Združena razvojno raziskovalna shema za okoljsko biorazgradljive polimere

ZDRUŽENA (TRANSNACIONALNA) RAZVOJNO-RAZISKOVALNA (R&R) SHEMA ZA OKOLJSKO BIORAZGRADLJIVE POLIMERE Inovativni razvoj vrednostne verige za trajnostno plastiko v Centralni Evropi Delovni paket 3 Razvoj načrta aktivnosti – od znanosti k inovacijam v vrednostni verigi

Januar 2013

1

Uvod Partnerji PLASTiCE projekta smo bili v preteklih letih vključeni v osnovne in uporabne raziskave na različnih stopnjah vrednostne verige okoljsko biorazgradljive plastike. Vsaka od vključenih razvojno raziskovalnih institucij je v teoriji sposobna opraviti večino raziskav, vendar je vsak inštitut specializiran za posamezne razvojno raziskovalne dejavnosti. V želji, da bi izpolnili pričakovanja proizvajalcev biorazgradljivih polimerov in plastike v Centralni Evropi in podkrepili razvoj novih produktov na trgu, smo razvili združeno (transnacionalno) razvojno raziskovalno shemo za okoljsko biorazgradljive polimerne materiale.

Zahvaljujoč sodelovanju med sedmimi razvojno raziskovalnimi inštituti iz štirih držav ponuja združena R&R shema prilagojene rešite za podjetja, ki so v Centralni Evropi vključena v vpeljavo novih okoljsko biorazgradljivih polimerov na trg. Za več informacij o sodelovanju s PLASTiCE partnerji kontaktirajte vaše lokalne razvojno raziskovalne inštitute.

Za Italijo in Avstrijo

Za Češko in Slovaško

Za Slovenijo in države Balkana

Univerza v Bologni, Oddelek za kemijo ‘G. Ciamician’ (PP8) Mariastella Scandola, Profesorica, vodja Polimerne znanstvene skupine +39 0512099577/+39 0512099456 mariastella.scandola@unibo.it Polimerni inštitut Slovaške Akademije Znanosti (PP5) Ivan Chodak, Višji znanstvenik, Profesor +421 2 3229 4340 / +421 2 5477 5923 upolchiv@savba.sk Slovaška tehnološka univerza v Bratislavi (PP6) Dušan Bakoš, Profesor +421 903 238191, +421 2 59325439/ +421 2 52495381 dusan.bakos@stuba.sk Kemijski inštitut (LP) Laboratorij za polimerno kemijo in tehnologijo Andrej Kržan, Višji znanstveni sodelavec +386 8 205 45 01 / +386 1 4760 300 andrej.krzan@ki.si Center odličnosti Polimerni Materiali in Tehnologije CO PoliMaT (PP11) Urška Kropf, Raziskovalka +386 4 42 58 400 urska.kropf@polieko.si

Za Poljsko in Baltske države

Poljska akademija znanosti, Center za polimerne in ogljične materiale (PP12) Marek Kowalczuk, Vodja oddelka za biorazgradljive materiale +48 32 271 60 77/+48 32 271 29 69 cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl Poljski center za raziskave in razvoj embalaže COBRO (PP13) Hanna Żakowska, Namestnica direktorja za raziskave +48 22 842 20 11 ext. 18 ekopack@cobro.org.pl

2

Contacts

Kemijski inštitut Laboratorij za polimerno kemijo in tehnologijo (LP) Kontaktna oseba: Andrej Kržan Funkcija: višji znanstveni sodelavec Tel./fax: +386 8 20 54 501 / +386 1 47 60 300 E-mail: andrej.krzan@ki.si Znanstveno osbje vključeno v R&D o biorazgradljivi plastiki : Profesorji: 1 Doktorji: 3 Drugo znanstveno osebje: Infrastruktura Laboratorij za polimerno kemijo in tehnologijo Pomembna oprema: FTIR, DMA, SEC, SEC-MALS, ekstruder, brizganje Infrastrukturni center kemijskega inštituta Pomembna oprema: NMR, AFM, TEM, računalniška simulacija

