PLA con olio di cocco: un candidato promettente per l’imballaggio alimentare

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Le materie plastiche biodegradabili, come l’acido polilattico (PLA), sono una valida alternativa ai polimeri di derivazione fossile, in quanto sono ottenuti da risorse rinnovabili, sono ecologici, biocompatibili e biodegradabili. Purtroppo, il PLA puro ha una bassa duttilità e un’elevata fragilità, il che lo rende inadatto alla fabbricazione di pellicole flessibili.

La lavorabilità del PLA può essere però migliorata in diversi modi, come ad esempio la copolimerizzazione, la miscelazione con altri polimeri oppure con additivi plastificanti. Questi ultimi riescono ad aumentare la mobilità della catena polimerica e quindi la sua lavorabilità. Alcuni plastificanti sono già ben noti, come ad esempio il polietilen glicole, il polipropilen glicole e il glicerolo.

Sta crescendo però l’interesse per l’uso degli oli vegetali come plastificanti. Per esempio, l’olio di semi di lino è già utilizzato per migliorare le proprietà meccaniche e la lavorabilità della gomma Buna-N; l’olio di soia è usato come plastificante nella gomma naturale e nella gomma vulcanizzata a freddo; l’olio di ricino è stato già utilizzato come additivo del polistirolo e delle gomme contenenti stirene.

Un possibile plastificante alternativo per l’industria dei polimeri è rappresentato dall’olio di cocco (CO), che ha un elevato contenuto di acidi grassi e agisce come buon plastificante anche in piccole quantità. L’olio di cocco è un olio vegetale non tossico ottenuto dai semi di cocco essiccati (che contengono il 60%-65% di olio), ha un aspetto giallastro ed un aroma di cocco.

Contiene in gran parte acidi grassi saturi sotto forma di trigliceridi e alcuni acidi grassi insaturi. S. M. Bhasney et al. (Journal of Applied Polymer Science 45390, 2017) hanno studiato l’effetto dell’aggiunta di olio di cocco sulle proprietà del PLA, con l’obiettivo di preparare materiali flessibili per l’imballaggio alimentare. A questo scopo, sono state preparate pellicole a base di PLA-CO con diversi rapporti di miscelazione (1, 2, 5 e 7% in peso di CO nel PLA) e sono state valutate alcune importanti proprietà di questo nuovo materiale (meccaniche, reologiche, barriere ed ottiche).

Preparazione della miscela PLA-CO. L’olio di cocco è stato aggiunto al PLA a formare una miscela che inizialmente è stata messa in forno a 60°C per 24 ore per rimuovere l’umidità, poi è stata inserita nell’estrusore a doppia vite (temperatura 200°C, velocità della vite 100 giri/min, tempo di riciclo 1 min).

Per preparare le pellicole, i campioni estrusi di PLA-CO sono stati sciolti in cloroformio, versati in piastre di Teflon e lasciati asciugare. Prima dell’utilizzo finale, le pellicole sono state ulteriormente asciugate in forno sotto vuoto a 40°C per una notte. Occorre sottolineare che l’olio di cocco ha un punto di fusione basso, 24°C, mentre il punto di fusione del PLA è di 156°C. Poiché l’estrusione è avvenuta a 200°C, a questa temperatura l’olio di cocco vaporizza e si blocca all’interno del PLA fuso. Vediamo ora alcune proprietà importanti della miscela PLA-CO.

  • Proprietà meccaniche. Gli effetti dell’aggiunta dell’olio di cocco sulle proprietà meccaniche del PLA sono molto rilevanti. Il PLA puro è un materiale abbastanza rigido (ha una resistenza alla trazione di circa 60 MPa) ed è abbastanza fragile (ha una percentuale di allungamento di circa il 12%). Con l’aggiunta del 7 % in peso di plastificante si sono avuti i seguenti effetti:

*riduzione della resistenza alla trazione da 60 a 41 MPa. Questo effetto può essere attribuito alla minore adesione tra le due fasi;

*riduzione del carico a rottura. Ciò può essere attribuito ad una minor forza del legame tra le catene dei due polimeri;

*aumento dell’allungamento a rottura dal 12 al 54%.

* riduzione della fragilità delle pellicole. Questo è dovuto all’effetto plastificante del CO, che rende le pellicole di PLA-CO più morbide rispetto alle pellicole di PLA puro. In altri termini, l’olio di cocco agisce come un “ammorbidente”, promuovendo così la deformazione del PLA.

  • Proprietà reologiche. A basso contenuto di CO, si forma un reticolo che contiene PLA e CO, invece questo non riesce a formarsi con alte concentrazioni di CO e questo comporta un aumento della flessibilità del PLA. In particolare, la proprietà della miscela fusa di “fluire” migliora leggermente (16 %) con l’aggiunta del 5 % in peso di CO, ma aumentando ulteriormente il contenuto di CO al 7 %, l’olio di cocco mostra una compatibilità molto limitata con il PLA, quindi la mobilità della catena polimerica migliora e questo consente di aumentare la flessibilità del materiale.
  • Proprietà ottiche. Attualmente, la scelta dei consumatori nell’acquisto dei prodotti alimentari è influenzata dalla presenza di un imballaggio attraente e trasparente. La matrice PLA è intrinsecamente trasparente, ma questa trasparenza è stata ulteriormente aumentata dopo l’aggiunta del CO. I valori di trasparenza delle pellicole contenenti l’1, 2, 5 e 7 % di olio di cocco sono rispettivamente di: 18.7, 19.6, 14.9 e 15.9, contro 13.8 per il PLA puro. Quindi, l’incorporazione del CO nel PLA ha migliorato la trasparenza, con un massimo di miglioramento pari al 42.02 % per l’aggiunta del 2% di CO. Aumentando il contenuto di CO, la trasparenza si riduce, ma è sempre più alta di quella del PLA puro.
  • Proprietà barriera. L’aggiunta di plastificanti ai polimeri comporta un aumento del volume libero, che in genere fa diminuire le proprietà barriera. Tuttavia, la permeabilità del vapore acqueo (Water Vapour Permeability, WVP) dei campioni è diminuita all’aumentare del contenuto di CO. In particolare, c’è stata una riduzione del 58 % di WVP con l’aggiunta del 7 % di CO rispetto al PLA puro. L’inaspettato miglioramento delle proprietà barriera osservato in questo studio è dovuto all’aumento di cristallinità del materiale e alla contemporanea diminuzione delle zone amorfe, il che comporta una minor diffusione delle molecole d’acqua. Inoltre, sia il PLA che l’olio di cocco sono già di per sé idrofobici e quindi ostacolano la diffusione delle molecole d’acqua al loro interno. Non stupisce quindi che il carattere idrofobo del PLA migliora significativamente dopo l’aggiunta dell’olio di cocco.

In sintesi, l’olio di cocco usato plastificante migliora molto le proprietà del PLA e consente di preparare pellicole adatte per l’imballaggio alimentare. Innanzitutto, la flessibilità migliora, soprattutto con l’aggiunta di alte concentrazioni di CO, e migliorano anche le proprietà meccaniche e reologiche. Inoltre, le pellicole PLA-CO appaiono più trasparenti del PLA e mostrano una minore permeabilità al vapore acqueo. Pertanto le pellicole flessibili a base di PLA e olio di cocco sono un materiale molto promettente per l’imballaggio alimentare.

Bibliografia M. Bhasney et al., Journal of Applied Polymer Science 45390, 2017

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