Bioplastiche: il futuro dell’industria delle materie plastiche

Senza le plastiche moderne, uno sviluppo così importante nei settori automobilistico, aerospaziale e medico non sarebbe possibile.

La maggior parte delle plastiche viene prodotta come risultato della lavorazione di materie prime di base non rinnovabili, il petrolio greggio, e non è biodegradabile, il che rappresenta il loro principale svantaggio. Da una prospettiva globale, lo sfruttamento continuo 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’utilizzo delle plastiche . Dovresti sapere che il loro tempo di decomposizione nell’ambiente naturale può arrivare fino a diverse generazioni.

Problema dei rifiuti: quali sono le statistiche?

Le ricerche indicano che il 75 %delle materie plastiche 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 nelle foreste, nelle acque, sulle spiagge e nelle discariche abusive sparse in tutto il mondo. Sono i rifiuti che si verificano nell’ambiente marino ad avere il maggiore impatto sull’ambiente naturale e sull’uomo.

Attualmente, il problema più grande sono i rifiuti urbani, compresi gli imballaggi monouso . Sebbene costituiscano circa l’8 %del peso totale di tutti i rifiuti, a causa del basso peso specifico occupano un volume significativo, costituendo quasi il 30 %del volume di tutti i rifiuti. Questo gruppo comprende principalmente bottiglie in polietilene tereftalato (PET) e sacchetti per la spesa, sacchetti per la colazione o imballaggi in alluminio in polietilene (PE) o polipropilene (PP) . Il principale destinatario degli imballaggi è l’ industria alimentare , che consuma circa il 60 %di tutti gli imballaggi.

Un’alternativa ecologica: la bioplastica

A causa del crescente problema della gestione dei rifiuti di plastica, si stanno conducendo ricerche per sviluppare nuovi materiali polimerici biodegradabili , colloquialmente denominati bioplastiche . Tali materiali dovrebbero avere proprietà utili paragonabili a quelle ottenute con metodi convenzionali. Sono ottenuti su scala industriale da materie prime sia rinnovabili che petrolchimiche.

Rispetto alle plastiche tradizionali prodotte da fonti fossili, le bioplastiche presentano una serie di preziosi vantaggi. Innanzitutto, consentono di risparmiare materie prime grazie all’uso di biomassa che si rinnova ciclicamente. Inoltre, la loro produzione e il loro utilizzo sono carbon-neutral, il che significa che la loro lavorazione non contribuisce 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:

• materie plastiche derivate da materie prime rinnovabili , ma non biodegradabili – ad esempio poliammide (PA), polietilene tereftalato (PET),

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

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

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

Dove vengono utilizzati materiali biologici biodegradabili?

Un gruppo di plastiche di origine biologica basate su polimeri biodegradabili ha trovato applicazione in due aree. La prima è un ramo altamente specializzato della medicina e dell’ingegneria tissutale , dove questo tipo di plastica viene utilizzato per produrre elementi quali fili chirurgici bioriassorbibili, tutori, clip, impianti, capsule per il dosaggio controllato di medicinali, ecc. La seconda area è correlata alla produzione in serie di imballaggi, pellicole dedicate ai prodotti alimentari, pellicole termoformabili, sacchetti per rifiuti, vassoi, tazze, bottiglie, posate, pellicole da giardino, prodotti monouso, elementi di interior design, materiali di rivestimento in carta e per la stampa. La sostituzione degli imballaggi prodotti da 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, è opportuno ricordare che i materiali polimerici biodegradabili presentano anche degli svantaggi che ne limitano l’uso diffuso. Per questo motivo, in molti ambiti perdono ancora terreno rispetto alle loro controparti non biodegradabili. Innanzitutto, le bioplastiche biodegradabili sono più costose di quelle attualmente in commercio, anche se vale la pena notare che il loro prezzo è in costante calo . Si prevede che nei prossimi anni potrebbe essere pari al prezzo dei classici materiali polimerici di origine petrolchimica. Molti di essi sono inferiori ai materiali convenzionali anche in termini di proprietà meccaniche, ovvero sono troppo fragili o rigidi oppure hanno una resistenza alla trazione troppo bassa.

A causa del frequente utilizzo di questi materiali per la produzione di imballaggi alimentari , sono richieste anche adeguate proprietà barriera . Sono importanti a causa della permeabilità all’ossigeno, all’anidride carbonica e al vapore acqueo, che possono influire negativamente sul prodotto confezionato.

