Was wäre unser Leben ohne Glas? Wir kaufen Gurken, Rotkohl und Senf im Glas. Wir schenken Bier, Sekt und Saftschorle aus Flaschen ein. Und zu Weihnachten liegt unter manchem Tannenbaum ein eleganter Glasflakon mit Parfüm. Gut 80 Millionen Flaschen und Gläser kommen laut dem Branchenverband FEVE allein in Europa jedes Jahr auf den Markt, gefüllt mit Lebensmitteln, Getränken, Cremes oder anderen Kosmetika. In Umlauf sind aber noch viel mehr Glasbehälter – Millionen von Pfandflaschen, die bis zu 25-mal zwischen Kunden und Abfüllern hin- und herreisen, ehe sie aussortiert und wieder eingeschmolzen werden. Damit gehört Glas neben Konservendosen zu den wenigen Verpackungsstoffen, die ewig recycelt werden können, ohne dass die Qualität leidet. Es lässt sich immer wieder neu formen.
Kaufentscheidend
Im Grunde ist Glas so alltäglich, dass sich kaum jemand Gedanken darum macht. Schließlich kommt es auf den Inhalt an und nicht auf die Verpackung. Doch die muss viele Eigenschaften erfüllen. Gläser und Flaschen sollen griffig sein und dürfen selbst dann nicht aus der Hand rutschen, wenn sie beschlagen sind. Zudem müssen sie stabil sein. Selbst wenn Flaschen aneinanderstoßen, darf nichts splittern. Zu groß ist die Verletzungsgefahr. Wichtig ist auch, dass Etiketten und Aufdrucke fest an der Oberfläche haften. Bei besonders hochwertigen Produkten schließlich spielt die Optik eine große Rolle. Kein Kratzer soll die Champagnerflasche verunstalten. Und wer ein Parfüm für 100 Euro kauft, erwartet, dass die Oberfläche des Flakons makellos ist. „Die Glashersteller müssen daher für eine perfekte Optik und Haptik sorgen. Im Einzelhandel kann das kaufentscheidend sein“, sagt Dr. Stefan Hilf, Forschungsleiter der Businessline Smart Effects am Evonik-Standort Rheinfelden.
»Perfekte Optik und Haptik sind im Einzelhandel kaufentscheidend.«
Stefan Hilf Forschungsleiter Evonik Smart Effects
In zwei Schichten zum Ergebnis
Damit Glasbehälter all diese Anforderungen erfüllen, werden sie beschichtet. Die Beschichtung ist nur wenige Nanometer dick, aber ungemein robust. Sie macht Glas kratzfest, griffig und verleiht ihm eine hochwertige, glatte Oberfläche. Bei Pfandflaschen verhindert sie, dass das Material zu schnell verschleißt, stumpf und unansehnlich wird.
Die Glasbranche setzt dabei seit Jahrzehnten auf ein bewährtes Verfahren. Bei diesem Zweistufenprozess werden die Behälter zunächst mit der chemischen Verbindung Butylzinntrichlorid besprüht, das auf der Oberfläche eine feste Zinnoxidschicht bildet. Diese Schicht glättet die Oberfläche, indem sie Mikrorisse gewissermaßen auffüllt. Zudem bildet sie als Haftvermittler die Grundlage für die zweite Schicht – ein Polyethylenwachs, das sich oberflächenhaftend mit dem Zinnoxid verbindet. Erst das Wachs macht das Glas griffig, kratz- und verschleißfest.
Dieses zweistufige Verfahren ist zwar weltweit etabliert, gilt aber als problematisch. Butylzinntrichlorid ist ätzend und schädigt insbesondere Wasserorganismen. Zudem wird die Substanz nur langsam abgebaut, sodass sie lange in der Umwelt bleiben und sich in Organismen anreichern kann. Da auf dem Glas nach der Reaktion aber nur die harmlose Zinnoxidschicht verbleibt, ist es dennoch für die Lebensmittelindustrie geeignet. Allerdings dürfen Glashersteller das Butylzinntrichlorid nur unter hohen Sicherheitsvorkehrungen aufsprühen. Das macht den Arbeitsschutz aufwendiger und die gesamte Produktion komplexer. Aus diesem Grund hat Evonik zusammen mit dem französischen Unternehmen TotalEnergies eine neue, ungiftige Beschichtung entwickelt. Sie soll 2027 auf den Markt kommen. Unter dem Namen Glasskote Base 1 will TotalEnergies das neue Produkt an seine Kunden in der Glasindustrie ausliefern.
Beschichten in einem Rutsch
Bislang werden Glasflaschen in einem zweistufigen Prozess mit einem Polyethylen-Überzug versehen. Beim neuen Silanverfahren fällt die Heißbeschichtung weg.
