Le cere di origine biologica: la chiave per reti di imballaggio sostenibili
Già l'1,5% di additivo a base di cera di origine biologica modifica in modo misurabile le proprietà di scorrimento, la rigidità e la resistenza del PBS
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Le cere di origine biologica ricavate da materie prime rinnovabili potrebbero in futuro sostituire i modificatori di proprietà petrolchimici nelle applicazioni plastiche. Nell’ambito dell’alleanza WIR!BioZ, che fa parte della rete nazionale TransBIB, il Fraunhofer IMWS e la DEUREX AG hanno sviluppato additivi a base di cere biodegradabili per le bioplastiche e ne hanno dimostrato il successo nel passaggio dalla fase di laboratorio alle applicazioni industriali nel settore dell’imballaggio.
Microstruttura di una miscela composta da un biomero e dalla bioplastica PBS.
Nell’ambito dell’alleanza WIR! «BioZ – Innovazioni a base biologica da Zeitz e dalla Germania centrale» i ricercatori dell’Istituto Fraunhofer per la microstruttura dei materiali e dei sistemi IMWS hanno collaborato con la DEUREX AG allo sviluppo di nuove bioplastiche completamente biodegradabili, utilizzabili come soluzioni «drop-in» per le attuali applicazioni delle materie plastiche. BioZ è integrato come polo di competenza nella rete nazionale TransBIB. TransBIB mette in rete aziende, istituti di ricerca e spazi di innovazione della bioeconomia industriale con l’obiettivo di accelerare in modo mirato il trasferimento delle tecnologie bio-basate nelle applicazioni industriali.
Il progetto si è concentrato sullo sviluppo di modificatori di proprietà bio-basati a base di cera (“Biomere”) come alternativa sostenibile ai modificatori petrolchimici utilizzati finora. Le cere sviluppate sono biodegradabili e possono essere prodotte su larga scala a partire da materie prime rinnovabili. L’obiettivo del progetto era dimostrare la sostituzione parziale o totale dei modificatori di proprietà petrolchimici nei materiali polimerici e, al contempo, sviluppare nuove formulazioni per applicazioni di imballaggio a base biologica.
Un altro punto centrale è stato lo sviluppo di composti plastici per reti da imballaggio nel settore ortofrutticolo. L’obiettivo era sostituire parzialmente o completamente i materiali polimerici convenzionali con biopolimeri tecnici, senza compromettere la lavorabilità o le proprietà del prodotto.
La particolarità dell’approccio sviluppato risiede nella sua elevata variabilità. Grazie all’impiego dei biomeri, è possibile regolare in modo mirato le proprietà di lavorazione dei biopolimeri come il polibutilensuccinato (PBS), sia verso viscosità più elevate che più basse. Allo stesso tempo, migliora la dispersione di riempitivi aggiuntivi, ad esempio dei pigmenti coloranti, senza compromettere la biodegradabilità dell’intero sistema. Non è finora nota una tecnologia di piattaforma comparabile basata su materie prime rinnovabili.
Mentre molti modificatori attualmente in uso si basano su cere petrolchimiche o copolimeri innestati e sono adatti solo in misura limitata alle applicazioni biodegradabili, l’approccio sviluppato punta a un’integrazione diretta nei processi industriali esistenti. I biomeri possono essere lavorati negli impianti esistenti, aprendo così una strada relativamente semplice verso la trasformazione sostenibile delle attuali applicazioni delle materie plastiche.
Alla base dello sviluppo vi è stata la regolazione mirata del peso molecolare dei biomeri attraverso la degradazione ossidativa di materie prime di origine biologica a base di bagassa di canna da zucchero. Successivamente è stata effettuata una modifica chimica con gruppi reattivi per influenzare in modo mirato le interazioni con il materiale matrice utilizzato, il polibutilensuccinato (PBS). Le cere sviluppate sono state incorporate nel biopolimero sia nel processo di miscelazione a fusione discontinuo che in quello continuo. Partendo da questo, i partner del progetto hanno analizzato la microstruttura risultante e le proprietà dei materiali che ne derivano.
Le conoscenze acquisite hanno costituito la base per lo sviluppo di una formulazione per la produzione di reti da imballaggio. È stata dimostrata la possibilità di scalare la produzione mediante miscelazione a fusione continua in un estrusore bivite, passando dalla scala di laboratorio (circa 1 kg/h) alla scala pilota (circa 10 kg/h). La formulazione sviluppata è stata successivamente trasformata con successo su scala industriale in un film soffiato e nei nastri da esso ricavati per le reti da imballaggio.
È proprio all’intersezione tra sviluppo dei materiali, scalabilità dei processi e applicazione industriale che emerge chiaramente l’importanza di reti di trasferimento efficienti come TransBIB:
progetti come BioZ Wachse dimostrano che il trasferimento efficace delle innovazioni a base biologica va ben oltre lo sviluppo vero e proprio dei materiali. Per l’implementazione industriale sono fondamentali partner applicativi adeguati, infrastrutture di scalabilità e know-how lungo tutta la catena del valore. È proprio qui che entra in gioco TransBIB, collegando tra loro gli spazi di innovazione esistenti e facilitando lo scambio tra ricerca e industria. Ad esempio, TransBIB offre diversi strumenti digitali che, una volta superata con successo la fase di scalabilità, aiutano a trovare più rapidamente un’applicazione industriale.
Di conseguenza, è stato dimostrato che le proprietà reologiche e meccaniche del PBS possono essere influenzate in modo significativo dall’incorporazione di cere a base biologica. Già percentuali minime dell’1,5% hanno portato a cambiamenti significativi nel comportamento di scorrimento, nonché nella rigidità e nella resistenza del materiale.
Inoltre, è stata dimostrata con successo la scalabilità del processo produttivo. I biomeri sviluppati sono stati trasferiti dalla scala di laboratorio al processo industriale e utilizzati per la produzione di prodotti di imballaggio destinati al mercato. Il progetto fornisce così un importante contributo allo sviluppo di soluzioni sostenibili nel settore delle materie plastiche basate su materie prime rinnovabili e dimostra al contempo come le innovazioni nei materiali a base biologica possano trovare applicazione nel settore industriale.
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