Pilot-scale filler-reinforced biodegradable coatings for paperboard packaging

Abstract

Environmental impact and regulation of packaging materials are topics that critically influence the adoption of alternatives to fossil-based systems that are in current use. In this context, paperboards represent suitable renewable and biodegradable options that also have the advantage of recyclability. However, the nature and structure of paperboard-based products limit their use and undermine other competitive advantages. A main reason is the limited barrier properties displayed by paperboard products. Gaining control of the transport of moisture, grease, liquids and gases is the most relevant requirement for packaging materials together with heat sealability. A possible route to achieve barrier control includes consideration of biodegradable thermoplastic polymer coatings, such as poly(lactic acid) (PLA), poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) and poly(butylene adipate terephthalate) (PBAT). However, the application of these materials needs adjustments in the processability aspects. They also affect the interactions with the packaged goods and the overall functionality, demanding the adoption of auxiliary components, including plasticizers, nucleating agents and fillers. These subjects are complex and should be examined carefully, not only from the fundamental viewpoint but for actual deployment. This thesis discusses these topics from the perspective of scalable and deployable technologies.

The effect of mineral fillers on biodegradable polymer coatings for paperboard packaging is examined at a pilot scale. The utilized thermoplastic polymers included PLA and PLA-based blends, PHBV and PBAT. The fillers introduced to the polymer matrices included talc, kaolin and calcium carbonate. Production processes typical of the packaging industry were contemplated, such as injection and compression moulding and pilot-scale extrusion coating. The potential of the packaging materials and their combinations was evaluated from the perspective of processability to the end-of-life. The addition of fillers benefited processability in the extrusion coating process by reducing neck-in and improving adhesion formation. As a drawback, they contributed to the formation of pinholes at lower coating weights. The barrier properties of intact films and coatings were improved, whereas the introduction of the fillers did not significantly impact on the biodegradability characteristics. This thesis provides insights on the filler-reinforcement of biodegradable polymers and their utilization as coating layers. This work is expected to serve as a guide for future developments of sustainable extrusion coatings for paperboard packaging.

Ympäristövaikutukset ja pakkausmateriaalien sääntely vaikuttavat merkittävästi pakkausmateriaalien kehitykseen ja vaihtoehtoisten materiaalien hyödyntämiseen perinteisten fossiilipohjaisten sijasta. Kartonki edustaa tyypillisesti uusiutuvaa, biohajoavaa ja helposti kierrätettävissä olevaa materiaalia. Kartonkipohjaisten tuotteiden luontaiset ominaisuudet ja rakenne saattavat kuitenkin rajoittaa niiden käyttöä. Kartongilla ei ole luontaista suojaa kosteudelle, rasvalle, nesteille tai kaasuille, mitä pakkausmateriaalit usein tarvitsevat yhdessä kuumasaumattavuuden kanssa. Biohajoavien termoplastisten polymeeripäällysteiden, kuten polylaktidin (PLA), poly(3-hydroksibutyraatti-ko-3-hydroksivaleraatin) (PHBV) ja polybutyleeni-adipaatti-tereftalaatin (PBAT) avulla kartongin toiminnallisuutta voidaan lisätä. Biohajoavien polymeerien prosessoitavuutta, toiminnallisuutta ja vuorovaikutuksia on parannettu hyödyntämällä erilaisia pehmittimiä sekä ydintämis- ja täyteaineita. Näitä aiheita tulisi tarkastella perustutkimuksen lisäksi myös käyttöönoton näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa hyödynnetään tuotantoon skaalautuvaa teknologiaa.

Mineraalitäyteaineiden vaikutusta kartonkipakkausten biohajoaviin polymeeripinnoitteisiin tutkittiin pilottimittakaavassa. Tutkimuksessa käytetyt termoplastiset polymeerit olivat PLA ja PLA-pohjaiset seokset, PHBV sekä PBAT. Polymeerimatriiseihin lisätyt täyteaineet olivat talkki, kaoliini ja kalsiumkarbonaatti. Työssä hyödynnettiin pakkausteollisuudesta tuttuja prosesseja, kuten ruisku- ja puristusmuovausta sekä ekstruusiopäällystystä pilottimittakaavassa. Pakkausmateriaaliyhdistelmien potentiaalia arvioitiin prosessoitavuudesta aina pakkauksen elinkaaren loppuun asti. Täyteainelisäykset paransivat prosessoitavuutta alentamalla kuroumaa ja lisäten adheesiota ekstruusiopäällystysprosessissa. Lisäykset kuitenkin aiheuttivat pienten reikien muodostumisen alemmilla päällystemäärillä. Ehjien kalvojen ja päällysteiden barrier-ominaisuudet paranivat, kun taas täyteainelisäyksillä ei ollut merkittävää vaikutusta pakkausmateriaalien biohajoavuuteen. Tämä väitöskirja tarjoaa näkökulmia täyteaineen käytöstä biohajoavissa polymeereissä sekä materiaalien hyödyntämisestä päällysteenä. Työn odotetaan tukevan tulevaisuuden kestävän kehityksen mukaisten ekstruusiopäällysteiden kehitystä kartonkipakkausmateriaaleille.