Schellack

7. Februar 2023

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von der Gesellschaft der Chemischen Industrie

Forscher der School of Science der Mae Fah Luang University, Thailand, und der School of Engineering and Materials Science der Queen Mary University of London, Großbritannien, haben eine Beschichtung auf Schellackbasis entwickelt, um die Gasbarriereeigenschaften eines recycelbaren, kompostierbaren und nachhaltigen Materials zu verbessern Verpackungsmaterial aus eigener Herstellung, um es für Instant-, dehydrierte, gefrorene und gekühlte Lebensmittel geeignet zu machen.

Geformter Zellstoff, der aus erneuerbaren Materialien wie Eukalyptusholz oder Zuckerrohrbagasse hergestellt wird, wird häufig als nachhaltiges Verpackungsmaterial zum Schutz von Produkten in der Schifffahrt, für Serviertabletts, Behälter und Getränketräger für Lebensmittel verwendet. Sein Produktionsvolumen stellt mehr als 30 % aller papierbasierten Verpackungsmaterialien dar und ist neben seinen nachwachsenden Rohstoffen auch für Recycling und Kompostierung geeignet.

Aufgrund der schlechten Gasbarriereeigenschaften der Materialien und der begrenzten Beständigkeit gegenüber Wasser und Öl sind geformte Zellstoffe jedoch für die Aufrechterhaltung der Haltbarkeit und Qualität vieler Produkte ungeeignet. Dies wird in der Regel dadurch gelöst, dass die Materialien mit erdölbasierten Polymeren wie Polyethylen und einer dünnen Metallschicht, meist Aluminium, laminiert oder beschichtet werden, was Recycling oder Kompostierung schwierig und unpraktisch macht.

Das Ziel dieser Studie, die am 7. Februar in der Fachzeitschrift Polymer International veröffentlicht wurde, bestand darin, die Barriereeigenschaften und den Oberflächenwiderstand des geformten Zellstoffs zu verbessern und gleichzeitig sein grünes Profil und seine Umweltverträglichkeit zu bewahren, indem eine neue Beschichtung entwickelt wurde, die auf umweltfreundlichen, erneuerbaren und biologisch abbaubaren Materialien basiert Materialien.

Schellack wird aus einem Harz gewonnen, das von Lackwanzen abgesondert wird, und wird seit Jahrhunderten für die Verwendung in Produkten wie Nagellacken, Möbellacken und verschiedenen Farbstoffen hergestellt. Die größten Schellackproduzenten sind Indien, Thailand und China, aber er wird auch in Bangladesch, Myanmar, Laos, Vietnam und Mexiko produziert.

Es ist ein Biopolymer der Polyestergruppe und wird aufgrund seiner ungiftigen Beschaffenheit, seines thermoplastischen Verhaltens, seiner Ölbeständigkeit und seiner guten Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften häufig in der Medizin- und Lebensmittelindustrie eingesetzt. Es weist außerdem eine gute Haftung auf und kann in Lösungsmitteln mit geringer Toxizität gelöst werden. Allerdings wird eine Überzugsschicht aus reinem Schellack aufgrund seiner Sprödigkeit und hohen Sauerstoffdurchlässigkeit üblicherweise nicht verwendet.

In dieser Arbeit wurde ein geformter Zellstoff mit einer Nanokompositschicht aus nanofibrillierter Cellulose (NFC) und Schellack beschichtet, um seine Barriere- und Oberflächenwiderstandsleistung zu verbessern. Um die Kompatibilität mit der Schellackphase zu verbessern und die Wasserbeständigkeit von NFC zu erhöhen, wurde modifizierte nanofibrillierte Cellulose (mNFC) über eine Veresterungsreaktion hergestellt. Zum Vergleich stellten die Forscher auch unbeschichtete Proben und mit reinem Schellack beschichtete Proben her.

Die Auswirkungen der Nanokomposit-Beschichtungsformulierung (d. h. Nanozellulosegehalt und -modifikation) sowie unterschiedliche Dicken der Beschichtungsschicht auf dem geformten Zellstoff auf die Morphologie, Barriereeigenschaften (Wasserdampfdurchlässigkeitsrate [WVTR], OTR), Wasser und Ölbeständigkeit, thermische Stabilität und mechanische Eigenschaften der hergestellten Proben wurden systematisch untersucht.

Die Forscher berichteten von Wasserdampf- und Sauerstoffdurchlässigkeitsraten, die im gleichen Bereich wie bei herkömmlichen Lebensmittelverpackungsmaterialien wie Polyethylen niedriger Dichte, orientiertem Polypropylen und Polyethylenterephthalat lagen.

Tests des Wasserkontaktwinkels, des Ölkontaktwinkels und der Ölabsorptionsrate zeigten außerdem, dass die Nanokomposit-Überzugsschicht dem geformten Zellstoffblatt eine überlegene Wasserbeständigkeit und eine vielversprechende fettdichte Oberfläche verlieh. Die Beschichtungsschicht verbesserte auch die Zugeigenschaften der Blechproben, insbesondere der mit Schellack und mNFC beschichteten Probe. Die Proben erreichten nach dem Einbringen der Schellackschicht mit niedrigerer thermischer Abbautemperatur eine gute thermische Stabilität (ca. 250 °C), was ihre praktische Verwendung für Verpackungsanwendungen bestätigt.

Im Gespräch mit SCI bemerkte der leitende Forscher Professor Nattakan Soykeabkaew von der School of Science der Mae Fah Luang University: „Unser nächstes Ziel ist die Entwicklung einer nachhaltigen Beschichtung, die durch Materialauswahl und -design sowie einige Prozessmodifikationen kostengünstiger und skalierbar ist.“

Ein aktuelles Hindernis für die Kommerzialisierung sind die Kosten, die Professor Soykeabkaew derzeit auf das Drei- bis Zehnfache der derzeit verwendeten Materialien schätzt. Allerdings könnte die Beschichtung auch „auf andere Ökomaterialien aufgetragen werden, um die Wasser-/Feuchtigkeitsempfindlichkeit zu verringern“, stellt Professor Soykeabkaew fest.

Mehr Informationen: Supattra Klayya et al., Nachhaltige Nanokompositbeschichtung für geformten Zellstoff mit verbesserten Barriereeigenschaften für Lebensmittelverpackungsanwendungen, Polymer International (2022). DOI: 10.1002/pi.6469

Zur Verfügung gestellt von der Society of Chemical Industry