Preparazione e proprietà dei nanocompositi a base di polipropilene e silicati lamellari

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Industrielle LebensmittelproduktionLe ragioni principali per la sostituzione dei materiali da imballaggio tradizionali (carta, juta e vetro) con le materie plastiche sono da ricercarsi nelle speciali proprietà di questi ultimi: resistenza meccanica, flessibilità e, soprattutto, proprietà barriera.

Elevate proprietà barriera e materiali forti sono indispensabili per ottenere la sicurezza degli alimenti. Inoltre, la plastica offre una serie di combinazioni e possibilità, e questo è un grande vantaggio, che spesso supera la mancanza di biodegradabilità. La tecnologia dei nanocompositi è stata descritta come la prossima grande frontiera della scienza dei materiali da confezionamento. I nanocompositi polimerici hanno migliori proprietà meccaniche, termiche, ottiche e di resistenza ai solventi rispetto ai polimeri tradizionali.

Le nanotecnologie applicate ai polimeri si sono sviluppate per migliorare le proprietà barriera ai gas come l’ossigeno e il biossido di carbonio, prolungando così il tempo di conservazione di molti tipi di alimenti. I nanocompositi polimerici sono costituiti da resine come l’argilla di dimensioni nanometriche (dove 1 nanometro corrisponde a 1 milionesimo di millimetro). Nei materiali nanocompositi a matrice polimerica, le molecole di gas che permea attraverso il composito devono compiere un tragitto molto tortuoso per passare da una parte all’altra della membrana.

La caratteristica però più importante dei nanocompositi polimerici è che, mentre i compositi plastici tradizionali vengono miscelati con una percentuale in peso di sostanze inorganiche variabile circa fra il 20 ed il 40%, essi permettono una netta diminuzione della quantità da introdurre: un elevato miglioramento delle proprietà desiderate si ottiene con un percentuale di nanofiller variabile fra l’1% ed il 6% circa, a seconda del tipo di materiali utilizzati; oltre questa percentuale non conviene andare in quanto si ha formazione di aggregati che fanno peggiorare bruscamente le proprietà meccaniche.

In questo modo, se questi materiali verranno diffusamente prodotti, si potranno diminuire i costi di produzione del prodotto finale. Un ulteriore, notevole, punto a favore dei nanocompositi a matrice polimerica nei confronti dei compositi tradizionali sta nel fatto che questi nuovi materiali presentano una minore densità, conservano la trasparenza del polimero di partenza e, non da ultimo, possono essere facilmente riciclati.

Silicati lamellari
21060Il nanocomponente più utilizzato per la preparazione dei nanocompositi a matrice polimerica è la montmorillonite (MMT), un silicato lamellare in cui le lamine sono separate da uno spazio costituito da ioni metallici e vari aggregati molecolari. Uno dei polimeri più utilizzati in questo campo è il polipropilene (PP) e infatti i compositi PP-MMT hanno suscitato un grande interesse nel mondo della ricerca.

Il fattore fondamentale per ottenere un netto miglioramento delle proprietà dei nanocompositi rispetto al polimero di partenza è il grado di interazione fra le 2 componenti, essenziale per la trasmissione reciproca degli sforzi: se non si formano legami, le fasi inorganiche disperse tendono ad assumere comportamenti indipendenti dalla matrice polimerica, precludendo così l’ottenimento di un effetto sinergico delle proprietà dei due materiali riguardo alle proprietà finali del composito. Data la struttura della MMT, è possibile un’interazione diretta con polimeri a carattere fortemente polare (come ad esempio il PET); invece nel caso del polipropilene, la natura non polare del polimero rende difficile l’interazione con il silicato ed è quindi necessaria una compatibilizzazione tra le 2 componenti.

Utilizzando dei compatibilizzanti, che sono polimeri modificati chimicamente con anidride maleica, si rende la superficie della montmorillonite compatibile con il PP. Uno studio realizzato da M. R. Manikantan (2011) si è focalizzato sulla ottimizzazione della preparazione delle pellicole di nanocompositi a base di PP, al fine di migliorarne le proprietà. In questo studio, sono state preparate 15 diverse combinazioni di pellicole di nanocompositi a base di PP per studiare l’effetto della montmorillonite (variabile tra lo 0.6 e il 7.4%), del compatibilizzante (variabile tra l’1.6 e il 18.4%) e lo spessore della pellicola (tra 35 e 120 micrometri) sulle proprietà meccaniche, di barriera all’ossigeno ed al vapore acqueo. In generale lo spessore della pellicola gioca un ruolo fondamentale per le proprietà barriera del materiale.

La pellicola di nanocomposito è stata preparata nel seguente modo: le materie prime sono state miscelate, quindi la miscela è stata alimentata in un estrusore bi-vite. L’ azione di compressione e di taglio, accoppiata al riscaldamento, fonde la miscela dei materiali in una massa omogenea In queste condizioni, se le 2 componenti sono sufficientemente compatibili, si può formare il nanocomposito. Un vantaggio di questa tecnica è che per la lavorazione dei nanocompositi a matrice polimerica si possono utilizzare le tecniche di lavorazione tradizionali con cui sono normalmente processati i polimeri, mentre lo svantaggio fondamentale è la difficoltà di trovare sistemi compatibilizzanti e condizioni di lavorazione realmente efficaci.

Di fondamentale importanza per l’ottenimento del nanocomposito finale sono le condizioni di lavorazione, come le caratteristiche della vite dell’estrusore, le temperature di lavorazione ed i tempi di residenza del materiale nello strumento. In particolare, il gradiente di temperatura lungo la vite dell’estrusore riveste particolare importanza: la temperatura dell’estrusore può variare, in generale, tra 150 e 220°C, ed il valore viene impostato in base al polimero. La massa fusa passa attraverso una zona di misurazione in cui il flusso è stato stabilizzato e pompato attraverso uno stampo rotondo di diametro 6 mm, che determina la forma finale.

I fili che escono dello stampo vengono raffreddati in un bagno d’acqua, ridotti in granuli ed essiccati in un forno a 60°C. I composti granulati secchi sono poi inseriti in un impianto Dr. CollinTM per la realizzazione di pellicole di nanocompositi. Lo spessore della pellicola viene controllato regolando la pressione dell’aria e la velocità di avvitamento. Tra le diverse 15 combinazioni prese in esame, la migliore è risultata quella con il 2 % di MMT, il 5 % di compatibilizzante e 100 micrometri di spessore, in termini di dispersione uniforme della MMT nella matrice polimerica, maggiore riduzione della velocità di trasmissione dell’ossigeno (OTR, 21.4%) e del tasso di trasmissione del vapore acqueo (WVTR, 28.1%) e di aumento della resistenza a trazione (71,7%).

Sono stati anche sviluppati dei modelli di regressione per la previsione di OTR e WVTR delle pellicole di nanocompositi, che saranno utili per progettare le pellicole di nanocompositi a base di PP secondo le esigenze di barriera del materiale alimentare da conservare.

Bibliografia
M. R. Manikantan, Packaging Technology and Science, 24, 2011, 191