High gas barrier biopolymer-based nanocomposite coatings for flexible packaging

High gas and water barrier materials for packaging and protective applications are of great interest to improve the shelf life of pharmaceuticals, reduce food waste, and protect flexible electronics. Polymers have been the primary materials employed in these sectors due to their several advantages. However, their elevated consumption, problems with their end-of-life management, and the need to often combine them with less permeable or impermeable materials developing even less sustainable systems, have generated growing concern about the resulting environmental consequences. Thus, recent research has shifted towards using biodegradable and/or bio-based materials. Nevertheless, even more than synthetic polymers, bio-based polymers' gas and water barrier performance is often inadequate for the mentioned applications. Thus, the use of natural polymers is still restricted because of their low chemical resistance due to their hydrophilicity and poor processing repeatability. In this context, the work of the PhD thesis was focused on investigating new strategies to develop more sustainable and high gas and water barrier nanocomposite coatings based on chitosan, a renewable and biodegradable polymer. In particular, the research activities focused on verifying the potential of some high aspect ratio nanomaterials in developing barrier bionanocomposite coatings, as well as on clarifying the effect of different processing technologies, including ultrasonic spraying and Layer-by-Layer (LbL) assembly, on their chemical-physical and structural characteristics, and functional properties. The goal was to form highly structured thin films with elevated loading of highly aligned and homogeneously dispersed nanoplatelets. This microstructure significantly extended the gas penetration paths and reduced the available area parallel to the surface, developing the so-called “torturous path effect” and further improving the gas barrier properties. This study provides important insight to understand better the interaction of chitosan with 2D nanomaterials and their effect on gas and water properties, as well as the potentialities of different manufacturing processes, which could benefit various packaging applications.

I materiali barriera ai gas e all'acqua sono di grande interesse nel settore dell'imballaggio, dove vengono utilizzati per migliorare la durata di conservazione dei prodotti farmaceutici, ridurre gli sprechi alimentari e come protezione nei sistemi elettronici. I polimeri sono i materiali principali impiegati in questi settori per i loro numerosi vantaggi (sono leggeri, economici e presentanto buone proprietà maccaniche). Tuttavia, il loro elevato consumo, i problemi con la loro gestione a fine vita e la necessità di combinarli spesso con materiali meno permeabili o impermeabili sviluppando sistemi ancora meno sostenibili, hanno determinato una crescente preoccupazione per le conseguenze ambientali risultanti dal loro ultilizzo. Pertanto, di recente la ricerca scientifica si è spostata verso l'uso di materiali biodegradabili e/o di origine biologica. Tuttavia, anche più dei polimeri sintetici, le prestazioni di barriera ai gas e all'acqua dei polimeri di origine biologica sono spesso inadeguate per la applicazione nel settore dell'imballaggio. Pertanto, l'uso di polimeri naturali è ancora limitato a causa della loro bassa resistenza chimica dovuta alla loro idrofilia e alla scarsa ripetibilità di lavorazione. In questo contesto, il lavoro di tesi si è concentrato sull'indagine di nuove strategie per sviluppare rivestimenti nanocompositi più sostenibili e con elevata barriera ai gas e all'acqua a base sul chitosano, un polimero rinnovabile e biodegradabile. In particolare, le attività si sono concentrate sulla verifica del potenziale di alcuni nanomateriali ad alto rapporto di aspetto nello sviluppo di rivestimenti bionanocompositi barriera, nonché la validazione dell'effetto di diverse tecnologie di lavorazione (tra cui lo spay ad ultrasuoni e la tecnica Layer-by-Layer (LbL)) sulle loro caratteristiche chimico-fisiche e strutturali e sulle proprietà funzionali. Per migliorare le proprietà barriera per chitosano, l'obiettivo era quello di sviluppare film sottili altamente strutturati con un carico elevato di nanopiastrine altamente allineate e omogeneamente disperse. Infatti, questa microstruttura ha permesso di estendere significativamente i percorsi di penetrazione del gas e quindi ridotto l'area disponibile alla permeazione parallelamente alla superficie, sviluppando il cosiddetto "effetto percorso tortuoso" e migliorando ulteriormente le proprietà di barriera al gas. Questo studio fornisce importanti spunti per comprendere meglio l'interazione del chitosano con i nanomateriali bidimensionali e il loro effetto sulle proprietà del gas e dell'acqua, nonché le potenzialità di diversi processi di fabricazione. Tali competenze possono risultare significativamente vantaggiose nel settore nell'imballaggio.