La Plastica

CORSO DI CHIMICA per
l’Ambiente
Lezione del 6 Giugno 2014
La Plastica
La plastica é una sostanza organica, come il legno, la
carta, la lana.
Nasce da risorse naturali: prevalentemente carbone,
sale comune, gas e, soprattutto, petrolio - di cui la
produzione mondiale di materie plastiche assorbe circa
il 4% annuo. Per produrre la plastica si utilizzano
essenzialmente due processi: il processo di
polimerizzazione e il processo di policondensazione,
entrambi i processi avvengono in presenza di specifici
catalizzatori.
Lo sviluppo della chimica
1835 - H. Regnault ottiene la prima sostanza basata sul
principio della polimerizzazione, il PVC
1846 - Lo svizzero Frederick Schoenbein isola il primo
polimero artificiale, il nitrato di cellulosa, un composto
chimico che imita l’ambra
1862 - Due industriali americani mettono in palio 10.000
dollari per chi avesse trovato un sostituto dell’avorio nella
fabbricazione delle palle da biliardo, allora molto costose
e non sempre perfettamente sferiche. Li vince Alexander
Parkes che sintetizza la nitrocellulosa (nitrato di cellulosa
più canfora), simile all'avorio, a cui da il nome di
Parkesina.
Lo sviluppo della chimica
1869 - Un tipografo di New York, John W. Hyatt,
mescolando insieme la Parkesina e la canfora, inventa la
Celluloide
1889 - George Eastman riesce ad utilizzare la Celluloide
per fare pellicole fotografiche
1909 - Leo H. Baekeland, utilizzando prodotti sintetici
(fenolo e formaldeide) ricavati dalla distillazione del
carbone, crea la Bachelite: è la prima vera plastica
anni '20 - Nasce la Fòrmica, laminato plastico a base di
urea, fenolo, formaldeide (e carta kraft), utilizzata
nell’arredamento
Lo sviluppo della chimica
1935 - Gibson e Fawcett mettono a punto il Polietilene
1938 - Wallace Hume Carothers produce il Nylon, la più
importante fibra tessile artificiale che si ottiene per
condensazione dell'acido adipico da solo (Nylon 6) o con
esametilen-diammina (Nylon 6.6)
1948 - I tecnici dell’areonautica americani mettono a
punto il Plexiglass
1954 - Giulio Natta scopre il Polipropilene isotattico, con
caratteristiche migliori del polietilene precedente. A lui
viene conferito nel 1963 il Premio Nobel per la Chimica
Cento Anni di Plastica
Da quando nel 1909 è stata sintetizzata
la prima plastica il suo consumo è
andato inarrestabilmente aumentando di
quasi il 10% ogni anno a partire dal
1950.
Da circa 1.5 milioni di tonnellate nel
1950, il totale globale di produzione di
materie plastiche è cresciuto a 245
milioni di tonnellate nel 2006
L'analisi del consumo pro capite delle
materie plastiche dimostra che questo è
cresciuto di circa 100 kg nei paesi
NAFTA e l'Europa occidentale, con il
potenziale di crescere fino a 120 Kg pro
capite nel 2010. Un maggior potenziale
di crescita può essere dovuto al rapido
sviluppo dell’ Asia.
La Plastica
La plastica si ottiene tramite i due processi
differenti:
- polimerizzazione, mediante la quale si riaccorpano i monomeri ottenuti con il cracking
(rottura chimica delle molecole delle frazion i più
pesanti del petrolio);
- policondensazione, reazione di sintesi tra
composti che possiedono più gruppi funzionali in
cui vengono eliminate molecole a basso peso
molecolare, come H2O o HCl.
La Plastica
Per realizzare i prodotti finali pronti per il loro utilizzo,
alle materie plastiche si uniscono additivi, cioè
sostanze che ne esaltano o ne attenuano le proprietà,
quali
• coloranti;
• agenti con caratteristiche particolari, come gli
antifiamma, gli antiossidanti, gli antistatici, i
plastificanti;
• cariche naturali o artificiali, per aumentare la
rigidità e migliorare le proprietà meccaniche;
La Plastica
• Espandenti, per ottenere un prodotto più leggero,
come ad esempio nel caso del polistirolo espanso.
I polimeri più utilizzati derivano prevalentemente da
quattro prodotti chimici di base, a loro volta derivati
dal petrolio: l'etilene, il propilene, il butadiene e lo
stirene. Nella polimerizzazione i monomeri (quali
l'etilene e il propilene) vengono riaccorpati e legati in
lunghe catene. Si ottengono così i polimeri, ciascuno
dei quali ha proprietà, struttura e dimensione diverse
in funzione dei differenti tipi di monomeri di base.
