Stampaggio a iniezione fra riuso e bio

Per gli stampatori è stato impensabile in passato riciclare prodotti in materiale plastico per ottenerne di nuovi, data la convinzione di incorrere in perdite in termini di qualità. Questo mito sfatato e il crescente interesse della società alla sensibilizzazione ambientale ha provocato un incremento della domanda di prodotti ecosostenibili con conseguente influenza nelle attività di ricerca e sviluppo, portando così a una sempre maggiore offerta di materie plastiche riciclate e bio, importanti per lo sviluppo dell’economia circolare. L’uso di materie plastiche riciclate o bio nel processo di stampaggio a iniezione non è solo responsabile nei confronti dell’ambiente, ma può anche ridurre le spese di materiale dell’OEM. Inoltre, qualsiasi brand che utilizzi plastica riciclata/bio nei suoi processi industriali può trarre vantaggio dalla percezione del pubblico che l’azienda stia lavorando per proteggere l’ambiente, facendo diventare questa decisione vantaggiosa a tutti i livelli. In particolare, questo ha spinto le attività di ricerca verso l’implementazione delle cosiddette bioplastiche o biopolimeri sviluppati inizialmente come alternativa alle materie plastiche a base di petrolio. Una materia plastica è classificata come bioplastica qualora sia a stata realizzata, parzialmente o interamente, a partire da materie prime rinnovabili; sia biodegradabile o abbia entrambe le caratteristiche descritte con proprietà analoghe a quelle delle plastiche tradizionali, che possono essere stoccate allo stesso modo e lavorate su impianti tradizionali. Questa rappresenta un’area con elevate possibilità di sviluppo, unendo grandi potenzialità tecniche e di ecosostenibilità sia dal punto di vista delle materie prime sia del loro recupero a fine vita. Il grande interesse che ha spinto l’evoluzione di questi materiali è legato soprattutto alle problematiche legate al recupero dei rifiuti e alle normative che ne hanno favorito l’impiego. Sicuramente una forte spinta si deve anche all’ipotesi di significativi incrementi di prezzo dei prodotti petroliferi necessari per la produzione dei classici materiali polimerici. I biopolimeri sono legati soprattutto al settore del packaging e dell’agricoltura (0.4-0.5% del totale consumo di materie plastiche), ma sono anche caratterizzati da un grande potenziale di sviluppo. Attualmente, però, restano un mercato di nicchia a causa dell’elevato valore aggiunto che genera costi più elevati rispetto a quelli dei polimeri tradizionali e delle caratteristiche meccaniche e termiche che, in alcuni casi, risultano limitate. Il principale oggetto di studio è lo sviluppo formulativo ovvero l’ottimizzazione di biopolimeri per specifiche applicazioni, la processabilità, le finiture superficiali ottenibili, la loro durabilità nonché il fine vita.

Biopolimeri a base rinnovabile: opportunità e criticità

I diversi biopolimeri a base rinnovabile si differenziano per il processo di ottenimento e l’ampia gamma di materie prime differenti, quali amido, canna da zucchero o cellulosa (definite materie prime di prima generazione). Esistono, per esempio, biopolimeri ottenuti dalla distruzione della struttura super-molecolare dell’amido miscelato con altri polimeri. Ne esistono di diversi tipi: infatti, possono essere estratti da amido puro e solitamente sono usati come filler, da amido parzialmente fermentato (destrina, per esempio); da amido destrutturato; da amido modificato (sostituzione gruppi ‐OH con gruppi esteri o eteri) o da amido in blend con altri polimeri (poliesteri, PCL, CA, PVOH). I blend ottenuti possono variare da plastici flessibili (PE) a plastici rigidi (PS).

