Schaumstoff auf Altpapierbasis, nachhaltiger Schaumstoff für Verpackungen

Forscher der Beijing Forestry University haben ein Verfahren entwickelt, mit dem aus recyceltem Karton ein nachhaltiger, energieabsorbierender Schaumstoff hergestellt werden kann.
Bild: Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering

Forschende werben für nachhaltiges Verpackungsmaterial aus Schaumstoff

Forschende in Peking haben einen umweltfreundlichen Polster- und Isolationsschaumstoff entwickelt, der vollständig aus recyceltem Karton besteht und der Versandindustrie eine nachhaltige, kunststofffreie Verpackungsalternative bieten könnte.

Geringe Dichte (0,065-0,081 g/cm3), hohe Porosität (>92 %), geringe Wärmeleitfähigkeit (0,044 W/mK), sehr gute mechanische Eigenschaften und hervorragende Dämpfungseigenschaften zeichnen den neuen biologisch abbaubaren Schaumstoff aus. Die Forschenden, die vom Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering (Teil der Beijing Forestry University) finanziert wurden, haben nach eigenen Angaben ein einfaches und umweltfreundliches Verfahren angewandt, bei dem Altpapier ohne chemische Vorbehandlung als Rohstoff verwendet wurde.

Nachhaltiger Schaumstoff als Verpackungsalternative

Es gibt bereits Ansätze, leichte Zellulose-Aerogele als nachhaltigere Schaumstoffverpackungen zu verwenden (im Gegensatz z. B. zu expandiertem Polystyrolschaum), aber die derzeitigen Verfahren zur Herstellung aus Altpapier erfordern mehrere chemische Schritte der Vorbehandlung. Das Team aus Peking wollte einen einfacheren Ansatz für nachhaltige Verpackungslösungen finden.

Das Projekt wird gemeinsam von Jinsheng Gou und mehreren Mitarbeitenden geleitet. Gou, der einen Master in Verpackungstechnik und einen Doktortitel in Holzwissenschaft und -technologie besitzt, ist derzeit Gastprofessor an der University of British Columbia in Kanada. Seit 2005 lehrt er auch an der Beijing Forestry University. In einem Interview mit Tightly Packed berichtet Gou, dass sie seit etwa fünf Jahren an diesem Projekt arbeiten.

Jinsheng Guo, Experte für nachhaltiges Verpackungsmanagement

Jinsheng Guo, der das Projekt leitet, lehrt derzeit an der University of British Columbia in Kanada. Bild: Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering

„Diese Entdeckung war das Ergebnis einer gemeinsamen Anstrengung, die Nachhaltigkeit von Verpackungsmaterialien zu verbessern“, sagt er. „Unser Ziel war es, recycelten Karton in eine brauchbare Alternative zu herkömmlichem Schaumstoff umzuwandeln.“

In einem kürzlich in der Fachzeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlichten Artikel schreiben Gou und seine Teammitglieder: „Die poröse Struktur und das verstärkte Zellskelett, das durch die mit PVA (Polyvinylacetat) und Gelatine gekoppelten Altpapierfasern gebildet wird („brückenverbindende“ bzw. „membranverbindende“ Struktur), verleihen dem Schaumstoff eine sehr gute Kombination aus Wärmeisolierung und Energieabsorptionseigenschaften.“ Diese Eigenschaften gelten bei herkömmlichen Polsterschäumen im Allgemeinen als unvereinbar.

Das Team verwendete einen Mixer, um die Kartonreste zu zerkleinern, und mischte sie dann entweder mit PVA-Klebstoff oder Gelatine. Die Mischungen wurden in Formen gegossen, gekühlt und dann gefriergetrocknet, um Polsterschäume herzustellen. Gou erklärt, dass sich der Schaum vielseitig aus jeder Art von Papier und Karton herstellen lasse.

Herstellung von hoch energieabsorbierendem Schaumstoff möglich

Herstellung und Eigenschaften des energieabsorbierenden Schaumstoffs

Hier werden einige der Bestandteile und Schritte gezeigt, die bei der Umwandlung von Kartonabfällen in einen nutzbaren Verpackungsschaum erforderlich sind. Bild: Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering

Darüber hinaus berichten die Forschenden, dass es ihnen gelungen sei, ein biologisch abbaubares Verpackungsmaterial mit ultrahoher Energieabsorption herzustellen, indem sie einen Schaumstoff auf Altpapierbasis mit einer durch Scherung verdickenden Flüssigkeit (STF) imprägnierten. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich der Schaumstoff als Polstermaterial für den Transport von Produkten in extremen Umgebungen, z. B. beim Abwurf ohne Fallschirm.

Wenn die äußere Aufprallgeschwindigkeit die kritische Schergeschwindigkeit der STF überschreitet, kann der erhöhte Massenanteil und Gehalt an STF die Energieabsorptionseigenschaften des Altpapierschaums verbessern, wodurch die dynamische Dämpfungsleistung deutlich erhöht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die STF die maximale Aufprallbeschleunigung um bis zu 85 % reduzieren kann.

Gou erläutert, dass das Team anschließend eine widerstandsfähige Version des Altpapierschaums herstellte, indem es Zellstoff, Gelatine, PVA-Klebstoff und eine nicht-newtonsche Flüssigkeit auf Basis von Siliciumdioxid miteinander verband, um einen robusten Schaum zu erhalten. Diese Version des Schaums auf Pappbasis könne sogar Hammerschlägen standhalten, ohne zu zerbrechen.

Die Forscher heben verschiedene Eigenschaften des von ihnen entwickelten Schaums hervor: hohe Nachhaltigkeit, gute Energieabsorption und hervorragende Dämmeigenschaften. Bild: Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering

Trotz bedeutender Fortschritte räumt er ein, dass noch Herausforderungen bei der Ausweitung der Produktion und der Sicherstellung der Kosteneffizienz, der Verfügbarkeit von Rohstoffen und der Leistung des Endprodukts für den jeweiligen Anwendungsbereich bestehen. „Die kommerzielle Tragfähigkeit ist ein wichtiger Schwerpunkt, und wir suchen aktiv nach Partnerschaften, um diesen Aspekt anzugehen.“

Der nächste Schritt besteht in der Verfeinerung des Produktionsprozesses und der Suche nach möglichen Unternehmenskooperationen. Ein Firmensponsor, so Gou, könnte den Übergang zu einem kommerziell nutzbaren Produkt erleichtern.

Die Arbeiten an dem Projekt werden in Peking fortgesetzt, auch wenn Gou in der kanadischen Provinz British Columbia tätig ist. „Das akademische Umfeld bietet wertvolle Einblicke und Ressourcen für die weitere Forschung und Entwicklung.“

Der vollständige Bericht – „Biodegradable Wastepaper-Based Foam with Ultrahigh Energy-Absorbing, Excellent Thermal Insulation, and Outstanding Cushioning Properties“ – wurde am 28. November 2023 veröffentlicht und kann hier abgerufen werden.