SCHEMA CONGIUNTO (TRANSNAZIONALE) DI RICERCA E SVILUPPO SUI POLIMERI BIODEGRADABILI NELL’AMBIENTE by plasticeproject

SCHEMA CONGIUNTO (TRANSNAZIONALE) DI RICERCA E SVILUPPO SUI POLIMERI BIODEGRADABILI NELL’AMBIENTE Sviluppo di una catena del valore innovativa per le plastiche sostenibili in Europa Centrale Pacchetto di lavoro 3 Sviluppare un piano d’azione – dalla scienza all’innovazione lungo la catena del valore

Gennaio 2013

Introduzione Nel corso degli ultimi anni, il Consorzio PLASTiCE è stato coinvolto nella ricerca sia di base che applicata sulle diverse fasi della catena del valore della plastica biodegradabile nell’ambiente. Mentre ogni istituzione di ricerca e sviluppo è teoricamente in grado di fornire la maggior parte dei servizi di ricerca, in pratica, ogni istituzione è specializzata in attività di ricerca e sviluppo specifiche. Il Consorzio PLASTiCE ha sviluppato uno schema congiunto (transnazionale) di ricerca e sviluppo sui materiali polimerici biodegradabili nell’ambiente per meglio rispondere alle esigenze dei produttori di polimeri biodegradabili e di materie plastiche in Europa Centrale e per incrementare lo sviluppo di nuove applicazioni di mercato. Grazie alla collaborazione tra sette istituzioni di ricerca provenienti da quattro paesi, lo schema congiunto di ricerca e sviluppo offre soluzioni su misura per le aziende in Europa Centrale che sono interessate a portare sul mercato nuove applicazioni per polimeri biodegradabili nell’ambiente. Per ulteriori informazioni su colaborazioni con il Consorzio PLASTiCE, si prega di contattare il proprio istituto di ricerca e sviluppo locale. Università of Bologna, Dipartimento di Chimica ‘G. Ciamician’ (PP8)

Per Italia, Austria

Mariastella Scandola, Professore, direttore del gruppo di Scienza dei Polimeri

+39 051 20 99 577/+39 051 20 99 456 mariastella.scandola@unibo.it Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences (PP5)

Per Repubblica Ceca, Repubblica Slovacca

Ivan Chodak, Senior scientist, Professor

+421 2 3229 4340 / +421 2 5477 5923 upolchiv@savba.sk Slovak University of Technology in Bratislava (PP6) Dušan Bakoš, Professor

+421 903 238191, +421 2 59325439/ +421 2 52495381 dusan.bakos@stuba.sk National Institute of Chemistry (LP)

Per Slovenia, Stati Balcanici

Laboratory for Polymer Chemistry and Technology Andrej Kržan, Senior research associate

+386 8 205 45 01 / +386 1 4760 300 andrej.krzan@ki.si Center of Excellence Polymer Materials and Technologies (PP11) Urska Kropf, Researcher

+386 4 42 58 400 urska.kropf@polieko.si

Per Polonia, Stati Baltici

Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials (PP12) Marek Kowalczuk, Head of the Biodegradable Materials Department

+48 32 271 60 77/+48 32 271 29 69 cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl Polish Packaging Research and Development Centre (PP13) Hanna Żakowska, Deputy Director for Research

+48 22 842 20 11 ext. 18 ekopack@cobro.org.pl

Contatti

National Institute of Chemistry Laboratory for Polymer Chemistry and Technology Contatto: Andrej Kržan Funzione : Ricercatore associato senior Tel./fax: +386 8 20 54 501 / +386 1 47 60 300 E-mail: andrej.krzan@ki.si Personale scientifico coinvolto nelle attività di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 1 Dottori di ricerca : 3 Altro personale scientifico : Strutture Laboratorio di Chimica e Tecnologia dei Polimeri Attrezzature principali: FTIR, DMA, SEC, SEC-MALS, estrusore, stampaggio ad iniezione Centro Infrastrutturale NIC Attrezzature principali: NMR, AFM, TEM, simulazioni al computer

Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences (PP5) Contatto: Ivan Chodak Funzione: Scienziato senior, professore Tel./fax: +421 2 3229 4340 / +421 2 5477 5923 E-mail: upolchiv@savba.sk Personale scientifico coinvolto nelle attività di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 1 Dottori di ricerca : 1 Altro personale scientifico : 3 Strutture Dipartimento di materiali compositi Attrezzature di base per la lavorazione (miscelatore da laboratorio, estrusore, mini-estrusore) Attrezzature avanzate per la caratterizzazione delle proprietà fisiche (proprietà meccaniche, DSC, XRD, DMTA, XPS, spettroscopia dielettrica, FTIR, nanoindenter, reometro oscillante, tensometer) Attrezzature per la modifica delle plastiche - generatore di plasma atmosferico

Slovak University of Technology in Bratislava (PP6) Contatto: Dušan Bakoš Funzione: profesor Tel./fax: +421 903 238191 /+421 2 52495381 E-mail: dusan.bakos@stuba.si Personale scientifico coinvolto nelle attività di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 2 Dottori di ricerca : 4 Altro personale scientifico : 5

Strutture Centro per la ricerca applicata su materiali polimerici ecocompatibili Attrezzature principali: Estrusore a doppia vite, Mescolatore Laboratorio di lavorazione della plastica Attrezzature principali: Estrusore a doppia vite da laboratorio, Mescolatore Brabender Laboratorio di reologia Attrezzature principali: Reometro oscillante, Reometro capillare Laboratorio di analisi Attrezzature principali: Laboratorio con atmosfera controllata, Proprietà meccaniche e termiche, Microscopia elettronica

Università di Bologna, Dipartimento di Chimica ‘G. Ciamician’ (PP8) Contatto: Mariastella Scandola Funzione: Professore, direttore del Gruppo di Scienza dei Polimeri Tel./fax: +39 0512099577/+39 0512099456 E-mail: mariastella.scandola@unibo.it Personale scientifico coinvolto nelle attività di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 2 Dottori di ricerca : 2 Altro personale scientifico : 4 Strutture Laboratorio di Scienza dei Polimeri Attrezzature principali: Strumento GPC, Calorimetro Differenziale a Scansione, analizzatore termogravimetrico, analizzatore dinamico meccanico; analizzatore dielettrico; microscopio ottico a luce polarizzata con tavolino riscaldante e acquisizione digitale; rifrattometro di raggi X a alto angolo equipaggiato con accessorio riscaldante Anton-Paar TTK 450; microscopio elettronico a scansione; spettrometro a raggi infrarossi; spettrometro UV-Vis; dinamometro; misura dell’angolo di contatto; microscopio a forza atomica Nanoscope 3D; attrezzatura per elettrofilatura (con controllo dell’umidità e della temperatura); macchina miniaturizzata per il mescolamento e lo stampaggio ad iniezione; pressa da laboratorio; “Spin coater”; bagno agitatore a temperatura controllata; stufa da vuoto.

