Economia circolare Progettare in modo sostenibile membrane per tetti realizzate con materiali riciclati

È possibile ricavare materiale plastico riciclato da flussi di rifiuti finora inutilizzati per produrre fibre e film di alta qualità? I ricercatori del Fraunhofer CCPE stanno approfondendo questa questione. Nell’ambito del progetto Zirk-Tex stanno sviluppando, a integrazione di ciò, metodi di riciclaggio innovativi per la produzione di membrane per tetti e geosintetici sostenibili. 

Il mercato delle materie plastiche riciclate, in particolare il polipropilene (PP) e il polietilene tereftalato (PET), presenta ancora un grande potenziale. La domanda di soluzioni sostenibili è in crescita, ma la qualità dei materiali riciclati deve migliorare. Molti processi di riciclaggio falliscono a causa delle impurità che rendono difficile il trattamento. Di conseguenza, spesso i materiali riciclati non riescono a competere con quelli vergini. 

I sei istituti del cluster Fraunhofer CCPE, in collaborazione con gli istituti Fraunhofer di Biologia Molecolare ed Ecologia Applicata (IME) e di Optronica, Ingegneria dei Sistemi e Analisi delle Immagini (IOSB), intendono confutare questa convinzione e cambiare la situazione. Nel progetto Zirk-Tex rispondono, tra l’altro, alla domanda se sia possibile produrre, a partire da rifiuti plastici finora non utilizzati, materie plastiche riciclate per pellicole, tessuti non tessuti e fibre di alta qualità, che possano essere ulteriormente lavorati per ottenere membrane per tetti. 

Produzione economica di membrane impermeabilizzanti in PP e PET 

«È meno problematico produrre, ad esempio, componenti stampati a iniezione a partire da materiali plastici riciclati. Ma realizzare prodotti tessili come i tessuti non tessuti per le membrane impermeabilizzanti è molto più difficile, poiché i processi di filatura pongono requisiti molto elevati ai materiali riciclati», spiega il dott. Evgueni Tarkhanov, ricercatore presso il Fraunhofer IAP.

Il motivo: il materiale di partenza deve essere omogeneo e completamente privo di impurità per poter essere estruso in modo uniforme attraverso capillari estremamente sottili e, dopo l’estrusione, resistere a forze di trazione talvolta molto elevate. «Per la produzione, la stabilità di lavorazione è fondamentale», ha proseguito Tarkhanov. 

Le particelle di sporco più piccole o tracce minime di polimeri estranei nei filamenti estrusi costituiscono imperfezioni nella massa di filatura e aumentano la probabilità di rottura dei filamenti durante il processo di produzione. Il riposizionamento dei fasci di filamenti sugli organi di guida del filo richiede tempo e può talvolta comportare l’arresto delle macchine di produzione, con conseguenti costi ingenti.

Ripensare l'intera catena del valore

«Per produrre le membrane per tetti a partire da rifiuti post-consumo, siamo in grado di riprodurre l’intera catena di processo per il PP e il PET su scala pilota», afferma il dott. Christian Schütz, responsabile del progetto e ricercatore presso il Fraunhofer LBF. Ciò significa che si va dall’analisi della selezione dei materiali, passando per metodi di riciclaggio innovativi, fino all’applicazione finale. Dal riciclaggio di materie plastiche usate idonee si ottiene un granulato o un composto che, una volta arricchito con additivi, viene ulteriormente lavorato mediante filatura per ottenere tessuti non tessuti, film o membrane.

A tal proposito, il team di ricercatori ha valutato il potenziale di due processi di riciclaggio: La frazione di PET è stata sottoposta a glicolisi, un processo di riciclaggio chimico seguito da ripolimerizzazione, mentre sia la frazione di PP che quella di PET sono state recuperate mediante un processo di riciclaggio a base di solventi, che prevede una fase di purificazione. 

I residui di entrambi i processi di riciclaggio sono stati ulteriormente valorizzati tramite pirolisi (Fraunhofer UMSICHT). I lavori pratici sono stati accompagnati da una valutazione del ciclo di vita (Fraunhofer UMSICHT) e da un’analisi dei flussi di materia disponibili (Fraunhofer IML).

Processi di riciclaggio innovativi per materiali riciclati separati per tipo

Grazie al processo di riciclaggio a base di solventi messo a punto dal Fraunhofer IVV, il team di ricercatori è riuscito a separare il PP dai polimeri indesiderati e dagli additivi, ottenendo così un materiale quasi monomateriale. Il flusso di rifiuti conteneva il 33% di PP e il 67% di plastiche estranee. Al termine del processo, il polietilene (PE), con una percentuale inferiore al 2%, era l’unico polimero indesiderato in quantità significativa. 

