Fibre-based food packaging: barrier properties assessment of kaolin- and talc-filled waterborne dispersion coatings

In an era marked by growing environmental consciousness and the urgent need for sustainable packaging solutions, dispersion coatings have been gaining important role in food packaging thanks to their unique ability to confer protective properties with low thickness upon paper substrates. This study gravitates around the barrier properties tests of two distinct substrates, i.e., KB WKL and CKB N, whose water vapour transmission rate, water absorption, and grease permeation were systematically addressed after the application of four different commercial dispersions and six pigment-filled experimental formulations. The coatings were applied with the rod coating technique, investigating both single- and double-layer configurations. The experimental formulations involved a pure styrene-butadiene latex, filled with varying platy talc or kaolin content. Among the in-house formulated dispersions, single layer H39T80 and H39K60 (containing 20 wt% talc and 40 wt% kaolin, respectively) showed the best performance in barrier tests. The best values obtained show reductions in WVTR and Cobb1800 values of 87% and 83% compared to untreated substrates respectively, achieving WVTR values of 43 g/(m2·day) and water absorption of 14.6 g/m2. Grease permeability tests carried out on the same samples achieved the best resistance time of over 24 hours. Considering commercial coatings, the best performances show a 94% reduction in WVTR and a 78% reduction in water absorptiveness, achieving a WVTR value as low as 21 g/(m2·day) and a Cobb1800 result as low as 3.9 g/m2. Similar to experimental dispersions, commercial grades showed grease permeation values of over than 24 hours. Double-layer coatings, assessed for H39K60 and H39T80, showed significant improvements in all the barrier tests compared to single-layer, obtaining a WVTR value as low as 23 g/(m2·day), a Cobb1800 value as low as 8 g/m2, and a grease permeation resistance over 24 hours. Possible applications of dispersion-coated substrates in the context of food packaging include, e.g., takeaway food clamshell and popcorn bags.

In un’epoca segnata da una crescente consapevolezza ambientale e dalla necessità di imballaggi sostenibili, i rivestimenti a dispersione hanno acquisito un ruolo importante nel settore del packaging alimentare grazie alla capacità unica di conferire a substrati cellulosici proprietà protettive con spessori limitati. Questo studio gravita attorno alle proprietà barriera di due diversi substrati, KB WKL e CKB N, le cui velocità di trasmissione del vapore acqueo, assorbimento d'acqua e permeazione del grasso sono state valutate sistematicamente dopo l'applicazione di quattro dispersioni commerciali e di sei formulazioni sperimentali arricchite con pigmenti. I rivestimenti sono stati applicati con la tecnica del rod coating, valutando configurazioni a singolo e a doppio strato. Le formulazioni sperimentali includono stirene-butadiene arricchito con contenuto variabile di talco o caolino. Tra le dispersioni a singolo strato create in laboratorio, H39T80 e H39K60 (contenenti rispettivamente il 20% in peso di talco e il 40% in peso di caolino) hanno riportato le migliori prestazioni nei test barriera. I migliori valori ottenuti mostrano riduzioni di WVTR e assorbimento d'acqua rispettivamente dell'87% e dell'83% rispetto ai substrati non trattati, raggiungendo WVTR di 43 g/(m2·giorno) e Cobb1800 di 14.6 g/m2. I test di permeabilità al grasso sugli stessi campioni hanno mostrato un tempo di resistenza maggiore di 24 ore. Considerando i coating commerciali, le migliori prestazioni mostrano una riduzione di WVTR del 94% e di assorbimento d'acqua del 78%, raggiungendo WVTR di 21 g/(m2·giorno) e Cobb1800 di 3.9 g/m2. Come le dispersioni sperimentali, quelle commerciali hanno riportato tempi di permeazione del grasso maggiori di 24 ore. I rivestimenti a doppio strato, valutati su H39K60 e H39T80, hanno mostrato miglioramenti significativi in tutti i test rispetto ai coating a singolo strato, ottenendo valori di WVTR di 23 g/(m2·giorno), di Cobb1800 di 8 g/m2 e di resistenza al grasso di oltre 24 ore. Possibili applicazioni nel contesto dell'imballaggio alimentare dei substrati rivestiti con dispersioni includono, ad esempio, scatole per cibo d’asporto e sacchetti per popcorn.