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Le industrie produttrici e trasformatrici di materie plastiche fanno uso della
tecnologia del riciclo reintroducendo gli scarti di lavorazione nel ciclo produttivo che
li ha generati. Questa procedura, conosciuta come riciclo primario, è molto utilizzata
in quanto consente di ottenere un’elevata efficienza del ciclo produttivo.
Ma dal punto di vista ecologico e commerciale è sicuramente più interessante il
riciclo meccanico delle materie plastiche post-consumo,detto anche riciclo
secondario. Il processo prevede che i polimeri termoplastici, dopo essere stati
raccolti, separati, lavati, granulati ed essiccati, vengono fusi e ritrasformati in nuovi
manufatti. Tuttavia i prodotti così ottenuti sono destinati generalmente ad impieghi di
basso valore. Ciò è dovuto al fatto che i rifiuti plastici,quasi sempre, sono costituiti da
miscele polimeriche, per lo più incompatibili, per cui i manufatti ottenuti mediante
riciclo secondario presentano caratteristiche più scadenti di quelle che si avrebbero
utilizzando polimero vergine. Inoltre, il materiale, sottoposto a numerosi cicli di
lavorazione, può andare incontro a processi di degradazione termica e meccanica, che
ne riducono considerevolmente le proprietà.
Nell’ipotesi di un reimpiego del materiale in settori nobili, quale quello del food
packaging , è necessario garantire la compatibilità del prodotto di riciclo con gli
alimenti con i quali deve venire a contatto. Infatti, le plastiche post-consumo
utilizzate in un processo di riciclo potrebbero essere contaminate da sostanze estranee
(residui di prodotti alimentari, additivi, inquinanti chimici, etc…) e dei loro prodotti
di degradazione. Ciò potrebbe influenzare le proprietà organolettiche e di migrazione
del polimero in modo da renderlo non più adatto per l’impiego nel settore del
confezionamento alimentare.
Quando si effettua,invece, il riciclo per via chimica, riciclo terziario, tutti questi
problemi non sussistono. In tal caso, infatti, i rifiuti plastici recuperati vengono
selezionati, lavati e sottoposti ad una serie di trattamenti chimici di
depolimerizzazione che rigenerano i monomeri di partenza. Questi poi possono essere
purificati fino al grado di purezza desiderato prima di essere ripolimerizzati e
rilavorati.
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Pertanto un polimero ottenuto a seguito di un processo di riciclo terziario è del tutto
equivalente ad un materiale vergine. Il riciclo chimico dal punto di vista della qualità
del prodotto finale appare indubbiamente come il processo più efficiente,ma i costi
elevati lo rendono economicamente svantaggioso e di scarsa rilevanza pratica e
commerciale.
I.1 Plastiche riciclate per il settore del ‘food packaging’
Per imballaggio si intende quel materiale utilizzato per conservare i prodotti e
proteggerli durante le funzioni di distribuzione, movimentazione ed
immagazzinamento.
Quello dell’imballaggio è un mercato molto ampio e sicuramente il settore alimentare
ne costituisce gran parte.
Il crescente interesse rivolto alla possibilità di riciclare le materie plastiche ha
stimolato negli ultimi anni lo sviluppo di indagini teoriche e sperimentali mirate
all’analisi dei seguenti punti:
- identificazione di nuovi mercati e nuove applicazioni dei prodotti di riciclo
- progettazione e ottimizzazione dei processi
- introduzione del concetto di riciclabilità nella progettazione dei manufatti
plastici.
In particolare, si è sviluppato un forte interesse riguardo alla possibilità di riutilizzare
i materiali di riciclo per imballaggi alimentari, qualora ne sia garantita la
compatibilità con gli alimenti con cui devono venire a contatto.
Le alternative attualmente disponibili per la produzione di imballaggi per alimenti a
partire da materie plastiche post-consumo sono due. La prima alternativa consiste nel
produrre imballaggi costituiti dal 100% di polimero riciclato; tuttavia rappresenta
l’approccio più critico perché il materiale riciclato è a diretto contatto con l’alimento.
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Il secondo approccio consiste, invece, nel produrre imballaggi a composizione mista
vergine/polimero riciclato. In particolare, un notevole interesse è stato rivolto allo
studio del comportamento di film polimerici composti da materiale vergine e
materiale riciclato, realizzati o mediante la preparazione di sistemi multistrato o
mediante la miscelazione diretta dei due componenti. In questo ultimo caso la
sicurezza tossicologica deriva dal controllo effettuato sulla composizione quali-
quantitativa della miscela polimerica.
Nel caso di sistemi multistrato la protezione dell’alimento è assicurata interponendo
uno strato di polimero vergine, che agisce da barriera funzionale al trasporto di
eventuali contaminanti,tra lo strato riciclato e l’alimento stesso. Con questa tecnica si
riduce il costo del manufatto e si riesce ad utilizzare i polimeri riciclati anche in
quelle applicazioni per cui non è possibile utilizzarli, come, ad esempio, a contatto
con gli alimenti.
Tra le materie plastiche più utilizzate ci sono le poliolefine, materiali termoplastici
parzialmente cristallini, caratterizzati da buona resistenza chimica e buone proprietà
d’isolamento elettrico. Data la loro facilità di trasformazione secondo quasi tutte le
usuali tecnologie e visto il loro conveniente costo, trovano oggi un impiego così
ampio da risultare tra le più importanti materie plastiche.
