ITMI20090094A1 - BIODEGRADABLE EXTENSIBLE FILM - Google Patents
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Description
“Film estensibile biodegradabile†⠀ œBiodegradable stretch filmâ €
La presente invenzione si riferisce ad un innovativo film plastico estensibile con caratteristiche di biodegradabilità . In particolare, il film à ̈ indicato per l’imballaggio o per l’impacchettamento di alimenti su vaschette o simili. The present invention refers to an innovative stretch plastic film with biodegradability characteristics. In particular, the film is suitable for packaging or for packaging food on trays or the like.
Il mercato dei film estensibili per queste applicazioni di confezionamento à ̈ composto essenzialmente da film in PVC o in PE nell’intervallo di spessori da 8µm a 16µm. La sostanziale differenza tra le due categorie à ̈ che il film in PVC mostra un ottimo equilibrio tra resistenza meccanica ed elasticità , mentre i film in PE/PP hanno buona resistenza meccanica, ma non riescono a fornire un’elasticità altrettanto elevata. The stretch film market for these packaging applications is essentially composed of PVC or PE films in the thickness range from 8µm to 16µm. The substantial difference between the two categories is that the PVC film shows an excellent balance between mechanical resistance and elasticity, while the PE / PP films have good mechanical resistance, but are unable to provide such high elasticity.
Il bilanciamento delle proprietà meccaniche dei film in PVC li rende particolarmente utili per quegli imballaggi dove il recupero elastico della deformazione causata dalle impronte lasciate dal consumatore sul film à ̈ un preciso requisito dell’imballaggio. The balancing of the mechanical properties of PVC films makes them particularly useful for those packaging where the elastic recovery of the deformation caused by the impressions left by the consumer on the film is a specific requirement of the packaging.
I film in PE, grazie alle loro caratteristiche di robustezza meccanica ed elevata estensibilità , sono invece preferiti nell’imballaggio industriale di carichi pallettizzati, con applicazione sia automatica sia manuale. The PE films, thanks to their characteristics of mechanical strength and high extensibility, are instead preferred in the industrial packaging of palletized loads, with both automatic and manual application.
Entrambi i tipi di film danno però problemi ambientali di produzione e di smaltimento a fine vita. Sul mercato sono state proposte varie materie plastiche con caratteristiche di biodegradabilità , ma che non hanno caratteristiche adatte al processo industriale di estrusione in film sottile e alla realizzazione di film sottili ed estensibili con le caratteristiche meccaniche desiderate per le applicazioni dette. However, both types of films give rise to environmental problems of production and disposal at the end of their life. Various plastics have been proposed on the market with biodegradability characteristics, but which do not have characteristics suitable for the industrial process of thin film extrusion and for the production of thin and stretchable films with the mechanical characteristics desired for the said applications.
Fra le altre sono note resine biodegradabili formate da un polimero biodegradabile polyester-urethane, che sono completamente biodegradabili e compostabili secondo la normativa Europea ISO 13432 e che provengono da fonte non rinnovabile. Tale caratteristica renderebbe la bioplastica particolarmente adatta all’impiego in applicazioni di grandi volumi, come nel film estensibile, per via della teorica illimitata capacità di produzione rispetto alle limitazioni delle bioplastiche provenienti da fonti rinnovabili. Tuttavia, tali resine biodegradabili sono inadatte all’estrusione in campo industriale. Esse presentano, infatti, una degradazione con rapido accumulo di materiale degradato sulle labbra della testa di estrusione già all’uscita dall’intraferro della testa, con conseguenti difficoltà di proseguimento della filmatura. Presentano anche una difficoltà di riciclo in linea delle cimose sia durante il taglio delle stesse in fioccato che in fase di alimentazione nell’estrusore principale mediante estrusore ausiliario. Inoltre, tali resine presentano difficoltà di taglio del film a causa della elevata elasticità , anche con spessore molto bassi (8 µm). Among others are known biodegradable resins formed by a biodegradable polyester-urethane polymer, which are completely biodegradable and compostable according to the European standard ISO 13432 and which come from non-renewable sources. This characteristic would make the bioplastic particularly suitable for use in large volume applications, such as in stretch film, due to the theoretical unlimited production capacity compared to the limitations of bioplastics from renewable sources. However, these biodegradable resins are unsuitable for industrial extrusion. In fact, they show a degradation with rapid accumulation of degraded material on the lips of the extrusion head already at the exit from the air gap of the head, with consequent difficulties in the continuation of the filming. They also have difficulty in in-line recycling of the selvedges both during the cutting of the same in flakes and during the feeding phase into the main extruder by means of an auxiliary extruder. Furthermore, these resins present difficulties in cutting the film due to the high elasticity, even with very low thickness (8 µm).
