1
1. Introduzione
I materiali plastici hanno un ruolo fondamentale per lo sviluppo sociale, economico ed ambientale dell’intero pianeta dato che sono utilizzati in svariati settori come quello dell’imballaggio, automobilistico, high tech, biomedico, energetico e per l’isolamento sia acustico che termico.
Dal 1950 la produzione ed il consumo mondiale di materiali plastici mostrano una crescita media annua del 9%, come è mostrato dalla figura 1.1, eccezion fatta per il 2008 (anno segnato dalla crisi finanziaria).
Include termoplastici, poliuretani, termoindurenti, fibre di PP e CASE;
sono esclusi PET, PA e fibre poliacriliche
Figura 1.1 Produzione di materiali plastici dal 1950 al 2008 [1].
La produzione di materiali plastici nel XXI secolo deve affrontare due problemi fondamentali: il vincolo all’industria petrolchimica e lo smaltimento dei prodotti al termine del loro ciclo di vita.
La dipendenza dei materiali polimerici dalle fonti fossili è ben comprensibile se si
considera che il 4% del petrolio ed il 31% del gas naturali estratti nell’ultimo secolo sono
stati utilizzati dall’industria chimica per ottenere materie prime per la produzione di
plastica [2].
2 L’incremento delle plastiche di scarto è correlabile alla loro utilizzazione come alternativa a materiali tradizionali, alla crescita economica, al maggior impiego di imballaggi ed alla diffusione di oggetti monouso. Si rende indispensabile prevedere una gestione accurata dei rifiuti, che consenta la riduzione della quantità di materiale confinato in discarica e permetta di trarre il maggior recupero possibile dagli oggetti di scarto; la figura 1.2 illustra l’aumento di produzione che si è avuto negli ultimi anni in Europa e mostra che il trend attuale è quello di privilegiare il recupero e ridurre la quantità di materiale destinato alla discarica.
Figura 1.2 Produzione europea di materiali plastici di scarto e rifiuti inviati in discarica dal 1996 al 2008 [1].
I processi di valorizzazione dei materiali plastici di scarto comprendono il recupero energetico ed il riciclaggio chimico o fisico. L’importanza di ciascuna tipologia di recupero e le quantità di materiale processate annualmente sono riportate in figura 1.3.
Figura 1.3 Andamento della quantità di plastica recuperata dal 1995 al 2008 [1].
3 Il riciclaggio chimico o meccanico dei rifiuti plastici riduce contemporaneamente la quantità di materiale destinato allo smaltimento e la richiesta di materie prime, ma richiede determinate caratteristiche dei materiali da trattare. Tale requisito non è sempre rispettabile poiché le materie plastiche possono essere prodotte sotto forma di compositi ed inoltre i rifiuti municipali derivanti dalla raccolta differenziata sono costituiti da una molteplicità di materiali polimerici.
Un’alternativa al riciclaggio è fornita dall’utilizzo di materie prime derivanti da fonti rinnovabili; questa opzione svincola parzialmente l’industria plastica da derivati fossili e riduce i problemi riscontrati al termine della vita utile degli oggetti in quanto ne favorisce la biodegradabilità; generalmente, infatti, i polimeri contenenti materiali naturali risultano maggiormente attaccabili dai microrganismi artefici della decomposizione della molecola.
Il termine plastica, comunque, racchiude un insieme molto eterogeneo di materiali aventi strutture chimiche e proprietà totalmente differenti gli uni dagli altri. È più opportuno, quindi, considerare le singole categorie raggruppate sotto tale termine ed analizzare l’effettiva fattibilità delle suddette opportunità per ciascun caso.
La classi di materiali plastici più comuni sono riportati in figura 1.4, dove è mostrata la suddivisione in categorie della produzione di plastica per il mercato europeo.
Figura 1.4 Suddivisione della produzione europea di materiali plastici per tipo, 2008 [1].
17%
11%
18%
12%
8%
7%
7%
20%
LDPE, LLDPE HDPE PP PVC PS, EPS PET PUR Altri
4 Il presente lavoro di tesi esamina le possibilità di sviluppo sostenibile dei poliuretani che, sebbene rappresentino solo il 7% della produzione europea di materie plastiche, mostrano un consumo con crescita annua media del 3%.