Maßgeschneiderte Silane
Die neue Beschichtung basiert auf einer völlig anderen chemischen Stoffgruppe als Butylzinntrichlorid, nämlich auf Silanen. Diese bestehen aus einem Siliziumgerüst, an das sich molekulare Anhängsel mit verschiedenen chemischen Funktionen knüpfen lassen, sogenannte funktionelle Gruppen. „So kann man Oberflächen mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften ausstatten“, sagt Stefan Hilf. Metalle etwa werden unempfindlich gegenüber korrosiven Substanzen. Mauern kann man mit wasserabweisenden Silanen besprühen. So lässt sich verhindern, dass Feuchtigkeit in Wände einzieht und Moos gedeiht. „Mit der neuen Beschichtung für Verpackungsglas adressiert Evonik jetzt einen für den Konzern neuen Markt“, so Hilf.
Der Weg dahin war lang. Immerhin musste ein ebenbürtiger Ersatz für die ausgereifte und robuste Zinnoxid-Polyethylen-Beschichtung gefunden werden, die die vielen Anforderungen an Gläser und Flaschen erfüllt. Die Entwicklung begann 2019, als die amerikanische Landesgesellschaft von TotalEnergies bei Evonik anfragte. Sie beliefert die Glasindustrie schon seit vielen Jahren mit Gleit- und Trennmitteln für die Produktion von Glasbehältern, daher waren die Experten mit der Butylzinntrichlorid-Problematik bestens vertraut. „Wir nahmen zunächst Kontakt zu verschiedenen Firmen in den USA auf, die versucht hatten, eine Alternative zu entwickeln. Aber keine konnte die Anforderungen der Glashersteller erfüllen“, sagt Manuel Keller, Vertriebsleiter bei TotalEnergies Glass Lubricants Europe. „Erst bei Evonik haben wir Fachleute mit dem richtigen technischen Verständnis und vor allem der Chemieexpertise gefunden, die es braucht, um geeignete Materialien für diesen Einsatz maßzuschneidern.“
Das Ziel: ein feiner Film
Es ist insbesondere dem Know-how der Chemiker am Standort Rheinfelden zu verdanken, dass es gelang, das perfekte Silan für die Glasindustrie zu finden – allen voran Eckhard Just, der seit 1987 bei Evonik in Rheinfelden arbeitet. Der Chemotechniker weiß, wie man Silanen die gewünschten Eigenschaften verleiht und wie man sie handhabt – denn sie verhalten sich etwas kapriziös. Silane werden überwiegend als Flüssigkeiten an die Kunden ausgeliefert. Die Moleküle neigen jedoch dazu, sich unter Feuchtigkeitseinfluss miteinander zu vernetzen. Sie bilden zähe Gele, fallen in der Flüssigkeit als Flocken aus oder ballen sich gar zu Klumpen zusammen. Eine Silanlösung zu entwickeln, die über lange Zeit stabil bleibt und sich erst am Ende in der Glasproduktion zu einem feinen, gleichmäßigen Film auf die Flaschen legt, braucht Erfahrung. „Es ist wirklich eine Herausforderung“, sagt Just. „Wenn die Flüssigkeit in den Schläuchen oder Sprühdüsen der Anlage verklumpt, hat man ein Riesenproblem.“
Zusammen mit seinen Mitarbeitern musste er unter anderem die passende Säure finden, um die Silane zu verarbeiten, den richtigen pH-Wert sowie den idealen Feststoffanteil in der wässrigen Lösung bestimmen und noch viele andere Parameter perfekt einstellen. Und natürlich kam es auch auf die richtigen Zutaten an. Silane werden aus einzelnen kleinen Siliziumbausteinen zusammengesetzt, sogenannten Monomeren. Diese Monomere verbinden sich zu zweit oder zu dritt zu größeren Molekülen, den Di- oder Trimeren. Ob ein Silan später auf der Oberfläche einer Flasche eine dünne, gleichmäßige Schicht bildet, hängt nicht zuletzt vom Mischungsverhältnis der Oligomere ab.
»Für hochwertige Champagnerflaschen muss die Schicht noch kratzfester werden.«
Fabian Zschocke Projektmanager Glasschmierstoffe bei TotalEnergies
Praxiseinsatz in der Testfabrik
Schließlich fand das Team die richtige Rezeptur. Erste Sprühtests im Labor waren vielversprechend: Wenn Eckhard Just Glasflaschen mit einer Spritzpistole benetzte, bildete sich ein dünner, gleichmäßiger Film. Dann ging es zum ersten Praxisversuch an einer großen Testanlage in die USA. Sobald die Flaschen auf 130 bis 100 Grad Celsius abgekühlt waren, wurde die Silan-Polyethylen-Mischung aufgetragen – und bildete auf den Flaschen einen perfekten Film.
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Und noch etwas gelang den Experten. Das Silan und das Polyethylenwachs ließen sich in einem Rutsch auf die Flaschen auftragen. „Das war ein Riesenerfolg“, sagt Forschungsleiter Hilf, „weil das die Beschichtung im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren deutlich vereinfacht.“ Butylzinntrichlorid und Polyethylen müssen getrennt voneinander aufgetragen werden. Man dampft das Chlorid auf die Flaschen, wenn diese noch heiß sind. Dabei durchwandern sie eine Kammer, in der sich ein feiner Butylzinntrichlorid-Nebel auf ihnen absetzt. Danach kühlen die Flaschen auf dem Fließband auf rund 90 Grad Celsius ab. Erst dann können sie mit dem Polyethylenwachs besprüht werden.
