UNA TABELLA DI MARCIA PER AGIRE - DALLA SCIENZA ALL ... · reti, vassoi espansi per alimenti) ......

Pubblicazione realizzata nell'ambito del progetto PLASTiCE supportato dal FESR.

UNA TABELLA DI MARCIA PER AGIRE - DALLA SCIENZA

ALL’INNOVAZIONE NELLA CATENA DEL VALORE

3

SOMMARIO

1. PROGETTO PLASTICE 4

2. PRINCIPALI PROBLEMI PER L’EUROPA CENTRALE 5

3. SVILUPPO DELLA CATENA DEL VALORE 7

4. RICERCA E SVILUPPO 11

4.1. Caratterizzazione delle proprietà fisiche allo stato solido dei polimeri disponibili sul

mercato 11

4.2. Caratterizzazione della composizione e della struttura molecolare dei materiali

polimerici disponibili sul mercato 12

4.3. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi chimici 12

4.4. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi fisici 13

4.5. Ottimizzazione della lavorazione di polimeri biodegradabili 13

4.6. Sostegno allo sviluppo di processi di produzione industriale 14

4.7. Ricerca sulle proprietà funzionali 15

4.8. Prove di biodegradabilità e di compostabilità 16

5. CONTATTI 17

6. GLOSSARIO 18

APPENDICE – CASI DI STUDIO 23

4

1. PROGETTO PLASTICE

Il Progetto PLASTICE è iniziato nell’Aprile 2011 nell’ambito del Programma “Central Europe”.

In totale, 13 membri – comprendenti aziende, organizzazioni di assistenza alle imprese e

istituzioni di ricerca – in Italia, Polonia, Repubblica Slovacca e Slovenia hanno unito le forze

per identificare le barriere e promuovere lo sviluppo della catena del valore di plastiche

sostenibili, in particolare delle plastiche biodegradabili nell’ambiente.

L’obiettivo generale del progetto è “creare le condizioni per incrementare il mercato delle

plastiche biodegradabili nell’Europa Centrale, come banco di prova per l’applicazione di

nuovi prodotti in ambiti industriali specifici”. Il settore dell’imballaggio (contenitori, pellicole,

reti, vassoi espansi per alimenti) è quello con il maggiore potenziale nell’immediato per le

plastiche biodegradabili. Questo settore include la produzione di sacchi di plastica per la

raccolta e il compostaggio del rifiuto umido e borse per la spesa, che sempre più sono al

centro dell’attenzione rispetto ai problemi ambientali. Le plastiche biodegradabili possono

anche essere usate per vari prodotti generici usa e getta o monouso (piatti e ciotole, tazze

per bevande fredde, posate, etc.) o per applicazioni specifiche (accessori sportivi,

agricoltura, ecc.), sebbene le applicazioni non siano esclusivamente limitate a questi settori.

Questa Tabella di Marcia intende promuovere la cooperazione nel campo delle plastiche

biodegradabili - con obiettivi applicativi - tra le istituzioni di ricerca e le imprese nell’Europa

Centrale. Unendo la conoscenza e le competenze delle rispettive istituzioni, questa Tabella

di Marcia guida le aziende produttrici lungo tutto il processo che va dalla ricerca di nuove

plastiche biodegradabili, alla loro commercializzazione e applicazione. Inoltre, vengono

presentati alcuni casi di studio allo scopo di illustrare gli aspetti più importanti da prendere in

considerazione quando si intenda avviare un’attività che comporti la produzione,

trasformazione, distribuzione, utilizzo e/o smaltimento di plastiche biodegradabili.

Questo documento è stato preparato nell’ambito del “Work Package 3” del progetto “Innovative Value

Chain Development for Sustainable Plastics in Central Europe (PLASTiCE)”, co-finanziato entro il

Programma “Central Europe” dal fondo regionale di sviluppo europeo (European Regional Development

Fund).

5

2. PRINCIPALI PROBLEMI PER L’EUROPA CENTRALE

L’industria delle plastiche nell’Unione Europea è rappresentata da più di 59,000

aziende – la maggior parte delle quali sono piccole e medie imprese – e sta generando un

fatturato di circa 300 milioni di euro per anno.1 Sebbene il declino economico tra il 2008 e il

2012 nell’Unione Europea ha influenzato negativamente il fatturato in molti settori industriali,

il mercato delle plastiche nell’Europa Centrale è ancora in dinamica crescita dopo aver

attraversato due anni di depressione. Abbiamo assistito a diverse fusioni e acquisizioni

nell’industria delle plastiche durante gli ultimi tre anni, così come alla crescita di opportunità

di mercato per nuove applicazioni nel settore automobilistico, aeronautico, medico,

elettronico ed elettrodomestico. Tuttavia, dal punto di vista della sostenibilità ambientale, lo

smaltimento delle plastiche continua ad essere motivo di preoccupazione in Europa. Infatti,

le plastiche vengono applicate quasi ovunque e la loro domanda cresce ogni anno ma solo

una piccola frazione dei rifiuti plastici viene riciclata. Di conseguenza l’impatto sull’ambiente

che deriva dallo smaltimento dei rifiuti sta diventando un problema sempre più rilevante.

Nel Marzo 2013, la Commisione Europea ha lanciato il “Libro Verde sulla strategia europea

per i rifiuti di plastica nell'ambiente”2 come parte di una più ampia revisione della

legislazione Europea in materia di rifiuti. Prima di questo documento, il rifiuto di plastica era

preso in considerazione solo nella Direttiva 94/62/CE sugli Imballaggi e i Rifiuti da

Imballaggio, che comprendeva obiettivi specifici di riciclaggio dei rifiuti domestici. La

Commissione Europea ha compiuto un passo importante verso la responsabilità dei

produttori nel processo di gestione dei rifiuti nella Direttiva sui Rifiuti 2008/98/CE (articolo

8). Nel 2011, l'industria della plastica europea ha lanciato l'idea: “zero plastiche in

discarica” entro il 2020. Se la Commissione europea e i governi nazionali seguissero questa

raccomandazione, questo causerebbe un grave problema per l'Europa centrale, dove gran

parte dei rifiuti di plastica finisce ancora in discarica.

Il Consiglio Mondiale delle Imprese per lo Sviluppo Sostenibile prevede che, per soddisfare

la domanda di prodotti finiti, occorrerà aumentare da quattro a dieci volte l’efficienza delle

risorse entro il 2050.3 Attualmente, oggetti di plastica a basso prezzo, giocattoli, sacchetti

di plastica e altri prodotti monouso sono spesso disponibili a prezzi che non riflettono gli

interi costi ambientali.4 Un sistema che rispecchiasse i veri costi ambientali, dall'estrazione

delle materie prime alla produzione, distribuzione e smaltimento, aiuterebbe a prendere in

considerazione altre soluzioni, ad esempio, l'introduzione di plastiche biodegradabili

nell'ambiente.

1 Plastics – the Facts 2012, An analysis of European plastics production, demand and waste data for 2011, PlasticsEurope, 2012, page 3

2 Green Paper “On a European Strategy on Plastic Waste in the Environment”, Brussels, 7.3.2013, COM(2013) 123 final

3 Communication from the Commission to the European parliament, the council, the European Economic and Social

Committee and the Committee of the Regions, Roadmap to a Resource Efficient Europe, Brussels, 20.9.2011, COM(2011) 571 final, page 2

4 Green Paper “On a European Strategy on Plastic Waste in the Environment”, Brussels, 7.3.2013, COM(2013) 123 final, page 15

6

Sebbene nel complesso l'Europa sia stata un leader mondiale nel campo delle plastiche

biodegradabili negli ultimi dieci anni, gli Stati Uniti d'America e i paesi asiatici stanno

sviluppando in modo dinamico nuove applicazioni. L’Europa Centrale tuttavia è in ritardo

riguardo alla produzione e consumo di plastiche biodegradabili. Le aziende coinvolte nel

progetto Plastice e localizzate in questa area geografica segnalano le seguenti barriere da

superare:

Le proprietà funzionali delle plastiche biodegradabili devono essere migliorate;

Deve migliorare la conoscenza delle modalità che consentono di prolungare la durata

(shelf life) degli imballaggi biodegradabili;

Il processo di trasformazione dalle plastiche tradizionali alle plastiche biodegradabili

deve essere meglio gestito in stretta collaborazione con partner esterni, tra cui fornitori

di materiali e istituti di ricerca;

I sistemi di trattamento dei rifiuti devono essere dotati di infrastrutture per separare

meglio le plastiche biodegradabili dalle plastiche tradizionali.

Secondo le stime di Global Industry Analysts Inc., il mercato globale dei polimeri

biodegradabili potrebbe raggiungere un volume di 1,1 milioni di tonnellate entro il 2017.5 Per

sostenere il processo di sviluppo delle plastiche biodegradabili, la Commissione Europea ha

fissato nella sua Tabella di Marcia per un' Europa Efficiente nell’impiego delle Risorse una

tappa importante: "Entro il 2020, le scoperte scientifiche e l’impegno continuo per

l’innovazione ci avranno consentito di capire meglio come considerare, gestire, ridurre l’uso,

riutilizzare, riciclare, sostituire, salvaguardare e valorizzare le risorse. Questo sarà possibile

grazie ai cospicui aumenti degli investimenti, alla coerenza nell'affrontare la sfida sociale

relativa all’efficienza delle risorse, ai cambiamenti climatici e alla resilienza, ai benefici della

specializzazione intelligente e della cooperazione all’interno dello Spazio europeo della

ricerca.”6 In particolare, tra il 2014 e il 2020, la Commissione Europea incentrerà i

finanziamenti a favore della ricerca sostenendo soluzioni innovative in vari settori, tra cui

quello delle plastiche biodegradabili.

