Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli Federico II Gli imballaggi flessibili per alimenti nelle nuove tecnologie

Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli Federico IIUniversità di Napoli Federico II

Gli imballaggi flessibili per alimenti nelle Gli imballaggi flessibili per alimenti nelle nuove tecnologie di sterilizzazione: nuove tecnologie di sterilizzazione: trattamenti ad alta pressione e trattamenti ad alta pressione e

trattamenti al plasmatrattamenti al plasma

Giuseppe MensitieriGiuseppe MensitieriAssemblea GIFLEX – Congresso d’autunno 2011Assemblea GIFLEX – Congresso d’autunno 2011

Santa Flavia (PA) 13-14 ottobre 2011Santa Flavia (PA) 13-14 ottobre 2011Hotel Domina ZagarellaHotel Domina Zagarella

Assemblea GIFLEX – Congresso d’autunno 2011Assemblea GIFLEX – Congresso d’autunno 2011Santa Flavia (PA) 13-14 ottobre 2011Santa Flavia (PA) 13-14 ottobre 2011

Hotel Domina ZagarellaHotel Domina Zagarella

SommarioSommario

• Processi di pastorizzazione e Processi di pastorizzazione e sterilizzazione ad alta pressione (HPT) per sterilizzazione ad alta pressione (HPT) per imballaggi flessibili alimentari. imballaggi flessibili alimentari.

• Trattamenti di sterilizzazione al plasma per Trattamenti di sterilizzazione al plasma per imballaggi flessibili alimentari. imballaggi flessibili alimentari.

A. Processi di pastorizzazione e A. Processi di pastorizzazione e sterilizzazione ad alta pressione (HPT)sterilizzazione ad alta pressione (HPT)

I trattamenti ad alta pressione (I trattamenti ad alta pressione (HPTHPT))

Gli Gli HPTHPT si stanno affermando come una tecnologia per la si stanno affermando come una tecnologia per la pastorizzazione/sterilizzazione degli alimenti che mantiene pastorizzazione/sterilizzazione degli alimenti che mantiene sostanzialmente inalterati gli attributi nutrizionali ed organolettici sostanzialmente inalterati gli attributi nutrizionali ed organolettici degli alimenti, prolungandone la shelf-life. degli alimenti, prolungandone la shelf-life.

Vengono applicate pressioni pari Vengono applicate pressioni pari 300-800MPa (3000-8000 atm) 300-800MPa (3000-8000 atm) per alcuni minuti, ad alimenti confezionati, attraverso un fluido di per alcuni minuti, ad alimenti confezionati, attraverso un fluido di ‘trasmissione’. L’ azione meccanica del fluido riduce ‘trasmissione’. L’ azione meccanica del fluido riduce significativamente il numero di microrganismi e disattiva enzimi, a significativamente il numero di microrganismi e disattiva enzimi, a temperature relativamente ridotte.temperature relativamente ridotte.

Pastorizzazione HP a T = 25-40°CPastorizzazione HP a T = 25-40°CSterilizzazione HP a T = 90 – 115°CSterilizzazione HP a T = 90 – 115°C

Gli Gli HPTHPT si stanno affermando come una tecnologia per la si stanno affermando come una tecnologia per la pastorizzazione/sterilizzazione degli alimenti che mantiene pastorizzazione/sterilizzazione degli alimenti che mantiene sostanzialmente inalterati gli attributi nutrizionali ed organolettici sostanzialmente inalterati gli attributi nutrizionali ed organolettici degli alimenti, prolungandone la shelf-life. degli alimenti, prolungandone la shelf-life.

Vengono applicate pressioni pari Vengono applicate pressioni pari 300-800MPa (3000-8000 atm) 300-800MPa (3000-8000 atm) per alcuni minuti, ad alimenti confezionati, attraverso un fluido di per alcuni minuti, ad alimenti confezionati, attraverso un fluido di ‘trasmissione’. L’ azione meccanica del fluido riduce ‘trasmissione’. L’ azione meccanica del fluido riduce significativamente il numero di microrganismi e disattiva enzimi, a significativamente il numero di microrganismi e disattiva enzimi, a temperature relativamente ridotte.temperature relativamente ridotte.

Pastorizzazione HP a T = 25-40°CPastorizzazione HP a T = 25-40°CSterilizzazione HP a T = 90 – 115°CSterilizzazione HP a T = 90 – 115°C

HPTHPT: esempio di impianto pilota: esempio di impianto pilota

HPTHPT: profili di temporali di : profili di temporali di temperatura e pressionetemperatura e pressione

HPTHPT: requisiti degli imballaggi flessibili: requisiti degli imballaggi flessibili

I requisiti per l’utilizzo di imballaggi flessibili negli I requisiti per l’utilizzo di imballaggi flessibili negli HPTHPT sono una sono una flessibilitàflessibilità sufficiente a resistere alle forze di compressione con sufficiente a resistere alle forze di compressione con una una risposta reversibilerisposta reversibile, garantendo la , garantendo la tenuta delle saldature tenuta delle saldature prevenendo al ricontaminazione degli alimenti. Idealmente, prevenendo al ricontaminazione degli alimenti. Idealmente, l’l’HPTHPT non deve determinare alterazioni strutturali non deve determinare alterazioni strutturali dell’imballaggiodell’imballaggio. .

Sono da preferirsi Sono da preferirsi strutture resilientistrutture resilienti. In generale strutture . In generale strutture realizzate combinando realizzate combinando film plastici con coating organici o con film plastici con coating organici o con metalli non sono adeguate all’utilizzometalli non sono adeguate all’utilizzo..

