Esplorare la Scienza e le Soluzioni Dietro le Plastiche Degradabili #
I materiali polimerici, in particolare le plastiche, sono parte integrante dell’industria moderna e della vita quotidiana. Tuttavia, la loro durata e resistenza alla decomposizione naturale hanno portato a significative sfide ambientali. Questo articolo approfondisce i meccanismi di degradazione della plastica, lo sviluppo delle plastiche degradabili e le principali categorie di materiali biodegradabili.
Meccanismi di Degradazione dei Polimeri #
I materiali polimerici possono subire varie forme di degradazione dovute a fattori esterni incontrati durante la produzione, la lavorazione e l’uso. Questi includono:
- Cracking termico
- Cracking meccanico
- Fotolisi
- Cracking da radiazioni
- Cracking ossidativo
- Cracking biologico
- Cracking chimico
Spesso, più tipi di scissione avvengono simultaneamente. Tra questi, il cracking ossidativo è il più diffuso, specialmente quando i polimeri sono esposti all’aria. Controllare questi fattori per estendere la resistenza strutturale e la durata dei prodotti polimerici rimane una sfida chiave nella scienza dei materiali.
Le Due Vie nello Sviluppo dei Polimeri #
Con il rapido avanzamento dell’industria delle plastiche, la ricerca si è concentrata su due direzioni principali:
- Migliorare la stabilità del polimero per prolungare la vita del prodotto e ritardarne la degradazione.
- Accelerare la degradazione per affrontare l’inquinamento ambientale derivante dai rifiuti solidi, soprattutto con l’aumento delle politiche globali di restrizione della plastica.
Quest’ultima ha portato allo sviluppo di vari materiali degradabili, inclusi plastiche biodegradabili, fotodegradabili, termodegradabili e chimicamente degradabili.
La Sfida Ambientale delle Plastiche #
Le plastiche sono diventate onnipresenti, ma la loro elevata stabilità chimica significa che resistono ad acidi, alcali, muffe e corrosione. Quando sepolte, possono persistere per secoli, contribuendo all’accumulo di rifiuti e ai pericoli ambientali. La necessità di ridurre l’inquinamento da plastica ha spinto la ricerca di alternative, in particolare per articoli usa e getta come imballaggi e contenitori per il pranzo.
Cosa Sono le Plastiche Degradabili? #
Le plastiche degradabili sono progettate per rompersi in condizioni specifiche. La stabilità dei polimeri plastici è radicata nella loro struttura molecolare—lunghe catene di atomi di carbonio legati da forti legami carbonio-carbonio. Questo rende difficile la degradazione naturale. Tuttavia, tre principali metodi di degradazione si sono dimostrati efficaci:
- Biodegradazione
- Degradazione chimica
- Fotodegradazione
Gli scienziati hanno sintetizzato plastiche adatte a ciascun metodo, come plastiche biodegradabili, chimicamente degradabili e fotodegradabili, tutte contribuenti alla lotta contro l’“inquinamento bianco”.
Plastiche Biodegradabili #
Le plastiche biodegradabili sono progettate per decomporsi tramite l’azione di microrganismi ed enzimi in ambienti naturali come il suolo o il compost. Alla fine, si scompongono in anidride carbonica (CO2), metano (CH4), acqua (H2O), sali inorganici mineralizzati e nuova biomassa.
Applicazioni:
- Coperture protettive per piantine che si decompongono nel terreno dopo il trapianto
- Fili chirurgici degradabili che scompaiono nel corpo dopo alcuni mesi
Sfide:
- Costi di produzione elevati rispetto alle plastiche convenzionali
Metodi per produrre plastiche biodegradabili:
- Aggiunta di amido: L’incorporazione di amido indebolisce la catena carboniosa, rendendola più digeribile per i microbi, con decomposizione in acqua e CO2.
- Amido gelatinoso e additivi: Aggiunta del 40–50% di amido gelatinoso o amido trattato con agenti di accoppiamento organosiliconici e acidi grassi insaturi. Questo metodo è costoso e lento, richiedendo 3–5 anni per decomposizione completa in condizioni di compostaggio.
- Amido e policaprolattame: La combinazione di questi ingredienti riduce il tempo di degradazione, adatta per prodotti come suture chirurgiche, ma con costi elevati.
Sono in corso sforzi per ridurre i costi utilizzando materiali di scarto naturali come la pula di riso e la polpa di legno.
Plastiche Chimicamente Degradabili #
Le plastiche chimicamente degradabili contengono un incapsulamento speciale—amido che racchiude agenti ossidanti. Quando sepolte, i batteri consumano l’amido, lasciando un guscio poroso. L’ossidante reagisce quindi con i sali del suolo e l’acqua, rompendo i legami carbonio-carbonio della plastica.
Vantaggi:
- Costo inferiore
- Degradazione efficace (polverizzazione in circa 6 mesi, degradazione completa in pochi anni in condizioni ideali)
Plastiche Fotodegradabili #
Le plastiche fotodegradabili si degradano sotto l’esposizione alla luce solare, in particolare ai raggi ultravioletti. La presenza di gruppi ossidrilici nella catena polimerica permette alla luce UV di rompere i legami carbonio-carbonio, causando la scissione della catena.
Caratteristiche:
- Lascia inizialmente residui e detriti; la degradazione completa richiede diversi anni
- Richiede esposizione prolungata alla luce solare
- Usate comunemente per sacchetti per alimenti
Principali Categorie di Materiali Biodegradabili #
1. PLA (Acido Polilattico) #
- Origine: Polimerizzato dall’acido lattico
- Degradazione: Compostabile a temperature superiori a 55°C con ossigeno e microrganismi, si scompone in CO2 e acqua
- Proprietà: Biosicuro, biodegradabile, buona resistenza meccanica, facile da lavorare
- Applicazioni: Imballaggi, tessuti, film agricoli, polimeri biomedicali
- Limite: Richiede condizioni specifiche di degradazione, ma è economico tra le plastiche biodegradabili
2. PBS (Polibutilene Succinate) #
- Origine: Condensazione di acido succinico e butandiolo (da petrolio o fermentazione biologica)
- Degradazione: Facilmente decomposto da microrganismi o enzimi
- Proprietà: Buona biocompatibilità, bioassorbibilità, resistenza al calore
- Applicazioni: Film per imballaggi, stoviglie, imballaggi in schiuma, bottiglie, film agricoli, materiali a rilascio lento
- Varianti: PBAT e PBSA, con prestazioni simili ma caratteristiche di lavorazione meno favorevoli
3. PBAT (Polibutilene Adipato Tereftalato) #
- Origine: Prodotto da acidi alifatici e butandiolo (petrolchimico o fermentazione biologica)
- Proprietà: Termoplastico, buona duttilità, allungamento, resistenza al calore, prestazioni agli urti, eccellente capacità di formatura film
- Applicazioni: Film per imballaggi usa e getta, film agricoli
- Nota: Ampiamente usato e ben studiato tra le plastiche degradabili
4. PHA (Poliidrossialcanoati) #
- Tipi: Include PHA, PHB (Poliidrossibutirrato)
- Degradazione: Si scompone completamente in acido β-idrossibutirrico, CO2 e acqua
- Proprietà: Alta temperatura di distorsione termica, buona biocompatibilità, ma gamma di lavorazione ristretta, scarsa stabilità termica, elevata fragilità
- Applicazioni: Prodotti usa e getta, attrezzature mediche, sacchetti per imballaggi, sacchi per compost, suture mediche, dispositivi di riparazione, bende, perni ossei, film antiaderenti, stent