Effect of surface treatment on compostable biopolymer extrusion coating on paperboard

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-08-22
Department
Major/Subject
Fibre and Polymer Engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
85+7
Series
Abstract
The use of bio-based materials has increased in the packaging industry as a result of environmental awareness and regulations. The majority of packaging is still plastic and attempts to recycle it as efficiently as possible are made. Still, some end up in nature and waterways, which is why compostable alternatives are constantly being developed. Paperboard used in liquid packaging is naturally hydrophilic, and extrusion coatings aim to improve the barrier properties of the paperboard. Today, most of these coatings are polyethylene, which can also be produced from bio-based sources but is never biodegradable. In the manufacturing phase of cardboard packaging, gluing and sealing are of great importance in terms of the packaging's functionality. Unlike many biopolymers, PE adheres and seals well while maintaining its barrier properties and printability. The traditional approach to improve adhesion is to increase the surface free energy through surface treatment. The effect of surface treatment on biopolymer films on paperboard has been studied relatively little, which motivates the topic of this work. In this work, seven different biopolymer coatings were investigated, and the results were compared to polyethylene used as reference. The samples were prepared with a pilot coating machine and initially the purpose was to treat the surfaces with a small spot-corona device. However, this treatment turned out to be too uneven, so the sheets were treated with the corona station of the pilot device. The effect of corona treatment on the surface free energy was studied, as well as the decay of this effect as a function of time. In addition, the effect of corona treatment on hotmelt gluing was investigated. Possible changes in crystallinity due to the treatment was measured by X-ray diffraction. Corona treatment was found to affect different biopolymers in different ways, and especially the weakening of the effect as a function of time varied a lot. Based on the experiments, it was possible to conclude that the effect decreases, i.e., the surface free energy decreases over time, albeit at different rates. Corona treatment was found to have relatively little effect on adhesion with hotmelt adhesives, and for example, adhesive and gluing parameters were found to have a greater effect on adhesion. The effect of corona treatment on crystallinity was found to be very small.

Biopohjaisten materiaalien käyttö on lisääntynyt pakkausteollisuudessa ympäristötietoisuuden ja regulaatioiden seurauksena. Edelleen suurin osa pakkauksista on muovia, jota pyritään kierrättämään mahdollisimman tehokkaasti. Silti osa päätyy luontoon ja vesistöihin, minkä takia kompostoituvia vaihtoehtoja kehitetään jatkuvasti. Nestepakkauksissa käytetty kartonki on luonnostaan hydrofiilistä, ja ekstruusiopäällysteillä pyritään parantamaan kartongin barrier-ominaisuuksia. Nykypäivänä suurin osa näistä päällysteistä on polyeteeniä, jota pystytään valmistamaan myös biopohjaisista raaka-aineista, mutta se ei ole koskaan biohajoavaa. Kartonkipakkausten valmistusvaiheessa liimattavuudella ja saumattavuudella on suuri merkitys pakkauksen toimivuuden kannalta. PE liimautuu ja saumautuu hyvin säilyttäen barrier-ominaisuutensa sekä painettavuutensa, toisin kuin useat biopolymeerit. Perinteinen lähestymistapa adheesion parantamiseen on vapaan pintaenergian kasvattaminen pintakäsittelyn avulla. Pintakäsittelyn vaikutusta biopolymeerifilmeihin kartongin pinnalla on tutkittu suhteellisen vähän, mikä on taustana tämän työn aiheelle. Tässä työssä tutkittiin seitsemää eri biopolymeeripäällystettä ja tuloksia verrattiin referenssinä käytettyyn polyeteeniin. Näytteet valmistettiin pilot-päällystyskoneella ja alun perin tarkoituksena oli käsitellä pinnat pienellä spot-koronalaitteella. Tämä käsittely osoittautui kuitenkin liian epätasaiseksi, joten näytearkit käsiteltiin pilot-laitteen korona-asemalla. Koronakäsittelyn vaikutusta, sekä ajan funktiona tapahtuvaa käsittelyn vaikutuksen vähenemistä, tutkittiin pintaenergiamittauksilla. Lisäksi koronakäsittelyn vaikutusta hotmelt-liimaukseen tutkittiin. Mahdollista kiteisyyden muutosta käsittelyn vaikutuksesta mitattiin röntgendiffraktiolla. Koronakäsittelyn todettiin vaikuttavan eri tavoin eri biopolymeereihin ja varsinkin vaikutuksen heikkeneminen ajan funktiona vaihteli paljon. Kokeiden perusteella pystyttiin toteamaan, että vaikutus pienenee eli vapaa pintaenergia laskee ajan myötä, joskin eri nopeuksilla. Koronakäsittelyn todettiin vaikuttavan hotmelt-liimauksiin suhteellisen vähän, ja esimerkiksi liimalla ja liimausparametreilla todettiin olevan suurempi vaikutus adheesioon. Koronakäsittelyn vaikutus kiteisyyteen todettiin olevan hyvin vähäistä.
Description
Supervisor
Paltakari, Jouni
Thesis advisor
Ruuska, Henna
Verkasalo, Lauri
Keywords
biopolymer, compostable, extrusion coating, corona treatment, paperboard, adhesion
Other note
Citation