Adhesion Characterization of Extrusion Coated Paperboards
Alanen, Elli (2023)
2023
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-03-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303213051
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303213051
Tiivistelmä
The purpose of this work is to study adhesion between different paperboard grades and polymers in extrusion coating. The aim is to discover if modification of paperboard to improve its formability will affect its adhesion properties. Coated paperboards are also studied after thermoforming to see if it leads to changes in the adhesion formed during extrusion coating. The goal is to find out if it is possible to create a structure with good formability and sufficient adhesion properties after both extrusion coating and thermoforming.
The thesis consists of theoretical background on extrusion coating and adhesion, and factors affecting adhesion in extrusion coating are discussed. Three polymers commonly used in extrusion coating are introduced, which are polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), and ethylene vinyl alcohol (EVOH). The characteristics of paper and paperboard in extrusion coating are explored, as well as different methods to modify their properties, like formability. In addition, thermoforming of paperboard and its challenges are discussed.
The experimental part of this work includes extrusion coating trial runs on a pilot coating line, laboratory measurements, and further studying of adhesion with a microscope and a profilometer. Some samples are also studied after thermoforming to see its possible effects on adhesion. Polyethylene is mostly used as the coating polymer, but a layer structure with EVOH and PE is also tested. The used extrusion coating process parameters are selected with the help of reference trial runs, after which experimental paperboards are coated. Coating weights in g/m2 and hand tested adhesion values of 1–5 are measured after extrusion coating. Adhesion is studied more closely from the coating surface that has been attached to the paperboard substrate. Microscope and profilometer images of the studied surface provide information on how well the coating has penetrated the substrate.
Based on the results, improving the formability of paperboard can lead to decreased adhesion properties. However, with optimized extrusion coating process parameters, sufficient adhesion can be achieved. Adhesion can be increased for example by increasing the coating weight or the melt temperature of the polymer. In some of the studied experimental paperboards, sufficient adhesion was achieved without the need to increase the melt temperature.
After studying thermoformed samples, it was noticed that the coating weight and adhesion after extrusion coating can affect the thermoforming results. Functional structures were achieved with both PE and PE–EVOH coatings. Experimental paperboards were not coated with the layered coating structure in this work, and that could be one step in further studies. In addition, different coating polymers and layered coating structures could be tested to see how these types of coatings will behave in thermoforming and if sufficient adhesion to both the substrate and other coating layers will be preserved. In general, the results obtained from this study imply that by further developing, it is possible to achieve a formable paperboard with an extrusion coating that can be thermoformed without the loss of adhesion properties. Tämän työn tavoitteena on tutkia erilaisten kartonkilaatujen ja polymeeripäällysteiden välistä adheesiota ekstruusiopäällystyksessä. Työssä pyritään selvittämään, miten kartongin muokkaaminen muotoutumisen parantamiseksi vaikuttaa sen adheesio-ominaisuuksiin. Lisäksi tutkitaan, aiheuttaako lämpömuovaus muutoksia ekstruusiopäällystyksessä muodostuneeseen adheesioon. Tavoitteena on saada selville, onko mahdollista löytää rakenne, joka on hyvin muotoutuva ja jonka adheesio-ominaisuudet ovat erinomaiset niin ekstruusiopäällystyksen kuin sitä seuraavan lämpömuovauksen jälkeen.
Työssä käsitellään ekstruusiopäällystyksen ja adheesion teoriaa, sekä tarkemmin adheesioon vaikuttavia tekijöitä ekstruusiopäällystyksessä. Kolme yleisesti ekstruusiopäällystyksessä käytettyä polymeeriä esitellään tarkemmin: polyeteeni (PE), polyeteenitereftalaatti (PET) ja etyylivinyylialkoholi (EVOH). Lisäksi käydään läpi paperin ja kartongin ominaispiirteitä ja käyttäytymistä ekstruusiopäällystyksessä sekä tapoja, joilla voidaan muokata niiden ominaisuuksia, eritoten muotoutuvuutta. Lopuksi käydään läpi kartongin lämpömuovausta ja siihen liittyviä haasteita.
