Gasbarriereschicht

Wellpappe stellt im Verpackungssektor einen wichtigen Rohstoff dar. Spezifische funktionale Schichten, wie eine Gasbarriere, können die Qualität von Verpackungen entscheidend erhöhen. Das Ziel dieser Schichten ist es, den Durchtritt von Gasen zu verhindern oder zu reduzieren. Dies ist von besonderer Bedeutung, um die Haltbarkeit von verpackten Lebensmitteln und empfindlichen Produkten zu erhöhen. Gasbarrieren wirken dabei gegen Sauerstoff, Kohlendioxid und aromatische Gase und können zugleich den Wasserdampfdurchgang begrenzen. Neben der reinen Schutzfunktion unterstützen solche Schichten die Stabilität der Produktqualität entlang der gesamten Lieferkette, reduzieren Oxidationsprozesse und tragen zur Minimierung von Aromaverlusten bei. Zudem lässt sich durch eine geeignete Barriere der Feuchtehaushalt im Packgut besser kontrollieren, was insbesondere bei hygroskopischen Gütern relevant ist.

Definition: Was versteht man unter Gasbarriereschicht?

Gasbarriereschichten weisen die speziellen Eigenschaften auf, die Durchlässigkeit von Gasen zu minimieren. Primär geht es dabei um Sauerstoff, dessen Kontakt mit vielen Produkten deren Qualität beeinträchtigen oder zur Unbrauchbarkeit führen kann. In der Wellpappenverarbeitung wird die Gasbarriereschicht auf die Wellpappe aufgetragen, oft im Nachgang zur Wellpappenproduktion. Man spricht auch von Barrierebeschichtungen, Diffusionssperren oder Sperrschichten, die als dünne, funktionale Layer auf den Deckenpapieren oder als zusätzliche Laminatlage eingesetzt werden. Je nach Anforderung können diese Schichten transparent, matt oder leicht glänzend ausgeführt sein und sowohl flächig als auch partiell appliziert werden. Die Auswahl erfolgt in der Regel nach geforderter Barriereleistung, Weiterverarbeitbarkeit, Recyclingfähigkeit und regulatorischer Eignung.

Funktionsprinzip und Messgrößen

Die Wirksamkeit einer Gasbarriere beruht auf zwei Mechanismen: der Reduzierung der Löslichkeit des Gases im Material und der Erhöhung des Diffusionswegs (Tortuosität) durch eine dichte oder plättchenförmig strukturierte Schicht. Durch den „Umwegcharakter“ für Gasmoleküle sinkt die Permeation, während eine niedrige Gaslöslichkeit die treibende Kraft für den Stofftransport reduziert. Typische Kenngrößen sind:

• OTR (Oxygen Transmission Rate): Sauerstoffdurchlässigkeit, z. B. in cm³/(m²·d·bar)
• WVTR (Water Vapor Transmission Rate): Wasserdampfdurchgang, z. B. in g/(m²·d)
• CO₂TR: Kohlendioxiddurchlässigkeit, relevant u. a. für Schutzatmosphären und kohlensäurehaltige Anwendungen
• Aromabarriere: qualitative bzw. quantitative Bewertung der Aromastoff-Permeation (z. B. Limonen, Kaffee-Aromen)

Diese Werte hängen von Temperatur, relativer Luftfeuchte, Schichtdicke und der mechanischen Integrität der Schicht ab (Mikrorisse, Falzlinien). Prüfungen erfolgen u. a. nach anerkannten Normen (z. B. DIN/ISO oder ASTM) mit definierten Prüfklimata. In der Praxis werden häufig 23 °C und 50 % r. F. als Referenzbedingungen verwendet (z. B. ISO 15105-2/ASTM D3985 für OTR; ISO 15106/ASTM F1249 für WVTR). Für eine valide Auswertung sind Probenkonditionierung, repräsentative Probenahme und die Dokumentation des Prüfumfelds essenziell. Ergänzend können Migrations- und sensorische Tests (z. B. nach EN 1230) Aufschluss über Wechselwirkungen mit dem Packgut geben.