Prendendo in considerazione la dichiarazione di cui sopra, fra i principali elementi che

guideranno lo sviluppo della catena del valore della plastica biodegradabile in Europa

Centrale vengono indicati l’aumento della domanda di prodotti monouso e di applicazioni

nell’imballaggio, la maggiore consapevolezza tra i consumatori, la spinta verso il divieto di

smaltimento delle plastiche nelle discariche, i costi petroliferi imprevedibili nel prossimo

decennio e il progresso tecnologico nel campo dei polimeri biodegradabili.

5 Biodegradable polymers. A global strategic business report, 2012 (www.strategyr.com)

6 Communication from the Commission to the European parliament, the council, the European Economic and Social Committee and the Committee

of the Regions, Roadmap to a Resource Efficient Europe, Brussels, 20.9.2011, COM(2011) 571 final, page 9

7

3. SVILUPPO DELLA CATENA DEL VALORE

La struttura della catena del valore per le plastiche biodegradabili nell’ambiente è simile alla

catena del valore per le plastiche tradizionali. Tuttavia, mentre nel caso delle plastiche

tradizionali l’attenzione è maggiormente focalizzata sui processi di riciclo e di riutilizzo, nel

caso delle plastiche biodegradabili nell'ambiente sono i processi di degradazione e

compostaggio ad essere presi maggiormente in considerazione.

In ogni fase della catena del valore, ci sono specifici ostacoli relativi alla ricerca e sviluppo

da superare.

Questa Tabella di Marcia fornisce una prima serie di domande e risposte, utili alle aziende

che intendono costruire un impianto per la produzione di plastica biodegradabile o che de-

siderano modificare gli attuali processi di lavorazione per l'impiego di plastiche biodegra-

dabili in nuove applicazioni.

Per ulteriori informazioni, contattare il punto informativo nazionale (National Info Point – NIP)

presso il vostro paese.

Istituzioni di Ricerca

Forn

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che

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Industrie utilizzatrici

(imballaggio

alimentare, cosmetici,

farmaceutici,…)

Distributori, rivenditori di plastiche

biodegradabili

Legislazioni nazionali sulla gestione dei rifiuti

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Ric

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e

Co

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ost

ag

gio

Organizzazioni pubbliche e senza scopo di lucro responsabili delle campagne di

sensibilizzazione, formazione e consulenza

Tras

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essi

bili

Distributori, rivenditori

di imballaggi

biodegradabili

Co

nsu

ma

tori

Caratterizza-

zione dei

polimeri

disponibili sul

mercato

Modifiche delle

proprietà dei

polimeri me-

diante metodi

chimici e fisici

Ottimizza-

zione dei

processi di

lavorazione

dei polimeri

Progettazio-

ne di una

produzione

industriale

efficiente

,

Proprietà

funzionali

specifiche per

l’applicazione

Prove di

biodegradabi-

lità e di

compostabilità

8

Quesito 1: Che tipo di polimeri biodegrada-

bili si adattano meglio alla mia tecnologia di

lavorazione?

Dovreste prevedere di effettuare una

caratterizzazione delle proprietà fisiche allo

stato solido dei polimeri disponibili sul

mercato.

Tale attività include la valutazione della

stabilità termica, della temperatura di

rammollimento e delle proprietà

meccaniche.

Questo vi permetterà di selezionare il

polimero disponibile sul mercato più adatto

alla tecnologia di lavorazione attuale e

all'applicazione prevista.

Per maggiori informazioni vedi pagina 11.

D o v r e s t e a n c h e e f f e t t u a r e l a

caratterizzazione della composizione e della

struttura molecolare dei polimeri selezionati

per la vostra applicazione

Quesito 2: Come posso essere sicuro che il

materiale polimerico biodegradabile scelto

abbia proprietà adatte alle mie

applicazioni? Quali parametri dovrei

prendere in considerazione per garantire la

qualità del prodotto e la sua

biodegradabilità a fine vita? Come posso

verificare la riproducibilità del materiale

polimerico che mi viene fornito?

Dovreste prevedere di effettuare una

caratterizzazione della composizione e della

struttura molecolare dei materiali polimerici

disponibili sul mercato.

Tali attività includono una valutazione delle

proprietà del prodotto finale, la

determinazione di eventuali impurezze che

potrebbero influenzare la lavorazione,

nonché il tipo e il contenuto di additivi

presenti nel materiale polimerico.

Questo vi permetterà di selezionare il

materiale più adatto per le vostre

applicazioni e vi garantirà che ogni lotto di

materiale polimerico consegnato dal vostro

fornitore soddisfi gli standard di qualità

previsti. Potrete anche ottenere informazioni

sulle migliori condizioni di conservazione del

materiale polimerico (umidità, esposizione

alla luce, temperatura), sulle condizioni di

lavorazione, nonché sulla durata (shelf life)

di prodotti ottenuti usando tali materiali.

Sarete in grado di ottenere informazioni sulle

frazioni non riciclabili del vostro prodotto.


Quesito 3: Come posso adattare alle mie

esigenze di produzione le proprietà dei

materiali polimerici disponibili sul mercato,

mediante modifica chimica?

Dovreste prevedere di effettuare modifiche

delle proprietà del polimero utilizzando

metodi chimici.

Tali attività includono l'applicazione di

estensori di catena, l’introduzione di gruppi

funzionali e la modifica della superficie del

prodotto (per esempio per migliorarne la

stampabilità).

Questo vi permetterà di adattare le

proprietà del materiale alle vostre esigenze

specifiche.


Dovreste anche prendere in considerazione

l’opportunità di avviare un progetto di ricerca

che porti ad un processo brevettabile.

9

Quesito 4: Come posso adattare alle mie

esigenze di produzione le proprietà dei

materiali polimerici disponibili sul mercato,

mediante modifica fisica?

Dovreste prevedere di effettuare modifiche

delle proprietà del polimero utilizzando

metodi fisici.

Tali attività includono l’ottenimento di

materiali multi-componente mediante

l'aggiunta di plastificanti, compatibilizzanti,

cariche (tutti preferibilmente biodegradabili)

o mediante miscelazione con un altro

polimero biodegradabile.

Questo vi permetterà di adattare le

proprietà del materiale alle vostre esigenze

specifiche, ed inoltre a diminuirne il prezzo.



l’opportunità di avviare un progetto di

ricerca volto a migliorare sostanzialmente i

parametri di lavorazione, le proprietà finali

e le possibili applicazioni del materiale.

Quesito 5: Che cosa dovrei fare se si

verificano problemi nella linea di produzione

durante la lavorazione?

Dovreste prevedere di ottimizzare le

condizioni di lavorazione dei polimeri

biodegradabili.

Tali attività includono l’identificazione delle

condizioni di temperatura più adeguate per

ciascuna delle fasi produttive. Nella

maggior parte dei casi, i problemi di

lavorazione nascono dalla bassa stabilità

termica delle plastiche biodegradabili. Se

la temperatura di lavorazione è superiore

alla temperatura critica, il materiale può

subire degradazione termica, con

conseguente diminuzione del peso

molecolare e calo di viscosità. Potreste

pensare di abbassare la temperatura di

lavorazione o di diminuire il tempo di

residenza nel macchinario. Se questo non

fosse possibile (per esempio in materiali alto

-fondenti), viene consigliato l’avvio di un

progetto di ricerca applicata mirata a

ridurre gli effetti negativi della

degradazione termica, ad esempio

utilizzando stabilizzatori, estensori di

catena, plastificanti o altro.

Questo vi permetterà di utilizzare la vostra

strumentazione nelle condizioni attuali o con

piccole modifiche della procedura

tecnologica, senza la necessità di investire

in una linea di produzione completamente

nuova.



l’opportunità di avviare un progetto di

ricerca applicata, volto a sviluppare la

procedura che consentirà di lavorare uno

s p e c i f i c o m a t e r i a l e p o l i m e r i c o

b i o d e g r a d a b i l e u t i l i z z a n d o l a

strumentazione disponibile nelle condizioni

di processo ottimali.

Quesito 6: Come dovrei modificare i

parametri di produzione del mio processo

tecnologico?

Dovreste considerare il sostegno allo

sviluppo di processi di produzione

industriale, relativamente al vostro prodotto.

Tali attività includono prove sul materiale

plastico biodegradabile prodotto a scala di

laboratorio, prove su nuovi prodotti a scala

di impianto pilota e adattamento immediato

10

dei parametri tecnici del processo

tecnologico.

Questo vi permetterà di ridurre il rischio di

insuccesso e di minimizzare i costi nella fase

di avvio della produzione.


Quesito 7: Come posso ottenere

informazioni sulle proprietà funzionali del

mio prodotto biodegradabile?

