Lactic acid based biopolymers for paper coating

Abstract

Työn tarkoituksena oli selvittää maitohappopohjaisten biopolymeerien soveltumista paperin päällysteiksi. Lähtökohtana oli muodostaa päällyste silloittamalla matalamoolimassaisia esipolymeerejä päällysteen kuivatuksen yhteydessä kertamuovimaiseksi verkkorakenteeksi paperin pinnalle. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin paperin päällystysprosessiin ja paneuduttiin erityisesti kosteuden aiheuttamaan paperin epäsuotuisaan karhentumisilmiöön. Lisäksi arvioitiin biohajoavien polymeerien mahdollisuuksia paperin päällysteinä ja tehtiin katsaus paperiteollisuudessa käytetyistä biopolymeereistä.

Kokeellisessa osassa tutkittiin esipolymeerin haaroittuneisuuden, moolimassan ja komonomeerin vaikutusta päällysteen ominaisuuksiin. Työssä valmistettiin kahdeksan rakenteeltaan erilaista silloittuvaa matalamoolimassaista esipolymeria kondensaatiopolymeroimalla panostoimisesti. Lähtöaineina käytettiin L-maitohappoa, itakonihappoa, epsilon-kaprolaktonia ja vaihtoehtoisesti joko suoraketjuista 1,4-butaanidiolia tai tahtimaista pentaerytritolia. ltakonihapon sisältämien kaksoissidosten välillä tapahtuva silloitusreaktio initioitiin peroksidilla. Silloittuvien polymeerien lisäksi valmistettiin D,L-laktidin renkaanavaavalla polymeroinnilla termoplastinen referenssipolymeeri. Polymeerit karakterisoitiin GPC-, DSC- ja NMR -menetelmillä ja silloitetuista näytteistä mitattiin geelipitoisuudet uuttokokein. Tulosten perusteella maitohapon suora polykondensaatioreaktio osoittautui vaikeasti kontrolloitavaksi monomeerien runsaasta funktionalisuudesta, pitkästä polymerointiajasta sekä kovista reaktio-olosuhteista johtuen. Silloitusasteet jäivät suhteellisen alhaisiksi itakonihapon höyrystyessä pois reaktioseoksesta.

Polymeerit applikoitiin asetoniliuoksina sauva- ja terälevittimillä joko paperiarkeille tai paksuille kartonkipinnoille. Moolimassaltaan pienimmät ja E-kaprolaktonia sisältävät polymeerit imeytyvät applikoitaessa kartongin sisälle, muiden polymeerien pysyessä paperin ja kartongin pinnalla. Applikoinnin jälkeen näytearkit kalanteroitiin ja osa kalanteroiduista arkeista kostutettiin vedellä. Näytteet analysoitiin erikseen jokaisen prosessivaiheen jälkeen. Analyysitulosten perusteella maitohappopohjaisista biopolymeeripäällysteistä tuli lujia päällysteitä, jotka tekivät paperista huomattavasti hydrofobisempia ja lukitsivat pohjapaperin kuiturakenteen tehokkaasti estäen kosteuden aiheuttaman jälkikarhentumisen lähes täysin. Silloitusasteen noustessa kuiturakenne lukkiutui entistä tehokkaammin. Myös pienillä päällystemäärillä kuiturakenteen lukitseminen oli merkittävää. Kaprolaktoni nosti polymeerien hydrofobisuutta. Samalla se muokkasi polymeeriä joustavammaksi laskien päällysteen lujuusominaisuuksia.

Polymeerien imeytymisen paperin sisälle todettiin olevan useiden osatekijöiden- moolimassan, polymeerirakenteen, kuivatuslämpötilan, liuottimen käytön, polymeeriliuoksen konsentraation sekä silloitusasteen - summa. Eri parametrien asettamat rajat polymeerin pysymiselle paperin pinnalla pystyttiin kuitenkin karkeasti määrittämään. Päällysteiden suurempi karheus aiheutui todennäköisesti kuivatuksen yhteydessä voimakkaasti haihtuvan asetonin päällysteeseen jättämistä huokoisista koloista. Kalanterointilämpötilan nosto laski odotetusti päällysteen karheutta.