PolyPaper

PolyPaper: La plastica di carta

La problematica di partenza

• I materiali polimerici, ed in particolare quelli utilizzati i per il packaging, hanno problemi di sostenibilità ambientale non risolti
• Questo in particolare perché in moltissimi casi il packaging è realizzato con più di un materiale (cartone ondulato, polistirene espanso, polietilene, ecc.) spesso smaltiti in modo indistinto o dispersi nell’ambiente (microplastiche nel mare)
• Il packaging del futuro dovrà necessariamente essere riciclabile e/o compostabile (o comunque disperdibile nell’ambiente), possibilmente con un unico e semplice canale di riciclo

L’obiettivo di partenza

Sviluppare un materiale per l’economia circolare a base di carta riciclata ambientalmente sostenibile:

• riciclabile nella filiera carta/cartone (superato Test method Aticelca MC 501:2017 European Standard EN 13430:2004
• compostabile (prove avviate)
• termovalorizzabile (prove da programmare)
• disperdibile nell’ambiente, terreno e mare (prove da programmare)

Il brevetto

• Brevetto italiano n. 102015000028276 “Materiale composito ad alta sostenibilità ambientale”, depositato 26/6/2015, concesso 30/11/2017
• PCT Application (UE, USA) n. IB2016/053777 “Highly environmentally sustainable composite material”, depositato 24/6/2016 – pubblicato EP 16745832.2 4/4/2018
• I Brevetti sono stati depositati in cotitolarità tra NextMaterials srl e Politecnico di Milano
• La proprietà è oggi al 100% di NextMaterials srl
• NextMaterials è alla ricerca di partner industriali o finanziari per sviluppare e valorizzare il brevetto.

Rivendicazione 1

Composizione termoplastica, idonea a essere sottoposta ai comuni metodi di formatura a caldo, o termoformatura, di materiali termoplastici, contenente una miscela sostanzialmente anidra che comprende:

• particelle di cellulosa, in combinazione con
• particelle di un materiale termoplastico comprendente un polimero poliidrossilato idrolizzabile o idrosolubile scelto fra un materiale termoplastico comprendente un polimero a base di polivinilalcol o un polimero a base di polivinilalcol,
• in cui la cellulosa è presente in una quantità del 30% e/o dal 40 al 60% in peso, detta percentuale essendo computata su 100 parti in peso della combinazione della cellulosa con il materiale termoplastico comprendente un polimero poliidrossilato idrolizzabile o idrosolubile.

Composizione

Matrice commerciale:

• polivinilalcool modificato (in polvere)

Carica commerciale:

• microfibra di cellulosa da carta riciclata 30-60%

Produzione:

• estrusione diretta del dry blend delle polveri

Semiprodotti

Granuli:

• tradizionali tecnologie di lavorazione dei polimeri (termoformatura, stampaggio a iniezione, ecc.)

Filamenti:

• stampa 3D-FDM

Modulable Strenghening and Stiffening

Le proprietà meccaniche dei tradizionali materiali polimerici non possono essere variate una volta ottenuti i manufatti, se non in modo secondario.

Il composito PolyPaper, grazie alla presenza di un’elevata percentuale di fibra di cellulosa permette la modulabilità programmabile delle caratteristiche meccaniche, sia in termini di resistenza, sia soprattutto in termini di rigidezza, utilizzando due variabili:

• percentuale di fibra di cellulosa,
• tipologia di trattamento termico.

Per verificare questa proprietà sono state eseguite delle prove meccaniche su provini di sezione 8 mm², con tratto utile di 30 mm. I provini sono stati ottenuti mediante fustellatura di laminetto di materiale ottenute direttamente dalla estrusione del dry blend del materiale di partenza (entrambe le componenti in polvere).

L’esame globale delle prove meccaniche eseguite permette di trarre alcune conclusioni:

• l’utilizzo di percentuali crescenti di fibre di cellulosa consente, rispetto al comportamento della sola matrice, di aumentare di più 2,5 volte la resistenza e di circa 40 volte la rigidità del materiale,
• l’utilizzo di trattamenti termici consente di migliorare ulteriormente il comportamento meccanico del materiale composito rispetto al comportamento della sola matrice, consentendo globalmente di aumentare di circa 4 volte la resistenza, di aumentare di circa 80 volte la rigidità ed anche di aumentare leggermente l’allungamento a rottura,
• gli incrementi di resistenza e rigidezza diventano significativi solo in presenza di fibre di cellulosa in tenori dal 30% in su, mentre non sono particolarmente rilevanti per tenori fino al 20% di fibre di cellulosa.