Alcuni tentativi di miscelazione di differenti materie plastiche biodegradabili sono stati proposti per modificare caratteristiche del prodotto finale. Some attempts to mix different biodegradable plastics have been proposed to modify the characteristics of the final product.
Ad esempio, WO2008/007919 propone un film biodegradabile formato dalla miscela di due resine termoplastiche biodegradabili per ottenere un film poroso, con la prima resina che ha temperatura di transizione vetrosa maggiore di almeno 20°C rispetto alla temperatura di transizione vetrosa dell’altra resina. Un esempio di prima resina in WO2008/007919 à ̈ un polimero biodegradabile di acido polilattico, mentre un esempio di seconda resina à ̈ un polimero biodegradabile polyester-urethane. La miscela à ̈ di 20-250 parti in peso della prima resina e di 100 parti in peso della seconda resina. Una tale miscela non à ̈ comunque adatta per gli scopi della presente invenzione ed à ̈ infatti proposta per tutt’altri scopi. For example, WO2008 / 007919 proposes a biodegradable film formed by the mixture of two biodegradable thermoplastic resins to obtain a porous film, with the first resin having a glass transition temperature at least 20 ° C higher than the glass transition temperature of the other. resin. An example of a first resin in WO2008 / 007919 is a biodegradable polymer of polylactic acid, while an example of a second resin is a biodegradable polyester-urethane polymer. The mixture is 20-250 parts by weight of the first resin and 100 parts by weight of the second resin. However, such a mixture is not suitable for the purposes of the present invention and is in fact proposed for quite other purposes.
Non si à ̈ perciò sino ad ora potuto avere sul mercato un soddisfacente film plastico biodegradabile estensibile e con caratteristiche meccaniche comparabili, ad esempio, ai tradizionali film in PVC per il confezionamento automatico o manuale di alimenti su vaschetta e non, o ai film in LLDPE per l’imballaggio di carichi pallettizzati. It has therefore not been possible until now to have on the market a satisfactory biodegradable stretch plastic film with mechanical characteristics comparable, for example, to traditional PVC films for automatic or manual packaging of foods on and off trays, or to LLDPE films. for the packaging of palletized loads.
Scopo generale della presente invenzione à ̈ ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un film plastico biodegradabile estensibile, con soddisfacenti caratteristiche e facilmente ottenibile per estrusione. The general purpose of the present invention is to obviate the aforementioned drawbacks by providing an extensible biodegradable plastic film, with satisfactory characteristics and easily obtainable by extrusion.
In vista di tale scopo si à ̈ pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un film biodegradabile estensibile prodotto per mezzo di estrusione di una miscela comprendente una prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestere-urethane alla quale à ̈ stata aggiunta una quantità fra 1% e 10% di una seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico. In view of this purpose, it was decided to realize, according to the invention, a biodegradable stretch film produced by extrusion of a mixture comprising a first bioplastic of biodegradable polyester-urethane polymer to which a quantity of between 1 % and 10% of a second bioplastic of biodegradable polylactic acid polymer.
Sempre secondo la presente invenzione, à ̈ proposto un metodo per la produzione di un film biodegradabile estensibile comprendente le fasi di miscelare una prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestereurethane con una quantità fra 1% e 10% di una seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico e di estrudere la miscela in un film. Still according to the present invention, a method is proposed for the production of a biodegradable stretch film comprising the steps of mixing a first bioplastic of biodegradable polymer of polyesterurethane with a quantity between 1% and 10% of a second bioplastic of biodegradable acid polymer polylactic and to extrude the mixture into a film.
