Bærekraftige filmer for fremtidens biobaserte samfunn

Abstract

For å fremme en bærekraftig utvikling i samfunnet er det nødvendig å redusere og erstatte dagens plastmaterialer. Fiberbasert emballasje er både biobasert og nedbrytbart. Utfordringen er at slik emballasje i dag er avhengig av et plastsjikt for at emballasjen skal ha god nok barriere. En utvikling av biobaserte barrieresjikt med gunstige barriereegenskaper og mekaniske egenskaper kan bidra til at plastmaterialet benyttet i dag kan erstattes. Dette tillater at fiberbasert emballasje kan bli fullstendig biobasert og nedbrytbar.

Denne bacheloren er skrevet som en del av NxtBarr-prosjektet, som ønsker å utvikle biobaserte barrierer for fiberbasert matemballasje. Målet er å erstatte dagens barrieresjikt som i dag består av plast. Cellulosederivater viser liknende egenskaper som plast og er derfor interessante for barrieresjikt. Utfordringen med biobaserte filmer er deres begrensede mekaniske egenskaper som slitestyrke og duktilitet. Dette gjør det vanskelig å utnytte barriereegenskapene. Denne oppgaven skal kartlegge effekten av ulike mykgjørere, deriblant glyserol og trietyl citrat (TEC) på filmer dannet av noen typer av cellulosederivatet cellulose acetat butyrat (CAB). Derivatene som ble benyttet i denne oppgaven var CAB-553-0.4, CAB-381-0.1 og CAB-531-1 som varierer i substitusjonsgrad av acetyl og butyryl, samt molekylvekt. Hensikten med oppgaven er å forbedre de mekaniske egenskapene til filmer av disse derivatene, uten at det reduserer barriereegenskapene.

I forkant av det eksperimentelle arbeidet ble det gjort et litteratursøk for å finne relevante mykgjørere. Glyserol, TEC, sorbitol, og urea ble valgt ut. Videre ble ulike filmkvaliteter fremstilt med og uten mykgjører. Filmene hadde et innhold av mykgjører på 15 eller 30 wt% av totalt tørrstoff. Filmenes visuelle og mekaniske egenskaper, samt barriereegenskaper ble kartlagt. Scanning electron microscopy (SEM) ble benyttet til å vurdere mikrostrukturen til filmene. Barriereegenskapene ble kartlagt ved hjelp av analysemetodene Water vapor transmission rate (WVTR), Oxygen transmission rate (OTR) og COBB. Filmenes mekaniske egenskaper ble vurdert ved hjelp av slitestyrketest. Det var mulig å fremstille filmer av CAB-derivatene tilsatt glyserol og TEC. Sorbitol og urea viste seg å ikke løse seg sammen med derivatene, og disse mykgjørerne ble derfor ikke jobbet med videre. Filmene med glyserol viste en visuell utskilling av mykgjører på overflaten ved 30 wt%. Dette tyder på begrenset kompatibilitet. Barriereegenskapene og filmenes slitestyrke samt fleksibilitet ble redusert ved tilsats av glyserol.

Filmene med TEC viste bedre barriereegenskaper, samt en forbedring i fleksibilitet. Ved 30 wt% ble barriereegenskapene noe redusert. Fra resultatene ser det ut til at TEC er den mest lovende mykgjøreren. Videre arbeid vil være å kartlegge optimal konsentrasjon av TEC. Det kreves også videre arbeid for å forstå mekanismen for mykgjøring av CAB-filmer.

To promote a more sustainable society, it will become necessary to reduce and replace the plastic materials in use today. Fiber based packaging is both biobased and degradable. The main challenge with this type of packaging is their poor barrier properties, which makes them dependent on plastic-based barrier coatings. It is therefore necessary to develop biobased barrier coatings with favourable barrier properties as well as good mechanical properties like tensile strength and ductility to replace the plastic barriers in use today. This allows fibre-based packaging to be fully biobased and degradable.

This bachelor’s thesis is written as a part of the NxtBarr research project. This project wants to develop biobased barrier coatings for fibre-based packaging. The project wants to replace today’s plastic barrier coating. Cellulose derivatives have been shown to have similar properties as plastic, and it is therefore interesting for use in barrier coatings. The problem with bio-based films is their limited mechanical properties, which makes it difficult to fully utilize the films barrier properties. This might be solved by adding plasticizers to the bio-based films. This thesis wants to examine the effect of plasticizers on cellulose acetate butyrate (CAB). The plasticizers examined in this thesis were triethyl citrate (TEC) and glycerol. The CAB derivatives used were CAB-553-0.4, CAB-381-0.1, and CAB-531-1. They differed in degree of substitution of acetyl and butyryl, they also differed in molecular weight. The intention of this thesis is to improve the mechanical properties of the CAB-based films, without lowering the barrier properties.

A literature search to find pertinent plasticizers was conducted prior to the experimental work. The plasticizers chosen for further testing were glycerol, TEC, sorbitol, and urea. Films based on the different derivatives were produced, both with and without plasticizers. The films had a plasticizer content of either 15 or 30 wt% of the total dry matter. The films surface was examined visually, and the films surface morphology was examined by scanning electron microscopy (SEM). The barrier properties of the films were assessed with analysis of water vapor transmission rate (WVTR), oxygen Transmission Rate (OTR), and COBB-test. The CAB-based films mechanical properties were examined by testing tensile strength.

It was possible to produce films with added glycerol and TEC. Sorbitol and urea was not soluble with the derivatives, and therefor weren’t tested further. The films with 30 wt% glycerol showed visual extrusion of plasticizer on the surface. This might be a sign that there is limited compatibility between glycerol and CAB. The films barrier properties, tensile strength, and flexibility were reduced when glycerol was added. The films with added TEC showed an improvement in barrier properties as well as flexibility. There was some reduction in the barrier properties when 30 wt% TEC was added. The results showed that TEC is the most promising plasticizer to use with CAB out of the plasticizers examined in this thesis. Further studies are needed to determine the optimal concentration of TEC and the plasticization mechanism of the CAB-films.