Modulable Thermal Dissolution

Si sono eseguite prove di dissoluzione e di plasticizzazione per assorbimento di acqua del materiale in funzione di due diversi parametri:

• percentuale di fibra di cellulosa
• temperatura di trattamento termico

Le prove di disgregazione hanno mostrato che:

• l’aggiunta di basse percentuali di fibra di cellulosa (20-40%) aumenta la velocità di disgregazione,
• l’aggiunta di alte percentuali di fibra di cellulosa (50-60%) rallenta la velocità di disgregazione,
• il trattamento termico a 150° rallenta leggermente la velocità di disgregazione.

Le prove di plasticizzazione hanno mostrato che:

• L’aumento della percentuale di fibra di cellulosa rallenta fortemente l’assorbimento di acqua e la plasticizzazione del materiale per tempi fino a 60 minuti,
• Non si evidenzia un significativo effetto dei trattamenti termici.

Thermogravimetric tests

Si è voluto valutare come l’aggiunta di fibre di cellulosa influisca sulla degradazione termica del composito. Ciò è stato fatto mediante prove termogravimetriche.

L’incremento di fibra di cellulosa nel composito determina una minore perdita di peso nel primo tratto (fino a 200°C), che è il tratto più significativo poiché rappresenta l’intervallo delle possibili temperature di trattamento termico. Il composito ha quindi maggiore stabilità termica all’incremento della percentuale di fibra, e maggior residuo a fine prova (i.e. corrispondente alla maggiore percentuale di carica).

Shape Memory Forming

Manufatti realizzati in PolyPaper possono essere messi in forma e stabilizzati mediante trattamento termico. In Figura è ad esempio mostrato come provini piani ottenuti per stampa 3D possano assumere varie configurazioni.

Si è voluto quantificare tale effetto per valutare se questo sia correlabile alla percentuale di cellulosa coperta dal brevetto.

Dall’esame dei risultati si possono trarre alcune osservazioni:

• Mentre il materiale con percentuale di cellulosa pari a 0% e 25% si rilassa quasi completamente tornando ad una forma prossima a quella iniziale già dopo poche ore, nel caso del materiale con il 33% e il 50% di fibra di cellulosa il rilassamento richiede almeno una settimana, mantenendo comunque una variazione di forma di circa il 50% nel tempo.
• L’efficacia del mantenimento della forma sotto carico (peso proprio) aumenta con la temperatura e il tempo di trattamento.

Si può concludere che la proprietà di Shape Merory Forming diventi quantitativmente importante solo in presenza di una percentuale di fibra di cellulosa pari almeno al 30%.

Self Healing by water

Si è verificato che mediante semplice bagnatura con acqua della superficie di PolyPaper è possibile saldarlo fortemente a:

• sé stesso;
• legno;
• cartone ondulato.

Le prove sono state eseguire seguendo in parte la Norma ISO 4587 “Adhesives — Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies”.

Le prove mostrano con chiarezza che il semplice bagnamento con acqua di un’area di 625 mm² è sufficiente per sostenere una forza di circa 80 kg. Ciò permette di ipotizzare varie possibili applicazioni.

Hand Smoothing

Uno dei principali limiti della stampa 3D con tecnologia FDM è la qualità superficiale dei pezzi che vengono così realizzati in quanto visibile anche macroscopicamente la sovrapposizione dei diversi piani di stampa.

Oggetti ottenuti con PLA (il materiale più utilizzato per la stampa FDM) possono essere levigati solo meccanicamente con grande difficoltà. Quelli ottenuti con ABS possono essere trattati in atmosfere gassose particolari e di complessa gestione.

Un grande vantaggio dell’uso di PolyPaper nella stampa 3D è legato alla facilità con cui un oggetto può essere levigato dopo l’ottenimento, mediante semplice strofinamento con un panno (o anche semplicemente con le mani) bagnato con acqua o miscela acqua/alcool o alcool/etanolo.

Prove effettuate mostrano chiaramente una proprietà di levigabilità dopo stampa 3D posseduta da PolyPaper e unica nel suo genere, in grado di far diminuire la rugosità di un componente ottenuto per stampa 3D di circa i 2/3.