Figura 1.5 Consumo mondiale di poliuretani dal 2000 al 2010 [3].
Le materie prime per la produzione di poliuretani sono principalmente un poliolo ed un poliisocianato e la molteplicità di reagenti disponibili conferisce loro una notevole versatilità di applicazione; questi materiali, infatti, trovano largo impiego in svariati settori, come mostrato in figura 1.6, che richiedono prodotti con caratteristiche molto differenti.
Figura 1.6 Principali applicazioni dei poliuretani [4].
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
2000 2005 2010
Mtonn
30%
15%
13%
10%
3%
29% Elettrodomestici/materassi
Automobili Costruzioni Isolamento Scarpe Altri
5 I poliuretani possono essere anche suddivisi in funzione delle caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche nelle seguenti tipologie: CASE (coating adhesive, sealant, elastomer), schiume flessibili e schiume rigide; le singole applicazioni occupano le relative quote del mercato mondiale come indicato in figura 1.7.
Figura 1.7 Suddivisione del mercato mondiale di poliuretani per prodotto (2002) [4].
Nel caso dei poliuretani si possono ridurre le problematiche precedentemente esposte agendo in due modi: si può effettuare un recupero da questi composti e, seppur parzialmente, è possibile sostituire le materie prime tradizionali, di origine petrolchimica, con reagenti di origine naturale.
La figura 1.8 illustra i possibili processi di recupero utilizzabili per questa categoria di materiali. Il riciclaggio meccanico, come già detto, richiede la separazione preliminare dei vari componenti dopodiché il materiale può essere fuso e riprocessato, nel caso in cui sia un termoplastico, oppure macinato ed utilizzato insieme a nuove materie prime; il riciclaggio chimico, invece, consente di scindere le macromolecole ed ottenere i reagenti di partenza, utilizzabili per la produzione di nuovi poliuretani.
Per far fronte alla necessità di trattare materiali eterogenei, infine, sono stati sviluppati processi chimici, con i quali ottenere fluidi utilizzabili come materia prima per l’industria petrolchimica.
44%
28%
28%
Schiume flessibili Schiume rigide CASE
6
Figura 1.8 Alternative per il recupero dei poliuretani [5]
La possibilità di utilizzare composti di origine naturale come materie prime è limitata alla scelta del poliolo in quanto tutti i poliisocianati sono ottenuti da fonti fossili; il materiale di origine petrolchimica può essere sostituito da componenti quali oli vegetali (olio di ricino, di palma, di soia) [6-13] oppure da molecole derivanti da materiale lignocellulosico [14-25].
Questa procedura consente di ottenere un poliuretano contenente una percentuale di composti derivanti da fonti rinnovabili e proprio i segmenti di polimero naturali all’interno della catena principale ne aumentano la biodegradabilità [24-25].
In questo lavoro di tesi viene esaminata la possibilità di produrre poliuretani flessibili a matrice cellulare utilizzando materiale lignocellulosico; lo scopo di questa attività è quello di massimizzare sia la percentuale di materiale lignocellulosico che quella di composti di origine naturale comìntenute nel poliuretano.
Il primo obiettivo è vincolato all’impossibilità di utilizzare i materiali lignocellulosici tal quali poiché normalmente si presentano allo stato solido e di conseguenza non facilmente miscelabili con il poliisocianato; si rende quindi necessaria una liquefazione preliminare del materiale di partenza.
In letteratura sono riportati diversi articoli in cui viene studiata la produzione di poliuretani a base di materiale lignocellulosico; nei casi esaminati, la biomassa viene liquefatta utilizzando composti di origine petrolchimica e la miscela ottenuta è utilizzata
Recupero Poliuretani
Riciclaggio meccanico
Re-bonding
Stampaggio a compressione
Macinazione/
polverizzazione
Fusione Riciclaggio
chimico
Utilizzo come materie prime
Pirolisi
Altoforno
Gassificazione
Idrogenazione Recupero
energetico
