La lavorazione dei polimeri può essere utilizzata per trasformare i rifiuti di plastica in materie plastiche di qualità superiore
Proprietà più pregiate rispetto al materiale di base
I chimici dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno trovato un modo per creare nuove macromolecole con proprietà più preziose di quelle del materiale originale, lavorando i polimeri della plastica scartata. L'upcycling potrebbe contribuire a ridurre i 450 milioni di tonnellate di plastica che vengono gettati via ogni anno nel mondo. Solo il 9% viene riciclato, il resto viene incenerito o finisce in discarica, negli oceani o altrove.
Per riciclare i polimeri della plastica dismessa, i chimici dell'Oak Ridge National Laboratory hanno trovato un modo per creare nuove macromolecole con proprietà più preziose di quelle del materiale originale.
Adam Malin/ORNL, U.S. Dept. of Energy
L'invenzione dell'ORNL potrebbe cambiare il destino ambientale della plastica riorganizzando i blocchi di costruzione dei polimeri per personalizzarne le proprietà. Le subunità molecolari si combinano per formare catene polimeriche che possono legarsi attraverso le loro dorsali e molecole reticolate per formare plastiche multiuso. La struttura delle catene polimeriche determina la forza, la rigidità o la resistenza al calore di queste plastiche.
L'editing molecolare è così promettente che è stato alla base di due premi Nobel per la chimica. Nel 2005, il premio è andato agli sviluppatori della reazione di metatesi, che rompe e crea doppi legami tra gli atomi di carbonio di anelli e catene in modo che le loro subunità possano essere scambiate per creare nuove molecole limitate solo dall'immaginazione. Allo stesso modo, nel 2020, il premio è andato agli sviluppatori di CRISPR, "forbici genetiche" per modificare i filamenti di DNA, biopolimeri di subunità nucleotidiche che portano il codice della vita.
"Questo è il CRISPR per la modifica dei polimeri", ha detto Jeffrey Foster dell'ORNL, che ha guidato uno studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society. "Tuttavia, invece di modificare filamenti di geni, stiamo modificando catene di polimeri. Non si tratta del tipico scenario di riciclaggio della plastica 'sciogli e spera nel meglio'".
I ricercatori dell'ORNL hanno preso di mira polimeri disponibili in commercio che contribuiscono in modo significativo ai rifiuti di plastica. In alcuni esperimenti, i ricercatori hanno lavorato con il polibutadiene morbido, spesso utilizzato negli pneumatici di gomma. In altri esperimenti hanno lavorato con il più duro acrilonitrile-butadiene-stirene, usato per produrre giocattoli di plastica, tastiere di computer, tubi di ventilazione, copricapi, rivestimenti e modanature di veicoli ed elettrodomestici da cucina.
"Si tratta di un flusso di rifiuti che in realtà non viene affatto riciclato", ha dichiarato Foster. "Con questa tecnologia affrontiamo una parte significativa del flusso di rifiuti. Il solo fatto di risparmiare massa ed energia da materiali che oggi finiscono in discarica avrebbe un impatto notevole".
La dissoluzione dei polimeri di scarto è il primo passo per produrre additivi drop-in per la sintesi dei polimeri. I ricercatori hanno triturato il polibutadiene sintetico o commerciale e l'acrilonitrile-butadiene-stirene e hanno immerso il materiale in un solvente, il diclorometano, per eseguire una reazione chimica a bassa temperatura (40 gradi Celsius) per meno di due ore.
Un catalizzatore di rutenio ha facilitato la polimerizzazione o l'aggiunta di polimeri. Le aziende industriali hanno già utilizzato questo catalizzatore per produrre plastiche robuste e per convertire facilmente la biomassa, come gli oli vegetali, in carburanti e altri composti organici di alto valore, evidenziando il potenziale del suo utilizzo nell'upcycling chimico.
I blocchi molecolari della spina dorsale dei polimeri contengono gruppi funzionali o cluster di atomi che servono come siti reattivi per le modifiche. In particolare, i doppi legami tra i carboni aumentano le possibilità di reazioni chimiche che consentono la polimerizzazione. Un anello di carbonio si apre in corrispondenza di un doppio legame per formare una catena polimerica che cresce con ogni unità polimerica funzionale aggiuntiva, preservando il materiale. L'additivo plastico aiuta anche a controllare il peso molecolare del materiale sintetizzato e quindi le sue proprietà e prestazioni.