Polimerizzazione
Gli elementi di base
sono i monomeri
La reazione si propaga agli
altri monomeri
L’attivatore reagisce col doppio
legame originando un
radicale complesso
Il processo termina quando due
radicali si incontrano
Policondensazione
Si parte da monomeri aventi
gruppi funzionali diversi
I
gruppi
funzionali
reagiscono
liberando una molecola d’acqua
PET
Con reazioni simili si ottiene anche
il Nylon 6,6: condensazione tra un diacido (HOOC—(CH2) 4—
COOH) ed una diammina (NH2—(CH2) 6—NH2 ).
Etilene
Etilene
POLIPROPILENE ISOTATTICO E SINDIOTATTICO
I materiali plastici
Si dividono in termoplastici, termoindurenti ed elastomeri.
Le gomme, pur avendo chimicamente e tecnologicamente
molti punti di contatto con le materie plastiche, non sono
normalmente considerate tali.
• Materiali Termoplastici: sono costituiti da un gruppo di
materie plastiche che acquistano malleabilità, cioè
rammolliscono, sotto l'azione del calore.
In questa fase possono essere modellate o formate in oggetti
finiti e quindi per raffreddamento tornano ad essere rigide.
Questo processo,teoricamente,può essere ripetuto più volte
in base alle qualità delle diverse materie plastiche.
I materiali plastici
•Materiali Termoindurenti: sono un gruppo di materie
plastiche che, dopo una fase iniziale di rammollimento
dovute al riscaldamento, induriscono per effetto di
reticolazione tridimensionale.
Nella fase di rammollimento per effetto combinato di
calore e pressione risultano formabili. Se questi materiali
vengono riscaldati dopo l'indurimento non ritornano più
a rammollire, ma si decompongono carbonizzandosi.
•Elastomeri: la loro caratteristica principale è una
grande deformabilità ed elasticità: possono essere sia
termoplastiche che termoindurenti.
I materiali plastici
Si parla di:
•omopolimeri se il monomero è unico,
•copolimeri se il polimero è ottenuto da due
o più monomeri diversi;
•Leghe polimeriche se il materiale è il
risultato della miscelazione di due
monomeri che polimerizzano senza
combinarsi chimicamente.
Materiali termoplastici
PET (Polietilene Tereftalato): Consente di ottenere
fogli sottili e leggeri. Resistente al calore fino a
250°C ed impermeabile ai gas.
•Usi: Contenitori per liquidi, vaschette per frigo e
forno.
•PEHD (Polietilene ad alta densità): È resistente agli
urti.
•Usi: Cosmetici, contenitori per detersivi, tubi per
l'acqua
•PELD (Polietilene a bassa densità): Impermeabile ai
gas e flessibile.
•Usi: Sacchetti, imballaggi, pellicole per alimenti
Materiali termoplastici
•PS (Polistirene o, meno comunemente, polistirolo):
Duro e rigido.
•Usi: Scotch per le auto, giocattoli, oggetti
d'arredamento.
•Polistirene espanso: Resina polistirenica a forma
schiumosa; ha bassissimo peso specifico e
conducibilità termica; buona elasticità.
•Usi: Isolamento termico ed elettrico dei muri
Materiali termoplastici
•PVC (Polivinilcloruro o cloruro di polivinile): È la
plastica più utilizzata. Ha buone proprietà
meccaniche.
•Usi: Finestre, serramenti esterni, giocattoli, bottiglie,
contenitori, grondaie.
•PP (Polipropilene): È la plastica più leggera. Resiste
al calore ed agli agenti chimici. Ha un buon
isolamento elettrico.
•Usi: Nel settore casalingo, parti di elettrodomestici,
imballaggi.
Materiali termoindurenti
Resine fenoliche: Le caratteristiche dipendono dai
materiali con cui sono mescolate.
•Usi: Settore casalingo, mobili per televisori.
•Resine ureiche: Dure e colorate. Hanno buone
proprietà meccaniche e sono facilmente lavorabili.
•Usi: Spine, prese, elettrodomestici, interruttori.
Resine poliesteri insature: Sono leggere, facilmente
lavorabili e resistenti agli agenti atmosferici.
•Usi: Piscine, coperture per tetti.
Materiali termoindurenti
•Resine melamminiche: Buona resistenza alle
alte temperature e all'umidità.
•Usi: Laminati, settore casalingo, arredamenti,
vernici.