I cambiamenti indotti nel materiale dalle condizioni di pressione I cambiamenti indotti nel materiale dalle condizioni di pressione e temperatura e temperatura non devono influenzare in modo significativo la non devono influenzare in modo significativo la proprietà di trasporto di massa (barriera, scalping, migrazione) proprietà di trasporto di massa (barriera, scalping, migrazione) e le altre proprietà funzionalie le altre proprietà funzionali. .

I requisiti per l’utilizzo di imballaggi flessibili negli I requisiti per l’utilizzo di imballaggi flessibili negli HPTHPT sono una sono una flessibilitàflessibilità sufficiente a resistere alle forze di compressione con sufficiente a resistere alle forze di compressione con una una risposta reversibilerisposta reversibile, garantendo la , garantendo la tenuta delle saldature tenuta delle saldature prevenendo al ricontaminazione degli alimenti. Idealmente, prevenendo al ricontaminazione degli alimenti. Idealmente, l’l’HPTHPT non deve determinare alterazioni strutturali non deve determinare alterazioni strutturali dell’imballaggiodell’imballaggio. .

Sono da preferirsi Sono da preferirsi strutture resilientistrutture resilienti. In generale strutture . In generale strutture realizzate combinando realizzate combinando film plastici con coating organici o con film plastici con coating organici o con metalli non sono adeguate all’utilizzometalli non sono adeguate all’utilizzo..

I cambiamenti indotti nel materiale dalle condizioni di pressione I cambiamenti indotti nel materiale dalle condizioni di pressione e temperatura e temperatura non devono influenzare in modo significativo la non devono influenzare in modo significativo la proprietà di trasporto di massa (barriera, scalping, migrazione) proprietà di trasporto di massa (barriera, scalping, migrazione) e le altre proprietà funzionalie le altre proprietà funzionali. .

Proprietà Proprietà prima del prima del

trattamentotrattamentoHPTHPT

Effetti meccanici (ad es. delaminazione, infragilimento)Effetti meccanici (ad es. delaminazione, infragilimento) Instabilità dimensionali (i.e. fusione, ritiro, grinze)Instabilità dimensionali (i.e. fusione, ritiro, grinze) Fenomeni anomali di migrazione/scalpingFenomeni anomali di migrazione/scalping Perdita di trasparenzaPerdita di trasparenza Alterazione delle proprietà barrieraAlterazione delle proprietà barriera

Effetti meccanici (ad es. delaminazione, infragilimento)Effetti meccanici (ad es. delaminazione, infragilimento) Instabilità dimensionali (i.e. fusione, ritiro, grinze)Instabilità dimensionali (i.e. fusione, ritiro, grinze) Fenomeni anomali di migrazione/scalpingFenomeni anomali di migrazione/scalping Perdita di trasparenzaPerdita di trasparenza Alterazione delle proprietà barrieraAlterazione delle proprietà barriera

La La strutturastruttura dell’imballaggio ed i dell’imballaggio ed i materialimateriali adottati nonché adottati nonché le le condizioni di processocondizioni di processo, devono essere selezionate in , devono essere selezionate in modo tale da evitare che l’modo tale da evitare che l’HPTHPT determini: determini:

HPTHPT: requisiti degli imballaggi flessibili: requisiti degli imballaggi flessibiliProprietà Proprietà

dopo il dopo il trattamentotrattamento

PLA sterilizzato a 700 MPa e 90-110PLA sterilizzato a 700 MPa e 90-110°C°C Idrolisi e cristallizzazioneIdrolisi e cristallizzazione

LLDPE sterilizzato a 700 LLDPE sterilizzato a 700 MPa e 90-110 MPa e 90-110 °C°C

Evidenza di scalpingEvidenza di scalping

Mulistrato PET metallizzato Mulistrato PET metallizzato LLDPE sterilizzato a 700 MPa LLDPE sterilizzato a 700 MPa

e 90-110 e 90-110 °C°CDelaminazione totale e Delaminazione totale e

demetallizzazionedemetallizzazione

HPTHPT: esempi di effetti indesiderati: esempi di effetti indesiderati

Stati tensionali interlaminari in strutture multistrato: Stati tensionali interlaminari in strutture multistrato: delaminazionedelaminazione

Cambiamento di TCambiamento di Tgg and T and Tff con la pressione: con la pressione:infragilimentoinfragilimento, , instabilità dimensionaleinstabilità dimensionale e e perdita diperdita di

trasparenzatrasparenza Cambiamenti strutturali chimico-fisici quali idrolisi, variazione Cambiamenti strutturali chimico-fisici quali idrolisi, variazione di densità, cristallizzazione:di densità, cristallizzazione:

infragilimentoinfragilimento , , perdita di trasparenzaperdita di trasparenza ed ed instabilità instabilità dimensionale dimensionale

Effetti sui coefficienti di partizione: Effetti sui coefficienti di partizione: anomalie nei processi di anomalie nei processi di migrazione/scalpingmigrazione/scalping

Stati tensionali interlaminari in strutture multistrato: Stati tensionali interlaminari in strutture multistrato: delaminazionedelaminazione