Polimerni inštitut Slovaške akademije znanosti (PP5) Kontaktna oseba: Ivan Chodak Funkcija: Višji znanstvenik, profesor Tel./fax: +421 2 3229 4340 / +421 2 5477 5923 E-mail: upolchiv@savba.sk Znanstveno osbje vključeno v R&D o biorazgradljivi plastiki : Profesorji: 1 Doktorji: 1 Drugo znanstveno osebje: 3 Infrastruktura Oddelek za kompozitne materiale Pomembna oprema: Osnovna oprema za procesiranje (laboratorijski mikser, ekstruder, miniekstruder), Napredna oprema za karakterizacijo fizikalnih lastnosti (mehanske lastnosti, DSC, XRD, DMTA, XPS, dielektrična spektroskopija, FTIR, nanoindenter, oscilirajoči reometer, tenzometer) Oprema za modifikacijo plastike – atmosferski plazma generator

Slovaška tehnološka univerza v Bratislavi (PP6) Kontaktna oseba: Dušan Bakoš Funkcija: profesor Tel./fax: +421 903 238191 /+421 2 5249 5381 E-mail: dusan.bakos@stuba.si Znanstveno osbje vključeno v R&D o biorazgradljivi plastiki : Profesorji: 2 Doktorji: 4 Drugo znanstveno osebje: 5

3

Infrastruktura Center za uporabne raziskave okolju prijaznih materialov Pomembna oprema: dvovijačni ekstruder, mikser Laboratorij za procesiranje plastike Pomembna oprema: Laboratorijski dvovijačni ekstruder, brabender Laboratorij za reologijo Pombna oprema: oscilirajoči reometer, Kapilarni reometer Analizni laboratorij Pomembna oprema: Klimatizirani laboratorij, Mehanske in termične lastnosti, Elektronska mikrokopija

Univerza v Bologni, Oddelek za kemijo ‘G. Ciamician’ (PP8) Kontaktna oseba: Mariastella Scandola Funkcija: profesorica, vodja polimerne znanstvene skupine Tel./fax: +39 051 20 99 577/+39 051 20 99 456 E-mail: mariastella.scandola@unibo.it Znanstveno osbje vključeno v R&D o biorazgradljivi plastiki : Profesorji: 1 Doktorji: 1 Drugo znanstveno osebje: 2 Infrastruktura Polimerni znanstveni laboratorij Pomembna oprema: Instrument za gelsko permeacijsko kromatografijo, Diferenčni dinamični kalorimeter; Termogravimetrični analizator; Dinamično mehanski analizator; Dielektrični analizator; Polarizirani optični mikroskop z ogrevalno mizico in digitalnim zajemom; Širokokotni rentgenski praškovni difraktometer opremljen z Anton-Paar TTK 450 ogrevalno napravo; vrstični elektronski mikroskop; Infrardeči spektrometer; UV-Vis spektrometer; Dinamometer; Aparatura za merjenje kontaktnega kota; Elektronski mikroskop na atomsko silo Nanoscope 3D; Elektro predilna naprava (s kontrolo vlage in temperature); Miniaturna naprava za mešano brizganje; Laboratorijska stiskalnica; Naprava za spin coating; Temperaturno kontroliran stresalnik; Vakuumska peč

Center odličnosti polimerni materiali in tehnologije (PP11) Kontaktna oseba: Urška Kropf Funkcija: raziskovalka Tel./fax: +386 3 42 58 400 E-mail: urska.kropf@polieko.si Znanstveno osbje vključeno v R&D o biorazgradljivi plastiki : Profesorji: 0 Doktorji: 6 Drugo znanstveno osebje: 1 Infrastruktura Center odličnosti polimerni materiali in tehnologije Pomembna oprema: MALDI-TOF-TOF MS; TGA; DSC; Reakcijski kalorimeter; Ultrazvočni procesor za pilotne poskuse; Laboratorijski mini ekstruder; Respirometrični analizator (respirometer) za merjenje biorazgradnje polimerov; PoliMaT-ov laboratorij za elementno analizo C, N, H, S, O; Posodobljen SIMS masni spektrometer; Adsorpcijski porozimeter; UV sistem za polimerizacijo; Posodobljen HECUS sistem-3 to S3-MICROpix; Model Free Kinetics software & UV set; Laboratorijski razpršilni sušilnik; Laboratorijski mešalni reaktor; DSC merilna celica; Laboratorijski visokotlačni reaktor; Aparatura za določanje velikosti delcev v vodni raztopini; Laboratorijski strižni mešalnik za prah; GPC/SEC instrument; Liofilizator; Masni spektrometer (MS); Bližnji IR (NIR) spektrometer; Elektropredilna naprava; Naprava za tribološke meritve, Posodobljena naprava za brizganje; Naprava za naprševanje z zlatom in ogljikom; Dodatna oprema in pribor za AFM; Pilotna elektropredilna naprava

