Dušica Banduka, Nova-Institute.
Francesca Di Bartolomeo e Alexander Wentzel, SINTEF.
Per entrare a far parte delle società che perseguono l’obiettivo di un’Europa a neutralità climatica e di una vera economia circolare, il progetto PERFECOAT sviluppa e convalida una nuova generazione di legno e di rivestimenti decorativi d’uso industriale con una quantità di componenti bio superiore al 25%. Il mercato europeo delle pitture e dei rivestimenti registrerà una crescita variabile dai 37,2 bilioni di USD nel 2023 ai 41,6 bilioni entro il 2028 (Markets and Markets, 2023). Mentre la maggior parte degli ingredienti usati attualmente è di origine fossile, per il futuro si prospetta un aumento della domanda di pitture e rivestimenti sostenibili, in particolare nelle industrie dei settori professionale e Fai-da-te. Per attuare una transizione lineare dai prodotti di origine fossile a quelli sostenibili, l’industria ha l’esigenza di reperire soluzioni bio di alta prestazione, specialmente bio-polimeri e lipidi, leganti, riempitivi, pigmenti e additivi come nanomateriali funzionali. Questi principali gruppi di componenti uniti rappresentano il 70% degli ingredienti (American Coatings Association, 2023). Nei primi due anni dell’attività di ricerca, nell’ambito del progetto di ricerca PERFECOAT, finanziato dall’UE, sono state messe a punto soluzioni bio innovative, derivate dai prodotti residui dell’agricoltura e da altri prodotti di scarto. Questi stessi vengono analizzati nella formulazione di tre prodotti in uso: vernici trasparenti reticolabili a UV, pitture di rifinitura a base acquosa per il settore Fai-da-te e pitture murali a base acquosa.
Dagli alginati, xilani, chitosani al lievito – un buffet ecologico di leganti bio
Come principale gruppo di componenti, i leganti lanciano una delle maggiori sfide alle formulazioni. Questi non soltanto definiscono la composizione della pittura mantenendo la coesione fra i pigmenti e l’adesione alla superficie di applicazione, ma determinano anche le caratteristiche funzionali e decorative della pittura, come la trasparenza, la flessibilità, la resistenza agli UV (non ingiallimento) così come i tempi di essiccazione e di reticolazione. Per valutare le diverse alternative, i partner del gruppo di ricerca hanno esaminato e generato vari campioni di leganti bio, ad esempio degli alginati modificati (SINTEF), degli xantani (Technical University Munich) e degli xilani (Celignis), ricavati da differenti risorse di biomassa come i residui di colture, il legno del pioppo, del faggio, della paglia di grano e del taglio dell’erba. Tutti i campioni di alginati hanno presentato una elevata solubilità in acqua, ma anche buone proprietà di filmazione. I microorganismi trasformano la materia prima in alginati, lipidi e terpeni mentre gli xilani e le chitine vengono estratti direttamente dai residui della biomassa. Per il recupero dello xilano, il team preferisce un approccio che non unisca il trattamento degli enzimi all’estrazione chimica. Questo processo fornisce xilano puro con poche o nessuna catena laterale. Ulteriori test sono stati eseguiti esclusivamente sull’estrazione dei chitosani dalle conchiglie di gamberetti della Baia di Dublino. Questo processo richiede la demineralizzazione, deproteinizzazione e decolorazione del guscio del gamberetto mentre il trattamento alcalino converte la chitina in chitosano.
Il team ha compiuto ricerche anche sulla conversione dei lipidi microbici polinsaturi in leganti. In questo caso i lieviti oleosi non convenzionali convertono e modificano gli oli poli-insaturi e gli acidi grassi in leganti bio per applicazioni di reticolazione a UV. Entrambi i lieviti hanno fornito la biomassa con un contenuto di lipidi pari a > 50% e > 20%.
In questa fase del progetto, lo xilano, gli alginati microbici, gli oli e i lipidi microbici forniscono i risultati più promettenti come componenti leganti e vengono costantemente analizzati per verificarne il rendimento, la fattibilità e l’utilizzo nelle formulazioni.
Un ulteriore percorso concerne la funzionalizzazione degli exo-polisaccaridi e di altri biopolimeri e composti a base di lipidi in nuovi leganti bio. Con un’attenzione particolare ai composti di leganti reticolabili a UV, il team ha messo a punto con successo la produzione del terpene microbico esaminando il limonene, pinene e sabinene, prodotti con ceppi appositamente realizzati del lievito Yarrowia lipolytica. La natura chimica e la reattività di questi composti li rendono interessanti relativamente al caso studio specifico. Per funzionalizzarli in leganti reticolabili a UV, i ricercatori utilizzano la bio e/o la chemo-catalisi.