Cambiamento di TCambiamento di Tgg and T and Tff con la pressione: con la pressione:infragilimentoinfragilimento, , instabilità dimensionaleinstabilità dimensionale e e perdita diperdita di

trasparenzatrasparenza Cambiamenti strutturali chimico-fisici quali idrolisi, variazione Cambiamenti strutturali chimico-fisici quali idrolisi, variazione di densità, cristallizzazione:di densità, cristallizzazione:

infragilimentoinfragilimento , , perdita di trasparenzaperdita di trasparenza ed ed instabilità instabilità dimensionale dimensionale

Effetti sui coefficienti di partizione: Effetti sui coefficienti di partizione: anomalie nei processi di anomalie nei processi di migrazione/scalpingmigrazione/scalping

Possibili meccanismi che inducono effetti indesideratiPossibili meccanismi che inducono effetti indesideratiHPTHPT: compatibilità dei materiali: compatibilità dei materiali

I.I. Delaminazione in strutture Delaminazione in strutture multistrato (sterilizzazione HP)multistrato (sterilizzazione HP)

PET/PPcastPET/PPcastOPA/PPcastOPA/PPcastPA/PPcastPA/PPcast

I.I. Delaminazione in strutture Delaminazione in strutture multistrato (sterilizzazione HP)multistrato (sterilizzazione HP)

PET/PPcastPET/PPcastOPA/PPcastOPA/PPcastPA/PPcastPA/PPcast

PET/adesivo/PPcast dop sterilizzazione a 200 MPa: PET/adesivo/PPcast dop sterilizzazione a 200 MPa: delaminazione localizzatadelaminazione localizzata

Strutture multistrato: Strutture multistrato: evidenze sperimentali di delaminazione – PET/PPcastevidenze sperimentali di delaminazione – PET/PPcast

PAcast/ink/adesivo/PPcast PAcast/ink/adesivo/PPcast sterilizzato a 500 MPasterilizzato a 500 MPa (alim.: carote solide)(alim.: carote solide)

OPA/adesivo/PPcast OPA/adesivo/PPcast sterilizzato a 700 MPasterilizzato a 700 MPa(alim. : carote solide)(alim. : carote solide)

Strutture multistrato: film che non presentanoStrutture multistrato: film che non presentanodelaminazione – OPA/PPcast e PA/PPcastdelaminazione – OPA/PPcast e PA/PPcast

OPA/adesivo/PPcast OPA/adesivo/PPcast sterilizzato a 200 MPasterilizzato a 200 MPa(alim. : carote solide)(alim. : carote solide)

Differente comportamento dilatometrico tra i film Differente comportamento dilatometrico tra i film componenti al variare di Tcomponenti al variare di T

Differenti valori dei moduli meccanici tra i film componentiDifferenti valori dei moduli meccanici tra i film componenti

Dipendenza dei moduli meccanici da TDipendenza dei moduli meccanici da T

Dipendenza dei moduli meccanici e della TDipendenza dei moduli meccanici e della Tgg da P da P

Dipendenza della resistenza dell’interfaccia/adesivo dalla TDipendenza della resistenza dell’interfaccia/adesivo dalla T

Differente comportamento dilatometrico tra i film Differente comportamento dilatometrico tra i film componenti al variare di Tcomponenti al variare di T

Differenti valori dei moduli meccanici tra i film componentiDifferenti valori dei moduli meccanici tra i film componenti

Dipendenza dei moduli meccanici da TDipendenza dei moduli meccanici da T

Dipendenza dei moduli meccanici e della TDipendenza dei moduli meccanici e della Tgg da P da P

Dipendenza della resistenza dell’interfaccia/adesivo dalla TDipendenza della resistenza dell’interfaccia/adesivo dalla T

Problematiche potenzialmente rilevanti nei fenomeniProblematiche potenzialmente rilevanti nei fenomeni di delaminazione nei process HPTdi delaminazione nei process HPT

Strutture multistratoStrutture multistrato

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

20 40 60 80 100 120

PA/PP (longitudinale)

PAPP

L [m

]

T [°C]

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

20 40 60 80 100 120

PA/PP (longitudinale)

PAPP

L [m

]

T [°C]

PA/PP longitudinal

0

100

200

300

400

500

600

700

20 40 60 80 100 120

OPA/PP (longitudinale)

OPAPP

l [m

]

T [°C]

0

100

200

300

400

500

600

700

20 40 60 80 100 120

OPA/PP (longitudinale)

OPAPP

l [m

]

T [°C]

OPA/PP longitudinal

0

100

200

300

400

500

600

700

20 40 60 80 100 120

PET/PP (longitudinale)

PETPP

l [

m]

T [°C]

0

100

200

300

400

500

600

700

20 40 60 80 100 120

PET/PP (longitudinale)

PETPP

l [

m]

T [°C]

PET/PP longitudinal

Non si verifica delaminazione per semplice Non si verifica delaminazione per semplice imcremento di T a pressione atmosfericaimcremento di T a pressione atmosferica

Strutture multistrato: esempi di Strutture multistrato: esempi di comportamento dilatometricocomportamento dilatometrico

PET [12μm] OPA [15μm] PA [20μm]

L T 45 L T 45 L T 45

2940 2750 2640 2240 2000 2350 660 780 785

PP [50μm]

L 380 870 810 460

T 300 770 690 435

45 345 790 810 470


L T 45 L T 45 L T 45

2900 2700 1400 1400 520 140 200 155 170

PP [50μm]

L 170 700 450 180

T 120 620 210 130

45 170 410 165 170

45°45° 45°

L

T

T= 25°C, at 1 atmT= 25°C, at 1 atm

45°45° 45°

L

T

T= 100°C, at 1 atmT= 100°C, at 1 atmTOT

ii

TOT

PPPP l

lE

l

lEE

TOT

ii

TOT

PPPP l

lE

l

lEE

Strutture multistrato: Strutture multistrato: moduli a trazione dei materialimoduli a trazione dei materiali

