UNA TABELLA DI MARCIA PER AGIRE - DALLA SCIENZA ALL INNOVAZIONE NELLA CATENA DEL VALORE

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1 UNA TABELLA DI MARCIA PER AGIRE - DALLA SCIENZA ALL INNOVAZIONE NELLA CATENA DEL VALORE Pubblicazione realizzata nell'ambito del progetto PLASTiCE supportato dal FESR.

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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 Caratterizzazione delle proprietà fisiche allo stato solido dei polimeri disponibili sul mercato Caratterizzazione della composizione e della struttura molecolare dei materiali polimerici disponibili sul mercato Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi chimici Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi fisici Ottimizzazione della lavorazione di polimeri biodegradabili Sostegno allo sviluppo di processi di produzione industriale Ricerca sulle proprietà funzionali Prove di biodegradabilità e di compostabilità CONTATTI GLOSSARIO 18 APPENDICE CASI DI STUDIO 23 3

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). 4

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 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 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, , 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, , COM(2011) 571 final, page 2 4 Green Paper On a European Strategy on Plastic Waste in the Environment, Brussels, , COM(2013) 123 final, page 15 5

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 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 ( 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, , COM(2011) 571 final, page 9 6

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. Legislazioni nazionali sulla gestione dei rifiuti Istituzioni di Ricerca Fornitori di materie prime Produttori e compounders di plastiche biodegradabili Trasformatori di plastiche rigide o flessibili Industrie utilizzatrici Distributori, rivenditori (imballaggio di imballaggi alimentare, cosmetici, biodegradabili farmaceutici, ) Distributori, rivenditori di plastiche biodegradabili Consumatori Riutilizzo, Riciclo e Compostaggio Organizzazioni pubbliche e senza scopo di lucro responsabili delle campagne di sensibilizzazione, formazione e consulenza In ogni fase della catena del valore, ci sono specifici ostacoli relativi alla ricerca e sviluppo da superare. Caratterizzazione dei polimeri disponibili sul mercato Modifiche delle proprietà dei polimeri mediante metodi chimici e fisici Ottimizzazione dei processi di lavorazione dei polimeri Progettazione di una produzione industriale efficiente Proprietà funzionali specifiche per l applicazione Prove di biodegradabilità e di compostabilità 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 desiderano modificare gli attuali processi di lavorazione per l'impiego di plastiche biodegradabili in nuove applicazioni. Per ulteriori informazioni, contattare il punto informativo nazionale (National Info Point NIP) presso il vostro paese. 7

8 Quesito 1: Che tipo di polimeri biodegradabili 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 la 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. Per maggiori informazioni vedi pagina 12. 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. Per maggiori informazioni vedi pagina 12. Dovreste anche prendere in considerazione l opportunità di avviare un progetto di ricerca che porti ad un processo brevettabile. 8

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. Per maggiori informazioni vedi pagina 13. Dovreste anche prendere in considerazione 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. Per maggiori informazioni vedi pagina 13. Dovreste anche prendere in considerazione 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 9

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. Per maggiori informazioni vedi pagina 14. 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. Per maggiori informazioni vedi pagina 15. 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. 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. Per maggiori informazioni vedi pagina 16. 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 14 C. 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. Tali attività includono la determinazione del contenuto di metalli pesanti, prove di disintegrazione e di frammentazione e prove 10

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 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 termogravimetrica, da temperatura ambiente (T amb ) 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 T amb 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 caratteristiche, delle entalpie di cristallizzazione e di fusione. La tecnica utilizzata è la calorimetrica differenziale a scansione (DSC): intervallo di temperatura da -100 C a 250 C, raffreddamento con azoto liquido, 2 scansioni per ogni campione La finestra di temperatura di lavorazione, l'impostazione dei parametri di lavorazione e la temperatura di impiego di un oggetto lavorato 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 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 invecchiamento); risposta del materiale alle sollecitazioni vibrazionali 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 comportamento del materiale allo stato solido dal contenuto di fase cristallina 14 giorni 11

