Le plastiche | La chimica che ha cambiato la storia #3

Nel 2018 la produzione mondiale annuale si aggirava intorno alle 359 milioni di tonnellate. Mi riferisco alla plastica e quel numero le include tutte: PP, PA, PMMA, PET, PVC, HDPE, LDPE, PS e altre. La prima plastica sintetica prodotta industrialmente risale al 1907 e fu la bakelite. Tuttavia, la produzione massiva di plastiche inizia negli anni ’50 con 1.5 milioni di tonnellate l’anno. Nel 1976, la produzione ammonta già a 50 milioni di tonnellate. Nel 1989 raddoppia e nel 2002 raddoppia ulteriormente, per un totale di 200 milioni di tonnellate [1].

Negli ultimi cinquant’anni la plastica ha saturato il nostro mondo e ha cambiato le nostre vite. Andiamo con ordine ed esploriamone storia, principali tipi e caratteristiche. Spenderò qualche parola anche sul riciclo della plastica. Ho deciso di non addentrarmi nei dettagli chimici perché l’articolo tratta di plastiche al plurale: ne esistono a centinaia, tutte con strutture chimiche e proprietà diverse. Mi soffermerò però sui rivoluzionari catalizzatori Ziegler-Natta con un capitolo dedicato.

Definizione

Il termine plastica deriva dal greco e significa ‘arte che riguarda il modellare‘. Le plastiche sono costituite da polimeri puri o miscelati con altre sostanze, e i polimeri più comuni sono prodotti da sostanze derivanti dal petrolio, ma esistono ovviamente materie plastiche derivanti da altre fonti. La IUPAC (Unione internazionale di chimica pura e applicata) definisce la plastica come ‘materiale polimerico che può contenere altre sostanze finalizzate a migliorarne le proprietà o a ridurne i costi’. [2]

I polimeri sono lunghe catene di molecole organiche dette monomeri. Un polimero è principalmente costituito da uno scheletro carbonioso che si può sviluppare in maniera lineare o ramificata (come le gomme sintetiche – SBR – e naturali – poliisoprene -, che non tratterò in questo articolo) e che può contenere diverse strutture molecolari, dette gruppi funzionali. La lunghezza delle catene polimeriche, la loro distribuzione spaziale nelle tre dimensioni e le proprietà chimico-fisiche dei gruppi funzionali sono responsabili delle diverse proprietà (forza, leggerezza, flessibilità, resistenza meccanica, termica, ecc.) degli innumerevoli materiali plastici esistenti.

Singole catene polimeriche visualizzate al microscopio a forza atomica (AFM). Fonte: Wikipedia
Figura 1. Singole catene polimeriche visualizzate al microscopio a forza atomica (AFM). Fonte: Wikipedia, riferimento: J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 45, 15688–15689

Storia

I primi anni del 1900

Il primo vero materiale plastico semisintetico fu la celluloide, una resina simile all’avorio ottenuta miscelando la nitrocellulosa (nota anche con il nome fulmicotone) con la canfora. Fu brevettata nel 1855 dal metallurgista Alexander Parkes con il nome di parkesina. Questa fu poi adoperata dall’inventore americano John Wesley Hyatt per la produzione di palle da biliardo, fino ad allora in avorio, e come materiale per le impronte dentali. Nel 1910 il chimico belga Leo Baekeland brevetta la prima resina fenolica termoindurente con il nome di bakelite. La bakelite è usata come materiale strutturale di telefoni, macchine fotografiche, cruscotti delle automobili, bottoni, manici di padellame, interruttori, gioielli e molteplici altri oggetti. Alcuni esempi qui sotto (fonte immagini: Wikipedia).

Gli anni ’20, ’30 e ’40

Nel 1926 viene sviluppato un modo per lavorare e rendere commercialmente attraente il polivinilcloruro (PVC), già scoperto nella seconda metà del 1800. È un polimero termoplastico facilmente modellabile che trova ampio uso sia a livello industriale (infissi, tubi per edilizia, cavi elettrici, ecc.) sia tessile. In questi anni il chimico tedesco Hermann Staudinger getta le prime basi teoriche sulla struttura e sulle proprietà dei polimeri. Per questo è considerato il fondatore della chimica dei polimeri.

Nel 1933 il polimetilmetacrilato (PMMA), altresì conosciuto come Plexiglas®, fa il suo ingresso nel mercato e già all’epoca trovò grande impiego come sostituto del vetro.

Due anni dopo viene sintetizzata la prima poliammide (PA) sintetica: il Nylon. I primi ad essere prodotti furono il Nylon 6 e il Nylon 6,6, ma ne esistono di molti tipi con proprietà e usi diversi. Durante la Seconda Guerra Mondiale la produzione di alternative sintetiche alle risorse naturali divenne una priorità. Il Nylon fu quindi adoperato per i paracaduti, le armature, gli elmetti e altro. Questo materiale è facilmente e rapidamente sintetizzabile in un laboratorio chimico, vi lascio di seguito un video nel quale viene spiegato l’intero procedimento. Vi consiglio però di guardare dal minuto 2:46, quando una fibra di Nylon 6,6 viene estratta dal beaker di reazione.