Secondo la presente invenzione la quantità della seconda bioplastica può essere vantaggiosamente nell’intorno del 5%. Inoltre, per migliorarne le caratteristiche il film può essere formato da più strati coestrusi della miscela della prima e della seconda bioplastica. In particolare, gli strati possono essere vantaggiosamente tre. According to the present invention, the quantity of the second bioplastic can advantageously be around 5%. Furthermore, to improve its characteristics, the film can be formed by several coextruded layers of the mixture of the first and second bioplastics. In particular, the layers can advantageously be three.
Sempre vantaggiosamente, lo spessore di estrusione del film può essere compreso fra 8 micron e 16 micron. Again advantageously, the extrusion thickness of the film can be between 8 microns and 16 microns.
Secondo l’invenzione, l’intima miscelazione della prima e della seconda bioplastica può vantaggiosamente essere realizzata nello (o in ciascuno) estrusore. According to the invention, the intimate mixing of the first and second bioplastics can advantageously be carried out in (or in each) extruder.
Durante le sperimentazioni, come prima bioplastica di polimero biodegradabile di polyestere-urethane (bioplastica A) à ̈ stata vantaggiosamente individuata la bioplastica prodotta dalla Enfresin Global Inc. con il nome commerciale Enfresin, avente densità di 1,18g/cm<3>, punto di fusione di 105°C, temperatura di transizione vetrosa di -40°C. Come seconda bioplastica di polimero biodegradabile di acido polilattico (bioplastica B) à ̈ stata vantaggiosamente individuata la bioplastica prodotta dalla Natureworks con il nome commerciale PLA, avente densità di 1,24g/cm<3>, punto di fusione di 210°C, temperatura di transizione vetrosa di 65°C. During the experiments, as the first bioplastic of biodegradable polymer of polyester-urethane (bioplastic A), the bioplastic produced by Enfresin Global Inc. with the trade name Enfresin was advantageously identified, with a density of 1.18g / cm <3>, point melting point of 105 ° C, glass transition temperature of -40 ° C. As the second bioplastic of biodegradable polymer of polylactic acid (bioplastic B), the bioplastic produced by Natureworks with the commercial name PLA was advantageously identified, with a density of 1.24g / cm <3>, melting point of 210 ° C, temperature glass transition of 65 ° C.
Queste bioplastiche sono impiegate anche in WO2008/007919, ma per scopi, in proporzioni e con risultati completamente differenti. These bioplastics are also used in WO2008 / 007919, but for purposes, in completely different proportions and with completely different results.
L’estrusione à ̈ stata eseguita in un impianto di estrusione che dispone di una testa piana di estrusione film (larga 2500mm). In particolare, per ottenere un film a più strati (vantaggiosamente, tre strati), à ̈ stata impiegata una testa dotata di tre estrusori che vanno a formare gli strati coestrusi del film. The extrusion was carried out in an extrusion plant that has a flat film extrusion head (2500mm wide). In particular, to obtain a multi-layer film (advantageously, three layers), a head equipped with three extruders was used which form the coextruded layers of the film.
Ogni estrusore à ̈ stato alimentato con la miscela nelle proporzioni dette. Secondo l’invenzione, la percentuale della seconda bioplastica può variare dal 1% fino al 10%, ottenendo in questo intervallo soddisfacenti condizioni di processabilità e di performance meccaniche del film. In particolare, nella realizzazione preferita, la prima bioplastica à ̈ alimentata circa al 95% mentre la seconda circa al 5%. Each extruder was fed with the mixture in the said proportions. According to the invention, the percentage of the second bioplastic can vary from 1% up to 10%, obtaining satisfactory conditions of processability and mechanical performance of the film in this range. In particular, in the preferred embodiment, the first bioplastic is fed about 95% while the second about 5%.
Le due bioplastiche sono state miscelate intimamente in ognuno degli estrusori e formano il film con strati coestrusi. The two bioplastics were intimately mixed in each of the extruders and form the film with coextruded layers.
