Оптимизация структуры макулатурной бумаги повышает эффективность восковых барьерных покрытий

Сотрудниками научно-исследовательской группы лаборатории устойчивого проектирования материалов и изделий кафедры химической и сельскохозяйственной инженерии и агропродовольственных технологий университета в Граце, Австрия были проведены исследования влияния барьерных покрытий из пчелиного воска на газо- и жиронепроницаемость макулатурных тарных картонов

В исследовании использовались макулатурные тарные картоны компании SAICA Group (Сарагоса, Испания).

Разработка экологически устойчивой упаковки требует улучшения барьерных свойств возобновляемых материалов, таких как бумага, которая по своей природе не обладает газо- и влагостойкостью. В данной работе исследуется, как изменение физической структуры бумаги посредством механической обработки может повысить эффективность нового биоразлагаемого покрытия.

Бумажная масса из вторичного волокна подвергалась обработке различной интенсивности для получения образцов с разной пористостью, которые затем покрывались эмульсией Пикеринга на основе пчелиного воска в воде, стабилизированной целлюлозными нановолокнами.

Обработка поверхности бумаги была определена как критический фактор, определяющий взаимодействие покрытия с подложкой. Микроскопический анализ показал, что на менее обработанной, пористой бумаге покрытие глубоко проникало в матрицу волокон, тогда как на сильно обработанной, более плотной бумаге уменьшенная пористость способствовала удержанию покрытия, образуя более однородную и непрерывную пленку.

Это улучшенное формирование пленки привело к значительному повышению барьерных свойств. Оптимальное сочетание высокой степени очистки и более толстого покрытия позволило снизить воздухопроницаемость и увеличить угол смачивания водой до 110 градусов. Также улучшилась жиростойкость, достигнув коэффициента Kit 10. Эти результаты показывают, что совместное проектирование структуры бумаги и покрытия имеет решающее значение для разработки высокоэффективных, функциональных и экологически устойчивых упаковочных материалов.

Краткое изложение результатов исследований

Глобальная необходимость сокращения пластиковых отходов привела к значительному переходу к экологически чистым упаковочным материалам, при этом бумага стала ведущей альтернативой благодаря своей возобновляемой, биоразлагаемой и пригодной для вторичной переработки природе. Однако широкое применение бумаги в таких областях, как упаковка продуктов питания, принципиально ограничено присущими ей структурными особенностями. Пористая и гидрофильная волокнистая структура бумаги делает ее очень проницаемой для влаги, газов и масел, что снижает ее способность защищать и сохранять упакованные продукты. Преодоление этих внутренних ограничений является важнейшей задачей для раскрытия полного потенциала бумаги как высокоэффективного экологически чистого упаковочного решения.

Для устранения этих недостатков наиболее распространенной стратегией является применение функциональных барьерных покрытий, создающих защитный слой, который значительно улучшает барьерные свойства бумаги. Помимо неорганических наполнителей, для повышения эффективности бумаги были исследованы различные биоматериалы, включая полисахариды, такие как крахмал и хитозан, биоразлагаемые полиэфиры, такие как полимолочная кислота или полигидроксиалканоаты, а также различные наноматериалы, включая наноцеллюлозу. Среди них особый интерес вызывают эмульсии натурального воска в воде.

Воски, богатые длинноцепочечными углеводородами, исключительно эффективны в придании гидрофобности и влагостойкости, при этом пчелиный воск (BW) является особенно эффективным барьерным материалом. Одновременно модифицированные полисахариды, такие как нановолокна целлюлозы, окисленные TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил), служат идеальным биостабилизатором для эмульсий, используя их высокое соотношение сторон и коллоидные свойства для обеспечения стабильности эмульсии и содействия образованию сплошной, прочной пленки на поверхности бумаги. Эта комбинация представляет собой многообещающую, полностью биоразлагаемую систему для создания эффективного барьерного покрытия.

Однако большая часть исследований была сосредоточена преимущественно на оптимизации самой рецептуры покрытия, часто упуская из виду критическое влияние подложки.

Конечные характеристики любого покрытия зависят не только от его химического состава, но и неразрывно связаны с его взаимодействием с топографией поверхности бумаги и пористой структурой.

Исследования показали, что изменения пористости подложки напрямую влияют на связность пор, что, в свою очередь, влияет на проникновение покрытия, адгезию и механическое сцепление.

Эффективным подходом к изменению этих характеристик подложки является механическая обработка, широко применяемый процесс, изменяющий морфологию волокон, пористость бумаги и шероховатость поверхности.

