IT202100007421A1

IT202100007421A1 - Polimeri biodegradabili a resistenza meccanica migliorata

Info

Publication number: IT202100007421A1
Application number: IT102021000007421A
Authority: IT
Inventors: Roberto Merighi; Giuseppe Pecoraro
Original assignee: Sicilbiotech S R L
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-09-26
Also published as: EP4063398A1

Description

Polimeri biodegradabili a resistenza meccanica migliorata

[0001]. La presente invenzione ? diretta a un polimero biodegradabile comprendente materiali derivati da fibre di origine vegetale e al processo per la preparazione di detto polimero biodegradabile.

[0002]. La produzione di polimeri biodegradabili rappresenta un settore in forte espansione negli ultimi anni. I problemi di inquinamento ambientale derivato da sacchetti di polietilene (PE) ha reso necessaria la sostituzione del PE con materiali biodegradabili in modo che sacchetti eventualmente dispersi nell?ambiente venissero degradati nel tempo. I materiali pi? comunemente usati per la sostituzione del PE nei sacchetti sono il Mater-Bi<? >e il PLA (Acido polilattico). Questi materiali hanno come limite la scarsa resistenza meccanica che ne provoca facilmente la rottura durante l?uso.

[0003]. Molti studi sono stati effettuati sull?utilizzo di Mater-Bi e PLA in combinazione con fibre naturali nel tentativo di migliorarne le propriet? meccaniche. ?Effects of the Moisture and Fiber Content on the Mechanical Properties of Biodegradable Polymer?Sisal Fiber Biocomposites?, Vol. 91, 4007-4016 (2004), divulga l?effetto dell?umidit? e della quantit? di fibra sulle propriet? Meccaniche di compositi della fibra di agave con polimeri.

[0004]. ?Effect of the Processing Techniques on the Properties of Ecocomposites Based on Vegetable Oil-Derived Mater-Bi<? >and Wood Flour? , Vo.114, 2885-2863 (2009), studia l?effetto di tecniche di processo per la miscelazione di Mater-Bi<? >con polpa di legno. Questa miscela presenta un miglioramento contenuto nella resistenza a trazione in confronto al Mater-Bi<? >da solo.

[0005]. Esiste quindi ancora l?esigenza di trovare nuove miscele di polimeri biodegradabili con fibre derivate da sostanze vegetali che forniscano un prodotto finale con caratteristiche meccaniche migliorate

[0006]. La presente invenzione ? diretta a processo per la produzione di una miscela comprendente un polimero biodegradabile e una fibra di origine vegetale derivata da una specie vegetale, comprendente i passaggi di: estrarre la specie vegetale per ottenere una matrice ligneo-cellulosica comprendente almeno 40% di cellulosa, lignina in una quantit? inferiore o uguale a 15% in peso e umidit? in una quantit? inferiore o uguale al 10 % in peso; trattare la miscela cos? ottenuta con un ossidante; acetilare il prodotto ottenuto dal passaggio di ossidazione; miscelare il prodotto acetilato con il polimero biodegradabile.

[0007]. La presente invenzione ? anche diretta alla miscela ottenuta dal processo sopra descritto, la quale miscela comprende dal 50 al 90% di un polimero biodegradabile e dal 10 al 50% in peso di un materiale ligneo-cellulosico trattato come sopra descritto.

[0008]. Come detto in precedenza, qualsiasi materiale di partenza pu? essere usato, purch? sia possibile ottenere da esso una matrice ligneo-cellulosica contenente almeno il 40% in peso di cellulosa, lignina in una quantit? inferiore o uguale al 15% in peso, e umidit? in quantit? inferiore o uguale al 10% in peso. Preferibilmente la quantit? di cellulosa ? di circa il 50% in peso, il che significa dal 45% in peso al 55% in peso. Una variet? vegetale adatta come materia prima ? la Sulla (Hedysarum coronarum), una specie coltivata comunemente in Italia e che viene utilizzata come foraggio per gli animali.

[0009]. Un trattamento adatto ad ottenere la matrice fibro-cellulosica ? per esempio la macinazione meccanica della pianta, seguita da setacciatura e micronizzazione, per ottenere una fibra micronizzata che costituisce il prodotto di partenza per i successivi trattamenti chimici. La fibra micronizzata per uso nella presente invenzione ha preferibilmente un diametro medio ponderale delle particelle inferiore a 500 micron, pi? preferibilmente di circa 300 micron.

[0010]. La fibra micronizzata deve contenere una quantit? di cellulosa superiore o uguale al 40% in peso, lignina in quantit? inferiore a l5 % in peso e umidit? inferiore al 10 % in peso. Per rendere la fibra micronizzata maggiormente compatibile con il polimero biodegradabile ? necessario sottoporre la stessa ad alcuni trattamenti. Un primo trattamento ? un?ossidazione con perossidi (acqua ossigenata, acido peracetico, e altri perossidi organici). Il trattamento ossidativo consente tra l?altro di spezzare i legami fenolici nella lignina. Un secondo trattamento da eseguire assieme o dopo l?ossidazione ? l?acetilazione, da effettuarsi in ambiente acido (pH compreso tra 1 e 5, preferibilmente tra 1 e 4). L?acetilazione serve ad aumentare la solubilit? delle emicellulose e quindi migliorare la compatibilit? con il polimero biodegradabile.

