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SOLUZIONI INNOVATIVE E RIVESTIMENTI NANOSTRUTTURATI IN FILM FLESSIBILI AD ALTA BARRIERA
Nanostructured coating for barrier films
MARRAS, LUIGI
2007-05-24T09:02:53Z
Abstract
Obiettivo e strategia
Il lavoro svolto nel corso del Dottorato di Ricerca è stato incentrato
sull’indagine, lo studio e lo sviluppo di nuove tecnologie applicative per la
realizzazione di rivestimenti sottili in grado di conferire a materiali standard
utilizzati nel packaging flessibile elevate proprietà, specialmente per quanto
riguarda la barriera nei confronti di gas e vapori.
Il lavoro è stato effettuato ponendo particolare attenzione alla reale fattibilità
e alla possibile applicazione pratica dei processi e delle metodologie
sviluppate in fase di ricerca, in virtù del possibile ottenimento di un prodotto
estremamente promettente, nell’ottica, in particolare, di una sostituzione del
foglio di alluminio da packaging multistrato.
Esso parte da un’ampia analisi delle tecnologie ad oggi esistenti nel mercato
dell’imballaggio flessibile, dalle problematiche ad esso connesse e alle
prospettive prossime per un loro miglioramento, ed allo sviluppo di possibili
nuovi prodotti competitivi, candidati, come detto, principalmente alla
sostituzione del foglio di alluminio. In concerto con realtà aziendali ed
imprenditoriali operanti nel settore (Metalpack S.r.l. soprattutto, Poligrafica
Veneta S.r.l.) e in collaborazione con Istituti di Ricerca italiani e stranieri
(VITO - Flemish Institute for High Technology, Mol (Belgio), Dipartimento
di Ingegneria Ambientale e dei Materiali - Università di Modena e Reggio
Emilia, Materials Department – Oxford Univeristy (Oxford, Regno Unito)), è
stata man mano elaborata una via di sviluppo di prodotti e processi altamente
innovativi e dalle promettenti prestazioni.
Il processo metodologico che è stato guida nelle ricerche si articola in tre
fasi sviluppate in parallelo:
• individuazione delle problematiche e scelta dei giusti materiali su cui
agire e su cui sono stati individuati ampi margini di miglioramento;
• ottimizzazione delle tecnologie ad oggi esistenti;
• sviluppo ed applicazione delle ultime tecnologie innovative.
Quest’ultima parte, nello specifico, è stata oggetto di particolare attenzione
attraverso lo studio di film sottili nanocompositi e nanostrutturati e tecnologie
innovative di rivestimento come quelle basate sul plasma a pressione
atmosferica. A conclusione del lavoro svolto è stata identificata un strategia di
sviluppo prodotto dalle caratteristiche estremamente promettenti, ed in grado
di rappresentare una soluzione davvero significativa nel mercato del packaging
flessibile. Questo prodotto ha fatto nascere un forte interesse da parte di realtà
imprenditoriali del settore.
Particolare attenzione nello sviluppo del lavoro è stata posta al mercato
dell’imballaggio nel campo alimentare; i risultati ottenuti nello studio delle
diverse tecnologie affrontate e gli stessi prodotti con esse ottenuti offrono,
tuttavia, soluzioni importanti per numerosi altri settori applicativi, dal vicino
ambito del packaging farmaceutico o medico, ai settori dell’elettronica
(OLED, schermi al plasma) o del biomedicale.
L’obiettivo è stato raggiunto attraverso lo sviluppo di packaging flessibile
basato sull’utilizzo di un materiale plastico comune (Polietilene a bassa
densità, LDPE) ma opportunamente funzionalizzato, metallizzato in modo
ottimale, trattato con plasma atmosferico e rivestito da un sottilissimo strato
barriera nanostrutturato e con una vernice organica a base di alcool
polivinilico ad elevate proprietà barriera; tale soluzione permette il
raggiungimento degli standard più severi in termini di barriera a gas e vapori,
un’ottima lavorabilità a basso prezzo (non necessita di processi integrativi)
candidandosi, per esempio, quale scelta ottimale per la sostituzione
dell’alluminio in packaging multistrato.
