GrafCoat: Grafenbaserad extrusionsbeläggning för kartong

I detta projekt ska en ny hållbar teknologi utvecklas för extrusionsbeläggning av grafen-bioplaster. Det långsiktiga målet är att kunna ersätta dagens fossilbaserade lösningar genom tillsats av grafen i bioplaster. Om strategin är genomförbar vore det ett viktigt bidrag för att uppfylla Sveriges mål om att vara världsledande inom omställningen mot en biobaserad ekonomi år 2030.

Vår strategi är att infiltrera biopolymer-stabiliserad grafen i biobaserade termoplaster bestående av termoplastisk stärkelse (TPS). Den infiltrerade plasten termoformas därefter till filmer och egenskaperna utvärderas. Tillsatsen av grafen är tänkt att förbättra filmernas barriäregenskaper. Genom att undvika dispergering med tillsats av tensider minskar man problem med defekter som försämrar barriäregenskaperna. Istället kommer biopolymererna, nanocellulosa och stärkelse användas för dispergering och stabilisering av grafenpartiklarna.

Våra tidigare erfarenheter visar att stabila dispersioner kan genereras och om de torkas till filmer erhålls material med mycket bra barriäregenskaper. Tillsatsen av grafen förbättrar främst barriären mot vattenånga, mer än en storleksordning. Men på grund av den låga torrhalten i dispersionerna blir torkningen mycket energi- och tidskrävande. Termoplast-infiltreringen löser detta problem då lösningsmedelsfria pellets kan tas fram. Dessa kan sedan extrusionsbeläggas på kartong med befintliga industriella processer. Detta är en förberedandestudie inför den efterföljande pilotstudien som vid ett framgångsrikt projekt kan ske redan i nästa projektfas.

Abstract in English

GrafCoat: Graphenebased extrusion coating for paperboard

The industry related objective of the project is to develop novel sustainable technologies to enable resource-efficient utilization of graphene for bio-based extrusion coatings on paperboard. The long-term goal is that the graphene-biopolymer films can be used to substitute fossil-based film coatings. A successful outcome of the project would thus contribute to Sweden’s vision of becoming a world leader in the transition to a bio-based economy by 2030.

Our recent experience shows that both nanocellulose and starch can be used to disperse graphene in water. At least one order of magnitude reduction in water vapor permeation for solvent casted films have been observed for both systems by the addition of graphene. Generally, the use of chemical surfactants causes poor barrier properties of graphene-polymer composite films. Here we will produce biopolymer stabilized graphene without surfactants and form master batches with hydrophilic thermoplastic starch (TPS) via melt-blending. Functional properties of the master batches will be evaluated and optimized based on dispersant type and graphene loading.

By focusing on a surfactant-free approach, we are maximizing the chances of graphene-related property enhancement, in this case improve the barrier properties. To avoid issues related to low-solid suspensions, we are here developing the ‘master-batch’ route. Solvent free high solid content thermoplastic pellets would allow for industrially viable (extrusion) coating procedures of for example paper-based packaging materials. This work is the preparation for the expected subsequent extrusion coating pilot trials.

Utlysning:
Genomförbarhetsstudier SIO Grafen, våren 2021

Projektpartners: RISE, Holmen Iggesund Paperboard, 2D Fab

Projektledare: Andreas Fall, RISE

Projektform: Genomförbarhetsstudie

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: 14 juni – 31 oktober 2021

Relaterade styrkeområden: