Novel methods to include graphene as a packaging barrier

Foto: Stora Enso

Syfte och mål

Projektets mål var att skapa förpackningsmaterial vars grafenbarriärer vida överträffar dagens barriärer trots låg halt. Papper, pappersmassa och förpackningar är viktiga områden för svenskt näringsliv. Grafen har potential att revolutionera dessa områden i och med materialets fantastiska materialegenskaper. Den industriella potentialen är enorm. Visionen är att ersätta aluminiumfolie i förpackningar vilket skulle leda till nya miljövänliga förpackningsmaterial och förbättrad återvinning. Projektet samlar industri, institut och akademi längs hela värdekedjan från råmaterial till färdig produkt.

Planerat upplägg och genomförande

Projektmålet ska åstadkommas genom orientering av nanoflak av grafen till tunna skikt, kombinerat med kristallisering av materialet mellan flaken. Nya metoder tas fram för att åstadkomma orienteringen i både dispersioner och polymersmältor. Tunna, reproducerbara dispersionsbeläggningar med orienterade nanoflak av grafen framställs genom skumning med kontrollerad tjocklek, lamellarkitektur och reologi. Skummet får kollapsa på pappersytan till ett tunt grafenskikt. Före extrudering täcks plastgranulerna med ett ytlager av grafen-nanoflak, och välkontrollerade flödesfält i dysan ger ett tunt, orienterat grafenskikt i centrum av beläggningen. Kristallisering av materialet mellan flaken leder i bägge fallen till ytterligare förbättrade barriäregenskaper.

Projektet fokuserar på och utvärderar strukturer som ger höga syrebarriärer, och korrelerar dessa till process och materialparametrar. Beläggningarna utvecklas stegvis för att åstadkomma bästa möjliga barriär med minsta möjliga mängd grafen.

Resultat

Projektet syftade till att ersätta aluminiumfolie i förpackningar, vilket skall leda till nya miljövänliga förpackningsmaterial.

Målet var att reducera syrgaspermeabiliteten med 90 % vid låga halter av grafenflak i extruderade och skummade filmer. Försök visar att det är möjligt att använda befintlig industriell utrustning för att applicera och orientera flaken. Däremot krävs mer forskning kring råmaterialegenskaperna hos tillsatta grafenoxidflak och kompatibiliteten mellan flak och matris, för att på ett stabilt sätt reducera syrgaspermeabiliteten vid låga grafenhalter.

Resultaten visade på en reduktion av syrgaspermeabiliteten i polyeten (PE) med cirka 90 % vid 7,5 wt % grafen och i PVOH-filmer med 60 % vid 0,5 wt % grafen (låg reproducerbarhet). Grafenflaken var orienterade vinkelrätt mot syrgastransporten i både extruderade och dispergerade filmer. Projektet har uppnått god förståelse för mekanismerna som styr syrgastransporten. Flakegenskaper, exfoliering, kompatibilitet och aggregering är viktiga. Två demonstratorer har tagits fram med extrudering och med skumning i pappersbestrykningsmaskin, som visar på goda möjligheter att applicera teknologin industriellt. Däremot återstår mer arbete för att uppnå önskade barriäregenskaper på ett reproducerbart sätt. Det krävs mer kunskap kring grundläggande egenskaper hos de tillsatta grafenflaken och kompatibiliteten mellan grafenflak och omgivande matris.

Abstract in English

Novel methods to include graphene as a packaging barrier
The goal of this project was to make thin graphene barriers in packaging materials with outstanding oxygen permeability properties using low amounts of graphene. The vision of the project is to replace Al foil in packaging materials.

The making of thin graphene barriers for packing material will be achieved by orientation of graphene nanoplatelets in a thin layer of the packaging material. Induction of crystallization in between the graphene nanoplatelets will further improve the barrier properties. Novel methods to obtain the necessary orientation and compacting will be developed using foamed dispersions and extruded polymer melts.

Thin reproducible dispersion coatings with oriented graphene nanoplatelets will be achieved by making foams with controlled thickness, rheology and lamella architecture that subsequently are collapsed to a film. Pre-coating of the plastic granules with graphene Before extrusion and well-controlled flow fields in the extruder die will be used to obtain oriented and compacted graphene nanoplatelets in polymer films. The structure and oxygen permeability of the coatings and films will be evaluated and correlated to the process parameters and composition. The coatings and films will be developed interactively to improve the barrier properties and simultaneously reduce the graphene content.

Results
The project aimed at replacing aluminum foil in packaging, which will lead to new environmentally friendly packaging materials. The goal was to reduce oxygen permeability by 90% at low levels of graphene flakes in extruded and foamed films. Tests show that it is possible to use existing industrial equipment to apply and orientate the flakes. However, more research on the raw material properties of added graphene oxide flakes and compatibility between flake and matrix requires more stable oxygen permeability at low graphene levels. The results showed a reduction of oxygen permeability in polyethylene (PE) by about 90% at 7.5 wt% graphene and in PVOH-films by 60% at 0.5 wt% graphene (low reproducibility). The graphene flakes were oriented perpendicular to the oxygen transport in both extruded and dispersed films. The project has achieved a good understanding of the mechanisms that control the oxygen transport. Flake properties, exfoliation, compatibility and aggregation are important. The two developed extrusion demonstrators with extruding and foaming in the paper embossing machine show good opportunities to apply the technology industrially. However, more work remains to achieve the desired barrier properties in a reproducible way. More knowledge is required about basic properties of the added graphene flakes and the compatibility between the graphene flakes and surrounding matrix.

Utlysning:
Förstudieprojekt och Forsknings- och Innovationsprojekt våren 2016

Projektpartners: Stora Enso Pulp and Paper Asia, 2D fab, Battenfeld Sverige, Perstorp, Polykemi, RISE Bioscience, Saving Spaces, Tetra Pak Packing Solutions, Chalmers

Projektledare: Chris Bonnerup

Bidrag: 1 950 000 kr

Projektets löptid: 2016-2017

Relaterade styrkeområden:

Ytbeläggning