Clay-Based Barrier Films – From Fundamentals to Sustainable Packaging

Titelangaben

Röhrl, Maximilian:
Clay-Based Barrier Films – From Fundamentals to Sustainable Packaging.
Bayreuth , 2024 . - XVIII, 144 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Im Jahr 2020 wurden 29,5 Millionen Tonnen „Post-Consumer“-Kunststoffabfälle in Europa gesammelt, von denen beachtliche 61% aus Verpackungsanwendungen stammen, was die Wichtigkeit von nachhaltigen Verpackungen unterstreicht. Die Sustainable Packaging Coalition® definiert nachhaltige Verpackung als eine Mischung aus breiter Nachhaltigkeit, die industrielle ökologische Ziele mit wirtschaftlichen Interessen und Strategien vereint. So sollten nachhaltige Verpackungen, um nur zwei Punkte zu nennen, die Marktkriterien für Qualität und Kosten erfüllen und zugleich den Einsatz von erneuerbaren oder recycelten Materialien vorantreiben. Wenn jedoch Kunststoffverpackungsabfälle in gemischten Abfallströmen (> 25% der gesamten Kunststoffabfälle) gesammelt werden, beträgt die Recyclingquote nur etwa 1% und beachtliche 37% der Kunststoffverpackungsabfälle landen auf Deponien. Daher ist es sinnvoll, biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien, insbesondere Polymere, zu verwenden, wenn sie unsachgemäß in die Umwelt entsorgt werden oder auf Deponien landen. Biologisch abbaubare Polymere könnten fragmentiert und anschließend von Mikroorganismen zu CO2, H2O, CH4 und Biomasse mineralisiert werden, sofern sie bestimmten Umweltbedingungen ausgesetzt werden. Allerdings ist die Verwendung biologisch abbaubarer Polymere aufgrund der unzureichenden Materialeigenschaften, insbesondere mangelnder Gasbarriereeigenschaften, begrenzt. In der Regel müssen diese durch Barrierebeschichtungen oder Laminierungen verbessert werden. Leider ist die Lösung auf die Frage, wie alle Anforderungen an Verpackungen erfüllt werden können, einschließlich der Materialeigenschaften wie Flexibilität, Transparenz, mechanische Stabilität und hervorragende Gasbarriereeigenschaften, ohne die Recyclingfähigkeit und die biologische Abbaubarkeit zu vernachlässigen, nach wie vor offen. Es wurde eine Reihe von innovativen Konzepten erforscht, um fortschrittliche Barrierefilme mit verbesserten Eigenschaften für verschiedene Verpackungsanwendungen zu entwickeln. Barrierefilme auf Ton- oder Schichtsilikatbasis sind vielversprechend, um alle zuvor genannten Anforderungen in skalierbarer Weise miteinander zu vereinen, ohne dass die Recyclingfähigkeit oder biologische Abbaubarkeit beeinträchtigt wird. Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation tragen die einzelnen wissenschaftlichen Publikationen zu ton-basierten Barrierefilmen dazu bei, die Schwierigkeiten und Herausforderungen zu überwinden denen sich die derzeitigen kommerziellen Ansätze für nachhaltige Verpackungen gegenübersehen. Durch den Einsatz eines Schlitzdüsen-Beschichtungswerkzeugs konnten ton-basierte Barrierefilme mit perfekter Textur hergestellt werden. Die Verwendung der Schlitzdüse ermöglicht außerdem die Skalierung der Herstellung der Filme auf einen industriellen Maßstab mit hohem Durchsatz. Anhand umfangreicher Untersuchungen der rheologischen Eigenschaften nematischer Suspensionen eines synthetischen Hectorits (Hec) konnten die Beschichtungsparameter für die Schlitzdüse optimiert werden, was zur Herstellung von Hec-Barrierebeschichtungen führte, die sich hinsichtlich der Sauerstoffbarriere für Lebensmittelverpackungen als vielversprechend erwiesen. Um die Umweltbedenken im Zusammenhang mit nicht abbaubarem Polyvinylalkohol (PVOH) im Abwasser auszuräumen, wurde erfolgreich eine biologisch abbaubare Alternative entwickelt. Mittels skalierbarer Schlitzdüsenbeschichtung wurde ein selbsttragendes Laminat hergestellt, das aus einer reinen Hec-Barriereschicht besteht, die zwischen zwei Schichten eines wasserlöslichen Polymers eingebettet ist. Diese wasserlöslichen Laminate weisen hervorragende optische, mechanische und Gasbarriere- Eigenschaften auf und eignen sich daher ideal für Einwegverpackungen von Konsumgütern wie Waschmitteln oder Spülmaschinentabs. Eine der Proben hat sich im Abwasser erfolgreich biologisch abgebaut, was die Eignung für wasserlösliche Verpackungsanwendungen unterstreicht, die im Abwasser ihr Lebensende finden. Celluloseacetat-Derivate mit interessanten Eigenschaften wie dem Lotus-Effekt, hoher Transparenz und der Abbaubarkeit bei industrieller Kompostierung konnten durch quantitative Thio-Michael-Click-Reaktionen mit verschiedenen Thiolen synthetisiert werden. Die Compoundierung eines modifizierten Hec in ein Celluloseacetat-Derivat hat zu einem selbsttragenden Nanokomposit-Film geführt, der die unzureichenden Gasbarriereeigenschaften von reinen Celluloseacetat-Derivaten verbessert. Dieser Fortschritt ist vielversprechend für Lebensmittelverpackungen auf Celluloseacetatbasis. Im Zuge des Bedürfnisses nach dehnbaren Gasbarrierefolien wurde ein perfekt geordneter und eindimensional kristalliner Nanokomposit-Film hergestellt, welcher aus abwechselnden Nano-Schichten von Polyethylenglykol und Hec-Nanoplättchen besteht. Diese einzigartige Bragg-Stack-Struktur kombiniert die hervorragenden Barriereeigenschaften von impermeablen Ton-Nanoplättchen mit der Dehnbarkeit der Polymermatrix. Ein selbsttragendes Laminat mit dem Bragg-Stack-Nanokomposit-Barrierefilm, der zwischen zwei äußeren PVOH-Schichten eingebettet ist, zeigte eine beeindruckende Dehnbarkeit von bis zu 15% ohne seine Wasserdampfbarriereeigenschaften zu verlieren. Diese Flexibilität macht das Laminat zu einer idealen Wahl für flexible Verpackungen, bei denen herkömmliche aus der Gasphase abgeschiedene keramische oder glasartige Barriereschichten aufgrund ihrer Sprödigkeit versagen. Darüber hinaus wurde eine Nanokomposit-Beschichtung durch Compoundierung von Hec in feuchtigkeitsempfindliches PVOH mittels Schlitzdüsen-Beschichtung hergestellt. Es konnte festgestellt werden, dass die Morphologie des Nanokomposits durch die Änderung der Trocknungstemperatur des nassen Films beeinflusst werden kann. Untersuchungen der Struktur-Eigenschafts-Beziehung zeigten auf, dass die ideal geordnete Bragg-Stack-Morphologie eine Feuchtigkeitsbeständigkeit bis zu 65% relativer Luftfeuchtigkeit aufweist, ohne eine Verschlechterung der Sauerstoffbarriere zu verzeichnen. Diese Morphologie macht das PVOH-Hec-Nanokomposit zu einer vielversprechenden Alternative zu Mikroplastik-assoziiertem Ethylen-Vinyl-Alkohol für Lebensmittelverpackungsanwendungen.