Dovreste considerare di analizzare la

risposta funzionale del vostro prodotto in

condizioni concrete di applicazione.

Tali attività includono la determinazione

dell’invecchiamento fisico, delle proprietà

barriera (permeazione ai gas), di quelle

termo-meccaniche e della durabilità dei

materiali polimerici di interesse.

Questo vi permetterà di offrire sul mercato

un prodotto che soddisfi i requisiti specifici di

trasporto, di conservazione, di durata e di

compostabilità.


Quesito 8: Come posso confermare che il

mio prodotto è veramente compostabile

secondo gli standard di compostaggio

industriali o domestici?

Dovreste considerare di effettuare prove di

biodegradazione e di compostabilità.

Tali attività includono la determinazione del

contenuto di metalli pesanti, prove di

disintegrazione e di frammentazione e prove

di eco-tossicità (crescita di piante su

compost) sui materiali polimerici.

Questo vi permetterà di sapere se il vostro

prodotto può ottenere la certificazione e il

relativo marchio. Sarete in grado di

informare il consumatore finale sulla

compostabilità del vostro prodotto.


Quesito 9: Come posso determinare la

percentuale di carbonio rinnovabile/

biogenico nel mio prodotto?

Dovreste prevedere di effettuare la

determinazione del contenuto di Carbonio

proveniente da fonte rinnovabile (biogenico)

secondo la norma ASTM D6866.

Tali attività includono la determinazione del

contenuto di carbonio e la determinazione

del contenuto di carbonio rinnovabile

utilizzando uno dei metodi descritti in

ASTM D6866 per la determinazione del

contenuto dell’isotopo radioattivo 14C.

Questo vi permetterà di ottenere

informazioni sulla percentuale di Carbonio

rinnovabile (bio-based) nel vostro materiale,

che è importante sia per la certificazione che

per le attività di promozione dei vostri

prodotti come sostenibili.

11

4. RICERCA E SVILUPPO

Qui troverete una panoramica delle attività di ricerca e sviluppo da prendere in

considerazione quando si intenda sviluppare la produzione di polimeri, di prodotti plastici

e/o di imballaggi biodegradabili.

4.1. Caratterizzazione delle proprietà fisiche allo stato solido dei polimeri disponibili

sul mercato

Se volete… …considerate la seguente attività di ricerca … per ottenere più

informazioni su…

Tempo

stimato

Selezionare un

polimero con

caratteristiche di

stabilità termica

appropriate

Analisi della stabilità termica (temperatura

di degradazione) dei materiali singoli o multi

- componente (mediante analisi termogravi-

metrica, da temperatura ambiente (Tamb) a

900°C, in atmosfera inerte o in aria)

L'intervallo di temperatura

in cui il polimero può

essere lavorato in modo

sicuro

3 giorni

(campione

singolo)

7-14 giorni

(fino a 10

campioni)

Conoscere il

comportamento di

degradazione

termica di un

polimero

Analisi della stabilità termica con analisi

delle sostanze volatili emesse mediante

spettrometria di massa (TGA-MS, da Tamb a

900°C). Analisi dei cambiamenti di peso

molecolare (mediante Cromatografia di

Permeazione su Gel, GPC)

I prodotti di degradazione

rilasciati dal polimero

durante il trattamento

termico

3 giorni

(campione

singolo)

7-14 giorni

(fino a 10

campioni)

Valutare la

temperatura di

rammollimento

specifica di un

polimero

Analisi delle transizioni termiche (vetrosa,

cristallizzazione e fusione) mediante la

determinazione delle temperature caratteri-

stiche, delle entalpie di cristallizzazione e di

fusione. La tecnica utilizzata è la calorimetri-

ca differenziale a scansione (DSC): intervallo

di temperatura da -100°C a 250°C, raffred-

damento con azoto liquido, 2 scansioni per

ogni campione

La finestra di temperatura

di lavorazione, l'imposta-

zione dei parametri di

lavorazione e la tempera-

tura di impiego di un

oggetto lavorato

14-30 giorni

(in base al

numero di

campioni)

Verificare le

proprietà

meccaniche del

materiale

polimerico

Valutazione delle proprietà meccaniche a

temperatura ambiente (modulo elastico,

sforzo e deformazione sia a snervamento

che a rottura, mediante prove di trazione

con analisi statistica dei risultati per un

minimo di 8 campioni)

Prestazioni dei materiali in

termini di resistenza,

rigidità e deformabilità

14-35 giorni

(in base al

numero di

campioni)

Verificare il

comportamento

termo-meccanico

del materiale

polimerico in

condizioni

specifiche

Determinazione dei rilassamenti viscoelastici

(mediante analisi dinamico-meccanica in

modalità a singola o a multi-frequenza

nell'intervallo di temperatura da -150°C a

250°C)

Comportamento del

materiale a lungo termine

(potenziale di invecchia-

mento); risposta del mate-

riale alle sollecitazioni

vibrazionali

21-30 giorni

Determinare se

una frazione del

polimero è

cristallina

Analisi strutturale della fase cristallina

(mediante tecnica di diffrazione a raggi X ad

alto angolo per polveri)

Dipendenza del compor-

tamento del materiale allo

stato solido dal contenuto

di fase cristallina

14 giorni

12

4.2. Caratterizzazione della composizione e della struttura molecolare dei materiali

polimerici disponibili sul mercato

4.3. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi chimici


informazioni su…

Tempo

stimato

Ottenere una

valutazione sulla

composizione di

materiali insolubili

o reticolati

Determinazione delle proprietà allo stato

solido utilizzando la Spettrometria Infrarossa

a Trasformata di Fourier (FTIR)

Il tipo di polimero e i

gruppi funzionali presenti 7-14 giorni

Determinare se il

materiale è

caricato

Caratterizzazione della solubilità del mate-

riale e determinazione della percentuale di

polimero nella plastica

Il contenuto e il tipo di

carica insolubile 7-21 giorni

Conoscere la

composizione

della frazione

solubile del

materiale

Caratterizzazione del polimero nella plasti-

ca mediante spettroscopia NMR (Risonanza

Magnetica Nucleare)

La struttura chimica del

polimero (contenuto di

unità specifiche)

7-21 giorni

Determinare se il

materiale

polimerico ha un

peso molecolare

adatto per

l’applicazione

specifica

Valutazione del peso molecolare del poli-

mero con la tecnica GPC (Cromatografia di

Permeazione su Gel)

La massa molare media, la

distribuzione delle masse

molari e il grado medio di

ramificazione

7-21 giorni

Identificare quali

additivi organici

contiene la vostra

plastica

Analisi degli additivi mediante la spettrome-

tria di massa (spettrometro di massa ibrido,

LCMS-IT-TOF)

La struttura chimica degli

additivi organici 7-21 giorni

Determinare se il

vostro materiale

(PHA) è una

miscela fisica o un

copolimero

Analisi della sequenza dei monomeri utiliz-

zando tecniche NMR e di spettrometria di

massa

L'omogeneità di

composizione chimica del

campione

7-21 giorni


informazioni su…

Tempo

stimato

Conoscere le

proprietà finali

del materiale e i

parametri di

lavorazione

Determinazione di proprietà fisiche dei ma-

teriali polimerici

Proprietà meccaniche,

viscosità, curve di flusso,

permeazione ai gas e

infiammabilità del

materiale

3-14 giorni

Capire come

modificare le

proprietà del

materiale dispo-

nibile in commer-

cio

Modifica dei polimeri per ottenere proprietà

specifiche, ad esempio, migliorare la resi-

stenza ai solventi mediante reticolazione

chimica

Lo sviluppo del materiale

con proprietà mirate

all’applicazione

30 giorni

(fino a 2 anni

nel caso di

progetto di

ricerca appli-

cata)

Capire come

ottenere proprietà

di superficie spe-

cifiche

Modifica dei polimeri al fine di ottenere

proprietà specifiche, come migliore stampa-

bilità tramite aumento della polarità della

superficie, modifica delle caratteristiche di

adesione, della stabilità termica e ossidativa

Lo sviluppo di materiali

con proprietà superficiali

mirate all’applicazione.

