Bioklebstoff hält Wellpappe auch bei Feuchtigkeit in Form

Einseitige Wellpappe – der einfachste, noch rollbare Wellpappen-Typ. © AdobeStock

Wellpappe kann bei Feuchtigkeit an Stabilität verlieren. Deshalb werden den Stärkeklebstoffen für nassfeste Wellpappen sogenannte Nassfestmittel zugesetzt: Sie vernetzen die Stärkemoleküle, verringern deren Löslichkeit in Wasser und sorgen dafür, dass die Verklebung auch bei Feuchtigkeit stabil bleibt. Im Forschungsvorhaben „BioWellKleb“ haben die PTS – Institut für Fasern & Papier gGmbH und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC dafür ein biobasiertes und formaldehydfreies Nassfestmittel entwickelt. Die erzielten Nassfestigkeiten erreichen bis zu 85 Prozent der Werte konventioneller Referenzprodukte. Damit eröffnet die Entwicklung eine Perspektive, fossilbasierte Nassfestmittel künftig durch biobasierte Alternativen zu ersetzen.

Das Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat (BMLEH) förderte das Vorhaben über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR). Der Abschlussbericht steht auf fnr.de unter den Förderkennzeichen 2221HV095A-B zur Verfügung.

Biobasierte Nassfestmittel auf Basis von bioORMOCER®

Ziel von BioWellKleb war es, Nassfestmittel auf Basis von bioORMOCER® für Stärkeklebstoffe zu entwickeln. Am Fraunhofer ISC wählten die Forschenden geeignete Ausgangsstoffe aus und passten die Systeme an wasserbasierte Stärkeklebstoffe an. Als biobasierte Komponenten untersuchten sie unter anderem Hydroxypropylcellulose, Chitosan, modifizierte Stärke, Maltodextrin und Dextran.

Für Laborversuche wurden die bioORMOCER®-Systeme einem Standardklebstoff aus Maisstärke zugesetzt. Anteile von zwei bis fünf Prozent ließen sich homogen in die Stärkesuspension einarbeiten. Vielversprechende Formulierungen wurden anschließend in Mengen von fünf bis 25 Litern hergestellt und unter praxisnahen Bedingungen geprüft.

Schematische Darstellung der Kernelemente des Wellpappe-Klebkraft-Messgeräts (WKM). © PTS

Neben der Nassfestigkeit untersuchte das Projektteam mechanische Eigenschaften der Wellpappe wie Kanten- und Flachstauchwiderstand sowie Durchstoßarbeit. Die Recyclingfähigkeit wurde durch die neu entwickelten Nassfestmittel nicht beeinträchtigt.

Die besten Ergebnisse erzielten bioORMOCER®-Systeme auf Basis von 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan (GLYEO) und Aluminiumhydroxychlorid (AHOC). Besonders geeignet waren modifizierte Stärke und Dextran als Biokomponenten. Die entwickelten Formulierungen erreichten einen Bioanteil von zehn Prozent und bis zu 85 Prozent der Nassfestigkeit konventioneller Referenzmittel.

Messverfahren für Wellpappenklebstoffe modernisiert

Für die Untersuchungen reaktivierte und modernisierte die PTS zudem ihr Wellpappe-Klebkraft-Messgerät (WKM). Damit lassen sich Laborverklebungen unter definierten Druck- und Temperaturbedingungen herstellen und unmittelbar auf ihre Klebfestigkeit prüfen. Eine neu erarbeitete Standardarbeitsanweisung ermöglicht es, das Verfahren künftig auch für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten einzusetzen.

Weitere Optimierung für den industriellen Einsatz

Vor einem industriellen Einsatz müssen die bioORMOCER®-Systeme weiter optimiert werden, etwa durch Anpassungen ihrer molekularen Struktur und der eingesetzten Mengen.

Das Fraunhofer ISC bietet interessierten Unternehmen für weiterentwickelte bioORMOCER®-Nassfestmittel einen Technologietransfer an. Unternehmen sollen damit in die Lage versetzt werden, benötigte Mengen – beispielsweise 50 Tonnen pro Jahr – selbst herzustellen.

Das Forschungsvorhaben BioWellKleb hat damit wichtige Grundlagen geschaffen, um künftig biobasierte und formaldehydfreie Nassfestmittel in der Wellpappenherstellung einzusetzen.

Hintergrund: Wellpappe und Nassfestmittel

Wellpappe ist die wichtigste Transportverpackung in Deutschland. Mehr als zwei Drittel aller Waren werden in Wellpappe transportiert. 2024 wurden rund 5,6 Mio. Tonnen Wellpappe produziert^[1]. Das entspricht 46 Prozent der für Verpackungszwecke produzierten Papiermenge^[2].

Zugleich ist Wellpappe fest in Recyclingkreisläufe eingebunden. Sie besteht zu einem hohen Anteil aus Altpapier und ist selbst ein wichtiger Rohstoff für Recyclingpapier. Ihre Recyclingquote liegt bei über 95 Prozent^[3].

Bislang eingesetzte Nassfestmittel basieren überwiegend auf fossilbasierten synthetischen Harzen und können herstellungsbedingt Restmengen an Formaldehyd enthalten. Zudem können sie den Recyclingprozess erschweren. Biobasierte und formaldehydfreie Alternativen sind deshalb für Ressourcen- und Gesundheitsschutz sowie recyclinggerechte Verpackungen von Interesse.

Was sind bioORMOCER®-Materialien?

ORMOCER®-Materialien sind anorganisch-organische Hybridpolymere, die am Fraunhofer ISC entwickelt wurden. Sie verbinden organische und anorganische Komponenten auf molekularer Ebene und lassen sich für unterschiedliche Anwendungen gezielt anpassen.

Bei bioORMOCER®-Materialien werden zusätzlich Biomoleküle in die Materialstruktur eingebunden. Sie können beispielsweise auf Cellulose oder Stärke basieren; auch Chitosan lässt sich einsetzen.