Pigmenti naturali innovativi ricavati dal lievito e dai funghi
Il progetto persegue l’obiettivo di sviluppare e produrre almeno due formulazioni differenti per pigmenti e coloranti rossi, e di altri colori. Uno dei partner del progetto, Chromologics
Aps ha dimostrato di aver fatto passi avanti e ha sviluppato e brevettato nuovi pigmenti innovativi. Il colorante idrosolubile viene prodotto unendo l’atrorosina con l’ausilio della maltodestrina come legante, mentre i pigmenti vengono prodotti per complessazione con l’alluminio integrato con il magnesio. I risultati iniziali sono stati promettenti in termini di resa, colore e prestazione, con risultati molto significativi per la variante dell’alluminio per pitture e rivestimenti. Il team ha poi individuato le notevoli potenzialità produttive dei pigmenti rossi e arancio ricavati dal fungo Talaromyces atroroseus. Le strategie alternative ai carotenoidi utilizzati nei lieviti R. toruloides e Y. lipolytica, permettono anche l’estrazione del pigmento viola violaceina. La violaceina è un composto terapeutico contro il cancro presente in natura dal colore porpora scura. Le fasi intermedie del percorso di biosintesi della violaceina mostrano altre tinte come il verde della prodeoxy violaceina o rosa della deoxy violaceina.
Proprietà protettive grazie ai nanomateriali funzionali e riempitivi
Ingredienti costitutivi per il 10-40% nelle pitture, i riempitivi sono un importante componente della pittura. Lo sviluppo dei riempitivi dalla biomassa microbica offre quindi prospettive importanti alle industrie che lavorano prodotti bio. In questo caso, la cellulosa micro-fibrillata (MFC), nota anche come Exilva®, messa a punto dal partner di PERFECOAT Borregaard ha dato prova di una prestazione elevata. Exilva® è una MFC insolubile costituita da un intreccio di fibre di cellulosa, che possono interagire sia fisicamente con l’area superficiale superiore, che chimicamente mediante legame all’idrogeno. Le caratteristiche funzionali reologiche e meccaniche, come additivo, forniscono una combinazione unica di proprietà nei sistemi finiti. Per migliorare e aggiungere altre proprietà, il team del progetto ha approfondito il tema dei materiali nanofunzionali, ad esempio i Silsesquioxani oligomerici poliedrici (POSS). Si tratta di un nanomateriale ibrido organico-inorganico, composto da una gabbia silicica e otto gruppi funzionali organici ai lati. Si ritiene che l’additivo polifunzionale aumenti la densità di reticolazione e quindi la resistenza alla scalfittura dei rivestimenti, fornendo nello stesso tempo superiore resistenza termica e alla fiamma. Il componente potrebbe presentare nuove funzionalità quali le proprietà autopulente e ritardante di fiamma migliorando così la prestazione generale del prodotto finale. è stata messa a punto un’ampia serie di derivati POSS a base acquosa, fra cui POSS reticolabile a UV.
Componenti della pittura sostenibili, sicuri e di prestazione eccellente
Tutti i componenti vengono analizzati per quanto riguarda le prestazioni, i requisiti e le proprietà delle formulazioni. La migliore combinazione performante di leganti, pigmenti e riempitivi verrà impiegata per produrre almeno una pittura dimostrativa per ciascuno dei tre casi di utilizzo: rivestimenti trasparenti reticolabili a UV di alto volume, pitture per rifiniture per il settore Fai-da-te a base acquosa e le pitture murali a base acquosa. Un’importante priorità nel progetto definisce la sicurezza e la sostenibilità delle pitture e dei rivestimenti bio per gli utilizzatori e per l’ambiente. Il progetto dimostrerà quantitativamente i miglioramenti in fatto di sostenibilità raggiunti con le soluzioni bio rispetto ai prodotti di rivestimento di origine fossile. Ciò verrà fatto definendo un quadro di valutazione del ciclo di vita (LCA), dei costi del ciclo di vita (LCC) delle strategie del termine della vita utile, dell’impatto sulla comunità dei prodotti e processi sviluppati, specifici e sulla società in generale. La valutazione dell’impatto sociale e le indagini di mercato sono iniziate nelle prime fasi del progetto e rassicurano sul fatto che tutte le soluzioni soddisfano i criteri di fattibilità economica e di accettazione da parte delle comunità.
Il progetto PERFECOAT ha ricevuto finanziamenti da Bio-based Industries Joint Undertaking (JU) nell’ambito del programma per la ricerca e l’innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea grazie all’accordo di finanziamento No. 101022370. JU ha ricevuto il sostegno dal programma per la ricerca e l’innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea e dal consorzio delle Industrie operanti nel settore bio.