30 giorni

(fino a 2 anni

nel caso di

progetto di

ricerca appli-

cata)

13

4.4. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi fisici

4.5. Ottimizzazione della lavorazione di polimeri biodegradabili


informazioni su… Tempo stimato

Modificare le

proprietà aggiun-

gendo additivi a

basso peso mole-

colare

Modifica delle proprietà di un particolare

polimero mediante l’aggiunta di additivi a

basso peso molecolare, come plastificanti,

estensori di catena, stabilizzanti,

o mediante miscelazione con piccole quan-

tità di un altro polimero per ottenere le pro-

prietà desiderate



all’applicazione

30 giorni

(fino a 2 anni nel

caso di progetto

di ricerca appli-

cata)

Modificare le

proprietà median-

te la miscelazione

con altri polimeri

Miscelazione di due polimeri su tutto l’inter-

vallo di concentrazioni. Il raggiungimento

delle proprietà desiderate potrà essere otte-

nuto anche mediante modifica dell'interfac-

cia e compatibilizzazione dei componenti



all’applicazione

30 giorni

(fino a 2 anni nel

caso di progetto

di ricerca appli-

cata)

Modificare le

proprietà con

l'aggiunta di cari-

che

Preparazione di compositi a matrice polime-

rica con proprietà specifiche, ottenute me-

diante la modifica dell'interfaccia

La possibilità di abbas-

sare il costo globale

del materiale mediante

l’aggiunta di additivi a

basso costo con modi-

fiche solo marginali o

nulle delle proprietà

30 giorni

(fino a 2 anni nel

caso di progetto

di ricerca appli-

cata)


informazioni su… Tempo stimato

Ottimizzare il

metodo di lavo-

razione di un

particolare mate-

riale polimerico

Determinazione dei parametri di lavorazio-

ne dei materiali polimerici selezionati

I parametri della nuova

linea di produzione da

installare o di quelli da

impostare per la pro-

cedura tecnologica

sulla vostra linea di

produzione attuale

7-30 giorni

14

4.6. Sostegno allo sviluppo nei processi di produzione industriale


informazioni su…

Tempo

stimato

Stabilire se la

vostra linea di

produzione sarà

in grado di lavo-

rare il materiale

polimerico scelto

per la produzio-

ne di film

Produzione di film su scala di laboratorio

(comprensiva della l’ottimizzazione dei

parametri di lavorazione e di miscelazione),

produzione di ‘master batches’ combinati

con lo stampaggio ad iniezione, produzione

di campioni da analizzare e analisi

reologica

Le condizioni per la

lavorazione del materiale

su scala pilota

7-14 giorni

Stabilire se la

vostra linea di

produzione sarà

in grado di lavo-

rare il materiale

polimerico scelto

per la produzio-

ne di imballaggi

flessibili

Produzione su scala di laboratorio di imbal-

laggi flessibili

Il comportamento a fusione

e a filmatura in bolla del

prodotto che si intende

formare

7-14 giorni

Identificare i pa-

rametri di lavora-

zione più ade-

guati

Assistenza alla produzione su scala pilota in

loco

I parametri di lavorazione

che vi consentono di

minimizzare i rischi legati

alla qualità e al costo

1-45 giorni

Conoscere i pos-

sibili cambia-

menti delle pro-

prietà fisiche del

materiale che

potrebbero veri-

ficarsi dopo la

lavorazione

Controllare le proprietà meccaniche del

prodotto, ad esempio effettuando prove di

trazione

La probabilità che avven-

ga degradazione e/o

cristallizzazione sia nella

fase di lavorazione che di

stoccaggio del prodotto,

nonché gli eventuali addi-

tivi da utilizzare

7-14 giorni

Verificare se le

proprietà mole-

colari dei mate-

riali cambiano

durante la lavo-

razione

Controllare il peso molecolare del prodotto

dopo il processo di produzione

Il grado di degradazione

del materiale durante la

lavorazione

7-21 giorni

15

4.7. Ricerca sulle proprietà funzionali

*Tempo medio richiesto, che comprende la preparazione dei campioni polimerici, l’analisi e

la relazione sui risultati. I tempi possono variare in base alla reale disponibilità del

laboratorio al momento della richiesta (lavori in coda)


informazioni su… Tempo stimato*

Conoscere la

durabilità del pro-

dotto in condizioni

specifiche di

conservazione e

utilizzo

Metodo Xenotest utilizzato per determinare

il comportamento del materiale in condizioni

naturali

Durata (shelf life) del

prodotto 120 giorni

Conoscere l'im-

patto ecologico

del materiale

Determinazione del carbonio organico tota-

le e del contenuto biobased del materiale

polimerico

Quanto carbonio da

fonte rinnovabile è

presente nel vostro

materiale

30 giorni

Capire come i gas

vengono trasmessi

attraverso il pro-

dotto

Prove di permeabilità al vapore acqueo,

all’ossigeno e all’anidride carbonica

Possibili applicazioni

del prodotto nell’indu-

stria (cibi freschi, sur-

gelati)

14 giorni

Identificare possi-

bili applicazioni

dei materiali e dei

prodotti da essi

ottenuti

Determinazione delle proprietà tensili (sforzo

a rottura, allungamento a rottura, modulo

elastico, ecc)

Determinazione della resistenza allo strappo

Determinazione della resistenza all'urto me-

diante il metodo del ‘free-falling dart’

Proprietà meccaniche

( per es. durabilità) per

specifiche applicazioni

14 giorni

Capire di più sui

possibili modi per

chiudere e/o sigil-

lare il vostro ma-

teriale o prodotto

Proprietà di sigillatura (massimo carico a

rottura, resistenza alla sigillatura, ecc.)

Prove di ‘Hot-tack seal’

Modalità di sigillatura

del materiale 14 giorni

Ottenere informa-

zioni sulle proprie-

tà fisico-chimiche

del prodotto

DSC (calorimetria differenziale a scansione)

e FT-IR (spettroscopia infrarossa)

Le temperature di ap-

plicazione del vostro

prodotto e la sua ido-

neità per applicazioni

specifiche

7 giorni

Determinare se il

prodotto è adatto

per applicazioni in

campo alimentare

Analisi sensoriale

Prove di migrazione totale e specifica delle

sostanze a basso peso molecolare dal ma-

teriale ai prodotti alimentari

Come il sapore e l’o-

dore sono trasferiti dal

materiale al prodotto

alimentare

Quali sostanze migra-

no dal materiale al

prodotto alimentare

30-60 giorni

Verificare la pre-

senza di impurez-

ze pericolose

Prove sul contenuto di monomero in materia-

li plastici e sull'emissione di sostanze volatili

I rischi in fase di lavo-

razione che possono

compromettere l’otte-

nimento di certificazio-

ni

30 giorni

16

4.8. Prove di biodegradabilità e di compostabilità


informazioni su…

Tempo

stimato

Verificare quanto

velocemente il

vostro materiale

si disintegra nel

compost

Prove di disintegrazione in condizioni di

laboratorio: prove preliminari di biodegra-

dazione sul materiale da imballaggio, utiliz-

zando condizioni di compostaggio simulate

su scala di laboratorio, secondo la norma

EN 14806:2010

Il potenziale di composta-

bilità del vostro materiale 120 giorni

Capire come il

vostro materiale

biodegrada

Degradazione in condizioni di laboratorio:

prove di degradazione idrolitica in acqua o

in una soluzione tampone

Il potenziale di degrada-

zione del vostro materiale

in ambienti specifici

Fino a 180

giorni

(a seconda

del tipo di

materiali e

delle prove

standard di

riferimento)

Capire come il

vostro materiale

biodegrada

Prove di degradazione e compostabilità in

condizioni di laboratorio: degradazione in

compost utilizzando un prove respirometri-

che secondo la norma PN-EN ISO 14855-

1:2009

Il potenziale di composta-

bilità del vostro materiale

Fino a 180

giorni

(a seconda

del tipo di

materiali e

delle prove

standard di

riferimento)

Ottenere

informazioni sulla

possibilità che il

vostro prodotto

riceva la

certificazione e i

marchi

corrispondenti

Prove di (bio)degradazione e di composta-

bilità in impianti di compostaggio industriale

(prove in mucchio di compostaggio

(‘composting pile’) industriale o in contenito-

re per compostaggio KNEER)

Le condizioni per ottenere

il certificato del prodotto e

ottenere il diritto di con-

trassegnarlo con marchio

di compostabilità

Fino a 180

giorni

(a seconda

del tipo di

materiali e

delle prove

standard di

riferimento)

17

5. CONTATTI

Per ulteriori informazioni, contattare:

Per l’Italia e

l’Austria

Università di Bologna, Dipartimento di Chimica ‘G. Ciamician’

Mariastella Scandola, Professore Ordinario, Coordinatore del Gruppo di

Scienza dei Polimeri

Tel./Fax: +39 0512099577/+39 0512099456

E-mail: [email protected]

Per la

Repubblica

Ceca e la

Repubblica

Slovacca

Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences

Ivan Chodak, Senior scientist, Professor

Tel./Fax: +421 2 3229 4340 / +421 2 5477 5923


Slovak University of Technology in Bratislava

Dušan Bakoš, Professor

Tel./Fax: +421 903 238191, +421 2 59325439, fax +421 2 52495381


Per la

Slovenia e

gli Stati

Balcanici

National Institute of Chemistry, Laboratory for Polymer Chemistry and

Technology

Andrej Kržan, Senior research associate

Tel./Fax: +386 1 47 60 296


Center of Excellence Polymer Materials and Technologies (CO PoliMaT)

Urska Kropf, Researcher

Tel./Fax: +386 3 42 58 400


Per la

Polonia e i

Paesi Baltici

Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials

Marek Kowalczuk, Head of the Biodegradable Materials Department

Tel./Fax: +48 32 271 60 77/+48 32 271 29 69


COBRO—Packaging Research Institute

Hanna Żakowska, Deputy Director for Research

Tel./Fax: +48 22 842 20 11 ext. 18


18

6. GLOSSARIO

Polimero - macromolecola composta da molte unità ripetitive.

