ITMI20090094A1 - Film estensibile biodegradabile - Google Patents

Description

“Film estensibile biodegradabileâ€

La presente invenzione si riferisce ad un innovativo film plastico estensibile con caratteristiche di biodegradabilità. In particolare, il film à ̈ indicato per l’imballaggio o per l’impacchettamento di alimenti su vaschette o simili.

Il mercato dei film estensibili per queste applicazioni di confezionamento à ̈ composto essenzialmente da film in PVC o in PE nell’intervallo di spessori da 8µm a 16µm. La sostanziale differenza tra le due categorie à ̈ che il film in PVC mostra un ottimo equilibrio tra resistenza meccanica ed elasticità, mentre i film in PE/PP hanno buona resistenza meccanica, ma non riescono a fornire un’elasticità altrettanto elevata.

Il bilanciamento delle proprietà meccaniche dei film in PVC li rende particolarmente utili per quegli imballaggi dove il recupero elastico della deformazione causata dalle impronte lasciate dal consumatore sul film à ̈ un preciso requisito dell’imballaggio.

I film in PE, grazie alle loro caratteristiche di robustezza meccanica ed elevata estensibilità, sono invece preferiti nell’imballaggio industriale di carichi pallettizzati, con applicazione sia automatica sia manuale.

Entrambi i tipi di film danno però problemi ambientali di produzione e di smaltimento a fine vita. Sul mercato sono state proposte varie materie plastiche con caratteristiche di biodegradabilità, ma che non hanno caratteristiche adatte al processo industriale di estrusione in film sottile e alla realizzazione di film sottili ed estensibili con le caratteristiche meccaniche desiderate per le applicazioni dette.

Fra le altre sono note resine biodegradabili formate da un polimero biodegradabile polyester-urethane, che sono completamente biodegradabili e compostabili secondo la normativa Europea ISO 13432 e che provengono da fonte non rinnovabile. Tale caratteristica renderebbe la bioplastica particolarmente adatta all’impiego in applicazioni di grandi volumi, come nel film estensibile, per via della teorica illimitata capacità di produzione rispetto alle limitazioni delle bioplastiche provenienti da fonti rinnovabili. Tuttavia, tali resine biodegradabili sono inadatte all’estrusione in campo industriale. Esse presentano, infatti, una degradazione con rapido accumulo di materiale degradato sulle labbra della testa di estrusione già all’uscita dall’intraferro della testa, con conseguenti difficoltà di proseguimento della filmatura. Presentano anche una difficoltà di riciclo in linea delle cimose sia durante il taglio delle stesse in fioccato che in fase di alimentazione nell’estrusore principale mediante estrusore ausiliario. Inoltre, tali resine presentano difficoltà di taglio del film a causa della elevata elasticità, anche con spessore molto bassi (8 µm).

Alcuni tentativi di miscelazione di differenti materie plastiche biodegradabili sono stati proposti per modificare caratteristiche del prodotto finale.

Ad esempio, WO2008/007919 propone un film biodegradabile formato dalla miscela di due resine termoplastiche biodegradabili per ottenere un film poroso, con la prima resina che ha temperatura di transizione vetrosa maggiore di almeno 20°C rispetto alla temperatura di transizione vetrosa dell’altra resina. Un esempio di prima resina in WO2008/007919 à ̈ un polimero biodegradabile di acido polilattico, mentre un esempio di seconda resina à ̈ un polimero biodegradabile polyester-urethane. La miscela à ̈ di 20-250 parti in peso della prima resina e di 100 parti in peso della seconda resina. Una tale miscela non à ̈ comunque adatta per gli scopi della presente invenzione ed à ̈ infatti proposta per tutt’altri scopi.

Non si à ̈ perciò sino ad ora potuto avere sul mercato un soddisfacente film plastico biodegradabile estensibile e con caratteristiche meccaniche comparabili, ad esempio, ai tradizionali film in PVC per il confezionamento automatico o manuale di alimenti su vaschetta e non, o ai film in LLDPE per l’imballaggio di carichi pallettizzati.

Scopo generale della presente invenzione à ̈ ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un film plastico biodegradabile estensibile, con soddisfacenti caratteristiche e facilmente ottenibile per estrusione.

In vista di tale scopo si à ̈ pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un film biodegradabile estensibile prodotto per mezzo di estrusione di una miscela comprendente una prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestere-urethane alla quale à ̈ stata aggiunta una quantità fra 1% e 10% di una seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico.

Sempre secondo la presente invenzione, à ̈ proposto un metodo per la produzione di un film biodegradabile estensibile comprendente le fasi di miscelare una prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestereurethane con una quantità fra 1% e 10% di una seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico e di estrudere la miscela in un film.

Secondo la presente invenzione la quantità della seconda bioplastica può essere vantaggiosamente nell’intorno del 5%. Inoltre, per migliorarne le caratteristiche il film può essere formato da più strati coestrusi della miscela della prima e della seconda bioplastica. In particolare, gli strati possono essere vantaggiosamente tre.

Sempre vantaggiosamente, lo spessore di estrusione del film può essere compreso fra 8 micron e 16 micron.

Secondo l’invenzione, l’intima miscelazione della prima e della seconda bioplastica può vantaggiosamente essere realizzata nello (o in ciascuno) estrusore.

Durante le sperimentazioni, come prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestere-urethane (bioplastica A) à ̈ stata vantaggiosamente individuata la bioplastica prodotta dalla Enfresin Global Inc. con il nome commerciale Enfresin, avente densità di 1,18g/cm<3>, punto di fusione di 105°C, temperatura di transizione vetrosa di -40°C. Come seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico (bioplastica B) à ̈ stata vantaggiosamente individuata la bioplastica prodotta dalla Natureworks con il nome commerciale PLA, avente densità di 1,24g/cm<3>, punto di fusione di 210°C, temperatura di transizione vetrosa di 65°C.

Queste bioplastiche sono impiegate anche in WO2008/007919, ma per scopi, in proporzioni e con risultati completamente differenti.

L’estrusione à ̈ stata eseguita in un impianto di estrusione che dispone di una testa piana di estrusione film (larga 2500mm). In particolare, per ottenere un film a più strati (vantaggiosamente, tre strati), à ̈ stata impiegata una testa dotata di tre estrusori che vanno a formare gli strati coestrusi del film.

Ogni estrusore à ̈ stato alimentato con la miscela nelle proporzioni dette. Secondo l’invenzione, la percentuale della seconda bioplastica può variare dal 1% fino al 10%, ottenendo in questo intervallo soddisfacenti condizioni di processabilità e di performance meccaniche del film. In particolare, nella realizzazione preferita, la prima bioplastica à ̈ alimentata circa al 95% mentre la seconda circa al 5%.

Le due bioplastiche sono state miscelate intimamente in ognuno degli estrusori e formano il film con strati coestrusi.

Il film fuso in uscita dalla testa à ̈ stato raffreddato rapidamente a temperatura ambiente mediante scambiatori di calore rotanti (chill-roll) alimentati da fluido refrigerante (acqua) nell’intervallo 18°C – 20°C.

Dopo avere attraversato un misuratore di spessore, il film raffreddato à ̈ tagliato ed avvolto in bobine.

In quest’ultima fase il film à ̈ anche sottoposto al taglio dei bordi (cimose) che sono poi avviati all’impianto di recupero in linea.

Si à ̈ trovato che le difficoltà tecniche di taglio del film, di degradazione della bioplastica e di riciclo in linea delle cimose sono tutte superate grazie all’impiego della miscela di bioplastiche secondo l’invenzione.

E’ stato possibile ridurre l’elasticità del film, quindi migliorare il taglio del film, in quanto la seconda bioplastica ha un’elevata rigidità rispetto alla prima bioplastica a temperatura ambiente. Pertanto si à ̈ ottenuto con successo di correggere l’eccessiva elasticità della prima bioplastica trovando un punto di equilibrio nel comportamento elastico dei due polimeri puri.

A titolo di esempio, sono riportati di seguito i valori (espressi in [MPa]) di modulo elastico a trazione misurati su tradizionali film in PVC e su un film (Bio-A+BioB5%) ottenuto secondo la presente invenzione, entrambi con spessore di 10 micron. A titolo di confronto à ̈ anche indicato il modulo elastico a trazione della sola bioplastica polyester-urethane (BioA):

PVC BioA BioA+BioB5% Modulo elastico a trazione in 50 30 140 – 180 direzione di estrusione

Modulo elastico a trazione in 45 35 30 – 35 direzione perpendicolare alla

direzione di estrusione

L’incremento del valore del modulo elastico in direzione macchina della miscela BioA BioB ha consentito di ottenere un taglio efficace del film. Mentre, il fatto che il valore del modulo elastico in direzione perpendicolare alla direzione di estrusione sia rimasto sostanzialmente invariato ha consentito di avere comunque una sufficiente elasticità del film tale da ottenere un apprezzabile effetto di “finger test†(vale a dire un soddisfacente recupero della deformazione locale in tempi brevi).

L’ottimizzazione della miscela di cui sopra ha consentito di ottenere un film adatto all’applicazione automatica per il confezionamento vaschette, dove un ottimo bilanciamento tra elasticità e resistenza meccanica à ̈ fondamentale per ottenere un confezionamento rapido (velocità di avvolgimento vaschette) ed efficace (film resistente e sufficientemente elastico da garantire l’effetto finger test).

La miscelazione nella quantità di bioplastica B individuata come ottima (5%) ha permesso inoltre di massimizzare la limitazione del fenomeno della degradazione termica a cui la bioplastica A à ̈ molto sensibile, consentendo la corretta estrusione del film.

La miscelazione nelle giuste proporzioni dei due polimeri à ̈ stato un elemento determinante per modificare le proprietà meccaniche del film estruso ed attenuare l’elevata termo sensibilità alla degradazione della bioplastica A.

Per le prove di estrusione à ̈ stato utilizzato un impianto non moderno, ma con ampiezza testa di 2,5m, cosa non semplice da utilizzare per estrusioni difficili e spessori bassi. Ciò nonostante, le prove sono perfettamente riuscite, a riprova della bontà della soluzione trovata.

