aalto1 untyped-item.component.html
Cellulosic coatings for fibre-based packaging materials
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
95
Series
Abstract
The environmental impact of plastic overuse has increased demand for sustainable, fibre-based packaging. While such materials are renewable and mechanically strong, their poor barrier performance limits use in food applications. This is typically addressed with fossil-based polymer or aluminium coatings, which compromise recyclability. Biopolymer-based alternatives, such as regenerated cellulose, offer coating solutions that enhance the performance of fibre-based substrates while maintaining environmental compatibility.
This thesis investigated regenerated cellulose as a barrier coating for packaging paper using laboratory- and pilot-scale processes. Coating solutions of four cellulose concentrations (2, 4, 6, and 9 wt%) were prepared by alkaline dissolution and applied to commercial base paper via laboratory rod-coating using rods of different sizes, followed by regeneration, washing, and plasticization. The process was then replicated at pilot-scale, where coating was applied via immersion and controlled with a fixed blade at varying line speeds. Barrier and mechanical properties were analysed, and the effects of cellulose concentration and coating grammage were evaluated, along with process scalability.
Optimal processability occurred at 6 wt%, with other concentrations yielding less uniform coverages. Laboratory coatings achieved grammages of 12–26 g/m² and thicknesses of 14–22 µm with increasing concentration and rod size, while those of pilot coatings were lower and less variable (5–8 g/m² and 8–10 µm) irrespective of concentration or line speed. Barrier resistance generally improved with increasing cellulose concentration and grammage up to 6 wt%, with some laboratory samples achieving levels comparable to conventional polymers. Tensile strength decreased with coating grammage but improved with concentration, along with tear and puncture resistance. However, nearly all properties of the base paper were negatively affected by the chemical treatment in both processes, indicating a need for less chemically intensive methods for industrial application.
Muovien liikakäytön ympäristöhaitat ovat lisänneet kysyntää kestävämmille, kuitu-pohjaisille pakkausratkaisuille. Vaikka nämä materiaalit ovat uusiutuvia ja mekaanisesti kestäviä, niiden heikot barrier- eli läpäisynesto-ominaisuudet rajoittavat käyttöä elintarvikesovelluksissa. Tätä kompensoidaan tyypillisesti alumiini- tai fossiilipohjaisilla polymeeripäällysteillä, jotka heikentävät kierrätettävyyttä. Biopohjaiset vaihtoehdot, kuten regeneroitu selluloosa, tarjoavat päällysteratkaisuja, jotka parantavat kuitumateriaalien ominaisuuksia säilyttäen ympäristöystävällisyyden.
Tässä diplomityössä tutkittiin regeneroidun selluloosan käyttöä barrier-päällysteenä pakkauspaperille laboratorio- ja pilot-prosesseissa. Neljä eri selluloosapitoisuuden (2, 4, 6 ja 9 m-%) päällysteliuosta valmistettiin alkalisessa liuotuksessa ja levitettiin kaupalliselle pohjapaperille laboratoriossa sauvapäällystystekniikalla eri sauvakokoja käyttäen, minkä jälkeen näytteet regeneroitiin, huuhdeltiin ja plastisoitiin. Prosessi toistettiin pilot-mittakaavassa, jossa päällystys suoritettiin upotustekniikalla säädellen päällysteen määrää kiinteällä terällä sekä linjanopeuksia vaihdellen. Näytteiden läpäisevyys- sekä mekaaniset ominaisuudet analysoitiin, ja selluloosapitoisuuden sekä päällystemäärän vaikutus ominaisuuksiin arvioitiin prosessin skaalautuvuuden lisäksi.
Optimaalisin prosessoitavuus havaittiin 6 m-% selluloosapitoisuudessa, peittävyyden ollessa muissa pitoisuuksissa epätasaisempaa. Laboratoriopäällysteissä saavutettiin 12–26 g/m² neliöpainoja ja 14–22 µm paksuuksia kasvavan konsentraation ja sauvakoon myötä, kun taas pilot-päällysteiden arvot jäivät matalammiksi (5–8 g/m² ja 8–10 µm) konsentraatiosta tai linjanopeudesta riippumatta. Barrier-ominaisuudet paranivat yleisesti selluloosapitoisuuden ja päällystemäärän kasvaessa 6 m-%:iin asti, saavuttaen pakkauspolymeereihin verrattavia arvoja. Vetolujuus heikkeni päällystemäärän kasvaessa, mutta parani nousevan selluloosapitoisuuden myötä, samoin kuin repäisy- ja pistolujuus. Lähes kaikki pohjapaperin ominaisuudet kuitenkin kärsivät kemiallisesta käsittelystä, viitaten tarpeeseen hyödyntää vähemmän kemiallisesti kuormittavia menetelmiä teollisissa sovelluksissa.
Description
Supervisor
Vuorinen, TapaniThesis advisor
Sapkota, JanakHiltunen, Salla