Oil and Grease Resistant Paperboard - Factors Affecting Barrier Properties and an Evaluation of the Test Methods

Abstract

Paper and paperboard material can be used for applications of a different kind, for example in packaging materials such as food packages. For food packages one important requirement are the barrier properties, which can mean the properties of the package which either block the penetrants from outside to find their way into the package or to block the penetration of food through the package. Barrier properties can include blocking or reducing the flow of water, oil or gases through the package. The aim of this thesis is to study paperboard oil and grease resistance tests and factors affecting oil and grease penetration in paperboard. Based on the theoretical part the properties of oil, barrier and base paperboard affect how oil and grease penetrate in the paperboard. These factors include the surface tension, viscosity and chemical properties of the oil or grease, the properties of the barrier such and crystallinity, glass transition temperature and chemical properties, and the properties of the base paperboard such and porosity and thickness. The quantitative determination of the different factors is difficult since there are several theories about fluid flow in paperboard. Paperboard in not homogeneous material, which must be considered when comparing different test methods and results. In the experimental part different vegetable oils, such as olive oil and corn oil, and their surface tension and viscosity were studied. The crystallinity or chemical properties of the barrier were not studied, but different paperboard samples were tested. Besides surface roughness, thickness and surface free energy, the properties of paperboard were not studied in the experimental part. From the different oil and grease resistance tests available, ASTM F119 -test and so-called KIT-test, which is meant for fluorochemically treated paperboard, were used as test methods. The paperboard samples were not fluorochemically treated and thus the defects caused by KIT-test liquid and its solvents on two latexes (SA-latex and SB-latex) were studied under stereomicroscope and the damages to the paperboard were evaluated with SEM and OptiTopo. In ASTM F119 test the effect of temperature and relative humidity on different the penetration times for different oil and different samples were studied and compared with each other. Also making the interpretation of the ASTM F119 -test easier and possibly automate the test were tried to develop. One of the targets was to find a test method which would be suitable for testing the quality during the production of reels quickly. Three different kind of test methods, Hercules sizing tester, Emco DPM ultrasound method and Cobb-Unger, were studied but none of these are at least not directly suitable for the quality control. Further tests are still needed. During the experimental part it was noticed that for barrier boards a fast test method should probably be an indirect method, in other words testing the barrier properties with plain oil or grease is not fast enough.

Paperi- ja kartonkimateriaaleja käytetään erilaisiin käyttötarkoituksiin, esimerkiksi pakkausmateriaaleissa kuten ruokapakkauksissa. Ruokapakkauksissa yksi tärkeä tekijä on pakkauksen barrier- eli suojaominaisuudet, jotta joko tuotteen ominaisuuksia suojellaan siten, että ulkopuoliset tekijät eivät pääse pakkaukseen sisälle tai tuotteesta ei kulkeudu pakkauksen läpi mitään. Barrier-ominaisuuksia voivat olla esimerkiksi veden, öljyn tai kaasujen läpäisyn estäminen tai vähentäminen.

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia kartongin öljyn ja rasvan keston testejä ja tekijöitä, jotka vaikuttavat öljyjen ja rasvojen kulkeutumiseen kartongissa. Teoriaosuuden perusteella sekä öljyn, barrierin että pohjakartongin ominaisuudet voivat vaikuttaa öljyn ja rasvan kulkeutumiseen kartongissa. Näitä tekijöitä ovat muun muassa öljyn tai rasvan pintajännitys, viskositeetti sekä kemialliset ominaisuudet, barrierin ominaisuudet kuten kiteisyys, lasisiirtymälämpötila ja kemialliset ominaisuudet sekä pohjakartongin ominaisuudet kuten huokoisuus ja paksuus. Erilaisten tekijöiden kvantitatiivinen määrittäminen on hankalaa, koska erilaisia teorioita nesteen kulkeutumiseen kartongissa on useita. Kartonki ei myöskään ole täysin homogeeninen materiaali, mikä on otettava huomioon testimenetelmiä ja tuloksia verratessa.

Käytännön osuudessa tutkittiin erilaisia kasviöljyjä, kuten oliiviöljyä ja maissiöljyä, ja niiden pintajännitystä ja viskositeettiä. Barrierin kiteisyyttä tai kemiallisia ominaisuuksia ei tutkittu, mutta erilaisia kartonkeja oli testattavana. Myöskään pohjakartongin ominaisuuksia sen pinnankarheuden, paksuuden ja pintaenergian lisäksi ei käytännön osuudessa pystytty tutkimaan.

Öljyn ja rasvan keston testausmenetelmistä käytettiin ASTM F119 -testiä sekä niin sanottua KIT-testiä, joka on tarkoitettu fluorokemikaalikäsitellyille kartongeille. Tutkittavat kartongit eivät olleet fluorokemikaalikäsiteltyjä, joten KIT testiliuoksen aiheuttamia vaurioita kahdelle eri lateksille (SA-lateksi ja SB-lateksi) tutkittiin stereomikroskoopilla ja barrier-kartongin vaurioita arvioitiin SEM:llä sekä OptiTopolla. ASTM F119 -testissä lämpötilan ja suhteellisen kosteuden vaikutuksia sekä eri öljyjen läpäisyaikoja tutkittiin ja verrattiin toisiinsa. Myös ASTM F119 -testin tulkittavuuden helpottamista ja mahdollista automatisointia yritettiin kehittää.

Yhtenä tavoitteena oli löytää tuotannon laaduntarkkailuun soveltuva nopea testimenetelmä tehtaan laboratorioon. Kolmea erilaista testimenetelmää kokeiltiin, mutta mikään näistä ei ainakaan suoraan sovellu laaduntarkkailuun. Tässä vaaditaan vielä lisätestien tekemistä. Käytännön osuuden aikana havaittiin, että barrier-kartongeille tarkoitetun testimenetelmän tulisi luultavasti olla epäsuora menetelmä tehtaan laboratorioon, eli pelkän öljyn tai rasvan avulla ei barrier-ominaisuuksien testaaminen onnistu riittävän nopeasti.