开发等离子涂层纸作为包装行业的塑料替代品

近年来，对环境有害的塑料垃圾在德国不断增加。包装产生的垃圾量特别大。植物基纸质包装涂料在未来可以提供一种可持续的替代品。

在BioPlas4Paper项目中，弗劳恩霍夫表面工程与薄膜研究所(IST)的研究人员及其项目合作伙伴采用一种称为等离子聚合的涂层工艺，在纸张上创建了防水和植物基阻隔涂层，从而提高了纸张对天气影响的抵抗力。

塑料包装仍然是环境的主要问题。另一方面，纸张是由可再生原料制成的。它比石油基塑料的优势在于它会分解，不会在地下停留多年。

然而，无涂层纸无法阻挡湿气和氧气。普通纸对温度敏感，对湿气和细菌反应强烈，并且表面不平整。

为了充分挖掘材料的潜力，改善回收选择，替代塑料包装并开拓新的应用领域，我们需要提高纸制品的使用寿命、耐用性和质量。

这是弗劳恩霍夫IST的研究人员在BioPlas4Paper项目中致力于完成的任务，他们与达姆施塔特工业大学和图嫩木材研究所密切合作。

为了在纸张上形成均匀的防潮涂层，项目合作伙伴专注于植物物质，如牛至油和奇亚油以及从树皮中提取的物质。除其他特性外，这些植物物质还具有抗菌作用。

生物基等离子体聚合物与纸张表面交联

“到目前为止，我们一直在使用未开发的含有大量不饱和脂肪酸的植物物质来使纸张具有疏水性，即防水性。为此，我们采用常压等离子技术，在环境压力下用高压激发气体以产生等离子体，即离子、自由电子以及在大多数情况下中性原子或分子的粒子混合物。该过程会导致电极之间放电，”布伦瑞克弗劳恩霍夫IST的研究员MartinBellmann说。

添加氮气会将植物物质转化为气溶胶，并将其作为汽化的有机前体引入等离子体中形成聚合物网络。

专家将这一过程称为等离子体聚合，即前体被等离子体激活。微米级的颗粒结合在一起形成等离子体聚合物。微小液滴也会与纸张交联，均匀分布在原纸基材上，深入渗透到表面的孔隙和纤维中。

贝尔曼解释道：“等离子体对于使植物分子具有反应性并使其交联成聚合物至关重要。”

具有疏水性的涂层纸上的水滴。图片来源：弗劳恩霍夫协会

创新的等离子源概念

等离子体是使用等离子源通过在两个旋转对称电极之间施加高压来电离气体而产生的。电极的几何排列以及引入气溶胶和点燃等离子体的方法都是新颖的。

这些措施的结合产生了研究人员专门为该项目开发的创新概念，使得在大气压力下，即使在较高的涂层速度下也能最大限度地减少环境空气的影响，同时保持一致和可重复的结果。

“在高速处理时，纸张表面的粗糙度会导致周围空气产生湍流，从而改变等离子体的性质。我们可以通过我们的概念避免这些有害影响，”贝尔曼说。

等离子源被引入到纸张表面附近，从而完全取代了周围的空气。研究人员使用大约70摄氏度的等离子体温度进行工作，以免影响纸张本身、生物基前体分子或正在生产的等离子体聚合物的性质。

用橄榄油制成的防水涂层

研究人员对多种植物油和提取物进行了大量的测试，证明生物基材料可以利用等离子体进行重复性、均匀性的分离或沉积。

例如，橄榄油和奇亚油可以实现出色的疏水涂层。根据所用前体和涂层参数，研究人员可以影响和优化涂层。目的是为日益复杂的用例准备纸张，甚至在未来取代塑料材料。

“一个例子就是搬家箱，使用我们的疏水涂层，搬家箱甚至可以承受长时间的雨水而不会变软。我们的目标是减少对化石资源的依赖，并支持向资源节约型经济的转型，”贝尔曼说。

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