Come molti progressi tecnologici, le plastiche portano non solo enormi vantaggi alla società, ma anche gravi minacce se utilizzate in modo improprio. Le plastiche ci consentano di realizzare beni che non sarebbe economicamente possibile realizzare e sui quali contiamo ogni giorno. Dall’altra parte però questi materiali mostrano due grossi difetti ambientali. Il primo è che la maggior parte delle plastiche viene prodotta da risorse fossili non rinnovabili, oli minerali e gas naturale. Il secondo è che proprio grazie alle ottime prestazioni, come la resistenza meccanica, l’inerzia all’azione dei prodotti chimici, dei microrganismi e della luce, le materie plastiche risultano difficili da smaltire in modo eco-sostenibile. Nel corso di miliardi di anni si sono sviluppati enzimi specifici in grado di favorire una rapida degradazione dei polimeri naturali, cosa che non è ancora avvenuta per la maggior parte delle plastiche sviluppate negli ultimi 80 anni. È opportuno ricordare che il termine bioplastiche crea gran confusione. Questo articolo cerca di spiegare cosa sono e si concentra in particolare sulle plastiche degradabili.
Esistono già diverse soluzioni per le problematiche connesse alla produzione e smaltimento delle plastiche, ma queste non sono reciprocamente compatibili. Produrre plastiche da risorse rinnovali non garantisce che queste potranno essere smaltite in modo eco-sostenibile. Per esempio il polietilene può (e una piccola parte potrà presto) essere prodotta da biomasse attraverso etanolo e etilene ma è comunque difficilmente degradabile. Al contrario il policaprolattone è una plastica biodegradabile anche se prodotto dal cicloesanone, che deriva dal benzene (il quale viene prodotto a partire dagli oli minerali).
Di seguito verranno descritti i seguenti polimeri degradabili:
- plastiche prodotte da risorse rinnovabili
- plastiche prodotte da risorse fossili
- plastiche fotodegradabili
Plastiche degradabili prodotte da risorse rinnovabili
I poliidrossialcanoati, PHAs attualmente sono molto utilizzati. Vengono prodotti a partire da risorse rinnovabili e sono degradabili.
I PHAs sono poliesteri prodotti da batteri che crescono su alcuni substrati dai quali riescono a trattenere nutrienti come l’azoto. I batteri sono incoraggiati a produrre una riserva di energie, analogamente a quanto avviene nelle piante con la produzione di amidi. E’ stato fatto un lavoro considerevole per ingegnerizzare geneticamente E. Coli per la produzione di PHAs.
Fra tutti questi poliesteri il poliidrossibutirrato, PHB è quello più conosciuto. Viene prodotto per fermentazione da soluzioni di glucosio (prodotto dall’idrolisi di amidi) alle quali viene aggiunto acido propanoico. Le fonti di azoto come nutrienti vengono rifiutate. Il batterio utilizzato è il Ralstonia metallidurans.
Questo polimero ha proprietà fisico meccaniche simili a quelle del polipropilene. Al contrario di altre bio-plastiche, il PHB è insolubile in acqua e resistente alla radiazione UV. Comunque, può essere facilmente idrolizzato in ambiente acido e quindi successivamente degradato.
Un noto co-polimero è il Biopol, co-polimero random costituito da blocchi di PHB e blocchi di poliidrossipentanoato, (conosciuto come poliidrossivalerato PHV).
Come altri PHAs, i films sono utilizzati, per avvolgere alimenti, come rivestimenti per carta e cartone, come stoviglie (tazze, piatti) e molti dispositivi medicali incluse suture, garze e rivestimenti per medicine. Un altro poliestere degradabile è il poli (2-acido idrossipropanoico), (acido polilattico, PLA) prodotto con l’acido 2-idrossipropanoico (acido lattico).
L’acido lattico, tradizionalmente prodotto da etanale (acetaldeide) e acido cianidrico, viene sempre più frequentemente prodotto attraverso un metodo alternativo basato sulla fermentazione di zucchero da mais (sciroppo di amido) e zucchero di canna (melassa) utilizzando Actobacillus Bacterium.
Comunque, l’acido non può essere polimerizzato direttamente, poiché l’acqua prodotta durante la reazione sfavorisce la polimerizzazione ostacolando l’ottenimento di pesi molecolari elevati. Pertanto l’acido viene inizialmente dimerizzato per forte riscaldamento. I dimeri vengono polimerizzati mediante apertura dell’anello catalizzata da ottanoato di stagno. Questo metodo permette di evitare la formazione di acqua durante la reazione di polimerizzazione.
Fra i due processi quest’ultimo può sembrare il più valido ecologicamente ma ha l’inconveniente di richiedere elevata energia a causa della procedura di purificazione utilizzata. Inoltre, l’etanale, il tradizionale precursore dell’acido potrà in futuro essere prodotto da etanolo ottenuto da biomasse.
Le proprietà del PLA come la resistenza meccanica possono essere ottimizzate utilizzando additivi senza ridurne le proprietà ottiche (trasparenza). Il PLA è utilizzato nella produzione di imballaggi per alimenti, bottiglie, tazze, piatti e sacchetti, ed è facilmente sintetizzabile.
Co-polimeri del PLA con il l’acido poliidrossietanoico (acido poliglicolico) PGA hanno trovato largo impiego in chirurgia. I fili ottenuti da questo copolimero a blocchi sono utilizzati come punti per suture interne e sono facilmente degradati a monomeri in 90 giorni. Gli acidi sono biocompatibili.
