APPLICAZIONI CON VERNICI CATIONICHE NELL IMBALLAGGIO ALIMENTARE

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1 APPLICAZIONI CON VERNICI CATIONICHE NELL IMBALLAGGIO ALIMENTARE Francesco Veltri, Gianni Mirone Ce.Ri.Tec. s.r.l. (METLAC Group s.p.a.),ss 35 Bis Dei Giovi 53, Bosco Marengo (AL), Italia 1. Introduzione Il mercato del metal decorating ha subito negli ultimi anni notevoli mutamenti ed innovazioni: tra queste trova largo impiego l essiccazione a raggi UV. I motivi principali che ne hanno permesso l espansione nel nostro settore, sono da ricercarsi nella risoluzione dei problemi inerenti alle emissioni di sostanze organiche, nell incremento di velocità di applicazione e nel minore investimento iniziale e successivo minor costo gestionale dei forni di essiccazione. Fig. 1 : Breve storia delle vernici UV nel settore metal decorating 1

2 2 Tipologie di vernici UV Vengono impiegate prevalentemente due diverse tecnologie che prevedono meccanismi di reazione diversi - sistema a radicali liberi basato sull impiego di monomeri e oligomeri acrilici modificati e di fotoiniziatori tipo chetoni aromatici (es. benzofenone) o ammine - sistema cationico basato sull azione di un sale fotoattivo che funge da catalizzatore di resine a base epossidica Fig. 2 Tipologie di vernici UV e formule indicative 2

3 Fig. 3 La chimica di reazione semplificata delle diverse tecnologie UV Le due tecnologie trovano impiego nel mercato del can coatings, anche se per molte applicazioni in questo settore la tecnologia UV cationica è da preferirsi per il fatto che permette di ottenere un film di vernice potenzialmente più flessibile, con adesioni al supporto metallico e caratteristiche di resistenza alle sterilizzazioni. 3 Proprietà dei sistemi cationici UV Le applicazioni dei sistemi UV nel food metal packaging riguardano l impiego come inchiostri da litografia e vernici protettive, tutti utilizzati per la decorazione esterna del contenitore. Le vernici protettive esterne generalmente necessitano di proprietà quali durezza, flessibilità e resistenza ai trattamenti termici (per esempio sterilizzazione in H 2 O o vapore a temperature di C per 1 o 2 ore) che la tecnologia UV cationica è in grado di soddisfare. 3

4 Le vernici UV cationiche impiegate in questo settore per la protezione ESTERNA del contenitore vengono utilizzate nelle stesse condizioni delle corrispondenti vernici convenzionali a solvente, senza quindi nessun problema di cessioni di odori e/o sapori per reverse side contact cioè trasferimenti al lato interno del foglio quando questi vengono impilati (test eseguiti su fogli di produzioni industriali hanno confermato lo stesso comportamento delle vernici a solvente) Fig. 4 Perchè sistemi UV cationici nel metal decorating I sistemi UV cationici durante la fase di polimerizzazione subiscono un restringimento (shrinkage) molto lieve, questo fatto conferisce agli stessi una migliore adesione diretta ai vari substrati. I substrati rivestono, in questo tipo di verniciatura, un ruolo molto delicato; possono essere il metallo grezzo oppure il metallo verniciato con uno smalto e/o con un ancorante a base solvente utilizzati come sottofondi.quando si utilizzano vernici UV l adesione interfilm tra inchiostri, sottofondi e substrato è di vitale importanza. 4

5 Il processo di reticolazione dei coatings UV cationici, una volta attivato continua anche in assenza della radiazione UV (effetto dark cure ) e questo può essere incrementato ed accelerato mediante un riscaldamento successivo. Questo può essere di aiuto nel conferire al film polimerico particolari proprietà fisico-meccaniche. Una particolarità che contraddistingue l UV cationico è la sensibilità del sistema all umidità (alti od estremamente bassi livelli di umidità possono condizionare la velocità di polimerizzazione) e alla contaminazione dei substrati (la presenza di ammine,per esempio, può inibire la reticolazione). 4 Impieghi finali delle vernici UV cationiche nel Metal Decorating Nella diapositiva di seguito vengono riportati gli impieghi finali delle vernici UV cationiche nel settore del metal decorating. Fig. 5 Impieghi finali delle vernici UV cationiche nel Metal Decorating 5

