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Das vergleichsweise hohe Gewicht von Glasbehältern und der damit verbundene Energiebedarf bei Herstellung und Transport könnten sich dank einer gemeinsamen Material- und Technologieentwicklung der EXXOSQEL GmbH mit dem Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC deutlich reduzieren lassen. Eine neuartige Oberflächenbehandlung erhöht die mechanische Belastbarkeit von Glasbehältern und schafft damit die Voraussetzung für dünnwandigere und leichtere Verpackungen auf Glasbasis. Eine Gewichtsreduktion von 15 % wurde bereits realisiert. Bei entsprechend angepasster und stabiler Heißformgebung halten die Entwicklungspartner künftig Gewichtsreduktionen von bis zu 40 % für technisch erreichbar.
Glas besitzt als Verpackungsmaterial zahlreiche Vorteile. Glasflaschen und andere Glasbehälter sind geschmacks- und geruchsneutral, geben keine Weichmacher oder Lösemittel ab, lassen sich in Mehrwegsystemen vielfach wieder befüllen oder können über das gut etablierte Glasrecycling als wertvoller Sekundärrohstoff energiesparend wieder in die Glasproduktion zurückgeführt werden. Sie haben also hervorragende Eigenschaften für die Verpackung von hochwertigen Produkten wie Lebensmittel, Medikamente oder Kosmetika und können sehr nachhaltig sein.
Ein wesentlicher Nachteil ist das im Vergleich zu Kunststoffbehältern oder mehrlagigen Papier-Metall-Kunststoff-Verbundverpackungen relativ hohe Gewicht und der hohe Energieverbrauch bei Produktion und Transport. Deshalb zielen aktuell viele Entwicklungen darauf, Glas dünner und gleichzeitig widerstandsfähiger zu machen. Dadurch lassen sich nicht nur Rohstoffe und Energie bei der Fertigung einsparen. Auch bei der Abfüllung und beim Transport wird weniger Energie benötigt. »Wie schaffen wir es angesichts der Anforderungen aus der Verpackungsverordnung , Glas bei gleicher Festigkeit leichter zu machen, damit Glasverpackungen im Wettbewerb mit anderen Verpackungsmaterialien bestehen können?«, umreißt Thomas Sauer von EXXOSQEL das Ziel der Entwicklung. Die Materialentwicklung kann dabei direkt zur Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks von Glasbehältern beitragen.
Wie lässt sich die Bruchfestigkeit von Glas erhöhen?
Das hat fast jeder schon erlebt: Eine Glasflasche fällt auf den Boden und zerbricht in Stücke. Doch auch bei vergleichsweise kleinen Belastungen kann Glas bereits brechen. Dafür sind beispielsweise thermische Spannungen infolge schneller Temperaturänderungen oder Oberflächenfehler und Mikrorisse verantwortlich, die bei Produktion, Abfüllung oder Transport entstehen können. Auch unsachgemäße Handhabung im täglichen Gebrauch kann dazu führen.
Die im Flachglasbereich üblichen Verfahren der thermischen oder chemischen Härtung, die durch gezielt induzierte Druckspannungen in der oberflächennahen Glasschicht die Festigkeit erhöhen, sind in der Behälterglasindustrie teils aus technischen Gründen, teils aufgrund des Aufwands und der Kosten nicht verbreitet. In der Behälterglasindustrie etabliert sind jedoch Beschichtungen, die direkt nach der Heißformgebung (Hot-End-Coating, HEC, also Heißendvergütung) und nach dem Kühlofen (Cold-End-Coating, CEC, also Kaltendvergütung) aufgebracht werden. Für die USA gibt die American Glass Research den Anteil so behandelter Behältergläser mit über 95 % an. Die Heißendvergütung soll beispielsweise die Radien in den Mikrorissen vergrößern und die Adhäsion der Kaltendvergütung ermöglichen, während die Kaltendvergütung die Oberfläche gleitfähiger macht und damit den Verschleiß in der Abfüllung verringert. Für die Kaltendvergütung werden Beschichtungen auf Basis von Polyethylenwachsen eingesetzt. Bei Mehrwegflaschen wird die Kaltendvergütung durch die alkalische Flaschenwäsche bereits nach wenigen Umläufen weitgehend abgewaschen.
