Gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e i loro partner della Clemson University hanno scoperto un verde, processo a basso consumo energetico per abbattere il polistirene, un tipo di plastica ampiamente utilizzato nei materiali di imballaggio in schiuma, contenitori per alimenti usa e getta, posate, e molte altre applicazioni.

Il polistirene fa parte di un problema globale dei rifiuti di plastica molto più ampio. Ogni anno vengono prodotte centinaia di milioni di tonnellate di polimeri, una grande maggioranza dei quali viene scartata dopo l'uso. A causa della stabilità chimica e della durabilità dei polimeri industriali, i rifiuti di plastica non si degradano facilmente nelle discariche e spesso vengono bruciati, che produce anidride carbonica e altri gas pericolosi. Per fermare la crescente inondazione di rifiuti polimerici e ridurre le emissioni di anidride carbonica, la plastica deve essere riciclata o convertita in nuovi prodotti a valore aggiunto.

Attualmente, il riciclaggio della stragrande maggioranza delle materie plastiche non è economicamente fattibile; la loro cernita e separazione richiedono molto tempo e lavoro, mentre la lavorazione chimica e la rigenerazione richiedono un significativo apporto energetico e solventi tossici. I polimeri rilavorati spesso mostrano prestazioni inferiori a quelle dei materiali "fatti da zero" appena fabbricati.

Un team di scienziati dell'Ames Laboratory ha utilizzato la lavorazione mediante macinazione a palle per decostruire il polistirene commerciale in un unico passaggio, a temperatura ambiente, in atmosfera ambiente in assenza di solventi nocivi. La macinazione a sfere è una tecnica che pone i materiali in una fiala di macinazione con cuscinetti a sfera in metallo che viene quindi agitata fino a quando non si verifica una reazione chimica desiderata. Chiamato meccanochimica, questo approccio sperimentale ha numerose applicazioni nella sintesi di nuovi materiali, e caratteristiche interessanti per quanto riguarda il riciclaggio della plastica.

La decostruzione del polistirene avviene attraverso una serie di eventi chimici che comportano il taglio meccanico delle macromolecole, che genera radicali liberi rilevabili nel macinato anche dopo la sua prolungata esposizione all'aria. I cuscinetti metallici utilizzati per la macinazione e l'ossigeno ambientale agiscono come co-catalizzatori che consentono l'estrazione dello stirene monomerico dalle specie portatrici di radicali oligomerici formate. Gli esperimenti hanno mostrato che l'aumento di temperatura del materiale durante la macinazione non è responsabile del fenomeno osservato poiché la temperatura all'interno della polvere macinata non supera i 50oC mentre la decomposizione termica del polistirene nell'aria inizia a circa 325oC. Il gruppo di Clemson ha confermato la completa decostruzione del polimero originale in frammenti più piccoli, materiali oligomerici, adatto per ulteriori trasformazioni in nuovi prodotti a valore aggiunto.

"Questo metodo rappresenta un importante passo avanti che consente lo smantellamento di un polimero contemporaneamente alla sua rottura in condizioni ambientali, questo è, ~300 C al di sotto della temperatura di decomposizione termica del materiale incontaminato", ha affermato Viktor Balema, scienziato senior del laboratorio di Ames. "Pensiamo che questa prova di concetto sia un'eccitante possibilità per lo sviluppo di nuove tecnologie di riciclaggio per tutti i tipi di plastica, e ciò contribuirà alla creazione dell'economia circolare."

Il suo partner della Clemson University, Illustre professore di Kentwool Igor Luzinov, ha inoltre commentato che "questa scoperta apre nuove strade per il recupero a bassa temperatura di monomeri da sistemi a base di polimeri multicomponenti come compositi e laminati. Inoltre, la nostra tecnologia consentirà di estrarre il monomero da materiali reticolati contenenti unità di stirene nelle loro strutture".

Ricercatore della Fondazione Alfred P. Sloan, Professor Aaron Rossini dell'Iowa State University, ha inoltre osservato che "la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica mostra grandi concentrazioni di specie di radicali liberi centrate sul carbonio nel polistirene che è stato macinato in aria. Questo è un risultato sorprendente perché i radicali liberi sono normalmente molto reattivi. Inoltre, la presenza dei radicali dà evidenza diretta che la macinazione provoca direttamente la scissione delle catene polimeriche. Ci aspettiamo che i siti reattivi associati ai radicali liberi possano essere utilizzati per funzionalizzare i polimeri lavorati per ottenere nuovi prodotti a valore aggiunto".

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento "Depolimerizzazione del polistirene in condizioni ambientali, " scritto da Viktor P. Balema, Ihor Z. Hlova, Scott L. Carnahan, Mastooreh Seyedi, Oleksandr Dolotko, Aaron J. Rossini, e Igor Luzinov; presenti sulla copertina del Nuovo giornale di chimica .