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

Pubblicazione realizzata nell'ambito del progetto PLASTiCE supportato dal FESR.


2


SOMMARIO 1. PROGETTO PLASTICE

4

2. PRINCIPALI PROBLEMI PER L’EUROPA CENTRALE

5

3. SVILUPPO DELLA CATENA DEL VALORE

7

4. RICERCA E SVILUPPO

11

4.1. Caratterizzazione delle proprietà fisiche allo stato solido dei polimeri disponibili sul mercato

11

4.2. Caratterizzazione della composizione e della struttura molecolare dei materiali polimerici disponibili sul mercato

12

4.3. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi chimici

12

4.4. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi fisici

13

4.5. Ottimizzazione della lavorazione di polimeri biodegradabili

13

4.6. Sostegno allo sviluppo di processi di produzione industriale

14

4.7. Ricerca sulle proprietà funzionali

15

4.8. Prove di biodegradabilità e di compostabilità

16

5. CONTATTI

17

6. GLOSSARIO

18

APPENDICE – CASI DI STUDIO

23

3


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


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 2020. 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 2050.3 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, 7.3.2013, 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, 20.9.2011, COM(2011) 571 final, page 2 4 Green Paper “On a European Strategy on Plastic Waste in the Environment”, Brussels, 7.3.2013, COM(2013) 123 final, page 15

5


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 2017.5 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 (www.strategyr.com) 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, 20.9.2011, COM(2011) 571 final, page 9

6


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

di imballaggi

alimentare, cosmetici,

biodegradabili

farmaceutici,…)

Distributori, rivenditori di plastiche

Compostaggio

Distributori, rivenditori

(imballaggio

Riutilizzo, Riciclo e

Industrie utilizzatrici

Consumatori

Trasformatori di plastiche rigide o flessibili

che biodegradabili

“compounders” di plasti-

Produttori e

Fornitori di materie prime

Istituzioni di Ricerca

biodegradabili

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. ,

Caratterizza-

Modifiche delle

Ottimizza-

Progettazio-

zione dei

proprietà dei

zione dei

ne di una

polimeri

polimeri me-

processi di

produzione

disponibili sul

diante metodi

lavorazione

industriale

mercato

chimici e fisici

dei polimeri

efficiente

Proprietà

"Prove di

funzionali

biodegradabi-

specifiche per

lità e di

l’applicazione

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


Quesito 1: Che tipo di polimeri biodegrada- potrebbero influenzare la lavorazione, bili si adattano meglio alla mia tecnologia di nonché il tipo e il contenuto di additivi lavorazione? presenti nel materiale polimerico. Dovreste

prevedere

di

effettuare

una Questo vi permetterà di selezionare il

caratterizzazione delle proprietà fisiche allo materiale

più

adatto

per

le

vostre

stato solido dei polimeri disponibili sul applicazioni e vi garantirà che ogni lotto di mercato.

materiale polimerico consegnato dal vostro

Tale attività include la valutazione della stabilità

termica,

rammollimento

della e

temperatura

delle

di

proprietà

fornitore soddisfi gli standard di qualità previsti. Potrete anche ottenere informazioni sulle migliori condizioni di conservazione del materiale polimerico (umidità, esposizione

meccaniche.

alla luce, temperatura), sulle condizioni di Questo vi permetterà di selezionare il lavorazione, nonché sulla durata (shelf life) polimero disponibile sul mercato più adatto di prodotti ottenuti usando tali materiali. alla

tecnologia di lavorazione attuale e Sarete in grado di ottenere informazioni sulle all'applicazione prevista. frazioni non riciclabili del vostro prodotto. Per maggiori informazioni vedi pagina 11. Dovreste

anche

effettuare

Per maggiori informazioni vedi pagina 12. la

caratterizzazione della composizione e della Quesito 3: Come posso adattare alle mie struttura molecolare dei polimeri selezionati esigenze di produzione le proprietà dei

materiali polimerici disponibili sul mercato, mediante modifica chimica?

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.

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.

Tali attività includono una valutazione delle Dovreste anche prendere in considerazione proprietà del prodotto finale, la l’opportunità di avviare un progetto di ricerca determinazione di eventuali impurezze che che porti ad un processo brevettabile. 8


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

materiali

includono

l’ottenimento

multi-componente

di

mediante

l'aggiunta di plastificanti, compatibilizzanti, cariche (tutti preferibilmente biodegradabili) o mediante miscelazione con un altro polimero biodegradabile.

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.

Per maggiori informazioni vedi pagina 13.

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.

Dovreste anche prendere in considerazione

Per maggiori informazioni vedi pagina 13.

