Teilprojekt 3: VaporCoat
ErhÖhung der Nachhaltigkeit in der Behälterglasindustrie durch Vermeidung von Beschichtungen
Hintergrund
Über 90 % aller Behältergläser, wie beispielsweise Getränkeflaschen, werden direkt nach der Formung noch im heißen Zustand mit einer dünnen Zinnoxid-Schicht und am „kalten Ende“ der Produktion mit einer Polymerschicht versehen, um die Kratzbeständigkeit und die Etikettierbarkeit zu verbessern. Die Heißendvergütung erfolgt durch Reaktion zinnorganischer Precursoren, die potenziell gesundheits- und umweltgefährdend sind. Grundsätzlich wird zwar wenig Zinn pro Flasche verbraucht, aber das bei der Glasherstellung eingesetzte Zinn (2% des Weltjahresbedarfs) wird dem Stoffkreislauf unwiederbringlich entzogen und im Glas dissipiert.
Aufgabenstellung
Primärziel des Projektes war es, auf Zinn als Beschichtungswerkstoff idealerweise zu verzichten oder zu substituieren. Anstelle einer Beschichtung wurde daher eine Heißdampfbehandlung untersucht, um die Glasoberfläche zu härten. Als Substitut für Zinn wurde eine zinnfreie, einschichtige Sol-Gel-Beschichtung erprobt, mit dem Ziel jeweils, dieselben Oberflächen-Eigenschaften wie bei der klassischen Heiß- und Kaltendvergütung zu erzielen.
Projektinhalt
An der Universität Bayreuth wurde die Heißdampfbehandlung eingehend untersucht. Für die Durchführung der Versuche wurde eine Laboranlage errichtet und eine umfangreiche Parameterstudie durchgeführt. Schwerpunkt war, die Wirkung des Heißdampfs auf die Glasoberfläche zu ermitteln und zu verstehen. Dazu wurden zahlreiche analytische Methoden wie z.B. XPS-, Raman- oder Infrarot-Spektroskopie herangezogen. Auf Basis der Ergebnisse wurden mit InVerTec Anlagenkonzepte für die Dampf-/Wärmebehandlung entwickelt und eine LCA-Analyse durchgeführt.
Beim Industriepartner Wiegand Glas wurde parallel die einstufige Sol-Gel-Beschichtung unter produktionsnahen Bedingungen getestet. Wechselseitig wurden schließlich Proben analysiert und die Glasoberflächen hinsichtlich der gewünschten Gebrauchseigenschaften wie Kratzfestigkeit, Etikettierbarkeit, optisches Erscheinen und Härte bewertet.
Durchführung & Ergebnisse
Die Dampfbehandlung wurde bei Temperaturen zwischen 480 und 600 °C durchgeführt. Die Behandlungsdauer betrug zwischen wenigen Minuten und vier Stunden. Der größte Einfluss der Dampfbehandlung zeigte sich nahe der Glas-Übergangstemperatur (Tg=570 °C). Wenige Minuten Dampfbehandlung führen hier bereits zu einer deutlichen Härtesteigerung. Analysen zeigen, dass eine Veränderung des Glasnetzwerks zugunsten von Netzwerkwandlern erzielt wurde und zusätzliche OH-Bindungen entstanden. Die Einlagerung von OH-Bindungen in die Glasoberfläche führt offensichtlich zum Anstieg von Härte und mechanischer Festigkeit. Allerdings währt dieser Effekt nur begrenzte Zeit. Nach zwei Wochen sinkt die Härte wieder auf den ursprünglichen Wert ab. Zudem konnte der temporäre Härteanstieg nicht für eine erhöhte Kratzfestigkeit genutzt werden, da die genauso wichtigen Gleiteigenschaften nicht gesteigert wurden. Im Praxistest zeigten die dampfbehandelten Oberflächen sogar eine erhöhte Kratzanfälligkeit.
Im Gegensatz dazu hat die von Wiegand-Glas erprobte Sol-Gel-Beschichtung eine dauerhafte Verbesserung der Kratzbeständigkeit erzielt. Auch andere Praxisparameter konnten erfüllt werden. Der Prozess steht kurz davor, eine ausreichende technische Reife zu erreichen, so dass sich ein erfolgversprechender Weg für zinnfreie Beschichtungen in der Behälterglasindustrie abzeichnet.
Beitrag zur Ressourceneffizienz
Der ehrgeizige Projektansatz „Weglassen“ statt „Ersetzen“ durch Dampfbehandeln zeigt im Life Cycle Assessment (LCA), dass eine Reduzierung abiotischer Primärmaterialien, vor allem Zinn, erzielbar ist. Jedoch ist die Dampferzeugung mit hohem Energieaufwand verbunden. Beim Vergleich des Stands der Technik mit der Heißdampfkonditionierung im industriellen Maßstab ist der kumulierte Energieaufwand für die Dampfbehandlung höher als beim Stand der Technik. Und selbst beim aktuellen Strommix liegt der CO2-Ausstoß über dem der Heiß-/Kaltendvergütung. Hingegen wäre bei 100% Ökostrom die Dampfbehandlung CO2-effizienter.
Kurzfilm
Ansprechpartner
Universität Bayreuth
Keylab Glastechnologie, Lehrstuhl Keramische Werkstoffe
Prof. Dr.-Ing. Thorsten Gerdes
Wissenschaftlicher Partner
InVerTec - Institut für Innovative Verfahrenstechnik e.V.
Dipl.-Ing. Achim Schmidt-Rodenkirchen
Weitere Kooperationspartner
Wiegand-Glashüttenwerke GmbH (96361 Steinbach am Wald)