TOSCANA: POLIMERI DA PLASTICA POST-CONSUMO O RISORSE RINNOVABILI

2008-2010

TOSCANA PC-RIPLAS

Il progetto di ricerca TOSCANA PC-RIPLAS mira soprattutto a rafforzare e far crescere la capacità di ricerca, esistente nella regione, sulle tecnologie di trasformazione di materiali polimerici da imballaggio, post-consumo e/o post-industriali, in nuovi materiali polimerici con alte prestazioni tecniche ed estetiche per un riutilizzo in applicazioni con maggiore valore aggiunto (upcycling).
Tale crescita può essere perseguita, nell’ambito del presente progetto, sia allargando il numero dei ricercatori dedicati sia organizzando il gruppo di lavoro in maniera da approfondire nell’arco di tempo del progetto la realizzazione tecnica e la sostenibilità di alcune soluzioni per l’upcycling dei materiali plastici post-consumo onde renderli utilizzabili, come materiali innovativi ed economicamente interessanti, nel mantenimento e nello sviluppo di nuove filiere produttive nell’ambito del territorio regionale.
L’attività di ricerca sarà condotta dagli enti di ricerca DCCI-UNIPI e PolyLab-CNR-INFM, che hanno rilevanza tecnico-scientifico internazionale particolarmente nel settore dei materiali polimerici , potranno proteggere i risultati più interessanti da un punto di vista applicativo attraverso la redazione di brevetti d’invenzione e hanno sempre operato in stretta collaborazione con aziende attive sul territorio.

Gli obiettivi realizzativi del progetto possono essere così sintetizzati:

1. Uso di estensori di catena in materiali a base di PET post-consumo per il controllo delle proprietà reologiche.

Si fonda sulla esperienza acquisita dal DCCI in collaborazione con Aziende del territorio riguardante la formulazione per la costruzione di carrozzerie di elettrodomestici come pure di componenti dello scooter ecc., tra le quali sono centrali le conoscenze sulla tenacizzazione di matrici polimeriche e dei compatibilizzanti /tenacizzanti, nonché sulle modifiche della distribuzione di pesi molecolari mediante i cosiddetti “chain extenders”. La tecnologia chimica della compatibilizzazione permette la preparazione di compound di PET per lo stampaggio ad iniezione. Tuttavia la possibilità di modulare la viscosità del fuso in funzione della temperatura di trasformazione potrebbe permettere un migliore controllo del processo di stampaggio, permettendo la realizzazione di manufatti aventi svariati design. A tale scopo il PET delle bottiglie post-consumo può essere modificato, mediante dei “chain extenders” in modo da ottenere delle macromolecole ramificate (branching) ed avere una dispersione di pesi molecolari che migliora le proprietà viscoelastiche di resistenza del fuso allo stiro (viscosità del flusso elongazionale non isotermo). Ciò permette l’ottenimento, per estrusione (in un estrusore a testa piana), di lastre termoformabili: tecnologia che apre le porte di molte applicazioni finali. Lo scopo di questo obiettivo è dunque quello di studiare le modifiche strutturali indotte nel PET dall’uso di diversi estensori di catena, correlandole alle proprietà finali del materiale.

2. Compositi micro e nanostrutturati a base di PET post-consumo per il controllo della rigidità e delle proprietà termo-meccaniche

Il lavoro di ricerca già svolto da DCCI e PolyLab circa la preparazione e proprietà di sistemi ibridi nanostrutturati a base poliolefinica costituirà una base tecnica scientifica per poter affrontare la ricerca sulla preparazione di analoghi sistemi a base di PET post-consumo. Questo argomento di indagine trae la sua motivazione dal fatto che il PET è altamente flessibile e al tempo stesso caratterizzato da elevata resistenza alle tensioni e tenacità, ma presenta scarsa stabilità qualora esposto a temperature superiori a 60-70°C. Il parametro che stabilisce le prestazioni del materiale sotto questo punto di vista è la HDT (Heat Deflection Temperature). Si intende pertanto studiare la dispersione nella matrice, con effetti differenziati sulla fase cristallina e sulla fase amorfa della matrice, di diversi filler (ad es. microsfere cave e talco), eventualmente trattati con agenti di coupling, al fine di elevare la temperatura corrispondente a quella dell’ HDT e poter quindi proporre i materiali a matrice PET anche in applicazioni (ad esempio in componenti di apparecchiature elettriche, ma anche nel settore auto) che richiedono oltre a tecniche di rinforzo della matrice poliestere, una alta stabilità dimensionale anche a temperature di 90-100°C.. Al tempo stesso occorre studiare la cinetica di cristallizzazione del PET in presenza di agenti “nucleanti”, al fine di individuare il nucleante più adatto ad evitare le distorsioni nel manufatto stampato dovute alla caratteristica (lenta) cristallizzazione dei materiali poliesteri post-stampaggio. In questo sub-tema di ricerca si intende anche affrontare il possibile impiego di nanocariche e dei rispettivi agenti modificanti (tensioattivi non degradabili alle temperature di fusione della matrice polimerica), particolarmente allo scopo di avere una superficie del manufatto stampato con elevata resistenza al graffio e altre proprietà (ad es. ridotta igroscopicità).

