Potenzialitá del trattamento a fiamma nel settore del food packaging

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1 Potenzialitá del trattamento a fiamma nel settore del food packaging di Stefano Farris e Simone Pozzoli DiSTAM Dipartimento di Scienze etecnologie Alimentari e Microbiologiche, Laboratorio di Food Packaging Universitá degli Studi di Milano Riassunto In questo breve scritto verranno messe in evidenza le enormi potenzialitá del trattamento a fiamma quale tecnologia per l attivazione superficiale di imballaggi plastici, destinati fra l altro, al settore dell imballaggio alimentare. In particolare, sará nostra premura soffermare l attenzione sugli aspetti di processo relativi al materiale plastico che maggiormente possono incidere sul risultato finale derivante dal trattamento. Con la diffusione su larga scala dell utilizzo di materie plastiche in vari settori e per le più svariate applicazioni, è cresciuta anche la necessità di avere polimeri altamente performanti, che si prestino adeguatamente alle lavorazioni a cui generalmente vanno incontro. I settori che fin da subito hanno beneficiato dell avvento delle materie plastiche sono stati quelli automobilistico e dell oggettistica domestica, seguiti negli anni da settori minori come quello dell imballaggio alimentare. In seno a quest ultimo, i polimeri maggiormente utilizzati ricadono all interno del gruppo delle poliolefine, tra cui polietilene (PE) e polipropilene (PP), che rappresentano circa la metá del consumo totale di materie plastiche in Europa occidentale. A fronte di numerosi vantaggi universalmente riconosciuti (basso costo, ottime proprietà ottiche, flessibilità, barriera al vapor d acqua, resistenza allo stresscracking, inerzia ad acidi, oli ed alcoli), le poliolefine possiedono scarse proprietà superficiali. Nel settore dell imballaggio alimentare le proprietà di superficie svolgono un ruolo di primaria importanza in specifiche operazioni di converting come lo stampaggio, la laminazione e la deposizione di sottili strati (coatings). In particolare, la realizzazione delle suddette operazioni risulta particolarmente difficile quando, a causa della natura chimica del substrato, l adesione all interfaccia substrato plastico/polimero da depositare è minima o totalmente assente. In queste situazioni si rende pertanto necessario attivare la superficie del polimero plastico, riducendo la sua intrinseca recalcitranza alla deposizione di altri polimeri mediante l instaurarsi di nuove forze di adesione all interfaccia substrato/coating. In termini più tecnici, questo vuol dire rendere la superficie del 1

2 substrato bagnabile, aumentandone l energia superficiale. In particolare, scopo di ogni trattamento di attivazione è quello di conferire alla superficie polimerica un valore di energia superficiale il più vicino possibile alla tensione superficiale del liquido da depositare. Fra le varie tecnologie tutt oggi disponibili a tale scopo, il trattamento a fiamma è sicuramente quella più promettente, non solo per gli indubbi vantaggi annessi (elevate velocità di produzione, assenza di ozono quale prodotto di neo-formazione, persistenza del trattamento nel tempo, azione limitata ai primi 45 Å della superficie), ma anche perché, in molti settori, non se ne conoscono ancora le enormi potenzialità. Trattare a fiamma un qualsiasi substrato significa sottoporlo all azione (controllata nel tempo e nello spazio)di una fiamma (controllata nella composizione e nella natura), al fine di modificarne la struttura chimica superficiale mediante l innesto di nuovi gruppi funzionali polari (in particolare gruppi ossidrilici OH, carbonilici C=O, carbossilici COOH) mediato dalle numerose specie radicaliche che si formano durante il fenomeno della combustione. Sarà proprio la presenza di questi nuovi gruppi funzionali che determinerà l aumento di energia superficiale del substrato e quindi la sua bagnabilità. Questo processo, apparentemente semplice, richiede in realtà la conoscenza di vari aspetti affinché possa garantire il raggiungimento dell obiettivo finale (ovvero la deposizione sul substrato) in maniera soddisfacente. In particolare, elevati valori di energia superficiale del substrato trattato potranno essere ottenuti prendendo in attenta considerazione sia parametri legati al processo che fattori esogeni, legati ad esempio alla natura del substrato, alle condizioni esterne ambientali, ecc. Un primo fattore da considerare è la tipologia di gas impiegato per la fiammatura. In tal senso, i nostri studi hanno evidenziato come, a seconda dell idrocarburo selezionato, i risultati ottenibili in termini di incremento dell energia superficiale siano molto diversi. Come riportato in Tabella 1, infatti, metano, butano e gas di petrolio liquefatto (GPL, talvolta indicato anche come gas propano liquido) hanno fornito, a parità di altre condizioni, risultati differenti. Fra i tre gas, quello che ha garantito l incremento maggiore in termini di energia superficiale del substrato poliolefinico trattato è stato il GPL, seguito dal metano e dal butano. Più nello specifico, è stato possibile osservare come, per tutti e tre i gas, la variazione di energia superficiale sia da imputare all aumento della componente polare, a dimostrazione del fatto che nuovi gruppi polari compaiono lungo lo scheletro molecolare in seguito al trattamento. GAS USATO ENERGIA SUPERFICIALE COMPONENTE DISPERSA COMPONENTE POLARE Non trattato* Metano Butano GPL GPL + aria * Campione di polipropilene tal quale (10 cm x 10 cm x 0.1 cm) 2

