Enhancing barrier and shielding properties of multilayered flexible packaging with carbon-based composites

Abstract

As soluções atuais de embalagem flexíveis multicamadas para proteção de dispositivos eletrônicos possuem baixa capacidade de reutilização e reciclabilidade. Essas características resultam no aumento da quantidade de resíduos, na manipulação lenta, nas emissões e na poluição do solo e dos oceanos, entre outros problemas. A falta de reciclabilidade da embalagem deve à sua estrutura complexa. Para fornecer propriedades de barreira e blindagem eletromagnética, diferentes materiais, como alumínio e polímero, são unidos com camadas adesivas. A reciclagem dessa embalegem requer métodos com alto custo de energia e tempo. Nesse contexto, propomos redesenhar uma estrutura multicamadas para criar uma solução mais sustentável usando compostos à base de carbono. Utilizamos uma abordagem compatível com o uso industrial e baseada em materiais amplamente disponíveis em escala industrial: polietileno de alta densidade (HDPE) e as propriedades fornecidas por dois aditivos à base de carbono: placas de grafeno (G), aumentando a capacidade de barreira e nanotubos de carbono multiparedes (NTC), para maior condutividade elétrica. Metodologicamente, foram utilizadas três etapas para obter o composto: Primeiramente, investigamos os efeitos da barreira e condutividade elétrica do G usando coextrusão em escala semiindustrial produzindo uma estrutura de 8 camadas. Para concentrações inferiores a 0,5% em peso de G, o G melhorou em 42% o efeito de barreira para oxigênio e água. Contudo, nenhum aumento na condutividade elétrica foi encontrado com 1% de G em peso. Além disso, o design da camada, especificamente ou selecionado do aditivo em camadas específicas, provou ser uma ferramenta importante para obter melhores propriedades. Na segunda etapa, nos concentramos em melhorar a condutividade elétrica necessária para obter propriedades de blindagem. Foram investigados filmes de HDPE/NTC de camada única com G como aditivo secundário, resultando em um composto híbrido. A transição de um composto isolante para um mais condutivo foi obtida com 6,49% em peso de NTC. O sinergismo foi encontrado para compostos híbridos com proporções de NTC:G 99:1 na concentração fixa de 9% em peso, contudo o sinergismo foi altamente dependente das condições de resfriamento da amostra. Para a mesma quantidade de aditivo, nenhuma melhoria nas propriedades da barreira foi encontrada. Na terceira e última etapa, usando uma técnica de coextrusão com um elemento multiplicador, produzimos filmes multicamadas com 129 camadas de HDPE/NTC, HDPE/G e HDPE/NTC/G com composições de até 4,5% em peso de aditivo e comparamos suas propriedades de barreira e blindagem com filmes de camada única. As estruturas multicamadas apresentaram de modo geral uma melhoria da barreira contra água e oxigênio. Um aumento da blindagem, variando de 13% a 110% dependendo do tipo de estrutura, e capacidade de absorção de microondas. As melhorias foram atribuídas ao arranjo selecionado do aditivo e ao aumento das propriedades dielétricas dos filmes multicamadas. Embora não tenhamos conseguido atingir os valores comerciais para blindagem (10 dB) de dispositivos sensíveis com filmes de 100 µm de espessura, nossa investigação descreve o potencial para obter propriedades combinadas em um filme compósito flexível para aplicações de embalagem, através da seleção do método de processamento e do design da camada.

Abstract: Current multilayered flexible packaging solutions for protecting sensitive electronic devices suffer from low reuse and recyclability. It leads to increasing amounts of waste, slow degradation, emissions, and contamination of soil and oceans, among other issues. The lack of recyclability is due to their complex structure. To provide barrier and shielding properties, dissimilar materials, i.e., aluminum and polymer, are joined with adhesive layers. The recycling of this type of structure requires energy and time-consuming approaches. In this context, we proposed redesigning the multilayered structure to create a more sustainable solution using carbon-based composites. Our approach aims to be compatible with industrial use and is based on widely available materials at the industrial scale: a high-density polyethylene (HDPE) matrix with key properties provided by two carbon-based fillers: graphene platelets (G) for a barrier against permeability and multiwalled carbon nanotubes (CNT) for increased electrical conductivity. Methodologically, we took three steps to achieve the proposed composite: First, we investigated the barrier and electrical conductivity effects of G using coextrusion in a semi-industrial scale fabrication process to produce an 8-layer structure. Concentrations lower than 0.5 wt.%, G improved the barrier effect by around 42% for oxygen and water in samples with smoother surfaces. However, no increase in electrical conductivity was found at 1 wt.%. Additionally, layer design - specifically, selective placement of filler in chosen layers - proved to be an important tool for achieving enhanced properties. Second, we focused on improving the electrical properties necessary for achieving shielding properties by investigating single-layer HDPE/CNT films with G as a secondary filler, resulting in a hybrid composite. A transition from an insulative to a more conductive composite was achieved at 6.49 wt.% CNT. Synergism was found for hybrid composites with 99:1 CNT:G ratios at a fixed concentration of 9 wt.% but was highly dependent on the cooling conditions of the sample. At the same filler content, no improvement in barrier properties was found. Third and finally, using a coextrusion technique with a multiplying element, we produced multilayered films with 129 layers of HDPE/CNT, HDPE/G, and HDPE/CNT/G with compositions up to 4.5 wt.% and compared their barrier and shielding properties to single-layer films. The multilayered structures exhibited an overall improved barrier to water and oxygen. Increased shielding, ranging from 13% to 110% depending on the structure type, and microwave absorption performance properties. The improvements were ascribed to the selective filler placement and increased dielectric properties of the multilayered films. Although we were unable to achieve the commercial values recommended for shielding (10 dB) of sensitive devices with flexible 100 µm thick films, our investigation demonstrated the potential to achieve combined properties in a composite flexible film for packaging applications by adjusting the processing method and layer design.