L’edizione 2017 del convegno Advances in the Packaging Industry (Api) di Milano ha confermato gli orientamenti emersi nell’edizione del 2015 a Napoli, dimostrando che scienza e tecnologia operano congiuntamente per accrescere le prerogative dell’imballaggio nella protezione dell’ambiente e del consumatore.
In particolare, «Advances in the Packaging Industry» ha offerto a un pubblico selezionato di tecnici, imprenditori e accademici una visione chiara e attuale dei prodotti e dei processi per l’imballaggio considerato elemento essenziale per la vita dei singoli e della collettività nella civiltà dei consumi in continua evoluzione. Tra i numerosi argomenti trattati (dagli strati barriera con nanocristalli cellulosici alle membrane ibride nanospugne per nuovi imballi attivi, dalle nuove spalmature biodegradabili antimicrobiche per applicazioni nell’imballaggio alimentare all’effetto del bio-arricchimento e dei materiali d’imballo per la stabilità ossidativa dell’olio d’oliva vergine) vediamo quelli che ci sembrano particolarmente interessanti sul piano dell’innovazione.
Il potenziale degli optoelettronici organici nello sviluppo di sistemi smart packaging
Lo studio condotto da un team di ricercatori dello ISMAC-CNR e dello ISTM-CNR insieme al Dipartimento di Chimica dell’Università di Milano è stato presentato dalla dottoressa Chiara Botta dello ISMAC-CNR. Secondo quanto riferito dalla relatrice è da alcuni decenni che si parla di etichette intelligenti per l’imballaggio alimentare, ma l’idea non è stata ancora messa in pratica su larga scala. Etichette smart o intelligenti svolgono differenti funzioni e sono classificate in: interattive, che inglobano comunemente una funzione di identificazione a radiofrequenza (RFID); attive, focalizzate sulla protezione e miranti a estendere la shelf-life diventando attive in risposta a un evento; indicatori, etichette la cui principale funzione è quella di comunicare al consumatore che si è verificato un evento come l’esposizione a un anomalo livello di gas, luce, temperatura, tempo o un tentativo di frode. Ricordiamo qui cosa si intende per smart packaging nelle due tipologie: packaging attivo e packaging intelligente. Il packaging attivo estende la shelf-life mediante l’introduzione di componenti in grado di rilasciare o assorbire sostanze come ossigeno, etilene, antiossidanti, antimicrobici ecc. Il packaging intelligente rileva e condivide informazioni: controlla le prestazioni dei dispositivi attivi e le condizioni dell’imballaggio.
Il potenziale delle etichette intelligenti potrebbe essere pienamente sfruttato se combinato con componenti elettronici non tradizionali, ossia quelli organici.
L’elettronica organica si riferisce a componenti elettronici creati a partire da semiconduttori organici accoppiati a piccole molecole o polimeri. I dispositivi elettronici come i diodi organici emettitori di luce (OLED), i sensori e le RFID usati nelle etichette smart possono apportare vantaggi particolari quali il basso costo (componenti elettronici stampabili), la libertà di design (generatori di luce di forma e dimensione personalizzata), la flessibilità/conformità, la leggerezza/spessore. Inoltre, si possono ottenere informazioni relative ai prodotti imballati e promozioni del brand mediante l’introduzione di luci intermittenti generate dall’OLED integrato nell’etichetta del prodotto o nel display sul punto vendita. Sotto questo aspetto, possiamo proporre un semplice approccio per progettare etichette smart baste su piccole molecole coniugate (derivate dal pirene) sensibili alla temperatura che possono aprire nuove prospettive nel vasto campo dei sensori termici per la protezione del cliente o per la percezione di rischi. Il pirene e i suoi derivati sono piccole molecole congiunte che presentano eccellenti caratteristiche cromofore in base ai loro estesi sistemi delocalizzati π-elettrone. Questi fluorofori mostrano emissione blu nanomerica e giallo eccimera in base alla loro organizzazione sopramolecolare. Grazie a queste proprietà e alla loro buona compatibilità, essi sono stati ampiamente utilizzati come materiali sensibili per applicazioni biofisiche e nella tecnologia OLED. Presentiamo quindi un nuovo e versatile approccio basato sulla modulazione acidocromica e termica delle proprietà dei derivati del pirene (2-pirene-1-ylvinilpiridina) per regolare la fotoluminescenza (PL) e l’elettroluminescenza (EL) in una gamma di colori molto ampia. Abbiamo prodotto un prototipo di OLED multicolore con una locale protonazione/deprotonazione selettiva dello strato attivo. Per protonazione si intende l’esposizione di una soluzione di cloroformio (triclorometano – CHCL3) ai vapori di acido cloridrico (HCL) per alcuni secondi; la deprotonazione