3 Un altro parametro molto importante riguarda la possibilità di utilizzare un agente ossidante (ad esempio l ossigeno contenuto nell aria) secondo proporzioni ottimali. In Tabella 1 (ultima riga) si può notare l effetto benefico sui valori di energia superficiale derivante dall uso di aria in combinazione con l idrocarburo GPL. Il valore finale di energia superficiale aumenta considerevolmente, grazie ad un marcato aumento della componente polare (circa il doppio rispetto ai casi precedenti). Il rapporto gas/aria diventa pertanto un altro parametro da tenere bene in considerazione. Di solito, tale rapporto viene fissato leggermente al di sotto del rapporto stechiometrico, ovvero si preferisce lavorare con fiamme leggermente ossidanti (eccesso di aria), al fine di garantire un adeguato numero di specie radicaliche per la modificazione superficiale del substrato. Un altro parametro di processo da considerare è il flusso della miscela, espresso come volume gas-aria per unità di tempo (m 3 h -1 ). In generale, l attivazione superficiale del substrato plastico avviene grazie all esposizione dello stesso ad una certa quantità di energia termica. Tale quantità, tuttavia, deve essere fissata con accuratezza, poiché per flussi troppo elevati il vantaggio che ne scaturisce in termini di attivazione superficiale tende ad assottigliarsi fino ad annullarsi, quindi determinando inutili sprechi di energia nonché stress termici sul materiale. Un ultima voce che può incidere fortemente sull esito del trattamento a fiamma è la distanza substrato-fiamma, ovvero i mm che separano la superficie da trattare ed i coni luminosi della fiamma. E stato osservato come i valori di energia superficiali di films poliolefinici non aumenti, ma anzi peggiori, nel caso in cui il film stesso passi all interno della fiamma. Al contrario, decisi incrementi nei valori di energia superficiale si riscontrano quando il substrato è in prossimità dei coni luminosi. In particolare, la distanza ottimale sembra essere compresa tra i 5 mm ed i 10 mm. La spiegazione di ciò risiede nella cosiddetta teoria del profilo di fiamma. Infatti, la parte di fiamma più utile ai fini dell attivazione superficiale è quella relativa alla zona luminosa, che è la più ricca in specie radicaliche e quella a più alta temperatura. Invece, per distanze inferiori ai 2 mm, l efficacia del trattamento decresce conseguentemente alla minore concentrazione di specie radicaliche attive e di temperature sempre più basse. Tra i fattori esogeni che possono influenzare l esito del trattamento a fiamma, vogliamo soffermare l attenzione su un aspetto che, in molte situazioni, viene sottovalutato e che è legato al substrato plastico. Se, da un lato, la natura chimica è sicuramente il fattore principale che determina l entità dell attivazione (un poliestere è sicuramente più attivabile di qualsiasi poliolefina), la presenza di additivi all interno della formulazione può sicuramente portare ad inaspettate deviazioni dai valori di attivazione attesi. Fra tali additivi, alcuni sono aggiunti direttamente in masterbatch (cioè direttamente aggiunti ai granuli di polimero in fase di estrusione), come ad esempio agenti antistatici, plasticizzanti, anti-ossidanti, anti-blocking. Altri additivi possono derivare da operazioni successive all ottenimento del manufatto plastico da trattare a fiamma, come ad esempio i residui lasciati dallo stampo per facilitare il distacco del prodotto nel caso di oggetti stampati ad iniezione. Infine, non sono da trascurare le contaminazioni esterne, come ad esempio i numerosi additivi usati per la pulizia dell estrusore quando si effettua un cambio di materiale. Le nostre ricerche hanno evidenziato l influenza che può avere la presenza di additivi nel polimero. Come si può osservare dalle immagini sotto riportate, il trattamento 3

4 eseguito su un polipropilene contenente un elevata quantità di additivi (PP1) determina un incremento dell energia superficiale nettamente inferiore rispetto ad uno stesso polipropilene ma con un maggior grado di purezza (PP2). Infatti, l angolo di contatto della goccia d acqua subito dopo il trattamento risulta pari a ~ 66, cui corrisponde un valore medio di energia superficiale di mn/m. Nel caso del campione di polipropilene più puro, invece, si osserva come, a parità di angolo iniziale (~ 98 ), il valore dell angolo di contatto dopo il trattamento risulta pari a ~ 38, cui corrisponde un valore medio di energia superficiale di mn/m. Tale valore, estrememente alto, consente di depositare water-based coatings senza ricorrere all uso dei cosiddetti primers, o attivatori di adesione. La spiegazione di tali risultati risiede nel fatto che, in seguito al trattamento e quindi all esposizione al calore, tali additivi (generalmente rappresentati da molecole a basso peso molecolare) tendono a migrare verso la superficie (blooming effect), rappresentando quindi un ostacolo fisico-chimico all azione della fiamma. 4

5 PP1, non trattato PP2, non trattato PP1, trattato PP2, trattato Pertanto, possiamo concludere dicendo che l efficacia di un trattamento a fiamma dipende fortemente da numerose variabili. Alcune di esse dipendono strettamente dal processo, e pertanto l affidarsi a personale qualificato nel set-up dell impianto è di fondamentale importanza. Tuttavia, appare necessario conoscere anche le caratteristiche del materiale e quindi, in tal senso, un continuo scambio di informazioni tra tutte le figure all interno dell intero processo risulta indispensabile. 5