Desenvolvemento de polímeros reciclados avanzados: dando una nova vida aos residuos de plástico

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

• Sariak
• Birziklatzea
• Kimika

Este ano cumpríronse 100 anos desde que Hermann Staudinger publicou o seu primeiro traballo sobre macromoléculas, que deu inicio á ciencia dos polímeros. Na actualidade, os polímeros, incluídos os plásticos, teñen una importancia capital, xa que se utilizan en moitos campos, e mesmo algúns avances non serían posibles sen estes materiais. Con todo, cando se cumpre o 100 aniversario, os polímeros enfróntanse a un gran reto: a gran cantidade de residuos que xera o seu uso, o que xerou una gran preocupación social. Paira superar este reto, ademais de reducir o uso de polímeros en xeral, os científicos temos que investigar novas formas de reciclar estes materiais e buscar solucións aos problemas e barreiras que se presentan. Ese foi precisamente o obxectivo desta tese.

Polímeros: materiais multifuncionais

Na actualidade, os polímeros, entre os que se atopan os plásticos, son utilizados en múltiples campos e son fundamentais na vida cotiá. Os polímeros están constituídos por unidades repetitivas que se caracterizan por ser moléculas xigantes de alto peso molecular, as macromoléculas. Estas macromoléculas obtéñense mediante a reacción de moléculas pequenas, é dicir, monómeros. A través dun exemplo pódese entender facilmente: se o monómero é un clip, o polímero é una cadea longa formada por enlaces entre clips (Figura 1). Existen varios tipos de polímeros que ao quentarse fúndense e solidifican ao arrefriarse, e o proceso pode repetirse unha e outra vez.

Os polímeros substituíron diversos tipos de materiais, como o metal, a madeira e o vidro, polas súas vantaxes de ser baratos, lixeiros e fáciles de procesar, é dicir, dáselles forma facilmente disipando pouca enerxía. XX. Desde que no século XX apareceron os primeiros polímeros sintéticos, desenvolvéronse varios polímeros paira cubrir todas as necesidades das aplicacións. Os polímeros poden presentar una gran variedade de propiedades, polo que se utilizan en múltiples aplicacións, principalmente en envasado, medicamento ou enerxías renovables (Figura 1).

O problema dos residuos de plástico

Nos últimos anos o uso de polímeros xerou un gran debate e preocupación na sociedade, xa que xeran gran cantidade de residuos e termínanos dispersos no medio ambiente. Segundo datos da Unión Europea (figura 2), en 2018 xeráronse 29,1 millóns de toneladas de residuos plásticos: O 32% reciclouse e o 43% enviouse a incineradoras paira recuperar enerxía, mentres que o 25% depositouse en vertedoiros. Estes datos pon de manifesto a necesidade de fomentar a reciclaxe de plásticos, paira o que é absolutamente necesario investigar a reciclaxe de materiais e buscar posibles aplicacións. Leste foi un dos obxectivos desta tese.

Tereftalato de polietileno: embotellado

Se se consideran todas as industrias, o envasado é o sector que máis materiais recicla. No envasado utilízanse distintos polímeros, entre os que destacan as poliolefinas, é dicir, o polipropileno (PP), algúns tipos de polietileno (PE) e o tereftalato de polietileno (PET). O PET é moi utilizado na fabricación de botellas polas súas características mecánicas e resistencia química. Dada a importancia deste material neste sector e a curta vida de uso destes envases, desenvolveuse moito a forma de reciclalos. Na figura 3 móstrase o proceso de reciclaxe do PET, recollendo as botellas e transportándoas á empresa, triturándolas, limpándoas e secándoas e procedendo finalmente ao seu procesado, obtendo ferros ou fíos.

Actualmente en Francia, as nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) engádense ao PET paira a fabricación de botellas de leite. De feito, o dióxido de titanio protexe o contido da radiación ultravioleta (leite) e dificulta o filtrado dos gases. Pero estas nanopartículas impiden a reciclaxe do material. Por unha banda, a incorporación de nanopartículas supón una perda de transparencia, mentres que o PET transparente é o que máis demanda ten no mercado. Por outra banda, o PET con dióxido de titanio debe conter menos do 15% do material reciclado, pola contra prodúcense problemas de bobinado (Figura 3). En consecuencia, nas plantas de reciclaxe, o PET con dióxido de titanio repártese, o que encarece o proceso. Tamén hai que ter en conta que os tapóns das botellas están fabricados en polietileno ou polipropileno, polo que antes da súa reciclaxe é necesario separar o corpo das botellas e os tapóns, o que tamén encarece o proceso.

Como o PET/TiO2 non pode ser reciclado, pódese levar a vertedoiros ou a incineradoras paira recuperar enerxía, pero estas opcións non son sustentables. Desde o punto de vista ambiental é una opción máis sustentable a reciclaxe de botellas con tapóns e o desenvolvemento de materiais avanzados, de forma que un residuo non reciclable poida ser utilizado como materia prima, dando una nova vida ao material.