Questo

vi

permetterà

di

adattare

le

proprietà del materiale alle vostre esigenze specifiche, ed inoltre a diminuirne il prezzo.

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 condizioni

prevedere di

di

lavorazione

ottimizzare dei

le

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 9

Dovreste anche prendere in considerazione l’opportunità di avviare un progetto di ricerca applicata, volto a sviluppare la procedura che consentirà di lavorare uno specifico materiale polimerico biodegradabile utilizzando la 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


dei parametri tecnologico.

tecnici

del

processo di eco-tossicità (crescita di piante su compost) sui materiali polimerici.

Questo vi permetterà di ridurre il rischio di Questo vi permetterà di sapere se il vostro insuccesso e di minimizzare i costi nella fase prodotto può ottenere la certificazione e il di avvio della produzione. relativo marchio. Sarete in grado di Per maggiori informazioni vedi pagina 14.

informare

il

consumatore

finale

sulla

compostabilità del vostro prodotto.

Quesito 7: Come posso ottenere Per maggiori informazioni vedi pagina 16. informazioni sulle proprietà funzionali del mio prodotto biodegradabile? Quesito 9: Come posso determinare la Dovreste considerare di analizzare la percentuale di carbonio rinnovabile/ risposta funzionale del vostro prodotto in biogenico nel mio prodotto? condizioni concrete di applicazione.

Dovreste

prevedere

di

effettuare

la

Tali attività includono la determinazione determinazione del contenuto di Carbonio dell’invecchiamento fisico, delle proprietà proveniente da fonte rinnovabile (biogenico) barriera (permeazione ai gas), di quelle termo-meccaniche e della durabilità dei materiali polimerici di interesse.

secondo la norma ASTM D6866. Tali attività includono la determinazione del contenuto di carbonio e la determinazione

Questo vi permetterà di offrire sul mercato del contenuto di carbonio rinnovabile un prodotto che soddisfi i requisiti specifici di utilizzando uno dei metodi descritti in trasporto, di conservazione, di durata e di ASTM D6866 per la determinazione del compostabilità.

contenuto dell’isotopo radioattivo 14C.

Per maggiori informazioni vedi pagina 15.

Questo

vi

permetterà

di

ottenere

informazioni sulla percentuale di Carbonio

Quesito 8: Come posso confermare che il rinnovabile (bio-based) nel vostro materiale, mio prodotto è veramente compostabile che è importante sia per la certificazione che secondo gli standard di compostaggio per le attività di promozione dei vostri industriali o domestici? prodotti come sostenibili.

Dovreste considerare di effettuare prove di biodegradazione e di compostabilità. Tali attività includono la determinazione del contenuto di metalli pesanti, prove di disintegrazione e di frammentazione e prove

10


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.

4.1. 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…

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 (Tamb) a 900°C, in atmosfera inerte o in aria)

L'intervallo di temperatura in cui il polimero può essere lavorato in modo sicuro

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 Tamb 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

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

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

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

21-30 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

Tempo stimato 3 giorni (campione singolo) 7-14 giorni (fino a 10 campioni) 3 giorni (campione singolo) 7-14 giorni (fino a 10 campioni)

14-30 giorni (in base al numero di campioni)

14-35 giorni (in base al numero di campioni)


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

Caratterizzazione della solubilità del materiale e determinazione della percentuale di polimero nella plastica

Il contenuto e il tipo di carica insolubile

7-21 giorni

Conoscere la composizione della frazione solubile del materiale

Caratterizzazione del polimero nella plastica mediante spettroscopia NMR (Risonanza Magnetica Nucleare)

La struttura chimica del polimero (contenuto di unità specifiche)

7-21 giorni

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

La massa molare media, la

Valutazione del peso molecolare del polimero con la tecnica GPC (Cromatografia di Permeazione su Gel)

distribuzione delle masse molari e il grado medio di

7-21 giorni

ramificazione

Analisi degli additivi mediante la spettrometria di massa (spettrometro di massa ibrido, LCMS-IT-TOF)

La struttura chimica degli additivi organici

7-21 giorni

Analisi della sequenza dei monomeri utilizzando tecniche NMR e di spettrometria di massa

L'omogeneità di composizione chimica del campione

7-21 giorni

4.3. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi chimici …considerate la seguente attività di ricerca

… per ottenere più informazioni su…

Tempo stimato

Conoscere le proprietà finali del materiale e i parametri di lavorazione

Determinazione di proprietà fisiche dei materiali polimerici

Proprietà meccaniche, viscosità, curve di flusso, permeazione ai gas e infiammabilità del materiale

3-14 giorni

Capire come modificare le proprietà del materiale disponibile in commercio

Modifica dei polimeri per ottenere proprietà specifiche, ad esempio, migliorare la resistenza ai solventi mediante reticolazione chimica

Lo sviluppo del materiale con proprietà mirate all’applicazione

Capire come ottenere proprietà di superficie specifiche

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

Lo sviluppo di materiali con proprietà superficiali mirate all’applicazione.