»Rissausheilung« durch eine neue Beschichtung
Mit der von EXXOSQEL und dem Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC entwickelten Kombination aus neuem Beschichtungsmaterial und angepasster Beschichtungstechnologie werden Oberflächendefekte zu einem guten Teil überbrückt, gleichsam »geheilt«. »Konkret erzeugen wir bei der Synthese aus mehreren Komponenten ein dreidimensional vernetztes Komposit, dessen Matrix nach der Beschichtungsapplikation auf molekularer Ebene kovalente Brücken in den durch die Heißformgebung und Abkühlung entstandenen Mikrorissen bildet«, so Thomas Sauer, Geschäftsführer von EXXOSQEL. Dadurch erhöht sich die zum Bruch notwendige Energie erheblich. Laborversuche haben bereits deutliche Verbesserungen der Glasfestigkeit gezeigt. Bei nahezu allen bislang getesteten Glasbehältertypen erhöhte sich in Druck- und Schlagversuchen die bis zum Bruch ertragene Belastung erheblich. In Einzelfällen konnten die Behälter selbst bei der mit den Versuchsapparaturen maximal aufbringbaren Belastung von 10 Joule beziehungsweise 40 bar nicht mehr zum Bruch gebracht werden. Das Unternehmen schätzt, dass dünnere Glassubstrate Materialeinsatz, Energieverbrauch und CO₂-Emissionen senken könnten, indem sie Gewichtsreduzierungen von bis zu 40 % ermöglichen, sofern stabile Heißformgebungsprozesse sichergestellt werden können. Hinzu kommt, dass die Beschichtung eine geschlossene Oberfläche herstellt. Dadurch werden höhere Brillanz und bessere Haptik jeder Flasche erreicht. Außerdem entstehen geringere Reibungskräfte zwischen den Flaschen.
Vom Labormaßstab zum Prototyp
Die Zusammenarbeit zwischen EXXOSQEL und dem Fraunhofer ISC zielt auf die Marktreife des Produkts ab. EXXOSQEL entwickelt die Materialformulierung und stellt sie derzeit mit Unterstützung des Fraunhofer ISC im Labormaßstab her. Das Fraunhofer ISC bringt darüber hinaus seine Erfahrung bei der Hochskalierung von Materialsynthesen und Beschichtungstechnologien beim nächsten Schritt aus dem Labor- in den Technikumsmaßstab ein. Beide Partner arbeiten bei Materialformulierung und Technologieentwicklung eng zusammen. Auch die Skalierung der Beschichtung unterstützen die Würzburger Forscherinnen und Forscher: »Wir wollen die Anwendung der neuen Beschichtung so gestalten, dass sie leicht in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden kann«, unterstreicht Dr. Ferdinand Somorowsky, Leiter der Beschichtungstechnologie am Fraunhofer ISC, den Anwendungsaspekt. Gemeinsam arbeiten die Forschungspartner nun am nächsten Skalierungsschritt, erklärt Thomas Sauer: »Wir beherrschen den Versuchsaufbau im Labor. Für 2027 planen wir den Aufbau eines Technikums, in dem wir sowohl die Herstellung der Beschichtungslösung als auch die Applikationstechnik weiter skalieren. Damit wollen wir die Voraussetzungen für eine industrienahe Validierung und den nächsten Schritt in Richtung industrieller Serienfertigung schaffen. In den nächsten Schritten werden wir dafür Partner aus der Behälterglas-, Getränke- und Lebensmittelindustrie sowie aus dem Maschinen- und Anlagenbau einbinden.«
Ferdinand Somorowsky
Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC
Leitung Chemische Beschichtungstechnologie
ferdinand.somorowsky@isc.fraunhofer.de
Thomas C. Sauer
EXXOSQEL GmbH
Geschäftsführung
info@exxosqel.com
Abb. 1 Eine Beschichtung für das Ausheilen von Mikrorissen – EXXOSQEL und Fraunhofer ISC wollen d ...
Copyright: © EXXOSQEL
Abb. 2 Ein 100-l-Rührreaktor zum Hochskalieren von Materialsynthesen
Source: K. Dobberke
Copyright: © Fraunhofer ISC
Die Presseinformation als pdf
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Materials sciences, Mechanical engineering, Nutrition / healthcare / nursing, Traffic / transport
transregional, national
Research projects, Transfer of Science or Research
German
Abb. 1 Eine Beschichtung für das Ausheilen von Mikrorissen – EXXOSQEL und Fraunhofer ISC wollen d ...
Copyright: © EXXOSQEL
Abb. 2 Ein 100-l-Rührreaktor zum Hochskalieren von Materialsynthesen
Source: K. Dobberke
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