Sintesi del Nylon 6,6

Nel 1941 viene brevettato il polietilene tereftalato, altresì conosciuto come PET. Il brevetto delle bottiglie in PET (le normali bottigliette in plastica che adoperiamo quotidianamente) risale al 1973. Nel 2014 la produzione mondiale di PET era pari a 41 milioni di tonnellate, con una previsione pari a 73 milioni nel 2020 [1].

Dagli anni ’50 ad oggi

Gli anni ’50 vedono l’ingresso sul mercato delle resine sintetiche termoindurenti melamminiche utilizzate per la produzione di decorazioni in laminati plastici, servizi da cucina, mobilio, vernici e colle.

Negli stessi anni si afferma sul mercato il polietilene (PE), che trova pieno successo circa due decenni dopo. Nel 1954 l’ingegnere chimico italiano Giulio Natta scopre e sintetizza il polipropilene isotattico (PP-H). Questo fu reso possibile dai catalizzatori stereospecifici da lui studiati che gli varranno il premio Nobel nel 1963 insieme al chimico tedesco Karl Ziegler. Il polimero in questione entrò nelle case di tutti gli italiani con il nome di Moplen e divenne emblema del boom economico italiano di quel decennio. Di seguito potete visionare la pubblicità che andava in onda sulla televisione nazionale.

Negli anni 60′ la plastica si afferma nell’arte, nella moda e nel design. Nelle case di tutto il mondo subentrano oggetti in plastica semplificando (e colorando) la vita di centinaia di migliaia di persone. Abitudini consolidate si rivoluzionano e si afferma così un nuovo stile di vita, quello “moderno”. Da allora le possibilità dei materiali plastici divennero potenzialmente infinite e contribuirono ad alimentare l’idea di un futuro (utopico) governato da un materiale sicuro, igienico e poco costoso. In quegli stessi anni i primi detriti plastici sono osservati negli oceani, con una conseguente presa di coscienza degli eventuali danni causati da un abuso incondizionato delle plastiche.

Il futuro della plastica

Nei decenni successivi la rapida crescita tecnologica contribuì allo sviluppo di nuovi materiali polimerici per applicazioni sempre più sofisticate: è l’era dei tecnopolimeri (engineering polymers o engineering plastics). Essi posseggono un numero rilevante di carateristiche desiderabili: una resistenza meccanica elevata, una buona flessibilità e durabilità, leggerezza, ottime proprietà termiche, conducibilità o isolamento elettrico, resistenza ad acidi, basi, solventi e in generale ambienti altamente corrosivi. Queste proprietà sono tali da rendere questi materiali spesso superiori a materiali metallici e ceramici.

Le plastiche sintetiche hanno rivoluzionato il nostro mondo e ricoprono un ruolo di rilievo nella nostra società. Le plastiche hanno reso possibile lo sviluppo dei telefoni, dei computer e della maggior parte di attrezzi e utensili della medicina moderna, inoltre sono ampiamente adoperate per la conservazione di prodotti alimentari. Date la leggerezza e l’ottimo isolamento termico di alcune di esse (ad esempio il polistirolo) permettono di risparmiare sui combustibili fossili usati per il riscaldamento e per il trasporto. Il basso costo di questi materiali ha migliorato la qualità di vita di milioni di persone, ma dall’altro lato l’impatto ambientale causato dal non riciclo provoca danni e costi in termini di vite umane (e non solo) incalcolabili.

Siccome è chiaro che le plastiche hanno un ruolo importante nelle nostre vite, ricercatori e scienziati stanno studiando metodi per produrre plastiche biodegradabili e sicure. Altri si concentrano sullo sviluppo di bioplastiche che usano fonti vetegali invece dei combustibili fossili. Altri ancora ricercano metodi innovativi per migliorare e rendere più efficiente il riciclo. Tutti costoro riconoscono la non perfezione delle plastiche e l’importanza che queste hanno sulla vita di tutti.

I catalizzatori Ziegler-Natta

Gli studi di Ziegler in Germania e di Natta in Italia negli anni cinquanta introdussero la polimerizzazione stereoselettiva: ossia un processo di sintesi polimerica che permette di ottenere polimeri altamente regolari e con proprietà superiori rispetto ai polimeri ottenuti fino a quel momento.

