Desenvolupament de polímers reciclats avançats: donant una nova vida als residus de plàstic

2020/04/29 Leire Sangroniz Agudo Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Sariak
• Birziklatzea
• Kimika

Enguany s'han complert 100 anys des que Hermann Staudinger va publicar el seu primer treball sobre macromolècules, que va donar inici a la ciència dels polímers. En l'actualitat, els polímers, inclosos els plàstics, tenen una importància cabdal, ja que s'utilitzen en molts camps, i fins i tot alguns avanços no serien possibles sense aquests materials. No obstant això, quan es compleix el 100 aniversari, els polímers s'enfronten a un gran repte: la gran quantitat de residus que genera el seu ús, la qual cosa ha generat una gran preocupació social. Per a superar aquest repte, a més de reduir l'ús de polímers en general, els científics hem d'investigar noves maneres de reciclar aquests materials i buscar solucions als problemes i barreres que es presenten. Aquest ha estat precisament l'objectiu d'aquesta tesi.

Polímers: materials multifuncionals

En l'actualitat, els polímers, entre els quals es troben els plàstics, són utilitzats en múltiples camps i són fonamentals en la vida quotidiana. Els polímers estan constituïts per unitats repetitives que es caracteritzen per ser molècules gegants d'alt pes molecular, les macromolècules. Aquestes macromolècules s'obtenen mitjançant la reacció de molècules petites, és a dir, monòmers. A través d'un exemple es pot entendre fàcilment: si el monòmer és un clip, el polímer és una cadena llarga formada per enllaços entre clips (Figura 1). Existeixen diversos tipus de polímers que en escalfar-se es fundin i solidifiquen en refredar-se, i el procés pot repetir-se una vegada i una altra.

Els polímers han substituït diversos tipus de materials, com el metall, la fusta i el vidre, pels seus avantatges de ser barats, lleugers i fàcils de processar, és a dir, se'ls dóna forma fàcilment dissipant poca energia. XX. Des que en el segle XX van aparèixer els primers polímers sintètics, s'han desenvolupat diversos polímers per a cobrir totes les necessitats de les aplicacions. Els polímers poden presentar una gran varietat de propietats, per la qual cosa s'utilitzen en múltiples aplicacions, principalment en envasament, medicina o energies renovables (Figura 1).

El problema dels residus de plàstic

En els últims anys l'ús de polímers ha generat un gran debat i preocupació en la societat, ja que generen gran quantitat de residus i els acaben dispersos en el medi ambient. Segons dades de la Unió Europea (figura 2), en 2018 es van generar 29,1 milions de tones de residus plàstics: El 32% es va reciclar i el 43% es va enviar a incineradores per a recuperar energia, mentre que el 25% es va dipositar en abocadors. Aquestes dades posen de manifest la necessitat de fomentar el reciclatge de plàstics, per al que és absolutament necessari investigar el reciclatge de materials i buscar possibles aplicacions. Aquest ha estat un dels objectius d'aquesta tesi.

Tereftalato de polietilè: embotellat

Si es consideren totes les indústries, l'envasament és el sector que més materials recicla. En l'envasament s'utilitzen diferents polímers, entre els quals destaquen les poliolefinas, és a dir, el polipropilè (PP), alguns tipus de polietilè (PE) i el tereftalato de polietilè (PET). El PET és molt utilitzat en la fabricació d'ampolles per les seves característiques mecàniques i resistència química. Donada la importància d'aquest material en aquest sector i la curta vida d'ús d'aquests envasos, s'ha desenvolupat molt la manera de reciclar-los. En la figura 3 es mostra el procés de reciclatge del PET, recollint les ampolles i transportant-les a l'empresa, triturant-les, netejant-les i assecant-les i procedint finalment al seu processament, obtenint planxes o fils.

Actualment a França, les nanopartícules de diòxid de titani (TiO2) s'afegeixen al PET per a la fabricació d'ampolles de llet. De fet, el diòxid de titani protegeix el contingut de la radiació ultraviolada (llet) i dificulta el filtrat dels gasos. Però aquestes nanopartícules impedeixen el reciclatge del material. D'una banda, la incorporació de nanopartícules suposa una pèrdua de transparència, mentre que el PET transparent és el que més demanda té en el mercat. D'altra banda, el PET amb diòxid de titani ha de contenir menys del 15% del material reciclat, en cas contrari es produeixen problemes de bobinatge (Figura 3). En conseqüència, en les plantes de reciclatge, el PET amb diòxid de titani es reparteix, la qual cosa encareix el procés. També cal tenir en compte que els taps de les ampolles estan fabricats en polietilè o polipropilè, per la qual cosa abans del seu reciclatge és necessari separar el cos de les ampolles i els taps, la qual cosa també encareix el procés.

Com el PET/TiO2 no pot ser reciclat, es pot emportar a abocadors o a incineradores per a recuperar energia, però aquestes opcions no són sostenibles. Des del punt de vista ambiental és una opció més sostenible el reciclatge d'ampolles amb taps i el desenvolupament de materials avançats, de manera que un residu no reciclable pugui ser utilitzat com a matèria primera, donant una nova vida al material.

Reciclatge de l'ampolla sencera: Composite de mescla PET/PE/TiO2

En reciclar l'ampolla sencera amb taps s'obté el composite de mescla PET/PE/TiO2. A pesar que el reciclatge en massa és l'opció més econòmica, és necessari analitzar les característiques d'aquest sistema si es volen donar diferents aplicacions. En primer lloc, es prepararà una mescla de composició similar al material reciclat, utilitzant materials comercials, que s'utilitzarà per a dur a terme la recerca. Per a conèixer la composició del material reciclat s'han utilitzat diverses tècniques, comparant les dades amb una ampolla de llet francesa. Una vegada coneguda la composició, s'han afegit en el mesclador les quantitats adequades de PET, PE i diòxid de titani comercials. El material s'escalfa perquè es funda i es barregi.