4

Poljska akademija znanosti, Center za polimerne in ogljične materiale (PP12) Kontaktna oseba: Marek Kowalczuk Funkcija: Vodja oddelka za biorazgradljive materiale Tel./fax: +48 32 271 60 77/+48 32 271 29 69 E-mail: cchpmk@poczta.ck.gliwice.pl Znanstveno osbje vključeno v R&D o biorazgradljivi plastiki : Profesorji: 3 Doktorji: 5 Drugo znanstveno osebje: 6 Infrastruktura Biorazgradljivi materiali Pomembna oprema: Micro-Oxymax; Instron model 4204, Mettler Toledo TGA/DSC STARe; ESI-MS; GPC; MiniLab II, MiniJet II; Masni spektrometer LCMS-IT-TOF, FTIR Analitika Pomembna oprema: NMR spektroskopija

Poljski center za razvoj in raziskave embalaže COBRO (PP13) Kontaktna oseba: Hanna Żakowska Funkcija: Namestnica direktorja za raziskave Tel./fax: +48 22 842 20 11 ext. 18 E-mail: ekopack@cobro.org.pl Znanstveno osbje vključeno v R&D o biorazgradljivi plastiki : Profesorji: 2 Doktorji: 1 Drugo znanstveno osebje: 4 Infrastruktura CBiR Pomembna oprema: LCA oprema, program SimaPro 7 CBiR Pomembna oprema: Oprema za testiranje kompostirnosti Laboratorij za embalažne materiale in testiranje embalaže Pomembna oprema: Oprema aza raziskave uporabnih lastnosti

5

Dopolnjevanje PLASTiCE partnerji ponujamo R&R storitve povezane s polimernimi materiali (PLA, PHA, škrobni in ostali materiali) glede na specifične potrebe industrije.

Sledeča tabela daje pregled specializiranih področij projektnih partnerjev.

PLA PHA Materiali na osnovi škroba

Drugi materiali

PP5, PP6, PP12

PP5, PP6, PP12

PP8, PP5, PP6, PP11

PP8, PP5, PP11

PP5, PP11, PP12

PP5, PP11,PP12

PP11, PP12

PP11, PP12

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

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

PP5, PP6, PP11

PP5, PP6, PP11

reologija, parametri procesiranja

PP5, PP6, PP11

PP5, PP6, PP11

homogenizacija (z internimi mikserji, enovijačnimi in dvovijačnimi ekstruderji)

PP5, PP6, PP11

PP5, PP6, PP11

folije

PP6, PP11*, PP12

PP6, PP11*, PP12

rigidna embalaža

PP6, PP11*, PP12

PP6, PP11*, PP12

fleksibilna embalaža

PP6, PP12

PP6, PP12

filmi za mulčenje

PP6, PP12

PP6, PP12

Področja raziskav Karakterizacija polimerov na trgu: sestava in molekularna struktura lastnosti trdnih snovi Kemijska modifikacija lastnosti polimerov : modifikacija (z modifikatorji polimerov) funkcionalni polimeri Fizikalna modifikacija polimerov: modifikacija z aditivi polimerne mešanice polimerni kompoziti vključno z nanokompoziti Procesiranje:

Industrijska proizvodnja:

penjeni materiali prevlečeni materiali

PP5

PP5

PP11*, PP12

PP11*, PP12

LP, PP5, PP12, PP13

LP, PP5, PP12, PP13

Uporabne lastnosti izdelkov: staranje polimerov barierne lastnosti polimerov (prepustnost plinov) termo-mehanske lastnosti polimerov

