The utilization of biopolymers for multilayer barrier coating of paperboard

Abstract

Environmental awareness has boosted the use of bio-based material in packaging industry, paperboard being the most used alternative. The development towards completely bio-based packaging materials is still ongoing, as paperboards are conventionally coated with fossil-based plastic films. Biopolymers have beenwidely investigated to be used as barriers. Researched biopolymers have not showed as efficient barriers at same coating thicknesses and thus the possible options are to apply a remarkably thicker layer or to combine several biopolymers as multilayer barrier coating.

Multilayer barrier coatings have been used, for example, by applying coextrusion films and layering polymer films and metal foilsin liquid packaging. Combination of extrusion- and water-based barrier coatings (WBBC) is still a novel field of study. The combination has provided great barrier properties with less material usage. However, material incompatibility is a common challenge, as mostly used biopolymers for extrusion films are non-polar and those used for WBBC are polar. Thus, additional chemical modification, surface treatments and/or additive are needed to ensure the sufficient adhesion.

This project focused on the combination of extrusion coating and WBBC. The key themes were to study the order of the coating layers, the advantages and drawbacks of the materials and their combinations, the requirement in the light of coating applications and most importantly the barrier performances. The coatings were mostly applied at pilot scale extrusion/WBBC coating line. Additionally, laboratory scale WBBC coater was used to apply WBBC on extrusion films. The compatibility of the material was enhances using flame/corona treatments, mechanical roughening and wetting agent. The functionality of the multilayer coatings were characterized through adhesion- and barrier tests as well as imaging with scanning electron microscopy. The best combinations were selected from three different base boards, two dispersions and two extrusion coatings.

The coating results obtained from the pilot line were certainly even with all the used materials meaning, that the combinations were compatible. The lack of adhesion, while applying WBBC on extrusion film, was compensated by finding right parameters for surface treatments. Combining corona treatment and mechanical roughening lead to particularly improved adhesion. The best barrier properties were achieved with coextrusion films due to interphases between the layers. Importance of proper substrate was faced by obtaining differences between the base boards. The order of the layers did not affect the barrier performance. However, in terms of compatibility and process feasibility, WBBC is recommended to be applied before extrusion film. Further studies would include deeper knowledge on the effect of combined surface treatments to maximize adhesion and thus barrier performance and to minimize material usage.

Biopohjaisten materiaalien, erityisesti kartongin, käyttö pakkauksissa on kiihtynyt ympäristötietoisuuden lisääntyessä. Kehitys on kuitenkin vielä kesken, sillä suuri osa kartongeista päällystetään edelleen fossiilipohjaisilla muoveilla, jotta tarvittavat barrier-ominaisuudet saavutettaisiin. Tutkimukset biopolymeerien ympärillä ovat yleistyneet. Yksittäisillä tutkituilla biopolymeereillä ei kuitenkaan ole saavutettu samanlaisia barrier-ominaisuuksia kuin fossiilipohjaisilla, kun päällysteiden paksuudet ovat pidetty vakioina. Vaihtoehtoina ovat siis päällysteen paksuuden radikaali kasvattaminen tai eri biopolymeerien yhdistäminen monikerroksellisiksi barrier-päällysteiksi.

Monikerroksellisia päällysteitä on ennenkin käytetty koekstruusion muodossa tai kerrostamalla muovifilmejä ja ohuita metallikerroksia. Ekstruusio- ja dispersiopäällysteiden yhdistäminen on kuitenkin uusi tutkimusaihe. Kyseiset yhdistelmät ovat antaneet lupaavia tuloksia barrier-ominaisuuksien valossa. Polymeerien yhteensopivuus on kuitenkin yleinen haaste, sillä polaarisuuserot ekstruusio- ja dispersiopäällysteiden välillä ovat yleisesti merkittäviä. Riittävän adheesion varmistamiseksi joudutaan usein käyttämään joko kemiallista modifiointia, pintakäsittelyjä ja/tai lisäämään pinta-aktiivisia aineita.

Tässä projektissa keskityttiin ekstruusio- ja dispersiopäällysteiden kerrostamiseen kartongin päälle. Työn tavoitteena oli tutkia päällystekerrosten järjestyksen merkitystä, materiaalien ja eri kombinaatioiden vahvuuksia ja heikkouksia, päällystystekniikoiden asettamia rajoitteita ja tärkeimpänä monikerrospäällysteiden barrier-ominaisuuksia. Näytteet päällystettiin enimmäkseen pilot-mittakaavan päällystyslinjastolla. Laboratorio-mittakaavan dispersiopäällystyslaitetta käytettiin, kun dispersiota applikoitiin ekstruusiofilmin päälle. Päällysteiden yhteensopivuutta parannettiin käyttämällä liekki/koronakäsittelyä, mekaanista karhennusta ja lisäämällä dispersioon pinta-aktiivista ainetta. Monikerrospäällysteiden toimivuutta arvioitiin adheesio- ja barrier-testeillä, ja kerrosten rakennetta kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Parhaat kombinaatiot valittiin kolmen eri pohjakartongin, kahden dispersion ja kahden ekstruusiofilmin joukosta.

Kaikki pilot-mittakaavan päällysteet olivat erityisen onnistuneita ja tasalaatuisia, mikä osoittaa käytettyjen materiaalien toimivan yhdessä. Adheesion havaittiin olevan heikkoa, kun dispersiota applikoitiin ekstruusiofilmin päälle, mutta oikeilla pintakäsittelyillä ja päällystysparametreilla dispersio saatiin levittymään ja tarttumaan filmin pintaan. Koronakäsittelyn ja karhennuksen yhteisvaikutus osoittautui erityisen hyväksi tavaksi parantaa adheesiota. Parhaat barrier-tulokset saatiin käyttämällä koekstruusiofilmiä, sillä muodostuneet rajapinnat hidastavat molekyylien diffuusiota. Myös pohjakartongin ominaisuuksilla oli merkitystä niin adheesioon kuin barrier-ominaisuuksiin. Kerrosten järjestyksellä ei ollut huomattavaa merkitystä ominaisuuksien kannalta, mutta dispersion applikointi ennen ekstruusiofilmiä mahdollistaa muovifilmin paremman asettumisen ja on tuotannollisesti kannattavampaa.