O processamento de polímeros pode ser utilizado para transformar resíduos de plástico em plásticos de alta qualidade

A invenção do ORNL poderia alterar o destino ambiental dos plásticos, reorganizando os blocos de construção dos polímeros para personalizar as propriedades dos plásticos. As subunidades moleculares combinam-se para formar cadeias de polímeros que podem ligar-se através das suas espinhas dorsais e moléculas reticuladas para formar plásticos multiusos. A estrutura das cadeias poliméricas determina a força, a rigidez ou a resistência ao calor destes plásticos.

A edição molecular é tão promissora que esteve na base de dois Prémios Nobel da Química. Em 2005, o prémio foi atribuído aos criadores da reação de metátese, que quebra e cria ligações duplas entre átomos de carbono em anéis e cadeias, de modo a que as suas subunidades possam ser trocadas para criar novas moléculas, limitadas apenas pela imaginação. Da mesma forma, em 2020, o prémio foi atribuído aos criadores do CRISPR, uma "tesoura genética" para editar cadeias de ADN, biopolímeros de subunidades de nucleótidos que transportam o código da vida.

"Esta é a CRISPR para editar polímeros", disse Jeffrey Foster do ORNL, que liderou um estudo publicado no Journal of the American Chemical Society. "No entanto, em vez de editar cadeias de genes, estamos a editar cadeias de polímeros. Este não é o típico cenário de reciclagem de plástico 'derreter e esperar pelo melhor'".

Os investigadores do ORNL visaram polímeros disponíveis no mercado que contribuem significativamente para os resíduos plásticos. Em algumas experiências, os investigadores trabalharam com o polibutadieno macio, que é frequentemente utilizado em pneus de borracha. Noutras experiências, trabalharam com o acrilonitrilo-butadieno-estireno, mais duro, que é utilizado no fabrico de brinquedos de plástico, teclados de computador, tubos de ventilação, chapelaria, guarnições e moldes de veículos e aparelhos de cozinha.

"Trata-se de um fluxo de resíduos que, na realidade, não é reciclado de todo", afirmou Foster. "Estamos a lidar com uma parte significativa do fluxo de resíduos com esta tecnologia. Só o facto de pouparmos massa e energia aos materiais que agora acabam em aterros, já teria um impacto bastante grande".

A dissolução dos polímeros residuais é o primeiro passo para produzir aditivos para a síntese de polímeros. Os investigadores trituraram polibutadieno sintético ou comercial e acrilonitrilo-butadieno-estireno e mergulharam o material num solvente, o diclorometano, para realizar uma reação química a baixa temperatura (40 graus Celsius) durante menos de duas horas.

Um catalisador de ruténio facilitou a polimerização ou a adição do polímero. As empresas industriais já utilizaram este catalisador para produzir plásticos robustos e para converter facilmente biomassa, como os óleos vegetais, em combustíveis e outros compostos orgânicos de elevado valor, salientando o potencial da sua utilização na reciclagem de produtos químicos.

Os blocos de construção molecular da espinha dorsal do polímero contêm grupos funcionais ou grupos de átomos que servem como locais reactivos para modificações. Em particular, as ligações duplas entre os carbonos aumentam as possibilidades de reacções químicas que permitem a polimerização. Um anel de carbono abre-se numa ligação dupla para formar uma cadeia de polímero que cresce com cada unidade funcional adicional de polímero, preservando o material. O aditivo plástico também ajuda a controlar o peso molecular do material sintetizado e, por conseguinte, as suas propriedades e desempenho.

Se esta estratégia de síntese de materiais puder ser alargada a uma gama mais vasta de polímeros industrialmente importantes, poderá revelar-se uma forma economicamente viável de reutilizar materiais de fabrico que atualmente só podem ser utilizados para um único produto. Os materiais reciclados poderiam, por exemplo, ser mais macios e mais dúcteis do que os polímeros originais ou talvez mais fáceis de moldar e curar em produtos termoendurecíveis duradouros.

Os cientistas reciclaram resíduos de plástico utilizando dois processos em simultâneo. Ambos envolvem um tipo de metatese, ou seja, uma mudança de localização. As ligações duplas quebram-se e formam-se entre os átomos de carbono para que as subunidades do polímero possam ser trocadas.

Num processo, conhecido como polimerização por metatese de abertura de anel, os anéis de carbono são abertos e estendidos para formar cadeias. No outro processo, conhecido como metatese cruzada, as cadeias de subunidades de polímero de uma cadeia de polímero são inseridas noutra.

Na reciclagem convencional, o valor dos plásticos descartados não é reconhecido, pois são reutilizados polímeros que perdem valor cada vez que são fundidos e reutilizados através da degradação. Em contraste, a reciclagem inovadora do ORNL utiliza os blocos de construção existentes para assumir a massa e as propriedades do material residual e criar funcionalidade e valor adicionais.

"O novo processo tem uma elevada economia de átomos", afirma Foster. "Isso significa que podemos recuperar praticamente todo o material que utilizamos".

Os cientistas do ORNL demonstraram que o processo, que utiliza menos energia e produz menos emissões do que a reciclagem convencional, integra eficientemente os materiais residuais sem comprometer a qualidade do polímero. Foster, Ilya Popovs e Tomonori Saito desenvolveram as ideias para o estudo. Nicholas Galan, Isaiah Dishner e Foster sintetizaram subunidades de monómeros e optimizaram a sua polimerização. Joshua Damron realizou experiências de espetroscopia de ressonância magnética nuclear para analisar a cinética da reação. Jackie Zheng, Chao Guan e Anisur Rahman caracterizaram as propriedades mecânicas e térmicas dos materiais acabados.

"A visão é que este conceito pode ser alargado a todos os polímeros que tenham um grupo funcional na espinha dorsal com o qual possam reagir", diz Foster. Se for ampliado e alargado a outros aditivos, poderão ser obtidas outras classes de resíduos para blocos de construção moleculares, reduzindo drasticamente o impacto ambiental de outros plásticos difíceis de processar. A economia circular - em que os resíduos são reutilizados em vez de deitados fora - torna-se então um objetivo mais realista.

Em seguida, os investigadores pretendem alterar e reorganizar os tipos de subunidades da cadeia polimérica para ver se podem ser utilizadas para fabricar materiais termoendurecíveis de elevado desempenho. Os exemplos incluem resinas epoxídicas, borracha vulcanizada, poliuretano e silicone. Após a cura, os materiais termoendurecíveis não podem ser fundidos ou moldados de novo, uma vez que a sua estrutura molecular é reticulada. Este facto torna a sua reciclagem um desafio.

Os investigadores estão também interessados em otimizar os solventes durante o processamento industrial no que diz respeito à compatibilidade ambiental.

"É necessário algum pré-processamento para estes resíduos plásticos, o que ainda temos de descobrir", diz Foster.