SCHEMA CONGIUNTO (TRANSNAZIONALE) DI RICERCA E SVILUPPO SUI POLIMERI BIODEGRADABILI NELL AMBIENTE

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1 SCHEMA CONGIUNTO (TRANSNAZIONALE) DI RICERCA E SVILUPPO SUI POLIMERI BIODEGRADABILI NELL AMBIENTE Sviluppo di una catena del valore innovativa per le plastiche sostenibili in Europa Centrale Pacchetto di lavoro 3 Sviluppare un piano d azione dalla scienza all innovazione lungo la catena del valore Gennaio

2 Introduzione Nel corso degli ultimi anni, il Consorzio PLASTiCE è stato coinvolto nella sia di base che applicata sulle diverse fasi della catena del valore della plastica biodegradabile nell ambiente. Mentre ogni istituzione e sviluppo è teoricamente in grado di fornire la maggior parte dei servizi, in pratica, ogni istituzione è specializzata in attività e sviluppo specifiche. Il Consorzio PLASTiCE ha sviluppato uno schema congiunto (transnazionale) e sviluppo sui materiali polimerici biodegradabili nell ambiente per meglio rispondere alle esigenze dei produttori di polimeri biodegradabili e di materie plastiche in Europa Centrale e per incrementare lo sviluppo di nuove applicazioni di mercato. Grazie alla collaborazione tra sette istituzioni provenienti da quattro paesi, lo schema congiunto e sviluppo offre soluzioni su misura per le aziende in Europa Centrale che sono interessate a portare sul mercato nuove applicazioni per polimeri biodegradabili nell ambiente. Per ulteriori informazioni su colaborazioni con il Consorzio PLASTiCE, si prega di contattare il proprio istituto e sviluppo locale. Per Italia, Austria Per Repubblica Ceca, Repubblica Slovacca Per Slovenia, Stati Balcanici Per Polonia, Stati Baltici Università of Bologna, Dipartimento di Chimica G. Ciamician (PP8) Mariastella Scandola, Professore, direttore del gruppo di Scienza dei Polimeri / mariastella.scandola@unibo.it Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences (PP5) Ivan Chodak, Senior scientist, Professor / upolchiv@savba.sk Slovak University of Technology in Bratislava (PP6) Dušan Bakoš, Professor , / dusan.bakos@stuba.sk National Institute of Chemistry (LP) Laboratory for Polymer Chemistry and Technology Andrej Kržan, Senior research associate / andrej.krzan@ki.si Center of Excellence Polymer Materials and Technologies (PP11) Urska Kropf, Researcher urska.kropf@polieko.si Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials (PP12) Marek Kowalczuk, Head of the Biodegradable Materials Department / cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl Polish Packaging Research and Development Centre (PP13) Hanna Żakowska, Deputy Director for Research ext. 18 ekopack@cobro.org.pl 2

3 Contatti National Institute of Chemistry Laboratory for Polymer Chemistry and Technology Contatto: Andrej Kržan Funzione : Ricercatore associato senior Tel./fax: / andrej.krzan@ki.si Personale scientifico coinvolto nelle attività e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 1 Dottori : 3 Altro personale scientifico : - Laboratorio di Chimica e Tecnologia dei Polimeri Attrezzature principali: FTIR, DMA, SEC, SEC-MALS, estrusore, stampaggio ad iniezione Centro Infrastrutturale NIC Attrezzature principali: NMR, AFM, TEM, simulazioni al computer Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences (PP5) Contatto: Ivan Chodak Funzione: Scienziato senior, professore Tel./fax: / upolchiv@savba.sk Personale scientifico coinvolto nelle attività e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 1 Dottori : 1 Altro personale scientifico : 3 Dipartimento di materiali compositi Attrezzature di base per la lavorazione (miscelatore da laboratorio, estrusore, mini-estrusore) Attrezzature avanzate per la caratterizzazione delle proprietà fisiche (proprietà meccaniche, DSC, XRD, DMTA, XPS, spettroscopia dielettrica, FTIR, nanoindenter, reometro oscillante, tensometer) Attrezzature per la modifica delle plastiche - generatore di plasma atmosferico Slovak University of Technology in Bratislava (PP6) Contatto: Dušan Bakoš Funzione: profesor Tel./fax: / dusan.bakos@stuba.si Personale scientifico coinvolto nelle attività e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 2 Dottori : 4 Altro personale scientifico : 5 3

