Punti chiave dell’articolo:
- Le tecnologie a base acqua sono sempre più utilizzate per ridurre le emissioni di COV, migliorare la sicurezza e favorire strutture di materiali più facilmente riciclabili.
- La transizione va oltre la sostituzione dei solventi, poiché i rivestimenti a base acqua possono offrire anche alternative ai tradizionali strati barriera in plastica.
- Il passaggio a formulazioni a base acqua non consiste semplicemente nel sostituire un liquido con un altro, ma comporta applicazioni, formulazioni chimiche e processi produttivi differenti.
- Le formulazioni a base acqua introducono nuove sfide di essiccazione; alcune formulazioni biobased sono particolarmente sensibili al modo in cui l’acqua viene rimossa.
- Su scala industriale, le applicazioni a base acqua possono richiedere l’adattamento del processo di essiccazione per gestire carichi di evaporazione più elevati senza limitare la velocità di produzione o la qualità del prodotto.
Le esigenze ambientali stanno cambiando la chimica dei rivestimenti
Nei settori della carta, dell’imballaggio e del converting, la crescente richiesta di minori emissioni, maggiore sicurezza dei processi produttivi, migliore riciclabilità e minore utilizzo di materie prime di origine fossile sta modificando la chimica applicata ai materiali in banda.
Rivestimenti, adesivi e altri trattamenti funzionali conferiscono a carta, film e altri substrati le proprietà richieste dall’applicazione finale. Possono creare barriere contro acqua, olio o grassi, consentire a un’etichetta di aderire a una superficie, migliorare la stampabilità, conferire proprietà di termosaldabilità o aggiungere altre funzionalità al substrato.
Tradizionalmente, molte di queste funzioni si sono basate su formulazioni a solvente, strati plastici o altri materiali in grado di offrire prestazioni eccellenti, ma che possono presentare criticità in termini di emissioni, sicurezza, riciclabilità o impatto ambientale. Oggi i produttori stanno valutando sempre più spesso alternative a base acqua.
Dai sistemi a solvente ai sistemi a base acqua
Solventi come toluene e MEK svolgono tradizionalmente un ruolo importante nei rivestimenti e negli adesivi industriali. Possono garantire un’eccellente bagnabilità e un’applicazione controllata, mentre la loro volatilità consente una rapida evaporazione; per alcune applicazioni particolarmente esigenti restano indispensabili. Presentano tuttavia anche degli svantaggi. Molti solventi organici sono composti organici volatili (COV) e vengono rilasciati nell’aria durante l’essiccazione. Le emissioni di COV hanno un impatto negativo sull’ambiente e contribuiscono all’inquinamento atmosferico. Il loro utilizzo può quindi richiedere misure aggiuntive per ventilazione, controllo delle emissioni, protezione antincendio e sicurezza contro le esplosioni.
Invece di sciogliere o veicolare il materiale funzionale in un solvente organico, le formulazioni a base acqua utilizzano l’acqua come principale veicolo e contengono quantità ridotte o nulle di COV. Riducono quindi le emissioni di COV e l’impiego di solventi organici potenzialmente nocivi, rappresentando per molte applicazioni un’alternativa più sicura e con un minore impatto ambientale. Tra gli esempi figurano dispersioni acriliche e poliuretaniche, rivestimenti barriera a base acqua, primer e un’ampia gamma di adesivi. Gli adesivi a base acqua sono già ampiamente utilizzati per carta, etichette, nastri adesivi e imballaggi, mentre lo sviluppo continua ad ampliarne il campo di applicazione.
Per produttori e converter, tuttavia, il passaggio da formulazioni a solvente a formulazioni a base acqua può introdurre nuove sfide produttive. Non si tratta semplicemente di un cambiamento della chimica. Possono cambiare anche i requisiti del processo produttivo. Formulazioni diverse possono richiedere condizioni di processo differenti e imporre nuove esigenze in termini di velocità di produzione, consumo energetico, stabilità del processo e impianti esistenti.
Sostituire le barriere in plastica cambia il processo produttivo
Il passaggio da formulazioni a solvente a formulazioni a base acqua non è l’unico sviluppo che sta aumentando l’impiego di tecnologie a base acqua. Nel settore della carta e del cartone, i produttori cercano anche soluzioni per ridurre i tradizionali strati barriera in plastica mantenendo le funzionalità richieste dall’applicazione finale.
Gli imballaggi alimentari, ad esempio, possono richiedere resistenza ad acqua, umidità, ossigeno, oli e grassi. Tradizionalmente, alcune di queste proprietà sono state ottenute aggiungendo polietilene o altri strati barriera in plastica. Con la crescente domanda di imballaggi riciclabili a base di fibre e di una riduzione dell’uso della plastica, fornitori di prodotti chimici, cartiere e converter stanno sviluppando nuove tecnologie barriera funzionali. I rivestimenti in dispersione a base acqua sono una delle soluzioni introdotte per ridurre o sostituire questi tradizionali strati plastici.