In generale il lavoro di ricerca sviluppato nell’ambito degli obiettivi 1 e 2 verterà sullo sviluppo di metodi adeguati per permettere applicazioni quali:

• Uso di materiali poliesterei termoplastici tenacizzati da impiegare nello stampaggio a iniezione di manufatti con tipologia di rottura duttile, per il settore automotive (e/o scooter)

• Sviluppo di materiali poliesterei termoplastici idonei per la lavorazione in lastra termoformabile, per il settore automotive e il settore moda

• Sviluppo di materiali fono e vibroassorbenti per l’auto e per lo scooter, attraverso strategie quali: 1) preparazione di miscele co-continue PET/poliolefina, 2) preparazione di compound di PET con specifiche cariche minerali , inclusi materiali compositi con matrice di PET post-consumo

• La preparazione di compound di PET post-consumo da impiegare nello stampaggio di manufatti con alta stabilità dimensionale in condizioni di esposizione al calore e con miglioramento delle caratteristiche superficiali (proprietà estetiche del tipo “antigraffio”, proprietà “barriera” come igroscopicità ecc.).

3. –ABS- Studio sulla preparazione di leghe polimeriche a partire da ABS-regrind proveniente dalla rottamazione di auto e di computers.

L’ABS (polimero acrilonitrile – butadiene – stirene) proveniente dalla rottamazione di auto (specialmente cruscotti) come pure apparecchiature elettriche ed elettroniche è già avviato al recupero sotto forma “regrind”, ovvero macinato. Gli sbocchi di riutilizzazione non sono tuttavia consolidati, salvo che nella preparazione di nuovi compound con ABS vergine.
Tale materiale di riciclo appare molto interessante per la realizzazione e l’ottenimento di compound PET/ABS tenacizzati e con particolari proprietà barriera e resistenza ad agenti chimici purché si riesca a modulare la miscelazione dei due componenti in modo da ottenere caratteristiche morfologiche e reologiche opportune per la realizzazione di manufatti attraverso processi di stampaggio convenzionali adottatati dalle aziende di settore nell’ambito del territorio regionale.
Per la realizzazione del presente obiettivo sarà necessario realizzare  polimeri innovativi  attraverso le tecnologie già in possesso del DCCI e PolyLab , che siano in grado di agire come compatibilizzanti nella miscela di polimeri studiata. Questo tipo di compatibilizzazione riveste particolare importanza dal punto di vista del livello della ricerca sviluppata nel presente progetto in quanto i processi sviluppati potrebbero risultare estremamente innovativi sia da un punto di vista tecnico-scientifico che applicativo.

4. Materiali rinnovabili

Studio di materiali compositi a base di polimeri post-consumo o da fonti rinnovabili e fibre vegetali o cariche di origine naturale. L’impiego di fibre naturali nella preparazione di materiali compositi obbedisce a diverse esigenze, già da tempo esplicite nell’industria automobilistica come pure nella costruzione di apparecchiature elettriche ed elettroniche.
Una prima esigenza riguarda l’impiego di materiali polimerici strutturali ad alto eco-profilo (minore consumo di risorse naturali non rinnovabili, nel loro processo di produzione).
Seconda esigenza riguarda i coefficienti di attenuazione acustica e termica: le fibre vegetali hanno valori di questi due parametri che contribuiscono al miglioramento delle proprietà in questione.
Terza esigenza riguarda il processing dove il comportamento delle fibre naturali nella reologia del polimero fuso risulta più favorevole ad una dispersione omogenea nella matrice polimerica di quanto non avvenga con l’impiego di fibre di vetro, nel cui caso si verificano distribuzioni non uniformi che generano anisotropie del materiale rispetto alle sollecitazioni meccaniche.
La principale controindicazione per l’impiego di fibre vegetali è la loro natura idrofila che riduce drasticamente la compatibilità con matrici polimeriche idrofobe, come ABS e polipropilene. Si pongono dunque problemi di compatibilizzazione all’interfaccia tra matrice e fibra dispersa e c’è necessità di controllare durante il processing fenomeni di degradazione termica e chimica ( idrolisi).

Inoltre nell’ottica futura dello sviluppo di materiali totalmente rinnovabili si evidenzia che attualmente sono disponibili a livello commerciale materiali polimerici derivati da fonti totalmente rinnovabili. L’esempio più interessante è il poli(acido lattico) che può essere ottenuto a partire dall’acido lattico, prodotto dalla fermentazione dell’amido di mais così come alcuni polisaccaridi. L’uso di appropriati additivi quali fibre o nanocariche nonché la miscelazione con altri polimeri rinnovabili potrebbe migliorarne le prestazioni favorendone l’utilizzo in molti campi applicativi.