Nanocellulose as barrier coating deposited using a laboratory rod coater
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-04-24
Department
Major/Subject
Biomass Refining
Mcode
CHEM3021
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
77
Series
Abstract
Both nanocellulose and barrier coatings are topical subjects, as evidenced by the accelerated number of recent reports related to nanocellulose and packaging. This thesis aims to understand the flow behaviour of nanocellulose as a coating layer deposited on paper by using a laboratory rod coater. The experimental efforts cover tests related to the rod-coating parameters and the properties of the deposited nanocellulose. Associated properties were explored with respect to nanocellulose pretreatment, substrate type, heat treatment, as well as the effect of added soy proteins. The latter relied on the effect of this inexpensive biomolecule to facilitate layer cohesion. The main target was to investigate the response of the end-use properties on both the device parameters and the properties of the coated material. In terms of liquid packaging, the main properties studied included barrier effects, which in this thesis were assessed by measurements of air permeability, water and oil absorption. In addition, the tensile strength and fracture toughness were determined. Moreover, the relation between the rod coater parameters, the properties of the coating layer, coat weight and coating thickness were investigated. Heat treatment and binding with soy protein were identified as suitable strategies to reduce water absorption by nanocellulose. In addition, a connection between rod metering speed, air permeability and oil absorption was found. The effect was also based on rod gap size which regulated the amount of coating. Water transfer from the coating layer to the substrate and reduced coat weight were possible causes of a relatively high air permeability and oil absorption. However, the rheology of the layer and fibril agglomeration also played a role. Finally, nanocellulose percolation was found to decrease the fracture toughness as a function of coating solids.Nanoselluloosa ja barrier-päällysteet ovat ajankohtainen aihe, mikä on selvästi havaittavissa tieteellisten julkaisujen määrästä. Tämän diplomityön keskeisimpiä tavoitteita on tarkastella nanoselluloosan virtauskäyttäytymistä laboratoriomittakaavan sauvapäällystimellä päällystettäessä. Kokeellinen osuus kattaa sekä laiteparametrien että päällystekomposiitin käyttäytymisen testausta. Käyttäytymistä tarkasteltiin liittyen pohjapaperiin, esikäsittelyyn, lämpökäsittelyyn, sekä ristisilloittamiseen, jossa perustettiin soijaproteiinin ja ristisilloittajan yhteisvaikutukseen. Kokeellisen osuuden päätavoite oli tutkia loppukäyttöominaisuuksien vastetta, sekä laiteparametrien suhteen että päällystekomposiitin käyttäytymisen suhteen. Nestepakkauksissa loppukäyttöominaisuudet kattavat ennen kaikkea barrier-ominaisuudet, joita tässä työssä edustivat ilmanläpäisy, veden absorptio ja öljyn absorptio. Lisäksi mekaanisia loppukäyttöominaisuuksia eli vetolujuutta ja murtositkeyttä tutkittiin vähäisissä määrin, kuten myös päällysteen nk. paksuuntumis-ilmiötä. Laiteparametrien, päällystekomposiitin käyttäytymisen ja loppukäyttöominaisuuksien välinen suhde käsitti päällystemäärän ja päällysteen paksuuden tutkimisen. Veden adsorptiota nanoselluloosaan onnistuttiin vähentämään sekä lämpökäsittelyn että ristisilloitetun soijaproteiinin avulla. Lisäksi havaittiin yhteys sauvan päällystysnopeuden, ilmanläpäisyn ja öljyn absorption välillä. Toisaalta laiteparametreja testatessa ilmeni epäselvyyttä tulosten tulkinnassa. Kyse oli siitä, olivatko veden imeytyminen päällysteestä pohjapaperiin ja alhainen päällystemäärä yksiselitteisiä syitä osittain korkeisiin ilmanläpäisevyyksiin ja öljyn absorptiolukuihin, vai vaikuttivatko myös fibrillien agglomeraatio tai erilaiset reologiset ilmiöt, kuten hydrodynaamiset voimat. Nanoselluloosan perkolaatiokäyttäytymisen havaittiin vaikuttavan murtositkeyden heikkenemiseen päällysteen kiintoainepitoisuuden funktiona.Description
Supervisor
Rojas, OrlandoThesis advisor
Filpponen, IlariKeywords
CNF, nanocellulose, rod coater, coating, barrier