IT202000003272A1 - Composizione termoplastica a base di polietilentereftalato riciclato idoneo al contatto con alimenti avente migliorata resistenza termica, e relativo processo di produzione. - Google Patents

Description

COMPOSIZIONE TERMOPLASTICA A BASE DI POLIETILENTEREFTALATO RICICLATO IDONEO AL CONTATTO CON ALIMENTI AVENTE MIGLIORATA RESISTENZA TERMICA, E RELATIVO PROCESSO DI PRODUZIONE.

La presente invenzione riguarda una composizione termoplastica a base di polietilentereftalato (PET) riciclato idoneo per il contatto con alimenti avente migliorata resistenza termica, destinata prevalentemente ma non esclusivamente alla produzione di articoli per contenere, preparare o servire alimenti, ed il relativo processo di produzione.

Il polietilentereftalato (PET) ? un polimero termoplastico largamente impiegato nell?industria alimentare per l?imbottigliamento di liquidi (acqua in primis e numerose altre tipologie di bevande), grazie alla sua scarsa permeabilit? all?ossigeno e all'anidride carbonica e alla sua buona resistenza meccanica anche a bassi spessori, che consente di ridurre la quantit? di materiale impiegato e quindi il costo delle bottiglie. Queste vengono in genere prodotte tramite un processo di soffiatura di apposite preforme costituite dal materiale plastico. Il PET ? altres? utilizzato per produrre vaschette per la conservazione di alimenti, le quali sono realizzate tramite estrusione in lastre e successiva termoformatura.

Per tali ragioni il PET risulta molto diffuso all?interno dei flussi della raccolta differenziata e costituisce dunque una risorsa abbondante ampiamente sfruttata nel settore del riciclo di materie plastiche, anche per la sua attitudine ad essere rigenerato numerose volte senza perdere significativamente le propriet? che lo caratterizzano. E' altres? possibile il suo reimpiego, attraverso specifici trattamenti ad alta temperatura e bassa pressione che consentono l?estrazione di eventuali sostanze contaminanti volatili, per la produzione di recipienti destinati anche al contatto con alimenti.

Per quanto riguarda la sostenibilit? ambientale, l?impiego di qualsiasi resina termoplastica rigenerata evita il ricorso alle fonti fossili (petrolio principalmente) e, contestualmente, risolve in maniera decisamente economica anche il problema dello smaltimento degli imballaggi che, altrimenti, terminerebbero la loro breve vita all?interno di termovalorizzatori o, peggio ancora, saturando le discariche urbane. E' inoltre importante sottolineare che il recupero delle materie termoplastiche ? energeticamente molto meno dispendioso di quello del vetro o dei metalli in generale.

In questo panorama si inserisce la presente invenzione avente come obiettivo principale l?impiego di PET riciclato da raccolta differenziata (in inglese: "Post Consumer Recycled PET" o "PCR-PET") per la realizzazione di oggetti di uso domestico destinati alla preparazione e conservazione del cibo e per servirlo in tavola.

Data la notevole diffusione delle lavastoviglie domestiche che agevolano le operazioni di pulizia delle stoviglie e degli attrezzi generalmente utilizzati in cucina, appare evidente che l?impiego del PET riciclato usato per la realizzazione di tali oggetti non pu? prescindere dalla possibilit? che gli stessi subiscano processi di lavaggio e igienizzazione proprio mediante lavastoviglie che, utilizzando detergenti disciolti in acqua calda (circa 60-65?C) ne assicurano il risultato.

Ad oggi, per?, il PET riciclato, trasformato in genere mediante processi di stampaggio ad iniezione tradizionali, d? luogo ad una struttura amorfa che, se da un lato ne assicura la tenacit?, dall?altro ne riduce notevolmente la resistenza termica, tanto da non poter essere affidabilmente impiegato all?interno di processi di lavaggio che facciano uso di acqua a temperatura superiore ai 50?C, pena la deformazione irreversibile del manufatto stesso e la conseguente impossibilit? ad essere ulteriormente utilizzato per la funzione per cui era stato prodotto.

Esistono varie modalit? di processo che consentono di ottenere una matrice polimerica del PET con un grado di cristallinit? sufficientemente elevato, tale da assicurare una rilevante resistenza termica. In particolare ? possibile allungare i tempi di raffreddamento post-iniezione del materiale all?interno della cavit? durante lo stampaggio ad iniezione, cos? da consentire la cristallizzazione almeno parziale del PET.

In alternativa, ? possibile sottoporre il manufatto gi? formato ad un processo di "ricottura", tramite l'utilizzo di forni che aumentano gradualmente la temperatura del manufatto al fine di agevolare la cristallizzazione del materiale polimerico, senza provocare deformazioni quando la struttura ? ancora amorfa.

