CH719359A2 - Procedimento di fabbricazione e materiale antimicrobico per fabbricazione additiva per fabbricazione per fusione di filamento. - Google Patents

Description

Campo dell'invenzione

[0001] La presente invenzione riguarda un procedimento di fabbricazione d'un oggetto in materiale plastico riciclato avente proprietà antimicrobiche come anche un materiale per la fabbricazione additiva ottenuto come prodotto intermedio di detto procedimento.

Stato della tecnica

[0002] Quasi tutti i materiali plastici utilizzati industrialmente sono non biodegradabili e causano gravi danni agli ecosistemi in cui si accumulano. La preoccupazione per l'inquinamento derivante dalla plastica s'accompagna ad un bisogno sempre più urgente di procedimenti economici ed ecologici per riutilizzare e riciclare i materiali plastici.

[0003] Il riciclo dei materiali sintetici a fine vita, e in particolare il riciclo di manufatti e indumenti in tessile sintetico présenta difficoltà particolari. Da una parte per il lungo impiego degli indumenti che contribuisce inevitabilmente al degrado dei polimeri, dall'altra perché il materiale riciclato proviene da una moltitudine di capi di età, caratteristiche e storie diverse e quindi présenta una grande dispersione delle sue proprietà.

[0004] Le poliammidi, tra cui si annoverano il Nylon 6 (PA6) il Nylon 6,6 (PA66) sono tra i materiali plastici più usati per la produzione di fibre e sono anche largamente impiegati come materiali strutturali nell'industria dell'automobile, della costruzione, in aviazione e nell'industria elettronica.

[0005] Nell'ambito delle fibre poliammidiche, sono noti dei procedimenti di riciclaggio che permettono d'ottenere una poliammide riciclata, per esempio di Nylon 6 (PA6) a partire da scarti tessili. Si tratta perlopiù di scarti di lavorazione (i cosiddetti rifiuti pre-consumer). Questi materiali riciclati sono di regola filati una seconda volta per ricavarne nuovi prodotti. Il riciclo di capi usati è assai meno rappresentato nella tecnica in quanto questi sono degradati dall'uso e il prodotto che se ne ottiene è molto inferiore. Anche se qualche caso di riciclo di manufatti tessili postconsumer esiste, questi sono un'esigua minoranza.

[0006] I procedimenti di fabbricazione additivi sono sempre più utilizzati per la produzione di prototipi e piccole serie di oggetti in alternativa ai metodi convenzionali come lo stampaggio, l'estrusione o la laminazione. Tra questi si conoscono processi di fabbricazione per fusione di filamento, denotati anche con l'abbreviazione „FFF“ (Fused Filament Fabrication) ovvero processi di fabbricazione additiva per deposizione d'un materiale plastico nello stato di fluido viscoso attraverso un ugello che viene mosso serialmente in modo da modellizzare la forma voluta. Sono noti anche processi di fabbricazione additiva basati sulla tecnologia delle polveri, come ad esempio i processi „PBF“ (Powder Bed Fusion) o „SLS“ (Selective Laser Sintering) in cui si usano polimeri termoplastici sotto forma di polveri che vengono depositate in uno strato uniforme e sinterizzate mediante l'applicazione di energia termica iterativamente, uno strato dopo l'altro.

[0007] Questi procedimenti si basano sull'uso di materiali plastici specialmente preparati e condizionati per essere stampabili, sia su forma di filamento pellets o polvere, sia a partire di polimeri vergini che di polimeri riciclati.

[0008] Il documento WO 2017109741 A1 divulga un procedimento di fabbricazione d'un articolo in un polimero termoplastico antibatterico comprendente nanoparticelle di biossido di titanio.

Brève descrizione dell'invenzione

[0009] Uno scopo della presente invenzione è di proporre un procedimento per riciclare dei polimeri in articoli aventi proprietà antimicrobiche. Un altro scopo dell'invenzione è quello di proporre un prodotto intermedio riciclato e antibatterico che può essere usato per alimentare una stampante tridimensionale.

