Bioplastiche: il futuro dell’industria delle materie plastiche

Senza la plastica moderna, uno sviluppo così importante nei settori automobilistico, aerospaziale e medico non sarebbe possibile. La maggior parte delle materie plastiche sono prodotte come risultato della lavorazione di una materia prima di base non rinnovabile – petrolio greggio – e non sono biodegradabili, che è il loro principale svantaggio. Guardando da una prospettiva globale, il continuo sfruttamento del petrolio greggio porta direttamente all’esaurimento delle sue risorse. Questo è un problema significativo, anche se al momento non è così evidente come il problema della quantità di rifiuti generati dopo l’uso della plastica . Dovresti essere consapevole che il loro tempo di decomposizione nell’ambiente naturale può arrivare a diverse generazioni.

Problema dei rifiuti: quali sono le statistiche?

La ricerca indica che il 75 %delle materie plastiche che sono state immesse sul mercato dall’inizio della loro produzione sono già diventate rifiuti. Si tratta di 6,3 miliardi di tonnellate , di cui meno del 10%è stato riciclato e il 12 %sottoposto a recupero energetico. Ciò significa che circa 5 miliardi di tonnellate di plastica vengono raccolte nelle discariche , ma anche scartate in foreste, acque, spiagge e discariche illegali sparse in tutto il mondo. Sono i rifiuti che vivono nell’ambiente marino che hanno il maggiore impatto sull’ambiente naturale e sull’uomo. Attualmente, il problema più grande sono i rifiuti urbani, compresi gli imballaggi una tantum . Costruire costituisca circa l’8 %del peso totale di tutta la spazzatura, a causa del basso peso specifico occupa un volume significativo, costituendo quasi il 30 %del volume di tutti i rifiuti. Questo gruppo comprende principalmente bottiglie in polietilene tereftalato (PET) e sacchetti della spesa, sacchetti per colazione o imballaggi in alluminio in polietilene (PE) o polipropilene (PP). Il maggior destinatario di imballaggi è l’ industria alimentare , che consuma circa il 60 %di tutti gli imballaggi.

Un’alternativa ecologica: le bioplastiche

A causa del crescente problema con la gestione dei rifiuti di plastica, sono in corso ricerche per sviluppare nuovi materiali polimerici biodegradabili , denominati colloquialmente bioplastiche . Tali materiali dovrebbero avere proprietà utili paragonabili a quelle ottenute con metodi convenzionali. Sono ottenuti su scala industriale da materie prime rinnovabili e petrolchimiche. Rispetto alle plastiche tradizionali prodotte da fonti fossili, le bioplastiche presentano numerosi vantaggi preziosi. Innanzitutto per risparmiare materie prime grazie a biomasse che si rinnovano ciclicamente. Inoltre, la loro produzione e il loro utilizzo sono a emissioni zero, il che significa che la loro lavorazione non sono stati registrati alla produzione di anidride carbonica. Inoltre, alcuni tipi di bioplastica sono biodegradabili.

Quali sono i tipi di bioplastiche?

Le bioplastiche possono essere suddivise in tre gruppi a seconda della fonte di origine e della biodegradabilità:

• plastica derivata da materie prime rinnovabili , ma non biodegradabile, ad esempio poliammide (PA), polietilene tereftalato (PET),

• plastica biodegradabile , ma non da materie prime rinnovabili – ad esempio 1,4-butilene 1,4-butilene 1,4-butadiene tereftalato (PBAT) o policaprolattone (PCL),

• materiali a base biologica derivati da materie prime rinnovabili (polimeri biodegradabili), biodegradabili – es. Polilattide, cioè materiale a base di acido polilattico (PLA), poliglicolide a base di acido glicolico (PGA) o amido modificato.

Tra i suddetti materiali, il ruolo dominante è svolto dal PLA (polilattide), che quantitativamente rappresenta circa il 40 %di tutti i polimeri biodegradabili. Viene spesso chiamato "double green" in quanto è sia biodegradabile che derivato da materie prime rinnovabili. Il polilattide è un polimero con proprietà simili al polistirene, poiché è rigido e fragile. È caratterizzato da una temperatura di transizione vetrosa di ca. 57 ° C e un punto di fusione compreso tra 170 e 180 ° C. Possiede anche buone proprietà di resistenza (modulo di resistenza da 60 MPa).

