Effect of different plasticization mechanisms on film-forming and barrier properties of a bio-based polymer

Abstract

As many bio-based and synthetic polymers are inherently brittle, enhancing their film-forming, mechanical and often barrier properties are crucial for their usage in food packaging applications. The improvement of film-forming properties usually happens through the application of additives such as plasticizers. However, the compatibility of the used polymer and plasticizer is important to mitigate migration of plasticizer from the polymer matrix. Furthermore, it is essential for the polymer to be readily available, non-toxic and sustainable. A cellulose-based biopolymer such as cellulose acetate butyrate exhibits these properties and is ideal for barrier coatings in food packaging systems. However, it is inherently brittle and requires plasticizers to increase the mobility of the polymer chains.

This master thesis work investigated how different hydrophobic plasticizers incorporated into cellulose acetate butyrate matrix affect its film-forming and barrier proper-ties. To understand this phenomenon, paperboard sheets coated with cellulose acetate butyrate solution without the addition of plasticizers were used as a reference. Several hydrophobic plasticizers with different functional groups were tested. Some of these plasticizers were also tested with internal plasticization mechanism.

According to the results, the cellulose acetate butyrate coatings plasticized with the plasticizers IV and V with two and one saturated hydrocarbon chains exhibited the lowest water vapor transmission rates and water absorbency. However, Plasticizer V did not improve the film-forming properties. The addition of Plasticizer I with epoxide groups along hydrocarbon chains significantly improved the film-forming properties of cellulose acetate butyrate by notably enhancing the creasing resistance suggesting also efficient grease barrier properties. Furthermore, coatings including Plasticizer I and IV with internal plasticization were combined in a double layer system and the results suggest that already one layer of each used coating would effectively enhance barrier and film-forming properties of cellulose acetate butyrate. Therefore, it would be essential for the further study to focus on optimal adjusting of the coating weight and additionally study the migration properties of chosen plasticizers and how cellulose acetate butyrate/Plasticizer V system could be improved.

Koska monet biopohjaiset ja synteettiset polymeerit ovat luonnostaan hauraita, niiden käyttö elintarvikepakkauksissa vaatii parannuksia sekä niiden filmin muodostukseen että mekaanisiin ja usein myös barrier-ominaisuuksiin. Filmiytymisominaisuuksien parantaminen tapahtuu yleensä lisäämällä lisäaineita, kuten pehmittimiä. On kuitenkin tärkeää, että käytetyn polymeerin ja pehmittimen yhteensopivuus on hyvä, jotta voidaan vähentää pehmittimen migraatiota ulos polymeerimatriisista. Lisäksi polymeerin tulisi olla helposti saatavilla, turvallinen ja kestävän kehityksen mukainen. Selluloosapohjainen biopolymeeri, kuten selluloosa-asetaattibutyraatti, omaa nämä ominaisuudet ja on ihanteellinen käytettäväksi barrier-päällysteenä elintarvikepakkauksissa. Se on kuitenkin luonnostaan hauras ja vaatii pehmittimiä sen polymeeriketjujen liikkuvuuden lisäämiseksi.

Diplomityössä tutkittiin, miten erilaiset hydrofobiset lisäaineet vaikuttivat selluloosa-asetaattibutyraatin filmiytymiseen ja barrier-ominaisuuksiin. Vertailukohteena käytettiin selluloosa-asetaattibutyraatti päällystettä, johon ei ollut lisätty näitä lisäaineita. Useita hydrofobisia pehmittiä, joilla oli erilaisia funktionaalisia ryhmiä, testattiin. Joitakin näistä lisäaineista testattiin myös reaktiivisessa plastisoinnissa, jossa lisäaine rea-goitettiin kiinni polymeeriin.

Tulosten pohjalta voitiin todeta, että pehmittimet IV ja V, joille ominaista olivat kaksi tai yksi tyydyttynyttä hiilivetyketjua, tehokkaimmin alensivat päällysteiden vesihöyryn läpäisevyyttä ja veden imeytyvyyttä. Pehmitin V ei kuitenkaan parantanut filmiytymisominaisuuksia. Pehmittimen I, jolle ominaista olivat epoksi ryhmät hiilivetyketjussa, lisääminen paransi merkittävästi filmiytymistä parantamalla huomattavasti nuuttauksen kestoa sekä samalla rasvankestävyyttä. Lisäksi pehmittimiä I ja IV sisältävät päällysteet yhdistettiin tuplapäällysteellä, ja tulokset viittasivat siihen, että jo yksi kerros kumpaakin käytettyä päällystettä riittäisi parantamaan tehokkaasti selluloosa-asetaattibutyraatin barrier- ja filmiytymisominaisuuksia. Sen vuoksi jatkotutkimuksen olisi hyvä keskittyä päällystemäärän optimaaliseen säätämiseen, valitun pehmittimen mahdolliseen migraatioon sekä miten selluloosa-asetaattibutyraatti/pehmitin V -yhdistelmää voisi kehittää.