Il film fuso in uscita dalla testa à ̈ stato raffreddato rapidamente a temperatura ambiente mediante scambiatori di calore rotanti (chill-roll) alimentati da fluido refrigerante (acqua) nell’intervallo 18°C – 20°C. The molten film exiting the head was rapidly cooled to room temperature by means of rotating heat exchangers (chill-roll) fed by cooling fluid (water) in the range 18 ° C - 20 ° C.
Dopo avere attraversato un misuratore di spessore, il film raffreddato à ̈ tagliato ed avvolto in bobine. After passing through a thickness gauge, the cooled film is cut and wound into reels.
In quest’ultima fase il film à ̈ anche sottoposto al taglio dei bordi (cimose) che sono poi avviati all’impianto di recupero in linea. In this last phase the film is also subjected to the cutting of the edges (selvedges) which are then sent to the in-line recovery plant.
Si à ̈ trovato che le difficoltà tecniche di taglio del film, di degradazione della bioplastica e di riciclo in linea delle cimose sono tutte superate grazie all’impiego della miscela di bioplastiche secondo l’invenzione. It has been found that the technical difficulties of cutting the film, degrading the bioplastic and recycling the selvedges in line are all overcome thanks to the use of the bioplastic mixture according to the invention.
E’ stato possibile ridurre l’elasticità del film, quindi migliorare il taglio del film, in quanto la seconda bioplastica ha un’elevata rigidità rispetto alla prima bioplastica a temperatura ambiente. Pertanto si à ̈ ottenuto con successo di correggere l’eccessiva elasticità della prima bioplastica trovando un punto di equilibrio nel comportamento elastico dei due polimeri puri. It was possible to reduce the elasticity of the film, thus improving the cut of the film, as the second bioplastic has a high stiffness compared to the first bioplastic at room temperature. Therefore, the excessive elasticity of the first bioplastic has been successfully corrected by finding an equilibrium point in the elastic behavior of the two pure polymers.
A titolo di esempio, sono riportati di seguito i valori (espressi in [MPa]) di modulo elastico a trazione misurati su tradizionali film in PVC e su un film (Bio-A+BioB5%) ottenuto secondo la presente invenzione, entrambi con spessore di 10 micron. A titolo di confronto à ̈ anche indicato il modulo elastico a trazione della sola bioplastica polyester-urethane (BioA): By way of example, the values (expressed in [MPa]) of the tensile modulus of elasticity measured on traditional PVC films and on a film (Bio-A + BioB5%) obtained according to the present invention, both with thickness of 10 microns. By way of comparison, the tensile modulus of elasticity of the polyester-urethane bioplastic (BioA) is also indicated:
PVC BioA BioA+BioB5% Modulo elastico a trazione in 50 30 140 – 180 direzione di estrusione PVC BioA BioA + BioB5% Tensile modulus of elasticity in 50 30 140 â € “180 direction of extrusion
Modulo elastico a trazione in 45 35 30 – 35 direzione perpendicolare alla Tensile modulus of elasticity in 45 35 30 - 35 direction perpendicular to
direzione di estrusione direction of extrusion
L’incremento del valore del modulo elastico in direzione macchina della miscela BioA BioB ha consentito di ottenere un taglio efficace del film. Mentre, il fatto che il valore del modulo elastico in direzione perpendicolare alla direzione di estrusione sia rimasto sostanzialmente invariato ha consentito di avere comunque una sufficiente elasticità del film tale da ottenere un apprezzabile effetto di “finger test†(vale a dire un soddisfacente recupero della deformazione locale in tempi brevi). The increase in the value of the elastic modulus in the direction of the machine of the BioA BioB mixture made it possible to obtain an effective cut of the film. While, the fact that the value of the elastic modulus in the direction perpendicular to the extrusion direction has remained substantially unchanged has allowed to have in any case a sufficient elasticity of the film such as to obtain an appreciable effect of â € œfinger testâ € (i.e. a satisfactory recovery of local deformation in a short time).