[0010] Secondo l'invenzione, tali scopi sono raggiunti dall'oggetto della rivendicazione principale allegata, e in particolare da un procedimento di fabbricazione di un oggetto, comprendente le fasi di: fornitura di un manufatto tessile a fine vita, ottenimento di un polimero riciclato a partire dal manufatto tessile, funzionalizzazione del polimero riciclato in modo da renderlo antimicrobico, fabbricazione di detto oggetto a partire da detto polimero riciclato funzionalizzato.

[0011] Le rivendicazioni dipendenti riguardano delle caratteristiche addizionali che, benché utili e vantaggiose, non sono essenziali all'invenzione, tra cui la funzionalizzazione attraverso l'aggiunta di una carica di nano particelle di diossido di Titanio ad una percentuale massica compresa tra lo 0.1 % e il 20%, preferibilmente compresa tra lo 0.5% e il 5% e con una dimensione média inferiore a 1 µm, preferibilmente inferiore a 150 nm, più preferibilmente compreso tra 10 nm e 30 nm.

[0012] L'attività antimicrobica del biossido di titanio si ritiene dovuta a un'azione fotocatalitica attivata da una certa lunghezza d'onda UV-A. Questa materia ha dato ottimi risultati nei test di attività antibatterica ed antimicrobica effettuati su materiali della stessa natura di quelli in oggetto seppur processati diversamente e non présenta rischi per la salute alle concentrazioni impiegate. Si tratta d'una variante preferita, ma non è l'unica scelta possibile. L'ossido di titanio potrebbe essere sostituito da altre nanoparticelle di ossidi metallici, ad esempio di ossido di zinco.

[0013] Questa divulgazione présenta un esempio dell'invenzione in cui la matrice polimerica è composta da Nylon 6 (PA6) riciclato. Questa non è tuttavia la sola possibilità. L'invenzione può essere estesa anche ad altre matrici polimeriche proveniente dal riciclo di capi di abbigliamento, ad esempio di altre forme di poliammide alifatica, come il Nylon 6,6. In generale si preferisce l'utilizzo d'un masterbatch ad alta concentrazione di nanocarica ed una diluzione in fase di preparazione del granulo finale con la PA6 riciclata per ottenere un prodotto avente la concentrazione di TiO2 voluta.

[0014] Il prodotto intermedio può essere condizionato sotto forma di filamento con un diametro precisamente calibrato e adatto all'alimentazione di stampanti tridimensionali FFF, ovvero in polvere per la stampa SLS o in pellets o polvere utilizzabili per alimentare qualunque procedimento di messa in forma di materie plastiche, ad esempio stampa a iniezione, estrusione, filatura, laminatura, eccetera.

[0015] Il polimero riciclato funzionalizzato può subire delle operazioni di essiccamento prima delle diverse operazioni di plastificazione e/o stampa 3D e/o messa in forma per contrastare la sua naturale igroscopicità. Nell'ambito di questa divulgazione il termine „plastificazione“ designa un processo nel quale una materia plastica viene riscaldata fino a portarla alla fusione mentre viene rimescolata per ottenere un fluido visco-elastico omogeneo. Sovente, queste operazioni avvengono all'interno di camere cilindriche a profilo di temperatura controllato entro le quali ruota una vite con un profilo opportuno. La rotazione della vite porta al rimescolamento voluto e contemporaneamente spinge il prodotto verso un ugello estrusore o un iniettore.

[0016] Rispetto a quanto noto nell'arte, Il procedimento dell'invenzione porta alla realizzazione di un oggetto di polimero riciclato funzionalizzato in modo da conferirgli proprietà antimicrobiche, intendendosi per antimicrobico una sostanza o una composizione che decompone i microorganismi fino ad ottenere acqua ed anidride carbonica o ne inibisce la crescita. A seconda dei microorganismi che ne subiscono l'azione e dell'effetto ottenuto si distinguere tra battericidi, fungicidi, virucidi, batteriostatici, fungistatici, virostatici, tutti compresi nell'ambito dell'invenzione.

[0017] Una variante preferita dell'invenzione comporta la produzione intermedia di un filamento di alimentazione di stampante 3D costituito da poliammide PA6 riciclata funzionalizzata con un nanomateriale con proprietà antibatteriche e virucida.

[0018] La poliammide riciclata (re-PA) viene ottenuta a partire da un processo innovativo che ha tra gli altri, come input, abbigliamento a finevita. Grazie al nuovo processo si potranno realizzare parti o dispositivi ad alto grado tecnologico, caratterizzate da elevata leggerezza rispetto ai materiali tradizionali, migliore robustezza, resistenza ad agenti chimici, estrema regolarità superficiale, elevate opportunità di personalizzazione.

