Tecnologie del condizionamento ed elementi di logistica

Influenza del legame chimico sulle proprietà dei materiali di packaging

In funzione del legame chimico sono influenzate diverse proprietà dei materiali di packaging: i punti di fusione e di ebollizione variano in quanto se nei materiali sono presenti numerosi legami ionici si hanno punti di fusione più elevati a causa delle attrazioni, mentre se prevalgono i legami covalenti si hanno temperature relativamente basse perché le forze attrattive tra le molecole sono deboli, mentre nei materiali metallici sono molto elevati.

Nel caso della conducibilità elettrica e termica, se ci sono tanti legami ionici sono entrambe scarse perché sono assenti particelle mobili e anche cariche, mentre con i materiali metallici si ha un'elevata conduttività perché si ha una facile trasmissione dell'energia di vibrazione ma anche un'elevata lucentezza del metallo grazie alla presenza di elettroni liberi; se si ha la prevalenza di legami covalenti gli elettroni sono legati alla struttura e quindi la conducibilità è ridotta.

è molto bassa. Si hanno poi le proprietà meccaniche: con legami ionici si ha un materiale con una certa resistenza e durezza perché gli ioni sono fortemente legati al reticolo in numero tale da offrire una forza complessiva; nel caso del legame metallico si ha una densità molto elevata e le lavorazioni del metallo possono avvenire senza rompere il legame ma sfruttando il movimento del mare di elettroni.

• Le proprietà chimiche dipendono anche dalle forze intermolecolari e dalla disposizione spaziale dei materiali che vanno a spiegare le proprietà fisiche dei materiali come la permeazione, le proprietà ottiche, la migrazione di alcuni composti volatili e di additivi. L'additivazione può richiedere la creazione di un legame covalente e diventa importante giustificare e comprendere che ruolo hanno le forze intermolecolari; queste sono importanti per spiegare i comportamenti dei materiali più comuni perché sia i

polimeri plastici e carta/cellulosa sono materiali che nella loro struttura possono generare forze intermolecolari che sono deboli rispetto a legami covalenti (10-100 volte minori) ma nel loro insieme possono spiegare le forze coesive o adesive. Mentre gli atomi sono strettamente legati da forti legami covalenti per formare una molecola, un gruppo di molecole è tenuto insieme da forze intermolecolari deboli. Diventano importanti per numerosità in modo da generare un'interazione importante tra i vari costituenti. Vetro e metallo hanno tutti atomi legati e formano una rete, quindi le forze intermolecolari sono spiegate introducendo altre forze ioniche, ovvero le forze di Van der waals che si generano all'interno della stessa struttura o tra strutture vicine. Per non essendo legami primari sono forze che influenzano la struttura finale del materiale perché agiscono anche in funzione del tipo di molecola e della distanza che c'è tra esse; se sono molto

presenti nella struttura e a seconda di come si dispongono possono complessivamente dare un impatto al materiale finale perché per rompere o fondere il materiale devono essere disturbate. La rottura porta a una modifica importante del materiale. Ad esempio, nel PE si hanno ramificazioni che lo possono fare essere lineare o ramificato: quando viene fuso nell'estrusore non si vanno a rompere i legami covalenti ma solo le forze intermolecolari intra catena o inter-catena. I legami covalenti molto più forti che legano gli atomi C e H, C e C, ecc. rimangono inalterati. Le deboli forze intermolecolari sono in gran parte responsabili della bassa resistenza e del basso punto di fusione di questi materiali; vengono rotti perché l'energia associata è molto bassa e quindi il punto di fusione è basso. Queste forze intermolecolari dipendono nel caso di polimeri anche dalla struttura morfologica, ovvero dalla disposizione spaziale delle catene polimeriche e