L’ottimizzazione della miscela di cui sopra ha consentito di ottenere un film adatto all’applicazione automatica per il confezionamento vaschette, dove un ottimo bilanciamento tra elasticità e resistenza meccanica à ̈ fondamentale per ottenere un confezionamento rapido (velocità di avvolgimento vaschette) ed efficace (film resistente e sufficientemente elastico da garantire l’effetto finger test). The optimization of the above mixture has made it possible to obtain a film suitable for automatic application for the packaging of trays, where an excellent balance between elasticity and mechanical resistance is essential to obtain rapid packaging (tray wrapping speed) and effective (film resistant and sufficiently elastic to guarantee the finger test effect).
La miscelazione nella quantità di bioplastica B individuata come ottima (5%) ha permesso inoltre di massimizzare la limitazione del fenomeno della degradazione termica a cui la bioplastica A à ̈ molto sensibile, consentendo la corretta estrusione del film. The mixing in the quantity of bioplastic B identified as excellent (5%) also allowed to maximize the limitation of the phenomenon of thermal degradation to which bioplastic A is very sensitive, allowing the correct extrusion of the film.
La miscelazione nelle giuste proporzioni dei due polimeri à ̈ stato un elemento determinante per modificare le proprietà meccaniche del film estruso ed attenuare l’elevata termo sensibilità alla degradazione della bioplastica A. The mixing of the two polymers in the right proportions was a decisive element in modifying the mechanical properties of the extruded film and attenuating the high thermal sensitivity to degradation of bioplastic A.
Per le prove di estrusione à ̈ stato utilizzato un impianto non moderno, ma con ampiezza testa di 2,5m, cosa non semplice da utilizzare per estrusioni difficili e spessori bassi. Ciò nonostante, le prove sono perfettamente riuscite, a riprova della bontà della soluzione trovata. A non-modern plant was used for the extrusion tests, but with a head width of 2.5m, which is not easy to use for difficult extrusions and low thicknesses. Nevertheless, the tests were perfectly successful, proving the goodness of the solution found.
La soluzione secondo l’invenzione permette di estrudere ed avvolgere il film correttamente a velocità di produzione economicamente sostenibili. The solution according to the invention allows to extrude and wrap the film correctly at economically sustainable production speeds.
Le proprietà meccaniche riscontrate nei film realizzati secondo i principi della presente invenzione e la possibilità di raggiungere con essi bassi spessori permette di utilizzare questi film in applicazioni per il confezionamento automatico su vaschetta e manuale di alimenti (frutta, verdura, carne, ecc.), vale a dire il mercato di quel particolare film estensibile per fasciare alimenti, identificato generalmente con il nome di Cling Film. The mechanical properties found in the films made according to the principles of the present invention and the possibility of reaching low thicknesses with them allows these films to be used in applications for automatic and manual packaging of foods (fruit, vegetables, meat, etc.) on trays, that is to say the market for that particular stretch film for wrapping food, generally identified with the name of Cling Film.
Si realizza perciò un innovativo Cling Film biodegradabile che soddisfa, tra l’altro, il finger test, ovvero, ha un grado di elasticità tale da poter recuperare la deformazione entro un certo campo di deformazione, in tempi molto brevi (15 secondi). Questa caratteristica à ̈ richiesta come condizione fondamentale per il confezionamento di alcuni alimenti. L’unico tipo di film attualmente presente sul mercato che mostra questo comportamento à ̈ il film fabbricato con 100% PVC. Molti produttori di film in polietilene o polipropilene già forniscono film PE o PP per questa applicazione, ma nessuno à ̈ riuscito ad imitare le performance del PVC ed in particolare l’effetto finger test. Questo comportamento meccanico à ̈ correlato con un valore del modulo elastico a trazione inferiore rispetto ai valori di modulo elastico di un film in polietilene o in polipropilene dello stesso spessore. Therefore, an innovative biodegradable Cling Film is created which satisfies, among other things, the finger test, that is, it has a degree of elasticity that can recover the deformation within a certain deformation range, in a very short time (15 seconds). This feature is required as a fundamental condition for the packaging of some foods. The only type of film currently on the market that exhibits this behavior is film made from 100% PVC. Many manufacturers of polyethylene or polypropylene films already supply PE or PP films for this application, but none have managed to imitate the performance of PVC and in particular the finger test effect. This mechanical behavior is correlated with a lower tensile modulus value than the elastic modulus values of a polyethylene or polypropylene film of the same thickness.
