Effect of polymer chemistry on grease barrier properties
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Authors
Date
2017-04-24
Department
Major/Subject
Fibre and Polymer Engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
72 + 7
Series
Abstract
The objectives of this thesis were to find a way to coat a fluorochemical laboratory reference on paper, and to test lightweight dispersion coating for grease barrier purposes. To create a reference for grease barrier coating, the possibility of treating paper with a fluorochemical using the same method and base paper was investigated. Coating colours suitable for use in food packaging were tested. An experimental coating colour FOr, with two binders, a Zr crosslinker, and a thickening agent, was compared to modifications. These were sorbitol plasticization, citric acid crosslinking, and wax addition. A binder used in the above formulae was tested separately and with a wax for comparison. Sodium alginate was tested with and without a thickening agent. Grease, hexane vapour, and water vapour barrier properties, as well as creasing and blocking behaviour were studied. Simple bar coating produced the most even coatings with the least pinholes. A good fluorochemical reference could not be produced using the same base paper. This was attributed to the low porosity of the base. It was designed for dispersion barrier coatings. The fluorochemical treatment did not reach deep enough to create a suitable barrier. Sorbitol plasticization significantly improved creasing resistance. It also slightly reduced water vapour transmission rate (WVTR), as did citric acid crosslinking compared to Zr crosslinking. This was attributed to sorbitol and citric acid both interacting with OH-groups in the binders of the colour. Adding wax deteriorated most qualities, but seemed to improve the barri-er against large fatty acids. The separate binder performed exceptionally well. It is not used by itself in the industry due to runnability issues. The alginate formu-lae were not as effective as the others in most barrier tests. They were also susceptible to cracking when creased, despite their plasticization. The unmodified FOr, the alginate samples, and the single binder with and without wax were effective at preventing hexane vapour penetration. They could be effective at preventing migration from recycled mineral oil -containing packaging. The FOr formula proved to be a potential basis for grease barrier coating, but requires some improvement. Environmental, health, and price factors favour it over fluorochemical treatment. The formula can find use as a barrier against harmful mineral oil hydrocarbon compounds found in recycled packaging. Sorbitol plasticization and citric acid crosslinking are examples of possible modification routes using safe chemicals. The separately studied binder was likely the main source for the coating’s barrier properties.Työn tavoitteina olivat paperin laboratoriopäällystyksen soveltuvuuden selvittäminen fluorokemikaalikäsittelyyn vertailunäytteen tuottamiseksi, sekä dispersiopäällysteiden soveltuvuuden tutkiminen rasvabarrier-sovelluksiin. Tarkoituksena oli käyttää samaa pohjaa ja menetelmää vertailunäytteelle. Työssä testattiin erilaisia elintarvikepakkauksiin soveltuvia päällysteitä. Kokeellista pastaa FOr, joka koostui kahdesta sideaineesta, Zr-ristisitojasta ja paksuntamisaineesta, verrattiin sen muokattuihin versioihin. Muokkauksia olivat pehmentäminen sorbitolilla, ristisidonta zirconiumin sijaan sitruunahapolla, sekä vahan lisäys. Lisäksi toista sideaineitta testattiin erikseen ja vahan kanssa. Kirjallisuudessa huomiota saanutta natriumalginaattia tarkasteltiin yksinään ja paksuntajan kanssa. Päällystetyistä papereista testattiin rasvan, vesihöyryn ja heksaanihöyryn läpäisyä, sekä nuuttauskestävyyttä ja blokkautumisherkkyyttä. Yksinkertainen sauvapäällystys tuotti tasaisimmat päällysteet, joissa oli vähiten reikiä. Käytetty pohjapaperi soveltui paremmin dispersiopäällystykseen. Se ei ollut tarpeeksi huokoista fluorokemikaalikäsittelylle. Sorbitolilla pehmennys paransi huomattavasti nuuttauskestävyyttä. Sorbitoli- ja sitruunahappovariaatiot olivat parempia vesihöyrybarriereita kuin alkuperäinen FOr. Tämä selitettiin kyseisten aineiden taipumuksella sitoa hydroksyyliryhmiä sideaineissa. Vahalisäys heikensi ominaisuuksia, paitsi suuria rasvahappomolekyylejä vastaan. Erillään päällystetty sideaine toimi parhaiten kaikista käsittelyistä. Sitä ei tosin käytetä alalla yksinään sen huonon ajettavuuden vuoksi. Alginaattinäytteet eivät toimineet yhtä hyvin kuin muut näytteet. Niiden nuuttauksenkesto oli huono pehmentimestä huolimatta. Muuttamaton FOr, alginaattinäytteet, sekä erotettu sideaine vahalla ja ilman olivat tehokkaita heksaanihöyryn läpäisyn estossa. Niillä on potentiaalia estää mineraaliöljyn kulkeutuminen kierrätyskuitupakkauksista elintarvikkeisiin. Kokeellisella FOr-päällysteellä on potentiaalia rasvabarriersovelluksissa, mutta vaatii vielä parantelua. Terveys-, ympäristö- ja hintatekijät ovat sen etuja fluorokemikaaleihin nähden. Päällyste voisi soveltua barrieriksi kierrätyspakkausten mineraaliöljyjen haitallisille yhdisteille. Lisäksi sitä voidaan muokata eri sovelluksiin sopivaksi. Sorbitolilla pehmennys ja ristisidonta sitruunahapolla ovat toimivia ja turvallisia muokkauskeinoja. Päällysteen barrier-ominaisuudet ovat todennäköisesti pääosin peräisin erikseen testatusta sideaineesta.Description
Supervisor
Österberg, MonikaThesis advisor
Turkki, TarjaKeywords
grease barrier, fluorochemical, dispersion coating, paper, food packaging