Center of Excellence Polymer Materials and Technologies (PP11) Contatto: Urška Kropf Funzione: Ricercatore Tel./fax: +386 3 42 58 400 E-mail: urska.kropf@polieko.si Personale scientifico coinvolto nelle attività di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: Dottori di ricerca : 6 Altro personale scientifico : 1 Strutture Centro di Eccellenza per i Materiali Polimerici e le Tecnologie Attrezzature principali: MALDI-TOFTOF MS; TGA; DSC; calorimetro per reazioni; ‘ultrasound processor’ (impianto pilota) ; miniestrusore da laboratorio; analizzatore respirometrico per misure di biodegradazione di polimeri; analizzatore elementare PoliMaT Laboratory di C, N, H, S, O; spettrometro di massa SIMS; porosimetro ad adsorbimento; sistema ad UV per polimerizzazioni; Sistema HECUS 3 aggiornato a S3-MICROpix; Software Model Free Kinetics & UV set; atomizzatore da laboratorio; mescolatore/ reattore da laboratorio; cella per misure DSC; reattore da laboratorio per alte pressioni; apparato per la determinazione delle dimensioni delle particelle in acqua; mescolatore per polveri da laboratorio; strumento per GPC/SEC; liofilizzatore; spettrometro di massa (MS); spettrometro del vicino infrarosso (NIR); apparato per elettrofilatura; tester per prove di frizione e ‘peeling’; macchina per stampaggio ad iniezione; ‘sputter coater’ per rivestimenti in oro e carbonio; Ausiliari ed accessori per AFM; impianto pilota di elettrofilatura.

Polish Academy of Sciences, Centre of Polymer and Carbon Materials (PP12 ) Contatto: Marek Kowalczuk Funzione: Direttore del Dipartimento di Materiali Biodegradabili Tel./fax: ++48 32 271 60 77/+48 32 271 29 69 E-mail: cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl Personale scientifico coinvolto nelle attività di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 3 Dottori di ricerca : 5 Altro personale scientifico : 6 Strutture Laboratorio di Materiali Biodegradabili Attrezzature principali: Micro-Oxymax; Instron modello 4204, TGA/DSC Mettler Toledo STARe; ESIMS; GPC; MiniLab II, MiniJet II; Spettrometro di massa LCMS-IT-TOF, FTIR Laboratorio di Analitica Attrezzature principali: Spettroscopia NMR

Polish Packaging Research and Development Centre COBRO (PP13) Contatto: Hanna Żakowska Funzione: Vice Direttore per la ricerca Tel./fax: +48 22 842 20 11 ext. 18 E-mail: ekopack@cobro.org.pl Personale scientifico coinvolto nelle attività di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili Professori: 2 Dottori di ricerca : 1 Altro personale scientifico : 4 Strutture CBiR Attrezzature principali: Postazione LCA, Programma SimaPro 7 CBiR Attrezzature principali: Postazione per test di compostabilità Laboratorio di materiali per imballaggio e prove su imballaggi Attrezzature principali: Attrezzature per la ricerca su proprietà applicative.

Complementarietà Consorzio PLASTiCE offre servizi di ricerca e sviluppo su materiali polimerici quali PLA, PHA, materiali a base di amido, ecc.., a seconda delle specifiche richieste delle industrie. La tabella seguente fornisce una panoramica delle aree di specializzazione dei partner del consorzio.

Area di ricerca

PLA PHA Materiali a base di amido

Altri materiali

Caratterizzazione di polimeri presenti sul mercato, incluso: Composizione e struttura molecolare Proprietà allo stato solido

PP5, PP6, PP12

PP8, PP5, PP6, PP11

PP8, PP5, PP11

Modifica delle proprietà del polimero usando metodi chimici, incluso: Modifica (con ‘polymer modifiers’) Polimeri funzionali

PP5, PP11, PP12

PP5, PP11,PP12

PP11, PP12

Modifica delle proprietà del polimero usando metodi fisici, incluso: Modifica con additivi

PP5, PP6, PP11 PP5, PP6, PP11, PP12

PP5, PP6, PP11

Reologia, parametri di processo

PP5, PP6, PP11

Omogeneizzazione (utilizzando mescolatori, estrusori monovite, estrusori bivite)

PP5, PP6, PP11

film

PP6, PP11*, PP12

imballaggi rigidi

PP6, PP11*, PP12

imballaggi flessibili

PP6, PP12

film per pacciamatura

PP6, PP12

Miscele polimeriche Compositi e nanocompositi polimerici ‘Processing’, incluso:

Produzione industriale, incluso:

materiali espansi

PP5

materiali rivestiti

PP11*, PP12

LP, PP5, PP12, PP13

PP5, PP12, PP13

PP5, PP6, PP8, PP11, PP12, PP13

PP13

Proprietà applicative di prodotti polimerici, incluso: invecchiamento di materiali polimerici proprietà barriera di materiali polimerici (permeazione di gas) proprietà termo-meccaniche di materiali polimerici durabilità e ’shelf life’ (‘food contact’ secondo la Direttiva Europea EX 2002/72)

Test di biodegradazione e compostabilità (secondo le norme EN, ASTM and ISO), incluso: In condizioni di laboratorio

PP6*, PP11, PP12, PP13

PP12

Presso unità di compostaggio aerobico industriale e municipale

*: In cooperazione con altri partner

Schema congiunto di ricerca e sviluppo sulle plastiche biodegradabili nell’ambiente Area dei servizi di ricerca

Descrizione delle attività di ricerca

Caratterizzazione di polimeri presenti sul mercato Proprietà fisiche allo stato solido (termiche, meccaniche, strutturali, morfologiche) Analisi della stabilità termica (temperatura di degradazione) di materiali ad un solo componente o a più componenti (utilizzando l’analisi termogravimetrica da temperatura ambiente a 900°C in atmosfera inerte o in aria)

3 giorni lavorativi (per un solo campione); 1-2 settimane (fino a dieci campioni)

Analisi della stabilità termica e spettrometria di massa dei prodotti volatili (utilizzando la TGA-MS, da temperatura ambiente a 900°C in atmosfera inerte)

3 giorni lavorativi (per un solo campione); 1-2 settimane (fino a dieci campioni)

Analisi delle transizioni termiche (transizione vetrosa, cristallizzazione e fusione, con la determinazione delle temperature di transizione e dei rispettivi incrementi di calore specifico, entalpie di cristallizzazione e di fusione, utilizzando il calorimetro differenziale a scansione nell’intervallo di temperature tra -100°C e 250°C, raffreddando con azoto liquido), 2 scansioni per campione

2-4 settimane (a seconda del numero di campioni)

Valutazione delle proprietà meccaniche a temperatura ambiente (modulo elastico, sforzo e deformazione a snervamento ed a rottura, per mezzo di misure in trazione, con analisi statistica dei risultati per un minimo di 8 provini)

2-5 settimane (a seconda del numero di campioni)

Determinazione dei rilassamenti viscoelastici (utilizzando l’analisi dinamico-meccanica a frequenza singola o multi-frequenza nell’intervallo di temperatura tra –150°C e 250°C) Analisi strutturale della fase cristallina (utilizzando la diffrazione di raggi x a alto angolo su polveri) Prodotto che il cliente riceve

Area dei servizi di ricerca

Descrizione delle attività di ricerca

Prodotto che il cliente riceve

Tempo stimato di consegna del servizio

3-4 settimane 2 settimane

Relazione sulle proprietà fisiche dei polimeri analizzati

Caratterizzazione di polimeri presenti sul mercato Composizione e struttura molecolare

Tempo stimato di consegna del servizio

Determinazione delle proprietà allo stato solido utilizzando la spettroscopia IR (FTIR, spettrometro a raggi infrarossi a trasformata di Fourier)

1-2 settimane

Caratterizzazione della solubilità del materiale e determinazione della percentuale di polimero nella plastica (analisi chimica)

1 - 3 settimane

Caratterizzazione del polimero nella plastica utilizzando la spettroscopia NMR (risonanza magnetica nucleare)

1 - 3 settimane

Valutazione del peso molecolare del polimero utilizzando la tecnica GPC (cromatografia di permeazione su gel)

1 - 3 settimane

Analisi degli additivi utilizzando lo spettrometro di massa LCMSIT-TOF

1 - 3 settimane

Caratterizzazione di copoliesteri biodegradabili (PHA) utilizzando il sequenziamento e la tecnica ESI-MSn