PP5, PP12, PP13

PP5, PP12, PP13

PP5, PP6, PP8, PP11, PP12, PP13

PP5, PP6, PP8, PP11, PP12, PP13

PP13

PP13

lastnosti ki vplivajo na obstojnost in rok uporabe živila (kontakt z živili glede na evropsko direktivo EU 10/2011)

Testiranje biorazgradljivosti in kompostirnosti (po EN, ASTM in ISO standardih): pod laboratorijskimi pogoji

PP6*, PP11, PP12, PP13

PP6*, PP11, PP12, PP13

PP12

PP12

v komunalnih in industrijskih kompostarnah

*: v sodelovanju s partnerji

6

Področja raziskav

Opis raziskovalnih dejavnosti

Karakterizacija polimerov na trgu Fizikalne lastnosti (termalne, mehanske, strukturne, morfološke) Analiza termične stabilnosti (temperatura degradacije) za eno ali več komponentne materiale (s termogravimetrično analizo, od sobne temperature do 900 °C v inertni atmosferi ali zraku)

3 delovni dnevi (en vzorec) 1-2 tedna (do 10 vzorcev)

Analiza termične stabilnosti in masna spektrometrija hlapnih spojin (s TGA-MS, od sobne temperature do 900 °C v inertni atmosferi)

3 delovni dnevi (en vzorec) 1-2 tedna (do 10 vzorcev)

Analiza toplotnih/faznih prehodov (steklast prehod, kristalizacija in taljenje, z določitvijo temperatur prehoda in pripadajočo specifično toploto posameznih stopenj, kristalizacijska in talilna entalpija z diferenčno dinamično kalorimetrijo, temperaturni okvir od 100 °C – 250 °C, hlajenje s tekočim dušikom, dve meritvi za posamezen vzorec

2-4 tedne (odvisno od števila vzorcev)

Določitev mehanskih lastnosti pri sobni temperaturi (elastični modul, napetost in obremenitev ob pretrganju, natezne lastnosti s statistično analizo rezultatov za minimalno 8 vzorcev)

2-5 tednov (odvisno od števila vzorcev)

Določitev viskoelastične relaksacije (z dinamično mehansko analizo pri eni ali več frekvencah, temperaturni okvir med 150 °C in 250 °C )

3-4 tedne

Strukturna analiza kristalne faze (s širokokotno rentgensko praškovno difrakcijo) Rezultat analize

Področja raziskav

Opis raziskovalnih dejavnosti

Rezultat analize

Predviden rok izvedbe

2 tedna

Poročilo o fizikalnih lastnostih analiziranega polimera

Karakterizacija polimerov na trgu Sestava in molekularna struktura

Predviden rok izvedbe

Določevanje lastnosti trdnega stanja z uporabo infrardeče spektroskopije s Fourjejevo transformacijo (FTIR)

1 - 2 tedna

Določanje topnosti materiala in določanje deleža polimera v plastiki (kemijska analiza)

1 - 3 tedni

Določanje polimera v plastiki z NMR (jedrsko magnetno resonanco) spektroskopijo

1 - 3 tedni

Določitev molske mase polimera z GPC tehniko (gelska permeacijska kromatografija)

1 - 3 tedni

Analiza aditivov z masno spektrometrijo LCMS-IT-TOF (hibridno masni spektrometer s sposobnostjo ionske pasti in z resolucijo in masno natančnostjo tandemskega masnega spektrometra)

1 - 3 tedni

Karakterizacija biorazgradljivih kopoliestrov (PHA) s sekvenčnim in tandemskim masnim spektrometrom ESI-MSn (elektrorazpršilna “mehka” ionizacija s sekvenčno masno spektrometrijo)

1 - 3 tedni

Poročilo o molekularni strukturi polimera in karakterizacija aditivov v plastiki

7

Področja raziskav

Opis raziskovalnih dejavnosti

Rezultat analize

Področja raziskav

Opis raziskovalnih dejavnosti

Rezultat analize

Področja raziskav

Opis raziskovalnih dejavnosti

Rezultat analize

Kemijska modifikacija lastnosti polimera:  Modifikacija (s polimernimi modifikatorji)  Funkcionalni polimeri

