Design of moisture resistant oxygen bio-barriers through systematic multivariable structure-property predictions

Research Project, 2018 – 2020

Sveriges yta är till mer än hälften täckt med skog och skogen är förutom att vara en plats för rekreation också basen för Sveriges skogsnäring, som inbringar 11% av Sveriges totala exportintäkter och har mer än 70 000 anställda i Sverige. Av skogens resurser tillverkas plank och brädor att bygga hus med, men även cellulosamassa och papper som kan användas till tidningar, böcker, textil och i förpackningar. Till exempel är en stor del av världens förpackningar wellpapp, som är baserad på skogsråvara. Samtidigt har Sverige med sin stora mängd skog stora förutsättningar att bidra med än mer förnyelsebara material som skulle kunna ersätta fossilbaserade material. Detta skulle minska vårt beroende av olja och minska koldioxidutsläppen som fås när fossila material förbränns, vilket även påverkar världens klimat. För att skydda mat och andra produkter används barriärmaterial som inte släpper igenom vattenånga eller syrgas. Om man gör barriärmaterial baserade på biopolymerer och exponerar dem för fukt försämras deras barriäregenskaper drastiskt genom att deras syretransportshastighet ökar kraftigt. Detta omöjliggör att sådana material kan användas idag som barriärmaterial, men dagens forskare kan inte förklara varför det blir så. Det är känt att biopolymerer från naturen, till exempel cellulosa från träråvaror, tar åt sig fukt om de exponeras för fuktig luft. Fukten, det vill säga vattenmolekyler, tränger då in i cellulosamaterialet, sväller det och börja växelverka med biopolymer kedjorna. En teori är att fukten i materialet gör att materialet mjuknar och polymerkedjorna kan röra sig lättare, vilket skulle kunna leda till att syrgasmolekylerna skulle kunna transporteras lättare.Man kan förhindra vattenupptag hos biopolymerer genom att modifiera materialet så att det blir mindre hydrofilt (mindre vattenälskande). Detta görs genom att man kovalent binder hydrofoba grupper till biopolymererna. Idag finns inga modeller som utifrån molekylära strukturen hos biopolymererna, till exempel cellulosaderivat (CD), kan förutse hur syrgastransporten beror av fuktinnehållet i materialet. Jag har utvecklat en modell som beskriver materialens förmåga att älska vatten. Modellen är baserad på danskättlingen Charles Hansens ”Hansen solubility parametrar, HSP”. Den klassiska HSP teorin tar bara hänsyn till hur många grupper som är bundna i medeltal till cellulosaderivaten. I min forskargrupp har vi visat att egenskaper, såsom hur CD löser sig i vatten eller hur de mjuknar när man värmer på dem, beror på fördelningen av deras kovalent bundna grupper. Det var med den kunskapen som vi utvecklade HSP modellen så att den även tar hänsyn till fördelningen av de hydrofoba grupperna i CD.Vi vill nu undersöka om vår modell, baserat på CDs molekylstruktur, kan korreleras till hur mycket fukt CD tar upp, hur de mjuknar vid olika fuktinnehåll och hur syrgastransporten beror av fukthalten i luften. För att göra det kommer vi karakterisera fyra olika CDs molekylära strukturer och deras barriäregenskaper med de utrustningar vi har på Chalmers. Vi kommer även besöka Stora Ensos lab i Karlstad för att mäta syrgastransport och ett lab i Halle, Tyskland, som karakteriserar materialens ihålligheter (den så kallade fria volymen).Om det skulle visa sig att vår modell baserat på biopolymerens molekylära strukturer klarar av att prediktera biobarriärernas egenskaper så kommer detta leda till att man kan ta fram olika teoretiska alternativ på vilka modifieringar som ger de önskvärda barriäregenskaper. Då all kemisk modifiering för med sig en viss negativ miljöpåverkan skulle man kunna jämföra de olika alternativen med samma barriärprestanda utifrån ett hållbarhetsperspektiv. För att få önskade utväxling och nå marknaden snabbare kommer detta doktorandprojekt att ha en referensgrupp med Stora Enso, en skogs och förpacknings- och biomaterialproducent, Akzonobel, tillverkare av cellulosaderivat och kemikalier att modifiera biopolymerna med, samt Packbridge, Sveriges industriella nätverksorganisation för förpackningsrelaterade frågor. På projektmötena kommer resultaten presenteras och diskuteras, så att en ömsesidig kunskapsöverföring kan ske. Detta kommer leda till att svensk industri snabbare kan ta fram modifierade biopolymerer med rätt prestanda och samtidigt ger minimal miljöpåverkan. Det kommer leda till innovationer som kommer göra det möjligt för svensk export och antal arbetstillfällen att öka i Sverige.