Biocompositi degradabili da usare sulle tradizionali linee di stampaggio e formatura delle plastiche

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Fleischverpackungen auf Fliessband
Attualmente c’è un crescente interesse per la sostituzione delle plastiche derivate dal petrolio, che utilizzano cioè “fonti fossili”, con le plastiche “bio-based”, che sono parzialmente o interamente realizzate a partire da materie prime rinnovabili. Alla famiglia delle plastiche “bio-based” appartengono l’acido polilattico (PLA), i poliidrossialcanoati (PHA), gli amidi, la cellulosa, la chitina e la gelatina. Le plastiche bio-based non sono tutte biodegradabili, cioè non tutte possono essere completamente biodegradate dai microorganismi, perché la biodegradabilità non dipende tanto dall’origine della materia prima, quanto dalla struttura chimica del polimero. Infatti, particolari batteri rilasciano enzimi che riducono le catene flessibili polimeriche del materiale in piccole parti, che sono successivamente digerite dai batteri insieme ad altri materiali organici, quali ad esempio i rifiuti organici. Quindi il PLA e i PHA sono compostabili, mentre il bio-polietilene e i compositi bio-based a base di legno e plastica non sono biodegradabili. D’altro canto sono stati immessi sul mercato polimeri compostabili di origine fossile, anche se è vero che i polimeri derivati dal petrolio sono per la maggior parte non compostabili. C’è comunque un grande interesse per la messa a punto di biocompositi biodegradabili, meglio ancora se utilizzabili sulle tradizionali linee di stampaggio e formatura delle plastiche. Un recentissimo articolo di L. Pérez Amaro et al. (2015, 261) ha descritto la progettazione, preparazione e caratterizzazione di biocompositi biodegradabili a base di poli[(R) -3-idrossibutirrato-co(R)-3-idrossivalerato] (PHBV) e di lignocellulosa, quest’ultima usata come “filler”, cioè come riempitivo. Questo lavoro è stato eseguito nell’ambito del Progetto Europeo Biopack “Packaging Sostenibile di Nuova Generazione”. Il PHBV è un poliestere biodegradabile, appartenente alla famiglia dei PHA, come anche il poli[(R) -3-idrossibutirrato] (PHB). Questi materiali stanno ricevendo sempre più attenzione perché, oltre ad essere bio-based e completamente biodegradabili, hanno un elevato grado di cristallinità, un comportamento idrofobico, ed infine hanno un’elevata resistenza ai solventi organici. Inoltre, essi hanno un comportamento termoplastico, cioè è sufficiente aumentare la temperatura per portarli ad uno stato viscoso e poterli quindi lavorare esattamente come le plastiche tradizionali; questo significa che per questi biocompositi si possono utilizzare le stesse linee di processo dei materiali polimerici, come ad esempio lo stampaggio ad iniezione (“injection moulding”) e la formatura per soffiaggio (“blow extrusion”). Con queste tecniche, si possono produrre pezzi stampati e film sottili che mantengono inalterate le caratteristiche di biodegradabilità della matrice. Purtroppo questi biocompositi di PHBV e lignocellulosa mostrano il loro punto debole nelle applicazioni in cui è richiesto un buon equilibrio tra le proprietà meccaniche e la lavorabilità.

sausage for sandwich packed in a plastic bag at supermarket

Al fine di migliorare le proprietà meccaniche di questi materiali, mantenendo inalterate le altre caratteristiche, in questo studio sono state adottate tre diverse strategie:
1) l’aggiunta di una sostanza plastificante, cioè un additivo compatibile e biodegradabile, che migliora la plasticità o fluidità del materiale. La plastificazione viene generalmente unita all’uso di agenti nucleanti, cioè sostanze che danno origine a un elevato numero di germi cristallini;
2) preparazione di miscele con polimeri biodegradabili e miscibili, come ad esempio il poli(butilene adipato-co-tereftalato) e il poli(vinil acetato);
3) combinazione delle strategie 1 e 2.
Per produrre compositi con buone caratteristiche meccaniche e buona lavorabilità, inizialmente è stata fatta un’approfondita caratterizzazione dei biopolimeri di partenza, seguita da un’analisi incrociata tra le caratteristiche di processo e le caratteristiche termo-meccaniche finali dei biocompositi. Per tutti i biocompositi, la terza strategia è risultata la migliore in termini di lavorabilità e proprietà termo-meccaniche, cioè il PHBV è stato miscelato con polimeri biodegradabili e miscibili e con diverse sostanze aventi funzioni plastificanti e nucleanti. Per la preparazione dei biocompositi, tutti i componenti sono stati inizialmente essiccati in stufa a 80°C, per eliminare l’umidità presente. Successivamente, i compositi sono stati miscelati in condizioni di fusione a 170 °C, usando una camera mescolatrice a 30 rpm collegata ad un registratore plastografo Brabender, che serve per controllare la lavorabilità dei materiali termoplastici in condizioni vicine a quelle di utilizzo, in maniera conveniente ed affidabile. A tutte le miscele è stato aggiunto l’estensore di catena polimerica Joncryl ADR-4368C10, che ha la funzione di facilitare la fusione e la compatibilità tra i vari componenti della miscela. L’estensore Joncryl agisce controllando la perdita di peso molecolare del biopolimero durante la lavorazione, mentre facilita la fusione reagendo con i gruppi funzionali presenti allo stato fuso. In particolare, la miglior formulazione è risultata essere la seguente:
• 42,8 % in peso di PHBV come componente principale;
• 5 % in peso di filler lignocellulosico ottenuto da gusci di nocciola;
• 10 % in peso di tributile citrato con funzioni di plastificante;
• 30 % in peso di poli(butilene adipato-co-tereftalato) e 10% in peso di poli(vinil acetato), come polimeri biodegradabili e miscibili;
• 0,2 % in peso di Joncryl ADR-4368C, usato come estensore di catena,
• 1 % in peso di una miscela antiossidante;
• 1% in peso di agenti di nucleanti.
Con questa composizione si è avuto un netto miglioramento delle proprietà meccaniche del PHBV. Inoltre, mantenendo costante la composizione della miscela sopra riportata e modificando la quantità di unità valerato nel PHBV, è stato possibile migliorare anche l’allungamento a rottura del biocomposito finale. Pertanto, questo studio ha dimostrato che il PHBV può essere un biopolimero promettente per la sostituzione delle plastiche derivanti dal petrolio, per tutte quelle applicazioni in cui la lavorabilità è importante e la compostabilità è raccomandata alla fine del ciclo di vita dei materiali. Tuttavia, al fine di soddisfare i requisiti di processo e di ottenere le giuste caratteristiche termo-meccaniche sia nello stampaggio a iniezione che nella formatura per soffiaggio, è necessario miscelare il biocomposito PHBV-lignocellulosa con sostanze plastificanti, sostanze nucleanti e con polimeri compatibili.

Bibliografia
L. Pérez Amaro et al., Chem. Biochem. Eng. Q, 29, 2015, 261