»Wir gehen Anfang 2027 in den Markt.«
Karsten Korth Technischer Manager bei Evonik
Alles in einem Rutsch
Nicht so bei der Silanbeschichtung. Die Kunden mischen die Silanlösung in der Fabrik mit der Polyethylen-Emulsion ihrer Wahl an und füllen die Mixtur dann in die Sprühanlage – fertig. TotalEnergies hat in den vergangenen Monaten zusammen mit Glasherstellern weitere Produktionstests durchgeführt. Auch deren Ergebnisse sind vielversprechend. „Mit Glasskote Base 1 erzeugen wir Oberflächen, die 80 bis 90 Prozent der Qualität einer Butylzinntrichlorid-Beschichtung erreichen“, sagt Fabian Zschocke, Projektmanager und Experte für Glasproduktion bei TotalEnergies. „Für Bierflaschen und Lebensmittelgläser reicht das allemal. Für Champagner aber muss die Schicht zum Beispiel noch kratzfester werden.“ Er ist zuversichtlich, dass sich die Qualität weiter steigern lässt, denn aus jeder Anlage könne man noch etwas herauskitzeln. „Keine Produktionsanlage ist wie die andere“, erklärt Zschocke. „Da muss ein neuer Prozess erst einmal justiert und eingefahren werden.“
Auch Dr. Karsten Korth geht davon aus, dass die neue Silanbeschichtung die Performance von Butylzinntrichlorid erreichen wird. „Wir gehen Anfang 2027 in den Markt und werden zusammen mit TotalEnergies und den Kunden weiter optimieren – entweder an den Produktionsanlagen oder indem wir dem Silan noch Additive beimischen“, so der Technische Manager bei Evonik in Rheinfelden. „Entscheidend ist, dass die Glashersteller ohne große Veränderungen an der Produktionsanlage auf die neue Beschichtung umsteigen können.“ Fabian Zschocke arbeitet derzeit zusammen mit den Glasherstellern daran, die Sprühdüsentechnik weiter zu optimieren, damit sich auf den Flaschen wirklich eine gleichmäßige, perfekte Schicht bildet.
Vorteile für Glasproduzenten
Für die Glashersteller bietet die neue Technologie einen großen Vorteil: Um die Silanbeschichtung anzuwenden, müssen sie ihre Produktionsanlagen kaum verändern. Zudem erleichtert Glasskote Base 1 den Übergang von Gasöfen auf Elektroöfen. Wie viele andere Branchen müssen auch Glashersteller künftig bei Kohlendioxidemissionen strengere Vorgaben einhalten. Bisher werden die Schmelzöfen mit Erdgas beheizt, wodurch viel CO2 freigesetzt wird.
Künftig sollen sie mit Strom betrieben werden. Das etablierte Verfahren schafft hier Probleme: Wenn sich aus dem Butylzinntrichlorid auf der heißen Glasoberfläche die Zinnoxidschicht bildet, wird Salzsäure frei. Diese wird bislang mit dem Abgas aus den Gasöfen vermischt und dabei sehr stark verdünnt. Werden künftig Elektroöfen eingesetzt, entfallen diese Abgase, und die Salzsäurekonzentration im Abluftstrom erreicht kritische Werte. „Einem unserer Kunden haben die Behörden daher den Einsatz von Butylzinntrichlorid verwehrt“, erzählt Zschocke. „Mit Glasskote Base 1 ist das Problem aus der Welt.“
Darüber hinaus habe der Umstieg auf Silane noch einen weiteren Vorteil, ergänzt Evonik-Forschungsleiter Hilf. Gemäß den neuen Lieferkettenreglements der Europäischen Union müssen Unternehmen dafür sorgen, dass nicht nur sie selbst, sondern auch ihre Zulieferer Umweltschutzbestimmungen einhalten. Hilf: „Damit spielt es auch für Abfüller und die Lebensmittelindustrie eine große Rolle, ob das Glas umweltfreundlicher produziert wurde.“
Evonik und TotalEnergies setzen große Erwartungen in die neue Technologie. Je weiter sich die Performance des Silans im industriellen Umfeld verbessert, desto mehr dürfte das Interesse der Glashersteller wachsen. Eine große Stärke liegt darin, dass es die Produktion durch den Verzicht auf Butylzinntrichlorid in Sachen Arbeits- und Gesundheitsschutz sicherer und nachhaltiger macht.
Bessere Produktionsbedingungen, perfekte Kreislaufwirtschaft, ein kleinerer CO2-Fußabdruck: Optimiertes Glas bietet beste Aussichten. Die Silane von Evonik ebnen den Weg dafür.
