Biopohjaisten polymeerien soveltuvuus joustopakkauksiin

Abstract

Kysyntä ympäristöystävällisempiä materiaaleja kohtaan kasvaa jatkuvasti, eivätkä pakkauskalvot ole sen suhteen poikkeus. Erilaisia biopohjaisia polymeerejä on tullut viime vuosina markkinoille runsaasti ja uusia kehitellään jatkuvasti. Tämän diplomityön tarkoituksena on kartoittaa markkinoilla jo olevien ja oletettavasti lähitulevaisuudessa tulevien biopohjaisten polymeerien soveltuvuutta joustopakkauksiin. Joustopakkaukset ovat nykyään tyypillisesti monikerroskalvoja, joissa on useaa eri polymeeriä omina kerroksinaan. Jokaisella kerroksella on oma tehtävänsä, eikä yhdellä polymeerillä tarvitse olla kaikkia pakkaukselta vaadittavia ominaisuuksia, vaan pakkauskalvon ominaisuudet voidaan optimoida käyttökohteen mukaan erilaisten yhdistelmien avulla. Biopohjaisia polymeerejä on hyvin erilaisia ja ne voidaan jakaa muun muassa luonnossa esiintyviin luonnonpolymeereihin ja biopohjaisista raaka-aineista valmistettuihin synteettisiin polymeereihin. Luonnonpolymeerit ovat luonnon valmistamia makromolekyylejä, kuten kasvien selluloosa ja tärkkelys tai erilaiset bakteerien tuottamat polymeerit kuten polyhydroksialkanoaatit. Synteettisiä biopohjaisia polymeerejä ovat muun muassa markkinoilla jo olevat valtamuovien, kuten polyeteenin ja polypropeenin biopohjaiset versiot. Niiden raaka-aineena käytetään öljyn sijasta biomassaa, mutta lopputuotteessa ei ole mitään eroa. Tällaisilla polymeereillä on helppo parantaa joustopakkauksen ympäristöystävällisyyttä, kun itse pakkausta ei tarvitse muuttaa mitenkään. Kaikista nykyisin käytettävistä polymeereistä ei ainakaan vielä ole biopohjaisia versioita saatavilla, eikä biopohjainen raaka-aine itsesään ole vielä tae ympäristöystävällisestä tuotteesta, joten myös uusia ratkaisuja tarvitaan. Lupaavimpia tulevaisuuden biopohjaisia polymeerejä ovat erilaiset biopohjaiset polyesterit ja -amidit. Teollisuudessa odotetuin biopohjainen polymeeri on polyeteenifuranoaatti, josta odotetaan korvaajaa polyeteenitereftalaatille, pakkaussovelluksissa runsaasti käytetylle polymeerille. Polyeteenifuranoaattia ei ole vielä markkinoilla saatavilla, joten sen soveltuvuutta ei päästy testaamaan käytännössä. Biopohjaisia polyamideja markkinoilla on sen sijaan useita erilaisia, joskin ne ovat teknisempiä laatuja kuin nykyisin pakkauksissa käytettävät polyamidit. Tässä diplomityössä testattiin kolmen erilaisen biopohjaisen polyamidin soveltuvuutta joustopakkauskalvoihin. Materiaaliominaisuuksien suhteen tulos oli kaksijakoinen verrattuna nykyisin käytössä olevan referenssimateriaalin tärkeimpiin ominaisuuksiin. Mekaaniset ominaisuudet olivat paremmat, mutta happikaasulta testatut materiaalit suojasivat heikommin kuin verrokki. Suurin este biopohjaisten polymeerien käytölle pakkaussovelluksissa on niiden korkeat hinnat verrattuna tällä hetkellä käytettäviin polymeereihin. Kalliimpien tuotteiden hintaan pakkauksen hinnalla on vähemmän merkitystä. Tällaisissa pakkauksissa biopohjaiset pakkauskalvot voisivat tulla käyttöön ensimmäisinä. Ympäristöystävällisemmällä, biopohjaisella pakkauksella voi olla merkittäviä hyötyjä markkinoinnin kannalta, jolloin sellaisen käyttöönottaminen voisi olla taloudellisesti kannattavaa joissakin sovelluksissa jo nyt. Tulevaisuudessa, tuotantokapasiteettien kasvaessa, biopohjaisten polymeerien hinnat tulevat todennäköisesti laskemaan, jolloin biopohjaisten pakkauskalvojen käyttö tullee taloudellisesti kannattavammaksi myös halvempien tuotteiden pakkaamisessa.

Demand of the environmentally friendly materials is increasing constantly. This applies to the packaging films as well. There are currently plenty of different bio-based polymers on the market and the new ones are continuously developed. Scope of this thesis was to scan suitability of biobased polymers on the current market and in near future for flexible packaging. Multilayer films are mainly used for flexible packaging today. They contain multiple different polymers in their own layers. Each layer has their own function and one polymer does not need to provide all the properties for the packaging material. With the different combinations the properties of the packaging film can be optimized for the application. There is wide range of different bio-based polymers. They can be categorized into natural polymers and synthetic polymers made from biomass. Natural polymers like cellulose in plants or bacterial polymers such as polyhydroxyalkanoates occurs in nature as macromolecules. Example of synthetic bio-based polymers is bio-based versions of common polymers such as polyethylene or polypropylene. Biomass is used as raw material instead of oil but the polymer itself is the same. It is easy to create green packaging with these materials as there is no need to change the package itself. Unfortunately, bio-based versions of all polymers used today are not available in market. And bio-based raw material alone is not guarantee of environmentally friendly product. Therefore, new solutions and materials are needed as well. Bio-based polyesters and polyamides are the most promising future polymers. The highest expectations in packaging industry are on poly(ethylene furanoate) which is expected to be able to replace widely used poly(ethylene terephthalate). Actual performance of the poly(ethylene furanoate) is not tested yet because it is not available on the market. Instead of that, several different bio-based polyamides are already available on the market. The available grades are not used in packaging industry today as they are engineering plastics. In this thesis performance and suitability of three different bio-based polyamide for packaging film are tested. Compared to the most important properties of the reference material they provided better mechanical properties but poorer oxygen barrier. High price of the bio-based polymers is the greatest obstacle for usage of them in packaging films. In expensive products price of the packaging material is less important. Bio-based packaging films may be first used in these packages. It may be profitable in some applications already as environmentally friendly, green, bio-based package can be huge advantage in marketing. In the future prices of the bio-based polymers are likely to drop as the production capacities will grow. With lower prices usage of the bio-based packages will probably be more economical in packages of cheaper products as well.