4 Centro per la applicata su materiali polimerici ecocompatibili Attrezzature principali: Estrusore a doppia vite, Mescolatore Laboratorio di lavorazione della plastica Attrezzature principali: Estrusore a doppia vite da laboratorio, Mescolatore Brabender Laboratorio di reologia Attrezzature principali: Reometro oscillante, Reometro capillare Laboratorio di analisi Attrezzature principali: Laboratorio con atmosfera controllata, Proprietà meccaniche e termiche, Microscopia elettronica Università di Bologna, Dipartimento di Chimica G. Ciamician (PP8) Contatto: Mariastella Scandola Funzione: Professore, direttore del Gruppo di Scienza dei Polimeri Tel./fax: / mariastella.scandola@unibo.it Personale scientifico coinvolto nelle attività e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 2 Dottori : 2 Altro personale scientifico : 4 Laboratorio di Scienza dei Polimeri Attrezzature principali: Strumento GPC, Calorimetro Differenziale a Scansione, analizzatore termogravimetrico, analizzatore dinamico meccanico; analizzatore dielettrico; microscopio ottico a luce polarizzata con tavolino riscaldante e acquisizione digitale; rifrattometro di raggi X a alto angolo equipaggiato con accessorio riscaldante Anton-Paar TTK 450; microscopio elettronico a scansione; spettrometro a raggi infrarossi; spettrometro UV-Vis; dinamometro; misura dell angolo di contatto; microscopio a forza atomica Nanoscope 3D; attrezzatura per elettrofilatura (con controllo dell umidità e della temperatura); macchina miniaturizzata per il mescolamento e lo stampaggio ad iniezione; pressa da laboratorio; Spin coater ; bagno agitatore a temperatura controllata; stufa da vuoto. Center of Excellence Polymer Materials and Technologies (PP11) Contatto: Urška Kropf Funzione: Ricercatore Tel./fax: urska.kropf@polieko.si Personale scientifico coinvolto nelle attività e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: - Dottori : 6 Altro personale scientifico : 1 Centro di Eccellenza per i Materiali Polimerici e le Tecnologie Attrezzature principali: MALDI-TOF- TOF MS; TGA; DSC; calorimetro per reazioni; ultrasound processor (impianto pilota) ; miniestrusore da laboratorio; analizzatore respirometrico per misure di biodegradazione di polimeri; analizzatore elementare PoliMaT Laboratory di C, N, H, S, O; spettrometro di massa SIMS; porosimetro ad adsorbimento; sistema ad UV per polimerizzazioni; Sistema HECUS 3 aggiornato a S3-MICROpix; Software Model Free Kinetics & UV set; atomizzatore da laboratorio; mescolatore/ reattore da laboratorio; cella per misure DSC; reattore da laboratorio per alte pressioni; apparato per la determinazione delle dimensioni delle particelle in acqua; mescolatore per polveri da laboratorio; strumento per GPC/SEC; liofilizzatore; spettrometro di massa (MS); spettrometro del vicino infrarosso (NIR); apparato per elettrofilatura; tester per prove di frizione e peeling ; macchina per stampaggio ad iniezione; sputter coater per rivestimenti in oro e carbonio; Ausiliari ed accessori per AFM; impianto pilota di elettrofilatura. 4

5 Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials (PP12 ) Contatto: Marek Kowalczuk Funzione: Direttore del Dipartimento di Materiali Biodegradabili Tel./fax: / cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl Personale scientifico coinvolto nelle attività e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 3 Dottori : 5 Altro personale scientifico : 6 Laboratorio di Materiali Biodegradabili Attrezzature principali: Micro-Oxymax; Instron modello 4204, TGA/DSC Mettler Toledo STARe; ESI- MS; GPC; MiniLab II, MiniJet II; Spettrometro di massa LCMS-IT-TOF, FTIR Laboratorio di Analitica Attrezzature principali: Spettroscopia NMR Polish Packaging Research and Development Centre COBRO (PP13) Contatto: Hanna Żakowska Funzione: Vice Direttore per la Tel./fax: ext ekopack@cobro.org.pl Personale scientifico coinvolto nelle attività e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 2 Dottori : 1 Altro personale scientifico : 4 CBiR Attrezzature principali: Postazione LCA, Programma SimaPro 7 CBiR Attrezzature principali: Postazione per test di compostabilità Laboratorio di materiali per imballaggio e prove su imballaggi Attrezzature principali: Attrezzature per la su proprietà applicative. 5