Predviden rok izvedbe

Sinteza kemijskih modifikatorjev

1 mesec-2 leti

Določitev fizikalnih lastnosti polimernih materialov Modifikacija polimerov z namenom doseči specifične lastnosti: žamreževanje polimerov z namenom povečanja odpornosti na topila

3 dni-2 tedna

Modifikacija polimerov z namenom doseči specifične lastnosti: povečanje polarnosti površine polimera za izboljšanje kvalitete tiskanja ali oprijema, povečanje termične in oksidativne stabilnosti

1 mesec-2 leti

1 mesec-2 leti

Standard commercial polymers possessing certain properties

Fizikalno modificiranje lastnosti polimerov:  Modificiranje z aditivi  Mešanice polimerov  Polimerni kompoziti vključno z nanokompoziti

Predviden rok izvedbe

Modificiranje lastnosti posameznega polimera z dodajanjem nizkomolekularnih aditivov kot so plastifikatorji, podaljševalci verig in stabilizatorji ali z mešanjem z malimi količinami drugih polimerov za dosego želenih lastnosti

1 mesec-2 leti (ali dlje)

Mešanje dveh polimerov čez njuno polno koncentracijsko območje, želene lastnosti dosežejo z modifikacijo vmesnikov in kompatiblizatorjev

1 mesec-2 leti (ali dlje)

Priprava kompozitov na osnovi polimernih matric s prilagojenimi lastnostnimi z modifikacijo vmesnika

1 mesec-2 leti (ali dlje)

Poročilo o alternativah za kompatibiliziranje različnih biorazgradljivih polimerov

Procesiranje:  Reologija, parametri procesiranja  Homogenizacija (z uporabo internih mikserjev, eno- in dvovijačnih ekstruderjev)

Predviden rok izvedbe

Izbira primernih mešanic biorazgradljivih polimerov za uporabo, predlogi za področja uporabe

1 dan-3 mesece

Določanje parametrov procesiranja materialov

1-4 tedne

Poročilo o parametrih procesiranja izbranih biorazgradljivih polimerov, priporočilo glede glavnih metod procesiranja, vključno z opremo in tipičnimi parametri procesiranja

8

Področja raziskav

Opis raziskovalnih dejavnosti

Rezultat analize

Področja raziskav

Opis raziskovalnih dejavnosti

Industrijska proizvodnja (raziskave lastnosti industrijskega procesiranja:  Proizvodnja filmov  Proizvodnja rigidne embalaže  Proizvodnja fleksibilne embalaže  Proizvodnja filmov za mulčenje  Proizvodnja penjenih materialov Proizvodnja prevlečenih materialov

Predviden rok izvedbe

Laboratorijska proizvodnja folij: raziskave o procesiranju in mešanju, proizvodnja masterbatchov (mini dvovijačni ekstruder (MiniLab II) kombiniran z napravo za brizganje (Mini Jet II) HAAKE, uporaba force feeder-ja, kontinuirna ekstruzija z majhnimi volumni, mini naprava za brizganje ki omogoča proizvodnjo vzorcev za testiranje materialov in simultano merjenje reoloških lastnosti)

1-2 tedna

Laboratorijska proizvodnja fleksibilne embalaže

1-2 tedna

Podpora pilotni proizvodnji na mestu samem

1 dan - 6 tednov

Kontroliranje mehanskih lastnosti izdelka med proizvodnim procesom: Meritve mehanskih lastnosti, Instron model 4204 za natezni test

1-2 tedna

Kontrola molekularnih lastnosti izdelka med proizvodnim procesom

1-3 tedne

Poročilo o stabilnosti polimera z ozirom na vsebino embalaže Testiranje uporabnih lastnosti polimernih produktov (embalažni materiali in embalaža):  Staranje polimernih materialov  Barierne lastnosti polimernih materialov (prepustnost plinov)  Termo-mehanske lastnosti polimernih materialov  Testiranje obstojnosti embalaže za kontakt z živili (stik z živili po Uredbi komisije EU 10/2011) Xenotest (staranje materiala zaradi svetlobe ali vremenskih razmer) za testiranje obnašanja materiala v naravnih pogojih

4 mesece*

Določitev celotnega organskega ogljika (TOC) in deleža obnovljivih virov v polimernih materialih

1 mesec*

Testiranje prepustnosti vodne pare, kisika in ogljikovega dioksida

2 tedna*

Določitev nateznih lastnosti (obremenitev ob pretrganju, raztezek do pretrganja, elastični modul, itd.)

