Grafen som barriär i förpackningsmaterial (avslutat)

Syfte och mål
Syftet med projektet var att undersöka grafens möjligheter i framtida förpacknings- och cellulosaapplikationer.  Målen med projektet var att:

  1. Göra en litteraturstudie kring grafens användning i förpackningsapplikationer och dess interaktioner med cellulosa.
  2. Identifiera möjliga sätt att använda grafen i förpacknings- och cellulosaapplikationer.
  3. Bestämma olika basala fysikaliska egenskaper hos grafen som är viktiga i förpackningsapplikationer såsom egenskaper i polymersmälta, dispersionsbeläggningar och flockuleringsegenskaper.

Effekter och resultat
I projektet har exfolierade grafit nanoplatelets (xGnP) utsatts för skjuvspänning och ultraljud för att framställa grafenflagor. Litteraturstudien visar att grafen, om det appliceras på rätt sätt, starkt kan bidra till minskad permeabilitet av luft och vattenånga i barriärmaterial. Dispersionsegenskaperna av xGnP och hur olika koncentrationer av XGnP påverkar syrepermeabiliteten utvärderades i dispersionsbeläggningar bestående av biopolymer.

Skjuvningen, dragningsförhållandet och ytarean av xGnP, var parametrar vars påverkan på syrepermeabiliteten undersöktes genom extrudering av grafen – långkedjig förgrenad polyetenfilm av nanokompositer. Fördelningen av grafenflagor undersöktes med optisk mikroskopi. Resultaten i de första försöken visar att det är möjligt att producera polymerfilmer och beläggningar baserade på grafen (xGnP) som reducerar permeabilitet för syre med en faktor upp till 10 (för extruderad film).
Det finns dock en mängd utmaningar att lösa innan grafen kan kommersialiseras och bli gångbar som barriär i förpackningar. En av huvudutmaningarna är att fastställa mängden och fördelningen av grafen i filmerna tillsammans med filmernas övergripande struktur, vilken är nära förankrad i egenskaperna för dispersionen och kompabiliteten mellan grafen och det omgivande materialet. Ytterligare en utmaning är att optimera mängden grafen som behövs i filmerna för att reducera permeabiliteten av syre.

Effekterna av olika emulgeringsmedels påverkan på blandningens egenskaper har utvärderats. Resultaten visar att blandningens stabilitet ökar med ökad koncentration av emulgeringsmedel. Såväl försöken som litteraturstudien i projektet visar att funktionalisering av grafen (exempelvis grafenoxid) förmodligen blir en nyckelfråga för att framgångsrikt kunna applicera grafen i barriärmaterial.
Andra utmaningar är produktion av grafen i tillräckligt stora mängder till konkurrenskraftiga priser, tillgång till rent grafen, effektiva metoder att exfoliera xGnP (om det används som källa för grafen), och metoder att applicera grafenbarriärer i produktionslinjen samt potentiella säkerhetsaspekter med nanopartiklar. Avslutningsvis så behövs mer forskning för att ta itu med ovan nämnda utmaningar och därmed kunna möjliggöra användningen av grafen som barriär i förpackningsmaterial.

Abstract in english

Graphene as barrier in packaging materials

In this project Stora Enso, a leading producer of wood products, paper and packaging materials, cooperates with SP Food and Bioscience Structure and Material Design group and the Polymeric Materials and Composites group at the Chalmers University of Technology.

The project was a feasibility study to lay the ground for future, larger research efforts in the area of new packaging and cellulose materials.
The main advantage expected of graphene in packaging applications is that it would provide an extremely thin, efficient and strong barrier, only paralleled by aluminium foil.

The results of the first trials show that it is possible to produce polymer films and coatings containing graphene (xGnP) , which reduced the oxygen permeability by a factor of up to 10 (for extruded films).

Overall there are a number of challenges that need to be addressed before graphene can be commercially competitive as a barrier in packages. The experimental results and literature review made in this project indicates that the functionalization of graphene (for instance graphene oxide) is probably a key aspect for successful application of graphene as a barrier in packaging materials.

Utlysning:
Förstudieprojekt samt Forsknings- och Innovationsprojekt 2014

Projektpartners: SP Food and Bioscience (tidigare SIK, Institutet för Livsmedel och Bioteknik AB), Stora Enso, Chalmers

Projektledare: Mats Stading och Niklas Lorén

E-mail: mats.stading@sik.se

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: 2014 – 2015

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: