Optimering af ny cellulose tørformningsmetode

Den svenske startup-virksomhed Yangi AB har samarbejdet med Teknologisk Institut og DESY for at anvende røntgenspredningsmålinger på PETRA III. Formålet var at undersøge, hvordan fremstillingskomprimerings-betingelser påvirker de mekaniske egenskaber i mere bæredygtige emballageløsninger.

Udfordringen

Yangi AB hjælper brands og forarbejdningsvirksomheder med at nå deres bæredygtighedsmål ved at omstille deres emballageportefølje til nye, alternative, fornybare og bæredygtige emballageløsninger, som tilbyder konkurrencedygtige produktionsomkostninger, udelukkende fornybare råmaterialer og ressourceeffektiv produktion. Yangi AB har udviklet en banebrydende tørformningsteknologi til at skabe 3D-formet, cellulosebaseret emballage, som ikke kræver procesvand, ved at kombinere air-laid-formning og hurtig presning af cellulosefibre. Denne teknologi lover lavere energiforbrug og mindre CO₂-udledning. Cellulosematerialer opfylder nøglekravene om genanvendelighed, stivhed, bæredygtighed og 3D-formbarhed og udgør dermed et levedygtigt alternativ til at erstatte stiv plastik.

Jeg havde en rigtig god oplevelse med at samarbejde med DTI. Allerede fra starten stod det klart, at de var vidende og guidede os fagligt gennem designprocessen af vores forsøg. De leverede værdifulde og rettidige resultater. Metoden gav os indsigtsfuld viden til at udvikle vores egen proces hos Yangi.

- Polina Naidjonoka, Material Scientist, Yangi

Metode

Højkvalitets spredningsdata (figur 1) blev opnået gennem samarbejdet mellem Teknologisk Institut (DTI) og det tyske nationale acceleratorlaboratorium DESY. Målingerne i dette projekt blev udført på PETRA III’s Mikro- og Nanofokus Røntgenspredningsstrålelinje P03 (figur 2). Under beamtime blev effekten af blandt andet temperatur og kompressionspres på slutproduktets ydeevne undersøgt ved at karakterisere prøverne med ultra-small-angle og wide-angle X-ray scattering (USAXS og WAXS) med intens synkrotronstråling.

Figur 1: USAXS- og WAXS-data, henholdsvis opnået på PETRA III’s P03-strålelinje

Indsigter og analyse

Strukturen af cellulosematerialet er vigtig for produktets endelige ydeevne. Strukturelle karakteristika som fibrenes orientering og graden af krystallinitet kan undersøges over et bredt længdeskalaområde. WAXS giver information på nanometerskala, mens USAXS giver information på mikrometerskala. Takket være den ekstremt høje intensitet fra PETRA III er det muligt at indhente data af høj kvalitet fra svagt spredende materialer som cellulose, hvilket ikke er muligt med laboratoriebaserede røntgenkilder.

Figur 2 - venstre) Teamet under målinger på strålelinje P03, PETRA III: Veronica Lattanzi (Teknologisk Institut), Benedikt Sochor (Postdoc, DESY), Hanna Leemreize (Teknologisk Institut); højre) WAXS-detektor (øverst til højre) og flyrør til USAXS-detektor (i midten) på strålelinje P03, PETRA III.

Fordele

Flere prøver blev fuldt karakteriseret på nanometerskala i løbet af få timer. Servicen demonstrerer muligheden for at opnå en detaljeret forståelse af fiberstrukturens opbygning vha. avanceret karakterisering på store forskningsinfrastrukturer, samtidig med at man kan se, hvordan procesparametre påvirker slutproduktets egenskaber.

Servicen åbner mulighed for at forstå mikrocellulosefibrenes orientering og ændringer i produktets krystallinitet afhængigt af forskellige temperaturer og pres.

Dette kan yderligere medvirke til optimering af komprimeringsproceduren, valg af råmateriale samt et bedre design af den komprimerede form.