- SOLUZIONI INNOVATIVE E RIVESTIMENTI NANOSTRUTTURATI IN FILM FLESSIBILI AD ALTA BARRIERA
- Nanostructured coating for barrier films
- MARRAS, LUIGI
Subject
- barrier film
- atmospheric plasma
- plasma atmosferico
- nanocoating
- INGEGNERIA E SCIENZA DEI MATERIALI
Description
- 2005/2006
- 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.
- Sezione I: Scenario Cap 1 L’imballaggio flessibile oggi e le sue problematiche pag. 5 Introduzione 5 L’imballaggio flessibile alimentare 8 Principali proprietà di un packaging alimentare 14 I flm polimerici nel packaging alimentare 18 La sostituzione dell’alu-foil 22 Bibliografia 25 Cap 2 Materiali e tecnologie innovative per film barriera 27 Introduzione 27 Rivestimenti Sottili 27 Nuovi materiali barriera polimerici 30 Rivestimenti barriera organici 30 Nanocompositi 31 Conclusioni 32 Bibliografia 33 Cap 3 Obiettivo e strategia 38 Obiettivo 38 Strategia 39 Risultato 40 Sezione II: Studio ed ottimizzazione Film Metallizzati Cap 4 I film barriera metallizzati 42 Obiettivo della sezione 42 Film polimerici metallizzati 43 Proprietà di film metallizzati 54 Bibliografia 62 Cap 5 Studio ed ottimizzazione delle proprietà del film sottile d’alluminio 64 Obiettivo 64 Introduzione 65 Materiali e metodi 66 Test di frammentazione su film metallizzati 70 Adesione 84 Barriera 86 Correlazione adesione-barriera 87 Discussione 89 Bibliografia 89 Cap 6 Trattamento al plasma atmosferico 92 Introduzione 92 La bagnabilità dei film polimerici metallizzati 93 Il plasma freddo a pressione atmosferica 98 La tecnologia la plasma freddo in atmosfera come posttrattamento per il processo di metallizzazione 92 Rilievi sperimentali 107 Conclusioni 113 Bibliografia 113 Sezione III: Rivestimenti sottili e nanostrutturati Cap 7 Film nanocompositi sottili multistrato 114 Obiettivo 114 Introduzione 115 Materiali e Metodi 116 Parte sperimentale 120 Conclusioni 126 Bibliografia 127 Cap 8 Rivestimenti nanocompositi ed ibridi nanostrutturati 128 Introduzione 128 Obiettivo 130 Vernice Nanocomposita lamellare 130 Vernice ibrida nanostrutturati tramite sol-gel 138 Bibliografia 143 Cap 9 Plasma freddo a pressione atmosferica per trattamenti superficiali e nanocoating 144 Introduzione 144 Materiali 147 Il plasma freddo a pressione atmosferica 149 Settaggio del sistema 158 Modificazione superficiale ed interfaccia 169 Rivestimento Monostrato 189 Rivestimento Multistrato 203 Plasma prossimo ed a contatto diretto in configurazione DBD 213 Caratterizzazione dei film 216 Ossidazione e nitrurazione film metallizzati tramite plasma atmosferico 226 Considerazioni conclusive 238 Plasma priming per film barriera a base PVA 239 Bibliografia 244 Sezione IV: Conclusioni Cap 10 Considerazioni e proposta conclusiva 246 Capitolo
Date
- 2007-05-24T09:02:53Z
- 2007-05-24T09:02:53Z
- 2007-05-24T09:02:53Z
Type
- Doctoral Thesis
Format
- 12061353 bytes
- 38871829 bytes
- application/pdf
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Identifier
urn:nbn:it:units-3932