Se volete…

12

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)


4.4. Modifica delle proprietà dei polimeri utilizzando metodi fisici … per ottenere più informazioni su…

Tempo stimato

Lo sviluppo di materiali con proprietà mirate all’applicazione

30 giorni (fino a 2 anni nel caso di progetto di ricerca applicata)

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)

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)

Se volete…

…considerate la seguente attività di ricerca

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 proprietà desiderate

Modificare le proprietà mediante la miscelazione con altri polimeri

Modificare le proprietà con l'aggiunta di cariche

4.5. Ottimizzazione della lavorazione di polimeri biodegradabili Se volete…

Ottimizzare il metodo di lavorazione di un particolare materiale polimerico

…considerate la seguente attività di ricerca

Determinazione dei parametri di lavorazione dei materiali polimerici selezionati

13

… per ottenere più informazioni su…

Tempo stimato

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


4.6. Sostegno allo sviluppo nei processi di produzione industriale Se volete…

…considerate la seguente attività di ricerca

… per ottenere più informazioni su…

Tempo stimato

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

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

Le condizioni per la lavorazione del materiale su scala pilota

7-14 giorni

Produzione su scala di laboratorio di imballaggi flessibili

Il comportamento a fusione e a filmatura in bolla del prodotto che si intende formare

7-14 giorni

I parametri di lavorazione che vi consentono di minimizzare i rischi legati alla qualità e al costo La probabilità che avven-

Assistenza alla produzione su scala pilota in loco

1-45 giorni

ga degradazione e/o cristallizzazione sia nella

Controllare le proprietà meccaniche del prodotto, ad esempio effettuando prove di trazione

fase di lavorazione che di

7-14 giorni

stoccaggio del prodotto, nonché gli eventuali additivi da utilizzare Il grado di degradazione del materiale durante la lavorazione

Controllare il peso molecolare del prodotto dopo il processo di produzione

14

7-21 giorni


4.7. Ricerca sulle proprietà funzionali Se volete…

…considerate la seguente attività di ricerca

… per ottenere più informazioni su…

Tempo stimato*

Conoscere la durabilità del prodotto in condizioni specifiche di conservazione e utilizzo

Metodo Xenotest utilizzato per determinare il comportamento del materiale in condizioni naturali

Durata (shelf life) del prodotto

120 giorni

Conoscere l'impatto ecologico del materiale

Determinazione del carbonio organico totale e del contenuto biobased del materiale polimerico

Quanto carbonio da fonte rinnovabile è presente nel vostro materiale

30 giorni

Possibili applicazioni del prodotto nell’industria (cibi freschi, surgelati)

14 giorni

Proprietà meccaniche ( per es. durabilità) per specifiche applicazioni

14 giorni

Modalità di sigillatura del materiale

14 giorni

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

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

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

7 giorni

30-60 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


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

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

Il potenziale di compostabilità del vostro materiale

120 giorni

Fino a 180 giorni Capire come il vostro materiale biodegrada

Degradazione in condizioni di laboratorio: prove di degradazione idrolitica in acqua o in una soluzione tampone

Capire come il vostro materiale biodegrada

Prove di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: degradazione in compost utilizzando un prove respirometriche secondo la norma PN-EN ISO 148551:2009

Il potenziale di compostabilità del vostro materiale

Ottenere informazioni sulla possibilità che il vostro prodotto riceva la certificazione e i marchi corrispondenti

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)

Le condizioni per ottenere il certificato del prodotto e ottenere il diritto di contrassegnarlo con marchio di compostabilità

Il potenziale di degradazione del vostro materiale in ambienti specifici

16

(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)


5. CONTATTI Per ulteriori informazioni, contattare: Per l’Italia e l’Austria

Per la Repubblica Ceca e la Repubblica

Università di Bologna, Dipartimento di Chimica ‘G. Ciamician’ Mariastella Scandola, Professore Ordinario, Coordinatore del Gruppo di Scienza dei Polimeri Tel./Fax: +39 0512099577/+39 0512099456 E-mail: mariastella.scandola@unibo.it Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences Ivan Chodak, Senior scientist, Professor Tel./Fax: +421 2 3229 4340 / +421 2 5477 5923 E-mail: upolchiv@savba.sk

Slovacca

Slovak University of Technology in Bratislava Dušan Bakoš, Professor Tel./Fax: +421 903 238191, +421 2 59325439, fax +421 2 52495381 E-mail: dusan.bakos@stuba.sk