Työn kokeellinen osa sisältää ekstruusiopäällystyskoeajoja pilottipäällystyslinjalla, laboratoriomittauksia sekä tarkempaa adheesion tutkimista mikroskoopin ja profilometrin avulla. Joitain näytteitä tutkitaan myös lämpömuovauksen jälkeen, jotta nähdään muovauksen mahdolliset vaikutukset adheesioon. Päällystysmuovina käytetään enimmäkseen polyeteeniä, ja lisäksi testataan EVOH:sta ja polyeteenistä koostuvaa kerrosrakennetta. Käytetyt prosessiparametrit etsitään referenssiajojen avulla, jonka jälkeen päällystetään erilaisia kokeellisia kartonkilaatuja. Laboratoriossa päällystetyistä näytteistä mitataan päällystemäärät yksikössä g/m2 sekä käsitestillä määritettävä adheesioarvo asteikolla 1–5. Adheesiota tutkitaan myös tarkemmin kartongissa kiinni olleesta päällysteen pinnasta, jota varten päällyste irrotetaan kartongista. Tutkittavasta pinnasta otettujen mikroskooppi- ja profilometrikuvien avulla nähdään, kuinka hyvin päällyste on tunkeutunut kartongin rakenteeseen.
Tulosten perusteella kartongin muotoutuvuuden parantaminen voi heikentää sen pinnan adheesio-ominaisuuksia. Optimoiduilla ekstruusiopäällystysparametreillä voidaan kuitenkin saavuttaa riittävä adheesio myös tällaisille kartongeille. Adheesiota voidaan parantaa esimerkiksi kasvattamalla päällystemäärää tai nostamalla sulalämpöä. Kuitenkin osassa tässä työssä tutkituista kokeellisista kartonkilaaduista myös matalampi sulalämpö riitti hyvän adheesion muodostumiseen.
Lämpömuovauksen jälkeen tutkituista näytteistä huomattiin, että päällysteen paksuudella ja ekstruusiopäällystyksen jälkeisellä adheesiolla on vaikutusta lämpömuovauksen tuloksiin. Sekä polyeteeni- että EVOH–PE-päällystetyillä kartongeilla saatiin aikaan toimivia lämpömuovattuja rakenteita. EVOH–PE-päällysterakennetta ei tässä työssä vielä käytetty muotoutuvien kartonkilaatujen päällystämiseen. Sekä tätä että mahdollisesti muita päällysterakenteita ja -materiaaleja voisi soveltaa jatkotutkimuksissa, jotta nähtäisiin, miten kerrostetut päällysterakenteet käyttäytyvät lämpömuovauksessa ja pysyykö adheesio sekä pohjakartonkiin että toisiin päällystekerroksiin riittävänä. Yleisesti tässä työssä saavutetut tulokset viittaavat siihen, että kehitystä jatkamalla on mahdollista saavuttaa hyvin muotoutuva kartonkirakenne, jota voi ekstruusiopäällystyksen jälkeen lämpömuovata ilman, että adheesio-ominaisuudet kärsivät.
The thesis consists of theoretical background on extrusion coating and adhesion, and factors affecting adhesion in extrusion coating are discussed. Three polymers commonly used in extrusion coating are introduced, which are polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), and ethylene vinyl alcohol (EVOH). The characteristics of paper and paperboard in extrusion coating are explored, as well as different methods to modify their properties, like formability. In addition, thermoforming of paperboard and its challenges are discussed.
The experimental part of this work includes extrusion coating trial runs on a pilot coating line, laboratory measurements, and further studying of adhesion with a microscope and a profilometer. Some samples are also studied after thermoforming to see its possible effects on adhesion. Polyethylene is mostly used as the coating polymer, but a layer structure with EVOH and PE is also tested. The used extrusion coating process parameters are selected with the help of reference trial runs, after which experimental paperboards are coated. Coating weights in g/m2 and hand tested adhesion values of 1–5 are measured after extrusion coating. Adhesion is studied more closely from the coating surface that has been attached to the paperboard substrate. Microscope and profilometer images of the studied surface provide information on how well the coating has penetrated the substrate.
Based on the results, improving the formability of paperboard can lead to decreased adhesion properties. However, with optimized extrusion coating process parameters, sufficient adhesion can be achieved. Adhesion can be increased for example by increasing the coating weight or the melt temperature of the polymer. In some of the studied experimental paperboards, sufficient adhesion was achieved without the need to increase the melt temperature.