Dove vengono utilizzati materiali biodegradabili a base biologica?

Un gruppo di bioplastiche a base di polimeri biodegradabili ha trovato applicazione in due aree. Il primo è un ramo altamente specializzato della medicina e dell’ingegneria dei tessuti , dove questo tipo di plastica viene utilizzato per produrre elementi come fili chirurgici bioriassorbibili, bretelle, clip, impianti, capsule per il dosaggio controllato di medicinali, ecc. La seconda area è relativa alla produzione in serie di imballaggi, fogli dedicati ai prodotti alimentari, fogli termoformati, sacchetti per rifiuti, vassoi, bicchieri, bottiglie, posate, fogli da giardino, prodotti usa e getta, elementi di interior design, materiali di rivestimento in carta e per la stampa. La sostituzione degli imballaggi prodotti con plastiche convenzionali con sostituti biodegradabili fa parte della tendenza dell’economia dello sviluppo sostenibile e della riduzione dei rifiuti.

Svantaggi delle bioplastiche

Nonostante i numerosi vantaggi, va ricordato che i materiali polimerici biodegradabili presentano anche degli inconvenienti che ne limitano la diffusione. Per questo motivo, perdono ancora in molte aree a causa delle loro controparti non biodegradabili. Prima di tutto, le bioplastiche biodegradabili sono più costose di quelle attualmente in commercio, anche se vale la pena notare che il loro prezzo è in costante stabil . Si prevede che nei prossimi anni possa essere pari al prezzo dei classici materiali polimerici di origine petrolchimica. Molti di loro sono inferiori ai materiali convenzionali anche in termini di proprietà meccaniche, cioè sono troppo fragili o rigidi o hanno una resistenza alla trazione troppo bassa. A causa dell’uso frequente di questi materiali per la produzione di imballaggi alimentari , sono necessarie anche proprietà barriera appropriate. Sono importanti per la permeabilità all’ossigeno, all’anidride carbonica e al vapore acqueo, che influiscono negativamente sul prodotto confezionato. Inoltre, una causa della sensibilità dei polimeri biodegradabili al calore, all’umidità e alle sollecitazioni di taglio, sono più impegnativi nel processo di produzione rispetto ai loro controparti non biodegradabili. Per questi motivi, le bioplastiche possono essere parzialmente degradate già nella fase di lavorazione. I citati svantaggi dei materiali polimerici biodegradabili sono la base per condurre ricerche nel campo del miglioramento delle loro proprietà o delle caratteristiche funzionali sfavorevoli.

Additivi che modificano le proprietà delle plastiche biodegradabili

Le bioplastiche contengono, oltre ai polimeri, altri materiali e additivi che insieme determinano le possibilità di lavorazione e le caratteristiche del prodotto finale. Questi possono essere additivi usati per stabilizzare materiali, pigmenti, riempitivi vari o additivi plastificanti ( plastificanti ). Sebbene gli additivi plastificanti rappresentino una piccola percentuale di tutti i componenti della plastica, è estremamente importante per le plastiche biodegradabili che tutti siano anche biodegradabili. Gli additivi introdotti durante la lavorazione non modificano la struttura del biopolimero, ma reagiscono solo con la sua struttura. Ciò modifica le proprietà fisiche-chimiche dei materiali, conferendo ai prodotti le proprietà utilizzabili richieste. Parallelamente allo sviluppo dinamico delle bioplastiche dedicate agli imballaggi, cresce la necessità di additivi plastificanti che siano compatibili con i polimeri biodegradabili e conferiscano alle plastiche le proprietà desiderate.

Nuovo bioprogetto nel gruppo PCC

Come risultato del lavoro congiunto dei dipartimenti di ricerca di PCC MCAA e PCC Exol, è in fase di sviluppo un nuovo gruppo di prodotti nell’ambito del progetto CITREX. Si tratta di prodotti plastificanti dedicati a imballaggi speciali, film, laminati alimentari , ma anche di potenziale utilizzo nella produzione di giocattoli. Lo sviluppo di prodotti che soddisfino le esigenze del mercato e allo stesso tempo siano un’innovazione di prodotto è una delle principali sfide della ricerca. Sia la sintesi di tali prodotti che la loro applicazione richiedono un riconoscimento approfondito in molti ambiti, compresi quelli riguardanti il percorso di sintesi, i metodi di analisi, le possibili applicazioni e le informazioni sui consumatori e sui concorrenti del mercato di riferimento. Raggiungere, l’obiettivo fondamentale del progetto non è solo sviluppare additivi plastificanti, ma soprattutto acquisire la conoscenza delle proprietà e delle applicazioni di questi prodotti.