[0019] L'adozione delle tecnologie di fabbricazione additiva favorisce anche l'adozione di processi circolari in quanto le stampanti 3D sono localizzate nel mondo e solo il filamento funzionalizzato viene trasportato da un sito all'altro. Tali processi che non dipendono in modo eccessivo da catene logistiche lunghe e complesse possono messi in opera con rapidità anche in situazioni di emergenza ed epidemie.

[0020] Il processo prevede l'adattamento del polimero riciclato alla lavorazione con tecnologie di „additive manufacturing“, necessario ad ottenere il grado di viscosità richiesto dalla efficace lavorazione del filamento in fase di stampa. Inoltre, il processo prevede la fase di funzionalizzazione con nanomateriale con proprietà antibatteriche e virucida, attraverso la miscelazione di polimero riciclato con un masterbatch specifico. Tale master è preferibilmente realizzato con lo stesso polimero a base riciclata caricato con il nanomateriale di riferimento. Una volta avvenuta la miscelazione della PA riciclata con il master, il preparato viene alimentato ai processi di manifattura additiva modificandone opportunamente le caratteristiche per consentire una sua efficace lavorabilità su attrezzature di stampa 3D.

[0021] I manufatti ottenibili dal filamento innovativo presentano proprietà antibatteriche e virucide e sono pertanto particolarmente adatti all'impiego in ambito „protezione personale“, oltre ad essere caratterizzati da elevata leggerezza, robustezza, maggiore resistenza agli agenti chimici, regolarità superficiale, opportunità di personalizzazione elevata e inimitabili complessità geometriche.

Breve descrizione della figura

[0022] La figura annessa illustra schematicamente un procedimento di fabbricazione secondo l'invenzione. Il procedimento comporta come prodotto intermedio un prodotto antimicrobico utilizzabile per la stampa tridimensionale.

Divulgazione di un modo di realizzazione dell'invenzione

[0023] Riferendosi alla figura, il materiale di partenza del procedimento inventivo proviene manufatti tessili 20 sintetici, per esempio una poliammide 6 (PA6), per mezzo di procedimenti noti 25, sino a ottenere un prodotto riciclato rigranulato 30. I mezzi 25 usati per il riciclo della poliammide possono includere delle fasi di lavaggio, taglio, triturazione, separazione dei materiali estranei, vaglio, fusione e via di seguito.

[0024] Una parte del prodotto rigranulato 30 è destinata alla produzione di un masterbatch ad alta concentrazione di TiO2. A questo scopo, la poliammide riciclata è mescolata ad una quantità opportuna di nanoparticelle di biossido di titanio 32 con una dimensione média inferiore a un micrometro. Preferibilmente, le particelle di biossido di titanio impiegate hanno una dimensione massima inferiore o uguale a 150 nm, meglio se compresa tra 5 nm e circa 100 nm, idealmente compresa tra 10 nm e circa 30 nm.

[0025] A causa della loro spiccata igroscopicità, si preferisce utilizzare un procedimento di macinazione criogenica per trasformare i granuli di polimero riciclato in polvere. Questo processo garantisce un miglior controllo della fase successiva di lavorazione: la realizzazione del masterbatch.

[0026] Dopo aver premiscelato il polimero riciclato polverizzato alla nanocarica nella concentrazione desiderata, il masterbatch viene realizzato con un processo di estrusione tramite estrusore bivite e successiva pellettizzazione.

[0027] In una possibile variante, il master arricchito di nanoparticelle di TiO2 può essere prodotto a partire da un polimero vergine invece che da una parte del polimero riciclato.

[0028] Nella tappa di produzione 60, il polimero riciclato 52 e il master 51 sono usati in miscela per alimentare un estrusore 60 con una vite di plastificazione con profilo per materiali speciali. Alla fuoriuscita del polimero allo stato fuso (gelificato) lo stesso è prelevato e accompagnato a una stazione di tiro in cui si ricava un filamento 65 di diametro adatto all'alimentazione di stampanti tridimensionali.

