliche Vakuumkammer. Und das haben wir tatsächlich realisiert.

Und das funktioniert auch tatsächlich, wie wir das festgestellt haben. Das Geheimnis dabei ist eben, man hat ein Schleusensystem, das aus Schlitzen besteht. Durch diesen Schlitz wird eben die Folie geführt. Man muss gucken, dass diese Schlitze eine nicht zu große Breite haben, sodass man in einen Bereich einer Blockströmung hineinkommt.

Durchlaufanlagen mit mehreren Beschichtungsaggregaten

Dann ist das Ganze nämlich auf einmal druckabhängig. Und dann genug Schleusen hintereinander bastelt. Dann kann man eben diese Folie vom Atmosphärendruck bis in einen Druckbereich hineinführen, der dann eben dem Beschichtungsdruck entspricht. Also sagen wir mal 1 Millibar oder sowas.

Da führt man dann die Folie entsprechend vorbei an den Beschichtungsaggregaten, die eben auch nochmal besonders ausgeführt sind. Und anschließend nach der Beschichtung führt man sie durch ein ähnliches Schleusensystem wieder heraus in Atmosphärendruck und kann die Folie dann wieder auf die Walze aufrollen. Jetzt hört sich das für mich als Ingenieur wahnsinnig kompliziert an. Warum machen Sie es nicht einfach bei normalem Druck?

Es gibt ja auch immer wieder Bemühungen, SiOx bei Atmosphärendruck oder leicht darunter aufzubringen. Warum geht das bei Ihnen nicht mit dem Plasma? Also das geht schon. Das könnte man schon machen.

Aber so wie ich diese Prozesse immer gesehen habe, die bei deutlich höheren Drücken verlaufen, sind diese Prozesse sehr störanfällig. Die Schichten erreichen nicht diese Eigenschaften, weil bei höheren Drücken ganz andere Chemie stattfindet. Und es ist zudem auch noch ziemlich schwierig, dass außer dem Beschichtungsgut auch noch alles andere mitbeschichtet wird. Da gibt es ein paar Nachteile, die ich sehe, was uns nie dazu bewogen hat, da tiefe Forschung reinzubringen.

Wir haben uns damit mal befasst, aber ganz schnell wieder die Finger davon gelassen. Ich weiß, dass solche Systeme durchaus auf dem Markt sind und darüber diskutiert wird. Aber ich glaube, dass wir mit unseren Schichtsystemen am Ende einen Vorteil haben, dass wir sowieso durch den Niederdruck eine astreine, saubere, gut definierte Atmosphäre haben. Und das gelingt eigentlich bei den Atmosphärendruckplasmen so in der Form nicht, es sei denn, man würde das Ganze wieder mit Stickstoff spülen, aber der wird sich wieder beteiligen an einem gesamten Prozess.

Das müsste auch alles immer gleich sein. Man müsste da schon einige Maßnahmen treffen, um diesen Prozess wirklich auch stabil zu machen und resilient zu machen gegen äußere Einflüsse. Und das ist bei uns eben nicht der Fall. Das ist wesentlich einfacher.

Wenn man einmal diese Hürde übersprungen hat, sich mit der Vakuumtechnik zu befassen, dann stellt man auch fest: Okay, das ist alles gar keine große Zauberei. Das sind natürlich Investitionskosten, das ist schon richtig. Aber am Ende hat man einen Prozess, der in eine Atmosphäre abläuft, die unheimlich gut kontrollierbar ist und vor allen Dingen ziemlich konstant ist. Und gerade bei diesen dünnen Schichten brauchen wir eben eine Topqualität, damit wir keine Ausfälle haben, damit eben die eine Verpackung, die dann sonntags morgens auf dem Frühstückstisch steht, eben nicht verdorben ist.

Darum geht es uns Flexpackern ja. Jetzt haben wir schon einen ganz weiten Bogen gespannt. Wir haben über Prozessparameter gesprochen, über Chemie, über Substrate, aber es gibt ja auch noch andere Beschichtungsverfahren. Das Aluminiumoxid ist in aller Munde, boomt im Moment wahnsinnig.

Aluminiumoxid als etablierte Beschichtungstechnologie

Und das ist ja wirklich eigentlich dann keine chemische Abscheidung mehr. In dem Sinne glaube ich, so unterscheiden das auch von Ihrem Prozess, wenn ich das richtig verstehe. Was ist der Vorteil Ihres SUX-Prozesses im Vergleich zu diesem Aluminiumoxid? Jetzt mal ganz explizit diese beiden gegenübergestellt.