12 4.2. Caratterizzazione della composizione e della struttura molecolare dei materiali polimerici disponibili sul mercato Se volete considerate la seguente attività di ricerca per ottenere più 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 Conoscere la composizione della frazione solubile del materiale Determinare se il materiale polimerico ha un peso molecolare adatto per l applicazione specifica Identificare quali additivi organici contiene la vostra plastica Determinare se il vostro materiale (PHA) è una miscela fisica o un copolimero Caratterizzazione della solubilità del materiale e determinazione della percentuale di polimero nella plastica Caratterizzazione del polimero nella plastica mediante spettroscopia NMR (Risonanza Magnetica Nucleare) Valutazione del peso molecolare del polimero con la tecnica GPC (Cromatografia di Permeazione su Gel) Analisi degli additivi mediante la spettrometria di massa (spettrometro di massa ibrido, LCMS-IT-TOF) Analisi della sequenza dei monomeri utilizzando tecniche NMR e di spettrometria di massa Il contenuto e il tipo di carica insolubile La struttura chimica del polimero (contenuto di unità specifiche) La massa molare media, la distribuzione delle masse molari e il grado medio di ramificazione La struttura chimica degli additivi organici L'omogeneità di composizione chimica del campione 7-21 giorni 7-21 giorni 7-21 giorni 7-21 giorni 7-21 giorni 4.3. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi chimici Se volete Conoscere le proprietà finali del materiale e i parametri di lavorazione Capire come modificare le proprietà del materiale disponibile in commercio Capire come ottenere proprietà di superficie specifiche considerate la seguente attività di ricerca Determinazione di proprietà fisiche dei materiali polimerici Modifica dei polimeri per ottenere proprietà specifiche, ad esempio, migliorare la resistenza ai solventi mediante reticolazione chimica Modifica dei polimeri al fine di ottenere proprietà specifiche, come migliore stampabilità tramite aumento della polarità della superficie, modifica delle caratteristiche di adesione, della stabilità termica e ossidativa 12 per ottenere più informazioni su Proprietà meccaniche, viscosità, curve di flusso, permeazione ai gas e infiammabilità del materiale Lo sviluppo del materiale con proprietà mirate all applicazione Lo sviluppo di materiali con proprietà superficiali mirate all applicazione. Tempo stimato 3-14 giorni 30 giorni (fino a 2 anni nel caso di progetto di ricerca applicata) 30 giorni (fino a 2 anni nel caso di progetto di ricerca applicata)

13 4.4. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi fisici Se volete considerate la seguente attività di ricerca per ottenere più informazioni su Tempo stimato Modificare le proprietà aggiungendo additivi a basso peso molecolare 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 quantità di un altro polimero per ottenere le pro- Lo sviluppo di materiali con proprietà mirate all applicazione 30 giorni (fino a 2 anni nel caso di progetto di ricerca applicata) prietà desiderate Modificare le proprietà mediante la miscelazione con altri polimeri Miscelazione di due polimeri su tutto l intervallo di concentrazioni. Il raggiungimento delle proprietà desiderate potrà essere ottenuto anche mediante modifica dell'interfaccia e compatibilizzazione dei componenti Lo sviluppo di materiali con proprietà mirate all applicazione 30 giorni (fino a 2 anni nel caso di progetto di ricerca applicata) Modificare le proprietà con l'aggiunta di cariche Preparazione di compositi a matrice polimerica con proprietà specifiche, ottenute mediante la modifica dell'interfaccia La possibilità di abbassare il costo globale del materiale mediante l aggiunta di additivi a basso costo con modifiche solo marginali o nulle delle proprietà 30 giorni (fino a 2 anni nel caso di progetto di ricerca applicata) 4.5. Ottimizzazione della lavorazione di polimeri biodegradabili Se volete considerate la seguente attività di ricerca per ottenere più informazioni su Tempo stimato Ottimizzare il metodo di lavorazione di un particolare materiale polimerico Determinazione dei parametri di lavorazione dei materiali polimerici selezionati I parametri della nuova linea di produzione da installare o di quelli da impostare per la procedura tecnologica sulla vostra linea di produzione attuale 7-30 giorni 13