è invece l’esposizione a vapori di ammoniaca (NH3). Nello strato attivo del dispositivo il polimetilmetracrilato (PMMA) isolante è sostituito dal semiconduttore polivinilcarboazole (PVK) per garantire la conduttività elettrica. Tre pixel rappresentativi adiacenti sono cambiati in singoli emittenti rispettivamente di luce blu, bianca e arancione. Il pixel arancione si muterà in bianco e poi in blu in base al riscaldamento del dispositivo su una scala di tempo che dipende dalla temperatura e alla fine tutti i pixel emetteranno luce blu. Passando semplicemente sui tre pixel adiacenti e confrontando i loro colori è possibile ottenere informazioni sulla quantità di calore assorbita dall’etichetta. Contrariamente alla reversibilità fotoluminescente (PL) dei film, dopo la deprotonazione i prototipi OLED non possono essere nuovamente protonati dato che l’esposizione all’acido danneggia in modo irreversibile il catodo metallico rendendo il dispositivo uno scarto da eliminare. Quindi, ogni stress termico determina un cambio irreversibile dell’emissione di colore dell’OLED (da arancione a blu nel nostro caso). Questa caratteristica offre promettenti vantaggi per specifiche applicazioni quali le etichette smart anti frode che catturano la storia termica (es. sterilizzazione) di un prodotto imballato e possono essere proposte come informazioni pre-acquisto per i consumatori. Queste strategie aprono la via alle applicazioni smart come sfida alla realizzazione di dispositivi integrati piccoli e a basso costo per sorgenti luminose su richiesta di colore regolabile o di etichette in grado di rispondere a determinati stimoli. Usate come sensori per monitorare la storia termica di un prodotto, le etichette in film fluorescente o elettroluminescenti forniscono due modalità di trasferimento delle informazioni per la protezione del cliente.
Avanzamenti nella flessografia per film flessibili e imballaggi smart
Il professore Tim Claypole della Swansea University (UK) ha presentato le più recenti innovazioni nell’impiego della stampa flessografica per il mercato del packaging flessibile. Egli ha affermato che la flexo ha il potenziale per stampare dispositivi funzionali a velocità compatibili con le linee di produzione del packaging. Dato che crescono le esigenze dei clienti, c’è un forte bisogno di impegno per migliorare il processo (vedi schema).
La relazione ha illustrato i recenti avanzamenti nella comprensione del processo flessografico con particolare attenzione al profilo e alle proprietà superficiali della matrice (cliché) rispetto al trasferimento d’inchiostro e alla qualità di riproduzione descrivendo anche le nuove tecniche per caratterizzare la reologia dell’inchiostro.
Trasferimento dell’inchiostro dalla matrice
La struttura superficiale delle matrici di stampa richiede l’aumento dell’inchiostro trasferito; a tale proposito è stata condotta un’accurata indagine in condizioni di laboratorio e di produzione sull’influenza della struttura superficiale della matrice nel trasferimento d’inchiostro dalle tacche di fondo pieno. Strutture con dimensioni nominali di 50 μm sono state esaminate in funzione del loro effetto sulla densità ottica e sull’uniformità di stampa. È comunemente riconosciuto che i punti di retino a testa piatta forniscano la migliore riproduzione; tuttavia sia i punti a testa piatta sia quelli a forma piramidale hanno profilo similare; quindi la differenza non dipende tanto dal profilo, quanto dalle proprietà superficiali. Il trattamento con UV-ozono influenza in modo significativo le proprietà e la qualità della stampa. Dopo un prolungato trattamento UV-ozono migliora la bagnabilità della matrice di stampa e uno strato più sottile d’inchiostro viene trasferito sul supporto con conseguente riduzione del volume d’inchiostro nelle aree retinate dell’immagine con minore dot gain, mentre si assottigliano i tratti fini.
Miglioramento della reologia
La reologia è lo studio dei fluidi e di quanto essi fluiscono; la qualità di stampa dipende dalle caratteristiche di fluidità/viscosità degli inchiostri in base alla loro formulazione. Dato che gli inchiostri diventano sempre più sofisticati con complessi polimeri a catena lunga e nano materiali, le proprietà elastiche assumono importanza crescente. Per controllare tali proprietà è necessario utilizzare un reometro programmato in grado di fornire prove sulla viscosità dell’inchiostro in equilibrio o fuori equilibrio; tuttavia per ottenere il pieno profilo reologico occorrono alcune ore. I più recenti sviluppi in materia con l’uso delle tecniche di trasformazione di Fourier hanno permesso di ridurre questo tempo a meno di 30 secondi rendendo possibile il loro impiego per il controllo di processo.
Perché la flexo?
