Thin film coating to improve paper barrier properties for food packaging applications

Abstract

Preserving food and extending shelf-life are critical aspects of food packaging. It is imperative to develop advanced barrier coatings that can effectively safeguard the food products against moisture, oxygen, and various others environmental factors. While paper based packaging is often regarded as a more sustainable choice, it is susceptible to damage and offers less barrier properties against moisture, gases, and oils compared to plastic-based packaging materials. Poly(vinyl alcohol) (PVA), despite its fossil origin, has emerged as a promising material for barrier coatings due to its film-forming properties, biocompatibility, biodegradability, and non-toxic water solubility. However, enhancing the barrier, mechanical and thermal performance of PVA-based coatings remains an essential focus, particularly for packaging applications and innovative approaches are important to optimise their functionality. In this study, the impact of incorporating enzymatically produced microfibrillated cellulose (MFC) and clay into PVA-based coating formulation and films was studied for paper packaging application. This study involves the coating formulation consisting of PVA alone, PVA/MFC (PM) and PVA/MFC/Clay (PMC), and these formulations were applied to base paper using a volumetric controlled method. Coated papers were subjected to various characterizations, including FTIR spectroscopy, thermal degradation analysis, SEM imaging, roughness testing, and barrier property assessments. Films prepared using PVA, MFC, and clay were also analyzed for their water vapor transmission rates (WVTR) and optical properties. The FTIR analysis revealed the presence of distinctive peaks corresponding to various functional groups, providing insights into the composition of the coatings. Thermal degradation analysis showed that the addition of MFC and clay improved the thermal stability of PVA coatings. SEM imaging elucidated differences in surface morphology, particularly in the presence of clay, which enhanced the viscosity of the coating formulations, effectively offsetting the decrease caused by the addition of MFC, thus also improved the coverage on the coated paper surface. Characterization of the coated papers showed significant improvements in barrier properties, particularly in terms of water vapor transmission rate (WVTR) and air permeability. In particular, the addition of MFC in combination with PVA reduced the WVTR, with the 15% MFC concentration showing the most significant improvement. However, the introduction of clay resulted in variable effects on WVTR, with an optimum reduction to 128.2 ± 10.6 g/ (m2 d) observed at 15% clay content. In terms of mechanical properties, tensile strength generally improved with the addition of PVA, MFC and clay, although 15% clay showed an excellent improvement when used in combination with MFC/PVA, giving a strength of around 4750 N/m. Elongation at break remained relatively constant while Young's modulus showed different trends. In summary, this comprehensive study demonstrates the potential of PVA/MFC/clay composites for food packaging applications. These composites exhibit promising properties and offer a way to advance the field by providing enhanced thermal performance, improved barrier properties and superior mechanical strength compared to conventional PVA coatings.

A preservação dos alimentos e o prolongamento do seu prazo de validade são aspetos críticos da embalagem de alimentos. É imperativo desenvolver revestimentos de barreira avançados que possam proteger eficazmente os produtos alimentares contra a humidade, o oxigénio e vários outros fatores ambientais. Embora as embalagens à base de papel sejam frequentemente consideradas como uma escolha mais sustentável, são suscetíveis a danos e oferecem menos propriedades de barreira contra a humidade, gases e óleos comparativamente aos materiais de embalagem à base de plástico. O poli (álcool vinílico) (PVA), apesar da sua origem fóssil, surgiu como um material promissor para revestimentos de barreira devido às suas propriedades de formação de película, biocompatibilidade, biodegradabilidade e solubilidade em água não tóxica. No entanto, a melhoria do desempenho térmico, mecânico e de barreira dos revestimentos à base de PVA continua a ser uma questão essencial, especialmente para aplicações de embalagem, sendo fundamentais abordagens inovadoras para otimizar a sua funcionalidade. Neste estudo, foi estudado o impacto da incorporação de celulose microfibrilada (MFC), produzida enzimaticamente, e de argila em formulações de filmes e revestimentos à base de PVA para aplicação em embalagens de papel. Este estudo envolve a formulação de revestimento à base de PVA, PVA/MFC (PM) e PVA/MFC/argila (PMC), e estas formulações foram aplicadas ao papel-base utilizando um método volumétrico controlado. Os papéis revestidos foram submetidos a várias caracterizações, incluindo espetroscopia FTIR, análise de degradação térmica, imagens SEM, testes de rugosidade e avaliações de propriedades de barreira. As películas preparadas com PVA, MFC e argila também foram analisadas quanto às suas taxas de transmissão de vapor de água (WVTR) e propriedades óticas. A análise FTIR revelou a presença de picos distintos correspondentes a vários grupos funcionais, fornecendo informações sobre a composição dos revestimentos. A análise da degradação térmica mostrou que a adição de MFC e argila melhorou a estabilidade térmica dos revestimentos de PVA. As imagens SEM elucidaram diferenças na morfologia da superfície, particularmente na presença de argila, que aumentou a viscosidade das formulações de revestimento, compensando efetivamente a diminuição causada pela adição de MFC, melhorando assim também a cobertura na superfície do papel revestido. A caraterização dos papéis revestidos revelou melhorias significativas nas propriedades de barreira, especialmente em termos de taxa de transmissão de vapor de água e permeabilidade ao ar. Especificamente, a adição de MFC, em combinação com PVA, reduziu o WVTR para 128.2 ± 10.6 g/ (m2 d), com a concentração de 15% de MFC mostrando a melhoria mais substancial. No entanto, a introdução de argila resultou em efeitos variados no WVTR, com uma redução ótima observada a 15% de teor de argila. Relativamente às propriedades mecânicas, a resistência à tração melhorou, de um modo geral, com a adição de PVA, MFC e argila, embora o teor de 15% de argila tenha mostrado uma excelente melhoria quando utilizado em combinação com MFC/PVA, tendo sido obtido uma resistência à tração de aproximadamente 4750 N/m. O alongamento na rotura mantevese relativamente consistente, enquanto o módulo de Young apresentou tendências variáveis. Em resumo, este estudo exaustivo demonstra o potencial dos compósitos PVA/MFC/argila para aplicações em embalagens alimentares. Estes compósitos apresentam propriedades promissoras e oferecem uma forma de avançar neste domínio, proporcionando um melhor desempenho térmico, melhores propriedades de barreira e uma resistência mecânica superior em comparação com os revestimentos de PVA convencionais.