Per la

National Institute of Chemistry, Laboratory for Polymer Chemistry and Technology Andrej Kržan, Senior research associate Tel./Fax: +386 1 47 60 296 E-mail: andrej.krzan@ki.si

Slovenia e gli Stati Balcanici

Center of Excellence Polymer Materials and Technologies (CO PoliMaT) Urska Kropf, Researcher Tel./Fax: +386 3 42 58 400 E-mail: 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: +48 32 271 60 77/+48 32 271 29 69 E-mail: cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl COBRO—Packaging Research Institute Hanna Żakowska, Deputy Director for Research Tel./Fax: +48 22 842 20 11 ext. 18 E-mail: ekopack@cobro.org.pl

17


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


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


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 CO2 grazie all’azione di microrganismi. Questa proprietà è misurata seguendo lo standard EN 14046 (pubblicato anche come ISO 14855 - 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 14045

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 (http://en.european-bioplastics.org/) 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


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-6866-08 per materiali con diverso contenuto bio-based. Termine con significato analogo è “contenuto bio-based” (ASTM D-6866-08). 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: http://www.biomaterials.org/index.cfm 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


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 14040 e ISO 14044. 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, 2010 http://www.plasticseurope.org/ documents/document/20101006091310-final_plasticsthefacts_28092010_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: http://goldbook.iupac.org (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, 2010

5.

ASTM D883 - 11 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 2010

22


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 2013. CS 1A

— Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream

CS 1B

— Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream

CS 2B

— Systematic approach for sustainable production for bioplastics - Composting

CS 3

— Sustainable plastics materials in hygiene products

CS 4&5

— Production of packaging for eggs made from BDPs

CS 6A

— Introduction of biodegradable plastics into drinking straw production

CS 6B

— Introduction of biodegradable materials into production of twines for agriculture

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Innovative value chain developement for sustainable plastics in Central Europe

CS 1A—Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream U. Kropf1, S. Gorenc2, P. Horvat3, A. Kržan3 1

Centre of excellence Polymer Materials and Technologies PoliMaT, Tehnoloski park 24, 100 Ljubljana Plasta production and trade, Kamnje 41, 8232 Šentrupert 3 National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana 2

INTRODUCTION Biodegradable plastics when properly disposed with organic waste are in appearance indistinguishable from non-degradable plastics. In some processes they are excluded from the organic waste stream and are incinerated or landfilled. This completely annihilates the potential of biodegradable plastics to be integrated in the natural material cycles. A solution is the introduction of a labelling method that is simple for application to different compostable materials, simple for use in the waste management system and should be as specific as possible to avoid counterfeit products were tested. PROCESS IR DYES IR dyes are an attractive option since the IR spectral range is less occupied than the UV spectral range. No commercial IR dye was directly available. An IR pigment (100 g in total) that was turned into dye which was modified several times in order to achieve the most suitable texture and adhesive properties to be applied on the selected plastic materials—Bio PE and PLA. As printing substrate two bioplastic materials (bioPE and PLA) in form of a 40 μm thick film on a roll were used. Both materials were treated with corona on the surface to achieve better printing results. PRINTING and DETECTION Laboratory IGT printing was used to simulate flexography. Printing on paper NO problems

UV DYES A commercially available UV dye was tested. SELECTION OF THE MATERIALS and PRODUCTION OF FILMS Two materials certified as biodegradable were selected: Ecovio F FILM EXP (supplier BASF AG) and Prismabio 91319 (supplier FIPLAST srl). The total quantity of material used for testing, was approx. 600 kg. The transformation of materials was made from LDPE MFI 2 to biodegradable material – without problems – only correction was reduction of temperature profile to 150 °C. Prior to processing it was very important to dry materials (3 hours at 55 °C to 60 °C). Films used for production of UV marked biodegradable bags were prepared by the blown film extrusion process on a mono-layer KUHNE line:

Printing on plastics

Type of extruder

Φ70 mm with 30D

Very thin film—extension and twisting

Balloon diameter

Max. 1600 mm

Bad adhesion of the dye—issue solved with modification of the dye

Type of screw

low temperature screw

Die head

Φ 250 mm with GAP 1,2 mm

Capacity

up to 260 kg/h

Winder

2x Kolb 1800 mm

Thickness

7 - 40 μm

Figure 1 From top: 1) paper with normal dye 2) paper with IR dye 3) PLA with IR dye 4) PLA with normal dye 5) PE with normal dye 6) PE with IR dye (paper behind)

PRINTING and DETECTION

Under visible light different materials printed with different dyes have the same appearance. Trouble with adhesiveness can be observed in Figure 1. With an IR detector normal black dye is invisible and the IR black dye is visible as black. Detection is possible with an IR camera. IR spectrum of the print without IR dye and with IR dye on paper and PLA film Figure 2 IR reflection spectrums of the paper samples. Through the entire UV the sample is black (very low reflection), VIS and NIR if the dye does not contain IR pigment. With the addition of the pigment one can observe no changes in UV or VIS but a significant difference in IR where the reflection increases.