Se questa strategia di sintesi dei materiali potesse essere estesa a una gamma più ampia di polimeri importanti per l'industria, potrebbe rivelarsi un modo economicamente vantaggioso per riutilizzare i materiali di produzione che attualmente possono essere utilizzati solo per un singolo prodotto. I materiali riciclati potrebbero, ad esempio, essere più morbidi e duttili dei polimeri originali o forse più facili da modellare e polimerizzare in prodotti termoindurenti durevoli.
Gli scienziati hanno riciclato i rifiuti plastici utilizzando due processi contemporaneamente. Entrambi comportano una sorta di metatesi, cioè un cambiamento di posizione. I doppi legami si rompono e si formano tra gli atomi di carbonio in modo che le subunità del polimero possano essere scambiate.
In un processo, noto come polimerizzazione per metatesi ad apertura anulare, gli anelli di carbonio vengono aperti ed estesi per formare catene. Nell'altro processo, noto come metatesi incrociata, le catene di subunità polimeriche di una catena polimerica vengono inserite in un'altra.
Nel riciclaggio convenzionale, il valore della plastica scartata non viene riconosciuto, poiché vengono riutilizzati polimeri che perdono valore ogni volta che vengono fusi e riutilizzati a causa della degradazione. Al contrario, l'innovativo upcycling dell'ORNL utilizza i blocchi di costruzione esistenti per assumere la massa e le proprietà del materiale di scarto e creare funzionalità e valore aggiuntivi.
"Il nuovo processo ha un'elevata economia dell'atomo", spiega Foster. "Ciò significa che possiamo recuperare praticamente tutto il materiale che utilizziamo".
Gli scienziati dell'ORNL hanno dimostrato che il processo, che utilizza meno energia e produce meno emissioni rispetto al riciclaggio convenzionale, integra in modo efficiente i materiali di scarto senza compromettere la qualità del polimero. Foster, Ilya Popovs e Tomonori Saito hanno sviluppato le idee per lo studio. Nicholas Galan, Isaiah Dishner e Foster hanno sintetizzato le subunità monomeriche e ottimizzato la loro polimerizzazione. Joshua Damron ha condotto esperimenti di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare per analizzare la cinetica di reazione. Jackie Zheng, Chao Guan e Anisur Rahman hanno caratterizzato le proprietà meccaniche e termiche dei materiali finiti.
"La visione è che questo concetto possa essere esteso a tutti i polimeri che hanno un gruppo funzionale nella spina dorsale con cui possono reagire", dice Foster. Se scalato ed esteso ad altri additivi, si potrebbero ottenere altre classi di rifiuti per i blocchi molecolari, riducendo drasticamente l'impatto ambientale di altre plastiche difficili da lavorare. L'economia circolare - in cui i materiali di scarto vengono riutilizzati anziché gettati - diventerebbe quindi un obiettivo più realistico.
In seguito, i ricercatori vogliono modificare e riorganizzare i tipi di subunità nella catena polimerica per vedere se possono essere utilizzati per produrre materiali termoindurenti ad alte prestazioni. Tra gli esempi vi sono le resine epossidiche, la gomma vulcanizzata, il poliuretano e il silicone. Dopo la polimerizzazione, i materiali termoindurenti non possono essere rifusi o rimodellati perché la loro struttura molecolare è reticolata. Ciò rende il loro riciclaggio una sfida.
I ricercatori sono anche interessati a ottimizzare i solventi durante la lavorazione industriale per quanto riguarda la compatibilità ambientale.
"Per questi rifiuti plastici è necessario un certo pre-trattamento, che dobbiamo ancora scoprire", afferma Foster.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Jeffrey C. Foster, Joshua T. Damron, Jackie Zheng, Chao Guan, Ilja Popovs, Md. Anisur Rahman, Nicholas J. Galan, Isaiah T. Dishner, Tomonori Saito; "Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm"; Journal of the American Chemical Society, Volume 146, 2024-10-29
Altre notizie dal dipartimento scienza