2 tedna*

Določitev odpornosti na trganje

2 tedna*

Določitev odpornosti na udarce z uporabo prosto padajoče puščice Tesnilne lastnosti (nosilnost ob pretrganju, tesnilna odpornost, itd.)

Hot-tack testiranje tesnjenja

2 tedna* 2 tedna* 2 tedna*

DSC (diferenčna dinamična kalorimetrija) in FTIR (infrardeča spektroskopija) Senzorična analiza Določitev celotne in specifične migracije nizkomolekularnih spojin v živila Testiranje vsebnosti monomera v plastičnih materialih in sproščanje hlapnih substanc Rezultat analize

Predviden rok izvedbe

1 teden* 1-1.5 mesec* 2 mesca* 1 mesec*

Analiza bioplastike (biorazgradljiva/iz obnovljivih virov) in določevanje lastnosti. Poročilo in analiza lastnosti sta v pomoč pri uporabi bioplastike.

*Povprečen rok izvedbe vključuje pripravo vzorca, analizo in poročilo; rok lahko variira v odvisnosti od čakalne dobe v laboratoriju

9

Področja raziskav

Testiranje biorazgradljivosti in kompostirnosti (po EN, ASTM in ISO standardih):

 Laboratorijski pogoji  Komunalne in industrijske kompostarne Testiranje razgradnje in kompostirnosti pod laboratorijskimi pogoji: preliminarno testiranje biorazgradljivosti embalaže z uporabo simuliranih kompostiranih pogojev na laboratorijskem nivoju sledeč EN 14806: 2010

Opis raziskovalnih dejavnosti

Rezultat analize

Predviden rok izvedbe

4 mesece

Testiranje razgradnje in kompostirnosti pod laboratorijskimi pogoji: hidrolitska razgradnja v vodi ali pufrni raztopini (testiranje razgradnje biorazgradljivih polimerov v preprostem mediju za staranje z namenom napovedovanja obnašanja polimera

Od nekaj tednov do 6 mesecev, odvisno od tipa materiala in standarda

Testiranje razgradnje in kompostirnosti pod laboratorijskimi pogoji: laboratorijska razgradnja v kompostu z uporabo respirometrije (Respirometer Micro-Oxymax S/N 110315 Columbus Instruments za merjenej CO2 v laboratorijskih pogojih po EN ISO 14855-1:2009 – Določanje končne aerobene biorazgradljivosti in razkroja polimernih materialov pod nadzorovanimi pogoji kompostiranja – Metoda z analizo sproščenega ogljikovega dioksida – 1 del

Od nekaj tednov do 6 mesecev, odvisno od tipa materiala in standarda

Testiranje (bio)razgradnje in testiranja kompostirnosti v kompostarnah (testiranje biorazgradljivega materiala v industrijski kompostirni kopici ali v KNEER kompostirnem kontejnerju)

Od nekaj tednov do 6 mesecev, odvisno od tipa materiala in standarda

Certificiranje kompostirnih izdelkov in potencialno označevanje embalaže z oznak "kompostirno" (v sodelovanju z DIN CERTCO, Nemčija

2-4 mesece

Poročilo o obnašanju novih polimernih materialov med testiranjem (bio)razgradnje Certifikat

Dokument je bil pripravljen v okviru delovnega paketa 3 projekta Inovtivni razvoj vrednostne verige za trajnostno plastiko v Centralni Evropi (PLASTiCE), ki je sofinanciran s strani Central Europe programa v okviru Evropskega Regionalnega Sklada za Razvoj (ERDF).

Marec 2013

10