Biopolimeri: Proprietà, lavorazione e applicazioni

I biopolimeri sono polimeri naturali, prodotti da organismi viventi. Sono distinti dai polimeri sintetici biodegradabili.

C’è stata una crescente preoccupazione per gli impatti negativi dell’inquinamento ambientale dei combustibili fossili e dei rifiuti dei prodotti petrolchimici. Un sacco di ricerca è andata nell’esplorazione di altre alternative ai prodotti a base di petrolio che sarebbero rinnovabili e bio-degradabili e quindi costituirebbero un rischio minore per l’ambiente. I biopolimeri sono una delle possibili soluzioni al problema perché sono tipicamente materiali biodegradabili ottenuti da materie prime rinnovabili. Tuttavia, bisogna notare che non tutti i polimeri biodegradabili sono biopolimeri (cioè prodotti da risorse rinnovabili). Come ci si potrebbe aspettare, ci sono sfide legate ai biopolimeri come il loro tasso di produzione limitato, il costo di produzione e l’adeguatezza delle loro proprietà.

Alcuni dei primi biomateriali moderni fatti da biopolimeri naturali includono gomma, linoleum, celluloide e cellophane. Gli ultimi due sono fatti usando la cellulosa, che è il biopolimero più abbondante in natura e il materiale organico più abbondante sulla Terra, costituendo un terzo di tutta la materia vegetale. Dalla metà del 20° secolo, questi biopolimeri prodotti dall’uomo sono stati praticamente tutti sostituiti da materiali a base petrolchimica. Tuttavia, a causa delle crescenti preoccupazioni ecologiche, i biopolimeri stanno godendo di un rinnovato interesse da parte della comunità scientifica, del settore industriale e persino della politica:

• Le proprietà dei biopolimeri
• La produzione e la lavorazione dei biopolimeri
• Applicazioni dei biopolimeri
• Esempi di biopolimeri
• Il futuro dei biopolimeri

Proprietà dei biopolimeri

L’interesse principale dei biopolimeri è quello di sostituire molti degli articoli di uso quotidiano che sono fatti con prodotti del petrolio. Questo significa che dovranno presentare proprietà simili, se non migliori, dei materiali che sostituiscono, per renderli adatti alle varie applicazioni a cui saranno destinati. Gran parte delle misurazioni delle proprietà dei biopolimeri hanno variazioni dovute a fattori quali il grado di polimerizzazione, il tipo e la concentrazione di additivi e la presenza di materiali di rinforzo. Le informazioni sulle proprietà dei biopolimeri non sono così estese come per i polimeri tradizionali, ma c’è ancora una notevole profondità di indagine sulle loro proprietà fisiche, meccaniche e termiche.

Alcuni biopolimeri sono stati identificati per possedere una conducibilità elettronica e ionica e sono stati quindi definiti biopolimeri elettroattivi (EABP). Questo ha dato loro il potenziale per sostituire altri materiali sintetici. Questi biopolimeri, che includono amido, cellulosa, chitosano e pectina, mostrano una conducibilità elettrica ad ampio raggio tra 10-3 e 10-14 S/cm.

Tabella 1. Proprietà fisiche, meccaniche e termiche di alcuni biopolimeri commerciali.

(Puoi anche confrontare questi materiali visivamente sulla pagina di confronto di Matmatch)

Biopolimero	Densità a 20 °C	Resistenza alla trazione a 20 °C	Modulo di flessibilità a 20 °C	Punto di fusione	Allungamento a 20 °C
PLA Luminy® LX530	1.24 g/cm³	50 MPa	N/A	165 °C	5 %
TYÜP BMF 990	1.26 – 1.3 g/cm³	40 MPa	N/A	110 – 120 °C	300 %
NuPlastiQ®BC 27240	1.3 g/cm³	12MPa	0.24 GPa	140 – 160 °C	272 %
Filamento di legno Extrudr	1.23 g/cm³	40 MPa	3.2 GPa	150 – 170 °C	N/A
EVO 719	1.3 g/cm³	40 MPa	2 GPa	140 °C	30 %
Injicera CHX 0113	1.11 g/cm³	14 MPa	0.48 GPa	165 °C	59%
CR1 1013	1.1 g/cm³	9 MPa	4.43 GPa	132 °C	89 %

La produzione e la lavorazione dei biopolimeri

Ci sono molti metodi e tecniche diverse usate per produrre biopolimeri. Poiché la maggior parte di questi polimeri esistono già in natura o sono prodotti da organismi naturali, questi processi sono spesso una questione di estrazione seguita da sintesi. Possono includere una combinazione di qualsiasi fermentazione, filtrazione, compounding/granulazione, idrolisi, esterificazione, policondensazione, ossidazione e disidratazione. Di seguito è riportato un esempio del processo produttivo coinvolto nella produzione di polibutilene succinato (PBS).

Figura 1. Figura 1. Percorso di processo per la produzione di polibutilene succinato (PBS) con acido succinico a base biologica (PBS bb SCA).