6 5 Vernici cationiche UV per aerosol cans e scatole General Line Le bombole aerosol e le scatole General Line vengono utilizzate per il food packaging (per es. bombole per panna, scatole litro olio alimentare) ma trovano largo impiego anche per cosmetica, prodotti chimici (come insetticidi, lubrificanti, vernici, ecc.). Le proprietà richieste alla vernice protettiva esterna, che in questo tipo di manufatti viene impiegata sul corpo del contenitore, sono una elevata brillantezza, resistenza all abrasione, durezza ed alta scivolosità superficiale. Fig. 6 Proprietà richieste alle vernici UV per esterno Aerosol cans e General Line Il ciclo di verniciatura avviene su fogli e comporta l applicazione di un sistema composto da: smalto di fondo a solvente reticolato a forno in modo convenzionale, inchiostri litografici a reticolazione UV e vernice a finire UV. 6

7 Fig 7 Ciclo di verniciatura e trasformazione dei manufatti aerosol e General Line Questi manufatti sono composti da 3 parti : il corpo (quello interessato alla verniciatura UV), il coperchio e il fondo. Sono in materiale metallico (banda stagnata) ed il corpo stesso del manufatto non subisce particolari deformazioni durante la formatura finale (vedi fig. 8) 6 Vernici cationiche UV per Easy Open Ends Coperchi ad apertura facilitata Il materiale metallico con cui vengono realizzati questi manufatti può essere indifferentemente in banda stagnata, banda cromata ( Tin free steel ) o Alluminio. Le proprietà richieste al coating polimerico UV di protezione esterna devono in questo caso soddisfare le esigenze di adesione 7

8 diretta al metallo, resistenza alle sterilizzazioni, buona flessibilità e resistenza alle abrasioni superficiali. Fig 8 Proprietà richieste alle vernici UV per esterno EOE, coperchi ad apertura facilitata per scatole food Il ciclo di verniciatura (su fogli normali o con profilo scroll ) in questo caso prevede l applicazione della vernice UV direttamente sul metallo seguita dall applicazione sull altro lato del foglio di una lacca a solvente per interno reticolata in forno normalmente per 12 minuti a temperature di C. 8

9 Fig 9 Ciclo di verniciatura e trasformazione dei coperchi ad apertura facilitata per scatole food (EOE) Le proprietà che il coating deve soddisfare vengono giustificate dal ciclo di trasformazione del manufatto che viene stampato direttamente dal foglio o dalla striscia scroll ed in seguito aggraffato alla scatola. L immagine all estrema destra della figura 10 indica la sezione di un coperchio aggraffato alla scatola dove si può notare l elevato grado di stress meccanico subito dalla vernice. 7 Vernici cationiche UV per Caps & Closures Capsule Twist Off e sistemi imbutiti Le chiusure che vengono utilizzate per sigillare i contenitori possono essere ri-utilizzabili (come nel caso delle capsule Twist Off) oppure a singolo utilizzo (come nel caso dei tappi corona). Le capsule Twist Off esistono in un range molto ampio di tipologie e vengono normalmente 9

10 classificate in base al loro diametro ed alla loro altezza. I diametri più piccoli (capsule deep) sono le più critiche per i coatings polimerici protettivi. Fig 10 Proprietà richieste alle vernici UV per esterno chiusure, capsule e sistemi imbutiti La vernice UV protettiva esterna deve possedere proprietà eccellenti di flessibilità, resistenza alle sterilizzazioni e all abrasione superficiale, anche durante la fase di chiusura in vapore della capsula. Il ciclo di verniciatura (su fogli) è più complesso dei precedenti, la prima fase costituisce la litografia completa dell esterno (smalto di fondo a solvente reticolato a forno in modo convenzionale, inchiostri litografici a reticolazione UV,vernice a finire UV), in seguito avviene la verniciatura del lato interno (con prodotto a solvente e cottura convenzionale a forno) ed una volta trasformata la capsula viene eseguita la masticiatura dell interno con ulteriore cottura a forno. 10

11 Fig 11 Ciclo di verniciatura e trasformazione delle capsule Twist Off Il ciclo di trasformazione del manufatto finale, in 5 steps ( foglio piano, stampo conchiglia, fase di orlatura, rollatura e formazione del ricciolo ) chiarisce l idea dell elevato stress meccanico subito dal coating. 8 I criteri formulativi nello sviluppo di un nuovo prodotto Il flow chart della diapositiva seguente (fig. 13) illustra il programma di costruzione ed industrializzazione di un formulato. 11

12 Fig 12 - Flow chart sui criteri di industrializzazione di un formulato La fase di scelta dei parametri formulativi (tipo di resina di base, scelta dei monomeri, sistema fotoiniziatori, additivi, resine flessibilizzante, condizioni di reticolazione, ecc ) e la messa a punto del formulato prima della produzione pilota costituisce il nodo cruciale dell industrializzazione della vernice e passa attraverso numerose valutazioni e rivalutazioni dei sistemi non solo di laboratorio ma anche produttivi. 12

13 9 Sviluppi futuri di coatings UV cationici nel metal decorating Fig 13 - Progetti di sviluppo di coatings UV cationici nel metal decorating 13