14 4.6. Sostegno allo sviluppo nei processi di produzione industriale Se volete Stabilire se la vostra linea di produzione sarà in grado di lavorare il materiale polimerico scelto per la produzione di film Stabilire se la vostra linea di produzione sarà in grado di lavorare il materiale polimerico scelto per la produzione di imballaggi flessibili Identificare i parametri di lavorazione più adeguati Conoscere i possibili cambiamenti delle proprietà fisiche del materiale che potrebbero verificarsi dopo la lavorazione Verificare se le proprietà molecolari dei materiali cambiano durante la lavorazione considerate la seguente attività di ricerca 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 Produzione su scala di laboratorio di imballaggi flessibili Assistenza alla produzione su scala pilota in loco Controllare le proprietà meccaniche del prodotto, ad esempio effettuando prove di trazione Controllare il peso molecolare del prodotto dopo il processo di produzione per ottenere più informazioni su Le condizioni per la lavorazione del materiale su scala pilota Il comportamento a fusione e a filmatura in bolla del prodotto che si intende formare I parametri di lavorazione che vi consentono di minimizzare i rischi legati alla qualità e al costo La probabilità che avvenga degradazione e/o cristallizzazione sia nella fase di lavorazione che di stoccaggio del prodotto, nonché gli eventuali additivi da utilizzare Il grado di degradazione del materiale durante la lavorazione Tempo stimato 7-14 giorni 7-14 giorni 1-45 giorni 7-14 giorni 7-21 giorni 14

15 4.7. Ricerca sulle proprietà funzionali Se volete Conoscere la durabilità del prodotto in condizioni specifiche di conservazione e utilizzo Conoscere l'impatto ecologico del materiale Capire come i gas vengono trasmessi attraverso il prodotto Identificare possibili applicazioni dei materiali e dei prodotti da essi ottenuti Capire di più sui possibili modi per chiudere e/o sigillare il vostro materiale o prodotto Ottenere informazioni sulle proprietà fisico-chimiche del prodotto Determinare se il prodotto è adatto per applicazioni in campo alimentare Verificare la presenza di impurezze pericolose considerate la seguente attività di ricerca Metodo Xenotest utilizzato per determinare il comportamento del materiale in condizioni naturali Determinazione del carbonio organico totale e del contenuto biobased del materiale polimerico Prove di permeabilità al vapore acqueo, all ossigeno e all anidride carbonica Determinazione delle proprietà tensili (sforzo a rottura, allungamento a rottura, modulo elastico, ecc) Determinazione della resistenza allo strappo Determinazione della resistenza all'urto mediante il metodo del free-falling dart Proprietà di sigillatura (massimo carico a rottura, resistenza alla sigillatura, ecc.) Prove di Hot-tack seal DSC (calorimetria differenziale a scansione) e FT-IR (spettroscopia infrarossa) Analisi sensoriale Prove di migrazione totale e specifica delle sostanze a basso peso molecolare dal materiale ai prodotti alimentari Prove sul contenuto di monomero in materiali plastici e sull'emissione di sostanze volatili per ottenere più informazioni su Durata (shelf life) del prodotto Quanto carbonio da fonte rinnovabile è presente nel vostro materiale Possibili applicazioni del prodotto nell industria (cibi freschi, surgelati) Proprietà meccaniche ( per es. durabilità) per specifiche applicazioni Modalità di sigillatura del materiale Le temperature di applicazione del vostro prodotto e la sua idoneità per applicazioni specifiche Come il sapore e l odore sono trasferiti dal materiale al prodotto alimentare Quali sostanze migrano dal materiale al prodotto alimentare I rischi in fase di lavorazione che possono compromettere l ottenimento di certificazioni Tempo stimato* 120 giorni 30 giorni 14 giorni 14 giorni 14 giorni 7 giorni giorni 30 giorni *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) 15