In quel periodo Ziegler studiava le reazioni dell’etilene (una olefina) catalizzate da un composto metallorganico a base di alluminio come il Al(C2H5)2Cl. L’aggiunta di un composto inorganico contenente un metallo di transizione come il titanio – il tetracloruro di titanio TiCl4 – portò alla formazione di polietilene ad alto peso molecolare (HDPE) con caratteristiche migliori rispetto a quello ottenuto fino ad allora. Natta adoperò i catalizzatori di Ziegler per ottenere polimerizzazioni stereoselettive del propilene (un’altra olefina): il risultato fu di grande successo poichè fino ad allora le poli-α-olefine prodotte per via ionica o radicalica non possedevano alti pesi molecolari. L’importanza scientifica ed applicativa di questi studi venne immediatamente riconosciuta dalla comunità scientifica ed industriale, al punto da insignire i due ricercatori del premio Nobel per la chimica nel 1963.

La rivoluzione sta proprio nel termine ‘polimerizzazione stereoselettiva‘: grazie agli studi di Ziegler e Natta è oggi possibile controllare la posizione e disposizione di ogni singola unità monomerica all’interno del polimero. Riporto di seguito alcuni dei polimeri prodotti mediante i catalizzatori di Ziegler-Natta: polietilene (PE), polipropilene (PP), polibutilene (PB-1), policicloolefine, polibutadiene (BR), poliisoprene (IR), poliacetilene (PAc), polimetilpentene (PMP).

Si può riciclare la plastica?

La maggior parte della plastica prodotta ha un ciclo di vita molto breve: spesso meno di un anno. C’è un interesse crescente sia economico sia ambientale verso il riutilizzo e il riciclo delle plastiche. In ogni caso, il processo stesso di riciclo deve essere sostenibile ed eco-friendly.

Non tutte le plastiche sono reciclabili, ad esempio quelle termoindurenti, il cui riciclo è economicamente sconveniente. Per queste plastiche si predilige l’incenerimento e il recupero energetico. IBM ha recentemente sviluppato un nuovo polimero termoindurente completamente riciclabile (e auto-guarente) chiamato PHT (poliesaidrotriazina), lo studio è stato pubblicato su Science nel 2014 (García et al., Recyclable, Strong Thermosets and Organogels via Paraformaldehyde Condensation with Diamines, Science, 2014). Di seguito potete visionare il video pubblicato dai ricercatori IBM nel quale spiegano le proprietà di questo innovativo materiale.

Qui di seguito riporto le plastiche comunemente riciclate:

  • Politetilene, sia ad alta densità (HDPE) sia a bassa a densità (LDPE), comunemente usato per imballaggi, sacchetti, giocattoli, flaconi;
  • Polipropilene, usato per l’arredamento, contenitori per alimenti, flaconi;
  • Polistirene (conosciuto comunemente come polistirolo), adoperato per vaschette di alimenti, posate, bicchieri, piatti;
  • PVC, usato per le vaschette delle uova, tubi, finestre;
  • PET, principalmente usato per le bottigliette.

Un problema comune nel riciclo delle plastiche è dovuto alla presenza di eventuali additivi aggiunti per migliorarne alcune proprietà (resistenza, lavorabilità, ecc.). Ciò può rendere il processo di recupero complicato.

Il procedimento di riciclo può essere di due tipi:

  • meccanico: è il più comune ed anche economico dal quale si ottengono granuli (pellet) mediante triturazione pronti per essere adoperati nuovamente;
  • chimico: consiste nello spezzare le catene polimeriche per ottenere il materiale di partenza (monomero). Un esempio attuato industrialmente è l’idrolisi del PET.

I codici di riciclaggio

Nel 1997 la Commissione Europea ha istiuito dei codici definiti di riciclaggio per permettere di riconoscere in modo immediato il tipo di materiale che costituisce l’oggetto da riciclare. Eccoli nell’immagine che segue.

Codici di riciclaggio
Figura 2. Codici di riciclaggio presenti su materiali in plastica: 1. PET, 2. Polietilene ad alta densità, 3. PVC, 4. Polietilene a bassa densità, 5. Polipropilene 6. Polistirolo, 7. altre plastiche.

Fonti:
Nkwachukwu et al., International Journal of Industrial Chemistry, 2013
[1] www.statista.com
[2] Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012), Pure and Applied Chemistry, 2012

Ludovico Andrea Alberta

Mi chiamo Ludovico e ho preso a cuore il progetto di The Science Lab. Ho iniziato a scrivere articoli per il presente blog a settembre 2020. Sono laureato magistrale in Scienze e Tecnologie Chimiche all'Università di Milano - Bicocca. Attualmente mi trovo a Dresda (Germania) per il mio dottorato. Mi occupo, insieme ai miei colleghi del progetto BIOREMIA ETN, di sviluppare nuovi potenziali materiali per impianti ortopedici e dentali. Io nello specifico studio e ricerco leghe innovative di titanio con azione antibatterica. (Se vuoi saperne di più, visita il sito www.bioremia.eu)

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