Un polimero (dal greco poly-mer : poly - molti, meros - parti) è normalmente considerato un

composto organico, sebbene esistano anche polimeri inorganici. I polimeri possono

contenere migliaia di unità ripetitive (monomeri) distribuite secondo strutture lineari o

ramificate che possono raggiungere pesi molecolari superiori ad un milione di Dalton (Dalton

= g/mol).

I polimeri si trovano in natura, ma possono anche essere realizzati in modo sintetico/

artificiale. I polimeri naturali (= biopolimeri) sono gli elementi costitutivi specifici degli

organismi viventi.

Si tratta principalmente di polisaccaridi (es. cellulosa, amido, glicogeno) e proteine (es.

glutine, collagene, enzimi) anche se si conoscono molte altre forme come la lignina ed i

poliesteri. I polimeri sintetici rappresentano un gruppo ampio e diversificato di composti non

disponibili in natura. Vengono sintetizzati tramite metodi chimici o biochimici. La produzione

annuale mondiale di polimeri sintetici nel 2011 si aggirava sui 280 milioni di tonnellate

(Plastics – The Facts 2012).

L’uso principale dei polimeri sintetici è per la produzione di plastiche. I polimeri si distinguono

dalle plastiche in quanto sono dei composti puri, a differenza delle plastiche che sono

materiali pronti all’uso a base di polimeri.

Biopolimero – polimero prodotto da organismi viventi.*

I biopolimeri (=polimeri naturali) come ad esempio le proteine, gli acidi nucleici e i polisacca-

ridi sono i principali costituenti degli organismi viventi. Sono principalmente polisaccaridi (es.

cellulosa, amido, glicogeno) e proteine (es. glutine, collagene, enzimi), anche se si conosco-

no molte altre forme come la lignina, i poliesteri, ecc.,

Definizione Alternativa di Biopolimero: polimero completamente o parzialmente biobased

(CEN/TR 15932:2009)

* Adattamento da PAC, 1992, 64, 143 (Glossario di termini usati in biotecnologia per chimici, IUPAC

Recommendations 1992), definizione a pagina 148.

Plastica – materiale a base polimerica caratterizzato dalla sua plasticità.

Il principale componente delle plastiche (dal greco: plastikos - adatto alla formatura, plastos

– modellato, formato) è il polimero, che è “formulato” mediante l’aggiunta di additivi e

riempitivi allo scopo di ottenere un materiale tecnologico, la plastica. Le plastiche sono

definite in base alla loro plasticità – uno stato di fluido viscoso che si presenta ad un certo

stadio durante la lavorazione.

Secondo la definizione EN ISO 472: Plastica – Materiale che contiene un polimero come

costituente principale e che può essere modellato a un certo punto della sua lavorazione per

ottenere un prodotto finito.

19

Biodegradazione – degradazione di una sostanza tramite attività biologica.

La biodegradazione coinvolge necessariamente l’azione di organismi viventi nel processo di

degradazione; tuttavia, essa può essere combinata con altri processi abiotici. La biodegra-

dazione avviene per azione di enzimi coinvolti nei sistemi digestivi degli organismi viventi e/

o di enzimi isolati o secreti. Gli organismi attuano la biodegradazione su substrati che

riconoscono come cibo e che costituiscono fonte di nutrimento. I prodotti finali della

biodegradazione sono prodotti comuni della digestione come anidride carbonica, acqua,

biomassa o metano. Questo stadio finale è conosciuto come biodegradabilità finale o

mineralizzazione biologica. Per scopi pratici dovrebbero essere noti la velocità di biodegra-

dazione ed i prodotti finali della biodegradazione.

Plastiche biodegradabili (plastiche biodegradabili nell’ambiente) – plastiche suscettibili di

biodegradazione.

Il processo di degradazione delle plastiche biodegradabili può comprendere stadi biotici e

abiotici in parallelo o in sequenza, ma deve comunque sempre includere la mineralizzazione

biologica. La biodegradazione della plastica avviene se il materiale organico della plastica

viene utilizzato come fonte di nutrimento dal sistema biologico (organismo).

Le plastiche biodegradabili possono derivare da fonte rinnovabile/biomassa (es. amido) o

non rinnovabile/fossile (es. petrolio). Esse sono ottenute rispettivamente mediante processi

biotecnologici o chimici. L’origine (biomassa o fossile) e il tipo di processo mediante il quale

le plastiche biodegradabili vengono prodotte non influenza la classificazione come plastica

biodegradabile. La velocità di biodegradazione di un oggetto in plastica dipende, oltre che

dalla specifica formulazione della plastica, anche dal rapporto superficie-volume, dallo

spessore dell’oggetto, etc.

Plastiche compostabili – plastiche che biodegradano secondo le condizioni e i tempi di un

ciclo di compostaggio.

Il compostaggio è un trattamento dei rifiuti organici condotto in condizioni aerobiche (in

presenza di ossigeno) in cui il materiale organico si converte ad opera di microrganismi

presenti in natura. Durante il compostaggio industriale, la temperatura nel mucchio di

compostaggio può raggiungere i 70°C. Il compostaggio si realizza in condizioni umide e il

processo richiede alcuni mesi. E’ importante comprendere che le plastiche classificate

biodegradabili non sono necessariamente plastiche compostabili (infatti possono biodegra-

dare in tempi più lunghi o in condizioni differenti), mentre le plastiche compostabili sono

sempre biodegradabili. Definire criteri chiari per poter classificare una plastica come

compostabile è importante, perché i materiali non compatibili con il compostaggio possono

peggiorare la qualità finale del compost. Le plastiche compostabili sono definite da una se-

rie di norme standard nazionali ed internazionali (es. EN13432, ASTM D-6900), che si riferi-

scono al compostaggio industriale. La EN13432 definisce la caratteristiche dei materiali pla-

stici da imballaggio che possono essere considerati compostabili e possono essere riciclati

20

mediante compostaggio di rifiuti solidi organici. La EN 14995:2006 estende lo scopo di tali

plastiche anche a campi diversi dall’imballaggio. Questi standard sono alla base di svariati

sistemi di certificazione.

Secondo la EN 13432, un materiale compostabile deve possedere le seguenti caratteristiche:

Biodegradabilità: capacità del materiale compostabile di essere convertito a CO2

grazie all’azione di microrganismi. Questa proprietà è misurata seguendo lo standard

EN 14046 (pubblicato anche come ISO 14855 - biodegradabilità in condizioni di

compostaggio controllato). Al fine di dimostrare la biodegradabilità completa, il livello

di biodegradazione deve raggiungere almeno il 90% in meno di 6 mesi.

Disintegrabilità: frammentazione fisica e perdita di visibilità nel compost finale,

misurata in un impianto di compostaggio a scala pilota seguendo la norma EN 14045

Assenza di effetti negativi sul processo di compostaggio.

Bassi livelli di metalli pesanti e assenza di effetti negativi sul compost finale.

Il compostaggio domestico differisce da quello industriale per le più basse temperature

raggiunte nel mucchio di compostaggio durante il processo. Un materiale plastico deve

essere sottoposto a prove specifiche per dimostrarne la compostabilità in condizioni di

compostaggio domestico.

Bioplastica – un materiale plastico che è biodegradabile o è biobased oppure che soddisfa

entrambe le condizioni.*

Il termine, nella sua definizione primaria è molto usato in ambito industriale ma meno dalla

comunità scientifica.

Uso alternativo 1 del termine bioplastica: plastica biocompatibile (CEN/TR 15932).

Uso alternativo 2 del termine bioplastica: materiale plastico naturale. Ci sono poche

bioplastiche note. Un esempio sono i polidrossialcanoati – poliesteri termoplastici naturali.

* definizione da European Bioplastics (http://en.european-bioplastics.org/)

Plastica bio-based – plastica derivata da biomassa (escludendo le biomasse fossili).

Le plastiche possono derivare completamente o parzialmente da biomasse (=risorse

rinnovabili). L’uso di risorse rinnovabili dovrebbe portare ad una maggiore sostenibilità delle

plastiche. Sebbene anche le risorse fossili siano naturali, non essendo rinnovabili non sono

considerate come fonte di plastiche bio-based. Per definire in che misura una plastica è

bio-based, vedi la sezione relativa al contenuto di carbonio bio-based. Spesso ci si riferisce

ai materiali bio-based come a biomateriali, anche se in senso stretto i due termini non sono

sinonimi (vedi Biomateriali). L’uso del termine ‘biomateriale’ come sinonimo di plastica

bio-based dovrebbe essere disincentivato, in quanto inappropriato.

Biomassa – materiale di origine biologica escludendo i materiali fossilizzati o geologici

(= risorse rinnovabili).

I termini biomassa e risorsa rinnovabile hanno lo stesso significato in termini di tipo di fonte da

http://en.european-bioplastics.org/

21

cui il materiale è ottenuto e di tempo di ricostituzione della stessa. Una risorsa rinnovabile è

una risorsa che può essere ricostituita ad una velocità confrontabile con quella del suo sfrut-

tamento. La biomassa può essere di origine animale, vegetale o microbica.

Biobased – proveniente da biomassa.

Contenuto di carbonio bio-based – contenuto di carbonio derivato da biomassa, come

frazione in peso del carbone organico totale presente in un materiale.