Una vegada preparat el composite de mescla s'ha d'investigar la seva morfologia, és a dir, com s'organitza el PET, el PE i el TiO2. Per a això s'ha utilitzat la microscòpia electrònica. Així, s'ha observat que en els composites de mescla PET/PE/TiO2 les gotes de PE es troben disperses per la matriu PET, ja que aquests dos polímers són inmiscibles. El diòxid de titani se situa en la interfase entre les dues fases de polímer (Figura 4). Les nanopartícules de TiO2 redueixen la grandària de les gotes de polietilè, la qual cosa resulta beneficiós ja que milloren les seves propietats físiques, especialment les mecàniques.

També s'ha analitzat la capacitat d'abocament del material, és a dir, la resposta reològica d'aquest. L'estudi d'aquesta característica és de vital importància, ja que és necessari escalfar els polímers i abocar-los adequadament perquè omplin el motlle prenent la seva forma. En aquest treball s'ha demostrat que les nanopartícules han augmentat la seva capacitat d'emissió, per la qual cosa el processament de polímers requerirà menys energia que el processament amb PET.

Finalment, s'han investigat algunes de les propietats de fi de vida del material. S'han mesurat, entre altres, la permeabilitat d'alguns gasos i vapors. Segons els resultats obtinguts, el composite de mescla PET/PE/TiO2 presenta bones propietats barrera per a l'oxigen i el vapor d'aigua.

Quant a les característiques mecàniques, la mescla PET/PE/TiO2 presenta una rigidesa adequada, mentre que quant a la deformació de trencament presenta una deformitat superior a la del PET reciclatge.

Segons aquests estudis, el material resultant del reciclatge de tota l'ampolla podria ser utilitzat per a l'envasament degut a les seves propietats barrera i característiques mecàniques adequades. A més, es pot utilitzar per a la fabricació de panells de plàstic interiors i altres peces en els cotxes per les seves característiques mecàniques.

Desenvolupament de materials reciclats intel·ligents: Efecte Joule

Més enllà d'un pas, s'han desenvolupat materials intel·ligents incorporant nanopartícules conductores en el procés de reciclatge. Els materials intel·ligents són materials capaços de respondre a un estímul extern, canviant les seves característiques físiques o químiques. En la tesi s'ha utilitzat l'efecte d'escalfament de Joule, mitjançant el qual en aplicar un corrent elèctric a un material semiconductor, la temperatura augmenta.

En aquest cas s'ha optat per una altra poliolefina molt utilitzada en l'envasament, el polipropilè. S'han utilitzat tant polipropilè (PP) nou com a reciclatge i s'han afegit nanotubos de carboni (KNT) amb l'objectiu d'obtenir materials semiconductors. La figura 5 mostra el sistema utilitzat per a mesurar l'efecte Joule. S'ha connectat a la mostra un dispositiu elèctric que aplica corrent continu i s'ha utilitzat una càmera d'infrarojos per a mesurar la temperatura. A les mostres se'ls ha aplicat una tensió elèctrica diferent, obtenint els resultats que es mostren en la Figura 5. En el cas de PP nou i KNT, la temperatura pot elevar-se fins a gairebé 90 °C aplicant una tensió de 20V. En el cas de PP reciclat i KNT, per contra, l'increment de temperatura és menor (per les raons que s'exposen més a baix): L'aplicació de 50V suposa un augment de temperatura d'uns 40 °C.

Segons les anàlisis realitzades en laboratori, el PP reciclat conté impureses, principalment diòxid de titani i restes de talc i altres compostos inorgànics. Aquestes partícules no són conductors i dificulten la conductivitat entre nanotubos. No obstant això, els resultats mostren que també en el PP reciclat es produeix un efecte Joule significatiu.

Així, s'ha demostrat que una via adequada per a l'obtenció de materials semiconductors és l'addició de nanotubos de carboni al polipropilè reciclat. Aquests materials són intel·ligents, ja que en aplicar la tensió elèctrica s'escalfen i poden tenir múltiples aplicacions, com l'ús del corrent com a adhesiu desprès en un o en les mantes tèrmiques. Una altra aplicació interessant és el desenvolupament de membranes, ja que la permeabilitat varia molt amb la temperatura, és a dir, canvia la quantitat d'un gas o vapor que travessa una membrana. Aquesta ha estat l'aplicació que s'ha investigat en aquest treball. Depenent de la tensió aplicada, podem controlar la temperatura de la membrana. Així, es poden obtenir diferents valors de permeabilitat en funció de la tensió aplicada, tal com es pot observar en la figura 5. Aquests materials poden tenir aplicacions en sensors o processos de dessalinització de l'aigua, entre altres.

Bibliografia

Areizaga, J.; Cortazar, M.; Elorza, J. M.; Iruin, J. J. Butxaca (Sintesis, Madrid 2002).

Comite Technique pour le Recyclage donis Emballages Plastiques (Cotrep) (2015). “Noti preliminaire 2. Impact du development du PET enfosqueixi blanc sud le recyclage donis emballages en PET”.

El-Tantawy, F. (2001). “Joule Heating treatments of conductive butyl rubber/ceramic superconductor composites: A new way for improving the stability and reproducibility?”, European Polymer Journal, 37: 565-574.

Iruin, J. J.; Elortza, J. M. Química Física Macromolecular (UEU, 1998).

Plastics Europe (2019). Plastics-The Facts. (Brussels, Belgium).

Roy, D.; Cambre, J.N. ; Summerlin, S.A. (2010). “Future perspectives and recent advances in stimuli-responsive materials”, Progress in Polymer Science, 35: 278-301.