1 - 3 settimane

Relazione sulla struttura molecolare del polimero e sugli additivi presenti nella plastica

Area dei servizi di ricerca

Modifica delle proprietà del polimero utilizzando metodi chimici, incluso:  Modifica (con ‘polymer modifiers’)  Polimeri funzionali Sintesi di modificatori chimici

1 mese - 2 anni

Determinazione delle proprietà fisiche dei materiali polimerici Descrizione delle attività di ricerca

Tempo stimato di consegna del servizio

3 giorni-2 settimane

Modifica di polimeri per ottenere proprietà specifiche: reticolazione di polimeri per una maggiore resistenza ai solventi.

1 mese - 2 anni

Modifica di polimeri per ottenere proprietà specifiche: aumento della polarità della superficie del polimero per una maggiore stampabilità o adesione, aumento della stabilità termica e della stabilità all’ossidazione.

1 mese - 2 anni

Prodotto che il cliente riceve

Polimeri commerciali standard che hanno acquisito proprietà specifiche

Area dei servizi di ricerca

Modifica delle proprietà del polimero utilizzando metodi fisici, quali:  Modifica con additivi  Miscele polimeriche  Compositi e nanocompositi polimerici

Descrizione delle attività di ricerca

Tempo stimato di consegna del servizio

Modifica delle proprietà di un certo polimero per aggiunta di additivi a basso peso molecolare, per esempio plastificanti, estensori di catena, stabilizzanti, oppure per mescolamento con piccole quantità di un altro polimero per ottenere le proprietà desiderate.

1 mese-2 anni (o più)

Miscelazione di polimeri su tutto il campo di composizione e ottimizzazione delle proprietà mediante modifica dell’interfaccia e compatibilizzazione.

1 mese-2 anni (o più)

Preparazione di compositi utilizzando una data matrice polimerica e , aventi proprietà personalizzabili attraverso modifiche dell’interfaccia

1 mese-2 anni (o più)

Prodotto che il cliente riceve

Relazione sulle possibili alternative per la compatibilizzazione di varie miscele di polimeri biodegradabili

Area dei servizi di ricerca

’Processing’:  Reologia, parametri di processo  Omogeneizzazione (usandomiscelatori, estrusori a vite singola e a doppia vite)

Tempo stimato di consegna del servizio

Selezione delle miscele di polimeri biodegradabili più promettenti per scopi applicativi, suggerimenti sulle aree di applicazione

1 giorno-3 mesi

Descrizione delle attività di ricerca

Prodotto che il cliente riceve

Determinazione dei parametri di processo dei materiali

1-4 settimane

Relazione sui metodi di lavorazione, attrezzature e parametri di processo consigliati per specifici polimeri biodegradabili.

Area dei servizi di ricerca

Descrizione delle attività di ricerca

Produzione industriale (ricerca sulle tipologie di lavorazione industriale):  Produzione di film  Produzione di imballaggi rigidi  Produzione di imballaggi flessibili  Produzione di film da pacciamatura  Produzione di materiali espansi  Produzione di materiali rivestiti

Tempo stimato di consegna del servizio

Produzione di film su scala di laboratorio: ricerca sulla lavorazione e sulla miscelazione, produzione di “masterbatch” (mini estrusore bivite (MiniLab II) combinato con la macchina per lo stampaggio ad iniezione (Mini Jet II) HAAKE. Lavorando su piccole quantità (mini-stampaggio ad iniezione), si ottengono provini per prove meccaniche e si misurano contemporaneamente le proprietà reologiche.

