Optimering af en ny tørformningsmetode til cellulose
Den svenske start-up Yangi AB har udviklet en tørformningsteknologi, der muliggør produktionen af et unikt modstandsdygtigt emballagemateriale, som er fri for plastlag. De samarbejdet med Teknologisk Institut og DESY for at få en bedre forståelse af, hvordan produktionsbetingelserne påvirker de mekaniske egenskaber ved mere bæredygtige emballageløsninger.
Yangi AB støtter virksomheder i at nå deres bæredygtighedsmål ved at hjælpe dem med at omdanne en bred vifte af deres plastikemballageportefølje til nye, alternative og genanvendelige emballageløsninger - løsninger med konkurrencedygtige produktionsomkostninger, fuldt genanvendelige råmaterialer og ressourceeffektiv produktion. Virksomheden har udviklet en unik tørformningsteknologi til at lave 3D-formet, cellulosebaseret emballage, som ikke kræver procesvand. Dette opnås ved at kombinere 'air-laid formation' med hurtig presning af cellulosefibre. Tørformningsteknologien gør det muligt at producere en unik modstandsdygtig struktur, der er fri for plastlag.
Processen kan producere emballage til det krævende marked for take-away mad og drikke, samtidig med at det er certificeret let at genanvende. Teknologien er dog ikke begrænset til take-away, men kan også anvendes til dagligvareemballage eller endda til emballering af andre varer – da tørformningsprocessen er mere effektiv og miljøvenlig end de gængse vådformningsmetoder.
Udfordringen
I konventionelle vådformnings- eller papirmasseprocesser spiller vand en afgørende rolle i fiber-hævning, mobilitet og dannelse af hydrogenbindinger under tørring.
Når vand fjernes fra ligningen, forsvinder disse naturlige bindingsveje – og den videnskabelige forståelse af, hvordan fibre interagerer, deformeres og binder sig i et tørt miljø, er stadig meget begrænset.
Ved tørformning er bindingen i stedet afhængig af varme og tryk – så det er afgørende for udviklingen af emballagematerialet at forstå, hvordan cellulosens struktur påvirkes af tryk og varme.
Jeg havde et rigtig godt samarbejde med Teknologisk Institut. Allerede fra starten stod det klart, at de var specialister, og de guidede os fagligt gennem designprocessen af vores forsøg. De leverede værdifulde og rettidige resultater, og metoden gav os indsigtsfuld viden til at udvikle vores egen proces hos Yangi.
- Polina Naidjonoka, Material Scientist, Yangi
Løsningen
Yangi vidste på forhånd, hvordan de skulle få den nødvendige viden - det skulle ske ved at bruge Small- og Wide-Angle X-ray Scattering (SAXS/WAXS). Med denne analyseteknologi kunne Yangi direkte undersøge cellulosefibrillernes egenskaber - længde, orientering og krystallinitet. Disse egenskaber bestemmer emballagens opførsel, herunder dens styrke og overfladetekstur, og derfor er de vigtige at forstå.
Virksomheden havde dog ikke adgang til denne teknologi, men heldigvis havde man set et LinkedIn-opslag fra Teknologisk Institut omkring Big Science og brugen af avanceret karakterisering på storskala research infrastrukturer. Derfor rakte Yangi ud til Teknologisk Instituts specialister i avanceret karakterisering, som har et stort netværk af disse research infrastrukturer - og heldigvis kunne de hjælpe.
Det betød, at højkvalitets-data blev indsamlet gennem et samarbejde mellem Teknologisk Institut og den nationale tyske acceleratorfacilitet, DESY. Målingerne blev udført på PETRA III’s Micro- and Nanofocus X-ray Scattering Beamline P03.
Målingerne viste, at fibrene i tørformede prøver var mere kompakte og orienterede på grund af den påførte varme og tryk, hvilket påvirkede, hvordan de bandt sammen. Bindingen er især vigtig, når cellulosefibre formes til en 3D-struktur, da fibrene – i modsætning til plastmaterialer – ikke er uendeligt strækbare.
Venstre) Teamet under målinger på strålelinje P03, PETRA III - Højre) WAXS-detektor (øverst til højre) og flyrør til USAXS-detektor (i midten) på strålelinje P03, PETRA III.
Figur 1:USAXS- og WAXS-data, henholdsvis opnået på PETRA III’s P03-strålelinje
Værdien
Resultaterne gav Yangi en dybere forståelse af, hvordan varme og tryk påvirker fiberbinding og materialestruktur i tørformning. Denne viden har hjulpet virksomheden med at styre procesoptimering og materialudvikling, hvilket gør det muligt at justere formningsparametre og fiberformuleringer for at opnå stærkere og mere ensartede produkter.
Under målingerne på PETRA III blev flere prøver fuldstændig karakteriseret på nanometerskala inden for få timer. Målingerne beviste, at det er muligt at forstå strukturen i fibermaterialet i detaljer ved brug af avanceret karakterisering ved store forskningsinfrastrukturer.