quindi possono essere differenti. Un esempio è anche confrontare PE e PVC: il PE non è una struttura polare perché il legame CH è disposto in modo simmetrico e non si ha un dipolo netto, mentre nel PVC si ha un atomo di cloro e quindi si genera una molecola polare che fa sì che il cloro genera legami intermolecolari e quindi il PVC risulta essere un materiale con maggiore resistenza meccanica e maggiore barriera ai gas; la crea possibilità di creazione di forze intermolecolari può essere sfruttata per modulare e correggere alcune proprietà materiali. Inoltre, spiegano anche la generazione delle forze coesive e adesive dei materiali: le forze coesive si hanno tra molecole uguali o simili, mentre quelle adesive si hanno tra molecole diverse; nei materiali plastici ci sono forze coesive che spiegano i loro punti di forza sotto la sollecitazione a trazione, lacerazione o perforazione. La forza adesiva o la forza coesiva dipende sia dalla naturachimica chedallo stato fisico di un materiale. Le forze adesive entrano in gioco quando si riveste un materialecon un adesivo (coating o stampa) e le proprietà devono essere note per avere la massima adesivitàtra aderente e adesivo. Le forze intermolecolari possono generare situazioni in cui prevalgono forzeadesive o coesive; una misura diretta della forza adesiva è data dalla tensione superficiale, ovverola superficie di separazione che si manifesta a livello della superficie di separazione (interfaccia) trafluido (generalmente un liquido) ed un mezzo di natura differente allo stato solido, liquido o gassoso.Le molecole "interne" del liquido sono reciprocamente attratte e la risultante di queste forze è nullaed ognuna si trova in equilibrio rispetto alle altre. Le molecole che si trovano "in superficie" vengonoattratte dalle molecole sottostanti e da quelle laterali ma non verso l'esterno. La conseguenza diqueste forze noncondivise è una maggiore forza di coesione verso le molecole vicine. La superficie del mezzo possiede quindi un'energia libera o tensione superficiale maggiore rispetto all'interno. Ogni materiale è caratterizzato da un certo valore di tensione superficiale: nel caso dell'acqua è pari a 73, mentre per il PE è molto più bassa, quindi quando si devono combinare materiali tra di loro quello adesivo deve essere compatibile con quelli accanto dal punto di vista della tensione superficiale. Di conseguenza, la tensione superficiale va a spiegare il fenomeno della bagnabilità: la goccia d'acqua depositata sulla superficie non entra tanto in contatto con il materiale stesso; è una proprietà che si spiega conoscendo la tensione superficiale che può essere a sua volta spiegata dalle forze adesive o coesive, quindi quando si hanno due fasi distinte l'energia che serve per aumentare la zona di contatto viene

La chiamata tensione interfacciale. Quando le forze adesive sono più forti si verifica la bagnabilità della superficie, quindi si ha un'interazione. Se al contrario le forze coesive sono più forti delle forze adesive, il liquido si "retrae" e non bagna la superficie solida. Per angoli inferiori a 90° il liquido bagna la parete, altrimenti no e diventa importante quando si devono spiegare caratteristiche di deposizione di un adesivo o di un inchiostro di stampa.

In base al tipo di legame tra le molecole e alla loro disposizione nello spazio è possibile classificare i materiali e si derivano alcune loro caratteristiche: il vetro è una struttura amorfa, mentre la cellulosa pura è una struttura cristallina e la plastica si forma in forma amorfa o parzialmente cristallina.

Questa disposizione spaziale nel caso dei polimeri plastici può dar luogo alla diversa tatticità, ovvero si ha un posizionamento di un gruppo sostituente.

In modo diverso ottenendo una distinzione inisotattico, sindiotattico o atattico. Queste proprietà spiegano anche la distruzione di questi materiali: la biodegradazione avviene quando un materiale è degradato fino ad anidride carbonica, acqua, sali minerali o, eventualmente, altre molecole di basso peso molecolare (C4H10, NH3, H2, ecc.), ad opera di microrganismi o comunque per un'azione biologica; deve avvenire, o almeno completarsi, in condizioni di aerobiosi. Un materiale plastico non è biodegradabile perché bisogna rompere i legami covalenti, è un materiale polimerico difficilmente biodegradabile. La biodegradabilità può essere controllata in condizioni standard con test specifici. Il bio-deterioramento indica invece qualsiasi modificazione (sia strutturale che estetica) apportata da agenti biologici (es. insetti) e che renda il materiale inadeguato all'uso per il quale è destinato. Tutti i materiali biosintetici (come

