Identifying the causes for gels and voids as web defects, and reducing them in the extrusion coating process

Abstract

Extrusion coating enables a wider use of board as a packaging material. Various polymers are used in the process. Nowadays, biopolymers are studied and utilized increasingly to offer more sustainable options. An extrusion-coated product has many requirements like barrier properties, appearance, etc. Imperfections, including web defects, can occur in the process, causing faults in the polymer web and degrading the barrier. Gels and voids are web defects, which can be created by various factors, like high temperatures and improper working methods.

The aim of this thesis is to find and identify the causes for gel and void formation and come up with correcting actions to reduce them. The plausible factors causing web defects, from the polymer manufacturing to the extrusion coating process, are studied in the literature part. In the experimental part, data analysis is done based on the literature and current operating instructions. The data is collected from different process steps and analysed with Minitab to find the statistically significant factors. Laboratory analyses are also conducted to figure out the chemical structure of the defects.

Extruder purging stood out from the data analysis. 10 different extruder purging sequences were designed and tested with various polymer types and extruders. The sequences decreased the material loss caused by gels and voids by up to 77,6%. The laboratory analyses showed that the defects had similar chemical structure than the reference samples. The results revealed that extruder purging has a significant effect on reducing the gels and voids when purging is done correctly. The tested sequences show potential and three of the sequences can be adapted to the process.

Ekstruusiopäällystys mahdollistaa kartongin monipuolisemman käytön pakkausmateriaalina. Prosessissa käytetään useita erilaisia polymeerejä. Uusiutuvien polymeerien käyttöä tutkitaan sekä hyödynnetään enenevissä määrin. Ekstruusiopäällystetyllä tuotteella on useita vaatimuksia, kuten tuotteen suojaaminen. Päällystysvirheitä voi esiintyä prosessissa ja ne voivat huonontaa päällystyksen suojausominaisuuksia. Muoviohentumat ovat päällystysvirheitä, jotka voivat syntyä useiden tekijöiden seurauksena, kuten korkeiden lämpötilojen tai väärien toimintatapojen takia.

Tutkimuksen tavoitteena on löytää syitä muoviohentumille ja etsiä keinoja niiden vähentämiseen. Kirjallisuusosassa kartoitettiin syitä muoviohentumille. Kokeellisessa osassa suoritettiin data-analyysi, jossa analysoitavat tekijät kerättiin kirjallisuusosasta, sekä toimintaohjeista. Tarkastelu tehtiin eri prosessivaiheille. Data analysoitiin Minitab-ohjelmistolla, joka etsi tilastollisesti merkittävät tekijät. Myös laboratorioanalyyseja tehtiin, jotta muoviohentumien kemiallinen koostumus saatiin selvitettyä.

Analyysit osoittivat merkittävien tekijöiden liittyvän ekstruuderin puhdistamiseen. Tämän perusteella laadittiin 10 puhdistussekvenssiä lajinvaihtoihin. Oikeanlainen puhdistus osoittautui merkittäväksi keinoksi muoviohentumien vähentämisessä. Muoviohentumia saatiin vähennettyä jopa 77,6 %. Sekvenssit vaikuttavat lupaavilta ja kolme erilaista sekvenssiä lisätään prosessiin.