Barriera all’ossigeno, modulabile e di origine naturale, di chitosano e nanocellulosa assemblata attraverso “Layer by Layer Coating”

In questo lavoro sono stati impiegati cristalli di nanocellulosa (CNs) e chitosano (CS) per realizzare un rivestimento barriera ai gas, attraverso la tecnica di layer-by-layer coating (LbL). La struttura ottenuta è stata indagata per la sua morfologia, lo spessore e la permeabilità all’ossigeno. La cellulosa e la chitina, da cui si ricava il chitosano, sono rispettivamente il primo ed il secondo biopolimero, presenti in natura per abbondanza. Il CS si ottiene per deacetilazione della chitina e i CNs sono stati preparati per idrolisi acida di linters di cotone. Il procedimento di LbL prevede step successivi di immersione in soluzioni di biopolimero, lavaggio ed asciugatura che consentono la deposizione di sottilissimi strati, concatenati tra loro grazie ad interazioni elettrostatiche. Nel caso di studio, il chitosano è stato protonato ad un idoneo valore di pH per manifestare sufficienti cariche positive, mentre i cristalli di nanocellulosa mostravano una carica negativa per la presenza di gruppi solfonati, introdotti dall’idrolisi acida. I due biopolimeri sono stati applicati su di un substrato di PET amorfo da 200 μm di spessore (A-PET). Il rivestimento è stato condotto utilizzando diverse combinazioni di pH delle soluzioni di biopolimero e effettuando cicli di deposizione fino a 30 doppi strati. La combinazione CSpH4/CNspH2 si è rivelata la migliore per trasparenza; 30 doppi strati, stimati pari a 800 nm di spessore totale, determinavano una trasmittanza a 550nm di circa il 70% con una riduzione del 13% della trasparenza originale dell’ A-PET. La permeabilità all’ossigeno è stata pertanto misurata solo per i coating realizzati con questa combinazione di pH. Le misure di spessore, condotte con tecnica di microscopia a forza atomica (AFM) e mediante elipsometria, hanno dimostrato una proporzionalità diretta tra numero di strati e spessore e valori molto diversi a seconda della combinazione di pH utilizzata. Il valore medio di spessore di un doppio strato ottenuto con CSpH4/CNspH2 è risultato di circa 26 nm, mentre con la combinazione CSpH2/CNspH6 di solo 7 nm. La struttura realizzata con CSpH4/CNspH2 si è dimostrata più spessa e compatta, con maggiori legami di idrogeno e, di conseguenza, con minore permeabilità all’ossigeno. La permeabilità (PO2), misurata a 23°C e in condizioni anidre, è risultata significativamente ridotta a partire dalla sovrapposizione di 10 doppi strati. Il valore di PO2 originale del PET amorfo è risultato ridotto del 94% dopo l’applicazione di 30 doppi strati, raggiungendo il valore di circa ~0.013 cm3 m-2 24h-1 kPa-1. Le analisi condotte hanno dimostrato che lo spessore del LbL coating può essere facilmente modulato sia attraverso il numero di cicli condotti che attraverso i valori di pH delle soluzioni, determinando di conseguenza diversi valori di barriera all’ossigeno. I rivestimenti di biopolimero realizzati con questa tecnica risultano pertanto molto promettenti nella direzione di un incremento di barriera dei film plastici, associato ad una riduzione di spessore del substrato plastico.