La presente trattazione
L’esposizione del presente elaborato segue lo sviluppo dei lavori e il
processo logico che ne è stato guida.
Esso si articola in 4 sezioni distinte, ciascuna a sua volta suddivisa nei
vari capitoli distintivi le singole problematiche ed esperienze affrontate:
Scenario
Studio ed ottimizzazione di film barriera metallizzati
Rivestimenti sottili e nanostrutturati
Conclusioni
Nella prima sezione viene introdotto il mondo del packaging flessibile,
con particolare riguardo al campo alimentare. Vengono trattate le
problematiche connesse con il presente mercato del packaging flessibile, in
particolare per alimenti, e le possibili soluzioni per ottenere prodotti in grado
di migliorare le performance in termini di conservazioni dei cibi, anche
attraverso processi e materiali effettivamente utilizzabili e convenienti. Il
risultato di tale fase è rappresentato dall’individuazione della sostituzione
dell’alluminio in fogli dai film multistrato quale target primario per un
prodotto competitivo e dalla realizzazione di film flessibili metallizzati ultra
barriera opportunamente ottimizzati e migliorati quale mezzo per raggiungere
tale obiettivo.
La sezione successiva è quindi caratterizzata dall’ottimizzazione delle
proprietà e caratteristiche dei comuni film metallizzati; si è agito in tal modo
studiando le caratteristiche dei film metallizzati con alluminio, indagando in
particolare le caratteristiche principali dei film sottili di alluminio (la
permeazione dei gas e le proprietà meccaniche e di adesione in particolare), e
valutando metodologie per il loro miglioramento (pre-trattamento al plasma
in vuoto, e post trattamento al plasma in atmosfera).
Gli argomenti trattati nei diversi capitoli della terza sezione sono stati
sviluppati con l’intento di indagare le possibili soluzioni con l’utilizzo delle
moderne tecnologie di rivestimento ed i materiali più promettenti, in grado di
far raggiungere a tali film le performance necessarie; in particolare sono stati
studiati ed applicati a tale scopo metodi di deposizione e materiali innovativi
nanocompositi e nanostrutturati in forma di multistrato ultrasottile (attraverso
la deposizione alternata di film organici ed inorganici), di rivestimento
nanocomposito (attraverso la realizzazione di coating con dispersioni di
riempitivi lamellari con dimensioni nanometriche) e di rivestimento sottile
nanostrutturati ibrido organico-inorganico, ottenuto con tecnologie standard
ed attraverso le più nuove tecnologie basate sull’utilizzo di plasma a pressione
atmosferica. Ci si è soffermati in particolare su quest’ultima classe di
esperimenti, valutati come i più promettenti.
La sezione conclusiva è stata esposta con l’obiettivo di tradurre i risultati
delle ricerche svolte nello sviluppo di un processo e di un possibile prodotto
in grado di ottenere le prestazioni desiderate in un modo effettivamente
realizzabile; la conclusione a cui tale fase ha portato è rappresentata dalla
combinazione di tecnologie standard quali la metallizzazione con alluminio e il
rivestimento con materiali organici altamente performanti (PVA), di materiali
nuovi (substrato plastico ottimizzato) e tecnologie innovative come un post
trattamento al plasma atmosferico sul film metallizzato per aumentarne la
tensione superficiale e un rivestimento ultrasottile altamente funzionale
realizzato con polimerizzazione assistita d plasma atmosferico in grado di
fungere da pre-layer prima del coating alta barriera.
Il risultato, in termini di barriera all’ossigeno ed al vapor d’acqua di
quest’ultima soluzione è rappresentato nel presente diagramma.
Insegnamento
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