Requisiti per plastificanti per bioplastiche

I criteri chiave che devono essere soddisfatti dagli additivi plastificanti dedicati ai polimeri biodegradabili sono:

• nessuna migrazione di plastificanti dalle bioplastiche sotto l’influenza di alte temperature e tempi di conservazione

Ridurre la migrazione degli additivi plastici è un aspetto chiave nello sviluppo delle loro strutture. Il fenomeno della migrazione può essere definito colloquialmente come la "fuoriuscita" del plastificante. Nel caso di un prodotto finito, può comportare la perdita delle proprietà del materiale e il deterioramento della sua estetica – uno scolorimento del prodotto o una distorsione della sua forma.

In pratica, la migrazione può essere limitata aggiustando il peso molecolare appropriato del plastificante (la sua massa) e modificando la sua struttura chimica verso una più ramificata o lineare.

• biodegradabilità

L’additivo plastificante aggiunto alla bioplastica deve soddisfare il criterio di biodegradabilità. Ciò significa che dovrebbe facilmente subire un processo di decomposizione naturale, ad esempio mediante compostaggio, che non provoca la formazione di sostanze nocive. Uno dei modi per aumentare la biodegradabilità dei prodotti è l’uso di materie prime di origine naturale, come gli acidi carbossilici e altre materie prime biodegradabili nella sintesi chimica.

I criteri sopra tutti sono bene sia alla modifica della struttura chimica che alla selezione delle materie prime utilizzate, il giusto peso molecolare del composto da sintetizzare. La loro realizzazione è un’enorme sfida di ricerca dal punto di vista della progettazione di additivi plastificanti appropriati e della conduzione della loro sintesi. L’attuazione del progetto richiede molti test di laboratorio per ottenere composti di qualità e strutture ripetibili.

Innovazione dei prodotti in fase di sviluppo

L’attrattiva del nuovo prodotto deriva anche dalla sua capacità di innovazione . Gli additivi plastificanti sviluppati nell’ambito del progetto CITREX sono caratterizzati da una combinazione innovativa di bioacidi carbossilici naturali (ambra e citrico), polioli prodotti da PCC Rokita e alcool laurilico utilizzato nei prodotti cosmetici, e quindi non tossici. Allo stesso tempo, i prodotti fabbricati hanno un peso molecolare rigorosamente definito, che ha lo scopo di limitare la migrazione degli additivi dal prodotto finale. L’obiettivo principale nella progettazione di nuove strutture molecolari era quello di creare una tale molecola che interagisse con il biopolimero contenuto nelle bioplastiche (sul principio "il simile attrae il simile"), che ha anche un impatto sulla riduzione del processo di migrazione e contribuirà a soddisfare i requisiti per gli additivi plastificanti. L’ottenimento di un campione di laboratorio del prodotto è la prima fase preliminare della ricerca svolta nell’ambito del progetto CITREX. Allo stesso tempo, è l’inizio della fase successiva, che consiste nel testare le proprietà applicative di determinati prodotti. Un esame approfondito delle proprietà di questi prodotti è la base nella selezione delle applicazioni mirate.

Il futuro del mercato delle bioplastiche

Il mercato delle bioplastiche e dei bioadditivi è sicuramente un mercato promettente e in rapida crescita, particolarmente evidente negli ultimi tempi. Ciò è dovuto, tra l’altro, alla crescente consapevolezza dei consumatori dell’impatto negativo della plastica sull’ambiente . I consumatori consapevoli si rivolgono sempre più a sostituti ecologici per imballaggi e prodotti usa e getta realizzati con plastica convenzionale. Di conseguenza, c’è un continuo aumento della domanda di vari elementi in bioplastica, come contenitori o posate in PLA.