I noti film biodegradabili sono normalmente molto rigidi con limitata estensibilità e, quindi, difficili da applicare come Cling Film. Il film oggetto della presente invenzione à ̈ invece utilizzabile manualmente e sulle macchine applicatrici in maniera equivalente ai prodotti in PVC o PE attualmente presenti sul mercato. Inoltre, alle sopracitate proprietà si aggiunge che il film à ̈ biodegradabile, ma anche compostabile e ciò consente il vantaggio di poterlo smaltire dopo l’uso insieme al rifiuto organico (ad esempio, in conformità alla norma EN ISO UNI 13432). The known biodegradable films are normally very rigid with limited extensibility and, therefore, difficult to apply as Cling Film. The film object of the present invention, on the other hand, can be used manually and on application machines in an equivalent manner to the PVC or PE products currently on the market. Furthermore, to the aforementioned properties it is added that the film is biodegradable, but also compostable and this allows the advantage of being able to dispose of it after use together with the organic waste (for example, in compliance with the EN ISO UNI 13432 standard).
Un film secondo l’invenzione ha anche una possibilità di impiego come film estensibile completamente biodegradabile a basso spessore (8µm - 10µm) e con ottime caratteristiche meccaniche. Il film in questione, in fatti, ha proprietà meccaniche ed ottiche equivalenti, ed in alcuni casi migliori, dei film estensibili a basso spessore e fabbricati prevalentemente con polietilene, presenti attualmente nel mercato dell’imballaggio industriale, sia per applicazione automatica che per applicazione manuale su carichi palettizzati. A film according to the invention also has the possibility of using it as a completely biodegradable stretch film with low thickness (8µm - 10µm) and with excellent mechanical characteristics. The film in question, in fact, has mechanical and optical properties equivalent, and in some cases better, than the low thickness stretch films and mainly manufactured with polyethylene, currently present in the industrial packaging market, both for automatic application and for application manual on palletized loads.
Attualmente non sono noti film estensibili per l’imballaggio di carichi palettizzati che siano biodegradabili e che allo stesso tempo possano essere applicati con le stesse tecnologie dei film estensibili a basso spessore in polietilene attualmente in uso, come à ̈ invece possibile con il film secondo l’invenzione. L’impiego delle due bioplastiche qui indicate à ̈ anche economicamente vantaggioso. La bioplastica A à ̈ una plastica completamente biodegradabile e compostabile secondo la normativa Europea ISO 13432 e proviene da fonte non rinnovabile. Tale caratteristica la rende particolarmente adatta all’impiego in applicazioni di grandi volumi, come nel film estensibile, per via della teorica illimitata capacità di produzione rispetto alle limitazioni delle bioplastiche da fonti rinnovabili. La bioplastica B à ̈ in sé molto nota e già ampiamente utilizzata in diverse applicazioni. Essa proviene da fonte rinnovabile ed à ̈ utilizzata nella miscela in quantità relativamente contenuta. Currently, there are no known stretch films for packaging palletized loads that are biodegradable and that at the same time can be applied with the same technologies as the low-thickness polyethylene stretch films currently in use, as is possible with the second film. the invention. The use of the two bioplastics indicated here is also economically advantageous. Bioplastic A is a completely biodegradable and compostable plastic according to the European standard ISO 13432 and comes from a non-renewable source. This feature makes it particularly suitable for use in large-volume applications, such as in stretch film, due to the theoretical unlimited production capacity compared to the limitations of bioplastics from renewable sources. Bioplastic B is in itself very well known and already widely used in various applications. It comes from a renewable source and is used in the blend in relatively small quantities.
Naturalmente, la descrizione sopra fatta di applicazioni dei principi innovativi della presente invenzione à ̈ riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Naturally, the above description of applications of the innovative principles of the present invention is given by way of example of such innovative principles and must therefore not be taken as a limitation of the patent scope claimed herein.
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