Pastorizzazione (25-40°C ) Sterilizzazione (90-115°C )

200 MPa 500 MPa 700 MPa 200 Mpa 500 Mpa 700 MPa

PP Gommoso Gommoso Gommoso Gommoso Gommoso Gommoso

PA Vetroso Vetroso Vetroso Gommoso Gommoso Vetroso

OPA Vetroso Vetroso Vetroso Gommoso Gommoso Vetroso

PET Vetroso Vetroso Vetroso Vetroso Vetroso Vetroso

Strutture multistrato: Strutture multistrato: dipendenza delle Tdipendenza delle Tgg dalla pressione dalla pressione

Le risultanze sperimentali e l’interpretazione fisica delle possibili cause di Le risultanze sperimentali e l’interpretazione fisica delle possibili cause di cedimento del multistrato supportano l’ipotesi che le differenze osservate tra I cedimento del multistrato supportano l’ipotesi che le differenze osservate tra I vari multistrato in termini di comportamento di delaminazione possano essere vari multistrato in termini di comportamento di delaminazione possano essere ascritte principalmente alle ascritte principalmente alle differenze nel valore dei moduli dei due film differenze nel valore dei moduli dei due film accoppiatiaccoppiati..

Le risultanze sperimentali e l’interpretazione fisica delle possibili cause di Le risultanze sperimentali e l’interpretazione fisica delle possibili cause di cedimento del multistrato supportano l’ipotesi che le differenze osservate tra I cedimento del multistrato supportano l’ipotesi che le differenze osservate tra I vari multistrato in termini di comportamento di delaminazione possano essere vari multistrato in termini di comportamento di delaminazione possano essere ascritte principalmente alle ascritte principalmente alle differenze nel valore dei moduli dei due film differenze nel valore dei moduli dei due film accoppiatiaccoppiati..

E’ stata effettuata un’E’ stata effettuata un’analisi di sensibilità analisi di sensibilità finalizzata a stimarefinalizzata a stimare la dipendenza degli la dipendenza degli sforzi di taglio interlaminari all’interfacciasforzi di taglio interlaminari all’interfaccia tra i due film ai valori di tra i due film ai valori di specifici specifici parametri geometrici e meccanici parametri geometrici e meccanici (ad es. rapporti tra moduli elastici e rapporti di (ad es. rapporti tra moduli elastici e rapporti di spessori).spessori).

M

MP

P

water

T = 25°CT = 25°C

Risultati analiticiRisultati analiticiStrutture multistrato: analisi di sensibilitàStrutture multistrato: analisi di sensibilità

Possibili deformazioni flessionali infrangono la simmetria e determinano l’insorgere Possibili deformazioni flessionali infrangono la simmetria e determinano l’insorgere di di sforzi di taglio nella direzione circonferenziale sforzi di taglio nella direzione circonferenziale (nonchè sforzi radiali, longitudinali (nonchè sforzi radiali, longitudinali e circonferenziali all’interno di ciascuno dei due film), che sono e circonferenziali all’interno di ciascuno dei due film), che sono estremamente estremamente sensibili a differenze dei moduli di Poisson e di Young.sensibili a differenze dei moduli di Poisson e di Young.

Risultati analitici relativi a Risultati analitici relativi a sforzi sforzi di taglio interlaminaridi taglio interlaminari in in

funzione dei moduli di Poissonfunzione dei moduli di Poisson

Il campo tensionale illustrato viene Il campo tensionale illustrato viene amplificato dall’azione della pressione esterna amplificato dall’azione della pressione esterna portando al possibile portando al possibile collasso all’interfaccia collasso all’interfaccia dei film mulistrato. dei film mulistrato. I risultati dell’analisi indicano che il I risultati dell’analisi indicano che il livello più elevato di sforzi interfacciali deve livello più elevato di sforzi interfacciali deve attendersi per le strutture in PET/PPcastattendersi per le strutture in PET/PPcast mentre quello mentre quello più basso nel caso delle più basso nel caso delle strutture PA/PPcaststrutture PA/PPcast..

Strutture multistrato: analisi di sensibilitàStrutture multistrato: analisi di sensibilità

Risultati analitici relativi a Risultati analitici relativi a sforzi sforzi normali interfacciali normali interfacciali in funzione dei in funzione dei

moduli di Poissonmoduli di Poisson

Risultati analisi FEM non lineareRisultati analisi FEM non lineare

1.1.Packaging in PAcast/PPcast, OPA/PPcast, PET/PPcast contenenti acqua: Packaging in PAcast/PPcast, OPA/PPcast, PET/PPcast contenenti acqua: L’obiettivo è quello di determinare la L’obiettivo è quello di determinare la sensibilità dello stato tensionale sensibilità dello stato tensionale all’incremento di pressioneall’incremento di pressione, nell’ipotesi di incompressibilità dell’acqua e di , nell’ipotesi di incompressibilità dell’acqua e di comportamento isotropo ed elastico non-lineare comportamento isotropo ed elastico non-lineare dei film componenti. dei film componenti.