Il contenuto di carbonio bio-based viene determinato in maniera precisa mediante la misura

del contenuto dell’isotopo 14C (il 14C nelle risorse rinnovabili è molto più alto che in quelle

fossili, visto che ha tempo di dimezzamento di 5730 anni). Questo metodo è alla base dello

standard ASTM D-6866: Metodo di prova standard per la determinazione del contenuto

bio-based di campioni solidi, liquidi e gassosi tramite analisi del carbonio radioattivo.

Ulteriori metodi standard di questo tipo sono attualmente in fase di sviluppo. Sono disponibili

certificati e loghi di certificazione basati sullo standard ASTM D-6866-08 per materiali con

diverso contenuto bio-based.

Termine con significato analogo è “contenuto bio-based” (ASTM D-6866-08). Il termine

“contenuto di biomassa” è definito come frazione in peso del materiale originata da

biomassa (CEN/TR 15932:2009).

Biomateriale – materiale per applicazioni in campo biomedico.

Si vedano le definizioni fornite dalla Società Internazionale dei Biomateriali:

http://www.biomaterials.org/index.cfm

Sostenibilità – termine generale che descrive il fardello, in termini di risorse, associato ad un

processo o prodotto.

Ci sono due ambiti principali in cui si affronta la sostenibilità. Il più ristretto si focalizza

esclusivamente sull’uso di materiali e risorse energetiche. Il più ampio tiene conto anche di

aspetti di tipo sociale e considera la sostenibilità come composta da elementi di tipo

economico, sociale ed ambientale. Quest’ultima definizione è considerata più vaga a causa

della natura arbitraria dei parametri e criteri utilizzati, mentre la prima ha un carattere più

tecnico. La definizione più comunemente usata per la sostenibilità è quella presentata alla

conferenza di Rio sul cambiamento climatico: L’ uso delle risorse che non comprometta la

possibilità delle generazioni future di usarle a loro volta. Un’altra definizione (derivato dal

sole in tempo reale), che si incentra sulla rinnovabilità dei materiali e dell’energia è stata

coniata da R. Baum. Il punto cruciale in entrambe le definizioni è che la sostenibilità non è

compatibile con il consumo di risorse fino al loro esaurimento totale e definitivo. La seconda

definizione riconosce che il sole è la sola sorgente di energia (di cui c’è bisogno anche per la

creazione di biomassa).

http://www.biomaterials.org/index.cfm

22

Gli strumenti chiave identificati per valutare la sostenibilità possono essere raggruppati in

quattro categorie principali:

1. Strumenti di governo sostenibili (es. GGP);

2. Metodi e strumenti per la valutazione degli impatti ambientali, economici e sociali (es.

LCA);

3. Strumenti per la gestione e la certificazione ambientale (es. EMAS);

4. Strumenti per la progettazione sostenibile (es. ecodesign).

La sostenibilità viene comunemente misurata utilizzando il Life Cycle Assessment (LCA), un

metodo sistematico ed obiettivo per valutare e quantificare l’energia, le conseguenze

ambientali ed i potenziali impatti associati con un prodotto/processo/attività attraverso il suo

intero ciclo di vita, dal reperimento delle materie prime fino alla fine della sua vita (“dalla

culla alla tomba”). In questa tecnica, tutte le fasi del processo produttivo sono considerate

come correlate ed interdipendenti, rendendo possibile valutare gli impatti ambientali

cumulativi. A livello internazionale, l’LCA è regolamentata dagli standard ISO 14040 e ISO

14044. L’LCA è il principale strumento per applicare il ‘Life Cycle Thinking’ (LCT). L’LCT è un

approccio culturale fondamentale perché prevede di considerare l’intera catena produttiva

ed identificare quali miglioramenti ed innovazioni possono essere apportati. L’LCA è anche

nota come “analisi del ciclo di vita”, “eco-bilancio” e “analisi dalla culla alla tomba”.

Fonti:

1. Plastics – The Facts 2010, European Plastics, 2010 http://www.plasticseurope.org/

documents/document/20101006091310-final_plasticsthefacts_28092010_lr.pdf

2. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled

by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997).

XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic,

J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins

3. EN ISO 472 Plastics - Vocabulary

4. Technical report CEN/TR 15932: 2010 Plastics - Recommendation for terminology and

characterisation of biopolymers and bioplastics, European Committee for Standardiza-

tion, Brussels, March 24, 2010

5. ASTM D883 - 11 Standard Terminology Relating to Plastics (including literature related

to plastics terminology in Appendix X1)

6. EN 13193:2000 Packaging – Packaging and the environment – Terminology

7. EN 13432:2000 Packaging - Requirements for packaging recoverable through compo-

sting and biodegradation

8. EN 14995:2006 Plastics: Evaluation of compostability

9. Council of the European Union, Improving environmental policy instruments. Council

conclusions, Brussels, 21 December 2010

http://www.plasticseurope.org/documents/document/20101006091310-final_plasticsthefacts_28092010_lr.pdf

http://www.plasticseurope.org/documents/document/20101006091310-final_plasticsthefacts_28092010_lr.pdf

http://goldbook.iupac.org/

23

APPENDICE — CASI DI STUDIO

Nelle pagine seguenti si riportano in forma di ‘Poster’ alcuni Casi di Studio realizzati

nell’ambito del Progetto PLASTiCE, allo scopo di illustrare gli aspetti più importanti da

prendere in considerazione quando si intenda avviare un’attività che comporti la

produzione, trasformazione, distribuzione, utilizzo e/o smaltimento di plastiche

biodegradabili. I Casi di Studio sono stati presentati in questa forma durante la Conferenza

“3rd International PLASTiCE Conference-Future of Bioplastics”, tenutasi a Varsavia (Polonia)

in Ottobre 2013.

CS 1A — Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste

stream

CS 1B — Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste

stream

CS 2B — Systematic approach for sustainable production for bioplastics - Composting

CS 3 — Sustainable plastics materials in hygiene products

CS 4&5 — Production of packaging for eggs made from BDPs

CS 6A — Introduction of biodegradable plastics into drinking straw production

CS 6B — Introduction of biodegradable materials into production of twines for

agriculture

Innovative value chain developement for sustainable plastics in Central Europe

INTRODUCTION

Biodegradable plastics when properly disposed with organic waste are in appearance indistinguishable from non-degradable plastics. In some

processes they are excluded from the organic waste stream and are incinerated or landfilled. This completely annihilates the potential of biodegradable

plastics to be integrated in the natural material cycles. A solution is the introduction of a labelling method that is simple for application to different

compostable materials, simple for use in the waste management system and should be as specific as possible to avoid counterfeit products were tested.

PROCESS

CONCLUSION

Printing on biodegradable materials is feasible both in laboratory and industrial scale

The main risk is verification of the separation of biodegradable bags marked with markers from nonbiodegradable due to the to small amounts of

printed material to be tested in real situation of waste management.

When using dyes for marking biodegradable materials/products it is feasible to use existing technology and materials that are already available on

the market. This way we can solve the identification problem of biodegradable plastics in the waste management system and make sure that

compostable plastics do not end up in the landfills but are properly disposed.

UV marker printing should be no more than 48 hours after extrusion process for better print quality.

CS 1A—Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream

U. Kropf1, S. Gorenc2, P. Horvat3, A. Kržan3

1Centre of excellence Polymer Materials and Technologies PoliMaT, Tehnoloski park 24, 100 Ljubljana 2Plasta production and trade, Kamnje 41, 8232 Šentrupert 3National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana

IR DYES

IR dyes are an attractive option since the IR spectral range is less occupied

than the UV spectral range. No commercial IR dye was directly available.

An IR pigment (100 g in total) that was turned into dye which was modified

several times in order to achieve the most suitable texture and adhesive

properties to be applied on the selected plastic materials—Bio PE and PLA.

As printing substrate two bioplastic materials (bioPE and PLA) in form of a

40 μm thick film on a roll were used. Both materials were treated with

corona on the surface to achieve better printing results.

PRINTING and DETECTION

Laboratory IGT printing was used to simulate flexography.

Printing on paper Printing on plastics

NO problems Very thin film—extension and twisting

Bad adhesion of the dye—issue solved with

modification of the dye

Figure 1 From top: 1) paper with

normal dye 2) paper with IR dye 3) PLA with

IR dye 4) PLA with normal dye 5) PE with

normal dye 6) PE with IR dye (paper be-

hind)

Under visible light different materials printed with different dyes have the

same appearance. Trouble with adhesiveness can be observed in Figure 1.

With an IR detector normal black dye is invisible and the IR black dye is

visible as black. Detection is possible with an IR camera.

IR spectrum of the print without IR dye and with IR dye on paper and PLA

film

Figure 2 IR reflection spectrums of the

paper samples. Through the entire UV the

sample is black (very low reflection), VIS

and NIR if the dye does not contain IR

pigment. With the addition of the pigment

one can observe no changes in UV or VIS

but a significant difference in IR where the

reflection increases.

UV DYES

A commercially available UV dye was tested.

SELECTION OF THE MATERIALS and PRODUCTION OF FILMS

Two materials certified as biodegradable were selected:

Ecovio F FILM EXP (supplier BASF AG) and Prismabio 91319 (supplier

FIPLAST srl). The total quantity of material used for testing, was approx.