quelli cellulosici) sono biodegradabili e biodeteriorabili, mentre quelli ottenuti per sintesi chimica (come quelli plastici) non lo sono, o meglio, mostrano ciò che si definisce la recalcitranza all'attacco microbico. Le cause principali della recalcitranza sono: l'elevato peso molecolare (il massimo peso molecolare metabolizzabile da organismi viventi è nell'ordine di 500); la presenza di gruppi terminali non idonei all'attacco enzimatico, l'idrofobia che impedisce l'assorbimento di acqua e quindi la creazione di quelle condizioni di umidità relativa indispensabili alle specie microbiche; l'impedimento stericodovuto alle ramificazioni delle macromolecole, la presenza di additivi o componenti minori con caratteristiche antimicrobiche o biocide. Quando si parla di biodegradazione è importante valutare la percentuale di CO2 che si può ottenere nel tempo: il Mater Bi subisce subito un attacco tale per cui all'aumentaredel tempo aumenta la percentuale di CO2; con la cellulosa pura si ha un materiale biodegradabile ma cristallino con una struttura coesa e compatta e quindi rispetto al Mater Bipresenta una sorta di lag-fase in quanto è necessario raggiungere un certo livello di umidità della struttura e poi l'attacco microbico diventa più facile. Anche la biotossicità di alcuni materiali può essere spiegata dalla struttura stessa; ad esempio, Il Chitosano (si ottiene per deacetilazione della chitina, presente nell'esoscheletro dei crostacei e degli insetti), come anche la poli-L-lisina, è un polimero cationico in quanto sulla superficie del film presenta gruppi amminici carichi positivamente che promuovono l'interazione con le parti della membrana cellulare cariche negativamente favorendo, l'adesione cellulare al film, la perdita di materiale intracellulare e la morte conseguente dei microrganismi. Alcuni materiali hanno caratteristichedienti per la produzione di materiali destinati al contatto diretto. Le proprietà antimicrobiche dei materiali possono essere attribuite alla loro composizione chimica e alla loro natura intrinseca. Alcuni materiali possiedono proprietà antimicrobiche innate, che li rendono in grado di uccidere o inibire la crescita dei microrganismi. Questi materiali possono essere utilizzati per la produzione di prodotti destinati al contatto diretto con gli organismi, come ad esempio dispositivi medici o imballaggi per alimenti. Altri materiali possono acquisire proprietà antimicrobiche attraverso trattamenti fisici, come ad esempio l'irraggiamento UV di alcuni polimeri. Questi trattamenti possono modificare la struttura del materiale e renderlo in grado di uccidere o inibire la crescita dei microrganismi. I materiali antimicrobici possono essere utilizzati in due modalità principali. Possono essere impiegati direttamente come materiali destinati al contatto diretto con gli organismi, come ad esempio rivestimenti per superfici o tessuti per abbigliamento. In questo caso, i materiali antimicrobici agiscono direttamente sugli organismi, uccidendoli o inibendone la crescita. In alternativa, i materiali antimicrobici possono essere utilizzati come ingredienti per la produzione di altri materiali destinati al contatto diretto con gli organismi. Ad esempio, possono essere aggiunti a resine o polimeri per conferire loro proprietà antimicrobiche. In questo caso, i materiali antimicrobici agiscono indirettamente sugli organismi, prevenendo la crescita di microrganismi sulle superfici dei materiali. L'utilizzo di materiali antimicrobici può contribuire a migliorare l'igiene e la sicurezza in diversi settori, come ad esempio quello sanitario, alimentare e dell'abbigliamento. Tuttavia, è importante valutare attentamente l'efficacia e la sicurezza di tali materiali, al fine di evitare potenziali effetti negativi sulla salute umana e sull'ambiente.