Upcycling del polipropilene per produrre tappeti

Una delle poliolefine maggiormente utilizzate a livello mondiale è il polipropilene (PP), che risulta essere anche il secondo polimero al mondo più commercializzato. Il polipropilene trova impiego in tanti settori, dall’industria automobilistica (interno veicolo) alle infrastrutture (tubazioni per acqua, petrolio e gas), dai prodotti di largo consumo (elettronica, arredamento) agli imballaggi (compresi quelli alimentari e destinati al settore beverage). Ma solo una piccola parte di questo materiale è avviato poi a riciclo, mentre la maggior parte finisce in discarica. Il polipropilene è uno dei principali componenti nei tappeti: i tappeti in PP coprono una quota del 17,6% dell’intero mercato dei prodotti in PP e il 45% del mercato globale dei tappeti. Si è calcolato che nella sola Europa ogni anno circa 1,6 milioni di tonnellate di rifiuti sintetici derivati da tappeti vengono avviati a discarica – con meno del 3% che viene avviato invece a riciclo. Questo perché i tappeti sono composti da più materiali (lana, juta, cotone e fibre sintetiche come poliammide, PET, polietilene e poliacrilonitrile), quindi difficilmente separabili con metodi di riciclo meccanico.

Upcycling materie plastiche: il progetto Isoprep

Il progetto Isoprep, finanziato dal programma Horizon 2020 dell’Unione Europea, coinvolge 10 partner da 5 Paesi diversi e si concluderà a marzo 2022. Il progetto nominato Ionic Solvent-based Recycling of Polypropylene Products ha l’obiettivo specifico di riciclare i tappeti in un impianto pilota in grado di lavorarne 1 tonnellata al giorno attraverso un processo di dissoluzione della porzione in polipropilene in uno speciale solvente definito liquido ionico. L’elevato grado di purezza del PP che si ottiene permette poi di utilizzarlo per la filatura mediante wet spinning, un metodo utilizzato per i polimeri che hanno un’elevata temperatura di fusione. Con il processo di wet spinning, il polimero disciolto nel solvente per ottenere una soluzione viene sottoposto a filatura durante la quale il solvente viene allontanato facendolo sciogliere in un secondo solvente rispetto al quale il polimero non è solubile. Scopo del progetto europeo è dimostrare che il metodo di riciclo basato su impiego di un solvente è realizzabile economicamente e può essere anche implementato su grandi numeri. Il grado di purezza del polipropilene così riciclato è stato misurato con la calorimetria differenziale a scansione (DSC Differential Scanning Calorimetry), tecnica di analisi termica utilizzata per caratterizzare vari materiali, tra cui i polimeri, e con la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR).

I polimeri sono oggi riciclati per lo più con metodi termo-meccanici, per cui gli scarti polimerici sono selezionati fisicamente, triturati ed estrusi in granuli. Lo svantaggio di questo sistema è che i polimeri riciclati sono spesso contaminati con altri diversi materiali, causando poi la maggiore fragilità di qualsiasi prodotto con essi realizzato e specifiche tecniche non controllabili e di basso valore in confronto al materiale originale. Conseguentemente anche il prezzo di un polimero così riciclato cala notevolmente in confronto al polimero originale.

Upcycling polipropilene: tappeti ma non solo

Sebbene l’obiettivo primo del progetto Isoprep sia il riciclo dei tappeti per ottenere un polipropilene dal valore aggiunto per il processo di wet spinning, quanto emerso e sviluppato in questo progetto non si limita a questo tipo di scarti o a questa sola tecnologia di lavorazione di filati. Il PP così riciclato, infatti, può essere utilizzato anche nel compounding per ottenere proprietà adeguate a diversi scopi, a seconda di come si variano caratteristiche quali indice di fluidità (MFI, Melt Flow Index), gradi di cristallinità e fragilità, comportamento alle basse temperature, carico di rottura e resistenza ai raggi ultravioletti, con l’aggiunta di additivi. I ricercatori di questo progetto sono riusciti anche a rimuovere dal polimero riciclato additivi e pigmenti, portando il polipropilene a un grado di purezza equivalente al materiale vergine. Il riciclo dei polimeri tramite dissoluzione in modo selettivo in una soluzione con un solvente chimico speciale, con la successiva precipitazione del polimero puro e il compounding, è un buon metodo per ottenere un riciclato di maggiore qualità, con la possibilità di immetterlo sul mercato in prodotti finiti di maggiore valore economico. Polipropilene riciclato e prodotto finale acquisiscono infatti un prezzo di mercato equivalente al materiale vergine e ai prodotti realizzati con esso.

Tra gli enti di ricerca coinvolti nel progetto Isoprep vi è anche il Fraunhofer Institut for Building Physics IBP. Assieme ai partner, ha messo a punto questo processo basato su impiego di un solvente ionico in grado di estrarre il polipropilene dalle fibre del tappeto. È essenziale prima di tutto prestare attenzione alla composizione, analizzando gli scarti, sia del tappeto vero e proprio che della parte di backing (il supporto sottostante del tappeto), identificandone tutte le componenti. Nel caso del progetto i campioni di tappeti sui cui si è poi lavorato consistono per il 77% di PP, 19% juta e 4% poliestere. Gli scarti scelti vengono puliti, cercando di rimuovere il più possibile anche il backing, e poi ridotti in pezzi. Una volta che il pretrattamento è completo, gli scarti vengono immessi in un reattore in cui sono sottoposti a trattamento con il solvente. Qui il PP viene disciolto selettivamente nel solvente, metodo che permette di rimuovere efficacemente additivi e pigmenti e gli altri materiali estranei attraverso alcuni step di filtrazione. La soluzione che si ottiene viene poi versata in alcool isopropilico per la fase di precipitazione. Il PP precipitato viene poi separato dal solvente e dall’alcool isopropilico mediante filtrazione e viene essiccato in un forno, mentre il solvente ionico viene recuperato da un evaporatore rotante. L’impianto pilota dovrebbe essere completamente operativo alla scadenza del progetto, sebbene già questo anno sia stata avviata la fase meccanica di pre-trattamento. Con i risultati delle prove in corso, il Fraunhofer Institut è in grado di mettere a punto il modello di Life Cycle Analysis (LCA) e stimare con precisione gli impatti ambientali del processo Isoprep.

Per rendere operativo su larga scala un processo di riciclo, i costi devono essere però competitivi. Per il processo Isoprep questo significa riuscire a conservare la maggior parte del liquido ionico utilizzato. Se le perdite riescono a essere contenute entro l’1% o ancor meno, si abbattono i costi del processo a un livello equivalente alla produzione del polipropilene vergine. I ricercatori hanno dunque analizzato le quantità di materiale ed energia necessaria per il processo Isoprep e le sue emissioni e il tipo di prodotto ottenibile e hanno poi calcolato i costi ad esso associati. Il team ha preso in considerazione anche l’evoluzione dei costi sul lungo termine. Per fare questo è stato utilizzato l’Economic Assessment (EA), che valuta i costi lungo tutta la catena del valore.

Tutti i partner del progetto sono convinti che questo tipo di riciclo del polipropilene potrà anche essere trasferito alla gestione di tutta una serie di altri flussi di scarti che contengono questa poliolefina e che non sono avviabili ai metodi di riciclo convenzionali. Le difficoltà usuali ad estrarre sostanze quali additivi e pigmenti da questo polimero hanno infatti portato molta parte di questo materiale a essere utilizzato in prodotti di bassa qualità. Il nuovo processo è invece in grado di separare il polipropilene sia da altri materiali sia da altre sostanze aggiunte.