Reciclado da botella enteira: Composite de mestura PET/PE/TiO2

Ao reciclar a botella enteira con tapóns obtense o composite de mestura PET/PE/TiO2. A pesar de que a reciclaxe en masa é a opción máis económica, é necesario analizar as características deste sistema se se queren dar diferentes aplicacións. En primeiro lugar, prepararase una mestura de composición similar ao material reciclado, utilizando materiais comerciais, que se utilizará paira levar a cabo a investigación. Paira coñecer a composición do material reciclado utilizáronse diversas técnicas, comparando os datos cunha botella de leite francés. Una vez coñecida a composición, engadíronse no mesturador as cantidades adecuadas de PET, PE e dióxido de titanio comerciais. O material quéntase para que se funda e mestúrese.

Una vez preparado o composite de mestura débese investigar a súa morfología, é dicir, como se organiza o PET, o PE e o TiO2. Paira iso utilizouse a microscopía electrónica. Así, observouse que nos composites de mestura PET/PE/TiO2 as pingas de PE atópanse dispersas pola matriz PET, xa que estes dous polímeros son inmiscibles. O dióxido de titanio sitúase na interfase entre as dúas fases de polímero (Figura 4). As nanopartículas de TiO2 reducen o tamaño das pingas de polietileno, o que resulta beneficioso xa que melloran as súas propiedades físicas, especialmente as mecánicas.

Tamén se analizou a capacidade de vertedura do material, é dicir, a resposta reológica do mesmo. O estudo desta característica é de vital importancia, xa que é necesario quentar os polímeros e verterlos adecuadamente para que enchan o molde tomando a súa forma. Neste traballo demostrouse que as nanopartículas aumentaron a súa capacidade de emisión, polo que o procesado de polímeros requirirá menos enerxía que o procesado con PET.

Finalmente, investigáronse algunhas das propiedades de fin de vida do material. Medíronse, entre outros, a permeabilidade dalgúns gases e vapores. Segundo os resultados obtidos, o composite de mestura PET/PE/TiO2 presenta boas propiedades barreira paira o osíxeno e o vapor de auga.

En canto ás características mecánicas, a mestura PET/PE/TiO2 presenta una rixidez adecuada, mentres que en canto á deformación de rotura presenta una deformidade superior á do PET reciclaxe.

Segundo estes estudos, o material resultante da reciclaxe de toda a botella podería ser utilizado paira o envasado debido ás súas propiedades barreira e características mecánicas adecuadas. Ademais, pódese utilizar paira a fabricación de paneis de plástico interiores e outras pezas nos coches polas súas características mecánicas.

Desenvolvemento de materiais reciclados intelixentes: Efecto Joule

Máis aló dun paso, desenvolvéronse materiais intelixentes incorporando nanopartículas condutoras no proceso de reciclaxe. Os materiais intelixentes son materiais capaces de responder a un estímulo externo, cambiando as súas características físicas ou químicas. Na tese utilizouse o efecto de quecemento de Joule, mediante o cal ao aplicar una corrente eléctrica a un material semiconductor, a temperatura aumenta.

Neste caso optouse por outra poliolefina moi utilizada no envasado, o polipropileno. Utilizáronse tanto polipropileno (PP) novo como reciclado e engadíronse nanotubos de carbono (KNT) co obxectivo de obter materiais semiconductores. A figura 5 mostra o sistema utilizado paira medir o efecto Joule. Conectouse á mostra un dispositivo eléctrico que aplica corrente continua e utilizouse una cámara de infravermellos paira medir a temperatura. Ás mostras aplicóuselles una tensión eléctrica diferente, obtendo os resultados que se mostran na Figura 5. No caso de PP novo e KNT, a temperatura pode elevarse até case 90ºC aplicando una tensión de 20V. No caso de PP reciclado e KNT, pola contra, o incremento de temperatura é menor (polas razóns que se expoñen máis abaixo): A aplicación de 50V supón un aumento de temperatura duns 40ºC.

Segundo as análises realizadas en laboratorio, o PP reciclado contén impurezas, principalmente dióxido de titanio e restos de talco e outros compostos inorgánicos. Estas partículas non son condutores e dificultan a conductividad entre nanotubos. Con todo, os resultados mostran que tamén no PP reciclado prodúcese un efecto Joule significativo.

Así, demostrouse que una vía adecuada paira a obtención de materiais semiconductores é a adición de nanotubos de carbono ao polipropileno reciclaxe. Estes materiais son intelixentes, xa que ao aplicar a tensión eléctrica quéntanse e poden ter múltiples aplicacións, como o uso da corrente como adhesivo desprendido nun ou nas mantas térmicas. Outra aplicación interesante é o desenvolvemento de membranas, xa que a permeabilidade varía moito coa temperatura, é dicir, cambia a cantidade dun gas ou vapor que atravesa una membrana. Esta foi a aplicación que se investigou neste traballo. Dependendo da tensión aplicada, podemos controlar a temperatura da membrana. Así, pódense obter distintos valores de permeabilidade en función da tensión aplicada, tal e como se pode observar na figura 5. Estes materiais poden ter aplicacións en sensores ou procesos de desalinización da auga, entre outros.

Bibliografía

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

Comite Technique pour lle Recyclage deas Emballages Plastiques (Cotrep) (2015). “Note preliminaire 2. Impact du development du PET opaque blanc sur lle recyclage deas emballages en PET”.

O-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.