Also Aluminiumoxid ist natürlich die echter etablierte Technologie. Die ist schnell, die ist soweit sauber, die ist installiert an vielen Stellen schon. Die SUX-Technologie ist das in diesem Ausmaße noch nicht. So habe ich das zumindest noch nicht gesehen.

Für Hohlkörper ist das wiederum etwas anderes. Da ist es genau umgekehrt, würde ich sagen. Aber bei Folien eben nicht. Ich glaube, dass der entscheidende Punkt dabei ist, dass man mit dieser Entwicklung der SUX-Beschichtungsanlagen noch nicht so weit gewesen ist.

Und dass da so Punkte wie diese Beschichtung von Anlagenteilen, beispielsweise die Prozessalterung, wir nennen das dann parasitäre Beschichtungen, dass das zum großen Teil eben ein großes Problem darstellt. Dadurch haben sie relativ kurze Reinigungsintervalle, sie haben Stillstandszeiten und das ist am Ende erst einmal für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses nicht zuträglich. Ich glaube, dass das das Hauptproblem ist. Und dann kommt noch dazu, so wahnsinnig viele gibt es ja nicht, die sich mit der SUX-Schichtanlagen entwickeln.

Natürlich gibt es schon einige, aber so richtig breit gefächert ist das nach meiner Kenntnis nicht. Und das ist wahrscheinlich der Grund, warum das momentan noch nicht so eine Verbreitung gefunden hat. Ich merke aber dennoch, dass wir gerade in diesem Projekt, in dem wir diese Anlage entwickelt haben, diese R2R-Anlage, so nennen wir das, diese kontinuierliche Beschichtung von Folie, dass da ein wachsendes Interesse besteht, auch zu sehen, was man mit SUX-Schichten machen kann, weil man einfach erkennt, dass man durch die Prozessparameter, auf die man Zugriff hat, auch wesentlich flexibler wirken kann auf die Schichteigenschaften, die man dort erreichen kann. Und das ist ja nicht nur Barriere, das ist ja dann auch Bedruckbarkeit und das ist vielleicht sogar Recyclingfähigkeit oder eben sogar die Entfernbarkeit von Druckfarbe beispielsweise, auf die man Einfluss nehmen kann.

Bleiben wir mal bei dem Thema Rezyklate, das hatten Sie zu Beginn schon gleich auch im Munde und da würde ich gerne noch mal ein bisschen tiefer bauen. Es gibt ja so die Vision bei den Lebensmitteltechnologen, dass man mit einer funktionellen Barriere, also einer dichten Schicht, quasi alle Rezyklate außen drauf packt auf eine Verpackung und innen dann diese saubere, dichte Schicht aufbringt und so quasi den ganzen Dreck aus dem Recyclingprozess, den man ja immer mitschleppt, Dreck in Anführungsstrichen, dann quasi vom Lebensmittel fernhält. Gibt es solche Entwicklungen auch mit so einer anorganischen DBD-Beschichtung? Kennen Sie da was?

Gibt es da Beispiele oder forschen Sie an sowas? Ja, also erstmal ist das natürlich ein ehrenwerter Gedanke, dass man mit so einer Beschichtung da alles zurückhalten könnte. Das halte ich für utopisch, das so zu machen. Aber ich glaube dennoch, dass DBD-Schichten dabei eine entscheidende Rolle spielen können.

Wir sind in diesem Feld schon seit längerer Zeit unterwegs. Das haben wir ebenfalls für Hohlkörper gemacht, aber eben auch für Folien, in dem wir uns beispielsweise einerseits angeschaut haben, wie lässt sich denn eigentlich auf solchen Rezyklaten eine Schicht überhaupt abscheiden und was für Eigenschaften hat diese Schicht dann? Mit dem ersten Gedanken natürlich, okay, wir haben ja darüber gesprochen, wenn wir andere Werkstoffe haben, haben wir andere Schicht-Eigenschaften erst einmal. Wir müssen das dann anpassen und ein Rezyklat ist ein anderer Werkstoff, egal woraus der Wissen ist.

Recyclatfolien mit Plasmabeschichtung

Das ist ja sowieso meistens ein Gemisch. Also fängt bei der Verwendung von Rezyklaten von vornherein eine neue Schichtentwicklung an. Damit haben wir uns eben auch beschäftigt. Wir haben also wirklich Granulate aus dem gelben Sack genommen, so wie sie auf dem Markt angeboten werden, und haben aus diesen Granulaten Folien gemacht.

