Upcycling: un nuevo proceso catalítico convierte las bolsas de plástico en adhesivos

La conversión de los envases de polietileno en productos de alto valor incentiva el reciclaje de los plásticos

22.12.2020 - Estados Unidos

Si bien muchas ciudades y ocho estados han prohibido los plásticos de un solo uso, las bolsas y otros embalajes de polietileno siguen obstruyendo los vertederos y contaminando los ríos y los océanos.

Uno de los principales problemas del reciclaje del polietileno, que constituye un tercio de toda la producción de plástico en el mundo, es económico: Las bolsas recicladas terminan en productos de bajo valor, como cubiertas y material de construcción, proporcionando poco incentivo para reutilizar los residuos.

Un nuevo proceso químico desarrollado en la Universidad de California, Berkeley, convierte el plástico de polietileno en un adhesivo fuerte y más valioso y podría cambiar ese cálculo.

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"La visión es que usted tomaría una bolsa de plástico que no tiene ningún valor, y en lugar de tirarla, donde termina en un vertedero, la convertiría en algo de alto valor", dijo John Hartwig, el Henry Rapoport Chair en Química Orgánica de la UC Berkeley y líder del equipo de investigación. "No se podría tomar todo este plástico reciclado - cientos de miles de millones de libras de polietileno se producen cada año - y convertirlo en un material con propiedades adhesivas, pero si se toma una fracción de eso y se convierte en algo de alto valor, eso puede cambiar la economía de convertir el resto en algo de menor valor".

Para la mayoría de los plásticos, el reciclaje significa cortarlo en pedazos y formarlo en productos genéricos, desechando en el proceso muchas de las propiedades cuidadosamente diseñadas en el plástico original, como la flexibilidad y la facilidad de procesamiento. Y mientras que los nuevos métodos de reciclaje pueden descomponer los plásticos en sus componentes químicos para su uso como combustibles o lubricantes, estos productos también son de bajo valor y pueden ser ambientalmente cuestionables - otro combustible fósil para quemar - o tener una corta vida útil.

Para que el reciclaje sea más atractivo, los investigadores y la industria del plástico han estado buscando formas de "reciclar", es decir, convertir el plástico reciclado en algo más valioso y de mayor duración.

El proceso químico que Hartwig y sus colegas desarrollaron mantiene muchas de las propiedades originales del polietileno, pero añade un grupo químico al polímero que lo hace adherirse al metal: algo que el polietileno normalmente hace mal. Su equipo demostró que el polietileno modificado puede incluso ser pintado con látex a base de agua. El látex se desprende fácilmente del polietileno de baja densidad estándar, conocido como PEBD.

"Somos capaces de mejorar la adhesión, mientras que preservamos todos los otros rasgos del polietileno que la industria encuentra tan útiles", dijo el co-autor Phillip Messersmith, el Profesor de la Clase de 1941 en los departamentos de bioingeniería y ciencia e ingeniería de materiales de la UC Berkeley. "La procesabilidad, la estabilidad térmica y las propiedades mecánicas parecen estar intactas mientras se mejora la adhesión. Eso es difícil de hacer. Ahí es donde realmente tenemos algunas cosas emocionantes que mostrar."

Aunque el proceso no es todavía económico para el uso industrial, Hartwig cree que puede ser mejorado y podría ser el punto de partida para añadir otras propiedades además de la adherencia. El éxito también sugiere que otros catalizadores podrían trabajar con otros tipos de plásticos, como el polipropileno que se encuentra en las botellas de plástico reciclado, para producir productos de mayor valor que son económicamente atractivos.

Ajustando las cadenas de hidrocarburos

Hartwig se especializa en el diseño de nuevos procesos catalíticos - en este caso, añadiendo pequeñas unidades químicas a grandes cadenas de hidrocarburos, o polímeros, en lugares muy específicos - para crear "polímeros funcionalizados" con nuevas y útiles propiedades. Tales reacciones son difíciles, porque uno de los principales puntos de venta de los plásticos es que son resistentes a las reacciones químicas.

Para este proyecto, quería ver si podía añadir un grupo hidroxilo - oxígeno ligado al hidrógeno, u OH - en una pequeña fracción de los enlaces carbono-hidrógeno a lo largo de la cadena de polietileno.

"El polietileno suele tener entre 2.000 y 10.000 carbonos en una cadena, con dos hidrógenos en cada carbono -- en realidad, es un océano de grupos CH2, llamados metilenos", dijo. "Nos sumergimos en la literatura para buscar el catalizador más activo que pudimos encontrar para la funcionalización de una posición de metileno."

El catalizador tendría que funcionar a altas temperaturas, ya que el plástico sólido reciclado tiene que ser fundido. Además, tendría que trabajar en un disolvente que no es polar, y por lo tanto capaz de mezclarse con el polietileno, que es no polar. Esta es una de las razones por las que no se adhiere a los metales, que son polares, o cargados.

Hartwig y el asociado postdoctoral Liye Chen se establecieron en un catalizador basado en el rutenio (porfirina de rutenio polifluorada) que satisfacía estos requisitos y también podía añadir grupos OH a la cadena de polímeros sin que el hidroxilo altamente reactivo rompiera la cadena de polímeros.

La reacción, sorprendentemente, produjo un compuesto de polietileno que se adhiere fuertemente al metal de aluminio, presumiblemente por medio de las moléculas de OH fijadas a lo largo de la cadena de hidrocarburos del polietileno. Para entender mejor la adhesión, Chen se asoció con Katerina Malollari, una estudiante graduada en el laboratorio de Messersmith, que se centra en los tejidos biológicos con propiedades adhesivas - en particular, un pegamento producido por los mejillones.

Chen y Malollari descubrieron que al agregar un porcentaje relativamente pequeño de alcohol al polímero se aumentaba la adhesión 20 veces.

"La catálisis introdujo cambios químicos a menos del 10% del polímero, pero mejoró dramáticamente su capacidad para adherirse a otras superficies", dijo Messersmith.

Conseguir que el polietileno se adhiera a las cosas - incluyendo la pintura de látex - abre muchas oportunidades, añadió. Los implantes artificiales de cadera y rodilla a menudo integran el polietileno con componentes metálicos y se podría hacer que se adhirieran mejor al metal. El polietileno funcionalizado podría usarse para recubrir cables eléctricos, proporcionar el pegamento que une otros polímeros, por ejemplo, en los cartones de leche, o hacer compuestos más duraderos de plástico y metal, como en los juguetes.

"La utilidad aquí es poder introducir estos grupos funcionales, que ayudan a resolver muchos problemas de larga data en la adhesión del polietileno: adhesión del polietileno a otro polietileno o a otros polímeros, así como al metal", dijo Messersmith.

Hartwig prevé más oportunidades para la funcionalización de polímeros complejos, incluido el plástico más común, el polipropileno.

"Somos uno de los únicos grupos en cualquier lugar que ha sido capaz de introducir selectivamente un grupo funcional a los polímeros de hidrocarburos de cadena larga", dijo. "Otras personas pueden romper las cadenas, y otros pueden cicatrizar las cadenas, pero introducir realmente un grupo funcional polar en las cadenas es algo que nadie más ha sido capaz de hacer".

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