Il team ha garantito la stabilità del PP riciclato (rPP) anche a temperature elevate durante la lavorazione. Il materiale riciclato ottenuto è stato poi filato presso il Fraunhofer IAP per ottenere un filato multifilamento. «Grazie alla giusta strategia di aggiunta di additivi, siamo inoltre riusciti a migliorare notevolmente la stabilità di lavorazione sia dei materiali riciclati in PP che in PET», ha affermato Schütz.

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Per la glicolisi del PET, i ricercatori hanno utilizzato contenitori in PET contenenti il 13% di sostanze estranee indesiderate. La glicolisi è una forma di solvolisi in cui si utilizza il glicole etilenico per la depolimerizzazione del PET in bis(2-idrossietil)tereftalato (BHET). Il BHET ottenuto è stato ripolimerizzato presso il Fraunhofer IAP in rPET e trasformato in un filato multifilamento a 48 filamenti su un impianto pilota di filatura a fusione. 

Un'opzione reale

Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che la stessa frazione di PET può essere riciclata tramite un processo di riciclaggio a base di solventi. «Sia dal PP che dal PET siamo riusciti a ricavare fibre per la produzione di tessuti non tessuti; il PP è stato inoltre utilizzato anche per la produzione di membrane», riassume Tarkhanov.

Nella pirolisi dei residui derivanti dal processo di riciclaggio a base di solventi delle frazioni di PP si è ottenuta un’elevata percentuale di gas di pirolisi e una bassa percentuale di coke. Dai residui della solvolisi delle frazioni di PET è stato possibile ottenere frazioni di olio di pirolisi con elevate percentuali di olio e basse percentuali di coke. I prodotti derivati da entrambi i flussi di materie prime possono essere ulteriormente valorizzati con risultati promettenti.

Inoltre, gli studi complementari hanno evidenziato che sono disponibili quantità adeguate e sufficienti di PP e PET, ma che occorre ancora mettere a punto la logistica e la selezione per potervi accedere. «Siamo riusciti a dimostrare con successo che anche i flussi di materiali finora inutilizzati rappresentano un’opzione concreta per la produzione di materiali di alta qualità a base di riciclato», riassume Schütz.

INFO

Nel profilo

Il modo in cui gestiamo la plastica deve cambiare radicalmente. Non ci sono alternative al passaggio a un’economia circolare della plastica, in cui si prelevano meno risorse fossili e i prodotti vengono utilizzati più a lungo. È proprio qui che entra in gioco il cluster Fraunhofer CCPE. Sei istituti Fraunhofer stanno studiando come progettare prodotti secondo i principi dell’economia circolare e come trasformare i rifiuti di plastica in risorse preziose. Fanno parte del cluster gli istituti Fraunhofer per la tecnologia ambientale, della sicurezza e dell’energia (UMSICHT), per la ricerca applicata sui polimeri (IAP), per la tecnologia chimica (ICT), per la resistenza strutturale e l’affidabilità dei sistemi (LBF), per i flussi di materiali e la logistica (IML) e per l’ingegneria dei processi e l’imballaggio (IVV).

Compiti dei partner nel progetto

• Istituto Fraunhofer per la tecnologia ambientale, della sicurezza e dell’energia UMSICHT: studio dei processi di degradazione dei biopolimeri, pirolisi delle frazioni residue derivanti dai processi di riciclaggio utilizzati

• Istituto Fraunhofer per la ricerca applicata sui polimeri (IAP): polimerizzazione di rPET a partire da BHET, realizzazione di processi di filatura

• Istituto Fraunhofer per la Tecnologia Chimica (ICT): Riciclaggio chimico – Depolimerizzazione del PET in BHET a partire da flussi di materiale riciclato

• Istituto Fraunhofer per la resistenza strutturale e l'affidabilità dei sistemi (LBF): gestione del progetto, sviluppo di additivi per materiali riciclati e biopolimeri, formulazione di composti

• Istituto Fraunhofer per i flussi di materiali e la logistica (IML): selezione di fonti di materie prime adeguate

• Istituto Fraunhofer per l'ingegneria dei processi e l'imballaggio IVV: sviluppo e realizzazione del riciclaggio a base di solventi

• Istituto Fraunhofer di Biologia Molecolare ed Ecologia Applicata (IME): Valutazione ecotossicologica

• Istituto Fraunhofer per l’optronica, l’ingegneria dei sistemi e l’analisi delle immagini (IOSB): selezione del PET proveniente dai tessuti basata sull’apprendimento automatico