Mentre molte città e otto stati hanno vietato la plastica monouso, borse e altri imballaggi in polietilene intasano ancora le discariche e inquinano fiumi e oceani.

Un grosso problema con il riciclaggio del polietilene, che costituisce un terzo di tutta la produzione di plastica nel mondo, è economico:i sacchetti riciclati finiscono in prodotti di basso valore, come ponti e materiale da costruzione, fornendo scarsi incentivi al riutilizzo dei rifiuti.

Un nuovo processo chimico sviluppato presso l'Università della California, Berkeley, converte la plastica di polietilene in un adesivo forte e più prezioso e potrebbe cambiare quel calcolo.

"La visione è che prenderesti un sacchetto di plastica che non ha alcun valore, e invece di buttarlo via, dove finisce in una discarica, lo trasformeresti in qualcosa di alto valore, " ha detto John Hartwig, la cattedra Henry Rapoport in chimica organica presso la UC Berkeley e leader del gruppo di ricerca. "Non potresti prendere tutta questa plastica riciclata - centinaia di miliardi di libbre di polietilene vengono prodotte ogni anno - e trasformarla in un materiale con proprietà adesive, ma se ne prendi una parte e la trasformi in qualcosa di grande valore, che può cambiare l'economia di trasformare il resto in qualcosa di valore inferiore."

Per la maggior parte delle materie plastiche, riciclare significa sminuzzarlo e trasformarlo in prodotti generici, nel processo eliminando molte delle proprietà accuratamente progettate nella plastica originale, come flessibilità e facilità di lavorazione. E mentre nuovi metodi di riciclaggio possono scomporre la plastica nei suoi costituenti chimici da utilizzare come combustibili o lubrificanti, Questi prodotti, pure, sono di basso valore e possono essere discutibili dal punto di vista ambientale - un altro combustibile fossile da bruciare - o avere una vita breve.

Per rendere il riciclaggio più attraente, i ricercatori e l'industria delle materie plastiche hanno cercato modi per "upcycle", ovvero, convertire la plastica riciclata in qualcosa di più prezioso e più longevo.

Il processo chimico sviluppato da Hartwig e dai suoi colleghi mantiene molte delle proprietà originali del polietilene, ma aggiunge un gruppo chimico al polimero che lo fa aderire al metallo:cosa che normalmente il polietilene fa male. Il suo team ha dimostrato che il polietilene modificato può anche essere verniciato con lattice a base d'acqua. Il lattice si stacca facilmente dal polietilene a bassa densità standard, denominato LDPE.

Il documento che descrive questo processo sarà pubblicato online il 17 dicembre sulla rivista chimica e apparirà nell'edizione cartacea di gennaio.

"Siamo in grado di migliorare l'adesione, preservando tutte le altre caratteristiche del polietilene che l'industria trova così utile, " ha detto il coautore Phillip Messersmith, la classe del 1941 professore nei dipartimenti di bioingegneria e scienza e ingegneria dei materiali dell'Università di Berkeley. "La processabilità, la stabilità termica e le proprietà meccaniche sembrano essere illese mentre migliorano l'adesione. È difficile da fare. Questo è davvero il punto in cui abbiamo alcune cose eccitanti da mostrare".

Sebbene il processo non sia ancora economico per l'uso industriale, Hartwig crede che possa essere migliorato e potrebbe essere il punto di partenza per aggiungere altre proprietà oltre alla viscosità. Il successo suggerisce anche che altri catalizzatori potrebbero funzionare con altri tipi di plastica, come il polipropilene che si trova nelle bottiglie di plastica riciclata, produrre prodotti di maggior valore economicamente attraenti.

Modificare le catene di idrocarburi

Hartwig è specializzato nella progettazione di nuovi processi catalitici, in questo caso, aggiunta di piccole unità chimiche a grandi catene di idrocarburi, o polimeri, in luoghi molto specifici, per creare "polimeri funzionalizzati" con proprietà nuove e utili. Tali reazioni sono difficili, perché un importante punto di forza delle materie plastiche è che sono resistenti alle reazioni chimiche.

Per questo progetto, voleva vedere se poteva aggiungere un gruppo ossidrile - ossigeno legato all'idrogeno, o OH—a una piccola frazione dei legami carbonio-idrogeno lungo la catena del polietilene.

"Il polietilene di solito ha tra 2, 000 e 10, 000 atomi di carbonio in una catena, con due idrogeni su ogni carbonio, davvero, è un oceano di gruppi CH2, chiamati metilene, " ha detto. "Ci siamo immersi nella letteratura per cercare il catalizzatore più attivo che potevamo trovare per la funzionalizzazione di una posizione del metilene".

Il catalizzatore dovrebbe lavorare ad alte temperature, poiché la plastica riciclata solida deve essere fusa. Anche, dovrebbe funzionare in un solvente non polare, e quindi in grado di mischiarsi con il polietilene, che è apolare. Questo è uno dei motivi per cui non si attacca ai metalli, che sono polari, o addebitato.

Hartwig e l'associata post-dottorato Liye Chen hanno optato per un catalizzatore a base di rutenio (porfirina di rutenio polifluorurato) che soddisfacesse questi requisiti e poteva anche aggiungere gruppi OH alla catena polimerica senza che l'idrossile altamente reattivo rompesse la catena polimerica.

La reazione, sorprendentemente, prodotto un composto di polietilene che aderisce saldamente al metallo di alluminio, presumibilmente per mezzo delle molecole di OH fissate lungo la catena idrocarburica del polietilene. Per capire meglio l'adesione, Chen ha collaborato con Katerina Malollari, uno studente laureato nel laboratorio di Messersmith, che si concentra sui tessuti biologici con proprietà adesive, in particolare, una colla prodotta dalle cozze.

Chen e Malollari hanno scoperto che l'aggiunta di una percentuale relativamente piccola di alcol al polimero aumentava l'adesione di 20 volte.

"La catalisi ha introdotto cambiamenti chimici in meno del 10% del polimero, ma ha migliorato notevolmente la sua capacità di aderire ad altre superfici, " disse Messersmith.

Fare in modo che il polietilene aderisca alle cose, inclusa la vernice al lattice, apre molte opportunità, Ha aggiunto. Gli alveoli artificiali dell'anca e le protesi al ginocchio spesso integrano il polietilene con componenti metallici e potrebbero essere fatti aderire meglio al metallo. Il polietilene funzionalizzato potrebbe essere utilizzato per rivestire il cavo elettrico, fornire la colla che unisce altri polimeri, nei cartoni del latte, per esempio, o realizzare compositi più durevoli di plastica e metallo, come nei giocattoli.

"L'utilità qui è essere in grado di introdurre questi gruppi funzionali, che aiutano a risolvere molti problemi di vecchia data nell'adesione del polietilene:adesione del polietilene ad altro polietilene o ad altri polimeri, così come al metallo, " disse Messersmith.

Hartwig prevede maggiori opportunità per la funzionalizzazione di polimeri complessi, compresa la plastica più comune, polipropilene.

"Siamo uno dei pochi gruppi al mondo che è stato in grado di introdurre selettivamente un gruppo funzionale nei polimeri di idrocarburi a catena lunga, " ha detto. "Altre persone possono spezzare le catene, e altri possono ciclizzare le catene, ma introdurre effettivamente un gruppo funzionale polare nelle catene è qualcosa che nessun altro è stato in grado di fare".