Und diese Folien haben wir dann anschließend beschichtet. Da kann man erstmal sehr schön sehen, dass man mit einem geeigneten Schichtsystem, das ist dann ein Mehrschichtsystem, auch auf einer recycelten Folie und auch wenn die hier wirklich nicht appetitlich aussieht, trotzdem eine sehr gute Barriere erzeugen kann. Das geht wirklich in die gleiche Größenordnung wie die Barriere, die man auf einer Virgin-Folie erzeugen kann. Das ist ja erstaunlich eigentlich, weil wir ja viele Stippen auch haben.

Das ist ja das, wo die Folienbläser z.B. stark mitkämpfen bei dem Rezyklateinsatz in Blasfolie. Bei Gießfolie ist das ähnlich. Man versucht das dann oft abzudecken mit sauberen Virgin-Materialien, um dann wieder eine gleichmäßige Schicht zu kriegen.

Aber so richtig kriegt man die Pickel nicht wieder weg. Aber das stört sich scheinbar gar nicht so sehr, weil das wieder diese Blumenkohltheorie ist? Ja, weil man da einfach mehrschichtige Schichtsysteme abscheidet. Das sind aber wieder Puffersysteme, bei denen dann jeder neue Beschichtungsvorgang eine immer ebener werdende Oberfläche findet.

Und dadurch eben irgendwann mal die guten Barriereeigenschaften auch erreichen können. Der Estrichleger würde sagen, wir schlemmen das zu. Ja, ich glaube, zu schlemmen ist ein schönes Bild. Aber so funktioniert der Prozess eigentlich nicht.

Wäre gut, wenn man das so könnte. Das stimmt. Aber das war so der erste Ansatz, auf jeden Fall erst einmal zu sehen, was man damit erreichen kann. Und wir haben dann eben in nächsten Schritten sehr systematische Untersuchungen gemacht.

Wenn man jetzt mit Rezyklaten solche Schichtentwicklung machen will, hat man natürlich immer das Problem, kriegen sie heute eine Fuhre, dann hat die eine ganz andere Eigenschaft, als wenn sie nächste Woche nochmal eine Fuhre bekommen. Das heißt, man muss auch damit rechnen, dass die Rezyklatqualitäten sich natürlich saisonal unterscheiden. Und um diesem Problem ein wenig aus dem Weg zu gehen, erst einmal haben wir eben so ein Modell der Zyklate erzeugt. Das heißt, wir haben Virgin-Material genommen, das für Verpackungen verwendet wird, und haben dieses Virgin-Material ganz gezielt mit chemischen Substanzen kontaminiert, also die entweder volatil oder nicht volatil, polar oder nicht polar sind.

Das haben wir miteinander kombiniert, sodass man damit quasi so eine Art Worst-Case-Szenario erzeugen kann, mit dem wir dann eben erst einmal das Granulat kontaminiert haben und dann haben wir aus dem Granulat die Folie gemacht. Gleichzeitig haben wir dann entsprechende Analyse-Technik entwickelt, also Methodenentwicklung betrieben, mit deren Hilfe wir das auch quantitativ nachweisen können, was dann da drin ist. Und dann kann man natürlich hingehen und sagen, jetzt beschichten wir das Ganze mal mit einer SiOx-Schicht oder einer vielleicht etwas spezielleren Schicht und gucken mal, was dann noch daraus geht. Man kann also sehr genau dann gucken, was kann die SiOx-Schicht für diese verschiedenen Komponenten, also volatil, nicht volatil, polar und polar, was ja ein Riesenspektrum ist, was können diese Schichten da an Migrationshemmungen erreichen.

Verschiedene Abteilungen für Flexpack-Anwendungen

Und auch dieses Ergebnis ist erst einmal, ich rede nur vom Labor-Maßstab, muss ich jetzt erst einmal natürlich sagen, aber im Labor-Maßstab ist dieses Ergebnis äußerst ermutigend, sodass wir da momentan so einige Partner haben aus der Industrie, die sich dafür sehr interessieren, mit uns das zusammen weiterzuhelfen. Und da, dass er an dieser Stelle erwähnt, ist ja unser Flexpack-Experte, was Nachhaltigkeit und Recycling angeht, Professor Grefenstein bei Ihnen auch, ein ehemaliger Absolvent, zweitens aber auch noch Lehrender an der RWTH, wenn so viel ich weiß, und er beschäftigt sich nach wie vor auch mit all diesen Themen, auch im Namen seines Auftraggebers, einem großen Flexpack-Anbieter. Und so schließt sich eigentlich auch wieder so ein bisschen der Kreis. Ich will aber noch mal eben für unsere Zuhörerinnen und Zuhörer fragen, was ist das IKV eigentlich sonst noch so für die Flexpack-Industrie neben SiOx-Beschichtung und Versuchen und Technik und Labors anzubieten hat, wo man vielleicht auch Sie nochmal anrufen könnte, oder einen Kollegen von Ihnen, wenn da gerade eine Forschung gefragt ist, oder eine Weiterentwicklung, wie Sie sagen.