After studying thermoformed samples, it was noticed that the coating weight and adhesion after extrusion coating can affect the thermoforming results. Functional structures were achieved with both PE and PE–EVOH coatings. Experimental paperboards were not coated with the layered coating structure in this work, and that could be one step in further studies. In addition, different coating polymers and layered coating structures could be tested to see how these types of coatings will behave in thermoforming and if sufficient adhesion to both the substrate and other coating layers will be preserved. In general, the results obtained from this study imply that by further developing, it is possible to achieve a formable paperboard with an extrusion coating that can be thermoformed without the loss of adhesion properties.
Työssä käsitellään ekstruusiopäällystyksen ja adheesion teoriaa, sekä tarkemmin adheesioon vaikuttavia tekijöitä ekstruusiopäällystyksessä. Kolme yleisesti ekstruusiopäällystyksessä käytettyä polymeeriä esitellään tarkemmin: polyeteeni (PE), polyeteenitereftalaatti (PET) ja etyylivinyylialkoholi (EVOH). Lisäksi käydään läpi paperin ja kartongin ominaispiirteitä ja käyttäytymistä ekstruusiopäällystyksessä sekä tapoja, joilla voidaan muokata niiden ominaisuuksia, eritoten muotoutuvuutta. Lopuksi käydään läpi kartongin lämpömuovausta ja siihen liittyviä haasteita.
Työn kokeellinen osa sisältää ekstruusiopäällystyskoeajoja pilottipäällystyslinjalla, laboratoriomittauksia sekä tarkempaa adheesion tutkimista mikroskoopin ja profilometrin avulla. Joitain näytteitä tutkitaan myös lämpömuovauksen jälkeen, jotta nähdään muovauksen mahdolliset vaikutukset adheesioon. Päällystysmuovina käytetään enimmäkseen polyeteeniä, ja lisäksi testataan EVOH:sta ja polyeteenistä koostuvaa kerrosrakennetta. Käytetyt prosessiparametrit etsitään referenssiajojen avulla, jonka jälkeen päällystetään erilaisia kokeellisia kartonkilaatuja. Laboratoriossa päällystetyistä näytteistä mitataan päällystemäärät yksikössä g/m2 sekä käsitestillä määritettävä adheesioarvo asteikolla 1–5. Adheesiota tutkitaan myös tarkemmin kartongissa kiinni olleesta päällysteen pinnasta, jota varten päällyste irrotetaan kartongista. Tutkittavasta pinnasta otettujen mikroskooppi- ja profilometrikuvien avulla nähdään, kuinka hyvin päällyste on tunkeutunut kartongin rakenteeseen.
Tulosten perusteella kartongin muotoutuvuuden parantaminen voi heikentää sen pinnan adheesio-ominaisuuksia. Optimoiduilla ekstruusiopäällystysparametreillä voidaan kuitenkin saavuttaa riittävä adheesio myös tällaisille kartongeille. Adheesiota voidaan parantaa esimerkiksi kasvattamalla päällystemäärää tai nostamalla sulalämpöä. Kuitenkin osassa tässä työssä tutkituista kokeellisista kartonkilaaduista myös matalampi sulalämpö riitti hyvän adheesion muodostumiseen.
Lämpömuovauksen jälkeen tutkituista näytteistä huomattiin, että päällysteen paksuudella ja ekstruusiopäällystyksen jälkeisellä adheesiolla on vaikutusta lämpömuovauksen tuloksiin. Sekä polyeteeni- että EVOH–PE-päällystetyillä kartongeilla saatiin aikaan toimivia lämpömuovattuja rakenteita. EVOH–PE-päällysterakennetta ei tässä työssä vielä käytetty muotoutuvien kartonkilaatujen päällystämiseen. Sekä tätä että mahdollisesti muita päällysterakenteita ja -materiaaleja voisi soveltaa jatkotutkimuksissa, jotta nähtäisiin, miten kerrostetut päällysterakenteet käyttäytyvät lämpömuovauksessa ja pysyykö adheesio sekä pohjakartonkiin että toisiin päällystekerroksiin riittävänä. Yleisesti tässä työssä saavutetut tulokset viittaavat siihen, että kehitystä jatkamalla on mahdollista saavuttaa hyvin muotoutuva kartonkirakenne, jota voi ekstruusiopäällystyksen jälkeen lämpömuovata ilman, että adheesio-ominaisuudet kärsivät.