[0011]. L?utilizzo di acido peracetico consente di effettuare i due passaggi di ossidazione e acetilazione contemporaneamente. Infatti, l?acido peracetico ossida la lignina riducendosi ad acido acetico, e al tempo stesso fornisce un ambiente debolmente acido. La concentrazione di perossido utilizzato nella reazione di ossidazione pu? variare in un ampio intervallo, per esempio tra 0,2 % in peso e 20 % in peso, preferibilmente tra 0,5 % in peso e 15 % in peso. In termini di concentrazione molare dell?ossidante, la concentrazione pu? variare tra 0,03 M e 3 M, preferibilmente tra 0,07 M e 2 M. La temperatura utilizzata pu? anch?essa variare in un intervallo abbastanza ampio, per esempio tra 50 e 125?C, preferibilmente tra 60 e 120?C. L?utilizzo di temperature superiori a 100?C richiede ovviamente l?utilizzo di autoclavi per raggiungere la pressione necessaria a mantenere l?acqua liquida alla temperatura di reazione. Il tempo di reazione dipende dalle condizioni utilizzate e pu? variare da pochi minuti a poche ore, per esempio da 10? a 2h, preferibilmente da 15? a 1h. L?utilizzo di condizioni di reazione blande (e.g. concentrazione di ossidante e temperature basse) render? necessario un tempo di reazione pi? lungo.

[0012]. Come detto in precedenza, nel caso si utilizzi acido peracetico, non ? necessario aggiungere n? un altro acido n? una sorgente acetilante. Sar? sufficiente aggiungere acido peracetico nelle quantit? sopra indicate, cio? ad una concentrazione compresa tra 0,2 % in peso e 20 % in peso, preferibilmente tra 0,5 % in peso e 15 % in peso. Nel caso si utilizzi un altro ossidante, per esempio acqua ossigenata, si pu? condurre la reazione di ossidazione contemporaneamente alla reazione di acetilazione aggiungendo simultaneamente all?acqua ossigenata acido acetico e un acido. La quantit? di acido deve essere tale da mantenere il pH nell?intervallo da 1 a 5, preferibilmente da 1 a 4. La concentrazione di acido acetico pu? variare 0,03 M e 3 M.

[0013]. La miscela di reazione al termine dei trattamenti chimici viene poi filtrata, preferibilmente sciacquata con un solvente inerte e aggiunta al biopolimero. Preferibilmente la miscela biopolimeromicrofibre ? asciugata in forno fino al raggiungimento di peso costante per eliminare l?acqua e i composti organici volatili (acido acetico, acetato di etile).

[0014]. La miscela essiccata pu? essere quindi lavorata per ottenere un prodotto finale quale ad esempio un film, caratterizzato da resistenza meccanica migliorata rispetto al biopolimero puro e da ottima compostabilit?.

Parte sperimentale

[0015]. 10 g di sulla micronizzata sono stati sospesi in 20 ml di acido peracetico al 2% e posti in agitazione vigorosa a 70 ?C per 60 minuti. La sospensione ? stata poi versata in acetato di etile e filtrata su buckner con filtro di carta. Il solido trattenuto, bianco, ancora bagnato di acetato di cellulosa ? stato mescolato con 30g di Mater-Bi DIO1A e poi posto in stufa a 50 ?C fino a peso costante. La miscela risultate e stata trafilata a 160 ?C. Il polimero risultante presentava un carico di rottura alla trazione di 45 MPa, pi? che doppio rispetto al Mater-Bi di partenza.

[0016]. 10 g di sulla micronizzata sono stati sospesi in 20 ml di acido peracetico al 15% e posti in autoclave a 120 ?C per 15 minuti e poi raffreddata a temperatura ambiente. Questa sospensione ? stata poi versata ad una seconda sospensione di 30 g di PLA commerciale posti in agitazione a temperatura ambiente in 50 ml di acetato di etile. La sospensione risultate ? stata poi filtrata su buckner con filtro di carta ed il solido ottenuto ? stato posto in stufa a 50 ?C fino a peso costante. La miscela risultate e stata trafilata a 160 ?C. Il polimero risultante presentava un carico di rottura alla trazione di 55 MPa, ca. il 10% maggiore rispetto al PLA di partenza.

Claims

Rivendicazioni

1. Un processo di preparazione di una composizione per uso nella preparazione di film biodegradabili, il quale processo comprende:

a. sottoporre una fibra vegetale micronizzata contenente almeno il 40 % in peso di cellulosa, meno del 15 % in peso di lignina e meno del 10% in peso di umidit? ai seguenti passaggi:

i. ossidazione della fibra micronizzata in presenza di un perossido organico o inorganico;

ii. acetilazione della fibra micronizzata con acido acetico in ambiente acido; b. miscelare la fibra micronizzata ossidata e acetilata con un polimero biodegradabile in rapporti compresi tra 10/90 e 50/50.

2. Il processo della rivendicazione 1, in cui la fibra vegetale micronizzata deriva da sulla (hedysarum coronarum).

3. Il processo delle rivendicazioni 1-2, in cui la fibra vegetale contiene dal 45 % in peso al 55 % in peso di cellulosa.

4. Il processo delle rivendicazioni 1-3, in cui i passaggi i e ii sono eseguiti contemporaneamente.

5. Il processo della rivendicazione 4, in cui i passaggi i e ii sono effettuati aggiungendo alla fibra micronizzata acido peracetico.

6. Il processo secondo le rivendicazioni 1-5, in cui i passaggi i e ii sono effettuati ad una temperatura compresa tra 50 e 130 ?C.

7. Il processo secondo le rivendicazioni 1-7, in cui la fibra micronizzata ha un diametro medio inferiore a 500 micron.

8. Il processo secondo le rivendicazioni 1-7, in cui il pH a cui vengono eseguiti i passaggi i e ii ? compreso tra 1 e 5.

9. Il processo secondo le rivendicazioni 1-8, comprendente inoltre il seguente passaggio:

c. essiccare la miscela del passaggio b. in forno per fare evaporare le sostanze volatili organiche e l?acqua presente nella miscela.

10. Una composizione per uso nella preparazione di film biodegradabili ottenibile tramite il processo delle rivendicazioni 1-9.