En helt ny metod för att framställa genomskinliga och starka nanopapper med goda barriäregenskaper har utvecklats vid Avdelningen för Fiberteknologi på Kungliga Tekniska högskolan (KTH). Förhoppningen är att dessa nanopapper ska kunna utgöra framtidens förpackningsmaterial och gå att tillverka med vanliga papperstillverkningsprocesser. Detta genom att använda kemiskt förbehandlade cellulosafibrer som omvandlas till cellulosananofibrer efter att papperet formats i pappersmaskinen.
Allt sedan de första nanopapperen tillverkade av cellulosananofibrer utvecklades för cirka 15 år sedan så har både akademi och industri haft stora förhoppningar om att kunna använda detta material för att tillverka biobaserade och bionedbrytbara förpackningar.
De nanopapper som tillverkats genom åren har haft mycket goda egenskaper, men processen för att ta fram cellulosananofibrer är mycket energikrävande och tillverkningen av nanopapper är tidskrävande eftersom det är svårt att snabbt och effektivt avvattna nanopartiklar. Dessa två faktorer har varit stora hinder för att det ska vara möjligt att skala upp tillverkningen av nanopapper och således svårt att gå vidare ifrån akademisk forskning till industriella applikationer.
Yunus Can Görür, KTH. Foto: Johan Olsson
Nya möjligheter för uppskalning
Nu har emellertid forskare vid KTH utvecklat en ny tillverkningsmetod, som på ett dramatiskt sätt förkortar och förenklar tillverkningen av nanopapper. Därmed öppnas nya möjligheter att skala upp tillverkningen av detta biobaserade förpackningsmaterial – för att användas på några av de områden där petroleumbaserade material hittills framstått som det enda realistiska alternativet.
Yunus Can Görür, doktorand i Fiberteknologi vid KTH, handledd av professor Lars Wågberg och doktor Per Larsson, har i sitt doktorandprojekt lyckats visa att det är möjligt att kemiskt förbehandla fibrer på ett sådant sätt att det är möjligt att först tillverka papper av fibrerna och sedan utsätta dem för en enkel sekundär behandling där fibrerna sönderdelas till nanofibrer i det tillverkade papperet.
– Det normala är att först sönderdela modifierade fibrer till cellulosananofibrer till en form av gel eller dispersion som består till mer än 98 % av vatten. Därefter tillverkar man sitt nanopapper, säger Yunus Can Görür.
Problemet med denna process är att de små nanofibrerna är mycket svåra att avvattna och vanligen är detta en process som kan ta många timmar. I forskningsprojektet, som skett i samverkan med BillerudKorsnäs, letade Yunus Can Görür därför efter möjligheter att senarelägga defibrilleringen till efter papperstillverkningen.
Efter vissa initiala svårigheter visade det sig vara möjligt att modifiera fibrer ifrån blekta massor genom att utsätta dem för två konsekutiva oxidationsprocesser. Processerna är sedan tidigare välkända men har inte använts i den kombination som teamet på KTH identifierade.
Det papper som tillverkas av dessa fibrer ser skenbart ut som ett vanligt papper men har en inbyggd ”trigger”-funktion. Så länge fibrerna omges av ett pH som är lågt så uppträder det tillverkade papperet ungefär som ett vanligt papper, men när det utsätts för en svagt basisk miljö bryts introducerade kemiska bindningar i cellulosafibrerna och de börjar svälla till en sådan grad att cellulosananofibrerna frigörs. Inom loppet av några få minuter förvandlas det ”vanliga” pappret till ett nanopapper. Det blir därmed både genomskinligt och mycket starkt.
– Inte nog med att processen är snabb, det tillverkade nanopapperet får också egenskaper som är likvärdiga de som laboratorietillverkade nanopapper har, påpekar Yunus Can Görür.
Anpassar materialet till industrin
Även om det än så länge är oklart hur en industriell process exakt skulle kunna utformas, så innebär metoden enligt honom ett stort steg i riktning mot att kunna använda de arbetssätt och den utrustning som redan finns på plats.
– I stället för att anpassa industrin för att kunna utnyttja nanopapper, så gör vi tvärtom. Vi försöker anpassa materialet till industrin, säger Yunus Can Görür.
Samverkan med BillerudKorsnäs
Karoliina Junka, BillerudKorsnäs.
Den nya tillverkningsmetoden är patentsökt tillsammans med BillerudKorsnäs, som fungerat som projektets industriella partner. Karoliina Junka, teknisk expert som arbetar med produktinnovationer på företaget, ser en stor potential:
– Projektet är fortfarande i ett väldigt tidigt skede. Om vi får detta att fungera i stor skala, så vore det en revolution för möjligheten att producera nanopapper industriellt, säger hon.
Det råder, enligt henne, ingen tvekan om att nanopapper, med sin genomskinlighet, styrka och barriärförmåga, är högintressant som förpackningsmaterial. Samtidigt återstår många frågor att besvara, bland annat kring produktsäkerhet, återvinningsegenskaper, producerbarhet och förstås produktionskostnad.
Hypotesprövning möjliggjorde demonstratorer
För att tidigt få återkoppling från de potentiella användarna av det nya förpackningsmaterialet har projektet genomfört en första så kallad hypotesprövningsstudie finansierad av BioInnovation.
Demonstratorförpackningar innehållande transparent nanopapper tillverkades för ett antal varumärkesägare, bland annat inom varugrupperna pasta, konfektyr och hygienartiklar.
– Förpackningarna har mött stort intresse och vi har fått många synpunkter som hjälper oss med den fortsatta utvecklingen, berättar Karoliina Junka.
I allra bästa fall gissar hon att förpackningar av nanopapper skulle kunna vara i produktion om cirka fem år.
Läs mer om hypotesprövningsprojektet Transparent papper i förpackningsapplikationer.
Läs mer om Treesearch.
Om projektet
Den nya tillverkningsmetoden har utvecklats i samband med Yunus Can Görürs avhandlingsarbete vid Avdelningen för Fiberteknologi vid Institutionen för Fiber- och Polymerteknologi på KTH, under handledning av professor Lars Wågberg och doktor Per Larsson.
Förutom nanopapper till förpackningsändamål kan den patentsökta metoden, för att styra defibrillering med hjälp av pH, komma att användas för andra typer av nya cellulosabaserade material.
Arbetet ingår Treesearch-plattformen med centrum på KTH och har starka kopplingar till forskningen inom Wallenberg Wood Science Center. Forskningen finansieras av BillerudKorsnäs och BioInnovation och är ett av de projekt som beviljades finansiering i Treesearchs och BioInnovations utlysning från 2017. Plattformen Treesearch är ett samverkansprojekt inom BioInnovation som finansieras av Vinnova via samverkansprogrammen.