+
NH2
N
H2N
N(CH2OH)2
N
N
N
6 HCHO
NH2
(HOH2C)2N
N
N
N(CH2OH)2
Elastomeri
•Con il generico termine di elastomero si
indicano le sostanze naturali o sintetiche che
hanno le proprietà tipiche della gomma
naturale, la più evidente delle quali è la
capacità di subire grosse deformazioni
elastiche, ad esempio il poter essere allungati
diverse volte la propria dimensione a riposo.
Elastomeri
•Gli elastomeri termoplastici sono generalmente
co-polimeri di stirene e butadiene, poliolefine e
co-poliesteri.
•Gli elastomeri termoindurenti vengono
prodotti legando le une alle altre le catene di
polimero attraverso l'uso di reattivi chimici,
temperatura e pressione in un processo
generalmente chiamato vulcanizzazione. A causa
di questa modificazione nella loro struttura, una
volta modellati non possono venire
ulteriormente fusi.
Vulcanizzazione
Impatto ambientale della
Plastica
Le molecole di cui è costituita la plastica formano
delle lunghe catene: più queste catene sono ordinate e
parallele, cioè più la struttura è "cristallina",
maggiore è la resistenza del materiale ad ogni tipo di
attacco da parte di agenti ambientali (batteri, luce,
ossigeno). Ciò in quanto la catena molecolare viene a
presentare pochi punti di attacco per eventuali azioni
chimiche che possono spezzare il legame tra le
molecole. Inoltre spesso vengono aggiunti degli
additivi che aumentano la resistenza
all'invecchiamento.
Impatto ambientale della
Plastica
•Si può cercare di rendere la plastica biodegradabile
inserendo, ad esempio, durante la fase di costruzione
della catena di molecole, dei "doppi legami", che sono
dei legami chimici in cui gli atomi mettono in comune
due coppie di elettroni. In questo modo si aumentano
i possibili punti di attacco per gli agenti ambientali,
che possono così aprire, rompere e alla lunga
disgregare la catena molecolare del materiale,
portandolo al disfacimento.
Impatto ambientale della
Plastica
• Vediamo un conto pratico sul riciclaggio della
plastica.
•Riciclaggio plastiche con piccole quantità di
impurezze = 22 MJ/Kg
•Produzione di nuove plastiche da risorse esauribili =
86 MJ/Kg
•Energia risparmiata riciclando le plastiche come
materia ad alto contenuto di energia
•64 MJ/Kg
Impatto ambientale della
Plastica
•Se scelgo di incenerire la plastica, uso una sola forma
di energia in essa contenuta, cioè il suo potere
calorifico. Energia teorica recuperabile dalla
combustione della plastica
•48 MJ/Kg
•Supponendo di poter ottenere un’efficienza della
combustione pari al 50%. Energia reale recuperabile
in un forno di incenerimento di terza generazione
•24 MJ/Kg
Impatto ambientale della
Plastica
•Dunque il massimo risparmio di energia che si ha
bruciando la plastica è, nella migliore delle ipotesi, di
circa 24 MJ/Kg che vengono recuperati sotto forma di
calore, contro i 64 MJ/Kg di energia che recupero
(risparmio) se produco plastica a partire da plastica
riciclata (valore netto di risparmio, avendo già tolto
dal recupero i costi energetici di riciclo della plastica).
Impatto ambientale della
Plastica
A tutto questo si deve aggiungere il risparmio
energetico indiretto che si guadagna evitando nuove
estrazioni di petrolio. Quindi, dal punto di vista
strettamente energetico, converrebbe il riciclo. La
qualità della plastica riciclata, seppur inferiore a
quella primaria, consente l’impiego di questa in quasi
tutti i settori della plastica vergine.
Il riciclo della plastica diventa economicamente molto
meno vantaggioso se si computano i costi di raccolta e
trasporto.
Il Riciclaggio
Perché si fa:
Ampio e capillare uso di plastica in ogni ambito
Scarsa biodegradabilità con tempi compresi tra 500 e 1000 anni
Necessità di impiegare 2 kg di petrolio per ogni kg di materiale
Risparmio energetico nel processo produttivo della materia
plastica quantificabile tra il 40% e il 90%
Le limitazioni:
La rigenerazione dei materiali plastici è ancora soggetta a forti
limitazioni di carattere tecnologico ed economico
Occorre tenere in considerazione i costi aggiuntivi comportati
dalla raccolta differenziata
Scarsa richiesta dei prodotti derivanti dai materiali plastici
riciclati specie se basati su raccolta eterogenea post consumo
I tipi di raccolta
La plastica recuperata pre-consumo viene ottenuta da sfridi di
lavorazione (trucioli, materozze e residui di taglio) e da
manufatti con difetti di fabbricazione non immessi sul
mercato, direttamente nelle industrie di produzione di
prodotti che utilizzano come materia prima la plastica.
