Nuovi compositi contenenti biomasse di scarto

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Le biomasse vegetali di scarto sono materiali organici che provengono da attività agricole e che vengono generalmente sfruttate per ottenere energia elettrica o termica, si pensi ad esempio ai biocarburanti e al biogas.

La trasformazione delle biomasse di scarto in prodotti a valore aggiunto rappresenta un campo nuovo e di grande interesse, in linea con i concetti dell’economia circolare, che promuove l’uso innovativo di materiali di scarto per sviluppare prodotti commerciabili, ottenendo come risultati congiunti la competitività economica e la sostenibilità ambientale.

Poli(butilene adipato-co-tereftalato)

I rifiuti provenienti da biomasse sono economici, biodegradabili e biocompatibili e sono sempre più spesso inseriti in nuovi materiali compositi basati su materiali plastici miscelati con polimeri biodegradabili. Sono già stati effettuati degli studi sull’utilizzo dei componenti delle biomasse vegetali (cellulosa, emicellulosa e lignina) per formare nuovi materiali per il packaging alimentare.

In uno studio frutto della collaborazione tra centri di ricerca in Romania e in Polonia (I. Spiridon et al, 2020), che ha portato alla preparazione di un nuovo composito biodegradabile contenente amido di mais, Ecoflex® e biomasse di scarto. In generale, come materiali di base dei compositi biodegradabili possono essere utilizzati polimeri sia naturali che sintetici. Come polimeri naturali sono molto usati i polisaccaridi, tra cui l’amido, la cellulosa, l’emicellulosa e il chitosano.

In particolare, l’amido di mais è uno dei materiali più economici, facilmente reperibili e biodegradabili ed è già stato utilizzato come matrice per ottenere diversi compositi “verdi”. Sfortunatamente, la sua idrofilicità, cioè la sua tendenza a legarsi con l’acqua e la sua capacità di assorbire e trattenere l’acqua, lo rende incompatibile e difficilmente miscibile con la maggior parte dei polimeri idrofobici; tuttavia la sua miscelazione con poliesteri biodegradabili è stata usata negli ultimi anni come metodo per ottenere materiali compositi con buone proprietà meccaniche e di resistenza all’acqua.

In questo studio, come poliestere biodegradabile è stato usato l’Ecoflex®, che è il poli(butilene adipato-co-tereftalato), PBAT, prodotto dalla BASF (Germania). Questo poliestere ha una struttura che lo rende degradabile dai microrganismi, è idrofobo ed ha un’ottima capacità di formare pellicole, anche se purtroppo ha una scarsa resistenza meccanica e una bassa resistenza al calore.

Questo poliestere è stato molto studiato ed utilizzato per formare compositi in cui sono state aggiunte biomasse di scarto come filler, la cui natura e il cui contenuto sono molto importanti per le proprietà del composito finale. In quest’ambito, l’uso di biomasse di scarto può risultare molto utile perché porta ad un miglioramento delle proprietà dei materiali compositi, in particolare porta ad un aumento delle loro proprietà meccaniche e ad una diminuzione dell’assorbimento dell’acqua. In questo studio è stato studiato l’effetto dell’aggiunta delle seguenti biomasse di scarto, già ampiamente usate come filler in materiali compositi:

  • la vinaccia, che è la buccia dell’uva ed è un sottoprodotto dell’industria vinicola. La sua caratteristica è quella di essere costituita da polifenoli, che sono alla base della struttura della lignina;
  • il sedano, che è coltivato in tutto il mondo e le cui fibre sono utilizzate sia nell’industria chimica che in medicina;
  • l’Asclepias syriaca, che è una pianta originaria del Canada e degli Stati Uniti;
  • le fibre di pioppo, raccolte negli Stati Uniti, ideali per applicazioni di isolamento termico;
  • la lignina prodotta con il processo LignoBoost®, che è un processo brevettato per la produzione di lignina di alta qualità con caratteristiche modulabili e riproducibili. Questo materiale è stato incluso nello studio perché la lignina è il componente più interessante delle biomasse perché è in grado di modificare maggiormente le proprietà dei compositi ai quali è aggiunta, anche quando è presente nel materiale a basso carico, come ad esempio il 5% in peso.

Le proprietà

Queste biomasse hanno una composizione chimica molto diversa tra loro. Ciascuna di esse è stata utilizzata per la preparazione del composito mediante miscelazione a fuso (“melt compounding”) con l’amido e l’Ecoflex®, senza aggiunta di glicerolo. Tutte le formulazioni ottenute hanno buone proprietà, in particolare:

  • buone proprietà meccaniche. Rispetto ad un materiale di riferimento preparato con solo amido ed Ecoflex® nelle stesse condizioni di lavorazione, è stato osservato un aumento della resistenza alla trazione del 125,4% nei materiali contenenti sedano, del 109,6% nei materiali contenenti fibre di pioppo, del 92,9% nei materiali contenenti vinaccia e del 127,7% nei materiali contenenti le fibre di Asclepias syriaca;
  • buone proprietà antimicrobiche contro diversi microrganismi patogeni, tra cui lo Staphilococcus aureus e l’Escherichia coli;
  • buona resistenza all’acqua.

Le buone proprietà osservate sono molto promettenti per l’utilizzo di questi compositi nella produzione di materiali di imballaggio. Inoltre, una valutazione preliminare degli aspetti economici della produzione di questi compositi ha evidenziato che l’utilizzo dell’amido di mais come matrice e delle biomasse di scarto come riempitivo contribuisce ad un sostanziale miglioramento della sostenibilità, riducendo l’impatto ambientale associato allo sfruttamento dei combustibili fossili.

Tuttavia, è necessaria una valutazione più approfondita dei vantaggi ambientali ed economici dell’utilizzo di questi materiali come imballaggi alimentari prima di immetterli sul mercato. Si può, quindi, concludere che questo studio evidenzia il grande potenziale dell’amido, dell’Ecoflex® e delle diverse biomasse vegetali di scarto nello sviluppo di nuovi materiali compositi e ha rivelato la possibilità concreta di utilizzare risorse rinnovabili in modo eco-compatibile e sostenibile per sviluppare nuovi materiali.

Riferimenti bibliografici

Spiridon et al, International Journal of Biological Macromolecules 156, 2020, 1435-1444.