Novel Coatings from Nature-Based Materials and Binders

Abstract

Global environmental policy influences the European region through the EU’s climate and environmental policy objectives aimed at reducing greenhouse gas emissions and curbing unnecessary consumption of raw materials. As a result, the EU has introduced the Single-Use Plastics (SUP) Directive, which seeks to prohibit the use of plastics in disposable products. In addition, the EU has set certain recyclability-related targets for the future that will prevent poorly recyclable or non-recyclable products from entering the market by 2038.

This thesis investigates and responds to developments in coatings for single-use paperboard products. Furthermore, it has been examined in feasibility study the methods to improve the current recycling of present thermoplastic polymer coated disposable paperboard materials by material development means. Investigate what other material options we have? A disposable paper-board cup has been used as an example product, which is a product subject to the EU’s SUP directive. Food-grade disposable cup defines the requirements of material development.

The polysiloxane coating was selected as the research subject, and the work will test how polysiloxane is manufactured and what kind of coating can be achieved within the time limits of this thesis. Polysiloxane cannot be classified as a traditional plastic because, for example, it is not thermoplastic moldable and its polymerized backbone is not based on a carbon chain, but rather has a plastic-like polymer backbone formed by silicon and oxygen molecules. In addition, the challenges of coating are addressed, and seek answers to the questions: How can polysiloxane be manufactured? How is a good barrier coating formed on paperboard? Can polysiloxane as a polymerizable structure be a viable option for thermoplastics?

The results section presents the performance outcomes of the coating and the coating variations developed for it. The compositions of the synthesis precursor materials were initially analyzed using infrared spectroscopy. In addition to studying the molecular structures, a sample of the final polymerized dry coating was prepared. From the same sample, the mechanical strength of the coating’s molecular structure at different temperatures was evaluated using thermogravimetric analysis. During the study, numerous sheets were coated using uncoated paperboard typically used in paperboard cups, containing the same fiber matrix and surface sizing agents. The coated sample sheets were examined for water vapor permeability, as well as for direct water contact through droplet tests and water–paperboard interaction analysis. Further validation of the numerical results was obtained using scanning electron microscopy (SEM), which provides a detailed image of the surface morphology.

Thus, the work consists of a review phase, an experimental phase, and a measurement phase. The main objective of the study was to evaluate a silicon-based polysiloxane coating on a paper-board substrate. Definitive conclusions regarding its suitability cannot be drawn, as there was no opportunity during the study to further develop the polymerization method or to adapt the paper-board substrate specifically for this coating. In addition, the potential migration of compounds used in or formed during polymerization was not investigated at this stage. It can only be concluded that polysiloxane may have potential for application in paperboard products and that further research and development are warranted. This study is intended to serve as a pioneering work for possible future research projects and master’s theses.

Globaali ympäristöpolitiikka vaikuttaa Euroopan alueella EU:n ilmasto- ja ympäristöpoliittisiin tavoitteisiin vähentää ilmastopäästöjä ja hillitä turhaa raaka-aineiden kulutusta. EU:ssa on laadittu näiden myötä single use plastic SUP-directiivi joka pyrkii kieltämään muovin käytön kertakäyttöisissä tuotteissa. Lisäksi EU:lla on tulevaisuuden varalle tiettyjä kierrätettävyyteen liittyviä tavoitteita, jotka estävät huonosti tai kierrätykseen kelpaamattomien tuotteiden markkinoille tulon vuonna 2038.

Tässä työssä tehdään selvitystä ja vastinetta kertakäyttöisten kartonkituotteiden pinnoitteiden kehityksessä. Lisäksi on selvitetty keinoja parantaa nykyistä polymeeripinnoitteisen kartongin kierrätystä, joka on yksi vallitsevista valmistusmenetelmistä kertakäyttöisten kartonkituotteiden maailmassa. Sekä mitä muita materiaalivaihtoehtoja meillä on käytettävissä? Esimerkkituotteena pidettiin kartongista valmistettua kertakäyttökuppia, joka on EU:n SUP-direktiivin alainen tuote. Elintarvikekäytössä oleva kertakäyttöinen kuppi määrittelee materiaalille asetetut vaatimukset tähän työhön.

Tutkimuskohteeksi valittiin polysiloksaanipinnoite, ja työssä testataan, miten polysiloksaania valmistetaan ja millainen pinnoite voidaan saavuttaa tämän opinnäytetyön aikarajoissa. Polysiloksaania ei voida luokitella perinteiseksi muoviksi, koska se ei ole esimerkiksi termoplastisesti muokattavissa ja sen polymeroitunut runko ei perustu hiiliketjuun, vaan sillä on muovin kaltainen pii- ja happimolekyylien muodostama polymeerirunko. Tutkimuksessa pureudutaan pinnoitteen haasteisiin ja etsitään vastauksia kysymykseen: Miten hyvä barrier-pinnoite muodostuu kartonkiin? Entä voidaanko polysiloksaania pitää varteenotettavana vaihtoehtona nykyiselle muovipinnoitteelle?

Tulososiossa esitellään pinnoitteen ja sille kehiteltyjen pinnoitevariaatioiden suorituskyvyn tuloksia. Ensimmäiseksi tutkittiin pinnoitteiden valmistukseen käytettävien synteesilähtöaineiden molekyylirakenteiden koostumuksia käyttäen infrapunaspektroskopiaa. Näiden lisäksi tutkittiin vastaavasti näyte myös valmiista polymeroidusta kuivapinnoitteesta, josta tehtiin suorituskykymittaus molekyylirakenteen lujuuden näkökulmasta eri lämpötiloilla termogravimetrisella analyysillä. Työn aikana pinnoitettiin lukuisia arkkeja pinnoitteella, jotka olivat valmistettu vakioidulla polyme-rointimenetelmällä pois lukien seospinnoitteet. Pinnoitearkit edustivat materiaalia, jota käytettään kartonkikupeissa, mutta ilman ekstruusiopinnoitetta ja sen esikäsittelyitä sisältäen saman kuitumatriisin pintaliimoineen. Näytearkeista mitataan höyrykosteuden läpäisevyyttä sekä suoraa kontaktia vedelle pisaramuodon ja vesi-kartonki-vuorovaikutuksen kautta. Vahvistusta numeerisille arvoille haetaan myös SEM-mikroskopialla, jolla saadaan tarkka kuva pinnan morfologiasta.

Työ sisältää siis selvitysvaiheen, kokeellisen osuuden ja mittausvaiheen. Työn tavoitteeksi muodostui piipohjaisen polysiloksaanipinnoitteen kokeileminen kartonkisubstraatilla. Työn tuloksista ei voida päätellä lopullista soveltuvuutta, koska työn aikana ei ollut mahdollisuutta tutkia ja kehittää muun muassa polymerointimenetelmää tai sovittaa kartonkisubstraattia juuri tälle pinnoitteelle. Lisäksi polymeroinnissa käytettävien ja muodostuvien yhdisteiden mahdollista migraatiota ei tutkittu vielä tässä vaiheessa. Voidaan todeta ainoastaan, että polysiloksaania voidaan hyödyntää mahdollisesti kartonkituotteille ja sen tutkimusta ja kehitystä pitäisi jatkaa. Testattu pinnoite saattaa mahdollistaa myös kartongin käyttöä laajemmin uusissa sovellutuksissa tai olla osa tällaista ratkaisua. Tämä työ toimii toivottavasti pioneerityönä mahdollisille myöhemmille tutkimuksille ja diplomitöille.