Bioplastica di polilattide – Maggiore resistenza grazie all'aggiunta di glutine

Fig. 1: Diagrammi tensione-deformazione per miscele di PLA_6202 con 40 ma% GN_10, GN_40 e GN_85; a sinistra: con 4.5 ma% RAT, a destra: con 4.5 ma% RAT e anche OA

Fig. 2: Bobine di filato spruzzate (colorate in giallo) di PLA_6202/GN_40 (60/40 w/w)

Polilattico (PLA) è un poliestere prodotto attraverso un processo multistadio a partire dallo zucchero. In questo processo, lo zucchero viene fermentato in acido lattico e successivamente polimerizzato in PLA. La plastica biobasata e biodegradabile PLA possiede una resistenza molto elevata fino a 70 MPa e una rigidità estremamente alta fino a 6 GPa, ma senza un'adeguata additivazione è fragile, il che limita fortemente le possibili applicazioni. Le attuali misure per aumentare la deformabilità plastica e quindi la tenacità riguardano principalmente la miscelazione del PLA con polimeri elastici e resistenti alla degradazione, a base di materie prime petrochemiche, come ad esempio poliuretani termoplastici o copolimeri di etilene.

Nel quadro del progetto congiunto finanziato dal BMWi, GLUPLAST, è stato possibile al KUZ, in collaborazione con il partner industriale CompraXX GmbH, realizzare una modifica della tenacità a impatto del bioplastico PLA utilizzando la proteina naturale del glutine di frumento. Nell'ambito del progetto, si è sfruttata la tendenza alla reticolazione del glutine durante il trattamento termico per creare una fase elastomerica reticolata, che si presenta finemente dispersa nella matrice di PLA grazie alla preparazione del blend con estrusore a due viti, e che, grazie all'adesione, porta a un significativo aumento della tenacità del materiale di base PLA.

Influenza sulla reticolazione del glutine

La reticolazione del glutine inizia già a circa 80 °C. I blend di PLA contenenti glutine, preparati a 160 °C, mostravano inizialmente un grado di frammentazione insufficiente della fase di glutine, rendendo la reticolazione intensa e rapida, condizione che riduce significativamente il diametro delle fasi e impedisce una distribuzione fine. Qui, l'elongazione a rottura (circa 1,4%) e l'energia di frattura (circa 1,5 kJ/m²) erano nettamente inferiori ai valori di riferimento del PLA.

Per ottenere una distribuzione più fine della fase di glutine nella matrice di PLA, il KUZ ha adottato due approcci:

1. Soppressione temporanea della reticolazione tramite l'aggiunta di additivi chimici,
2. Attenuazione della reticolazione diluendo il glutine di frumento con farina.

Materiali per la produzione di miscele polimeriche contenenti glutine

Materiali utilizzati:

1. Bioplastiche:
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, miscela di PLA Bioflex 6514 (di riferimento),
2. Sostanze naturali contenenti glutine (GN):
Glutine di frumento (contenuto proteico circa 85% in peso, GN_85), farina di frumento (GN_10), miscela di farina di glutine (GN_40),
3. Plastificanti:
Glicerina (GL),
4. Agenti adesivi (e riduttori di viscosità):
Acido ossalico (OA),
5. Riducenti, antiossidanti, reagenti di cattura (RAT):
Solfito di sodio (NHS), acido acetilsalicilico (AAS), L-Cisteina (LC).

Influenza positiva sulla meccanica del materiale

La modifica della tenacità a impatto del polilattico (PLA) tramite sostanze naturali contenenti glutine (GN), prevista nel progetto GLUPLAST, è stata realizzata con successo. Per la modifica, è stato scelto un PLA con un'elongazione a rottura di circa 3,5% e energia di frattura di circa 2 kJ/m². L'aggiunta di GN al PLA ha potenziato positivamente l'elongazione (fino a 30%) e l'energia di frattura (4 kJ/m²). Questi valori sono stati nettamente superiori ai livelli del PLA di riferimento. Inoltre, la meccanica del blend mostra una forte dipendenza dal contenuto proteico della fase di GN (Figura 1).

Una distribuzione più fine della fase di GN nella matrice di PLA è stata ottenuta sia riducendo il contenuto proteico del GN sia aggiungendo additivi chimici (RAT), come solfito di sodio, L-Cisteina e acido acetilsalicilico. Un miglioramento significativo dell'adesione tra le fasi e quindi della meccanica del blend di PLA è stato possibile anche grazie all'aggiunta di acido ossalico al GN. La percentuale di glutine nel blend era preferibilmente del 40% in peso. La meccanica del materiale ottenuto nel progetto è stata valutata positivamente dai partner.

Test di materiale riusciti nel processo di stampaggio ad iniezione

I blend di glutine possono essere facilmente processati tramite stampaggio ad iniezione, come mostrato nella Figura 2. La colorazione bruna del materiale, causata dalla reazione di Maillard, che aumenta con il contenuto proteico della fase naturale, può essere mascherata con l'aggiunta di coloranti.

La commercializzazione dei risultati della ricerca è prevista dal partner industriale CompraXX GmbH. Nel progetto, CompraXX GmbH ha realizzato con successo il trasferimento dei risultati dal laboratorio alla scala di prova. La combinazione di PLA con glutine di frumento conferisce proprietà materiali interessanti, che possono trovare applicazioni stimolanti, ad esempio nel settore degli articoli per la casa e per l'ufficio.