Figura 2 Alcuni polimeri a base di amido possono essere prodotti da risorse rinnovabili e sono facilmente degradabili. L’amido utilizzato deriva dal granturco (mais) che contiene elevate quantità di amilosio, catena lineare costituita da unità di glucosio. L’amido viene trattato con ossido di propilene che reagisce con i gruppi idrossilici dell’amilosio. Il polimero risultante può essere utilizzato al posto di polimeri come polipropilene e il policloroetilene, PVC. Viene utilizzato sempre più frequentemente per la produzione di imballaggi, come sacchetti e imballi per biscotti e cioccolate.
By kind permission of DuPont
Figura 3 Una dimostrazione della facilità con cui un polimero a base di amido può essere degradato. Il polimero può essere prodotto da microrganismi presenti nel suolo.
By kind permission of DuPont.
Plastiche degradabili prodotte da risorse fossili
Questi polimeri sono polimeri sintetici biodegradabili, che non vengono prodotti da processi biologici ma che sono comunque degradabili.
Una tipologia di questi polimeri sono i polimeri sintetici come il polietilene che hanno granuli di amido incapsulati nella loro struttura, il cui quantitativo può variare dal 5% al 50%. Questi granuli vengono degradati dai batteri lasciando piccoli frammenti di polietilene che vengono degradati più rapidamente del polietilene privo di amido, ma più lentamente dei biopolimeri. Inoltre per la produzione del polietilene viene impiegato olio minerale prezioso a meno che questo polimero non venga prodotto in una delle poche bioraffinerie presenti in Brasile.
Altri polimeri sintetici sono stati trattati con granuli di amido inclusi polipropilene e polifeniletene. C’è un altro gruppo di polimeri derivati da risorse fossili che degrada facilmente in compost, ne è un esempio il policaprolattone, prodotto da benzene e cicloesanone.
Come il PLA, il policaprolattone viene lentamente idrolizzato in ambiente acido ed è utilizzato per suture interne riassorbibili e per il trasporto di medicine. Le medicine vengono ricoperte con il polimero per veicolarle. Il rivestimento polimerico viene lentamente dissolto permettendo al medicinale di arrivare a destinazione dopo un preciso periodo di tempo. Un altro utilizzo è la realizzazione di modelli. Il polimero, un solido bianco, può essere riscaldato per renderlo flessibile e il “ mastice “ così ottenuto può essere modellato. Questo polimero avvolte può essere miscelato (fuso e estruso) con PHB.
Un altro importate esempio di polimero a rapida degradazione derivato da fonti petrolchimiche è il polietilen alcool, conosciuto meglio con il nome di poli vinil alcool, PVA. Nel mondo vengono prodotte oltre 1 milione di tonnellate annue.
Il PVA non può essere prodotto dal suo monomero, etilen alcool (alcool vinilico) poiché questo può immediatamente formare un tautomero più stabile, l’etanale.
Il PVA viene prodotto a partire dal polimero poli eten etanoato, generalmente conosciuto come polivinil acetato.
Il polimero viene trattato con metanolo e una soluzione acquosa di idrossido di sodio. Per alcuni impieghi, tutti i gruppi acetato vengono idrolizzati a gruppi idrossilici (PVA completamente idrolizzato):
Comunque, per altri utilizzi, viene impiegato PVA parzialmente idrolizzato.
Il PVA è un polimero solubile in acqua rapidamente degradabile, utilizzato come un adesivo (carta, tessuti e pellame) e come rivestimento per carta e cartone. Viene anche utilizzato come addensante in un’ampia gamma di liquidi incluse le vernici, le colle e gli spray per capelli. Comunque il suo utilizzo principale è legato alla produzione di polivinil butirrale PVB. Il PVA parzialmente idrolizzato, contenente dal 1% al 3% di gruppi acetato, reagisce con il butanale per formare il PVB che possiede buona lucidità, è resistente e aderisce bene al vetro. Il PVB è un sensibile all’idrolisi.
Il PVB viene ampiamente utilizzato come strato intermedio nei vetri laminati (vetri di sicurezza) utilizzati nelle auto.
Polimeri fotodegradabili
Ci sono polimeri la cui disintegrazione viene catalizzata dalla luce solare. Alcuni di questi hanno gruppi funzionali (come i gruppi carbossilici) con legami in grado di assorbire la radiazione UV. Questi polimeri sono in grado di intrappolare energia sufficiente per rompere i legami vicini e quindi ridurre le catene polimeriche in piccoli frammenti. Questi piccoli frammenti degradano più velocemente rispetto alle lunghe catene polimeriche. Ciò nonostante questi polimeri soffrono degli stessi svantaggi osservati nei polimetri biodegradabili sintetici, ossia derivano da materie prime fossili.
Un’altra strategia consiste nel aggiungere alle plastiche additivi pro-degradazione. Alcuni di questi sono conosciuti come Additivi Plastici Totalmente Degradabili TDPAs e vengono aggiunti a polimeri convenzionali quali polietilene e polipropilene, utilizzati per esempio nei sacchetti per la spesa.
Esempi di additivi includono cobalto(III) e manganese(III) octadecanoati (stereati) in concentrazioni comprese fra 1% e 2%. Questi composti vengono aggiunti nello stadio di estrusione e promuovono l’attacco di radicali liberi iniziando la degradazione della catena polimerica con produzione di frammenti i quali risultano più facilmente degradabili per opera di batteri. I polimeri vengono così degradati in pochi mesi in impianti di compostaggio, e hanno proprietà meccaniche migliori rispetto ai polimeri trattati con riempimenti a base di amido.
Questa tipologia di polimeri viene principalmente utilizzata per produrre sacchetti e imballaggi per alimenti.
Ultimo aggiornamento 18 marzo 2013
Edizione italiana a cura di Elisa Bertolucci e Valter Ballantini 22 dicembre 2020