Figure 3: Blown film extrusion

Figure 4: Blown film extrusion

Flexogr aphy U V pr inting w as performed on Kleine 2+2 equipment. For UV printing it is possible to use solvent or water based printing inks. For the purposes of this study (part of detection with UV ink) we have decided to use solvent based printing ink Termosac Rivelatore UV 012465, manufacturer Colorprint srl. Printing did not cause any additional problems.

Figure 5: Left: Control of print during flexoprinting. Right: UV photo of the Ecovio bag printed with UV marker.

CONCLUSION  Printing on biodegradable materials is feasible both in laboratory and industrial scale  The main risk is verification of the separation of biodegradable bags marked with markers from nonbiodegradable due to the to small amounts of printed material to be tested in real situation of waste management.  When using dyes for marking biodegradable materials/products it is feasible to use existing technology and materials that are already available on the market. This way we can solve the identification problem of biodegradable plastics in the waste management system and make sure that compostable plastics do not end up in the landfills but are properly disposed.  UV marker printing should be no more than 48 hours after extrusion process for better print quality. This project is immplemented through the Central Europe Programme co-financed by the ERDF


Innovative value chain developement for sustainable plastics in Central Europe

CS 1B—Testing of markers for easy identification of biodegradable plastics in the waste stream M. Musioł, W. Sikorska, G. Adamus, M. Kowalczuk, J. Rydz, M. Sobota Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials 34. M. C. Sklodowska St., 41-800 Zabrze, Poland INTRODUCTION The case study concerned the testing of markers for biodegradable plastic products to improve the identification of biodegradable materials in the municipal waste stream. A producer of biodegradable bags and a composting facility for biodegradable waste were involved. After selection of commercially available markers, printing and identification tests were performed on plastic bags. The participants in the case study focused on the development process of biodegradable plastic products with markers with the aim to verify viable solutions for future application. Cooperation between the Centre of Polymer and Carbon Materials on the one hand and the Institute of Low Temperature and Structural Research Polish Academy of Sciences and the Faculty of Environmental Engineering of the Wrocław University of Technology on the other hand, allowed to verify available solutions on the market and to prepare masterbatches containing different types of markers. With the selected markers the company Bioerg performed coloration of granulate for the preparation of labeled bags (MaterBi with 10% masterbatches, final content of marker 1%). PROCESS

Three kinds of plastic bags (GP2, BP2, GP1) with different types of masterbatches—exposition tests

In the next stage Bioerg produced labeled bags and delivered them to the Centre of Polymer and Carbon Materials for composting tests under laboratory scale. The laboratory degradation test of labeled bags no. B-P2 was performed in Micro-Oxymax respirometer (COLUMBUS INSTRUMENTS S/N 110315), to see the behaviour of the bags in laboratory compost. During the incubation, the samples gradually disintegrated, however the particles were still able to emit light. This is an important finding in case this kind of bags end up in regular waste streams:

Respirometer Micro-Oxymax COLUMBUS INSTRUMENTS S/ N 110315 and composting tests at the laboratory scale

Testing of the segregation effectiveness was conducted at the Sorting and Composting Plant in Zabrze. The labeled bags after UV irradiation were placed on the moving belt. After turning off the lights, the waste stream was observed. The test showed that acceptable results could only be reached under full dark room conditions, what is difficult to achieve in existing waste selection plants.

CONCLUSION The case study showed that these kinds of markers do not fit for manual selection of biodegradable bags in traditional waste streams. However they could be applied in full automated selection systems.

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CS 2B—Systemic approach for sustainable production for bioplastics - Composting M. Musioł, W. Sikorska, G. Adamus, M. Kowalczuk, J. Rydz, M. Sobota Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials 34. M. C. Sklodowska St., 41-800 Zabrze, Poland

INTRODUCTION The international project PLASTiCE is devoted to the promotion of new environmentally friendly and sustainable plastic solutions. The main goal of this Project is elaboration a transnational roadmap for technology transfer from science to biodegradable plastics industry based on a joint R&D scheme. A roadmap for a transnational R&D scheme will allow companies to enter much quicker into a technology transfer process in the future and to relay on the expertise from a transnational team of researchers.

