Come i rifiuti di plastica si trasformano in prodotti di maggior valore
I chimici dell’ETH hanno messo a punto un processo semplice per il riciclo creativo dei rifiuti di polietilene e polipropilene, trasformandoli in adesivi ad alte prestazioni
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Un gruppo di ricercatori dell’ETH di Zurigo sta trasformando i rifiuti di polietilene e polipropilene – due delle materie plastiche più utilizzate al mondo – in un adesivo estremamente resistente e in molti altri prodotti.
Ogni anno nel mondo vengono prodotte circa 450 milioni di tonnellate di plastica. La maggior parte di questo enorme volume viene utilizzata una sola volta per poi finire in un inceneritore o in una discarica. Ciò vale anche per le cosiddette poliolefine, tra cui il polietilene (PE) e il polipropilene (PP). Sotto forma di materiali da imballaggio e pellicole, rappresentano circa la metà del nostro consumo di plastica.
Downcycling o elevato consumo energetico
Sebbene le poliolefine possano essere fuse e rimodellate in nuove forme, questo processo comporta notevoli perdite di qualità. I coloranti presenti nei rifiuti conferiscono al materiale riciclato un colore scuro, mentre il processo di riscaldamento ne compromette la qualità: di conseguenza, il materiale è adatto solo per applicazioni di bassa qualità come vasi da fiori o lastre per pavimentazione.
Finora si è rivelato impossibile scomporre selettivamente le poliolefine nei loro elementi costitutivi di base – i monomeri – a partire dai quali si potrebbero sintetizzare nuovi polimeri di alta qualità. Le olefine, costituite esclusivamente da carbonio e idrogeno, sono prive degli atomi di ossigeno, azoto o cloro necessari per reazioni di scissione mirate. Ad oggi, l’unico metodo praticabile è la scomposizione casuale tramite un processo di riscaldamento ad alto consumo energetico noto come pirolisi. Ciò produce materie prime a base di petrolio da cui i monomeri devono essere ricostruiti.
Upcycling in adesivi ad alte prestazioni
Ora, un team di ricercatori guidato dal chimico dei polimeri e professore dell’ETH Tae-Lim Choi ha sviluppato un processo che consente di trasformare le poliolefine in materie plastiche di maggior valore, anziché limitarsi a riciclarle in modo da ridurne il valore. Per ottenere questo risultato, i ricercatori innestano sulle plastiche ulteriori catene polimeriche dotate di nuove funzionalità. L’ETH di Zurigo ha brevettato il processo e lo ha candidato allo Spark Award. Con questo premio, l’università rende omaggio alla domanda di brevetto più promettente dell’anno.
Hongsik Kim, ricercatore senior del gruppo di Choi e principale responsabile dello sviluppo del metodo, ha realizzato degli adesivi come primo prodotto utilizzando sacchetti e bottiglie di plastica standard. La loro forza adesiva su vari materiali, quali metallo, vetro o legno, soddisfa i requisiti di un adesivo industriale impiegato in giunti portanti e sottoposti a forti sollecitazioni nella produzione di veicoli o attrezzature. La gamma di potenziali applicazioni, tuttavia, è molto più ampia: le catene polimeriche aggiuntive consentono di introdurre nelle poliolefine l’intero spettro delle funzionalità chimiche; dai gruppi polari che interagiscono con l’acqua in misura variabile, passando per acidi e basi, fino a gruppi chimici in grado di subire reazioni molto specifiche.
Gli atomi di cloro reattivi attivano le catene polimeriche
I solventi clorurati sono una componente chimica fondamentale del processo. Quando irradiati con luce a lunghezza d’onda corta, questi solventi possono generare singoli atomi di cloro altamente reattivi, noti come radicali. Questi trasferiscono la loro reattività agli atomi di carbonio nelle catene di poliolefine, dando origine a radicali di carbonio, che possono essere utilizzati come punto di partenza per la sintesi di ulteriori catene polimeriche.
L’idea di utilizzare solventi clorurati per creare siti reattivi nelle catene di poliolefine nasce da una collaborazione tra Choi e il gruppo guidato da Athina Anastasaki, professoressa di Polimeri Sostenibili presso l’ETH di Zurigo. La professoressa ha applicato questo principio al riciclaggio del vetro acrilico, noto anche con il nome commerciale di Plexiglas.
Semplice e controllabile con precisione
I principali vantaggi del metodo recentemente brevettato sono la sua estrema semplicità, l’assenza di costosi reagenti o catalizzatori speciali e il fatto che non richieda temperature di processo elevate.
L’intero processo si svolge in un’unica fase: i rifiuti plastici vengono disciolti in un solvente clorurato, dopodiché vengono aggiunti i monomeri necessari per la sintesi del polimero innestato desiderato.
Inoltre, il processo può essere controllato con precisione: «Siamo in grado di controllare quanti radicali vengono generati – e di conseguenza quanti siti nelle catene di poliolefine vengono attivati per l’innesto – regolando il grado di clorurazione del solvente e la lunghezza d’onda della luce secondo necessità», spiega Kim.
Diventa possibile ottenere plastiche con nuove proprietà
Oltre all’adesivo ora prodotto, sono ipotizzabili molte altre applicazioni di questa tecnologia, come spiega Choi: «L’adesivo è un prodotto di prima generazione. In futuro saranno possibili plastiche con proprietà completamente nuove. In linea di principio, è possibile innestare sulle poliolefine ulteriori polimeri con qualsiasi funzionalità chimica immaginabile».
Da quando il brevetto è stato pubblicato sei mesi fa, i ricercatori hanno già allacciato numerosi contatti con l’industria. Una collaborazione specifica riguarda gli imballaggi alimentari realizzati in plastica poliolefinica, che non solo saranno impermeabili, ma impediranno anche la penetrazione dell’ossigeno. Di conseguenza, gli alimenti si ossidano meno nel congelatore («si ossidano meno») rispetto a quanto avviene con gli attuali imballaggi in polietilene e polipropilene.
Adesivo in grado di migliorare i prodotti riciclati
E la funzionalità adesiva del primo prodotto apre anche ulteriori potenzialità, secondo Kim: «Come legante, tali materiali potrebbero, tra le altre cose, unire la plastica riciclata di bassa qualità in un materiale molto più resistente – e quindi di qualità superiore».
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