2.2.Packaging in PET/PPcast contenenti acqua: Packaging in PET/PPcast contenenti acqua: L’obiettivo è quello di L’obiettivo è quello di determinare gradienti di deformazione determinare gradienti di deformazione e la e la formazione di formazione di grinze e pieghegrinze e pieghe conseguenti alle conseguenti alle elevate pressioni elevate pressioni applicate ed alla applicate ed alla deformabilità dell’acqua deformabilità dell’acqua (equazione di Tait) tenendo conto di (equazione di Tait) tenendo conto di grandi grandi spostamenti spostamenti e di e di relazioni sforzo-deformazione non linearirelazioni sforzo-deformazione non lineari. .

IPOTESI:IPOTESI:-Regime statico Regime statico (non si tiene conto della possibile dipendenza dal tempo della (non si tiene conto della possibile dipendenza dal tempo della risposta meccanica dei materiali) risposta meccanica dei materiali) - Assenza di accoppiamento con fenomeni termici e fluido-dinamici. Assenza di accoppiamento con fenomeni termici e fluido-dinamici.

Strutture multistrato: analisi FEMStrutture multistrato: analisi FEM

MeshingMeshing


1. Analisi FEM di sensibilità: sforzi di picco di 1. Analisi FEM di sensibilità: sforzi di picco di TrescaTresca


2. Analisi FEM degli spostamenti: sforzi massimi sulle 2. Analisi FEM degli spostamenti: sforzi massimi sulle superfici esterne (sinistra) ed interne (destra)superfici esterne (sinistra) ed interne (destra)

Fenomeni di concentrazione degli Fenomeni di concentrazione degli sforzi sforzi si verificano nelle zone dove si verificano nelle zone dove sono presenti le saldaturesono presenti le saldature. . In tali In tali zone si osservanozone si osservano i picchi negli i picchi negli sforzi di tagliosforzi di taglio, , come pure come pure microdeformazioni locali a microdeformazioni locali a flessioneflessione (vedi slide successiva).(vedi slide successiva).

All’All’interfaccia tra i due film accoppiatiinterfaccia tra i due film accoppiati, a causa della presenza di , a causa della presenza di sforzi di taglio significativisforzi di taglio significativi distribuiti lungo specifiche direzioni, distribuiti lungo specifiche direzioni, possono instaurarsipossono instaurarsi fenomeni di delaminazionefenomeni di delaminazione..


Insorgono, come effetti localizzati, Insorgono, come effetti localizzati, forti gradienti di deformazioneforti gradienti di deformazione in prossimità dellein prossimità delle zone di saldaturazone di saldatura..

Strutture multistrato: analisi FEMStrutture multistrato: analisi FEM2. Analisi FEM degli spostamenti: paralleli al piano di 2. Analisi FEM degli spostamenti: paralleli al piano di simmetria (sinistra) e spostamenti totali (destra)simmetria (sinistra) e spostamenti totali (destra)

Risultati dell’analisi FEM in termini Risultati dell’analisi FEM in termini di sforzi equivalenti (valutati sulla di sforzi equivalenti (valutati sulla

superficie’ esterna’ dello strato superficie’ esterna’ dello strato interno, in PPcast)interno, in PPcast)

Risultati dell’analisi FEM in termini Risultati dell’analisi FEM in termini di sforzi equivalenti (valutati sulla di sforzi equivalenti (valutati sulla

superficie’ esterna’ dello strato superficie’ esterna’ dello strato interno, in PPcast)interno, in PPcast)

Deformazioni presenti nel Deformazioni presenti nel film dopo film dopo HPTHPT

Deformazioni presenti nel Deformazioni presenti nel film dopo film dopo HPTHPT


Similarità tra test Similarità tra test sperimentali e simulazione sperimentali e simulazione

FEM, in termini di FEM, in termini di concentrazione di regioni concentrazione di regioni

di delaminazionedi delaminazione




Evidenziazione di Evidenziazione di delaminazione localizzata delaminazione localizzata

conseguente al conseguente al HPTHPT









di delaminazionedi delaminazioneEvidenziazione di Evidenziazione di

delaminazione localizzata delaminazione localizzata conseguente al conseguente al HPTHPT






L T 45 L T 45 L T 45

2900 2700 1400 1400 520 140 200 155 170

PP [50μm]

L 170 3.1 1.65 0.05

T 120 4.15 0.8 0.08

45 170 1.4 0.04 0.01


L T 45 L T 45 L T 45

2940 2750 2640 2240 2000 2350 660 780 785

PP [50μm]

L 380 1.32 1.15 0.20

T 300 1.60 1.32 0.45

45 345 1.30 1.34 0.35

45°45° 45°

L

T

T= 25°C, at 1 atmT= 25°C, at 1 atm

45°45° 45°

L

T

Modulo meccanico tangente di trazioneModulo meccanico tangente di trazione

T= 100°C, at 1 atmT= 100°C, at 1 atm

PP

PP

E

EEE

PP

PP

E

EEE

Regola pratica: tale parametro deve essere il Regola pratica: tale parametro deve essere il minore possibile al fine di evitare la delaminazioneminore possibile al fine di evitare la delaminazione


II. Cambiamenti di TII. Cambiamenti di Tgg e T e Tff con la pressionecon la pressione

II. Cambiamenti di TII. Cambiamenti di Tgg e T e Tff con la pressionecon la pressione

100

300300

100100

500500

700700

Pressure (M

Pa)

Pressure (M

Pa)

4040 8080 120120 T (°C)T (°C)

TTgg

Velo

cità

di

Velo

cità

di

cris

talli

zzaz

ione

cris

talli

zzaz

ione

TTgg TTff

Curve a iso-velocità Curve a iso-velocità di cristallizzazionedi cristallizzazione