Le differenze tra i diversi tipi sono estremamente elevate, ma in generale tutti presentano una bassa barriera al vapore, sensibilità al contatto con H2O e un’ottima resistenza ad oli e grassi. Per processare queste tipologie di biopolimeri talvolta può essere utile il pre-essiccamento di quattro ore  a 70 gradi centigradi, in particolar modo se il materiale non è conservato negli imballaggi originali. Il materiale è inoltre sensibile alla degradazione termica in funzione del tipo di biopolimero considerato; per questo è consigliabile adottare condizioni che riducano questo fenomeno con un profilo delle temperature della vite il più basso possibile, bassi tempi di stazionamento e giri di vite. Per il caso specifico dei biopolimeri da amido in blend è consigliabile utilizzare in fase di stampaggio a iniezione degli agenti distaccanti o di protezione dello stampo e inserire sfiati per favorire il degasaggio. Inoltre, in talune circostanze, potrebbe essere utile l’utilizzo di canali caldi. Per quanto riguarda tutti gli altri parametri di processo, essi sono strettamente legati alla tipologia di polimero e per questo è utile chiedere informazioni dettagliate in merito direttamente ai fornitori. Uno dei primi biopolimeri commerciali è il PLA, ottenuto tramite la fermentazione di canna da zucchero e utilizzato spesso per la realizzazione di componenti per smartphone, bottiglie e packaging. Il PLA è caratterizzato da elevata versatilità applicativa con prestazioni paragonabili a quelle dei classici polimeri petrolchimici come il PP e il PS. Tuttavia, questo risulta essere un materiale fragile con bassa resistenza alla temperatura, bassa melt strength e scarsa resistenza termica. Questo rende impossibile il suo impiego per l’uso con bevande calde e microonde. Un punto di forza importante per il PLA è la facilità di riciclo attraverso diverse tecniche meccaniche e chimiche. Si tratta inoltre di un materiale compostabile, quindi biodegradabile in condizioni adeguate di compostaggio ovvero ambienti con temperature comprese tra i 50 e i 60 gradi centigradi, elevata umidità e presenza di microrganismi per un tempo di 45-90 giorni. Se invece ci si mantiene a temperatura ambiente e al di fuori delle condizioni di compostaggio il PLA risulta chimicamente e fisicamente resistente al degrado esattamente come i polimeri di tipo tradizionale.

Consigli per gli stampisti

Come per i biopolimeri da amido, anche il PLA, nel caso in cui non sia conservato negli imballaggi originali, necessita di essiccamento attraverso, ad esempio i deumidificatori per PET a temperature di 70-80 gradi centigradi per sei ore. Durante il processo di stampaggio a iniezione, le temperature di processo variano in funzione della tipologia di PLA utilizzato (standard o resistente al calore) e durante la fase di progettazione degli stampi è importante tenere in considerazione il coefficiente di ritiro molto basso. Date le sue caratteristiche di rigidezza, flessibilità e brillantezza, risulta interessante per l’applicazione nel settore; un fattore limitante è la scarsa resistenza termica che pone problemi per lo stoccaggio e il trasporto, oltre a quelli di resistenza alla fessurazione. Una terza famiglia di biopolimeri è quella dei poliidrossialcanoati che sono dei poliesteri alifatici prodotti direttamente in microorganismi per fermentazione del substrato di carbonio, che viene utilizzato come riserva di energia di sostanze naturali nel citoplasma delle celle. Al termine della reazione di fermentazione (da 38 a 48 ore), le celle vengono concentrate, purificate ed estratte con solvente caldo ottenendo così il PHA che deve poi essere recuperato dalla soluzione. Questa famiglia si differenzia in base al tipo di microrganismo e alla materia prima (omopolimeri o copolimeri). Si tratta di polimeri semicristallini con qualità potenzialmente molto interessanti. Data la scarsa disponibilità e i prezzi elevati, sono in corso diversi investimenti che dovrebbero portare a una più vasta disponibilità con una sensibile riduzione dei costi. Il PHA può essere trasformato con le tipiche tecnologie impiegate per i materiali termoplastici, consigliando nello stampaggio ad iniezione l’impiego di una vite per PE. Dato che la temperatura di degradazione è vicina a quella di fusione è consigliabili evitare pressioni di iniezione e velocità della vite troppo elevate oltre che evitare tempi di stazionamento elevati con temperatura dello stampo che arriva fino ai 60 gradi. Numerosi grandi gruppi industriali stanno lavorando per produrre policondensati biodegradabili e policondensati da biomonomeri. In caso di successo questi biopolimeri potranno sostituire del tutto gli equivalenti polimeri da monomeri petrolchimici. Oggi alcuni biopolimeri sono in grado di sostituire con successo i tradizionali polimeri, ottimizzando, quando necessario, le condizioni di processo in funzione delle loro proprietà di processabilità. Per ampliare la scelta, nuovi gradi di biopolimeri sono in fase di sviluppo con l’obiettivo di migliorare le rispettive performance, aprendo così a un ampliamento del mercato e delle applicazioni di questi materiali. In prospettiva, con un possibile aumento dei prezzi dei prodotti petroliferi, con l’ottimizzazione dei processi e con un adeguato scale‐up, i biopolimeri potrebbero diventare competitivi anche da un punto di vista strettamente economico. È però importante considerare che lo sviluppo dei biopolimeri stessi richiede un adeguamento delle tecniche di compostaggio e un ripensamento delle problematiche di riciclo dei polimeri. Di conseguenza, le aziende dovranno pensare ad affrontare nuovi investimenti.

(Un contributo della dottoressa Mariangela Quarto, ricercatrice presso il dipartimento di Ingegneria gestionale, dell’informazione e della produzione dell’Università degli Studi di Bergamo)

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