Funktionelle coatings – en del af Plast og Emballage

En strategisk udvidelse af center for Plast og Emballage

Center for Plast og Emballage har foretaget en strategisk udvidelse af sit virkeområde, idet Functional Coating Technology (FCT) er blevet en del af centeret. FCT har i en årrække, under andet regi på Teknologisk Institut, beskæftiget sig med udvikling af avancerede overfladebehandlinger, coatings, primært til anvendelse i krævende industrielle produktionsmiljøer. Fra august 2024 er området en del af Plast og Emballage, og vil bl.a. bidrage med udvikling af nye funktionelle overflader til plantebaserede emballageløsninger. 

 I både plast- og emballagesammenhænge tilbyder coatings en lang række muligheder. Inden vi vender blikket på, hvor FCTs overflader kan bringes i spil i nye sammenhænge, så lad os se nærmere på den teknologi, der anvendes.

Hvad er sol-gel coatings?

I mere end 20 år har FCT arbejdet med udvikling, test, produktion og applikation af en helt speciel type coatings kaldet sol-gel coatings. De anvendte sol-gel coatings er baseret på et uorganisk netværk af silicium-oxid, og er således glaskeramiske i deres grundstruktur. Men ydermere er sol-gel formuleringerne typisk funktionaliseret med et indhold af funktionelle organiske grupper og derudover kan der indgå specialiserede nanopartikler eller surfactanter (overfladeadditiver) for at opnå de helt rette egenskaber. Coatingen er en tyndtflydende væske, der kan påføres med almindeligt sprøjteudstyr, og skal efterfølgende, alt efter recept, afhærdes ved temperaturer fra stuetemperatur og op til et par hundrede grader. Efter afhærdning danner coatingen typisk en 1-10µm tynd, transparent film med god fleksibilitet og slidstyrke. Påføringsmetoden betyder i praksis, at teknologien meget let lader sig skalere fra laboratorie over pilotproduktion til egentlig industriel skala. Da de individuelle coatings formulerer fra deres grundbestanddele af, er det muligt at lave detaljerede tilpasninger for at opnå lige præcist de ønskede egenskaber. Eksempler på overfladefunktioner er rengøringsvenlighed, smudsafvisning, ridsefasthed, barrieregenskaber, m.m.  Ydermere kan coatings tilpasses, så de fx muliggør vedhæftning til ”besværlige materialer”, der typisk er svære at få gængse coatings til at hæfte på.

Figur 1: Spray-coating af varmevekslerplade med en sol-gel coating. Pladen indgår sammen med 350 tilsvarende plader i en varmeveksler til temperering af råolie. Coatingen er udviklet, så den foruden at kunne holde til det krævende miljø, også effektivt sikrer at varmeveksleren ikke stoppes til af belægninger. Dermed sikres forlænget drift af veksleren. Ofte fra få måneders drift uden coating til flere års drift med coating

Foruden kompetencer og knowhow indgår FCT i Plast og Emballage med et fuldt ud bestykket vådkemisk laboratorium med sprøjtekabine og flere hærdeovne. Et større pilotanlæg indgår også, med en industriel sprøjtekabine samt hærdeovn, der kan håndtere emner op til en længde på 3 meter. 

Figur 2: Pilot-produktionsanlægget muliggør coating af store og mange emner. Det inkluderer, foruden en stor sprøjtekabine og en hærdeovn, også faciliteter til udførsel af indgående og udgående kvalitetskontrol samt til opbevaring af emner før og efter coating.

Industrielle anvendelser af sol-gel coatings

De udviklede coatings har vist sig særdeles brugbare i en række krævende industrielle anvendelser. Det historisk set største område har været olieindustrien, hvor de specialiserede coatings har vist sig at have meget eftertragtede afvisende egenskaber anvendt på forskellige typer varmevekslere. Her sikrer de tynde, varmeledende coatings nemlig at fx pladevarmevekslere til temperering af råolie, kan opnå dramatisk længere drift mellem service – uden at foule til og ovenikøbet med forbedret energiprofil. De sol-gel baserede coatings er bemærkelsesværdige, idet de ikke alene kan holde til, og sikre, effektiv drift i det meget krævende miljø, hvor både tryk, temperatur og kemi kan være udfordrende. Men også fordi de er formuleret uden, at der indgår fluorpolymerer – hvorfor de ikke forårsager udledning af PFAS-substanser til det omgivende miljø. FCT har igennem mere end et årti leveret coatings til råolievarmevekslere og andet olieprocesserings-udstyr, i fx Danmark, Norge, USA, Canada, Den Mexicanske Golf, Den Persiske Golf, Thailand, m.fl.  