I cambiamenti di TI cambiamenti di Tgg e T e Tff possono determinare possono determinare cambiamenti di cristallinitàcambiamenti di cristallinità

Cambiamenti di TCambiamenti di Tgg e T e Tff con la pressione con la pressione

TTff

0

50

100

150

200

250

50 100 150 200 250 300 350

Tg

TM

pre

ssu

re (

MP

a)

T (°C)

PET

0

50

100

150

200

250

50 100 150 200 250 300 350

Tg

TM

pre

ssu

re (

MP

a)

T (°C)

PETPET


0

50

100

150

200

40 60 80 100 120 140 160

Tg

TM

pre

ssu

re (

MP

a)

T (°C)

PLA

0

50

100

150

200

40 60 80 100 120 140 160

Tg

TM

pre

ssu

re (

MP

a)

T (°C)

PLAPLA


0

50

100

150

200

250

100 120 140 160 180 200

TM

pres

sure

(M

Pa)

T (°C)

PPPP


0

50

100

150

200

250

100 110 120 130 140 150 160

TM

pre

ssur

e (M

Pa)

T (°C)

LLDPE

0

50

100

150

200

250

100 110 120 130 140 150 160

TM

pre

ssur

e (M

Pa)

T (°C)

LLDPELLDPE


III. Cambiamenti strutturali chimico-III. Cambiamenti strutturali chimico-fisici: idrolisi, variazione di densità, fisici: idrolisi, variazione di densità,

cristallizzazione.cristallizzazione.

Film in PLA sottoposti ad HPTFilm in PLA sottoposti ad HPT

III. Cambiamenti strutturali chimico-III. Cambiamenti strutturali chimico-fisici: idrolisi, variazione di densità, fisici: idrolisi, variazione di densità,

cristallizzazione.cristallizzazione.

Film in PLA sottoposti ad HPTFilm in PLA sottoposti ad HPT

A causa dello stato vetroso del PLA, è possibile che le complesse storie A causa dello stato vetroso del PLA, è possibile che le complesse storie temperatura-pressione imposte dai HPT promuovano un temperatura-pressione imposte dai HPT promuovano un cambiamento di cambiamento di densità densità delle regioni amorfe del materiale. delle regioni amorfe del materiale.

Tali cambiamenti di densità possono determinare Tali cambiamenti di densità possono determinare variazioni delle proprietà variazioni delle proprietà barriera e meccaniche del PLAbarriera e meccaniche del PLA. . In particolare, le variazioni di densità riflettono In particolare, le variazioni di densità riflettono cambiamenticambiamenti di volume liberodi volume libero del polimero che, a loro volta, influenzano la del polimero che, a loro volta, influenzano la diffusività e la solubilità di sostanze a basso peso molecolare. Inoltre, i diffusività e la solubilità di sostanze a basso peso molecolare. Inoltre, i cambiamenti di densità hanno effetti rilevanti anche in termini di cambiamenti di densità hanno effetti rilevanti anche in termini di tenacità del tenacità del polimero polimero stesso.stesso.

Con riferimento a tale fenomeno, i seguenti aspetti sono di particolare Con riferimento a tale fenomeno, i seguenti aspetti sono di particolare importanza:importanza:- Cambiamento della T- Cambiamento della Tgg con la pressione con la pressione- Densification sub-Tg ad una velocità che dipende dalle storie di temperatura, - Densification sub-Tg ad una velocità che dipende dalle storie di temperatura, pressione e dal valore della densità stessa . pressione e dal valore della densità stessa .

A causa dello stato vetroso del PLA, è possibile che le complesse storie A causa dello stato vetroso del PLA, è possibile che le complesse storie temperatura-pressione imposte dai HPT promuovano un temperatura-pressione imposte dai HPT promuovano un cambiamento di cambiamento di densità densità delle regioni amorfe del materiale. delle regioni amorfe del materiale.

Tali cambiamenti di densità possono determinare Tali cambiamenti di densità possono determinare variazioni delle proprietà variazioni delle proprietà barriera e meccaniche del PLAbarriera e meccaniche del PLA. . In particolare, le variazioni di densità riflettono In particolare, le variazioni di densità riflettono cambiamenticambiamenti di volume liberodi volume libero del polimero che, a loro volta, influenzano la del polimero che, a loro volta, influenzano la diffusività e la solubilità di sostanze a basso peso molecolare. Inoltre, i diffusività e la solubilità di sostanze a basso peso molecolare. Inoltre, i cambiamenti di densità hanno effetti rilevanti anche in termini di cambiamenti di densità hanno effetti rilevanti anche in termini di tenacità del tenacità del polimero polimero stesso.stesso.

Con riferimento a tale fenomeno, i seguenti aspetti sono di particolare Con riferimento a tale fenomeno, i seguenti aspetti sono di particolare importanza:importanza:- Cambiamento della T- Cambiamento della Tgg con la pressione con la pressione- Densification sub-Tg ad una velocità che dipende dalle storie di temperatura, - Densification sub-Tg ad una velocità che dipende dalle storie di temperatura, pressione e dal valore della densità stessa . pressione e dal valore della densità stessa .