Waste bins with biodegradable bags in Społem shops and schematic diagram of the organic recycling of packaging materials

The communication present the results one of the case study 2B „Systemic approach for sustainable production for bioplastics - Composting“, which concerns mainly the selective organic waste collection and studies of the biodegradation process of plastic packaging. PROCESS

The idea behind the case study 2B is to set up a separate waste stream process by way of delivering grocery shops and super markets biodegradable waste bags (from Bioerg company) to select organic waste at the source. The Społem chose two shops as a place for implementation of this case study. Waste bins with the bags were installed near fruit and vegetable departments. The super market staff disposed organic waste to the bins. Waste was collected in the period 01.08 - 30.09.2012 with a frequency of once a week. The total amount of collected waste was 1280 kg, this means an average of 640 kg of organic waste per month from two stores. Next, the composting facility in Zabrze (A.S.A company) received organic waste from the selected stores in order to perform composting process. The containers consisted approximately of 40% kitchen organic waste, 20% leaves, 20% branches and 20% grass. The conditions in container were computer-controlled, which allowed to read the current temperature of the process. [M. Musiol M; J. Rydz; W. Sikorska; P. Rychter; M. Kowalczuk Pol. J. Chem. Tech. 2011, 13, 55]

CONCLUSION The experiences in the case studies showed that the joint R&D scheme is necessary to initiate a wide cooperation process between all partners in the biodegradable plastics value chain in Central Europe. Additionally one of the critical success factors is the full cooperation of the staff of company.

Some cooperation initiatives highlighted new issues and framework conditions for successful production of biodegradable packaging, implementation of these kinds of packaging under market conditions and selection and final composting of such packaging.

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CS 3—Sustainable plastic materials in hygiene products 1

2

A. Zabret , U. Kropf , P. Horvat3, A. Kržan3, 1 Tosama, Vir, Šaranovičeva cesta 35, 1230 Domžale, Slovenia 2 Centre of excellence Polymer Materials and Technologies PoliMat, Tehnoloski park 24, 100 Ljubljana, Slovenia 3 National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana, Slovenia

INTRODUCTION Hygiene products are mostly single use/disposable products and are therefore contributing to large amounts of plastic waste. A short market research identified compostable tampon applicator, biodegradable surgical tweezers, blisters, diapers for children and elderly and also pet products as possible bioplastics applications. According to market demand we have selected to perform test production of biodegradable tampon applicators and single use surgical tweezers. PROCESS MATERIAL REQUIREMENTS The most important requirements for those products is their safety. A product that comes in contact with human body must not have any negative effects. Within the EU tampons have to follow the European General Product Safety Directive 2001/95/EC on general product safety. The directive holds manufacturers responsible for providing products that are safe to use. Article 2 of the directive sets requirements that need to be fulfilled for a product to be recognized as safe (safe product). Technical and processing requirements: only few processing changes can be made. SELECTION OF THE CS APPLICATIONS AND TEST PRODUCTIONS Based on the market demand, material properties and molding requirements we have selected the following two applications: tampon applicator and surgical tweezers. TAMPON APPLICATORS Tampon applicator is a simple tool for inserting a tampon into the human body. A tampon applicator consists of two tubes, one bigger and one smaller and is presented in the picture below. At the moment tampon applicators are made from PE. The current market demand for tampons in the EU is approximately 15-20 billion tampons per year. TEST PRODUCTION OF TAMPON APPLICATORS Tampon applicators are produced by injection molding. Technical requirements are given according to processing limitations of the existing production technique. 6 materials were tested: 3 starch based materials and 3 PHA materials.

SURGICAL TWEEZERS Tweezers are a useful and simple tool, used in medicine. We decided to produce tweezers from a PHA-based material because they are resistant to higher temperatures and would likely be suitable for steam sterilization. TEST PRODUCTION OF TWEEZERS Tweezers are produced with injection molding. One injection cycle produces 16 tweezers and each cycle uses cca. 100 g of the material although the mass of each tweezer is only 4.7 g; 25g of the material goes for a massive sprue.

An acceptable prototype on which artificial ageing is currently carried out.

Processing temperature of PHA was lower than the temperature for conventional plastics. Also the overpressure at the end of the extruder was lower (5X) and the pressure profile in the extruder is lower. The obtained tweezers were well formed and had acceptable performance.

SIMULATED COMPOSTING

ADDITIONAL PROCESSING OF THE TWEEZERS Because tweezers used in medical applications need to be sterile we tested how the water steam sterilization influences the products. Steam sterilization negatively affected closing and torsion of the forceps and the brittleness of the material increased. Other methods of sterilization might be better suited for this material.