600 kg. The transformation of materials was made from LDPE MFI 2 to

biodegradable material – without problems – only correction was

reduction of temperature profile to 150 °C. Prior to processing it was very

important to dry materials (3 hours at 55 °C to 60 °C). Films used for

production of UV marked biodegradable bags were prepared by the

blown film extrusion process on a mono-layer KUHNE line:

PRINTING and DETECTION

Flexography UV pr int ing was

performed on Kleine 2+2 equipment.

For UV printing it is possible to use

solvent or water based printing inks.

For the purposes of this study (part of

detection with UV ink) we have

decided to use solvent based printing

ink Termosac Rivelatore UV 012465,

manufacturer Colorprint srl. Printing did

not cause any additional problems.

Figure 5: Left: Control of print during flexoprinting. Right: UV photo of the Ecovio bag printed with UV marker.

Type of extruder Φ70 mm with 30D

Balloon diameter Max. 1600 mm

Type of screw low temperature screw

Die head Φ 250 mm with GAP 1,2 mm

Capacity up to 260 kg/h

Winder 2x Kolb 1800 mm

Thickness 7 - 40 μm Figure 3: Blown film extrusion

Figure 4: Blown film extrusion

This project is immplemented through the Central Europe Programme co-financed by the ERDF

25


INTRODUCTION

The case study concerned the testing of markers for biodegradable plastic products to improve the identification of biodegradable materials in the

municipal waste stream. A producer of biodegradable bags and a composting facility for biodegradable waste were involved. After selection of

commercially available markers, printing and identification tests were performed on plastic bags. The participants in the case study focused on the

development process of biodegradable plastic products with markers with the aim to verify viable solutions for future application. Cooperation between

the Centre of Polymer and Carbon Materials on the one hand and the Institute of Low Temperature and Structural Research Polish Academy of Sciences

and the Faculty of Environmental Engineering of the Wrocław University of Technology on the other hand, allowed to verify ava ilable solutions on the

market and to prepare masterbatches containing different types of markers. With the selected markers the company Bioerg performed coloration of

granulate for the preparation of labeled bags (MaterBi with 10% masterbatches, final content of marker 1%).

PROCESS

CONCLUSION The case study showed that these kinds of markers do not fit for manual selection of biodegradable bags in traditional waste streams. However they could be applied in full automated selection systems.

CS 1B—Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream

M. Musioł, W. Sikorska, G. Adamus, M. Kowalczuk, J. Rydz, M. Sobota Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials 34. M. C. Sklodowska St., 41-800 Zabrze, Poland


Three kinds of plastic bags (GP2, BP2, GP1) with different types

of masterbatches—exposition tests

In the next stage Bioerg produced labeled bags and delivered them to the

Centre of Polymer and Carbon Materials for composting tests under laboratory scale.

The laboratory degradation test of labeled bags no. B-P2 was

performed in Micro-Oxymax respirometer (COLUMBUS INSTRUMENTS S/N 110315), to

see the behaviour of the bags in laboratory compost. During the

incubation, the samples gradually disintegrated, however the particles were still able to

emit light. This is an important finding in case this kind of bags end up in regular waste

streams:

Respirometer Micro-Oxymax COLUMBUS INSTRUMENTS S/

N 110315 and composting tests at the laboratory scale

Testing of the segregation effectiveness was conducted at the Sorting and Composting Plant in

Zabrze. The labeled bags after UV irradiation were placed on the moving belt. After turning off the

lights, the waste stream was observed. The test showed that acceptable results could only be reached

under full dark room conditions, what is difficult to achieve in existing waste selection plants.

26


CONCLUSION

The experiences in the case studies showed that the joint R&D scheme is necessary to initiate a wide cooperation process between all partners in the biodegradable plastics value chain in Central Europe.

Additionally one of the critical success factors is the full cooperation of the staff of company.

Some cooperation initiatives highlighted new issues and framework conditions for successful production of biodegradable packaging, implementation of these kinds of packaging under market conditions and

selection and final composting of such packaging.

CS 2B—Systemic approach for sustainable production for bioplastics - Composting

M. Musioł, W. Sikorska, G. Adamus, M. Kowalczuk, J. Rydz, M. Sobota Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials 34. M. C. Sklodowska St., 41-800 Zabrze, Poland

INTRODUCTION

The international project PLASTiCE is devoted to the promotion of new

environmentally friendly and sustainable plastic solutions. The main goal of

this Project is elaboration a transnational roadmap for technology transfer

from science to biodegradable plastics industry based on a joint R&D

scheme. A roadmap for a transnational R&D scheme will allow companies

to enter much quicker into a technology transfer process in the future and to

relay on the expertise from a transnational team of researchers.

The communication present the results one of the case study 2B „Systemic

approach for sustainable production for bioplastics - Composting“, which

concerns mainly the selective organic waste collection and studies of the

biodegradation process of plastic packaging.

PROCESS

The idea behind the case study 2B is to set up a separate waste stream

process by way of delivering grocery shops and super markets

biodegradable waste bags (from Bioerg company) to select organic waste

at the source. The Społem chose two shops as a place for implementation

of this case study. Waste bins with the bags were installed near fruit and

vegetable departments. The super market staff disposed organic waste to

the bins. Waste was collected in the period 01.08 - 30.09.2012 with a

frequency of once a week. The total amount of collected waste was 1280

kg, this means an average of 640 kg of organic waste per month from two

stores. Next, the composting facility in Zabrze (A.S.A company) received

organic waste from the selected stores in order to perform composting

process.

The containers consisted approximately of 40% kitchen organic waste,

20% leaves, 20% branches and 20% grass. The conditions in container

were computer-controlled, which allowed to read the current temperature

of the process. [M. Musiol M; J. Rydz; W. Sikorska; P. Rychter; M.

Kowalczuk Pol. J. Chem. Tech. 2011, 13, 55]


Waste bins with biodegradable bags in Społem shops and schematic diagram of the organic recycling of

packaging materials

27


INTRODUCTION

Hygiene products are mostly single use/disposable products and are therefore contributing to large amounts of plastic waste. A short market research

identified compostable tampon applicator, biodegradable surgical tweezers, blisters, diapers for children and elderly and also pet products as possible

bioplastics applications. According to market demand we have selected to perform test production of biodegradable tampon applicators and single use

surgical tweezers.

PROCESS

MATERIAL REQUIREMENTS

The most important requirements for those products is their safety. A product that comes in contact with human body must not have any negative effects.

Within the EU tampons have to follow the European General Product Safety Directive 2001/95/EC on general product safety. The directive holds

manufacturers responsible for providing products that are safe to use. Article 2 of the directive sets requirements that need to be fulfilled for a product to

be recognized as safe (safe product). Technical and processing requirements: only few processing changes can be made.

SELECTION OF THE CS APPLICATIONS AND TEST PRODUCTIONS

Based on the market demand, material properties and molding requirements we have selected the following two applications: tampon applicator and

surgical tweezers.

CONCLUSION

The production of biodegradable tampon applicators and biodegradable tweezers was not fully successful, however is developed further. It is time

consuming to find the right material for production of specific hygiene/medical device products and the process must be taken case by case. Because

bioplastics have different processing properties some adjustments in the production process are necessary (time, pressure, molds, etc.).

With adjustments processing of bioplastics is possible with conventional equipment. Introduction of bioplastics into production of hygiene products is time

consuming but feasible.

CS 3—Sustainable plastic materials in hygiene products

A. Zabret1, U. Kropf2, P. Horvat3, A. Kržan3,

1 Tosama, Vir, Šaranovičeva cesta 35, 1230 Domžale, Slovenia 2 Centre of excellence Polymer Materials and Technologies PoliMat, Tehnoloski park 24, 100 Ljubljana, Slovenia 3 National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana, Slovenia

TAMPON APPLICATORS

Tampon applicator is a simple tool for inserting a tampon into the human

body. A tampon applicator consists of two tubes, one bigger and one

smaller and is presented in the picture below. At the moment tampon

applicators are made from PE. The current market demand for tampons in

the EU is approximately 15-20 billion tampons per year.

TEST PRODUCTION OF TAMPON APPLICATORS

Tampon applicators are produced by injection molding. Technical

requirements are given according to processing limitations of the existing

production technique.

6 materials were tested: 3 starch based materials and 3 PHA materials.

An acceptable

prototype on which

artificial ageing is

currently carried out.


SIMULATED COMPOSTING

Project partner 11 established a method for simulated composting of plastic materials described according to the standard EN 14806 “Packaging -

Preliminary evaluation of the disintegration of packaging materials under simulated composting conditions in a laboratory scale test.

Figure: Left: Glass reactors for determination of disintegration (one is full, three are empty – photo taken in the

middle of the preparation) Reactors are placed into large thermostatic chamber kept at 58 oC ± 2 oC. Total

capacity of the box is up to 15 reactors (more if smaller reactors are used). The box itself was custom made for

the intention of determination of disintegration within the PLASTiCE project. Right: Thermostatic chamber for

determination of disintegration of plastic materials in controlled laboratory conditions.

SURGICAL TWEEZERS

Tweezers are a useful and simple tool, used in medicine. We decided to

produce tweezers from a PHA-based material because they are resistant

to higher temperatures and would likely be suitable for steam sterilization.