6 Complementarietà Consorzio PLASTiCE offre servizi e sviluppo su materiali polimerici quali PLA, PHA, materiali a base di amido, ecc.., a seconda delle specifiche richieste delle industrie. La tabella seguente fornisce una panoramica delle aree di specializzazione dei partner del consorzio. Area PLA PHA Materiali a base di amido Altri materiali Caratterizzazione di polimeri presenti sul mercato, incluso: Composizione e struttura molecolare PP5, PP6, PP12 PP5, PP6, PP12 Proprietà allo stato solido PP8, PP5, PP6, PP11 PP8, PP5, PP11 Modifica delle proprietà del polimero usando metodi chimici, incluso: Modifica (con polymer modifiers ) PP5, PP11, PP12 PP5, PP11,PP12 Polimeri funzionali PP11, PP12 PP11, PP12 Modifica delle proprietà del polimero usando metodi fisici, incluso: Modifica con additivi PP5, PP6, PP11 PP5, PP6, PP11 Miscele polimeriche PP5, PP6, PP11, PP12 PP5, PP6, PP11, PP12 Compositi e nanocompositi polimerici PP5, PP6, PP11 PP5, PP6, PP11 Processing, incluso: Reologia, parametri di processo PP5, PP6, PP11 PP5, PP6, PP11 Omogeneizzazione (utilizzando mescolatori, estrusori monovite, estrusori bivite) Produzione industriale, incluso: PP5, PP6, PP11 PP5, PP6, PP11 film PP6, PP11*, PP12 PP6, PP11*, PP12 imballaggi rigidi PP6, PP11*, PP12 PP6, PP11*, PP12 imballaggi flessibili PP6, PP12 PP6, PP12 film per pacciamatura PP6, PP12 PP6, PP12 materiali espansi PP5 PP5 materiali rivestiti PP11*, PP12 PP11*, PP12 Proprietà applicative di prodotti polimerici, incluso: invecchiamento di materiali polimerici proprietà barriera di materiali polimerici (permeazione di gas) proprietà termo-meccaniche di materiali polimerici durabilità e shelf life ( food contact secondo la Direttiva Europea EX 2002/72) LP, PP5, PP12, PP13 PP5, PP12, PP13 PP5, PP6, PP8, PP11, PP12, PP13 PP13 LP, PP5, PP12, PP13 PP5, PP12, PP13 PP5, PP6, PP8, PP11, PP12, PP13 PP13 Test di biodegradazione e compostabilità (secondo le norme EN, ASTM and ISO), incluso: In condizioni di laboratorio Presso unità di compostaggio aerobico industriale e municipale *: In cooperazione con altri partner PP6*, PP11, PP12, PP13 PP12 PP6*, PP11, PP12, PP13 PP12 6