Cambiamento di densità di PLA dopo HPTCambiamento di densità di PLA dopo HPT

Cambiamento di densità di PLACambiamento di densità di PLA

Trattamento tipo Trattamento tipo pastorizzazionepastorizzazione effettuato a 200 effettuato a 200 MPa su solo film in PLA in un apparato PVT: confronto MPa su solo film in PLA in un apparato PVT: confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello (linea tra dati sperimentali e previsioni del modello (linea

blu continua)blu continua)

Valori di densità misurata a pressione atmosferica e a T ambiente su film di Valori di densità misurata a pressione atmosferica e a T ambiente su film di PLA, utilizzati come packaging di acqua liquida, dopo trattamenti HP: PLA, utilizzati come packaging di acqua liquida, dopo trattamenti HP:

confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello.confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello.

(*) Campione soggetto ad idrolisi e ricristallizzazione(*) Campione soggetto ad idrolisi e ricristallizzazione

Valori di densità misurata a pressione atmosferica e a T ambiente su film di Valori di densità misurata a pressione atmosferica e a T ambiente su film di PLA, utilizzati come packaging di acqua liquida, dopo trattamenti HP: PLA, utilizzati come packaging di acqua liquida, dopo trattamenti HP:

confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello.confronto tra dati sperimentali e previsioni del modello.

(*) Campione soggetto ad idrolisi e ricristallizzazione(*) Campione soggetto ad idrolisi e ricristallizzazione

Cambiamento di densità di PLA dopo Cambiamento di densità di PLA dopo HPTHPT

(*)

Idrolisi e ri-cristallizzazione di PLA dopo Idrolisi e ri-cristallizzazione di PLA dopo sterilizzazione HPsterilizzazione HP

IV. Effetti di HPT sui IV. Effetti di HPT sui processi di migrazioneprocessi di migrazione

IV. Effetti di HPT sui IV. Effetti di HPT sui processi di migrazioneprocessi di migrazione

Fenomeni di migrazione nei nanocompositi a Fenomeni di migrazione nei nanocompositi a matrice biodegradabilematrice biodegradabile

Fenomeni di migrazione nei nanocompositi a Fenomeni di migrazione nei nanocompositi a matrice biodegradabilematrice biodegradabile

B. Trattamenti di sterilizzazione al plasma B. Trattamenti di sterilizzazione al plasma nel food packagingnel food packaging

Sterilizzazione al plasmaSterilizzazione al plasma

La sterilizzazione con La sterilizzazione con plasma freddo a bassa pressioneplasma freddo a bassa pressione è una conveniente è una conveniente alternativa ai metodi tradizionalialternativa ai metodi tradizionali (alta T, sostanze chimiche e radiazioni) per (alta T, sostanze chimiche e radiazioni) per materiali materiali sensibili al caloresensibili al calore garantendo anche una garantendo anche una maggiore sicurezza senza maggiore sicurezza senza impatto sulle caratteristiche organoletticheimpatto sulle caratteristiche organolettiche. Esso consente di rendere . Esso consente di rendere inattivi virus, inattivi virus, batteri e spore batteri e spore eliminandone anche i residui dalla superficie. Se paragonato ai eliminandone anche i residui dalla superficie. Se paragonato ai raggi raggi gammagamma, il plasma determina , il plasma determina minore degradazione ed alterazione morfologica del minore degradazione ed alterazione morfologica del substratosubstrato..

I vantaggi fondamentali sono: I vantaggi fondamentali sono:

- breve tempo di disattivazione (di batteri, endospore, virus, funghi)breve tempo di disattivazione (di batteri, endospore, virus, funghi)- bassi carichi termicibassi carichi termici- nessun utilizzo nè formazione di agenti dannosi o tossicinessun utilizzo nè formazione di agenti dannosi o tossici- proprietà inalterate del materiale da imballaggioproprietà inalterate del materiale da imballaggio

La sterilizzazione con La sterilizzazione con plasma freddo a bassa pressioneplasma freddo a bassa pressione è una conveniente è una conveniente alternativa ai metodi tradizionalialternativa ai metodi tradizionali (alta T, sostanze chimiche e radiazioni) per (alta T, sostanze chimiche e radiazioni) per materiali materiali sensibili al caloresensibili al calore garantendo anche una garantendo anche una maggiore sicurezza senza maggiore sicurezza senza impatto sulle caratteristiche organoletticheimpatto sulle caratteristiche organolettiche. Esso consente di rendere . Esso consente di rendere inattivi virus, inattivi virus, batteri e spore batteri e spore eliminandone anche i residui dalla superficie. Se paragonato ai eliminandone anche i residui dalla superficie. Se paragonato ai raggi raggi gammagamma, il plasma determina , il plasma determina minore degradazione ed alterazione morfologica del minore degradazione ed alterazione morfologica del substratosubstrato..

I vantaggi fondamentali sono: I vantaggi fondamentali sono:

- breve tempo di disattivazione (di batteri, endospore, virus, funghi)breve tempo di disattivazione (di batteri, endospore, virus, funghi)- bassi carichi termicibassi carichi termici- nessun utilizzo nè formazione di agenti dannosi o tossicinessun utilizzo nè formazione di agenti dannosi o tossici- proprietà inalterate del materiale da imballaggioproprietà inalterate del materiale da imballaggio

Il plasma freddo per la sterilizzazione degli Il plasma freddo per la sterilizzazione degli imballaggi: 4 fattori di disattivazioneimballaggi: 4 fattori di disattivazione

1)1)CaloreCalore

2) 2) Radiazioni UVRadiazioni UV

3) 3) Particelle caricheParticelle cariche

4) 4) Specie reattiveSpecie reattive ((O*, OO*, O22, O, O33, OH*, NO, NO, OH*, NO, NO22))

