La carta, da secoli punto fermo della civiltà umana, non è priva di inconvenienti.
La sua natura idrofilica e la struttura porosa rappresentano alcuni limiti di questo materiale, rendendo la sua applicazione particolarmente problematica in ambienti umidi o a contatto diretto con l’acqua.
Il centro ricerche Nanoprom ha sviluppato e testato un coating per la protezione della carta da acqua e umidità.
Il coating si basa su processi sol-gel brevettati. Il materiale di partenza è una sospensione colloidale di particelle solide in un liquido, il sol, che si trasforma in gel attraverso processi di idrolisi e condensazione. In seguito ad essiccamento il materiale completa il suo ciclo di polimerizzazione.
Polysil Paper è un coating trasparente a base silicea. Con uno strato di pochi micrometri il prodotto crea uno strato simil-vetroso sul substrato, senza alterarne l’aspetto estetico ma conferendo spiccate proprietà idrofobiche alla superficie.
Figura 1: Osservazione al microscopio digitale Keyence VHX-6000 di una goccia d'acqua depositata su cartone non trattato (dopo 3 secondi) e trattato con Polysil Paper (dopo 5 minuti)
Il principale problema associato a tutti gli imballaggi realizzati in carta e cartone, così come a tutti i consumabili a base cellulosa, è la loro suscettibilità all'assorbimento di acqua, che provoca il loro rammollimento quando esposti ad un ambiente particolarmente umido o all'acqua. Questo comportamento dipende principalmente dalle interazioni molecolari acqua-cellulosa, abbinate all'elevata porosità della carta e al fenomeno della capillarità.
Per far fronte a questo problema, Nanoprom ha sviluppato Polysil Paper, un rivestimento che si basa su principi sol-gel che, una volta applicato, penetra nella struttura di carta o cartone. La reazione di polimerizzazione, che avviene a temperatura ambiente, porta alla formazione di legami silossanici (Si-O-Si), con formazione di uno strato di silice amorfa, che lascia il substrato inalterato otticamente.
Le caratteristiche principali di questo rivestimento includono una notevole idrofobicità, grazie alla presenza di gruppi altamente apolari nei precursori, e una bassa tensione superficiale, prossima a 20 mN/m. Questo crea una sorta di " effetto barriera" tra l'acqua e il materiale sottostante.
Inoltre, il trattamento con Polysil Paper non compromette completamente la capacità del supporto cartaceo di assorbire acqua. Questo permette una certa permeabilità all'umidità e/o all'acqua nel caso in cui il materiale venga abbandonato, con la possibilità di avere comunque una bio-degradazione, seppur in tempi più lunghi.
La capacità di rendere la carta e il cartone impermeabili, o almeno semi-impermeabili, all'acqua rappresenta una svolta significativa in numerose applicazioni, poiché consente di sostituire la plastica in molti settori. Un esempio tangibile riguarda gli oggetti monouso (come piatti, cannucce e posate) che in passato venivano comunemente realizzati in plastica ma, ad oggi, questo non è più possibile a causa delle nuove direttive europee. La carta si è dimostrata essere la scelta più promettente per la sostituzione della plastica, ma ha presentato e presenta tuttora il noto problema dell'assorbimento di acqua.
Per affrontare questa sfida, è stato testato Polysil Paper su piatti, cannucce e altri materiali da imballaggio basati su carta. Il trattamento è stato in grado di eliminare il problema del rammollimento.
In aggiunta, è essenziale sottolineare che Polysil Paper è già stato sottoposto a rigorose valutazioni e test alimentari, confermandone la sicurezza per il contatto con gli alimenti. Il supporto trattato resta inoltre completamente riciclabile, come dimostrato attraverso test di riciclabilità condotti in collaborazione con un laboratorio locale
Le applicazioni sono le più varie e disparate. Protezione di cartone da imballaggio per riduzione o eliminazione della plastica esterna, protezione di oggetti monouso come cannucce, posate, bicchieri e piatti per conferire maggior resistenza al contatto con acqua e bevande, protezione di carta monouso da banco.
Figura 2: Applicazione Polysil Paper mediante spruzzatura su cartone
Deposizione mediante spruzzatura di Polysil Paper su cartone ad uso industriale per imballaggio del prodotto finito e su cartone utilizzato come distanziale tra lastre (interfalde)
L'applicazione di Polysil Paper è stata condotta direttamente presso il centro ricerche Nanoprom, all'interno di una cabina di verniciatura. I cartoni sono stati sottoposti a un trattamento mediante spruzzatura e, una volta che il coating ha polimerizzato, sono stati utilizzati per l'imballaggio del materiale destinato al cliente.
In seguito, è stata condotta una prova comparativa esponendo all'esterno due pallet: uno contenente materiale imballato con cartone trattato e l'altro con cartone non trattato. I risultati ottenuti dopo un periodo di cinque mesi all’esterno (novembre-aprile) dimostrano come il cartone trattato sia ancora completamente integro e l’inchiostro di stampa completamente preservato. Nel caso del cartone non trattato si osservano chiari segni di deterioramento e le scritte prestampate sono difficilmente leggibili.
Nell'esame delle interfalde, si è notato che il cartone trattato con Polysil Paper è rimasto completamente intatto e non ha provocato il rilascio di inquinanti sulla superficie delle lastre. Al contrario, le interfalde non trattate mostrano evidenti segni di deterioramento (Figura 3); ciò ha causato peraltro la formazione di macchie sulle lastre, difficilmente rimovibili.
Aziende del comprensorio di Sassuolo
Polysil, da cui Polysil Paper deriva, è un coating protetto da diversi brevetti nazionali ed internazionali, su cui è stata eseguita una LCA di prodotto. La soluzione è stata presentata a diverse aziende che devono fronteggiare il problema di bagnabilità degli imballaggi.
Interfalda trattata (alto a sinistra) vs. non trattata (alto a destra). Superficie della lastra a contatto con l'interfalda trattata (basso a sinistra) e con interfalda non trattata (basso a destra)