La soluzione secondo l’invenzione permette di estrudere ed avvolgere il film correttamente a velocità di produzione economicamente sostenibili.

Le proprietà meccaniche riscontrate nei film realizzati secondo i principi della presente invenzione e la possibilità di raggiungere con essi bassi spessori permette di utilizzare questi film in applicazioni per il confezionamento automatico su vaschetta e manuale di alimenti (frutta, verdura, carne, ecc.), vale a dire il mercato di quel particolare film estensibile per fasciare alimenti, identificato generalmente con il nome di Cling Film.

Si realizza perciò un innovativo Cling Film biodegradabile che soddisfa, tra l’altro, il finger test, ovvero, ha un grado di elasticità tale da poter recuperare la deformazione entro un certo campo di deformazione, in tempi molto brevi (15 secondi). Questa caratteristica à ̈ richiesta come condizione fondamentale per il confezionamento di alcuni alimenti. L’unico tipo di film attualmente presente sul mercato che mostra questo comportamento à ̈ il film fabbricato con 100% PVC. Molti produttori di film in polietilene o polipropilene già forniscono film PE o PP per questa applicazione, ma nessuno à ̈ riuscito ad imitare le performance del PVC ed in particolare l’effetto finger test. Questo comportamento meccanico à ̈ correlato con un valore del modulo elastico a trazione inferiore rispetto ai valori di modulo elastico di un film in polietilene o in polipropilene dello stesso spessore.

I noti film biodegradabili sono normalmente molto rigidi con limitata estensibilità e, quindi, difficili da applicare come Cling Film. Il film oggetto della presente invenzione à ̈ invece utilizzabile manualmente e sulle macchine applicatrici in maniera equivalente ai prodotti in PVC o PE attualmente presenti sul mercato. Inoltre, alle sopracitate proprietà si aggiunge che il film à ̈ biodegradabile, ma anche compostabile e ciò consente il vantaggio di poterlo smaltire dopo l’uso insieme al rifiuto organico (ad esempio, in conformità alla norma EN ISO UNI 13432).

Un film secondo l’invenzione ha anche una possibilità di impiego come film estensibile completamente biodegradabile a basso spessore (8µm - 10µm) e con ottime caratteristiche meccaniche. Il film in questione, in fatti, ha proprietà meccaniche ed ottiche equivalenti, ed in alcuni casi migliori, dei film estensibili a basso spessore e fabbricati prevalentemente con polietilene, presenti attualmente nel mercato dell’imballaggio industriale, sia per applicazione automatica che per applicazione manuale su carichi palettizzati.

Attualmente non sono noti film estensibili per l’imballaggio di carichi palettizzati che siano biodegradabili e che allo stesso tempo possano essere applicati con le stesse tecnologie dei film estensibili a basso spessore in polietilene attualmente in uso, come à ̈ invece possibile con il film secondo l’invenzione. L’impiego delle due bioplastiche qui indicate à ̈ anche economicamente vantaggioso. La bioplastica A à ̈ una plastica completamente biodegradabile e compostabile secondo la normativa Europea ISO 13432 e proviene da fonte non rinnovabile. Tale caratteristica la rende particolarmente adatta all’impiego in applicazioni di grandi volumi, come nel film estensibile, per via della teorica illimitata capacità di produzione rispetto alle limitazioni delle bioplastiche da fonti rinnovabili. La bioplastica B à ̈ in sé molto nota e già ampiamente utilizzata in diverse applicazioni. Essa proviene da fonte rinnovabile ed à ̈ utilizzata nella miscela in quantità relativamente contenuta.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di applicazioni dei principi innovativi della presente invenzione à ̈ riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Film biodegradabile estensibile prodotto per mezzo di estrusione di una miscela comprendente una prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestere-urethane alla quale à ̈ stata aggiunta una quantità fra 1% e 10% di una seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico.
2. 2. Film secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la quantità della seconda bioplastica à ̈ nell’intorno del 5%.
3. 3. Film secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere formato da più strati coestrusi della miscela della prima e della seconda bioplastica.
4. 4. Film secondo rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che gli strati sono tre.
5. 5. Film secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di avere spessore compreso fra 8 micron e 16 micron.
6. 6. Metodo per la produzione di un film biodegradabile estensibile comprendente le fasi di miscelare una prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestere-urethane con una quantità fra 1% e 10% di una seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico e di estrudere la miscela in un film.
7. 7. Metodo secondo rivendicazione 6, nel quale l’estrusione avviene mediante più estrusori per formare un film a più strati coestrusi.
8. 8. Metodo secondo rivendicazione 7, nel quale la fase di intima miscelazione avviene separatamente in ciascun estrusore.
9. 9. Metodo secondo rivendicazione 8, nel quale gli e strusori sono tre per ottenere un film a tre strati.
10. 10. Metodo secondo rivendicazione 6, nel quale lo spessore del film estruso à ̈ compreso fra 8 micron e 16 micron.