Stabilità del processo nell'impiego di materiali riciclati Come gli additivi intelligenti stanno rivoluzionando la lavorazione

Gli additivi iperramificati ottimizzano la lavorazione del materiale riciclato, contenendo le fluttuazioni di viscosità e ampliando notevolmente le finestre di processo. Questi ausili intelligenti riducono il fabbisogno energetico e i tassi di scarto e consentono persino un upcycling di alta qualità.

L'utilizzo di materiale riciclato si sta affermando sempre più come una regola d'oro. Se finora le aziende puntavano sull'uso volontario di materiale riciclato post-consumo (PCR), ora il legislatore sta spingendo attivamente – anche se in modo graduale – a chiudere i cicli di produzione. In applicazioni complesse ciò può portare a carenze di materiale, come dimostra il regolamento UE sui veicoli fuori uso. Il materiale riciclato meccanicamente continua a porre sfide tecniche di processo agli estrusori e agli stampatori a iniezione.

Tra gli ostacoli principali figurano le viscosità di fusione variabili, dovute a flussi di materiale disomogenei, nonché la degradazione termica del materiale durante la lavorazione. La stabilità del processo non può essere garantita a causa di pressioni instabili e/o di una fluidità limitata, il che comporta un aumento dei tassi di scarto o una produttività antieconomica.

A risolvere il problema sono additivi ad alta efficacia che agiscono in modo mirato sul comportamento reologico della fusione. Finora, le soluzioni classiche hanno consistito principalmente nella rottura o nell’accorciamento delle catene polimeriche, al fine di aumentarne la mobilità e, di conseguenza, la fluidità. È inoltre possibile aggiungere strutture a basso peso molecolare che migliorano il comportamento di scorrimento e agiscono sia intrinsecamente nella massa fusa sia sulle superfici e sulle pareti di macchine e utensili. Questi approcci forniscono sì soluzioni a breve termine, ma rendono difficile una gestione sostenibile.

Additivi iperramificati come nuovo approccio risolutivo

L’obiettivo di una maggiore mobilità delle catene è perseguito anche dall’approccio basato su additivi iperramificati, che mantengono intatta la struttura del materiale di destinazione e agiscono esclusivamente nella fusione. La loro struttura a chioma d’albero consente, in quanto formazioni quasi sferiche simili a cuscinetti a rulli, di ridurre l’attrito tra le catene polimeriche all’interno della fusione.

In questo modo la viscosità della fusione diminuisce, pur mantenendo le altre proprietà fisiche. Poiché gli additivi non migrano, questo effetto rimane intrinsecamente presente anche nei futuri processi di fusione. Non sono in concorrenza con altri coadiuvanti di processo (ad es. modificatori di resilienza) e non ne riducono gli effetti sul prodotto finale. Al contrario, favoriscono l’omogeneità della fusione e garantiscono anche un riempimento completo dello stampo.

Il riciclaggio dei paraurti come caso di studio 

Di seguito un caso di studio a titolo illustrativo:  Nell’ambito del regolamento UE sui veicoli fuori uso, è ipotizzabile il riciclaggio, ad esempio, di paraurti in polipropilene (PP) e gomma etilene-propilene-diene (EPDM). Se un paraurti di questo tipo deve essere trasformato in materiale riciclato, viene prima sverniciato e successivamente trattato con perossidi, che degradano le catene polimeriche. La componente in PP diventa così più fluida, mentre quella in EPDM si reticola e aumenta di viscosità. I profili di fluidità eterogenei rendono difficile una combinazione efficace come materiale riciclato. Un additivo iperramificato – in definitiva un polimero – rende superfluo l’uso dei perossidi.

Indipendentemente dal materiale, l’impostazione di profili di viscosità ben definiti grazie all’utilizzo di tali additivi speciali porta ad un ampliamento della finestra di processo, poiché le pressioni di iniezione possono essere ridotte grazie alla migliore fluidità. Anche la riduzione delle temperature di lavorazione viene costantemente osservata nei più svariati scenari. Entrambi questi fattori comportano, a seconda della gestione del processo e degli obiettivi prefissati, un minor fabbisogno energetico e una riduzione del tempo di ciclo. L’ampliamento della finestra di processo consente di utilizzare nuovi materiali per applicazioni che finora non rientravano nello spettro delle possibilità.

In linea generale, grazie al loro carattere integrativo, l’impiego di additivi iperramificati rappresenta un valore aggiunto sia per la materia prima vergine che per i materiali PCR e PIR. Soprattutto nel caso di materiali come l’rPET o l’rPMMA, un additivo ben strutturato è in grado di compensare le differenze di lavorazione termica grazie all’omogeneizzazione del materiale e di ridurre gli elevati punti di fusione aumentando la flessibilità delle catene polimeriche.

Polytives punta sugli additivi polimerici. In che modo le vostre soluzioni si distinguono, dal punto di vista tecnologico e in termini di efficacia, dai classici masterbatch o dagli additivi a basso peso molecolare?