Die sind da sehr, sehr breit unterwegs. Wir haben hier verschiedene Abteilungen, wenn Sie jetzt über die Flexpack nennen Sie es, glaube ich, dann ist das vor allen Dingen eben unsere Abteilung Extrusion, die beschäftigt sich damit. Wir haben da eine Blasfolienanlage, wir haben da Flachfolienanlagen, wir haben Kompounder-Maschinen, mit denen wir dann auch Mischungen erzeugen können und Additive reinbringen können und so weiter und so fort. Wir haben eine Tiefziehanlage, mit der man die Folie also gegebenenfalls auch noch tiefziehen könnte, darüber hinaus natürlich auch noch Verfahren, mit denen wir Hohlkörper herstellen können.

Und das ist also unsere Ausrüstung, die sehr industrienah ist. Das sind normale Anlagen, die sind natürlich nicht so groß, wie die sollen. Erst wenn ich damit jetzt die angestrebte Tonnage zu machen, logischerweise, ist man in der Forschung auch immer ganz froh drum eigentlich, weil Sie sich ansonsten sehr viel mit der Müllentfernung beschäftigen müssen. Also das sind Anlagen, die sind einfach gut handhabbar, aber auf denen ist eben auch alles möglich.

Da können Sie Ihre Rezyklate darauf verarbeiten, das ist ein Vorteil natürlich, weil wir müssen nicht darauf achten, weil wir nicht im nächsten Moment damit Primärmaterial verarbeiten müssen. Also das lässt sich damit alles wunderbar simulieren und abbilden. Und mit diesem Equipment bieten wir natürlich auch eine ganze Menge von Leistungen an. Das machen wir dann in Form von Projekten verschiedenster Art, die teilweise noch laufen.

Beispielsweise, ich weiß nicht, ob Sie das kennen, das Projekt KI Optipack. Ein größeres Projekt, das vom BMBF finanziert worden ist und finanziert wird. Das läuft jetzt noch bis Juli, glaube ich, diesen Jahres, wo über 40 Industrie-Teilnehmer mit dabei gewesen sind, wo man sich also sehr viele Gedanken dazu macht, wie kann man mit Hilfe von künstlicher Intelligenz Optimierungen durchführen bei Kunststoffverpackungen mit einem variierenden Rezyklatanteil und mit einer variierenden Rezyklatqualität. Also wie können dann beispielsweise Maschinen ihre eigenen Strategien entwickeln, Regelstrategien entwickeln, um mit diesen variierenden Qualitäten zurechtzukommen.

Das ist für uns total hochinteressant, weil wir da eben auch mit den entsprechenden Industriepartnern zusammensitzen, also Firmen wie die Extrusionsmaschinen herstellen oder die eben auch, wie Sie eben schon gesagt haben, selber Extrusion betreiben, bis hin zu denjenigen, die dann selber auch die Produkte in den Markt bringen oder in den Regalen stehen haben. Dieses ganze Spektrum ist dann in diesen Projekten mit dabei bei diesen über 40 Teilnehmern. Und das ist natürlich für uns einfach hochinteressant, weil wir dann eben auch sehen können, wie solche Themen in der Kreislaufwirtschaft wirklich von der Wirtschaft auch aufgenommen werden. Und da ist ja wahnsinnig Dynamik drin, ganz konkret gefragt mal, Herr Dahlmann.

Ein kleines Unternehmen, ich sage mal 200 Mitarbeiter, möchte jetzt wissen, wie es eine Eingangskontrolle für Rezyklate aufbauen kann. Sind die bei Ihnen richtig oder sollen die lieber zur Innoform gehen? Jetzt zähle ich mal frei weg. Können Sie dem wirklich helfen und sagen, Mensch, wir haben da Know-how, wir wissen, wie man Rezyklate einstuft, wie man die Verarbeitbarkeit auch messtechnisch schon abbildet oder so.