Project partner 11 established a method for simulated composting of plastic materials described according to the standard EN 14806 “Packaging Preliminary evaluation of the disintegration of packaging materials under simulated composting conditions in a laboratory scale test. Figure: Left: Glass reactors for determination of disintegration (one is full, three are empty – photo taken in the middle of the preparation) Reactors are placed into large thermostatic chamber kept at 58 oC ± 2 oC. Total capacity of the box is up to 15 reactors (more if smaller reactors are used). The box itself was custom made for the intention of determination of disintegration within the PLASTiCE project. Right: Thermostatic chamber for determination of disintegration of plastic materials in controlled laboratory conditions. CONCLUSION The production of biodegradable tampon applicators and biodegradable tweezers was not fully successful, however is developed further. It is time consuming to find the right material for production of specific hygiene/medical device products and the process must be taken case by case. Because bioplastics have different processing properties some adjustments in the production process are necessary (time, pressure, molds, etc.). With adjustments processing of bioplastics is possible with conventional equipment. Introduction of bioplastics into production of hygiene products is time consuming but feasible.

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CS 4 & 5— Production og packaging for eggs made from BDPs Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences (Slovakia) University of Technology in Bratislava,(Slovakia) INTRODUCTION This case study concerned the preparation of compostable material suitable for processing by blistering technology possessing the required mechanical properties and acceptable price. The aim was to develop fully compostable packaging for eggs, serving as an example of successful application for other companies that are not sure about benefits of these kind of applications. PROCESS The material made from biodegradable plastics was adjusted on laboratory scale for packaging for eggs, especially regarding ultimate properties, price and processing parameters. Pellets made from a new biodegradable blend (based on PLA and PHB) was prepared in four slightly different alternatives mainly differing in processing details, with the aim to various processing parameters to be able to adjust the blend for fixed conditions in the pilot experiment.

The four compositions were tested under laboratory conditions regarding foil extrusion and consequent vacuum thermoforming. All compositions showed good processability both in extrusion and in thermoforming of 6-pack egg packaging, similar to reference materials, namely polystyrene (used nowadays) and polylactic acid (standard biodegradable material supposed to be easily processed). In the meanwhile an external company made a thorough economic analysis (feasibility) of the production for three different kinds of packaging.

Twin-screw extruder for pellets preparation

Thermoforming process study

CONCLUSIONS

Product prototypes

Biodegradable material suitable for vacuum thermoforming was tested and packaging for eggs has been produced under laboratory conditions. This case study confirmed that industry and the research sector can overcome specific challenges in the production process and that it is possible to develop new biodegradable blends in a relative short period of time.

28 This project is immplemented through the Central Europe Programme co-financed by the ERDF


Innovative value chain developement for sustainable plastics in Central Europe

CS 6A—Introduction of biodegradable plastics into drinking straw production P. Horvat1, A. Kržan1, U. Kropf2, M. Erzar3 1 National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana 2 Centre of excellence Polymer Materials and Technologies PoliMaT, Tehnoloski park 24, 100 Ljubljana 3 Pepiplast d.o.o., Cesta goriške fronte 46, 5290 Šempeter pri Gorici

INTRODUCTION

Drinking straws are disposable single-use products with a long history and although straws are small they result in a substantial amount of plastic waste that is often dispersed in nature. Biodegradable plastic straws offer the same convenience as classic drinking straws with no or limited downside of the plastic waste issue. With this CS we could ease the transition of drinking straw production from conventional materials to bioplastics. PROCESS FOOD CONTACT TESTING

PRODUCTION OF STRAWS

Drinking straws are a product that is intended to come in contact with foodstuff. Due to lack of information regarding overall migration from bioplastics we tested several products made of bioplastics to see if they are suitable for use in food contact applications.

Conventional straws are made from PP and the plan was to replace PP with a bio-based and biodegradable material which was already prepared to be used for production of this specific product. The used material was PLA based blend MaterBi CE01B.

We analyzed the overall migration of non-volatile substances from bioplastic items such as packaging and utensils into aqueous food simulants. The tested samples were commercially available products made of polylactide (PLA) and thermoplastic starch (TPS). For all 7 tested items and/or materials it can be expected that they may come in contact with foodstuffs. Testing was performed according to the standard EN 1186 in a laboratory accredited according to EN ISO/IEC 17025. Test methods for overall migration into aqueous food simulants a) by article filling, b) by total immersion, and c) by cell were used. The materials were exposed to aqueous solutions simulating actual use conditions and up to three migration cycles were performed. FT-IR spectroscopy was used for sample characterization and for identification of migrated substances. Total migration was quantified using the evaporation method.