Technologien zur Herstellung von Gasbarriereschichten

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Gasbarriereschichten. Eine übliche Methode ist das Coating, bei dem eine Beschichtungssubstanz auf den Karton aufgebracht wird. Eine alternative Methode ist die Extrusion, bei der eine Schicht aus thermoplastischem Kunststoff aufgetragen wird. Zusätzlich kommen auch Nanotechnologien zum Einsatz, bei denen beispielsweise Nanoclays in die Papierschicht eingearbeitet werden und damit eine effektive Gasbarriere bilden. Ergänzend werden oxidische Dünnschichten (z. B. SiOx, AlOx) oder metallisierte Schichten eingesetzt, wenn sehr niedrige Permeationsraten gefordert sind. Die konkrete Prozessführung (Viskosität, Bahnspannung, Auftragsmenge) beeinflusst die Schichtdichte und somit die Barriereleistung signifikant.

Je nach Anforderung und Weiterverarbeitung werden unterschiedliche Technologien kombiniert oder sequenziell eingesetzt:

• Wasserbasierte Dispersionsbarrieren: auf Polymer- oder Hybridbasis; gute Verarbeitbarkeit, potenziell repulpierbar, mit definierter Barriere gegen Sauerstoff und Wasserdampf.
• Extrusionsbeschichtung/-lamination: Auftrag thermoplastischer Polymere (z. B. funktionelle Copolymere) auf Papierbahnen; ermöglicht kontinuierliche, dichte Schichten und mehrlagige Aufbauten.
• Nano-gefüllte Systeme: plättchenförmige Partikel (z. B. Nanoclays) erhöhen den Diffusionsweg und verbessern die Gasbarriere bei moderaten Schichtdicken.
• Metallisierte oder oxidische Barrierelayer: in der Praxis teils als separate Folienlaminate; sehr hohe Barriere, jedoch anspruchsvoller in Bezug auf Faltung, Rillung und Recycling.

Für eine stabile Performance sind Vorbehandlungen (z. B. Oberflächenaktivierung), geeignete Primer, kontrollierte Trocknung sowie die Abstimmung mit dem Druck- und Klebeprozess wichtig. Ebenso relevant sind Schichtgewichte (z. B. in g/m²), die Auswahl geeigneter Trocknungsprofile zur Rissvermeidung und die Prüfung der Kompatibilität mit Farben, Lacken und Kaschierklebstoffen. Bei Wellpappe ist zudem zu berücksichtigen, ob der Barriereauftrag vor oder nach der Wellpappenherstellung erfolgt, da Hitze, Feuchte und mechanische Belastung im Corrugator die Barriereeigenschaften beeinflussen können.

Materialien und Schichtaufbauten

Übliche Barrierematerialien umfassen u. a. PVOH/EVOH-basierte Systeme, biobasierte Polymerdispersionen, anorganisch-organische Hybridschichten sowie dünne oxidische Beschichtungen. Mehrlagige Aufbauten mit Primern, Haftvermittlern und Decklacken optimieren Haftung, Verarbeitungsfenster und Oberflächenenergie. Je nach Zielbarriere werden Monoschichten, Sandwichstrukturen oder Beschichtungsstapel eingesetzt, um ein ausgewogenes Verhältnis aus Barriere, Faltbarkeit und Recyclingfähigkeit zu erreichen.

Verwendung von Gasbarriereschichten in der Wellpappenindustrie

Für viele Anwendungen in der Wellpappenindustrie sind Gasbarriereschichten unverzichtbar. Sie werden häufig bei der Verpackung von Lebensmitteln, Medikamenten und technischen Produkten eingesetzt. Aber auch für andere Branchen, wie etwa die Möbelindustrie, können Gasbarriereschichten von Nutzen sein. Sie schützen das Produkt vor den Einflüssen von Sauerstoff und Feuchtigkeit und tragen somit zur Qualitätssteigerung bei. In Kombination mit Primärverpackungen (z. B. Beuteln, Inlinern oder Schalen) können sie als zusätzliche Diffusionssperre dienen, die Aromaverluste vermindert und klimatische Schwankungen während Transport und Lagerung abmildert. Auch für sensible Elektronik, Messtechnik oder Ersatzteile lässt sich durch Barrieren die Korrosionsanfälligkeit reduzieren.

