Produzione di plastiche sostenibili: il Progetto PCR plus di Rifra

Nell’ambito della sostenibilità ambientale, l’impegno all’uso intelligente delle materie plastiche rappresenta per Rifra un obiettivo chiave da perseguire con strategie chiare: “Riteniamo fondamentale contribuire attivamente all’impegno di rendere più sostenibile l’uso delle materie plastiche attraverso attività di ricerca e di collaborazione con i nostri clienti, al fine di rendere sempre più funzionali le resine PCR nella filiera di produzione dei manufatti in plastica”.

Rifra ha impegnato il suo gruppo di Ricerca & Sviluppo nella definizione di un “sistema” di lavoro che permetta di creare competenze e conoscenze da impiegare nella formulazione di prodotti in grado di migliorare la qualità delle plastiche di seconda vita, attrezzando un laboratorio di analisi con strumentazioni specifiche per la caratterizzazione delle plastiche e degli additivi.

Parlando esplicitamente di “sistema”, di seguito vengono elencate le fasi del programma di lavoro:

• Studio delle materie plastiche seconde per valutarne la qualità;
• Test dei principi attivi specifici per individuarne le potenzialità nelle resine PCR;
• Sviluppo di metodi analitici specifici per caratterizzare materie prime e manufatti;
• Raccolta di dati e risultati da mettere costantemente a disposizione di chi voglia collaborare con noi nella risoluzione di specifiche criticità.

Perfettamente in linea con questa filosofia, il bando Ricerca & Innova, istituito dalla Regione Lombardia nell’ambito del Programma regionale FESR 2012-2027, ha da subito rappresentato un’eccellente opportunità per dare forma ad un progetto che già rappresentava per Rifra un impegno preso, ma che con il bando è diventato un patto con la comunità industriale per contribuire alla diffusione delle informazioni raccolte e collaborare attivamente alla diffusione di plastiche PCR di maggiore qualità.

Il contesto in cui è maturato il Progetto PCR plus

Le materie plastiche riciclate vengono definite secondo due macrocategorie: PCR, ovvero resine post consumo, risultato della raccolta differenziata degli imballaggi;  PIR, ovvero resine post industrial, scarti industriali residui di lavorazione o risultati di prodotti non conformi. Della categoria PIR, in genere, è possibile trovare sul mercato gradi con caratteristiche ben definite, con una composizione spesso nota e relativamente facile da applicare in settori similari a quello d’origine.

Più complicata da trattare è la categoria PCR, che rappresenta una composizione di diversi imballaggi, spesso additivati con principi attivi specifici e dalle diverse funzionalità. A complicare il tutto vi è il fatto che le resine PCR hanno “lavorato” come imballaggio per un tempo definito (subendo un inevitabile processo di invecchiamento) e accumulando contaminanti (es. cibo, detersivi, colle, sporco di varia natura).

La filiera di raccolta e selezione delle resine PCR sta già facendo un ottimo lavoro immettendo sul mercato gradi selezionati e con dati tecnici ordinati in specifiche chiare. Tuttavia, per la complessità su definita siamo ancora lontani dalla sostituzione massiva delle resine vergini e tanto lavoro può essere fatto per migliorare prodotti e processi.

Piano di lavoro del Progetto PCR Plus

Un progetto così ambizioso non può che essere strutturato in fasi chiare e definite, con obiettivi specifici e risorse dedicate. Tuttavia, già dalle prime fasi di lavoro si è capito che quello che si stava studiando non si poteva risolvere in un risultato univoco, ma che sarebbe stato necessario indagare modelli di comportamento e studiare soluzioni modulari per intervenire su un materiale che fa della “variabilità” una sua caratteristica costante.

Per spiegare meglio, la qualità raggiunta dalle materie plastiche ha abituato gli operatori del settore a prevederne il comportamento in macchina e a codificare manovre di processo efficaci per ottenere i massimi risultati. Le plastiche “seconda vita” non rispondono sempre a questo paradigma: pur presentandosi con caratteristiche assolutamente in linea con le plastiche d’origine, contengono elementi chimico-fisici che ne modificano il comportamento in modo variabile.

Nell’ambito di questa variabilità, e con l’obiettivo dichiarato di studiare soluzioni applicabili industrialmente, Rifra ha stilato un piano di lavoro composto da più fasi che riassumiamo di seguito:

• I – Studio preliminare sullo stato dell’arte delle resine riciclate e selezione di materie prime, sia come resine PCR che come additivi potenzialmente interessanti;
• II – Individuazione delle migliori tecniche analitiche (disponibili nei laboratori industriali) di caratterizzazione materiali;
• III – Definizione di un modello di comportamento delle resine sottoposte ad additivazioni.