På tilsvarende vis har sol-gel overfladerne også vist sig at være fortrinlige til at forhindre aflejring af mineralet struvit i spildevandsrenseanlæg, hvor coatingen sikrer forlænget drift af fx pumper, der cirkulerer spildevandet. I spildevandsbehandling kan der under nogle forhold udfældes mineralet struvit, der er meget svært at fjerne igen. Sol-gel coatede pumpedele har vist sig at kunne være i drift, uden at der dannes struvitbelægninger, i meget længere tid end ucoatede. Og når der endelig opbygges struvit på de coatede overflader kan det meget lettere fjernes, end på de ucoatede dele. Da struvit indeholder fosfor, og derfor kan anvendes som gødning, er coatingen med til at sikre bedre udnyttelse af vores affaldsressourcer.

Muligheder i plast- og emballagebranchen

Den præcise sammensætning af de enkelte sol-gel coatings afgør, foruden funktionelle egenskaber, også en række andre karakteristika. I applikationer som fødevarekontakt og medicoudstyr er der strenge krav til migration og dokumentation. Det mangeårige fokus på at undgå fluorpolymerer eliminerer risikoen for PFAS-relaterede problemer. Den endelige godkendelse til brug i fødevare- eller medicinske applikationer afhænger dog af den specifikke formulering af hver coating. Der er tidligere opnået dokumentation for sikker anvendelse af vores coatings i forbindelse med drikkevand, hvilket understøtter deres egnethed og sikkerhed i kritiske anvendelsesområder.

I plast- og emballagesammenhænge tilbyder de siliciumoxid-baserede sol-gel coatings en række spændende løsninger. Der er for øjeblikket stor interesse i at substituere plastbaseret emballage med plantefiberbaserede alternativer. De nye alternativer har ofte en række udfordringer, fx omkring barriereegenskaber i forhold til fx vand, ilt og fedt, behov for forbedret strukturel integritet, slidstyrke, m.m. – alt imens de nye emballagetyper skal kunne genbruges eller recirkuleres med minimal miljøbelastning til følge. Her tilbyder sol-gel-teknologien flere muligheder. Dels er "rygraden" siliciumoxid, som bl.a. kendes fra sand, dels opnås de ønskede egenskaber ved at påføre coatingen i meget tynde lag. Ved hjælp af sol-gel-baserede coatings, er det derfor muligt at tildele plantefiberbaserede emballager nødvendige egenskaber, samtidig med at det brugte produkt fx kan komposteres eller på anden vis recirkuleres. Det åbner op for at sol-gel-teknologien effektivt kan understøtte overgangen fra plastbaserede til plantefiberbaserede emballager. 

Figur 3: Til venstre: Eksempel på en oleofob, olieafvisende, coating på aluminium. Den højre halvdel af den lille test kupon er blevet coatet med en ca. 5µm tynd sol-gel coating, der har udtalte olieafvisende egenskaber. Det er tydeligt, at den påførte råolie perler op på den coatede halvdel. Til højre: På tilsvarende vis, med en coating tilpasset til materialet, kan der opnås olieafvisende egenskaber på fx papir. Det ses tydeligt, at den påførte planteolie danner perler på papiret og ikke gennemvæder det. Desuden har undersøgelser udført ved Plast og Emballage afsløret, at visse specifikke sol-gel-belægninger, der påføres papir- og støbt fiberemballage i begrænsede mængder på kun 3-7 g/m², kan give meget gode barrierer mod gennemtrængning af ilt og fugt.