Typische Anwendungsfelder sind Trockenlebensmittel, Kaffee- und Teeprodukte (Aroma- und Sauerstoffschutz), Tiernahrung, Nahrungsergänzungen, sensible Chemikalien, Kosmetik sowie Elektronik- und Ersatzteile. Bei transportbedingten Klimaschwankungen stabilisieren Barrieren die Bedingungen in unmittelbarer Produktnähe. In Kombination mit geeigneten Primärverpackungen unterstützen sie modifizierte Atmosphären oder reduzieren Aromamigration. Praxisrelevant sind zudem saisonale Temperaturschwankungen, lange Transitzeiten und wechselnde Feuchteniveaus, die ohne Barriere zu Einbußen in Produktqualität und Sensorik führen könnten.

Weiterführende Informationen zu Verpackungen für verschiedene Anwendungsfälle im Überblick können bei der Einordnung von praktischen Anwendungsgrenzen und Standardlösungen hilfreich sein.

Vor- und Nachteile von Gasbarriereschicht

Der Einsatz von Gasbarriereschichten bringt verschiedene Vor- und Nachteile mit sich. Zu den Vorteilen gehört die signifikante Qualitätssteigerung des Endprodukts durch die Verhinderung von Oxidation und Feuchtigkeitsbildung. Außerdem ermöglicht die verbesserte Haltbarkeit der verpackten Produkte eine längere Lagerfähigkeit. Im Hinblick auf die Nachteile ist vor allem der erhöhte Kostenaufwand durch den zusätzlichen Herstellungsprozess zu nennen. Des Weiteren ist ein potenziell erschwerter Recyclingprozess zu bedenken, da die Trennung der Gasbarriereschicht von der Wellpappe erforderlich sein kann. Zusätzlich können Druck- und Klebeprozesse angepasst werden müssen, um Haftungs- und Verarbeitungsprobleme zu vermeiden. Ein angemessenes Qualitätsmonitoring hilft, Schwankungen in der Barriereleistung über Chargen hinweg zu kontrollieren.

• Vorteile: Schutz vor Oxidation und Aromaverlust, Reduktion von Qualitätsschwankungen, potenziell weniger Bedarf an zusätzlichen Innenlagen, gezielte Funktionalisierung bestimmter Bereiche (z. B. nur Innenfläche).
• Herausforderungen: Feuchteabhängigkeit mancher Barrierematerialien, mögliche Rissbildung an Falzkanten, Prozesskosten, Abwägung zwischen Barriereleistung und Recyclingfähigkeit.

Lebensmittelrechtliche und regulatorische Aspekte

Bei Anwendungen mit Lebensmittelkontakt sind Konformität mit einschlägigen Vorschriften (z. B. Rahmenverordnung für Materialien mit Lebensmittelkontakt, gute Herstellungspraxis) und die Bewertung möglicher Stoffübergänge zu beachten. Sensorische Prüfungen unterstützen die Sicherstellung, dass keine Geruchs- oder Geschmacksbeeinträchtigungen auftreten. Relevante Regelwerke umfassen u. a. die Verordnung (EG) Nr. 1935/2004, die Verordnung (EG) Nr. 2023/2006 (GMP) sowie – bei Kunststoffanteilen – spezifische Anforderungen wie (EU) Nr. 10/2011. Für faserbasierte Substrate sind nationale Empfehlungen (z. B. BfR-Empfehlung XXXVI) zu berücksichtigen. Dokumentationspflichten, Migrationsprüfungen einschließlich NIAS-Bewertung und die Bereitstellung von Konformitätserklärungen unterstützen eine rechtssichere Nutzung.

Qualitätssicherung und Prüfung

Zur Verifizierung der Barriereleistung werden standardisierte Messungen der Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit durchgeführt. Ergänzend sind mechanische Tests (Rillung, Falzen, Stanzbild), Klimabelastungen (Temperaturschwankungen, hohe Luftfeuchte) sowie Dichtigkeits- und Mikroskopieprüfungen zur Erkennung von Mikrorissen üblich. Chargenkontrollen und stabile Prozessfenster sind für reproduzierbare Ergebnisse entscheidend. In der Praxis bewähren sich zudem Schichtgewichts- und Schichtdickenmessungen, Oberflächenenergie-Bestimmungen (z. B. Testtinten) sowie Adhäsionsprüfungen. Eine klare Festlegung von Abnahmekriterien, Probenanzahl und Prüfintervallen bildet die Basis für konsistente Qualitätsdaten entlang der Fertigungskette.

