Produzione di tubi per cateteri biocompatibili Produzione sostenibile di poliuretano senza isocianato tossico

I poliuretani sono presenti in molti prodotti, ad esempio nei mobili imbottiti, nei materiali espansi o isolanti, nei pavimenti, nelle vernici e persino nei cateteri medici. Nella produzione di queste materie plastiche molto richieste viene utilizzato l’isocianato, una sostanza tossica. I ricercatori del Fraunhofer hanno ora sviluppato un processo di produzione alternativo che utilizza il dicarbamato, una sostanza innocua.

I composti chimici del tipo isocianato sono tossici e provocano allergie o asma. Tuttavia, sono ancora indispensabili per l’industria chimica: sono necessari soprattutto per la produzione di poliuretani (PUR). Queste materie plastiche sono estremamente versatili e vengono quindi utilizzate per numerosi prodotti. Sebbene nel prodotto finale non siano più presenti isocianati, durante la produzione sono necessarie particolari misure di sicurezza per tenerli lontani dalle persone ed evitare rischi per la salute. I ricercatori del Fraunhofer sono ora riusciti per la prima volta, nell’ambito del progetto «CO2NIPU» (Non-Isocyanate Polyurethanes, NIPU), a produrre poliuretani senza l’impiego di isocianati.

Il dicarbamato come sostituto dell'isocianato

A tal fine, il responsabile del progetto, il dott. Christoph Herfurth dell’Istituto Fraunhofer per la ricerca applicata sui polimeri (IAP), insieme al suo team, ha sostituito l’isocianato con il dicarbammato, una sostanza innocua. Il nuovo processo rende la produzione di materie plastiche più semplice e sicura, e i dipendenti non devono seguire una formazione specifica per proteggersi dalla sostanza tossica. Altri vantaggi: si riducono le emissioni di gas serra, poiché i ricercatori utilizzano l’anidride carbonica per la produzione del dicarbammato. Inoltre, stanno sviluppando metodi di riciclaggio per riutilizzare i materiali PUR usati. Al progetto congiunto «CO2NIPU» hanno partecipato, oltre al Fraunhofer IAP, anche l’Istituto Fraunhofer per le Tecnologie Chimiche (ICT), l’Istituto Fraunhofer per la Tecnologia di Produzione e la Ricerca Applicata sui Materiali (IFAM) e l’Istituto Fraunhofer per la Tecnologia Ambientale, della Sicurezza e dell’Energia (UMSICHT). Herfurth sottolinea i vantaggi del progetto: «I poliuretani a base di dicarbammati presentano strutture molecolari identiche a quelle dei classici PUR a base di isocianati. È quindi possibile avvalersi del know-how già esistente per ottenere le proprietà dei materiali richieste dal prodotto finale o dall’applicazione.»

Sistema modulare per le proprietà dei materiali

I ricercatori hanno ulteriormente sviluppato il processo in vista di una sua applicabilità industriale. Diverse sostanze chimiche vengono miscelate in un determinato rapporto, ottenendo così le proprietà desiderate. I cosiddetti estensori di catena aiutano a reticolare i gruppi molecolari e garantiscono proprietà elastiche o adesive. I polimeri dioli rendono morbida la plastica, mentre il dicarbammato, in sostituzione dell’isocianato, avvia il processo chimico. Dopo la miscelazione, queste sostanze chimiche vengono fuse e agitate a temperature comprese tra i 180 e i 190 gradi Celsius. Dopo il raffreddamento, gli esperti ne testano le caratteristiche quali la resistenza alla trazione o l’elasticità. Gli isocianati sono altamente reattivi, pertanto i poliuretani si formano spesso nel giro di pochi minuti. Se si utilizzano dicarbammati meno reattivi, lo stesso processo richiede dalle sei alle otto ore, ma in compenso è molto più facile da controllare e gestire. Ciò riduce gli scarti e le fluttuazioni di qualità nella produzione.

Economia circolare per l'industria della plastica

I dicarbammati vengono prodotti dal partner di progetto Fraunhofer UMSICHT mediante un processo ad alta pressione. A una pressione di 50 bar, il metanolo e il gas serra CO₂ vengono sintetizzati con diamine per formare dicarbammati. Il Fraunhofer ICT sta sviluppando processi di riciclaggio per i poliuretani usati, ad esempio provenienti da vecchie schiume, che vengono poi trasformati nuovamente in nuovi prodotti in PUR. «In questo modo contribuiamo all’obiettivo di un’economia circolare sostenibile senza emissioni di gas serra», riassume Herfurth. Come prima applicazione, i ricercatori del Fraunhofer hanno puntato alla produzione di tubi per cateteri biocompatibili nel settore della tecnologia medica. Il Fraunhofer IFAM utilizza il sistema modulare variabile per lo sviluppo di adesivi destinati a fissare le cannule al tubo.

La tecnologia per la produzione di poliuretani privi di isocianati non è più limitata al laboratorio. «Ormai siamo già in grado di produrre alcuni chilogrammi di NIPU nel nostro centro tecnico. Nella fase successiva, presso il Centro Fraunhofer per gli impianti pilota di sintesi e lavorazione dei polimeri (PAZ) di Schkopau sarà possibile produrre diverse centinaia di chili di NIPU», afferma Herfurth.