Rispondendo a questa domanda il professore Claypole ha elencato le ragioni che fanno di questo sistema di stampa il più adatto alle esigenze dei film flessibili e degli imballaggi smart: caratteristiche costanti, velocità, risoluzione, basso costo di processo, impressione morbida compatibile con un’ampia gamma di supporti. Le sfide in gioco riguardano le matrici polimeriche, la risoluzione inferiore a 30μm con registro inferiore a 10μm, lo spessore dei film d’inchiostro e la deposizione dell’inchiostro liquido.
Progetti insieme a Haydale Graphene Industries PLC
Claypole ha quindi illustrato i progetti in corso relativi alle applicazioni per rendere funzionali i nano materiali carbonici: produzione di alta precisione, componenti elettronici stampabili, batterie, sensori, membrane, inchiostri e vernici a base di grafene, composti nano-carbonici funzionalizzati per il controllo della reologia complessa in produzione e modellazione di microscale per il controllo delle proprietà elettriche, termiche e meccaniche dei composti.
Flexo Best Practice Tool Box
In conclusione, Claypole ha fatto riferimento al progetto che sta coinvolgendo anche alcune importanti aziende italiane finalizzato a ottenere la produzione corretta immediata fornendo una referenza per gli operatori esperti, assistenza nella formazione, pratiche fondamentali per la qualità e la produttività e aiuto per ottimizzare la strategia produttiva e le priorità. In sostanza, si tratta di rendere scientifico un processo produttivo ancora di tipo artigianale.
Sviluppo di nuove spalmature antimicrobiche biodegradabili per applicazioni nell’imballaggio alimentare
Luciano Di Maio del dipartimento d’Ingegneria Industriale dell’Università di Salerno ha presentato le innovazioni nei materiali e nelle tecnologie d’imballaggio per la conservazione degli alimenti mediante spalmature antimicrobiche; un sistema sviluppato insieme ai colleghi dell’ateneo salernitano e a un ricercatore dell’Istituto di Biochimica, Scienza dell’alimentazione e della nutrizione dell’Università di Gerusalemme. Lo studio risponde alla crescente domanda di prodotti alimentari confezionati sicuri e simili a quelli freschi con vita a scaffale (shelf-life) prolungata e aumentate qualità organolettiche unitamente a imballaggi funzionali, di basso costo ed ecocompatibili. Tutto ciò in funzione del packaging attivo e smart con basso impatto ambientale: biocompatibile, biodegradabile, di basso peso e riciclabile. Un settore interessante anche sul piano economico tenuto conto che si prevede una crescita del packaging attivo del 5,4% annuo per un valore stimato in $ 2,5 miliardi nel 2019. Le sostanze antimicrobiche possono controllare la popolazione microbica per fornire maggiore sicurezza e migliore qualità dei prodotti alimentari imballati. Tuttavia, l’aggiunta diretta di antimicrobici nella matrice alimentare genera un’immediata riduzione delle popolazioni microbiche, ma non consente di controllare la crescita di celle batteriche sopravvissute dopo lo svuotamento dei residui antimicrobici. Un approccio innovativo è costituito dall’incorporazione degli antimicrobici nel materiale d’imballo per prevenire la crescita microbica sulla superficie dell’alimento ove si verifica la maggior parte della contaminazione. L’uso di polimeri come portatori di antimicrobici può ridurre l’aggiunta di grandi quantità dei medesimi normalmente incorporati nella massa dell’alimento, consentendo il graduale rilascio del componente attivo dall’imballo al cibo per lungo tempo. Studi intensivi su differenti formule antimicrobiche hanno permesso di individuare le più adatte allo scopo: ioni argento, diossido di cloro, antibiotici, acidi organici, oli essenziali e spezie, estratti vegetali, diossido di zolfo. Una nuova sostanza derivata dall’acido laurico e dall’arginine – Lauroyl Arginate Etile (LAE) – si è dimostrata efficiente contro un’ampia gamma di microrganismi poiché le sue proprietà antimicrobiche derivano dalla sua azione come tensioattivo cationico su membrane cellulari e citoplasma dei microrganismi. Studi tossicologici hanno determinato che il LAE è rapidamente metabolizzato dagli organismi umani ed è stato riconosciuto come generalmente sicuro (GRAS) dalla Food & Drug Administration (FDA) nel 2005 e approvato dall’Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA). Film per imballaggio basati su LAE sono oggi prodotti con successo mediante la tecnica di spalmatura; analisi fisico-meccaniche hanno dimostrato che la stesa di uno strato di LAE non compromette le funzioni primarie richieste per film destinati ad applicazioni nel packaging alimentare; inoltre, grazie alla natura amorfa dello strato di acido polilattico (PLA) i film in Poliestere biorientato (BOPT) spalmati con strato PLA e LAE presentano un’eccellente saldabilità indispensabile per gli imballi saldati.