Sind Sie schon so weit oder ist das etwas, so zu sagen, da müssen wir erst ein großes Projekt mit 40 Teilnehmern machen? Na, wir haben ja im Laufe der Jahre schon viel, viel an Erfahrung gesammelt. Wir wissen also mehr oder weniger, welche Spannweite von Rezyklat man überhaupt rechnen muss, was da überhaupt an Varianzen drin ist. Wir haben ein ziemlich großes Projekt gehabt, in dem wir uns mal angeschaut haben, was verschiedene Rezyklatanbieter über die Saison hinweg an Rezyklatqualitäten liefern.

Kundenbewertung von Beschichtungsergebnissen

Und das gibt einem eine gewisse Einschätzung, womit man denn jetzt eigentlich rechnen muss. Jetzt hängt es aber am Ende natürlich extrem davon ab, wie sensibel eigentlich das Produkt ist, von dem Kunden, der zu uns kommt. Ist das jetzt eine, was weiß ich, eine dicke Folie oder ist das eine eher sehr dünne Folie, das spielt natürlich schon eine ganz entscheidende Rolle dabei, wie sensibel dieser Prozess und auch das Produkt für die variierenden Eingangsqualitäten sind. Wir haben hier am Ende eine riesige Fülle an Analytik zur Verfügung, wo wir alles hoch und runter charakterisieren wollen, was erforderlich ist, was aber natürlich am Ende erst einmal einfach nur ein Preistreiber ist.

Das muss man schon sagen. Deswegen ist das immer eine Bewertung, die wir gemeinsam mit dem Kunden machen. Wir machen keine Pauschalangebote. Wir bewerten Ihr Rezyklat für Ihre Produkte, damit Sie das einsetzen können, sondern da gehen wir schon genau ins Detail.

Wir schauen uns seinen Prozess an, gucken, wie sensibel denn eigentlich dieser Prozess und das Produkt ist. Möglicherweise macht man dann hier in unserem Technikum Vorversuche an einer ähnlichen Anlage, an einem ähnlichen Produkt mit gleichen Werkstoffen beispielsweise, kann da dann auch Variationen durchführen und so weiter und so fort. Möglicherweise kann man auch Additivierungen durchführen mit unserem Komponiertechnikum, womit man vielleicht noch Stoffe mit dazugeben, die so etwas wie eine Geruchsbindung betreiben oder so. Also die Möglichkeit, der Baukasten ist ja da riesig groß.

Es geht ja am Ende immer darum, aus dem Baukasten die richtigen Elemente zu nehmen, die halt genau passen zu der Problemstellung. Also KMUs können da gerne zu uns kommen, auch größere Unternehmen natürlich gerne da. Das ist eigentlich genau unser Steckenpferd. Also ich werde Ihnen ein paar Leute vermitteln, das habe ich heute gelernt.

Noch ein Blick nach vorne. Meine letzte Frage auf meinem Zettel. Tatsächlich sind wir in einer sehr fortgeschrittenen Zeit, aber das war es absolut wert. Wenn Sie jetzt sagen, 2030 ist jetzt bei uns, bei den Flexibles, bei der Flexpack-Industrie so eine Deadline, weil die PPWR dann so die ersten Daumenschrauben anlegt, obwohl das gerade eingeklagt wird.

Und so habe ich gerade gelesen, aber trotzdem wird da irgendwas kommen. Was wünschen Sie sich denn, wenn Sie jetzt durch Ihre Brille gucken mit Ihren Entwicklungen, SUX-Beschichtung, Rezyklate, Nachhaltigkeit, Treibstoffwirtschaft. Was wünschen Sie sich, was vom IKV an Impuls kommen soll, was 2030 in den Regalen liegt, was Sie verbessert haben? Gibt es da etwas?

Und was müssen wir als Industrie vielleicht auch noch leisten, damit wir das gemeinsam hinkriegen? Weil das ist nicht mehr lange. Genau, das ist nicht mehr lange. Und das, was wir hier machen in unserem Labor, das ist erstmal sehr vielversprechend.

Aber sagen wir mal gerade für ein Viertelquadratmeter Folie. Das ist ja das Problem. Ich sage immer, wenn wir uns mit Themen der Kreislaufwirtschaft beschäftigen, macht das überhaupt keinen Sinn, die Wirtschaft draußen vorzulassen. Das muss von der Wirtschaft getragen werden und deswegen muss die auch mit dabei sein.

