Atomik Katman Biriktirme (ALD) film kaplı polimer gıda ambalajlarının bariyer özellikleri

Abstract

Gıda ürünlerinin raf ömrünü uzatmak, kaliteyi korumak ve israfı azaltmak amacıyla geliştirilen yenilikçi muhafaza yöntemleri ve ambalaj teknolojileri, günümüzde hem ekonomik hem de çevresel sürdürülebilirliği hedeflemektedir. Bu kapsamda, üretim maliyetlerinin düşürülmesi ve insan sağlığına zarar vermeyen, çevreye duyarlı çözümlerin uygulanması planlanmaktadır. Geleneksel olarak yaygın şekilde kullanılan polimer esaslı ambalajların yerine biyopolimerler öne çıkmaktadır. Ancak biyopolimerlerin neme karşı hassasiyeti ve zayıf bariyer özellikleri ambalaj uygulamalarında kullanımını sınırlamakta, bariyer performansını artırmak amacıyla yüzeylerinin ince inorganik katmanlarla kaplanması düşünülmektedir. Atomik Katman Biriktirme (ALD), çok çeşitli uygulamalarda ultra ince, olağanüstü homojen ve koruyucu malzeme katmanları üretimi için tercih edilen ileri düzey bir ince film biriktirme tekniğidir. Bu metotta, nanometre ve nanometre altı düzeydeki film büyümesi, ardışık, kendi kendini sınırlayan ve yüzey kontrollü gaz fazı kimyasal reaksiyonlarıyla gerçekleşmektedir. Reaktör boşluğuna sıralı olarak beslenen öncüllerin substrat yüzeyinde kimyasal etkileşimleriyle atomik ölçekte, yapısal ve kimyasal nitelikleri hassas ince filmler elde edilmektedir. ALD yöntemiyle sentezlenen filmlerin en önemli avantajlarından biri, gaz bariyeri uygulamalarındaki üstün performanslarıdır. Bu çalışmada, ticari PET, PP, PLA filmleri ve saf PLA peletlerinden üretilen filmler, ALD tekniğiyle 5, 10 ve 50 nm kalınlıklarda Al₂O₃ ve ZnO ile kaplanmıştır. Kaplanmış filmlerin kimyasal (FTIR, DSC, XPS, Raman) ve morfolojik (SEM, AFM) karakterizasyonları yapılmış, ardından temas açısı, su buharı geçirgenlik hızı (WVTR), antibakteriyel aktivite ve migrasyon analizleriyle gıda ambalajı olarak kullanılabilirlikleri detaylı olarak değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgulara göre, Al₂O₃ kaplamalı filmlerin temas açısı 64,5°'den 98,1°'ye yükselirken, WVTR değerleri 150,3 g/m²/gün'den 4,5 g/m²/gün'e düşmüştür. Bu sonuçlar, ALD yönteminin biyopolimerlerin bariyer ve yüzey özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmede etkili bir yöntem olduğunu ortaya koymaktadır.Innovative preservation and packaging methods aim to extend the shelf life of food products, maintain quality, and reduce food waste. These efforts focus on lowering production costs and developing solutions that are harmless to human health and environmentally friendly. In this context, biopolymers are emerging as a promising alternative to conventional polymer-based packaging. However, their inherent sensitivity to moisture and weak barrier properties limit their widespread use in the packaging industry. To overcome this, there is a growing interest in coating biopolymer surfaces with ultra-thin inorganic layers. This study utilizes Atomic Layer Deposition (ALD), an advanced thin-film deposition technique preferred for producing ultra-thin, highly uniform, and protective material layers. This method achieves atomic-scale film growth through sequential, self-limiting, gas-phase chemical reactions. Films synthesized with this technique exhibit superior performance, particularly in gas barrier applications. In this thesis, commercial PET, PP, and PLA films, as well as virgin PLA pellets, were coated with Al₂O₃ and ZnO at thicknesses of 5, 10, and 50 nm using ALD. The coated films were characterized chemically (FTIR, DSC, XPS, Raman) and morphologically (SEM, AFM). Their suitability for food packaging was comprehensively evaluated through contact angle, water vapor transmission rate (WVTR), antibacterial efficacy, and migration analyses. The results show that the Al₂O₃-coated films demonstrated a significant improvement in barrier properties, with the contact angle increasing from 64.5° to 98.1° and WVTR values decreasing from 150.3 g/m²/day to 4.5 g/m²/day. These findings confirm that ALD is an effective method for enhancing the barrier and surface properties of biopolymerbased packaging materials.