Inoltre, a causa della sensibilità dei polimeri biodegradabili al calore, all’umidità e agli stress di taglio, sono più esigenti nel processo di fabbricazione rispetto alle loro controparti non biodegradabili. Per queste ragioni, le bioplastiche possono essere parzialmente degradate già nella fase di lavorazione. Gli svantaggi menzionati dei materiali polimerici biodegradabili sono la base per condurre ricerche nel campo del miglioramento delle loro proprietà o della limitazione 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. Possono essere additivi utilizzati per stabilizzare i materiali, pigmenti, vari riempitivi 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 siano tutti biodegradabili. Gli additivi introdotti durante la lavorazione non modificano la struttura del biopolimero, ma reagiscono solo con la sua struttura. Ciò modifica le proprietà fisico-chimiche dei materiali, conferendo ai prodotti le proprietà utilizzabili richieste.

Parallelamente allo sviluppo dinamico delle bioplastiche dedicate agli imballaggi specialistici, c’è una crescente necessità di additivi plastificanti che siano compatibili con i polimeri biodegradabili e conferiscano alle plastiche le proprietà desiderate.

Nuovo bio-progetto nel Gruppo PCC

Come risultato del lavoro congiunto dei dipartimenti di ricerca di PCC MCAA e PCC Exol, un nuovo gruppo di prodotti è in fase di sviluppo come parte del progetto CITREX. Si tratta di prodotti plastificanti dedicati a imballaggi specialistici, pellicole, laminati alimentari , ma anche di potenziale utilizzo nella produzione di giocattoli. Lo sviluppo di prodotti che soddisfino i requisiti del mercato e che siano allo stesso tempo un’innovazione di prodotto è una sfida importante per la 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 nel mercato di riferimento. Pertanto, l’obiettivo fondamentale del progetto non è solo quello di sviluppare additivi plastificanti, ma soprattutto di acquisire conoscenze sulle proprietà e le applicazioni di questi prodotti.

Scopri di più sugli additivi polimerici.

Requisiti per i plastificanti per le 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 fondamentale nello sviluppo delle loro strutture. Il fenomeno della migrazione può essere definito colloquialmente come la "perdita" di plastificante plastico. Nel caso di un prodotto finito, può comportare la perdita delle proprietà del materiale e il deterioramento della sua estetica, ovvero una decolorazione del prodotto o una distorsione della sua forma.

In pratica, la migrazione può essere limitata regolando 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 tramite compostaggio, che non comporta la formazione di sostanze nocive. Uno dei modi per aumentare la biodegradabilità dei prodotti è l’uso di materie prime di origine naturale, come acidi carbossilici e altre materie prime biodegradabili nella sintesi chimica.

I criteri sopra descritti si riferiscono sia alla modifica della struttura chimica che alla selezione delle materie prime utilizzate, mantenendo il peso molecolare appropriato del composto in fase di sintesi. Il loro adempimento rappresenta un’enorme sfida di ricerca dal punto di vista della progettazione di additivi plastificanti appropriati e della conduzione della loro sintesi. Pertanto, l’implementazione del progetto richiede numerosi test di laboratorio per ottenere composti di qualità e struttura ripetibili.

Innovazione dei prodotti sviluppati

L’attrattiva del nuovo prodotto sul mercato deriva anche dalla sua innovazione . Gli additivi plastificanti sviluppati nell’ambito del progetto CITREX sono caratterizzati da una combinazione innovativa di bioacidi carbossilici naturali (ambra e citrici), polioli prodotti da PCC Rokita e alcol laurilico utilizzato nei prodotti cosmetici, e quindi non tossici. Allo stesso tempo, i prodotti fabbricati hanno un peso molecolare rigorosamente definito, che è destinato a limitare la migrazione degli additivi dal prodotto finale. L’obiettivo principale nella progettazione di nuove strutture molecolari era quello di creare una molecola che interagisse con il biopolimero contenuto nelle bioplastiche (secondo il principio "il simile attrae il simile"), il 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, ovvero il test delle proprietà applicative dei prodotti forniti. 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, cosa che si nota particolarmente 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 monouso realizzati in plastica convenzionale. Di conseguenza, c’è un continuo aumento della domanda di vari elementi realizzati in bioplastiche, come contenitori o posate in PLA.