[0029] Il filamento 65 viene infine utilizzato per alimentare una stampante FFF 80 e ottenere in questo modo un prodotto finale stampato 100. In ragione dell'igroscopicità e delle poliammidi e per evitare deformazioni alla stampa, è opportuno utilizzare una stampante dotata di una camera di essiccazione 68 direttamente comunicante con un involucro a temperatura controllata 66 che racchiude il volume attivo di stampa.

Simboli utilizzati nella figura

[0030] 20 prodotto tessile a fine vita 25 procedimento di riciclo 30 poliammide riciclata granulata 31 polverizzazione criogenica 32 nanocarica di ossido metallico 40 estrusore bivite 52 polimero riciclato 60 estrusore 65 filamento 66 involucro a temperatura controllata 68 camera d'essiccazione 80 stampante FFF 100 prodotto stampato

Claims (15)

1. Procedimento di fabbricazione di un oggetto, comprendente le fasi di: – fornitura di un manufatto tessile, in particolare un manufatto tessile a fine vita, – ottenimento di un polimero riciclato a partire dal manufatto tessile, – funzionalizzazione del polimero riciclato in modo da renderlo antimicrobico, – fabbricazione di detto oggetto a partire da detto polimero riciclato funzionalizzato.

2. Il procedimento della rivendicazione precedente, in cui la funzionalizzazione comporta la miscelazione di una matrice di polimero riciclato e d'una carica di nanoparticelle di un ossido metallico ad una percentuale massica compresa tra lo 0.1 % e il 20%, preferibilmente compresa tra lo 0.5% e il 5%.

3. Il procedimento della rivendicazione precedente in cui le nanoparticelle di ossido metallico sono nanoparticelle di diossido di titanio.

4. Il procedimento della rivendicazione 2, in cui le nanoparticelle di ossido metallico hanno una dimensione média inferiore a 1 µm, preferibilmente inferiore a 150 nm, più preferibilmente compreso tra 10 nm e 30 nm.

5. Il procedimento d'una delle rivendicazioni 2-4 in cui la miscelazione comporta la preparazione d'un master contenente una prima concentrazione di nanoparticelle di ossido metallico in una matrice di polimero e la plastificazione del master insieme al polimero riciclato.

6. Il procedimento d'una delle rivendicazioni precedenti, in cui i manufatti tessili contengono fibre poliammidiche e la matrice di polimero riciclato è una poliammide alifatica, per esempio una matrice di Nylon 6,6 o di Nylon 6.

7. Il procedimento d'una delle rivendicazioni precedenti, in cui la fabbricazione dell'oggetto comporta dei procedimenti additivi o di stampa tridimensionale per fabbricazione per fusione di filamento (FFF).

8. Il procedimento della rivendicazione precedente, comprendente la tappa di adattamento delle caratteristiche del polimero riciclato, e in particolare della sua viscosità, in modo che il filamento sia adatto a realizzare la stampa tridimensionale.

9. Il procedimento d'una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui la fabbricazione dell'oggetto comporta uno stampaggio.

10. Il procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente delle operazioni di essiccamento del polimero riciclato funzionalizzato.

11. Materiale antimicrobico per la fabbricazione additiva per fabbricazione per fusione di filamento (FFF) comprendente una matrice di polimero riciclato e una carica di nano particelle di ossido metallico ad una percentuale massica compresa tra lo 0.1 % e il 20%, preferibilmente compresa tra lo 0.5% e il 5%.

12. Il materiale della rivendicazione precedente, in cui le nanoparticelle di ossido metallico sono nanoparticelle di diossido di titanio.

13. Il materiale d'una delle rivendicazioni 11 o 12, in cui le nanoparticelle di ossido metallico hanno una dimensione média inferiore a 1 µm, preferibilmente inferiore a 150 nm, più preferibilmente compreso tra 10 nm e 30nm.

14. Il materiale d'una delle rivendicazioni da 11 a 13, in cui la matrice di polimero riciclato è una poliammide alifatica, per esempio una matrice di Nylon 6,6 o di Nylon 6 proveniente dal riciclo di capi di abbigliamento contenenti fibre poliammidiche.

15. Il materiale d'una delle rivendicazioni da 11 a 14, condizionato come un filamento di diametro adatto all'alimentazione di stampanti tridimensionali.