Il lavoro è ancora in corso, ma possiamo condividere una sintesi dei risultati finora ottenuti.

Step I: resine PCR per film e stampaggio

Il mondo delle resine post consumo di natura poliolefinica (PCR) è contraddistinto da resine che si differenziano in diversi sottogruppi, in base all’applicazione finale: PCR per settore film e PCR per settore stampaggio. Rifra ha deciso di esaminarli recuperando dal mercato due tra le più vendute resine attualmente disponibili:

1. Polimero A, specifico per il settore film cast: polietilene (prevalentemente LDPE) con piccole dosi di altri polimeri (prevalentemente PP al di sotto della soglia del 10%).
2. Polimero B, specifico per il settore stampaggio: polietilene (prevalentemente LDPE) con una quantità di polipropilene compresa tra il 30 e il 50%.

Tali resine sono state studiate sia fisicamente che chimicamente per capire le loro peculiarità tecniche.

Step II: comportamento dei polimeri alle temperature

Sono state svolte tecniche specifiche per lo studio della variazione del comportamento dei polimeri alla temperatura, per l’analisi e la individuazione delle molecole costitutive del campione e analisi volte alla verifica meccanica, modulo elastico, allungamento e carico alla rottura. Sono state inoltre realizzati prototipi in film e stampaggio.

Step III: resine PCR per estrusione film cast

Sono stati condotti test su impianti pilota di film cast che hanno mostrato criticità del polimero sottoposto ad una determinata temperatura di processo dovuta alla presenza di contaminazioni che hanno generato delle fessurazioni nel film stesso. Proseguendo i test esplorativi sulle meccaniche, si è riscontrata una variabilità statistica e una dispersione dei dati che è stata associata alla non completa compatibilità tra i vari componenti presenti nella resina. Per ovviare alle criticità suddette è stata seguita la strada dell’additivazione con antossidanti per la degradazione ossidativa, compatibilizzanti utili in presenza di materiali diversi (es. contaminazione di PET + PA)  e altri additivi specifici per migliorare le proprietà meccaniche.

Scelte le categorie di materie prime da sperimentare, è stata definita una matrice di test, combinando i principi attivi a diverse percentuali da applicare sui polimeri in studio; l’output di questa matrice rappresenta la popolazione di dati su cui lavorare per costruire un modello matematico predittivo. Operativamente sono stati realizzati compound a titolo noto di base polimerica e di additivi con i quali è possibile costruire il modello matematico che consente di conoscere e migliorare le resine PCR sul mercato. Si sono creati quindi più blend a concentrazione variabile di compound, estrusi con l’aggiunta degli additivi su menzionati a concentrazione variabile.

Il processo di estrusione è stato ripetuto per simulare gli stress ossidativi che accompagnano le resine PCR. I compound, una volta prodotti, sono stati stampati per realizzare provini per il test di trazione in cui sono state valutate le seguenti proprietà: carico di rottura, modulo elastico e area sotto la curva. I dati sono ancora in fase di elaborazione, ma è possibile sottolineare che l’aggiunta di antiossidanti protegge la resina ad alte temperature e che l’utilizzo dell’additivo compatibilizzante migliora la dispersione fino ad un dosaggio del 5%. A concentrazione maggiori contribuisce inoltre al miglioramento del valore specifico. Per quanto riguarda i test eseguiti sul film cast, un altro dato empirico da aggiungere perché rilevante, è che lavorare a temperature di processo medio-alte migliora l’aspetto del manufatto, riducendo considerevolmente le fessurazioni che altrimenti compaiono sul campione di film.

Conclusioni allo stato dei lavori

Lo studio che Rifra sta svolgendo porterà a centrare l’obiettivo di individuare uno o più principi attivi da proporre sotto forma di additivi per migliorare la qualità delle resine PCR. I dati verranno pubblicati alla fine del progetto PCR Plus, con l’obiettivo di massimizzare la collaborazione lungo la filiera dei trasformatori di materie plastiche e contribuire così al miglioramento della qualità di processo di tali resine.

Indipendentemente dai risultati specifici, effetti benefici collaterali sono sicuramente l’acquisizione di conoscenze e la costruzione di modelli analitici che Rifra mette a disposizione di chiunque ne avesse bisogno, nel perfetto spirito dell’azienda che esprime nel proprio payoff “completiamo il tuo processo”, il mantra che l’ha sostenuta nei suoi 46 anni di vita.