Desarrollo de polímeros reciclados avanzados: dando una nueva vida a los residuos de plástico

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

• Sariak
• Birziklatzea
• Kimika

Este año se han cumplido 100 años desde que Hermann Staudinger publicó su primer trabajo sobre macromoléculas, que dio inicio a la ciencia de los polímeros. En la actualidad, los polímeros, incluidos los plásticos, tienen una importancia capital, ya que se utilizan en muchos campos, e incluso algunos avances no serían posibles sin estos materiales. Sin embargo, cuando se cumple el 100 aniversario, los polímeros se enfrentan a un gran reto: la gran cantidad de residuos que genera su uso, lo que ha generado una gran preocupación social. Para superar este reto, además de reducir el uso de polímeros en general, los científicos tenemos que investigar nuevas formas de reciclar estos materiales y buscar soluciones a los problemas y barreras que se presentan. Ese ha sido precisamente el objetivo de esta tesis.

Polímeros: materiales multifuncionales

En la actualidad, los polímeros, entre los que se encuentran los plásticos, son utilizados en múltiples campos y son fundamentales en la vida cotidiana. Los polímeros están constituidos por unidades repetitivas que se caracterizan por ser moléculas gigantes de alto peso molecular, las macromoléculas. Estas macromoléculas se obtienen mediante la reacción de moléculas pequeñas, es decir, monómeros. A través de un ejemplo se puede entender fácilmente: si el monómero es un clip, el polímero es una cadena larga formada por enlaces entre clips (Figura 1). Existen varios tipos de polímeros que al calentarse se funden y solidifican al enfriarse, y el proceso puede repetirse una y otra vez.

Los polímeros han sustituido diversos tipos de materiales, como el metal, la madera y el vidrio, por sus ventajas de ser baratos, ligeros y fáciles de procesar, es decir, se les da forma fácilmente disipando poca energía. XX. Desde que en el siglo XX aparecieron los primeros polímeros sintéticos, se han desarrollado varios polímeros para cubrir todas las necesidades de las aplicaciones. Los polímeros pueden presentar una gran variedad de propiedades, por lo que se utilizan en múltiples aplicaciones, principalmente en envasado, medicina o energías renovables (Figura 1).

El problema de los residuos de plástico

En los últimos años el uso de polímeros ha generado un gran debate y preocupación en la sociedad, ya que generan gran cantidad de residuos y los terminan dispersos en el medio ambiente. Según datos de la Unión Europea (figura 2), en 2018 se generaron 29,1 millones de toneladas de residuos plásticos: El 32% se recicló y el 43% se envió a incineradoras para recuperar energía, mientras que el 25% se depositó en vertederos. Estos datos ponen de manifiesto la necesidad de fomentar el reciclaje de plásticos, para lo que es absolutamente necesario investigar el reciclaje de materiales y buscar posibles aplicaciones. Este ha sido uno de los objetivos de esta tesis.

Tereftalato de polietileno: embotellado

Si se consideran todas las industrias, el envasado es el sector que más materiales recicla. En el envasado se utilizan distintos polímeros, entre los que destacan las poliolefinas, es decir, el polipropileno (PP), algunos tipos de polietileno (PE) y el tereftalato de polietileno (PET). El PET es muy utilizado en la fabricación de botellas por sus características mecánicas y resistencia química. Dada la importancia de este material en este sector y la corta vida de uso de estos envases, se ha desarrollado mucho la forma de reciclarlos. En la figura 3 se muestra el proceso de reciclaje del PET, recogiendo las botellas y transportándolas a la empresa, triturándolas, limpiándolas y secándolas y procediendo finalmente a su procesado, obteniendo planchas o hilos.

Actualmente en Francia, las nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) se añaden al PET para la fabricación de botellas de leche. De hecho, el dióxido de titanio protege el contenido de la radiación ultravioleta (leche) y dificulta el filtrado de los gases. Pero estas nanopartículas impiden el reciclado del material. Por un lado, la incorporación de nanopartículas supone una pérdida de transparencia, mientras que el PET transparente es el que más demanda tiene en el mercado. Por otra parte, el PET con dióxido de titanio debe contener menos del 15% del material reciclado, de lo contrario se producen problemas de bobinado (Figura 3). En consecuencia, en las plantas de reciclaje, el PET con dióxido de titanio se reparte, lo que encarece el proceso. También hay que tener en cuenta que los tapones de las botellas están fabricados en polietileno o polipropileno, por lo que antes de su reciclaje es necesario separar el cuerpo de las botellas y los tapones, lo que también encarece el proceso.

Como el PET/TiO2 no puede ser reciclado, se puede llevar a vertederos o a incineradoras para recuperar energía, pero estas opciones no son sostenibles. Desde el punto de vista ambiental es una opción más sostenible el reciclaje de botellas con tapones y el desarrollo de materiales avanzados, de forma que un residuo no reciclable pueda ser utilizado como materia prima, dando una nueva vida al material.