Kooperationen in Multi-Unternehmen-Projekten

Das ist bei all unseren Projekten, auch bei dem Group Cycling Projekt ist das so, wo wir mit 19 verschiedenen Unternehmen dabei sind und versuchen mit mehr oder weniger bestehender Technologien die Recyclingqualität zu verbessern, um daraus Folien herzustellen, die tatsächlich dann auch eine bessere Qualität haben. Da sind eben auch 20 Firmen dabei, die sich selber auch sehr intensiv mit einbringen, mit ihren Technologien, um dazu beizutragen. Und das sind so Formate, die wir am Ende auch sehr dringend brauchen, damit das, was wir hier im Labor machen, auch wirklich dann in der Wirtschaft Fuß fassen kann. Denn diesen Multiplizierer, den können wir hier nicht leisten.

Wir haben auf der anderen Seite natürlich neben diesen SUX-Schichten, das X kann ja variieren von A bis Z und da können auch noch andere chemische Substanzen drin sein, unendlich viele Möglichkeiten, diese Schichtchemien einzustellen, die Schichteigenschaften einzustellen und wie gesagt, es ist ja nicht immer nur die Barriere, die dabei an der Rolle spielt. Ganz genau. Ich bin ganz fest davon überzeugt, dass für sehr viele Produkte, gerade wenn wir Rezyklate verwenden, ob das nun als Zwischenschicht ist oder vielleicht als Außenschicht ist, dass wir da mit diesen SUX-Schichten eine ganze Menge erreichen können. Wir wissen jetzt schon, dass wir um ganz zahlreiche Faktoren von größer als 10 diese Migranten zurückhalten können.

Das ist noch nicht das Ende der Fahnenstange. Also das funktioniert schon. Aber das ist eben nicht die einzige Anforderung. Man muss ja auch so etwas haben wie eine Kratzfestigkeit beispielsweise oder eine Abnutzungsbeständigkeit, sage ich mal.

Die muss ja auch noch sichergestellt sein. Knickfestigkeit, Bedruckbarkeit vielleicht und vieles mehr. Da kommt ja ganz viel zusammen. Kaschierfähigkeit, Ritzebeständigkeit, beim Siegeln, beim Sterilisieren, was weiß ich.

Also es sind wirklich ein Blumenstrauß, wie Sie schon gesagt haben. Das können wir heute nicht alles lösen. Wenn Sie so eine Bitte hätten an die Flexible Community, was sollen die tun, damit es vorangeht? Sie sollen sich bitte bei mir melden.

Da kann nichts mehr kommen. Herr Professor Dahlmann vom ITV im Infobot. Vielen herzlichen Dank. Alles klar.

Ich danke Ihnen vielmals, Herr Schröder. Und jetzt noch ein kleiner Spaß am Ende. Der Chatbot meines Vertrauens hat mir die Vita von Professor Dahlmann zusammengeschrieben. Und dann habe ich das einsprechen lassen mit meiner Stimme.

Und hier also der synthetische Karsten Schröder zum Schmunzeln und Genießen. Tschüss. Professor Rainer Dahlmann ist wissenschaftlicher Direktor für Kreislaufwirtschaft am Institut für Kunststoffverarbeitung IKV der RWTH Aachen und leitet dort das Zentrum für Kunststoffanalyse und Prüfung KAP. Nach einem Studium der Physik und des Maschinenbaus an der RWTH Aachen promovierte er 2001 mit der Dissertation „Permeation by Plasma Polymerized Layers and Plasma Coating of Plastic Pipes and Hollow Bodies“.

Dahlmanns Engagement in Lehre und Forschung

Seit 2012 engagiert sich Dahlmann zusätzlich als Hochschuldozent und verantwortet Lehrveranstaltungen zu Additive Manufacturing, Funktionsschichten und Werkstoffkunde von Kunststoffen. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Entwicklung hochwirksamer Gas- und Feuchte-Barriere-Schichten auf Polymer- und Recyclingsubstraten. Insbesondere mittels Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition PE-CVD und Plasma Atomic Layer Deposition PEALD. Dazu zählen auch Defekt- und Porenmodellierung, oberflächenanalytische Methoden sowie die Einbindung von Rezyklaten in flexible Verpackungssysteme.

Mit derzeit über 120 referierten Publikationen und vielfachen Industriepartnerschaften trägt er maßgeblich zum Transfer nachhaltiger Barriere- und Kreislauftechnologien in die Praxis bei.