Questi rivestimenti stanno diventando sempre più sofisticati. Vengono sviluppate nuove formulazioni per combinare funzioni quali resistenza all’umidità, all’ossigeno e ai grassi e, in alcuni casi, proprietà di termosaldabilità, mantenendo al contempo la riciclabilità e le prestazioni degli imballaggi a base carta. Il passaggio a soluzioni resistenti ai grassi prive di PFAS rappresenta un ulteriore impulso allo sviluppo di nuove tecnologie barriera.
Ciò significa che il passaggio a formulazioni a base acqua non implica sempre la sostituzione di un rivestimento a solvente con un’alternativa a base acqua. Può anche introdurre una chimica a base acqua in un processo produttivo che in precedenza funzionava in modo completamente diverso. Una barriera in polietilene applicata per estrusione, ad esempio, prevede l’applicazione di un polimero fuso e il suo successivo raffreddamento. Quando questa funzionalità viene sostituita da un rivestimento a base acqua, viene invece applicato un liquido e l’acqua deve essere evaporata. Questo introduce nel processo produttivo requisiti di essiccazione completamente diversi.
Il biobased aggiunge una nuova dimensione
Allo stesso tempo, i produttori stanno guardando oltre il solo liquido veicolante. A base acqua non significa automaticamente biobased. Una dispersione acrilica a base acqua, ad esempio, può comunque contenere polimeri derivati in larga misura da materie prime fossili. Cresce tuttavia l’interesse per la sostituzione di almeno una parte di questi materiali con alternative rinnovabili. L’amido è già ampiamente consolidato nelle applicazioni per carta e adesivi. Altri sviluppi riguardano cellulosa e nanocellulosa, polimeri naturali e altre materie prime rinnovabili.
Questo aggiunge una terza direttrice alla transizione verso le tecnologie a base acqua. Oltre al passaggio da rivestimenti e adesivi a solvente ad alternative a base acqua e dalla tradizionale barriera in plastica a rivestimenti barriera a base acqua, i produttori cercano anche di sostituire i materiali funzionali di origine fossile con alternative parzialmente o completamente biobased. Sempre più spesso, questi sviluppi convergono in nuove formulazioni e applicazioni.
Ciò può introdurre ulteriori sfide di processo. Alcune formulazioni biobased richiedono quantità d’acqua relativamente elevate, mentre le loro proprietà finali possono essere sensibili al modo in cui l’acqua viene rimossa. Di conseguenza, il processo di essiccazione può diventare ancora più importante quando questi materiali vengono portati alla scala industriale.
Cosa significa per produttori e converter?
Per le aziende che lavorano questi materiali, la sfida consiste nel trasformare nuove formulazioni in processi industriali affidabili. I terzisti specializzati nel coating possono dover gestire nuove formulazioni per i propri clienti, i produttori di carte speciali possono aggiungere nuove funzionalità ai propri prodotti e i produttori di nastri adesivi, etichette e imballaggi possono adottare nuove tecnologie adesive e barriera.
Una formulazione che offre buone prestazioni in laboratorio deve continuare a funzionare in modo costante su una linea di produzione industriale. A velocità di banda e grammature di applicazione più elevate, differenze nel metodo di applicazione, nelle condizioni di processo e nel tempo di processo disponibile possono influenzare il comportamento della formulazione.
Lo scale-up industriale non è quindi soltanto una sfida tecnica, ma anche una necessità commerciale. I nuovi materiali devono poter essere lavorati in modo affidabile ed efficiente a velocità di produzione che ne rendano economicamente sostenibile l’impiego. La capacità di ottenere una produttività sufficiente a un costo competitivo può, in ultima analisi, determinare se una nuova tecnologia promettente riesca a superare le applicazioni di nicchia e a raggiungere una diffusione più ampia sul mercato.
Il passaggio a formulazioni a base acqua non è quindi una semplice sostituzione di materiale. Può anche imporre requisiti diversi al processo produttivo e agli impianti.
Nuove formulazioni e nuovi processi produttivi comportano nuovi requisiti di essiccazione
Una delle implicazioni di processo più importanti riguarda l’essiccazione. Quando un liquido a base acqua viene applicato a un materiale in banda, l’acqua deve successivamente essere rimossa. Su scala industriale, le quantità coinvolte possono essere considerevoli. Il carico di evaporazione dipende dalla combinazione di numerose variabili, tra cui larghezza della banda, velocità di produzione, grammatura applicata e contenuto di solidi. Insieme, queste variabili determinano quanta acqua deve essere rimossa nel tempo di essiccazione disponibile.
Questo solleva una domanda importante per le aziende che introducono nuove applicazioni a base acqua: il processo di essiccazione esistente è in grado di gestire il carico di evaporazione richiesto senza limitare la velocità di produzione o compromettere la qualità del prodotto?
Questo sarà il tema del nostro prossimo articolo.
