DEVELOPMENT OF NANO-MATERIAL FOR FOOD PACKAGING
Creators: name: LI, FEI
Publisher: name: Universit� degli Studi di Milano
Year: 2013

description: La cellulosa � il polimero naturale pi� abbondante sulla terra, una risorsa rinnovabile che ogni anno viene prodotta in miliardi di tonnellate da molti organismi vegetali. Per questa ragione, su di essa si sta concentrando una crescente attenzione nell?ipotesi di una sua sempre maggiore applicazione nei pi� diversi campi. Quello del food packaging, che � ancora fortemente dipendente da materiali di sintesi e provenienti da risorse non rinnovabili, � particolarmente interessato ad un suo pi� ampio impiego, anche con il fine di aumentare la sostenibilit� dei suoi prodotti e di ridurne l?impatto ambientale. Con questa tesi di dottorato si � inteso mettere a fuoco le potenzialit� di impiego della nano cellulosa (cellulose nanocrystals, CNs), sperimentare la produzione e valutare le propriet� di alcune lacche a base di CNs, destinate a ricoprire convenzionali materiali flessibili per il confezionamento alimentare. La tesi si compone di quattro parti distinte. 

Nella prima parte si � inteso rappresentare lo stato dell?arte delle conoscenze e delle applicazioni della nanocellulosa, attraverso un ampio lavoro di documentazione bibliografica. Dapprima si � voluto mettere a fuoco quanto noto sulla struttura e la classificazione delle varie forme di nanocellulosa che � oggi possibile produrre e, a proposito della cellulosa nanocristallina in particolare, si � fatto il punto sulle tecniche di preparazione, la morfologia e le principali applicazioni. Da questo lavoro di documentazione sono emerse le notevoli propriet� di barriera ai gas ed a potenziali migranti, le eccellenti propriet� meccaniche (resistenza alla rottura, massima elongazione tensile, modulo di Young) e le interessanti caratteristiche termiche (transizione vetrosa, punto di fusione e di decomposizione) della CNs da sola ed in combinazione con altri materiali. 

Nella seconda sezione della tesi, al fine di comprendere meglio la struttura e la morfologia dei nanocristalli di cellulosa ottenuti attraverso un processo di idrolisi acida di linter di cotone, sono state utilizzate diverse tecniche analitiche avanzate, sia per la caratterizzazione qualitativa che quantitativa. E? stato cos� possibile ottenere informazioni precise sulle dimensioni dei nano cristalli, il rapporto di forma, la solubilit� e numerose altre loro importanti propriet�. In particolare le tecniche di TEM, SEM, e AFM sono apparse come le pi� adatte per osservare la morfologia dei cristalli, studiare le caratteristiche e la rugosit� delle superfici trattate con lacche a base di CNs. Si � inoltre indagato sulla distribuzione delle dimensioni dei cristalli ottenuti e, grazie all?uso di FTIR, XPS e NMR, sulla natura dei gruppi funzionali disponibili e sulle loro interazioni. 

La terza parte della tesi � dedicata ad uno studio delle propriet� di alcuni differenti film, largamente impiegati per il food packaging (PET, OPP, OPA e cellophane), rivestiti con uno strato sottile di CNs. In particolare, � statomesso a punto il processo di laccatura e sono state misurate le propriet� ottiche (la trasparenza, l?opacit� e le propriet� anti-fog), il coefficiente di frizione statico e dinamico, le energie superficiali e gli angoli di contatto, le propriet� di barriera all?ossigeno ed al vapor d?acqua. Da questo lavoro � emerso come sia effettivamente possibile rivestire di uno strato sottile (intorno ad un micron di spessore), omogeneo e continuo, film plastici differenti e che attraverso questo processo di laccatura, si riduce significativamente il coefficiente di frizione, si incrementano le propriet� anti-fog, si aumenta decisamente la barriera all?ossigeno, senza pregiudicare la trasparenza dei film di supporto. La prospettiva molto concreta � quella di costituire, in un modestissimo spessore, un coating multifunzionale con spiccate caratteristiche di sostenibilit� e di sicurezza alimentare. 

L?ultima sezione della tesi � dedicata al lavoro fatto per sperimentare la possibile applicazione di una tecnica di rivestimento molto moderna (layer-by-layer coating, LbL) che sfrutta la formazione di legami elettrostatici tra biopolimeri caricati diversamente. In particolare si � dimostrata la possibilit� di costituire lacche di un composito ottenuto mediante la sovrapposizione alternata di sottilissimi strati (da 6 a circa 30 nm) di chitosano e cellulosa nanocristallina. Il diverso pH delle soluzioni in cui vengono dispersi i due biopolimeri determina un diverso grado di ionizzazione delle cariche, rispettivamente positive del chitosano e negative della cellulosa, e di conseguenza diversi spessori e proporzioni relative dei due biopolimeri nel coating composito che si realizza. Ci�, evidentemente, permette di modulare in un ampio intervallo di valori, la permeabilit� del film ricoperto. Il coefficiente di permeabilit� del composito giunge a valori pari 0.02 cm3 �m m-2 24h-1 kPa-1, molto simili a quelli espressi da copolimeri a base di EVOH, in condizioni anidre. I vantaggi di un simile rivestimento sono comunque fondamentalmente legati alla sicurezza e non tossicit� dei biopolimeri impiegati, dalla loro sostenibilit� e dall?ampio grado di libert� disponibile nel modulare le caratteristiche finali di barriera, secondo le esigenze del prodotto da confezionare. Lo strato di lacca LbL cos� costituita rappresenta, in definitiva, una barriera all?ossigeno particolarmente promettente negli impieghi reali pi� critici anche per la concreta possibilit� di realizzarla convenientemente su oggetti tridimensionali come bottiglie, vassoi e altri imballaggi finiti. 

In conclusione, le ricerche condotte rappresentano una base di partenza molto promettente per un?innovazione di sostenibilit� e di prestazioni nel campo dell?imballaggio flessibile e meritano ulteriori approfondimenti ed applicazioni.