Хотя влияние обработки на непокрытую бумагу хорошо задокументировано, синергетическое взаимодействие между изменениями подложки, вызванными обработкой, и последующими характеристиками современных экологически чистых покрытий остается в значительной степени неизученным, особенно для систем на основе переработанных волокон.

Диффузия нанесенного стержнем покрытия в основном определяется термомеханическими свойствами полимера и временной шкалой фиксации. Распределение молекулярной массы играет ключевую роль: длинные цепи диффундируют и кристаллизуются медленнее, в то время как короткие цепи диффундируют быстрее и способствуют более ранней кристаллизации. Более высокая молекулярная масса также связана с уменьшенной подвижностью цепей и более медленными скоростями кристаллизации, что влияет на диффузионно-обусловленную фиксацию. В более сложных системах, таких как эмульсии Пикеринга, на эти процессы могут дополнительно влиять взаимодействия между частицами, полимерами и непрерывной фазой.

Таким образом, данное исследование направлено на восполнение этого пробела в знаниях путем систематического изучения взаимосвязи между структурными свойствами переработанной бумажной основы и характеристиками покрытия из пчелиного воска, стабилизированного TЕМПО.

Предполагается, что, контролируя интенсивность измельчения, можно регулировать пористость бумаги и структуру поверхности для повышения прочности покрытия, улучшения формирования пленки и, в конечном итоге, усиления общих барьерных свойств.

Для проверки этого предположения переработанная целлюлоза была измельчена до различной степени, покрыта в контролируемых условиях и подвергнута всестороннему анализу ее барьерной эффективности и механических характеристик. Путем детальной микроскопической оценки границы раздела покрытие-основа данное исследование направлено на демонстрацию того, что подход совместного проектирования необходим для разработки высокоэффективных экологически чистых упаковочных материалов следующего поколения, где основа проектируется совместно с покрытием.

Выводы

В данном исследовании продемонстрирована значительная синергетическая связь между механической обработкой переработанной бумаги и характеристиками новой суспензии покрытия на основе эмульсии Пикеринга из воска в воде, стабилизированной ТЕМПО.

Увеличение интенсивности обработки приводило к систематическому снижению пористости бумаги, что существенно изменяло взаимодействие покрытия с подложкой и значительно улучшало общие барьерные свойства.

Ключевым механизмом, лежащим в основе этого улучшения, стало улучшенное удержание покрытия на более плотных и мелкозернистых поверхностях бумаги.

Микроскопический анализ показал, что на менее мелкозернистых подложках покрытие имело тенденцию проникать в пористую волокнистую сеть. В отличие от этого, на мелкозернистой бумаге покрытие оставалось на поверхности, образуя более непрерывный и однородный защитный слой.

Это открытие подчеркивает, как целенаправленное изменение структуры бумаги-основы напрямую влияет на функциональность покрытия, в том числе и при длительном применении. Это превосходное формирование пленки непосредственно обусловило наблюдаемые улучшения.

Комбинированная стратегия мелкозернистой обработки и нанесения толстых слоев покрытия привела к снижению скорости пропускания водяного пара на 87%, достигнув 89 г/м² · сут , а также к достижению максимально возможной жиростойкости (Kit 10). Это также привело к самой низкой внутренней проницаемости, что свидетельствует о высокой устойчивости к воздуху и, следовательно, к кислороду. Более того, разработанная бумага продемонстрировала гидрофобные свойства с постоянными углами смачивания водой выше 110° в течение времени.

Однако в ходе исследования также был выявлен критически важный компромисс между барьерными свойствами и механической прочностью. Хотя поверхностное покрытие значительно улучшило устойчивость к воздуху, влаге, жиру и воде, оно привело к снижению прочности внутреннего сцепления.

Это указывает на то, что граница раздела покрытие-бумага стала точкой отказа, предполагая, что, несмотря на превосходные барьерные свойства поверхности, адгезию к подложке можно дополнительно оптимизировать.

В целом, эта работа подчеркивает критическую важность целостного подхода к совместному проектированию при разработке экологически устойчивых упаковочных материалов, демонстрируя, что инженерные решения подложки могут быть стратегически использованы для управления и максимизации характеристик покрытия, а также предоставляя четкий путь для создания передовой биоразлагаемой упаковки путем стратегической настройки взаимодействия между структурой бумаги и функциональным покрытием.

Источник: ScienceDirect