1-2 settimane

Produzione di imballaggi flessibili su scala di laboratorio

1-2 settimane

Supporto per la produzione pilota sul posto

1 giorno-6 settimane

Controllo delle proprietà meccaniche del prodotto durante il processo di produzione: misura delle proprietà meccaniche con dinamometro in trazione Instron 4204 Controllo delle proprietà molecolari del prodotto durante il processo di produzione

1-2 settimane 1-3 settimane

Prodotto che il cliente riceve

Relazione sulla stabilità del polimero rispetto al contenuto dell’imballaggio

Area dei servizi di ricerca

Analisi dell’idoneità dei prodotti polimerici per specifiche applicazioni (materiali da imballaggio e imballi):  Invecchiamento dei materiali polimerici  Proprietà barriera dei materiali polimerici (permeazione di gas)  Proprietà termo-meccaniche dei materiali polimerici  Analisi della durabilità dell’imballaggio al contatto con cibo (secondo la Direttiva Europea E 10/2011) Xenotest per determinare il comportamento del materiale in condizioni naturali

Descrizione delle attività di ricerca

4 mesi*

Determinazione del carbonio organico totale e del contenuto “biobased” nel materiale polimerico Test di permeabilità al vapore d’acqua, all’ossigeno ed al diossido di carbonio Determinazione delle proprietà tensili (sforzo a rottura, allungamento a rottura, modulo elastico ecc..)

2 settimane*

Determinazione della resistenza allo strappo

2 settimane*

Determinazione della resistenza all’urto (free-falling dart method) ‘Sealing properties’ (carico a rottura massimo, ‘sealing’ resistance ecc..) Test di adesività a caldo (‘hot-tack seal testing’) DSC (calorimetria a scansione) and FTIR (spettroscopia a raggi infrarossi) Analisi sensoriale

2 settimane*

Analisi della migrazione globale e specifica di sostanze a basso peso molecolare dal cibo Analisi del contenuto di monomero nei materiali plastici e dell’emissione di sostanze volatili Prodotto che il cliente riceve

Tempo stimato di consegna del servizio

1 mese*

2 settimane*

2 settimane* 2 settimane* 1 settimana* 1-1.5 mesi * 2 mesi * 1 mese*

Relazione sulle proprietà di materiali bioplastici (biodegradabili/ derivati da fonti rinnovabili) utili per applicazioni nell’imballaggio.

*Tempo di consegna medio, inclusa la preparazione, l’analisi e il resoconto; i tempi possono variare a seconda dei tempi di attesa in laboratorio.

Area dei servizi di ricerca

Descrizione delle attività di ricerca

Prove di biodegradazione e compostabilità (secondo le norme EN, ASTM e ISO):  In condizioni di laboratorio  Presso unità di compostaggio aerobico industriale e municipale

Tempo stimato di consegna del servizio

Test di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: test preliminari di biodegradazione di materiali da imballaggio utilizzando condizioni di compostaggio simulate su scala di laboratorio, secondo le norme EN 14806: 2010

4 mesi

Test di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: test di degradazione idrolitica in acqua o in soluzione tampone

Da alcune settimane a 6 mesi a seconda del tipo di materiale e dello standard

Test di degradazione e compostabilità in condizioni di laboratorio: degradazione in compost mediante test respirometrico (Respirometro Micro-Oxymax S/N 110315 in base alla norma EN ISO 14855-1:2009)

Da alcune settimane a 6 mesi a seconda del tipo di materiale e dello standard

Test di (bio)degradazione e compostabilità in siti di compostaggio (analisi di materiali biodegradabili in un cumulo di compost industriale o in un “container” da compostaggio KNEER)

Da alcune settimane a 6 mesi a seconda del tipo di materiale e dello standard

Certificazione di compostabilità di imballaggi (in cooperazione con DIN CERTCO, Germania) Prodotto che il cliente riceve

2-4 mesi

Relazione sul comportamento alla biodegradazione di nuovi materiali polimerici. Rilascio di certificati.

This document was prepared within the Work Package 3 of the project Innovative Value Chain Development for Sustainable Plastics in Central Europe (PLASTiCE), which is carried out within the Central Europe Program and is co-financed by the European Regional Development Fund (ERDF). March 2013