Cracking of fibre-based packaging during converting

Sammanfattning

Omställningen från fossilbaserad plast till fiberbaserade förpackningsmaterial förutsätter barriärbestrukna kartongsystem vars funktionella prestanda kan upprätthållas genom konverteringsoperationer såsom bigning och vikning. Många barriärskikt har tillfredsställande gas- och fettbarriäregenskaper i plant tillstånd, men mekanisk deformation under förpackningsformningen leder ofta till delaminering och sprickbildning, vilket riskerar barriärens integritet. I detta arbete utvärderas effekterna av stärkelsebaserade ytbehandlingar i syfte att motverka sprickbildning och bibehålla barriärprestandan hos polyvinylalkoholbestruken (PVOH) vätskekartong. De fyra stärkelsebaserade ytbehandlingar som utvärderades var en referensformulering av stärkelse, stärkelse modifierad med vax, stärkelse innehållande mjukgörare samt stärkelse med förhöjt pH-värde. Dessa stärkelsebaserade system jämfördes med två industriella latex- och pigmentbaserade referensbehandlingar (SA och SB). Efter bigning och vikning av de bestrukna kartongmaterialen utvärderades barriärens integritet och skiktets prestanda genom mätning av vätgasläckage, analys av syrgasgenomsläpplighet (OTR), fettpenetrationstester, kontaktvinkelmätningar samt svepelektronmikroskop (SEM). Resultaten visade att bestrukna kartongers barriäreffektivitet beror på både beläggningsmaterialens befintliga barriäregenskaper och deras förmåga att motstå mekaniska spänningar under konverteringen. I plant tillstånd minskade PVOH-skikten gasgenomträngningen avsevärt. Bigning orsakade däremot delaminering och sprickor, vilket ökade vätgasläckaget och minskade fettmotståndet. Ytbehandlingens formulering hade en betydande inverkan på skadans typ och omfattning. Medan stärkelsebaserade system huvudsakligen uppvisade töjningsinducerade sprickor och delaminering i sträckta områden, var pigment- och latexbaserade system mer känsliga för kompressions- och skjuvningsinducerad sprickbildning inom beläggningsstrukturen. För båda typerna av system initierades sprickbildningen i ytbehandlingsskiktet och propagerade sig till barriärskiktet. Kontaktvinkelmätningar visade att förbättrad vätbarhet i sig inte var tillräckligt för att förutsäga bibehållen barriärprestanda efter konverteringen. Istället konstaterades att de avgörande faktorerna för barriärens integritet var skiktets vidhäftning, flexibilitet och motståndskraft mot sprickinitiering. Arbetet visar att ytbehandlingen har en avgörande betydelse i flerskikts fiberbaserade förpackningssystem, eftersom den påverkar både barriärfunktionens beständighet och de mekanismer som ligger bakom sprickbildning. En ökad förståelse för sambanden mellan ytkemi, vidhäftning, ytbehandlingarnas morfologi och materialens mekaniska beständighet kan bidra till utvecklingen av mer robusta och återvinningsbara fiberbaserade förpackningsmaterial.