La sostanza naturale 3-carene è un componente dell'olio di trementina, un flusso di scarto della produzione di cellulosa dal legno. Fino ad ora, questo sottoprodotto è stato per la maggior parte incenerito. I ricercatori di Fraunhofer stanno utilizzando nuovi processi catalitici per convertire il 3-carene in elementi costitutivi per la plastica a base biologica. Le nuove poliammidi non sono solo trasparenti, ma hanno anche un'elevata stabilità termica.

La plastica è un'utile alternativa al vetro o al metallo per un'ampia gamma di applicazioni. Le poliammidi svolgono un ruolo importante nella produzione di componenti strutturali di alta qualità, in quanto non solo sono resistenti agli urti e all'abrasione, ma anche resistente a molti prodotti chimici e solventi. Oggi, le poliammidi sono prodotte principalmente dal petrolio greggio.

Un'alternativa sostenibile:monomeri da scarti di legno

L'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB sta studiando un'alternativa sostenibile per la produzione di nuove plastiche ad alte prestazioni dai terpeni presenti nel legno ricco di resina. Le sostanze naturali sono disponibili da conifere come pino, larice o abete rosso. Nella produzione della polpa, in cui il legno viene scomposto per separare le fibre di cellulosa, i terpeni sono isolati in grandi quantità come sottoprodotto, olio di trementina.

Nel progetto congiunto "TerPa – Terpeni come elementi costitutivi per poliammidi a base biologica", i ricercatori della filiale Straubing BioCat del Fraunhofer IGB sono ora riusciti a ottimizzare la sintesi dei lattami dal terpene 3-carene e a convertirli in un processo competitivo su scala potenzialmente industriale. I lattami sono elementi costitutivi per la produzione di poliammidi. Gli esperti di Straubing potrebbero già dimostrare che terpeni come l'α-pinene, il limonene e il 3-carene sono materie prime idonee per la sintesi di lattami biobased.

Sequenza di reazione one-pot economica

La conversione del 3-carene nel corrispondente lattame richiede quattro passaggi chimici successivi. La particolarità della soluzione Straubing in attesa di brevetto è che le conversioni possono avvenire come una "sequenza di reazione one-pot" in un singolo reattore – non è richiesta la purificazione dei prodotti intermedi. "Abbiamo raggiunto questo obiettivo selezionando con cura i catalizzatori e le condizioni di reazione, risparmiando tempo e denaro, "Paul Stockmann spiega, che ha sviluppato e ottimizzato il promettente processo.
"Anche su scala di laboratorio, il nostro processo fornisce più di 100 grammi di monomero lattamico diastereomericamente puro per ciclo di produzione. Questa quantità è abbastanza sufficiente per le prime indagini sulla produzione e la valutazione delle nuove materie plastiche, " ha detto Stockmann. Un altro vantaggio:non sono necessarie sostanze chimiche tossiche o pericolose per l'ambiente per la sintesi del lattame.

a base biologica, trasparente, termicamente stabile

Tuttavia, non è tutto. A causa della speciale struttura chimica del 3-carene, le catene laterali del composto naturale inibiscono la cristallizzazione del polimero risultante (vedi box info). "I nostri polimeri a base biologica sono quindi prevalentemente 'amorfi' e quindi trasparenti, il che è molto insolito per le poliammidi a base biologica, "dice il dottor Harald Strittmatter, che dirige il progetto presso la filiale BioCat di Straubing. Questo rende le nuove poliammidi adatte come schermi protettivi, per esempio in visiere o occhiali da sci. Possono anche essere prodotti con un input energetico notevolmente inferiore rispetto alle poliammidi trasparenti a base di petrolio. A differenza di altre bioplastiche, che sono prodotti principalmente da mais, fecola di frumento o di patate, le poliammidi a base biologica non competono con la produzione alimentare. Piuttosto, aggiungono valore a un flusso di rifiuti che, finora, è stato bruciato per la produzione di energia.

Un altro vantaggio:le nuove poliammidi biobased hanno anche eccellenti proprietà termiche. "Il punto di transizione vetrosa delle nostre poliammidi è di 110°C. Possono quindi trovarsi anche a temperature costantemente elevate, ad esempio come componenti nel vano motore di autoveicoli, " dice Strittmatter. È vero che le poliammidi ottenute da risorse fossili hanno proprietà di temperatura simili. Tuttavia, a causa dei loro domini aromatici – che non si trovano nelle poliammidi a base 3-carene – si scoloriscono nel tempo sotto l'influenza della luce UV, limitando il loro potenziale per le applicazioni esterne.

I carenlattamici conferiscono a PA12 e PA6 nuove proprietà

Gli scienziati hanno anche polimerizzato i lattami biobased con altre molecole monomeriche disponibili in commercio – laurolattame (monomero di PA12) e caprolattame (monomero di PA6) – per formare copolimeri. La cristallinità e quindi la trasparenza dei nuovi copolimeri sono state notevolmente modificate. In linea di principio, i profili applicativi delle plastiche ampiamente utilizzate PA12 e PA6 sono potenzialmente estesi.

A seguito di un'ulteriore ottimizzazione della sintesi dei monomeri, colleghi dell'Istituto Fraunhofer per l'ambiente, Tecnologia per la sicurezza e l'energia L'UMSICHT di Oberhausen trasferirà il processo su una scala pilota da 20 litri e produrrà grandi quantità di campioni di lattami. Le proprietà dei nuovi polimeri e copolimeri verranno quindi studiate più in dettaglio per identificare possibili applicazioni. Gli scienziati intendono anche studiare la biodegradabilità della nuova poliammide. I ricercatori del Fraunhofer sperano che le aziende interessate saranno poi in grado di trasferire i risultati su scala industriale.

Nei polimeri cristallini, le catene polimeriche sono allineate in modo ordinato. La luce incidente viene diffusa sulle strutture cristalline in modo che le plastiche appaiano opache o torbide. Se, d'altra parte, le catene polimeriche sono disordinate, ad esempio perché le catene laterali interferiscono tra loro, parliamo di polimeri amorfi. La luce incidente non viene dispersa; i polimeri appaiono trasparenti.