7 Schema congiunto e sviluppo sulle plastiche biodegradabili nell ambiente Area dei servizi Caratterizzazione di polimeri presenti sul mercato Proprietà fisiche allo stato solido (termiche, meccaniche, strutturali, morfologiche) Analisi della stabilità termica (temperatura di degradazione) di materiali ad un solo componente o a più componenti (utilizzando l analisi termogravimetrica da temperatura ambiente a 900 C in atmosfera inerte o in aria) Analisi della stabilità termica e spettrometria di massa dei prodotti volatili (utilizzando la TGA-MS, da temperatura ambiente a 900 C in atmosfera inerte) Analisi delle transizioni termiche (transizione vetrosa, cristallizzazione e fusione, con la determinazione delle temperature di transizione e dei rispettivi incrementi di calore specifico, entalpie di cristallizzazione e di fusione, utilizzando il calorimetro differenziale a scansione nell intervallo di temperature tra -100 C e 250 C, raffreddando con azoto liquido), 2 scansioni per campione Valutazione delle proprietà meccaniche a temperatura ambiente (modulo elastico, sforzo e deformazione a snervamento ed a rottura, per mezzo di misure in trazione, con analisi statistica dei risultati per un minimo di 8 provini) Determinazione dei rilassamenti viscoelastici (utilizzando l analisi dinamico-meccanica a frequenza singola o multi-frequenza nell intervallo di temperatura tra 150 C e 250 C) Analisi strutturale della fase cristallina (utilizzando la diffrazione di raggi x a alto angolo su polveri) Relazione sulle proprietà fisiche dei polimeri analizzati 3 giorni lavorativi (per un solo campione); 1-2 settimane (fino a dieci campioni) 3 giorni lavorativi (per un solo campione); 1-2 settimane (fino a dieci campioni) 2-4 settimane (a seconda del numero di campioni) 2-5 settimane (a seconda del numero di campioni) 3-4 settimane 2 settimane Area dei servizi Caratterizzazione di polimeri presenti sul mercato Composizione e struttura molecolare Determinazione delle proprietà allo stato solido utilizzando la spettroscopia IR (FTIR, spettrometro a raggi infrarossi a trasformata di Fourier) Caratterizzazione della solubilità del materiale e determinazione della percentuale di polimero nella plastica (analisi chimica) Caratterizzazione del polimero nella plastica utilizzando la spettroscopia NMR (risonanza magnetica nucleare) Valutazione del peso molecolare del polimero utilizzando la tecnica GPC (cromatografia di permeazione su gel) Analisi degli additivi utilizzando lo spettrometro di massa LCMS- IT-TOF 1-2 settimane 1-3 settimane 1-3 settimane 1-3 settimane 1-3 settimane Caratterizzazione di copoliesteri biodegradabili (PHA) utilizzando il sequenziamento e la tecnica ESI-MS n 1-3 settimane Relazione sulla struttura molecolare del polimero e sugli additivi presenti nella plastica 7

8 Area dei servizi Modifica delle proprietà del polimero utilizzando metodi chimici, incluso: Modifica (con polymer modifiers ) Polimeri funzionali Sintesi di modificatori chimici Determinazione delle proprietà fisiche dei materiali polimerici Modifica di polimeri per ottenere proprietà specifiche: reticolazione di polimeri per una maggiore resistenza ai solventi. Modifica di polimeri per ottenere proprietà specifiche: aumento della polarità della superficie del polimero per una maggiore stampabilità o adesione, aumento della stabilità termica e della stabilità all ossidazione. 1 mese - 2 anni 3 giorni-2 settimane 1 mese - 2 anni 1 mese - 2 anni Polimeri commerciali standard che hanno acquisito proprietà specifiche Area dei servizi Modifica delle proprietà del polimero utilizzando metodi fisici, quali: Modifica con additivi Miscele polimeriche Compositi e nanocompositi polimerici Modifica delle proprietà di un certo polimero per aggiunta di additivi a basso peso molecolare, per esempio plastificanti, estensori di catena, stabilizzanti, oppure per mescolamento con piccole quantità di un altro polimero per ottenere le proprietà desiderate. Miscelazione di polimeri su tutto il campo di composizione e ottimizzazione delle proprietà mediante modifica dell interfaccia e compatibilizzazione. Preparazione di compositi utilizzando una data matrice polimerica e, aventi proprietà personalizzabili attraverso modifiche dell interfaccia 1 mese-2 anni (o più) 1 mese-2 anni (o più) 1 mese-2 anni (o più) Relazione sulle possibili alternative per la compatibilizzazione di varie miscele di polimeri biodegradabili Area dei servizi Processing : Reologia, parametri di processo Omogeneizzazione (usandomiscelatori, estrusori a vite singola e a doppia vite) Selezione delle miscele di polimeri biodegradabili più promettenti per scopi applicativi, suggerimenti sulle aree di applicazione Determinazione dei parametri di processo dei materiali 1 giorno-3 mesi 1-4 settimane Relazione sui metodi di lavorazione, attrezzature e parametri di processo consigliati per specifici polimeri biodegradabili. 8

