3D-formability and packaging functionality of paperboards with cellulose-based coatings : a focus on press forming

Abstract

Trays for food packaging are still mostly made from plastics, and by using paperboard, the carbon footprint can be brought down substantially. Paperboards with cellulose-based coating are possible renewable and biodegradable substitutes for traditional plastics. The goal of this thesis was to evaluate the performance of paperboards with regenerated cellulose-based coatings in the press forming of trays.

Experimental materials consisted of four trial points with two different plasticizers in the coatings, one trial point without a plasticizer, and one trial point with a thinner coating. Every trial point has the same base paperboard. Those were compared to the reference material with a PET coating. The goal for the experimental materials was to have the same coating thickness as the reference material, and for the thinner coating, half of that.

Material measurements revealed differences between materials and proved that the experimental materials’ properties are close to the reference material. A key result from the tray manufacturing trial runs was that some of the trial points handled more blank holding force than the reference material. One major limitation of the experimental materials was curling. As the trays cool down, the long side of the tray curls inward, and then the usability of the trays suffers. Another difference compared to the reference material was barrier performance after converting.

The future of the regenerated cellulose-based coatings looks promising, as the results showed that the materials have the potential to be developed further. The production of trays was possible, and the runnability was quite good for experimental materials despite a few minor issues.

Suurin osa ruoan pakkaamiseen käytettävistä vuoista on edelleen tehty muovista. Mikäli muovin sijaan käytettäisiin kartonkia, hiilijalanjälkeä voitaisiin laskea merkittävästi. Selluloosapohjaisesti pinnoitetut kartongit ovat mahdollisia korvaajia perinteiselle muoville. Tämän työn tavoitteena oli arvioida regeneroiduilla selluloosapohjaisilla kalvoilla päällystettyjen kartonkien suorituskykyä vuokien puristusmuovausprosessissa.

Kokeelliset materiaalit koostuivat neljästä koepisteestä. Nämä sisälsivät kahdella eri pehmittimellä ja ilman pehmitintä sekä yhden ohuemmalla pinnoitteella tehdyn materiaalin. Pohjakartonki oli jokaisessa materiaalissa sama. Kokeellisia materiaaleja verrattiin PET-päällystettyyn referenssimateriaaliin. Pinnoitepaksuuden osalta tavoite oli tehdä yhtä paksu pinnoite, kun referenssimateriaalissa ja ohuempaan pinnoitteeseen puolet siitä.

Materiaalimittauksien tuloksista huomattiin eroja materiaalien välillä ja tulokset osoittivat, että kokeellisten materiaalien ominaisuudet ovat lähellä referenssimateriaalia. Päätulos vuokakoeajoista oli, että muutama kokeellinen materiaali kesti enemmän kehätyökalupainetta kuin referenssimateriaali. Yksi iso rajoittava tekijä kokeellisten materiaalien keskuudessa oli käyristyminen. Kun vuoat jäähtyivät, niiden pitkät sivut käyristyivät vuoan sisälle päin, tämän takia vuokien käytettävyys kärsii. Toinen iso ero referenssimateriaaliin oli kokeellisten materiaalien barrier-ominaisuudet konvertoinnin jälkeen.

Regeneroitujen selluloosapohjaisten pinnoitteiden tulevaisuus vaikuttaa lupaavalle, koska tulokset osoittivat, että materiaaleilla on potentiaalia jatkokehitykselle. Vuokien valmistus oli mahdollista ja materiaalien ajettavuus oli hyvällä tasolla kokeelliselle materiaalille muutamista pienistä ongelmista huolimatta.