Ligniinipohjainen pinnoite kartongin pinnoittamisessa : kartongin pinnoittaminen vettä ja öljyä hylkiväksi ligniinipohjaisella pinnoitteella

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia ligniinin soveltuvuutta kartonkimateriaalin pinnoittamisessa vettä ja öljyä hylkivien ominaisuuksien kannalta. Työn toimeksiantajana oli HAMK Tech -tutkimusyksikkö. Tutkimuksessa käytettiin BioPiva-ligniiniä, joka oli kraft-prosessin sivuvirrasta valmistettua ja Valmetin kehittämän LignoBoost-menetelmän mukaan puhdistettua. Ligniini oli vielä jatkokäsitelty LignoSphere Companyn kehittämän menetelmän mukaan, jossa oli muodostettu 200-500 nm kokoisia ligniininanohiukkasia. Reseptin toisena aineena käytettiin Chemigate-yrityksen kationista tärkkelystä pintaliimatärkkelyksenä.

Työn kirjallisuuskatsauksessa käsiteltiin ligniinistä tehtyä tutkimustyötä, sen erotusprosesseja, kemiallista rakennetta sekä vesihöyryn läpäisevyyden testaamista. Kokeellisessa osuudessa ensimmäiset testit pinnoitteilla suoritettiin visuaalisesti kuvaamalla veden käyttäytymistä ensin pelkällä kationisella tärkkelyksellä ja myöhemmin pinnoitteilla, jossa tärkkelykseen oli lisätty ligniininanohiukkasia. Valmis resepti saatiin lisäämällä reagenssia ligniinin sekaan ennen sen lisäämistä tärkkelykseen. Pinnoitetuille arkeille suunniteltiin vesihöyryn läpäisevyystesti, josta saatiin numeerista dataa pinnoitteiden vettä hylkivistä barrier-ominaisuuksista.

Visuaalisten testien osalta kationisella tärkkelyksellä jo itsessään havaittiin vettä hylkivä ominaisuus ja samankaltainen ominaisuus saatiin aikaiseksi ligniinitärkkelyspinnoitteella, jossa oli käytetty reagenssia valmistusvaiheessa. Vesihöyryn läpäisevyyden osalta tärkkelyksellä saatiin paras tulos, kun taas ligniinitärkkelyspinnoite asettui pinnoittamattoman ja tärkkelyspinnoitetun arkin välille. Öljyä suhteen ominaisuuksissa referenssipaperin ja eri pinnoitteiden välillä ei huomattu suurempia eroja, vaan ne kaikki toimivat heikosti öljyn hylkimisessä.

Johtopäätöksenä pinnoite oli mahdollista valmistaa käytetyillä ainesosilla, sekä niillä saavutettiin fyysinen vettä hylkivä ominaisuus. Työssä on jatkotutkimusmahdollisuuksia öljyä hylkivien ominaisuuksien parantamisen sekä vesihöyryn läpäisevyyden kannalta. Reseptin osalta voitaisiin esimerkiksi käyttää eri massasuhdetta ligniiniä ja tärkkelystä tai voitaisiin se valmistaa eri pH-arvoilla. Pinnoitteen puristamisella saataisiin pallot kiinni toisiinsa, jolloin vähennetään pinnan huokoisuutta ja mahdollisesti ominaisuudet parantuisivat. WVTR-testin asetelmassa on myös parannuksia testin pituuden, punnitusvälin sekä näytesarjan valmistamisen osalta.

The aim of this thesis was to study the suitability of using lignin as a coating material for carton, particularly in improving its water and oil resisting properties. The commissioner of the thesis was HAMK Tech Research unit. The lignin used in this study was BioPiva lignin, which is produced from the side stream of a kraft pulp process, using technology developed by Valmet. This lignin was further processed with a method developed by LignoSphere Company to produce 200-500 nm sized nanoparticles. Another component for the coating was a cationic starch adhesive made by Chemigate.

The knowledge base of the thesis consisted of a literature review collecting information on the topic, ways of separating lignin, its chemical structure as well as ways of testing for water vapor transmission through a material. The experimental part consisted of visual tests with the reference paper as well as coating it with just the starch adhesive and the produced lignin-starch mixture. A ready recipe for the coating was achieved by using a reagent during the production of the lignin mixture prior to it being added to the starch. With the ready recipe, a water vapor transmission rate test (WVTR) was planned and carried out using the gravimetric method, which gave numeric data on the barrier-properties of the coatings for water.

Based on the visual tests, the cationic starch alone was found to have a water resisting property and a similar property was achieved with a lignin-starch coating by adding a reagent during the production of the lignin mixture. In terms of the WVTR test, starch coated paper samples had the best result, while the lignin-starch coating placed between it and the uncoated reference paper. Visual tests with rapeseed oil had no major differences in performance between the uncoated reference, starch adhesive coated, and lignin-starch coated paper, with all of them performing poorly when it comes to repelling oil.

In conclusion, the making of a coating was successful and a physical barrier property for water was achieved. Further research can be performed to improve the oil resisting properties and the water vapor transmission rate. For example, when making of the coating mixture, different mass ratios of lignin to starch could be used or different pH-values could be explored. Pressing the coating could bring the lignin nanoparticles together, eliminating the free area between the particles. The WVTR test can be improved by better planning out the test length, how often the samples are weighed and in general preparing a more consistent test set.