Risparmio energetico grazie a contenitori in vetro più resistenti alle rotture

Il vetro offre numerosi vantaggi come materiale da imballaggio. Le bottiglie di vetro e altri contenitori in vetro sono insapori e inodori, non rilasciano plastificanti o solventi, possono essere riempiti più volte nei sistemi a rendere oppure possono essere reimmessi nella produzione del vetro come preziosa materia prima secondaria attraverso il consolidato processo di riciclaggio del vetro, consentendo così un risparmio energetico. Presentano quindi eccellenti proprietà per il confezionamento di prodotti di alta qualità quali alimenti, medicinali o cosmetici e possono essere molto sostenibili.

Uno svantaggio importante è il loro peso relativamente elevato rispetto ai contenitori in plastica o agli imballaggi compositi multistrato in carta-metallo-plastica, nonché l’elevato consumo energetico durante la produzione e il trasporto. Per questo motivo, molti sviluppi attuali sono incentrati sul rendere il vetro più sottile aumentando contemporaneamente la sua resistenza. «Alla luce dei requisiti del Regolamento sugli imballaggi¹, come possiamo rendere il vetro più leggero mantenendo la stessa resistenza, in modo che gli imballaggi in vetro possano competere con altri materiali di imballaggio?» Thomas Sauer di EXXOSQEL delinea l’obiettivo dello sviluppo. Questo sviluppo del materiale può contribuire direttamente a ridurre l’impronta di carbonio dei contenitori in vetro.

Come si può aumentare la resistenza alla rottura del vetro?

Quasi tutti l’hanno sperimentato: una bottiglia di vetro cade sul pavimento e va in frantumi. Ma il vetro può rompersi anche sotto sollecitazioni relativamente modeste. Ciò è causato, ad esempio, da sollecitazioni termiche derivanti da rapidi sbalzi di temperatura o da difetti superficiali e microfessurazioni che possono insorgere durante la produzione, il riempimento o il trasporto. Anche una manipolazione impropria nell’uso quotidiano può portare a questo risultato.

I processi di tempra termica o chimica comunemente utilizzati nel settore del vetro piano, che aumentano la resistenza inducendo sollecitazioni di compressione mirate nello strato di vetro vicino alla superficie, non sono ampiamente utilizzati nell’industria del vetro per imballaggi, in parte per ragioni tecniche e in parte a causa dell’impegno e dei costi che comportano. Tuttavia, i rivestimenti applicati immediatamente dopo la formatura a caldo (rivestimento a caldo, HEC) e dopo il forno di raffreddamento (rivestimento a freddo, CEC) sono ormai consolidati nell’industria del vetro per imballaggi. Negli Stati Uniti, l’American Glass Research riferisce che oltre il 95% del vetro per imballaggi viene trattato in questo modo. Il trattamento a caldo ha lo scopo, ad esempio, di aumentare i raggi delle microfessure e consentire l’adesione del trattamento a freddo, mentre il trattamento a freddo migliora le proprietà di scorrimento dei contenitori in vetro, riducendo così l’usura durante il riempimento. Per il rivestimento a freddo vengono utilizzati rivestimenti a base di cere di polietilene. Nel caso delle bottiglie a rendere, il rivestimento a freddo viene in gran parte rimosso già dopo pochi cicli a causa del processo alcalino di lavaggio delle bottiglie.

“Riparazione delle crepe” grazie a un nuovo rivestimento

La combinazione di un nuovo materiale di rivestimento e di una tecnologia di rivestimento ottimizzata, sviluppata da EXXOSQEL e dall’Istituto Fraunhofer per la Ricerca sui Silicati ISC, colma in larga misura — o, per così dire, “ripara” — i difetti superficiali. “Nello specifico, durante la sintesi di più componenti, creiamo un composito reticolato tridimensionalmente la cui matrice, una volta applicato il rivestimento, forma legami covalenti a livello molecolare all’interno delle microfessure create dalla formatura a caldo e dal raffreddamento”, spiega Thomas Sauer, CEO di EXXOSQEL. Ciò aumenta in modo significativo l’energia necessaria per provocare la frattura. Test di laboratorio hanno già dimostrato miglioramenti significativi nella resistenza del vetro. Per quasi tutti i tipi di contenitori in vetro testati finora, il carico sopportato fino alla frattura è aumentato notevolmente nelle prove di compressione e di impatto. In alcuni casi, i contenitori non sono stati in grado di rompersi nemmeno sotto il carico massimo di 10 joule o 40 bar che l’apparecchiatura di prova era in grado di applicare. L’azienda stima che substrati in vetro più sottili potrebbero ridurre l’utilizzo di materiale, il consumo energetico e le emissioni di CO₂, consentendo riduzioni di peso fino al 40 per cento, a condizione che si possano garantire processi di formatura a caldo stabili. Inoltre, il rivestimento crea una superficie senza giunture. Ciò si traduce in una maggiore brillantezza e in una migliore sensazione al tatto per ogni bottiglia. Riduce inoltre l’attrito tra le bottiglie.

Dalla scala di laboratorio al prototipo

La collaborazione tra EXXOSQEL e Fraunhofer ISC mira a portare il prodotto sul mercato. EXXOSQEL sta sviluppando la formulazione del materiale e attualmente lo sta producendo su scala di laboratorio con il supporto del Fraunhofer ISC. Il Fraunhofer ISC sta inoltre contribuendo con la propria competenza nel potenziamento della sintesi dei materiali e delle tecnologie di rivestimento per il passaggio successivo dalla scala di laboratorio a quella dell’impianto pilota. Entrambi i partner di ricerca stanno lavorando a stretto contatto alla formulazione del materiale e allo sviluppo tecnologico. I ricercatori di Würzburg stanno inoltre supportando il potenziamento del rivestimento: «Vogliamo progettare l’applicazione del nuovo rivestimento in modo che possa essere facilmente integrato nei processi di produzione esistenti», afferma il dott. Ferdinand Somorowsky, responsabile della tecnologia di rivestimento presso il Fraunhofer ISC, sottolineando l’aspetto applicativo. I partner stanno ora collaborando alla prossima fase di ampliamento, spiega Thomas Sauer: «Abbiamo perfezionato l’allestimento sperimentale in laboratorio. Per il 2027 prevediamo di realizzare un impianto pilota dove amplieremo ulteriormente sia la produzione della soluzione di rivestimento sia la tecnologia di applicazione. Il nostro obiettivo è gettare le basi per una validazione rilevante per l’industria e per il prossimo passo verso la produzione industriale di massa. Nelle fasi successive coinvolgeremo partner provenienti dai settori del vetro per imballaggi, delle bevande e dell’alimentare, nonché dai settori dell’ingegneria meccanica e impiantistica».