Progettazione, Realizzazione e Caratterizzazione di Materiali Biocompositi Biodegradabili Rinforzati con Filler di Origine Naturale per il Packaging Sostenibile

In accordance with the transition to a circular economy, this research project examines the design, fabrication and characterization of biocomposite materials based on biopolymer matrices of proven scientific and industrial interest, such as poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT), poly(butylene succinate) (PBS) and poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBH). The goal is to improve the mechanical properties of these materials while ensuring their biodegradability and compatibility with potential conventional processing techniques. Therefore, the study focused on the production and characterization of biocomposite materials based on PBAT blended with different concentrations of natural lignocellulosic fibers derived from agricultural processing wastes, such as hemp flour (HF), and PBS and PHBH blended with different concentrations of a lignocellulosic filler derived from agricultural processing wastes, particularly brewers’ spent grain (BSG). In addition, considering BSG as a promising economic biofiller to these PBS- and PHBH-based biocomposite materials, the use of a naturally derived bioplasticizer called trilevulinate glycerol (GT) was integrated. The influence of the fillers and bioplasticizer on the rheological, structural, and morphological properties of the composites was evaluated using melt-mass flow rate (MFR) analysis, gel permeation chromatography (GPC), scanning electron microscopy (SEM), and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). To evaluate the influence of the incorporation of filler particles on the mechanical and thermal properties of the polymers, uniaxial tensile testing (UTT), differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic-mechanical analysis (DMA) were performed on the generated formulations. This made it possible to evaluate the effectiveness of the reinforcement and bioplasticizer, going on to identify problems associated with the use of new materials. Finally, considering the expected expansion of the wood-plastic composites (WPC) market, coupled with rising prices and decreasing wood availability, the goal of this research activity is the development of environmentally sustainable composite materials, using HF and BSG as economical biofillers, alternatives to wood flour in the production of WPC.

In linea con la transizione verso un’economia circolare, questo progetto di ricerca esamina la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di materiali biocompositi basati su matrici biopolimeriche di comprovato interesse scientifico e industriale, come il poli(butilene adipato-co-tereftalato) (PBAT), il poli(butilene succinato) (PBS) e il poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossiesanoato) (PHBH). L’obiettivo è migliorare le proprietà meccaniche di questi materiali, garantendone al contempo la biodegradabilità e la compatibilità con le potenziali tecniche di lavorazione convenzionali. Pertanto, lo studio si è concentrato sulla produzione e sulla caratterizzazione di materiali biocompositi a base di PBAT miscelato con diverse concentrazioni di fibre lignocellulosiche naturali derivate da scarti di lavorazione agricola, come la farina di canapa (HF), e di PBS e PHBH miscelati con diverse concentrazioni di un riempitivo lignocellulosico derivato da scarti di lavorazione agricola, in particolare il grano esausto dei birrai (BSG). Inoltre, considerando il BSG come un promettente biofiller economico per questi materiali biocompositi a base di PBS e PHBH, è stato integrato l’uso di un bioplastificante di origine naturale chiamato glicerolo trilevulinato (GT). L’influenza delle cariche e del bioplastificante sulle proprietà reologiche, strutturali e morfologiche dei compositi è stata valutata utilizzando l’analisi della velocità di flusso di massa (MFR), la cromatografia a permeazione di gel (GPC), la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR). Per valutare l’influenza dell’incorporazione delle particelle di riempimento sulle proprietà meccaniche e termiche dei polimeri, sono state eseguite prove di trazione monoassiale (UTT), calorimetria differenziale a scansione (DSC) e analisi dinamico-meccanica (DMA) sulle formulazioni generate. Ciò ha permesso di valutare l’efficacia del rinforzo e del bioplastificante, andando a identificare i problemi associati all’uso di nuovi materiali. Infine, considerando la prevista espansione del mercato dei compositi legno-plastica (WPC), unita all’aumento dei prezzi e alla diminuzione della disponibilità di legno, l’obiettivo di questa attività di ricerca è lo sviluppo di materiali compositi ecosostenibili, utilizzando HF e BSG come biofiller economici, alternativi alla farina di legno nella produzione di WPC.