Effetti misurabili: maggiore qualità, meno scarti

L'azienda Polytives è leader nella produzione di polimeri iperramificati e ha dimostrato, in diversi casi di studio, l'ottimizzazione dei processi e dei materiali grazie ai propri additivi. Di seguito verranno esaminati due di questi studi:

In collaborazione con Pekutherm Kunststoffe, Sitraplas e Polytives, è stato possibile aumentare in modo significativo il Melt-Volume-Rate (MVR) delle lastre in PMMA destinate a un'applicazione di consumo. Mentre la massa di rPMMA, senza l’aggiunta dell’additivo bFI A 3745, era adatta solo per lavori di estrusione, dopo l’aggiunta dell’additivo (dosaggio: 3 - 5 %) è stato possibile ottenere una qualità adatta allo stampaggio a iniezione. A rigor di termini, non si è trattato solo di riciclaggio, ma di upcycling – un approccio particolarmente efficiente quando si vuole ridurre al minimo l’impronta di CO₂ di un prodotto in plastica grazie alla presenza di materiale riciclato.

In uno studio condotto dai partner Brac-Werke, Nordmann, Rassmann e Polytives, è stato possibile adattare uno stampo esistente all'utilizzo di rPET. In condizioni standard, lo stampo non veniva riempito completamente. Aumentare la pressione non era un’opzione, poiché si osservavano in alcuni casi evidenti fuoriuscite di materiale in corrispondenza del punto di iniezione. Anche in questo caso è stato sufficiente un dosaggio basso, a una cifra, del polimero iperramificato per rendere la massa da stampaggio sufficientemente fluida da consentire – mantenendo invariati tutti gli altri parametri – una riduzione della pressione di iniezione fino al 25%.

Il ricorso ai materiali riciclati come fonte di materie prime è destinato a intensificarsi notevolmente nei prossimi anni. I polimeri iperramificati possono offrire ai trasformatori un vantaggio decisivo: finestre di processo più ampie grazie a pressioni e temperature più basse, per processi più delicati ed efficienti dal punto di vista energetico, con una minore quantità di scarti. Grazie all’interazione tra materia plastica, additivo e processo, è così possibile sviluppare e realizzare prodotti sostenibili ed economicamente redditizi.

I nostri additivi sono essi stessi polimeri

Intervista a Viktoria Rothleitner, fondatrice e amministratrice delegata di Polytives

Polytives punta sugli additivi polimerici. In che modo le vostre soluzioni si distinguono, dal punto di vista tecnologico e in termini di efficacia, dai classici masterbatch o dagli additivi a basso peso molecolare?

Viktoria Rothleitner: I nostri additivi polimerici sono essi stessi materiali ad alto peso molecolare e agiscono fisicamente influenzando in modo mirato la viscosità del fuso, non attraverso reazioni chimiche. A differenza dei masterbatch classici, non necessitano di un sistema vettore, non migrano e mantengono integralmente le proprietà del materiale.

Quando è economicamente conveniente l'utilizzo dei vostri additivi per un'azienda di medie dimensioni specializzata nello stampaggio a iniezione o nell'estrusione?

Rothleitner: A questa domanda si può rispondere solo con un “dipende”, poiché il calcolo dei costi di ogni trasformatore è molto specifico. Nella pratica, tuttavia, si nota rapidamente un vantaggio in termini di costi unitari, ad esempio grazie a una riduzione dei tempi di ciclo del 20-30%, oppure quando i materiali diventano per la prima volta economicamente lavorabili o possono essere lavorati con macchinari e utensili già esistenti.

La sfida del rPMMA/rPET: questi materiali sono considerati le “dive” del riciclaggio. Qual è la chiave fondamentale per ottenere una stabilità di processo che si avvicini a quella della materia prima vergine?

Rothleitner: La chiave di tutto è la riduzione mirata della viscosità del materiale fuso durante la lavorazione, senza degradare il materiale stesso. Ciò consente di lavorare in modo stabile lotti con caratteristiche variabili, di ridurre pressioni e temperature e, al contempo, di aumentare notevolmente la robustezza del processo, rendendo possibili anche applicazioni che in precedenza erano considerate non lavorabili.

I critici spesso sostengono che gli additivi potrebbero contaminare il flusso dei materiali riciclati. Come garantite che i prodotti ottimizzati con gli additivi Polytives non diventino essi stessi un problema nel ciclo di riciclaggio successivo?

Rothleitner: I nostri additivi sono essi stessi polimeri, stabili alla migrazione e compatibili con la matrice, per cui non presentano problemi nei flussi di riciclaggio esistenti. Gli additivi non introducono sostanze a basso peso molecolare nella miscela e non reagiscono all’interno del sistema: è proprio questo il grande vantaggio.

Per quanto riguarda la PRSE: qual è l'attuale andamento delle possibilità tecnologiche nella lavorazione dei materiali riciclati?

Rothleitner: A nostro avviso, la tendenza si sta chiaramente allontanando dalla mera ottimizzazione dei materiali per orientarsi verso la gestione dei materiali riciclati a livello di processo: le variazioni di viscosità e qualità vengono sempre più compensate dal processo stesso, anziché eliminate. In determinate applicazioni, ciò rende per la prima volta possibile l’impiego dei materiali riciclati in modo stabile ed economicamente vantaggioso.