Entrambi i suddetti metodi appaiono per? eccessivamente dispendiosi per una produzione industriale, sia dal punto di vista energetico che per un considerevole aumento dei tempi di processo, che risultano non compatibili con i consueti tempi, assai brevi, dello stampaggio ad iniezione industriale.

La Richiedente si ? dunque posta il problema di migliorare le caratteristiche del PET riciclato in termini di resistenza termica, cos? da consentire la produzione di manufatti con i consueti processi di stampaggio ad iniezione con tempi di ciclo molto contenuti (in genere non superiori ai 60 sec), aventi elevata resistenza termica e spessori anche rilevanti (attorno a 5-6 mm). In particolare, la Richiedente si ? posta il problema di evitare che, alla temperatura di 50?C, il PET, pur non rammollendo, perda le propriet? di resistenza al carico e dunque si deformi se sottoposto alla sua forza peso o, peggio ancora, a quella di altri oggetti ad esso appoggiati.

La Richiedente ha trovato che tale problema pu? essere risolto tramite dispersione all'interno della massa fusa del PET riciclato di una carica minerale a base di talco avente una dimensione media delle particelle (d50) da 5 ?m a 100 ?m, preferibilmente da 10 ?m a 50 ?m. La presenza delle particelle di talco all'interno della matrice polimerica consente di aumentare la resistenza termica del materiale perlomeno fino a 65-70?C, cos? da evitare che il materiale collassi e quindi si deformi in modo inaccettabile quando riscaldato. Tali manufatti possono dunque essere affidabilmente igienizzati all?interno delle lavastoviglie domestiche, utilizzando cicli di lavaggio ad una temperatura fino a 65?C.

Pertanto, secondo un primo aspetto la presente invenzione riguarda una composizione termoplastica che comprende:

da 60% a 90% in peso, preferibilmente da 70% a 85% in peso, di almeno un polietilentereftalato (PET) da riciclo idoneo al contatto con alimenti;

da 10% a 40% in peso, preferibilmente da 15% a 30% in peso, di almeno una carica minerale a base di talco, il talco essendo in forma di particelle aventi una dimensione media (d50) da 5 ?m a 100 ?m, preferibilmente da 10 ?m a 50 ?m;

le percentuali in peso essendo espresse rispetto al peso totale della composizione.

Nell?ambito della presente descrizione e delle rivendicazioni allegate, con "dimensione media (d50)" delle particelle si intende il valore mediano, cio? il valore della dimensione delle particelle (espresso come diametro della sfera equivalente) al di sotto del quale si trova il 50% in peso della popolazione delle particelle stesse (si veda "A Guidebook to Particle Size Analysis" pubblicato da Horiba Instruments Inc. - 2016, reperibile su https://www.horiba.com/fileadmin/uploads/ Scientific/eMag/PSA/Guidebook/pdf/PSA_Guidebook.pdf). La dimensione media (d50) pu? essere determinata tramite tecnica a diffrazione laser, secondo la norma ISO 13320:2009.

Nell?ambito della presente descrizione e delle rivendicazioni allegate, con "carica minerale a base di talco" si intende una carica minerale costituita da talco (100% in peso), ovvero una carica minerale che comprende talco in una quantit? pari ad almeno 60% in peso, pi? preferibilmente almeno 80% in peso, rispetto al peso della carica minerale totale.

Come ? noto, il talco ? un minerale (fillosilicato di magnesio avente formula Mg3Si4O10(OH)2) che si presenta in genere in forma lamellare (microscaglie), avente struttura cristallina tubolare. Nella sua composizione chimica possono essere presenti, talora, atomi di alluminio, titanio, ferro (II) e/o manganese, che sostituiscono gli atomi di silicio e/o magnesio.

Per quanto riguarda il PET da riciclo, utilizzabile per manufatti destinati al contatto con alimenti, questo ? in genere ottenuto dalla raccolta differenziata di rifiuti urbani, che, secondo le norme in vigore, debbono comprendere almeno il 95% di contenitori per alimenti (bottiglie o vaschette), e viene venduto in forma di scaglie di dimensioni variabili, in genere da 0,6 mm a 8,0 mm. Le scaglie, eventualmente selezionate in base alla nuance del colore (incolore, azzurrate, verdastre o floreale) vengono opportunamente igienizzate mediante processo di post-condensazione allo stato solido (Solid State Post Condensation (SSPC)).

Per quanto riguarda la carica minerale a base di talco, questa ? ottenuta tramite macinazione e successiva vagliatura di minerali a base di talco di origine eruttiva o metamorfica, quali talcoscisti, steatite, ecc. Preferibilmente, dopo la macinazione, il talco viene sottoposto a essiccamento, cos? da ridurre in modo sostanziale o eliminare l'acqua presente nel minerale.