Le poliolefine combinano un basso costo con buone caratteristiche come la durezza,
la rigidità, la resistenza all’urto, il basso peso, la resistenza alla corrosione, la
versatilità a varie applicazioni. Le poliolefine che vengono utilizzate nell’ambito
dell’imballaggio sono polipropilene e polietilene, ed è proprio di questo che ci
occuperemo in questo lavoro di tesi.
Il polietilene(PE) è un polimero dalla struttura molto semplice costituita da lunghe
catene di monomeri di etilene. Le principali caratteristiche di questo materiale sono
costituite da un alto grado di cristallinità, da una buona resistenza agli agenti chimici
ed all’umidità e da un basso costo di produzione. Viceversa, limitazioni nell’uso del
polietilene derivano da una mediocre resistenza agli agenti atmosferici e da una
scarsa resistenza meccanica. Il polietilene se lasciato per lunghi periodi all’azione
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combinata degli agenti atmosferici si deteriora velocemente diventando estremamente
fragile, mentre se viene conservato in ambienti non illuminati e protetti si conserva
perfettamente nel tempo.
Il PE è forse il polimero che vediamo di più nella vita quotidiana, ed è il polimero
con cui si fanno i sacchetti dei supermercati, le bottigliette per lo shampoo, i
giocattoli per bambini ed anche i giubbotti antiproiettile.
Le proprietà di tale polimero dipendono da tre fattori principali:
ξ peso molecolare;
ξ la % di cristallinità;
ξ la distribuzione dei pesi molecolari.
L’American Society for Testing and Materials(ASTM) ha diviso i polietileni in
quattro grandi categorie in base alla densità: High (HDPE), Medium(MDPE), Low
(LDPE) and Linear Low Density Polyethylene (LLDPE).
Tipo Densità nominale (Kg/m
3
)
LDPE 910-925
LLDPE 926-940
HDPE ≥960
Tabella I. 1
L’industria non segue però questa indicazione e comunemente divide polietileni in
due principali categorie: polietilene alta densità (HDPE) ≥940 Kg m
-3
, e polietilene
bassa densità (LDPE) 915-939 Kg m
-3
. La formula chimica di queste due famiglie è
identica, infatti si tratta di un concatenamento più o meno lungo di CH
2
, quello che
cambia è il modo con cui le catene molecolari si dispongono tra loro. La differenza
principale tra i due tipi di polietilene sta nella diversa cristallinità, dovuta in
particolare alla loro differente struttura molecolare (Fig 1.1), che naturalmente
influenza le proprietà dei materiali.
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Figura I. 1 Struttura molecolare dell’HDPE, dell’LDPE e dell’ LLDPE
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Tale distinzione è importante perché è riferita a proprietà e ad impieghi molto diversi,
così come gli stessi processi di produzione.
PROPRIETA' LDPE LLDPE HDPE
Densità (g/cm
3
) 0,915-0,93 0,915-0,95 0,96-0,97
Cristallinità (%) Max 35 30-35 70-80
Tg (°C) -130 -130 -120
Tm (°C) 105-115 125-130 134
Tabella I. 2 Confronto tra i diversi tipi di polietilene
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I.2 Obiettivo della tesi
Il lavoro di tesi riguarda l’utilizzo di PE riciclato (post-consumo) in sistemi
polimerici multistrato realizzati con materiale vergine e di riciclo per ottenere
manufatti con proprietà meccaniche ed estetiche competitive.
Infatti, non è sempre possibile ottenere manufatti con le proprietà desiderate usando
un unico materiale, per cui si progettano dei veri e propri sistemi multistrato
coestrusi. La scelta dei materiali, la loro posizione reciproca e la scelta degli spessori
sono i parametri che conferiscono alla struttura multistrato proprietà superiori rispetto
a quelle dei singoli materiali. Il presente lavoro di tesi rappresenta la fase preliminare
per uno studio sul valore ottimale dello spessore che deve possedere lo strato di
polietilene riciclato per evitare fenomeni di migrazione, e quindi, la contaminazione
dell’alimento nel caso di imballaggi alimentari.
Usando materiale riciclato a contatto con quello vergine piuttosto che un altro tipo di
materiale appartenente alla stessa famiglia è possibile ridurre il costo dell’articolo ed
avere la possibilità di utilizzare i polimeri riciclati in un maggior numero di
applicazioni.
La progettazione ottimale di un sistema multistrato consiste quindi nella scelta di una
struttura dove ogni singolo strato, con un certo spessore ed in una determinata
posizione, conferisce alla struttura la funzione voluta.
La prima parte del lavoro di tesi è stata focalizzata sullo studio del comportamento
reologico e termico di alcuni polietileni allo scopo di individuare tra questi quello più
compatibile con il polietilene rigenerato.
Una volta scelto il materiale più compatibile, il lavoro si è incentrato sulla
progettazione vera e propria del sistema multistrato per la produzione di film piani
grazie all’uso del programma di simulazione Layercad. Si tratta di un software di
simulazione del processo di coestrusione usato per predire lo spessore di ogni singolo
strato, i profili di velocità, shear rate, shear stress in ogni sezione della testa e per
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predire le perdite di carico e i profili di temperatura lungo la testa di coestrusione.
Tale programma è quindi molto utile per l’analisi dei fenomeni d’instabilità di flusso
che si verificano nei processi di coestrusione.
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