1)1)CaloreCalore

2) 2) Radiazioni UVRadiazioni UV

3) 3) Particelle caricheParticelle cariche

4) 4) Specie reattiveSpecie reattive ((O*, OO*, O22, O, O33, OH*, NO, NO, OH*, NO, NO22))

Effetti di specie Effetti di specie chimiche e fotoni UVchimiche e fotoni UV

Meccanismo di sterilizzazione con plasma freddoMeccanismo di sterilizzazione con plasma freddo

Processi di disattivazione:Processi di disattivazione:-Distruzione direttaDistruzione diretta del materiale genetico del materiale genetico dei microrganismi per dei microrganismi per irraggiamento irraggiamento UV.UV.- Erosione dei microrganismiErosione dei microrganismi, atomo per atomo, attraverso , atomo per atomo, attraverso foto-foto-desorbimento desorbimento ed ed etchingetching ad opera di specie reattive. ad opera di specie reattive.- Bombardamento elettronico.Bombardamento elettronico.

3 FASI:3 FASI:1)1)Distruzione per irraggiamento UV diretto del DNA Distruzione per irraggiamento UV diretto del DNA dello strato dello strato superficiale di spore.superficiale di spore.

2)2)Erosione delle spore disattivate e dei detriti Erosione delle spore disattivate e dei detriti che si trovano al di che si trovano al di sopra di spore ancora vive. sopra di spore ancora vive.

3)3)I fotoni UV I fotoni UV distruggono in modo diretto il materiale genetico delle distruggono in modo diretto il materiale genetico delle ultime spore vive ultime spore vive che si trovano a contatto con il film.che si trovano a contatto con il film.

Meccanismo di sterilizzazione con plasma freddoMeccanismo di sterilizzazione con plasma freddo

Effetti di sterilizzazione di diversi gasEffetti di sterilizzazione di diversi gas

ConclusioniConclusioni

La pastorizzazione e la sterilizzazione ad La pastorizzazione e la sterilizzazione ad alta pressione alta pressione di alimenti di alimenti confezioniati stanno emergendo come confezioniati stanno emergendo come tecniche particolarmente efficaci tecniche particolarmente efficaci che che hanno hanno effetti minimali sulle caratteristiche organolettiche e nutrizionalieffetti minimali sulle caratteristiche organolettiche e nutrizionali degli degli alimenti trattati. Le alte pressioni in gioco richiedono una alimenti trattati. Le alte pressioni in gioco richiedono una selezione attenta selezione attenta dei dei materiali e delle strutture utilizzati per il confezionamento. materiali e delle strutture utilizzati per il confezionamento.

La sterilizzazione al La sterilizzazione al plasmaplasma è una valida alternativa ai metodi convenzionali è una valida alternativa ai metodi convenzionali che garantisce un che garantisce un minore insulto termico minore insulto termico su materiali sensibili al calore ed è su materiali sensibili al calore ed è una una tecnologia sicura e non tossica tecnologia sicura e non tossica che che non determina una significativa non determina una significativa degradazione o alterazione morfologicadegradazione o alterazione morfologica del substrato. del substrato. Regolando opportunemante i parametri di processo (tipo di gas, pressione, Regolando opportunemante i parametri di processo (tipo di gas, pressione, configurazione, frequenza, potenza) è possibile configurazione, frequenza, potenza) è possibile bilanciare gli effetti delle bilanciare gli effetti delle radiazioni UV e delle specie attive ottenendo migliori performances, minori radiazioni UV e delle specie attive ottenendo migliori performances, minori costi e maggiore sicurezza dell’ambiente di lavorocosti e maggiore sicurezza dell’ambiente di lavoro..

La pastorizzazione e la sterilizzazione ad La pastorizzazione e la sterilizzazione ad alta pressione alta pressione di alimenti di alimenti confezioniati stanno emergendo come confezioniati stanno emergendo come tecniche particolarmente efficaci tecniche particolarmente efficaci che che hanno hanno effetti minimali sulle caratteristiche organolettiche e nutrizionalieffetti minimali sulle caratteristiche organolettiche e nutrizionali degli degli alimenti trattati. Le alte pressioni in gioco richiedono una alimenti trattati. Le alte pressioni in gioco richiedono una selezione attenta selezione attenta dei dei materiali e delle strutture utilizzati per il confezionamento. materiali e delle strutture utilizzati per il confezionamento.

La sterilizzazione al La sterilizzazione al plasmaplasma è una valida alternativa ai metodi convenzionali è una valida alternativa ai metodi convenzionali che garantisce un che garantisce un minore insulto termico minore insulto termico su materiali sensibili al calore ed è su materiali sensibili al calore ed è una una tecnologia sicura e non tossica tecnologia sicura e non tossica che che non determina una significativa non determina una significativa degradazione o alterazione morfologicadegradazione o alterazione morfologica del substrato. del substrato. Regolando opportunemante i parametri di processo (tipo di gas, pressione, Regolando opportunemante i parametri di processo (tipo di gas, pressione, configurazione, frequenza, potenza) è possibile configurazione, frequenza, potenza) è possibile bilanciare gli effetti delle bilanciare gli effetti delle radiazioni UV e delle specie attive ottenendo migliori performances, minori radiazioni UV e delle specie attive ottenendo migliori performances, minori costi e maggiore sicurezza dell’ambiente di lavorocosti e maggiore sicurezza dell’ambiente di lavoro..

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Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli Federico II Gli imballaggi flessibili per alimenti nelle nuove tecnologie