Reciclado de la botella entera: Composite de mezcla PET/PE/TiO2

Al reciclar la botella entera con tapones se obtiene el composite de mezcla PET/PE/TiO2. A pesar de que el reciclaje en masa es la opción más económica, es necesario analizar las características de este sistema si se quieren dar diferentes aplicaciones. En primer lugar, se preparará una mezcla de composición similar al material reciclado, utilizando materiales comerciales, que se utilizará para llevar a cabo la investigación. Para conocer la composición del material reciclado se han utilizado diversas técnicas, comparando los datos con una botella de leche francesa. Una vez conocida la composición, se han añadido en el mezclador las cantidades adecuadas de PET, PE y dióxido de titanio comerciales. El material se calienta para que se funda y se mezcle.

Una vez preparado el composite de mezcla se debe investigar su morfología, es decir, cómo se organiza el PET, el PE y el TiO2. Para ello se ha utilizado la microscopía electrónica. Así, se ha observado que en los composites de mezcla PET/PE/TiO2 las gotas de PE se encuentran dispersas por la matriz PET, ya que estos dos polímeros son inmiscibles. El dióxido de titanio se sitúa en la interfase entre las dos fases de polímero (Figura 4). Las nanopartículas de TiO2 reducen el tamaño de las gotas de polietileno, lo que resulta beneficioso ya que mejoran sus propiedades físicas, especialmente las mecánicas.

También se ha analizado la capacidad de vertido del material, es decir, la respuesta reológica del mismo. El estudio de esta característica es de vital importancia, ya que es necesario calentar los polímeros y verterlos adecuadamente para que llenen el molde tomando su forma. En este trabajo se ha demostrado que las nanopartículas han aumentado su capacidad de emisión, por lo que el procesado de polímeros requerirá menos energía que el procesado con PET.

Finalmente, se han investigado algunas de las propiedades de fin de vida del material. Se han medido, entre otros, la permeabilidad de algunos gases y vapores. Según los resultados obtenidos, el composite de mezcla PET/PE/TiO2 presenta buenas propiedades barrera para el oxígeno y el vapor de agua.

En cuanto a las características mecánicas, la mezcla PET/PE/TiO2 presenta una rigidez adecuada, mientras que en cuanto a la deformación de rotura presenta una deformidad superior a la del PET reciclado.

Según estos estudios, el material resultante del reciclado de toda la botella podría ser utilizado para el envasado debido a sus propiedades barrera y características mecánicas adecuadas. Además, se puede utilizar para la fabricación de paneles de plástico interiores y otras piezas en los coches por sus características mecánicas.

Desarrollo de materiales reciclados inteligentes: Efecto Joule

Más allá de un paso, se han desarrollado materiales inteligentes incorporando nanopartículas conductoras en el proceso de reciclaje. Los materiales inteligentes son materiales capaces de responder a un estímulo externo, cambiando sus características físicas o químicas. En la tesis se ha utilizado el efecto de calentamiento de Joule, mediante el cual al aplicar una corriente eléctrica a un material semiconductor, la temperatura aumenta.

En este caso se ha optado por otra poliolefina muy utilizada en el envasado, el polipropileno. Se han utilizado tanto polipropileno (PP) nuevo como reciclado y se han añadido nanotubos de carbono (KNT) con el objetivo de obtener materiales semiconductores. La figura 5 muestra el sistema utilizado para medir el efecto Joule. Se ha conectado a la muestra un dispositivo eléctrico que aplica corriente continua y se ha utilizado una cámara de infrarrojos para medir la temperatura. A las muestras se les ha aplicado una tensión eléctrica diferente, obteniendo los resultados que se muestran en la Figura 5. En el caso de PP nuevo y KNT, la temperatura puede elevarse hasta casi 90ºC aplicando una tensión de 20V. En el caso de PP reciclado y KNT, por el contrario, el incremento de temperatura es menor (por las razones que se exponen más abajo): La aplicación de 50V supone un aumento de temperatura de unos 40ºC.

Según los análisis realizados en laboratorio, el PP reciclado contiene impurezas, principalmente dióxido de titanio y restos de talco y otros compuestos inorgánicos. Estas partículas no son conductores y dificultan la conductividad entre nanotubos. Sin embargo, los resultados muestran que también en el PP reciclado se produce un efecto Joule significativo.

Así, se ha demostrado que una vía adecuada para la obtención de materiales semiconductores es la adición de nanotubos de carbono al polipropileno reciclado. Estos materiales son inteligentes, ya que al aplicar la tensión eléctrica se calientan y pueden tener múltiples aplicaciones, como el uso de la corriente como adhesivo desprendido en uno o en las mantas térmicas. Otra aplicación interesante es el desarrollo de membranas, ya que la permeabilidad varía mucho con la temperatura, es decir, cambia la cantidad de un gas o vapor que atraviesa una membrana. Esta ha sido la aplicación que se ha investigado en este trabajo. Dependiendo de la tensión aplicada, podemos controlar la temperatura de la membrana. Así, se pueden obtener distintos valores de permeabilidad en función de la tensión aplicada, tal y como se puede observar en la figura 5. Estos materiales pueden tener aplicaciones en sensores o procesos de desalinización del agua, entre otros.

Bibliografía

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

Comite Technique pour le Recyclage des Emballages Plastiques (Cotrep) (2015). “Note preliminaire 2. Impact du development du PET opaque blanc sur le recyclage des 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.