Abstract in weiterer Sprache

In 2020, 29.5 million tons of post-consumer plastic waste were collected in Europe, with an impressive 61% originating from packaging applications emphasizing the importance of sustainable packaging. The Sustainable Packaging Coalition® defines sustainable packaging as a blend of broad sustainability that combines industrial ecological objectives with business considerations and strategies. For instance, to name two points, sustainable packaging should meet market criteria for performance and cost while optimizing the use of renewable or recycled source materials. However, if the plastic packaging waste is collected in mixed waste streams (> 25% of total plastic waste), the recycling rate is only about 1%, and a notable 37% of plastic packaging waste ends in landfills. Consequently, it is meaningful to apply biodegradable packaging materials, particularly polymers, in case of inappropriate disposal or when finding their end-of-life at landfills. Biodegradable polymers can be fragmented and subsequently mineralized by microorganisms into CO2, H2O, CH4 and biomass when exposed to certain environmental conditions. The use of biodegradable polymers is limited due to insufficient material properties, particularly inferior gas barrier properties, which usually must be enhanced with barrier coatings or laminations. Unfortunately, the overall solution to meet all mandatory packaging requirements, including material properties such as flexibility, transparency, mechanical resistance and superior gas barrier without neglecting recyclability and biodegradability, remains an open question. A range of innovative approaches has been explored to develop advanced barrier films with improved properties for various packaging applications. Clay-based barrier films are auspicious in reconciling all mentioned requirements in a scalable manner without sacrificing recyclability or biodegradability. Within the scope of this cumulative thesis, the individual scientific publications on clay-based barrier films contribute to overcoming the problems and challenges faced by current commercial approaches to sustainable packaging. Utilizing a slot die coating tool has enabled the production of highly textured clay-based barrier films, offering scalability to industrial production with high throughput. Extensive investigations of the rheological properties of nematic suspensions of a synthetic hectorite (Hec) have led to the optimization of operating parameters for the slot die, resulting in the production of Hec-only barrier coatings promising for food packaging in terms of the oxygen barrier properties. To address the environmental concerns associated with non-degradable polyvinyl alcohol (PVOH) in wastewater, a biodegradable alternative has been successfully developed. A self-standing laminate has been fabricated by employing scalable slot die coating, comprising a Hec-only barrier layer sandwiched between two layers of a water-soluble polymer. These water-soluble laminates exhibit superior optical, mechanical, and gas barrier properties, making them ideal for single-use consumer goods packaging like laundry or dishwashing detergent pods and tabs. Notably, one sample has shown successful biodegradation in wastewater, highlighting its suitability for water-soluble packaging applications when finding their end-of-life in wastewater. Cellulose acetate derivatives with interesting properties, including a Lotus effect, high transparency and disintegration under industrial composting conditions, have been synthesized through quantitative thio-Michael click reactions with various thiols. The incorporation of a modified Hec into a cellulose acetate derivative has resulted in a self-standing nanocomposite film that overcomes the insufficient gas barrier properties of neat cellulose acetate derivatives. This advancement holds excellent promise for cellulose acetate-based food packaging applications. In the pursuit of stretchable gas barrier films, a perfectly ordered and one-dimensional crystalline nanocomposite film comprised of alternating molecular layers of polyethylene glycol and Hec nanosheets was yielded. This unique Bragg stack-type structure combines the superior barrier properties of impermeable clay nanosheets with the stretchability of the polymer matrix. A self-standing laminate with the Bragg stack nanocomposite barrier film sandwiched between two outer PVOH layers exhibited impressive stretchability of up to 15% elongation while maintaining excellent water vapor barrier properties. This flexibility makes it a favorable choice for flexible packaging where traditional vapor-deposited ceramic or glass-like barrier layers fail due to brittleness. Furthermore, a nanocomposite coating was obtained by incorporating Hec into moisture-sensitive PVOH via slot die coating. Interestingly, it was found that the morphology of the nanocomposite can be altered by adjusting the drying temperature of the wet film. Through in-depth investigations of the structure-property relationship, the ideally ordered Bragg stack-type morphology displayed moisture resistance up to 65% relative humidity without showing oxygen barrier deterioration. This morphology renders the PVOH-Hec nanocomposite a promising alternative to ethylene vinyl alcohol, which is associated with microplastics, for food packaging.