Bioplastica composita per impieghi gravosi progettata per essere smantellata
I compositi termoindurenti sono ampiamente utilizzati in applicazioni che devono resistere a notevoli pressioni meccaniche e termiche, come i componenti strutturali di aerei e turbine eoliche. Questi materiali devono la loro robustezza alla loro struttura unica, che combina una matrice polimerica termoindurente e fibre di rinforzo, in genere vetro o carbonio. Una volta «polimerizzata» in modo irreversibile, questa struttura reticolata tridimensionale conferisce forza e rigidità ai prodotti, consentendo loro di mantenere la forma e di evitare la fusione. La produzione, tuttavia, si basa su materie prime di origine fossile, che possono essere tossiche e sono difficili da riciclar: si prevede che i rifiuti annuali di compositi di carbonio e fibra di vetro provenienti dalle sole industrie aeronautiche e delle turbine eoliche saranno 840 300 tonnellate entro il 2050. «Le tecniche di riciclaggio disponibili sono generalmente ad alta intensità energetica, quindi costose e non sostenibili, oppure degradano significativamente la qualità, limitando le applicazioni. Queste tecniche, inoltre, si concentrano spesso sul recupero delle fibre pregiate, mentre scartano la matrice polimerica, limitandone il riutilizzo», spiega la coordinatrice del progetto ESTELLA Laura Matesanz, della Fondazione Cidaut, in Spagna. Per offrire un’alternativa più sostenibile, ESTELLA ha adottato reti covalenti adattive (CAN) riciclabili a base biologica per riprogettare la struttura reticolata dei materiali termoindurenti tradizionali.
L’approccio CAN-do
Con la partecipazione di 13 istituti di ricerca e aziende di otto paesi europei, la prima sfida di ESTELLA è stata quella di incorporare le CAN nelle resine epossidiche per formare le matrici tridimensionali termoindurenti. Le CAN sono ideali, in quanto queste strutture polimeriche sono costituite da legami chimici che possono rompersi e riformarsi in presenza di stimoli specifici, come il calore, i raggi UV o le variazioni di acidità, il che significa che possono essere più facilmente manipolate sia per la produzione che per il riciclaggio. La reazione chimica di Diels-Alder è stata utilizzata per «sbloccare» i legami chimici delle CAN e integrarli nelle resine epossidiche. Il passo successivo è stato quello di trovare le fibre a base biologica più compatibili con le matrici. Dopo aver esplorato una serie di opzioni, sono state scelte le fibre di canapa e nanocellulosa. Per garantire la giusta configurazione dei materiali, i compositi risultanti sono stati trasformati in una serie di piastre e sottoposti a una serie di test per garantire proprietà rilevanti come la resistenza alla trazione e la flessibilità. Per esplorare la capacità dei materiali di resistere a casi d’uso reali, il team sta ora lavorando alla produzione di prototipi, inizialmente per applicazioni di mobilità e costruzione. Sono in fase di produzione un poggiapiedi per scooter che utilizza un composito di fibre di canapa e un profilo di finestra con un composito a base di fibre di nanocellulosa. Per identificare le opzioni di riciclaggio ottimali, il team sta anche adattando varie tecniche preesistenti. Concentrandosi principalmente sugli approcci chimici per modificare la struttura molecolare dei compositi, si sta esplorando anche il riciclaggio meccanico. «Mantenere le proprietà meccaniche e termiche originali dei materiali riciclati li rende più riutilizzabili, quindi stiamo perfezionando le nostre tecniche di riciclaggio per conservare le fibre e la matrice polimerica», aggiunge Matesanz.
Garantire sostenibilità e competitività
I compositi termoindurenti riciclabili a base biologica contribuiranno a ridurre la dipendenza europea dalle risorse fossili vergini e a ridurre al minimo i rifiuti, sostenendo importanti iniziative dell’UE come il Green Deal europeo e il piano d’azione per l’economia circolare. Per meglio quantificare il contributo ambientale di ESTELLA, il team condurrà analisi del ciclo di vita dell’impatto della soluzione sui cambiamenti climatici, sull’esaurimento dei combustibili fossili e sull’acidificazione terrestre, rispetto ai processi convenzionali. Saranno inoltre intrapresi studi di fattibilità economica, anche sulla scalabilità dei processi di produzione e riciclaggio richiesti. "Mettere a disposizione di settori europei come quello dei trasporti e quello delle costruzioni materiali più sostenibili porterà a pratiche industriali più responsabili. Questo non solo creerà prodotti vantaggiosi per le persone e per il pianeta, ma contribuirà a posizionare le aziende europee in prima linea a livello globale nella transizione verde», afferma Matesanz.
Parole chiave
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