In the conventional production the set-up of the system was well optimized and the system was very stable. This is crucial since a very high throughput (900 pcs/min) must be reached in order to have a sustainable production. When switching to the bioplastics optimizing the new set-up of the system was quite complicated. A number of times the system collapsed only one step before it was set up. After suitable conditions were found the system was stable. The production temperatures were lower than for PP. The biggest difference when comparing PP straws and straws made from bioplastics is in mass (biodegradable is approx. 50 % heavier) but this could still be improved. We also tested production of straws with hinges (knees) and observed no problems.

Figure 2: Introduction of melt through the cooling system and into the haul-off.

Figure 1: Migration cell, dismantled (left) and during the migration (right) The migration of non-volatile substances from bioplastics was determined by evaporation method. Overall migrations from all PLA samples and most TPS samples was below the level of detection, only one overall migration from TPS foil was above the legal limit but the product was not intended to come in contact with foodstuff (bags).

Figure 3: Left: The production line from the extruder to the haul-off (first part) and the rotary cutter (second part) Middle: System for collection of straws, Right: PepiPlast/PLASTiCE biodegradable straws

CONCLUSION From food contact testing results we can conclude that bioplastics can be used for food contact, important is that we take into consideration actual use conditions and do not use all materials for all purposes. Although the material was intended for production of straws some processing adjustments e.g. temperature, pressure, screw rotation, production speed, etc. were necessary. Because production of straws from biodegradable materials is already well established elsewhere the producer of the material could offer us the right material. The implementation of biodegradable plastics into straw production was fast and simple because we had a partner with long history of production of biodegradable straws. The company is also producing their own equipment for production of straws and knows how the machines are working and their wealth of experiences was also one of the main reasons why this case study was concluded so quick. We conclude that there is a significant benefit when the operator has long time experiences with production of similar or the same products, knows the equipment and if we have the material intended for exactly this product. The main advantage is the existence of the material intended for specific use, which allowed CS 6A to proceed with relative ease.

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Innovative value chain developement for sustainable plastics in Central Europe

CS 6B—Introduction of biodegradable materials into production of twines for agriculture M. Scandola, I. Voevodina University of Bologna, Chemistry Department “G. Ciamician”, Selmi 2, 40126 Bologna, Italy

The company involved in the Case Study produces polypropylene twines for agricultural use and joined the Case Study with the intention to substitute the polyolefin used for production with a biodegradable polymer. Material change over time for twine production Advantages of twines from biodegradable polymers for agricultural applications:  Ploughing-in of soil-biodegradable twines after use instead of collecting them from the field and disposing as waste  Improving the quality of the soil by using twines with added fertilizers to be released in soil in a controlled manner

Steps of the Case study:  analysis and selection of biodegradable polymers available in the market  characterization of physico-chemical properties of selected polymers  twine processing trials  characterization of the product

Main parameters considered in selection of biodegradable polymers for their use in twine production:  biodegradation in soil  appropriate mechanical properties  acceptable price

Simplified scheme of production line for twines at the company site

Selection of the polymer All materials taken into account as potential candidates were thoroughly characterized using a range of techniques (DSC, DMTA, TGA, TGA-MS, XRD, SEM, FTIR, mechanical properties etc.), in order to allow final selection of the materials to be processed at the company’s plant. Only two potential candidates were selected for twine production, based on proven soil biodegradability and commercial availability:  Polyester (A)  Polyester Blend (B) Twine processing trials and characterisation of the product After some trials with Polymer A at the factory’s production line, where problems with polymer film stretching after extrusion were experienced, laboratory trials on a small-size extrusion machine (fig. 1) were carried out. The results using Polymer A were encouraging and a demonstration twine was produced (fig. 2). Mechanical properties of the thread were in the range expected for the twine application. Polyester B didn’t provide good results.

Figure 1

Figure 2

CONCLUSION Important points to be taken into consideration for potential substitution of the presently used polyolefins with biodegradable polymers for twine production are:

   

Biodegradability in soil is a fundamental requirement The material must stand the applied high draw ratio after the extrusion The twine mechanical properties (strenght) must comply with application requirement Price of new polymer is a crucial factor

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La plastica migliore produce meno rifiuti La plastica è un compagno di viaggio della vita moderna con cui abbiamo un rapporto ambivalente: l’apprezziamo per la sua convenienza, ma la detestiamo perché inquina l’ambiente. Le bioplastiche sviluppate di recente sono biodegradabili o derivate da fonti rinnovabili, dunque sono più sostenibili. PLASTiCE promuove i sistemi di ricerca congiunta che espongono ai produttori le possibilità offerte dalle bioplastiche ed i piani d’azione che portano alla commercializzazione di nuovi tipi di plastica.

www.plastice.org

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Le plastiche biodegradabili in Europa Centrale: un futuro prospero