Innovative green and bio-based films for food packaging application

The aim of this study is to develop and characterise an innovative polymeric film for food packaging industry based on natural resources. The project was enveloped into a consultancy activity assisted by Alpak S.r.l., an Italian company that produces food packaging solutions. Alpak S.r.l. is willing to shift the production from fossil-based raw materials to renewable and sustainable resources. In fact, its current production is based on a laminate made by polyethylene (PE) and polyamide (PA6), which is hard to be recycled. Nowadays, the call to action for a more sustainable and green future is impellent. From this standing point, the use of unrecyclable plastics is not tolerable anymore. Instead, a shift to plastics based on renewable resources and that are biodegradable must be encouraged. To this purpose, among bioplastics, poly lactic acid (PLA), was chosen. One of the major advantages of PLA is its biodegradable nature, and the sustainable process by which it is made, making it the environmentally friendly choice of plastic. Under the right circumstances, PLA can break down into its natural elements in less than a month in contrast to the centuries it will take for traditional plastics to decompose. Nevertheless, PLA usage can be limited because of its high brittleness, which poses severe limitations in terms of processability and end-use mechanical performances. The addition of a plasticizer could overcome those issues, so polyethylene glycol (PEG) and cardanol were proposed and analysed in different amount. In this work, several formulations have been studied: firstly, films composed of PLA and flour (code name in the text: F-G_PLA-C) opportunely plasticized with cardanol and glycerol, respectively, have been produced and characterized; then, films composed of PLA plasticized with PEG (code name in the text: PLA-PEG) have been prepared by compression moulding and extrusion processes and later characterized; finally, nanocomposite films were obtained by melt intercalation using PLA plasticized with PEG as matrix, and nanoclays as reinforcement. The employed nanocharges were DELLITE® HPS and DELLITE® 43B, in percentages of 1% (code name in the text: PLA-PEG-HPS1 and PLA-PEG-43B1) and 3% (code name in the text: PLA-PEG-HPS3 and PLA-PEG-43B3) by the PLA weight. Among the different mixtures studied, the most promising are PLA-PEG extruded films and PLA-PEG-43B1 nanocomposite, because they accomplish the optical requirements of transparency and show better mechanical properties than the other considered formulations.

Lo scopo di questo studio è sviluppare e caratterizzare un film polimerico innovativo per l'industria dell'imballaggio alimentare basato su risorse naturali. Il progetto è parte di un'attività di consulenza per Alpak S.r.l., un'azienda italiana che produce soluzioni per l'imballaggio alimentare. Alpak S.r.l. vuole effettuare un cambio nella produzione, passando da film alimentari prodotti a partire dalle convenzionali plastiche basate sul petrolio, a risorse rinnovabili e sostenibili. Infatti, l'attuale produzione di Alpak S.r.l. si basa su un poliaccopiato di polietilene (PE) e poliammide (PA6), difficilmente riciclabile. Oggigiorno, la chiamata per un futuro più sostenibile e verde è impellente. Da questo punto di vista, l'uso di plastiche non riciclabili non è più tollerabile in un'ottica di produzione futura improntata alla sostenibilità, oltre che al guadagno. Occorre invece incoraggiare sempre di più il passaggio verso plastiche basate su risorse rinnovabili e biodegradabili. A questo scopo, tra le varie bioplastiche oggi disponibili sul mercato, è stato scelto l'acido polilattico (PLA). Uno dei principali vantaggi del PLA è la sua natura biodegradabile e il processo sostenibile mediante il quale viene prodotto: queste due caratteristiche lo rendono una bioplastica promettente ed ecologica in svariati campi d'applicazione. Nelle giuste circostanze, il PLA può degradarsi nei suoi elementi naturali in meno di un mese, a differenza dei secoli necessari per la decomposizione delle plastiche tradizionali. Tuttavia, l'uso del PLA può essere limitato a causa della sua elevata fragilità, che pone seri limiti in termini di lavorabilità e prestazioni meccaniche del prodotto finale. L'aggiunta di un plasticizzante potrebbe superare questi problemi, ed a questo scopo sono stati proposti e analizzati il polietilenglicole (PEG) e il cardanolo in diverse quantità, per avviare uno studio di tenacizzazione. In questo lavoro, sono state studiate diverse formulazioni: in primo luogo, sono stati prodotti e caratterizzati film a base di PLA e farina (nome nel testo: F-G_PLA-C) opportunamente plasticizzati con cardanolo e glicerolo, il primo utilizzato per il PLA, il secondo per la plasticizzazione della farina. Successivamente, sono stati preparati film basati su PLA plasticizzato con il PEG (nome nel testo: PLA-PEG) mediante due processi: stampaggio a compressione ed estrusione. Una volta prodotti, anche questi biofilm sono stati caratterizzati al fine di comprenderne le caratteristiche. Infine, in un'ultima fase di studio, sono stati prodotti dei film nanocompositi mediante un processo di intercalazione per fusione (melting intercalation), utilizzando una matrice di PLA plasticizzato con il PEG, alla quale sono state additivate delle nano-argille come rinforzo. Le nano-cariche impiegate sono DELLITE® HPS e DELLITE® 43B, in percentuali dell'1% (nome nel testo: PLA-PEG-HPS1 e PLA-PEG-43B1) e del 3% (nome nel testo: PLA-PEG-HPS3 e PLA-PEG-43B3) rispetto al peso del PLA. Tra le diverse miscele proposte e studiate, le più promettenti sono i biofilm di PLA-PEG prodotti tramite estrusione e il film nanocomposito PLA-PEG-43B1, poiché soddisfano i requisiti ottici di trasparenza imposti dall'industria del food packaging e allo stesso tempo mostrano le migliori proprietà meccaniche rispetto alle altre formulazioni considerate.