TEST PRODUCTION OF TWEEZERS

Tweezers are produced with injection

molding. One injection cycle produces

16 tweezers and each cycle uses cca.

100 g of the material although the mass

of each tweezer is only 4.7 g; 25g of

the material goes for a massive sprue.

Processing temperature of PHA was

lower than the temperature for conven-

tional plastics. Also the overpressure at

the end of the extruder was lower (5X)

and the pressure profile in the extruder

is lower. The obtained tweezers were

well formed and had acceptable

performance.

ADDITIONAL PROCESSING OF THE TWEEZERS

Because tweezers used in medical applications need to be sterile we

tested how the water steam sterilization influences the products. Steam

sterilization negatively affected closing and torsion of the forceps and the

brittleness of the material increased. Other methods of sterilization might

be better suited for this material.

28


INTRODUCTION

This case study concerned the preparation of compostable material suitable for processing by blistering technology possessing the required mechanical

properties and acceptable price. The aim was to develop fully compostable packaging for eggs, serving as an example of successful application for

other companies that are not sure about benefits of these kind of applications.

CS 4 & 5— Production og packaging for eggs made from BDPs

Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences (Slovakia)

University of Technology in Bratislava,(Slovakia)

PROCESS

The material made from biodegradable plastics was adjusted on laboratory scale for packaging for eggs, especially regarding ultimate properties, price and processing parameters. Pellets made from a new biodegradable blend (based on PLA and PHB) was prepared in four slightly different alternatives mainly differing in processing details, with the aim to various processing parameters to be able to adjust the blend for fixed conditions in the pilot experiment.

Twin-screw extruder for pellets preparation

Product prototypes

The four compositions were tested under laboratory conditions regarding

foil extrusion and consequent vacuum thermoforming. All compositions

showed good processability both in extrusion and in thermoforming of

6-pack egg packaging, similar to reference materials, namely polystyrene

(used nowadays) and polylactic acid (standard biodegradable material

supposed to be easily processed).

In the meanwhile an external company made a thorough economic

analysis (feasibility) of the production for three different kinds of packaging.

Thermoforming process study

CONCLUSIONS

Biodegradable material suitable for vacuum thermoforming was tested and

packaging for eggs has been produced under laboratory conditions. This

case study confirmed that industry and the research sector can overcome

specific challenges in the production process and that it is possible to

develop new biodegradable blends in a relative short period of time.


29


CS 6A—Introduction of biodegradable plastics into drinking straw production

P. Horvat1, A. Kržan1, U. Kropf2, M. Erzar3

1National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana 2Centre of excellence Polymer Materials and Technologies PoliMaT, Tehnoloski park 24, 100 Ljubljana

3 Pepiplast d.o.o., Cesta goriške fronte 46, 5290 Šempeter pri Gorici

INTRODUCTION

Drinking straws are disposable single-use products with a long history and although straws are small they result in a substantial amount of plastic waste

that is often dispersed in nature. Biodegradable plastic straws offer the same convenience as classic drinking straws with no or limited downside of the

plastic waste issue. With this CS we could ease the transition of drinking straw production from conventional materials to bioplastics.

PROCESS

CONCLUSION

From food contact testing results we can conclude that bioplastics can be used for food contact, important is that we take into consideration actual use

conditions and do not use all materials for all purposes.

Although the material was intended for production of straws some processing adjustments e.g. temperature, pressure, screw rotation, production speed,

etc. were necessary. Because production of straws from biodegradable materials is already well established elsewhere the producer of the material

could offer us the right material.

The implementation of biodegradable plastics into straw production was fast and simple because we had a partner with long history of production of

biodegradable straws. The company is also producing their own equipment for production of straws and knows how the machines are working and their

wealth of experiences was also one of the main reasons why this case study was concluded so quick.

We conclude that there is a significant benefit when the operator has long time experiences with production of similar or the same products, knows the equipment and if we have the material intended for exactly this product.

The main advantage is the existence of the material intended for specific use, which allowed CS 6A to proceed with relative ease.

FOOD CONTACT TESTING

Drinking straws are a product that is intended to come in contact with

foodstuff. Due to lack of information regarding overall migration from

bioplastics we tested several products made of bioplastics to see if they

are suitable for use in food contact applications.

We analyzed the overall migration of non-volatile substances from

bioplastic items such as packaging and utensils into aqueous food

simulants. The tested samples were commercially available products made

of polylactide (PLA) and thermoplastic starch (TPS). For all 7 tested items

and/or materials it can be expected that they may come in contact with

foodstuffs. Testing was performed according to the standard EN 1186 in a

laboratory accredited according to EN ISO/IEC 17025. Test methods for

overall migration into aqueous food simulants a) by article filling, b) by

total immersion, and c) by cell were used. The materials were exposed to

aqueous solutions simulating actual use conditions and up to three

migration cycles were performed. FT-IR spectroscopy was used for sample

characterization and for identification of migrated substances. Total

migration was quantified using the evaporation method.

Figure 1: Migration cell,

dismantled (left) and during the migration (right)

The migration of non-volatile substances from bioplastics was determined

by evaporation method. Overall migrations from all PLA samples and most

TPS samples was below the level of detection, only one overall migration

from TPS foil was above the legal limit but the product was not intended to

come in contact with foodstuff (bags).

PRODUCTION OF STRAWS

Conventional straws are made from PP and the plan was to replace PP

with a bio-based and biodegradable material which was already

prepared to be used for production of this specific product. The used

material was PLA based blend MaterBi CE01B.

In the conventional production the set-up of the system was well optimized

and the system was very stable. This is crucial since a very high throughput

(900 pcs/min) must be reached in order to have a sustainable production.

When switching to the bioplastics optimizing the new set-up of the system

was quite complicated. A number of times the system collapsed only one

step before it was set up. After suitable conditions were found the system

was stable.

The production temperatures were lower than for PP. The biggest

difference when comparing PP straws and straws made from bioplastics is

in mass (biodegradable is approx. 50 % heavier) but this could still be

improved. We also tested production of straws with hinges (knees) and

observed no problems.

Figure 2: Introduction of melt through the

cooling system and into the haul-off.

Figure 3: Left: The production line from the extruder to the haul-off (first

part) and the rotary cutter (second part) Middle: System for collection of

straws, Right: PepiPlast/PLASTiCE biodegradable straws


30


The company involved in the Case Study produces polypropylene twines for agricultural use and joined the Case Study with the intention to substitute the

polyolefin used for production with a biodegradable polymer.

Material change over time for twine production

Selection of the polymer

All materials taken into account as potential candidates were thoroughly characterized using a range of techniques (DSC, DMTA, TGA, TGA-MS, XRD,

SEM, FTIR, mechanical properties etc.), in order to allow final selection of the materials to be processed at the company’s p lant. Only two potential

candidates were selected for twine production, based on proven soil biodegradability and commercial availability:

Polyester (A)

Polyester Blend (B)

Twine processing trials and characterisation of the product

After some trials with Polymer A at the factory’s production line, where

problems with polymer film stretching after extrusion were experienced,

laboratory trials on a small-size extrusion machine (fig. 1) were carried out.

The results using Polymer A were encouraging and a demonstration twine

was produced (fig. 2). Mechanical properties of the thread were in the

range expected for the twine application.

Polyester B didn’t provide good results.

CONCLUSION

Important points to be taken into consideration for potential substitution of the presently used polyolefins with biodegradable polymers for twine

production are:

Biodegradability in soil is a fundamental requirement

The material must stand the applied high draw ratio after the extrusion

The twine mechanical properties (strenght) must comply with application requirement

Price of new polymer is a crucial factor

CS 6B—Introduction of biodegradable materials into production of twines for agriculture M. Scandola, I. Voevodina

University of Bologna, Chemistry Department “G. Ciamician”, Selmi 2, 40126 Bologna, Italy


Advantages of twines from biodegradable polymers for

agricultural applications:

Ploughing-in of soil-biodegradable twines after use instead of

collecting them from the field and disposing as waste

Improving the quality of the soil by using twines with added

fertilizers to be released in soil in a controlled manner

Main parameters considered in selection of biodegradable polymers for

their use in twine production:

biodegradation in soil

appropriate mechanical properties

acceptable price

Steps of the Case study:

analysis and selection of biodegradable polymers available in the

market

characterization of physico-chemical properties of selected

polymers

twine processing trials

characterization of the product

Simplified scheme of production line

for twines at the company site

Figure 1 Figure 2

32

La plastica è un compagno di viaggio della vita moderna con cui abbiamo un rapporto ambivalente:

l’apprezziamo per la sua convenienza, ma la detestiamo perché inquina l’ambiente. Le bioplastiche

sviluppate di recente sono biodegradabili o derivate da fonti rinnovabili, dunque sono più sostenibili.

PLASTiCE promuove i sistemi di ricerca congiunta che espongono ai produttori le possibilità offerte

dalle bioplastiche ed i piani d’azione che portano alla commercializzazione di nuovi tipi di plastica.

La plastica migliore produce meno rifiuti

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UNA TABELLA DI MARCIA PER AGIRE - DALLA SCIENZA ALL ... · reti, vassoi espansi per alimenti) ......

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