Eine neue wasserbasierte Verbundbeschichtung aus Polyvinylalkohol (PVA) und Polyethylenimin (PEI) adressiert gleich mehrere Schwachstellen klassischer PVA-Barrieren für Lebensmittelverpackungen. Im Mittelpunkt steht eine semi-interpenetrierende Polymernetzwerk-Struktur, die sowohl die Haftung auf gängigen Polyolefin-Substraten als auch die Barrierewirkung unter hoher Luftfeuchte verbessert. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Progress in Organic Coatings.
PVA gilt wegen seiner sehr guten Sauerstoffbarriere mit OTR-Werten unter 1 mL/m²·day als interessante Alternative zu PVDC und EVOH. In der praktischen Anwendung begrenzen jedoch die geringe Haftung auf Polyolefinen, die ausgeprägte Feuchteempfindlichkeit oberhalb von 60 % relativer Luftfeuchte sowie die schwache Wasserdampfbarriere den Einsatz. Der nun vorgestellte Ansatz kombiniert PVA mit PEI, dessen Aminogruppen Wasserstoffbrücken mit den Hydroxylgruppen des PVA ausbilden. Zusätzlich können sie mit Carbonyl- und Carboxylgruppen reagieren, die auf coronavorbehandelten Polyolefin-Oberflächen entstehen.
Haftung auf BOPP, PET und BOPE
Diese Doppelfunktion stärkt zum einen das innere Netzwerk der Beschichtung und verbessert zum anderen die Grenzflächenhaftung zum Substrat. Bei einem PEI-Anteil von 5 % wurden Schälfestigkeiten von 1,29 ± 0,14 N/15 mm auf biaxial orientiertem Polypropylen (BOPP), 1,97 ± 0,09 N/15 mm auf PET und 2,53 ± 0,11 N/15 mm auf biaxial orientiertem Polyethylen (BOPE) erreicht. Damit erfüllt die Beschichtung die Anforderungen für Lebensmittelverpackungen auf unterschiedlichen Substraten. Zugleich entfällt der sonst häufig notwendige Primer für PVA auf Polyolefinen. Auch Isocyanat-Vernetzer, die bei Food-Contact-Anwendungen kritisch bewertet werden, sind nicht erforderlich.
Barriere bei hoher Luftfeuchte
Mit steigendem PEI-Gehalt nahm auch die Barriereleistung zu, insbesondere unter feuchten Bedingungen. Für eine Laminatstruktur aus BOPP-PVA/PEI//CPP wurde bei 85 % relativer Luftfeuchte eine Sauerstofftransmissionsrate von 5,80 ± 0,88 mL/m²·day und eine Wasserdampftransmissionsrate von 2,89 ± 0,12 g/m²·day gemessen. Die Autoren sehen die Struktur damit als geeignet für die Konservierung von Lebensmitteln mit hohem Zucker- oder Fettgehalt. In der Veröffentlichung heißt es, die PVA/PEI-Verbundbeschichtungen „outperform conventional PVDC-coated counterparts in oxygen barrier at both 0 % and 85 % RH“.
Neben der funktionellen Leistung ist auch der Verpackungsaufbau relevant: Der Ansatz zielt auf ein Mono-Material-Design und damit auf besser recyclingfähige flexible Verpackungen. Das passt zu regulatorischen Entwicklungen wie der EU-Kunststoffstrategie und zum Trend, komplexe Mehrschichtstrukturen durch einfacher aufgebaute Barrierekonzepte zu ersetzen. Für die Oberflächentechnik ist dabei vor allem die Kombination aus Corona-Vorbehandlung, verbesserter Adhäsion und wasserbasierter Beschichtung interessant.