Prozesskontrolle und Monitoring

Inline-Monitoring (Bahninspektion, Bahnspannungskontrolle) und definierte Trocknungsprofile reduzieren Beschichtungsfehler wie Pinholes, Orangenhaut oder Randwelligkeit. Regelmäßige Kalibrierung der Messgeräte und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit der eingesetzten Rohstoffe unterstützen die Prozessstabilität ebenso wie realitätsnahe Praxistests an gefalzten und verklebten Mustern.

Recycling und Nachhaltigkeit

Die Recyclingfähigkeit hängt vom Typ und Anteil der Barriere ab. Dispersions- und dünne Funktionsschichten können in Papieraufbereitungsprozessen oft besser getrennt werden als massive Polymerlaminate. Ein monomaterialorientiertes Design, reduzierte Schichtdicken und eine klare Deklaration der eingesetzten Stoffe erleichtern die Fasergewinnung. Ziel ist eine Balance zwischen geforderter Barriereleistung, Materialeinsatz und Kreislaufgängigkeit. Prüfprotokolle zur Repulpierbarkeit und Sortierbarkeit (z. B. anerkannte Branchenmethoden) liefern Hinweise auf die praktische Eignung der gewählten Lösung. Darüber hinaus können optimierte Rillgeometrien und an die Barriere angepasste Klebstoffe das Faser-Recycling unterstützen, indem sie das Ablösen der Schicht erleichtern.

Konstruktive Hinweise und Verarbeitung

Für eine dauerhafte Barrierewirkung ist die Abstimmung von Beschichtung, Druck, Rillung und Klebung wesentlich. Sanfte Rillgeometrien, geeignete Falzradien und eine belastungsgerechte Konstruktion verringern die Gefahr von Mikrorissen. Klebstoffe und Hilfsstoffe sollten mit der Barriereschicht kompatibel sein, um Haftung und Funktion zu sichern. Darüber hinaus empfiehlt sich die Prüfung der Kantenversiegelung, insbesondere bei feuchte- oder aromasensiblen Packgütern. Ein definierter Trocknungs- und Konditionierungsprozess nach dem Beschichtungsauftrag sowie eine kontrollierte Lagerung der Halbzeuge unterstützen eine gleichbleibende Barrierequalität bis zur Weiterverarbeitung.

Häufige Fehlerquellen und Praxistipps

Typische Ursachen für Leistungsverluste sind unzureichende Oberflächenvorbehandlung, zu geringe Auftragsmengen, inhomogene Schichten, zu enge Rillungen oder zu kleine Falzradien. Praxisnah sind Vorabtests an realen Stanzbildern unter wechselnden Klimaten, die frühzeitig Hinweise auf potenzielle Mikrorissbildung liefern. Eine konsequente Abstimmung von Druckfarben, Lacken, Klebstoffen und Barrierechemie reduziert Wechselwirkungen und sichert eine robuste Verarbeitbarkeit.

Zusammenfassung:

• Eine Gasbarriereschicht ist eine spezielle Beschichtung, die verhindert, dass Gase durch das Material dringen. Dies erhöht die Qualität und Haltbarkeit von Produkten, vor allem in Verpackungen.
• Diese Schicht ist besonders wertvoll für Verpackungen aus Wellpappe, da sie die Lebensdauer der darin enthaltenen Produkte verlängert, indem sie das Eindringen von Sauerstoff und anderen Gasen verhindert.
• Zudem trägt die Gasbarriereschicht zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit bei, indem sie das Potenzial für Recycling erhöht und die Notwendigkeit von zusätzlichen, weniger nachhaltigen Verpackungsmaterialien reduziert.
• Die Barriereleistung wird über Messgrößen wie OTR und WVTR beschrieben und hängt von Material, Schichtdicke, Klima und Verarbeitung ab.
• Coating, Extrusionsbeschichtung, nanoverstärkte Systeme und Laminataufbauten sind gängige Technologien mit jeweils eigenen Stärken und Grenzen.
• Eine sorgfältige Auslegung, qualitätsgesicherte Prozesse und die Berücksichtigung von Recyclinganforderungen sind entscheidend für eine funktionale und praxisgerechte Umsetzung.
• Für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt sind regulatorische Vorgaben, Migrationsprüfungen und sensorische Bewertungen zu berücksichtigen, um Produktsicherheit und Eignung zu gewährleisten.