La presenza della carica minerale a base di talco, dispersa in modo sostanzialmente omogeneo nella matrice di PET, oltre a migliorare in modo significativo la resistenza termica del materiale, consente di ridurre considerevolmente la tendenza del PET ad aderire alle pareti dello stampo di formatura, in particolare in prossimit? del punto di iniezione all'interno dello stampo. Ci? riduce i tempi di ciclo dello stampaggio e la difettosit? del prodotto finito, rendendolo complessivamente pi? economico.

La resistenza termica del materiale, cio? la resistenza di un provino alla deformazione all'aumentare della tempratura in presenza di un carico costante, pu? essere valutata tramite misure della temperatura di deformazione a caldo (Heat Deflection Temperature -HDT), vale a dire la temperatura alla quale un provino del materiale si deforma di 0,25 mm sotto un carico a flessione predefinito (solitamente pari a 0,46 MPa oppure 1,8 MPa). La misura della HDT pu? essere effettuata secondo la norma ASTM D648-Method A. La composizione termoplastica secondo la presente invenzione ha preferibilmente un valore di HDT, misurato secondo la norma ASTM D648-Method A con un carico a flessione pari a 0,46 MPa, uguale o superiore a 80?C, pi? preferibilmente uguale o superiore a 85?C.

Senza essere vincolati ad una teoria interpretativa, la Richiedente ritiene che il talco disperso nella matrice di PET, anche quando presente in quantit? relativamente basse, sia in grado di generare centri privilegiati di cristallizzazione del polimero, attorno ai quali, anche a temperature non elevate, ? possibile ottenere un seppur parziale riarrangiamento ordinato delle catene polimeriche, il quale consente di aumentare la resistenza termica del materiale. Inoltre, si ritiene che il talco in forma lamellare formi una sorta di ?impalcatura di sostegno? per il polimero, la quale evita che la struttura polimerica, seppur non rammollita, collassi a causa dell'aumento della temperatura, sotto l?effetto del suo stesso peso e/o di quello di altri corpi che vi gravano.

La composizione termoplastica secondo la presente invenzione pu? altres? contenere altri additivi, quali coloranti, pigmenti, antiossidanti, stabilizzanti, ecc., purch? questi siano adatti al contatto con gli alimenti.

In un secondo aspetto, la presente invenzione riguarda un processo per produrre una composizione termoplastica come sopra definita, che comprende:

lavorare meccanicamente e portare a fusione un PET da riciclo tramite un estrusore bivite;

alimentare all'estrusore bivite una carica minerale a base di talco, e inglobare tale carica all'interno del PET da riciclo allo stato fuso;

estrudere la composizione cos? ottenuta e ridurla in forma di granuli.

Preferibilmente, allo scopo di portare a fusione il PET, la temperatura all'interno dell'estrusore viene mantenuta tra 245?C e 280?C.

Secondo una forma di realizzazione preferita, la carica minerale viene alimentata all'estrusore bivite in forma di polvere. In questo modo si ottiene la quantit? di talco desiderata nel materiale polimerico, senza aggiungere ulteriori frazioni di sostanze indesiderate che possano ridurre la quota di riciclato nel manufatto finale. Il PET da riciclo viene invece introdotto sotto forma di scaglie ottenute dalla granulazione delle bottiglie e vaschette presenti nella raccolta differenziata, opportunamente igienizzate mediante SSPC: cos? facendo si ottimizza il processo produttivo evitando di estrudere una seconda volta il PET riciclato.

E' altres? possibile alimentare la carica minerale in forma di masterbatch, vale a dire in forma di composizione concentrata della carica minerale predispersa in PET (da riciclo o vergine). Tuttavia, tale modalit? operativa pu? comportare svantaggi in quanto introduce nella composizione finale un materiale (la matrice polimerica in cui ? pre-dispersa la carica) la cui origine pu? non essere precisamente determinata e quindi pu? modificare le caratteristiche finali del prodotto, in particolare per quanto riguarda la sua idoneit? al contatto con alimenti. Inoltre, a causa delle caratteristiche chimico-fisiche del PET, risulta difficile produrre un masterbatch con concentrazioni di carica elevate.

Secondo un ulteriore aspetto, la presente invenzione riguarda manufatti destinati a venire in contatto con alimenti, in particolare oggetti per la tavola (ad esempio stoviglie, piatti, bicchieri, caraffe), utensili da cucina e contenitori per alimenti, ottenuti tramite stampaggio ad iniezione di una composizione termoplastica secondo la presente invenzione.

I seguenti esempi di realizzazione sono forniti a mero scopo illustrativo della presente invenzione e non devono essere intesi in senso limitativo dell?ambito di protezione definito dalle accluse rivendicazioni.