La frazione di post-consumo deriva principalmente dalla raccolta
differenziata urbana (più della metà degli imballaggi plastici
recuperati sono rifiuti domestici) ed è composta in larga
misura da bottiglie, flaconi, cartoni per bevande, sacchetti,
tappeti, imbottiture, parti di automobili, compact disc e altri
imballaggi e manufatti giunti a fine vita.
I tipi di raccolta
In media, più della metà della plastica recuperata dai RFU
(Rifiuti Solidi Urbani) è composta da poliolefine (HDPE e
LDPE), seguite da PET (con quantità che si aggirano attorno
al 20% del totale), polipropilene (PP, 11%), polistirene (PS ed
EPS, 8%) e, infine, da tutte le altre tipologie di polimeri (che
rappresentano in tutto circa il 4% del totale raccolto).
¾ L’alta eterogeneità del prodotto raccolto fa sì il suo
riutilizzo sia economicamente non vantaggioso (materiale
di poco pregio se non viene sottoposto a ulteriore
separazione)
Tecniche del riciclo
La plastica viene generalmente recuperata attraverso i seguenti processi:
Riciclo meccanico: si pone come obiettivo quello di ottenere nuova materia
prima da utilizzare per la produzione di nuovi manufatti, la cui qualità è
fortemente influenzata dall’omogeneità del materiale da riciclare.
Riciclo chimico: serie di trattamenti che decompongono i polimeri delle
plastiche usate in monomeri di qualità pari o molto vicina a quella dei
monomeri vergini. Questi possono essere riutilizzati nella produzione di
nuovi materiali plastici.
Termovalorizzazione: si pone come obiettivo quello di sfruttare il contenuto
energetico dei legami chimici della materia plastica. Sebbene non sia
propriamente una tecnica di riciclo, è comunque da preferire alla posa in
discarica in quanto consente di recuperare parzialmente l’energia
impiegata per la produzione del manufatto.
Riciclo meccanico
Materia plastica eterogenea:
Profilati e pallets
Triturazione
Densificazione
Estrusione
Materia plastica omogenea:
Separazione
e Triturazione
Lavaggio
Essiccamento
Macinazione e
granulazione
La seconda filiera di trattamento, ove possibile, è da preferire alla prima
che, sebbene meno costosa, ottiene un prodotto finito di scarso pregio.
Al contrario, il riciclaggio omogeneo produce un prodotto con
caratteristiche assimilabili al vergine.
Riciclo chimico
Viene eseguito sui polimeri di policondensazione, come il PET, i poliammidi e i
poliuretani, che possono essere efficacemente depolimerizzati.
Fra questi si ricordano:
Pirolisi: degradazione termica in assenza di ossigeno. Consente di ottenere una
miscela di idrocarburi liquidi e gassosi simili al petrolio.
Idrogenazione: degradazione a base di idrogeno e calore, in cui i polimeri si
trasformano in idrocarburi liquidi. Attraverso questo processo si possono
ottenere etilene, propilene, butadiene,… da cui si ricavano nuovamente
polietilene, polipropilene, PVC e gomma sintetica.
Gassificazione: procedimento ad alta temperatura (800-1600°C), basato sul
riscaldamento in mancanza di aria della materia dismessa. Alla fine del
processo, viene ottenuta una miscela di idrogeno e ossido di carbonio
utilizzabile come combustibile, o come materiale per la sintesi di prodotti
chimici.
Chemiolisi: processo che permette di lavorare le singole materie dismesse per
trasformarle nelle materie prime di origine.
Glicolisi (o Alcolisi), Metanolisi, Ammonolisi: processi di depolimerizzazione
applicabili solo su polimeri di condensazione (PET, PA, PUR), che vengono
preventivamente separati dalle altre plastiche.
Termovalorizzazione
Le plastiche come combustibile
possono essere bruciate insieme ai
rifiuti solidi urbani.
Nonostante l’efficienza energetica
sia inferiore a quella di una
centrale termoelettrica, vi si può
abbinare, dove possibile, il
teleriscaldamento per recuperare
un’ulteriore frazione di energia
Le tecnologie adottate sono le medesime, ormai ben sviluppate, che
si usano nelle centrali termoelettriche.
Particolare attenzione viene riservata all’abbattimento degli
inquinanti nei fumi di scarico, sia in post-combustione, sia con
trattamenti ad hoc.

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