Produzione sostenibile di poliuretano senza isocianato tossico
I ricercatori sostituiscono la sostanza chimica tossica con un innocuo dicarbammato e utilizzano la CO2 come materia prima per la produzione di plastica sostenibile
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I poliuretani (PUR) sono presenti in molti prodotti, come mobili imbottiti, materiali espansi o isolanti, pavimenti, vernici e persino tubi per cateteri medici. La produzione di queste plastiche molto richieste, tuttavia, si basa sull'isocianato tossico. I ricercatori del Fraunhofer hanno ora sviluppato un processo di produzione alternativo che utilizza un dicarbammato innocuo.
I composti chimici come l'isocianato sono tossici e scatenano allergie o asma. Tuttavia, rimangono indispensabili per l'industria chimica. Sono necessari soprattutto per la produzione di PUR. Queste plastiche sono molto versatili e vengono quindi utilizzate in molti prodotti. Sebbene il prodotto finale non contenga più isocianati, durante la produzione sono necessarie speciali precauzioni di sicurezza per tenerli lontani dall'uomo ed evitare rischi per la salute.
Per la prima volta, i ricercatori del Fraunhofer sono riusciti a produrre poliuretani senza l'uso di isocianati nel progetto CO2NIPU (poliuretano non isocianato, NIPU).
Dicarbammato come sostituto dell'isocianato
Per raggiungere questo obiettivo, il responsabile del progetto Christoph Herfurth dell'Istituto Fraunhofer per la ricerca applicata sui polimeri IAP e il suo team hanno sostituito l'isocianato con l'innocuo dicarbammato. Il processo innovativo rende la produzione di materie plastiche più semplice e sicura. I dipendenti non devono più seguire una formazione speciale per proteggersi dalla sostanza tossica. Un ulteriore vantaggio: il processo consente di ridurre le emissioni di gas serra. I ricercatori utilizzano infatti l'anidride carbonica per produrre il dicarbammato. Inoltre, stanno sviluppando metodi di riciclaggio per i materiali PUR usati.
Oltre al Fraunhofer IAP, hanno partecipato al progetto CO2NIPU l'Istituto Fraunhofer per le tecnologie chimiche ICT, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e i materiali avanzati IFAM e l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia ambientale, della sicurezza e dell'energia UMSICHT. Herfurth sottolinea i vantaggi di questo progetto innovativo: "Le strutture molecolari dei poliuretani prodotti con dicarbammati sono identiche a quelle dei PU convenzionali prodotti con isocianati. Ciò significa che è possibile sfruttare le competenze esistenti per ottenere le proprietà del materiale richieste per il prodotto finale o l'applicazione."
Sistema modulare per le proprietà del materiale
I ricercatori hanno ulteriormente sviluppato il processo in vista della fattibilità industriale. Diverse sostanze chimiche vengono miscelate in proporzioni specifiche per produrre le proprietà desiderate. I cosiddetti estensori di catena contribuiscono a reticolare i gruppi molecolari e a garantire proprietà elastiche o adesive. I dioli polimerici servono ad ammorbidire la plastica, mentre il dicarbammato, come sostituto dell'isocianato, avvia il processo chimico. Dopo la miscelazione, queste sostanze chimiche vengono fuse e mescolate a temperature comprese tra 180 e 190 gradi Celsius. Dopo il raffreddamento, gli esperti testano caratteristiche quali la resistenza alla trazione e l'elasticità.
Gli isocianati sono altamente reattivi, motivo per cui i poliuretani si formano spesso in pochi minuti. Sebbene l'uso di dicarbammati meno reattivi prolunghi lo stesso processo fino a sei-otto ore, ciò rende molto più facile il controllo e la regolazione. Ciò riduce gli scarti e le fluttuazioni di qualità nella produzione.
Economia circolare per l'industria della plastica
I dicarbammati sono prodotti con un processo ad alta pressione presso il partner del progetto Fraunhofer UMSICHT. Metanolo eCO2 vengono fatti reagire con diammine a una pressione di 50 bar per sintetizzare i dicarbammati. Il Fraunhofer ICT sviluppa processi di riciclaggio per i poliuretani usati, ad esempio da vecchi materiali espansi, che vengono poi ritrattati per produrre nuovi prodotti PUR. "In questo modo contribuiamo all'obiettivo di un'economia circolare sostenibile senza emissioni di gas serra", riassume Herfurth.
Come prima applicazione, i ricercatori del Fraunhofer hanno puntato sulla produzione di tubi per cateteri biocompatibili per applicazioni mediche. Il Fraunhofer IFAM utilizza il sistema modulare variabile per sviluppare adesivi che consentano di incollare le cannule al tubo.
La tecnologia per la produzione di poliuretani privi di isocianati funziona ora anche al di fuori del laboratorio. "Ora siamo in grado di produrre diversi chilogrammi di NIPU nel nostro impianto pilota. Nella fase successiva, sarà possibile produrre diverse centinaia di chilogrammi di NIPU presso il Fraunhofer Pilot Plant Center for Polymer Synthesis and Processing PAZ di Schkopau", afferma Herfurth.
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