16 4.8. Prove di biodegradabilità e di compostabilità Se volete considerate la seguente attività di ricerca per ottenere più informazioni su Tempo stimato Verificare quanto velocemente il vostro materiale si disintegra nel compost Capire come il vostro materiale biodegrada Capire come il vostro materiale biodegrada Ottenere informazioni sulla possibilità che il vostro prodotto riceva la certificazione e i marchi corrispondenti Prove di disintegrazione in condizioni di laboratorio: prove preliminari di biodegradazione sul materiale da imballaggio, utilizzando condizioni di compostaggio simulate su scala di laboratorio, secondo la norma EN 14806:2010 Degradazione in condizioni di laboratorio: prove di degradazione idrolitica in acqua o in una soluzione tampone Prove di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: degradazione in compost utilizzando un prove respirometriche secondo la norma PN-EN ISO :2009 Prove di (bio)degradazione e di compostabilità in impianti di compostaggio industriale (prove in mucchio di compostaggio ( composting pile ) industriale o in contenitore per compostaggio KNEER) Il potenziale di compostabilità del vostro materiale Il potenziale di degradazione del vostro materiale in ambienti specifici Il potenziale di compostabilità del vostro materiale Le condizioni per ottenere il certificato del prodotto e ottenere il diritto di contrassegnarlo con marchio di compostabilità 120 giorni Fino a 180 giorni (a seconda del tipo di materiali e delle prove standard di riferimento) Fino a 180 giorni (a seconda del tipo di materiali e delle prove standard di riferimento) Fino a 180 giorni (a seconda del tipo di materiali e delle prove standard di riferimento) 16

17 5. CONTATTI Per ulteriori informazioni, contattare: Per l Italia e l Austria Per la Repubblica Ceca e la Repubblica Slovacca Per la Slovenia e gli Stati Balcanici Università di Bologna, Dipartimento di Chimica G. Ciamician Mariastella Scandola, Professore Ordinario, Coordinatore del Gruppo di Scienza dei Polimeri Tel./Fax: / mariastella.scandola@unibo.it Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences Ivan Chodak, Senior scientist, Professor Tel./Fax: / upolchiv@savba.sk Slovak University of Technology in Bratislava Dušan Bakoš, Professor Tel./Fax: , , fax dusan.bakos@stuba.sk National Institute of Chemistry, Laboratory for Polymer Chemistry and Technology Andrej Kržan, Senior research associate Tel./Fax: andrej.krzan@ki.si Center of Excellence Polymer Materials and Technologies (CO PoliMaT) Urska Kropf, Researcher Tel./Fax: urska.kropf@polieko.si 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: / cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl COBRO Packaging Research Institute Hanna Żakowska, Deputy Director for Research Tel./Fax: ext ekopack@cobro.org.pl 17

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 polisaccaridi sono i principali costituenti degli organismi viventi. Sono principalmente polisaccaridi (es. cellulosa, amido, glicogeno) e proteine (es. glutine, collagene, enzimi), anche se si conoscono 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. 18

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 biodegradazione 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 biodegradazione 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 biodegradare 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 serie di norme standard nazionali ed internazionali (es. EN13432, ASTM D-6900), che si riferiscono al compostaggio industriale. La EN13432 definisce la caratteristiche dei materiali plastici da imballaggio che possono essere considerati compostabili e possono essere riciclati 19

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 CO 2 grazie all azione di microrganismi. Questa proprietà è misurata seguendo lo standard EN (pubblicato anche come ISO 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 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 ( 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 20

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 sfruttamento. 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 14 C (il 14 C 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 per materiali con diverso contenuto bio-based. Termine con significato analogo è contenuto bio-based (ASTM D ). 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: 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). 21

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 e ISO 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, documents/document/ final_plasticsthefacts_ _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: (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 Standardization, Brussels, March 24, ASTM D 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 composting 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

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 CS 1A CS 1B CS 2B CS 3 CS 4&5 CS 6A CS 6B Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream Systematic approach for sustainable production for bioplastics - Composting Sustainable plastics materials in hygiene products Production of packaging for eggs made from BDPs Introduction of biodegradable plastics into drinking straw production Introduction of biodegradable materials into production of twines for agriculture 23