9 Area dei servizi Produzione industriale ( sulle tipologie di lavorazione industriale): Produzione di film Produzione di imballaggi rigidi Produzione di imballaggi flessibili Produzione di film da pacciamatura Produzione di materiali espansi Produzione di materiali rivestiti Produzione di film su scala di laboratorio: sulla lavorazione e sulla miscelazione, produzione di masterbatch (mini estrusore bivite (MiniLab II) combinato con la macchina per lo stampaggio ad iniezione (Mini Jet II) HAAKE. Lavorando su piccole quantità (mini-stampaggio ad iniezione), si ottengono provini per prove meccaniche e si misurano contemporaneamente le proprietà reologiche. Produzione di imballaggi flessibili su scala di laboratorio Supporto per la produzione pilota sul posto Controllo delle proprietà meccaniche del prodotto durante il processo di produzione: misura delle proprietà meccaniche con dinamometro in trazione Instron 4204 Controllo delle proprietà molecolari del prodotto durante il processo di produzione 1-2 settimane 1-2 settimane 1 giorno-6 settimane 1-2 settimane 1-3 settimane Relazione sulla stabilità del polimero rispetto al contenuto dell imballaggio Area dei servizi Analisi dell idoneità dei prodotti polimerici per specifiche applicazioni (materiali da imballaggio e imballi): Invecchiamento dei materiali polimerici Proprietà barriera dei materiali polimerici (permeazione di gas) Proprietà termo-meccaniche dei materiali polimerici Analisi della durabilità dell imballaggio al contatto con cibo (secondo la Direttiva Europea E 10/2011) Xenotest per determinare il comportamento del materiale in condizioni naturali Determinazione del carbonio organico totale e del contenuto biobased nel materiale polimerico Test di permeabilità al vapore d acqua, all ossigeno ed al diossido di carbonio Determinazione delle proprietà tensili (sforzo a rottura, allungamento a rottura, modulo elastico ecc..) 4 mesi* 1 mese* Determinazione della resistenza allo strappo Determinazione della resistenza all urto (free-falling dart method) Sealing properties (carico a rottura massimo, sealing resistance ecc..) Test di adesività a caldo ( hot-tack seal testing ) DSC (calorimetria a scansione) and FTIR (spettroscopia a raggi infrarossi) 1 settimana* Analisi sensoriale mesi * Analisi della migrazione globale e specifica di sostanze a basso peso molecolare dal cibo Analisi del contenuto di monomero nei materiali plastici e dell emissione di sostanze volatili 2 mesi * 1 mese* Relazione sulle proprietà di materiali bioplastici (biodegradabili/ derivati da fonti rinnovabili) utili per applicazioni nell imballaggio. *Tempo di consegna medio, inclusa la preparazione, l analisi e il resoconto; i tempi possono variare a seconda dei tempi di attesa in laboratorio. 9

10 Area dei servizi Prove di biodegradazione e compostabilità (secondo le norme EN, ASTM e ISO): In condizioni di laboratorio Presso unità di compostaggio aerobico industriale e municipale Test di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: test preliminari di biodegradazione di materiali da imballaggio utilizzando condizioni di compostaggio simulate su scala di laboratorio, secondo le norme EN 14806: 2010 Test di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: test di degradazione idrolitica in acqua o in soluzione tampone Test di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: degradazione in compost mediante test respirometrico (Respirometro Micro-Oxymax S/N in base alla norma EN ISO :2009) Test di (bio)degradazione e compostabilità in siti di compostaggio (analisi di materiali biodegradabili in un cumulo di compost industriale o in un container da compostaggio KNEER) Certificazione di compostabilità di imballaggi (in cooperazione con DIN CERTCO, Germania) 4 mesi Da alcune settimane a 6 mesi a seconda del tipo di materiale e dello standard Da alcune settimane a 6 mesi a seconda del tipo di materiale e dello standard Da alcune settimane a 6 mesi a seconda del tipo di materiale e dello standard 2-4 mesi Relazione sul comportamento alla biodegradazione di nuovi materiali polimerici. Rilascio di certificati. This document was prepared within the Work Package 3 of the project Innovative Value Chain Development for Sustainable Plastics in Central Europe (PLASTiCE), which is carried out within the Central Europe Program and is co-financed by the European Regional Development Fund (ERDF). March