ESEMPI 1-2.

E' stata preparata una composizione di PET da riciclo tal quale tramite un estrusore bivite, senza aggiunta di cariche (Esempio 1). La composizione estrusa e pellettizzata ? stata quindi stampata ad iniezione in stampi raffreddati a 30?C, in modo da ridurre per quanto possibile il tempo di ciclo. I provini ottenuti, di spessore 3,2 mm e dimensioni 12,7 mm x 127 mm come richiesto dalla norma, sono stati sottoposti alla misura di HDT secondo la norma ASTM D648-Method A, con un carico a flessione pari a 0,46 MPa. La HDT ? risultata essere pari a 73?C (valore medio su 10 provini).

La stessa sperimentazione ? stata ripetuta con una composizione del medesimo PET da riciclo in cui ? stata dispersa, all'interno del medesimo estrusore bivite, una carica di talco in una quantit? pari a 20% in peso (Esempio 2). Il talco impiegato aveva una dimensione media delle particelle (d50) pari a 25 ?m. La composizione estrusa e pellettizzata ? stata quindi stampata ad iniezione in stampi raffreddati a 30?C, con lo stesso metodo sopra descritto. Sui provini ottenuti, di forma e dimensioni identiche all'Esempio 1, ? stata misurata la HDT secondo la norma ASTM D648-Method A, nelle medesime condizioni dell'Esempio 1. La HDT ? risultata essere pari a 83?C (valore medio su 10 provini), vale a dire 13?C superiore alla HDT della composizione priva di talco.

ESEMPI 3-4.

Le medesime composizioni secondo gli Esempi 1 e 2 sono state utilizzate per produrre contenitori tramite stampaggio ad iniezione. I contenitori, di dimensioni pari 28 cm di diametro, avevano uno spessore medio delle pareti di circa 4 mm.

I contenitori cos? prodotti sono stati sottoposti a cicli di lavaggio, anche ripetuti, a 60?C con risciacquo a 65?C, all'interno di una lavastoviglie standard, ponendo i contenitori in varie posizioni, con e senza il peso dovuto a stoviglie posizionate al loro interno.

I contenitori realizzati con la composizione di PET da riciclo contenente talco secondo la presente invenzione (Esempio 4) non hanno mostrato, al termine dei lavaggi, alcun tipo di deformazione, mentre i contenitori realizzati con il medesimo PET da riciclo privo di talco (Esempio 3) presentavano numerose deformazioni in vari punti, diversi in funzione della loro posizione all'interno del vano della lavastoviglie, e in corrispondenza delle stoviglie appoggiate al loro interno.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Composizione termoplastica idonea al contatto con alimenti, che comprende: da 60% a 90% in peso di almeno un polietilentereftalato (PET) da riciclo; da 10% a 40% in peso di almeno una carica minerale a base di talco, il talco essendo in forma di particelle aventi una dimensione media (d50) da 5 ?m a 100 ?m; le percentuali in peso essendo espresse rispetto al peso totale della composizione.
2. 2. Composizione termoplastica secondo la rivendicazione 1, che comprende da 70% a 85% in peso di detto almeno un polietilentereftalato (PET) da riciclo; da 15% a 30% in peso di detta almeno una carica minerale a base di talco.
3. 3. Composizione termoplastica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto talco ? in forma di particelle aventi una dimensione media (d50) da 10 ?m a 50 ?m.
4. 4. Composizione termoplastica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto talco ? in forma lamellare (microscaglie).
5. 5. Composizione termoplastica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, avente, dopo stampaggio ad iniezione, una temperatura di deformazione a caldo (Heat Deflection Temperature - HDT), misurata secondo la norma ASTM D648-Method A con un carico a flessione pari a 0,46 MPa, uguale o superiore a 80?C, preferibilmente uguale o superiore a 85?C.
6. 6. Processo per produrre una composizione termoplastica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, che comprende: lavorare meccanicamente e portare a fusione un PET da riciclo tramite un estrusore bivite; alimentare all'estrusore bivite una carica minerale a base di talco, e inglobare tale carica all'interno del PET da riciclo allo stato fuso; estrudere la composizione cos? ottenuta e ridurla in forma di granuli.
7. 7. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui all'interno dell'estrusore bivite viene mantenuta una temperatura tra 245?C e 280?C.
8. 8. Processo secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui la carica minerale viene alimentata all'estrusore bivite in forma di polvere.
9. 9. Manufatti destinati a venire in contatto con alimenti, in particolare oggetti per la tavola, utensili da cucina e contenitori per alimenti, ottenuti tramite stampaggio ad iniezione di una composizione termoplastica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5.