Applicazioni dei biopolimeri

I biopolimeri sono usati in molte applicazioni industriali, così come nell’imballaggio alimentare, nei cosmetici e nella medicina. Possono sostituire le plastiche tradizionali a base di petrolio in molte applicazioni. Alcuni biopolimeri sono stati anche applicati ad usi specifici per i quali altre plastiche non sarebbero adatte, come nella creazione di tessuti artificiali. Queste applicazioni possono richiedere materiali biocompatibili e biodegradabili con sensibilità ai cambiamenti di pH e alle fluttuazioni fisico-chimiche e termiche.

I biopolimeri, in generale, spesso presentano scarse proprietà meccaniche, resistenza chimica e lavorabilità rispetto ai polimeri sintetici. Per renderli più adatti ad applicazioni specifiche, possono essere rinforzati con cariche che migliorano drasticamente queste proprietà. I biopolimeri che sono stati rinforzati in questo modo sono chiamati compositi di biopolimeri. La tabella seguente è un riassunto di alcuni compositi biopolimerici comuni, le loro proprietà e le industrie in cui sono già ampiamente utilizzati.

Tabella 2. Riassunto dei metodi di produzione, delle proprietà e delle applicazioni dei compositi biopolimerici.

Matrice/Filler	Metodo di produzione	Proprietà	Applicazioni
PLA/PEG/Chit	Estrusione	Bassa rigidità/ Alta flessibilità	Osso &impianti dentali imballaggio alimentare
PLA/Cellulosa	Estrusione/iniezione	Miglioramento della rigidità &biodegradabilità	Imballaggio, automotive
PLA/Pasta di patate	Estrusione/iniezione	Bassa rigidità & duttilità, buona lavorabilità	Imballaggio alimentare
PLA/MgO	Fusione in soluzione	Migliore stabilità e bioattività	Impianti medici, ingegneria dei tessuti, dispositivi ortopedici
Fibre diPHB/ segatura di legno	Estrusione	Miglioramento della degradazione nel suolo	Agricoltura o vivaio
PHBV/TPU/cellulosa	Estrusione/iniezione	Resistenza termica equilibrata, rigidità, e durezza	Involucro alimentare ingegneria dei tessuti
Nanocellulosa/CNT	Stampaggio	Buona conducibilità elettrica	Super-capacitore, sensori
Gomma/fecola di patate	Miscelazione a rulli	Invecchiamento termico accelerato	Isolanti di vibrazioni, supporti per urti, componenti elettrici
Amido di patate/glutine di frumento	Stampaggio a compressione	Miglioramento dello stress massimo & estensibilità	Sviluppo di plastiche bio-plastiche a base biologica
Olio di alginato/cannella	Fusione in soluzione	Buona attività antibatterica	Materiale da imballaggio attivo
PVA/Chitosan	Elettro-filatura	Buona stabilità chimica	Imballaggio alimentare per consegne di farmaci
PPC/TPU	Composizione per fusione	Buona stabilità termica	Applicazioni di imballaggio elettronico

Esempi di biopolimeri

I biopolimeri possono essere classificati in tre categorie in base alle loro unità monomeriche e alla loro struttura:

• Polinucleotidi: DNA (acido desossiribonucleico) e RNA (acido ribonucleico)
• Polisaccaridi: cellulosa, chitosano, chitina, ecc.
• Polipeptidi: collagene, gelatina, glutine, siero di latte, ecc.

I biopolimeri possono anche essere classificati secondo altri criteri come i loro materiali di base (animali, vegetali o microbici), la loro biodegradabilità, la loro via di sintesi, le loro applicazioni o le loro proprietà.

Esempi di alcuni biopolimeri prodotti commercialmente includono :

• Poliesteri a base biologica come l’acido polilattico (PLA), il poliidrossibutirrato (PHB), il polibutilene succinato (PBS), il polibutilene succinato adipato (PBSA), politrimetilene tereftalato (PTT)
• Poliolefine a base biologica come il polietilene (Bio-PE)
• Poliammidi a base biologica (Bio-PA) come omopoliammidi (Bio-PA 6, Bio-PA 11) e copoliammidi (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Poliuretani come Bio-PUR
• Polisaccaridi come polimeri a base di cellulosa (cellulosa rigenerata, diacetato di cellulosa) e polimeri a base di amido (amido termoplastico, miscele di amido)

Il futuro dei biopolimeri

La figura sottostante mostra l’aumento della produzione di polimeri bio-based tra il 2017 e quello che si stima sarà il 2022. Inoltre, si prevede che i biopolimeri biodegradabili costituiranno una percentuale maggiore della produzione di biopolimeri nei prossimi anni. È chiaro che la produzione di biopolimeri è su una traiettoria ascendente. Anche se ha una lunga strada da percorrere per prendere il posto dei prodotti petroliferi, si prevede che la produzione aumenterà da 2,27 milioni di tonnellate nel 2017 a 4,31 milioni di tonnellate nel 2022. Questo è almeno in parte il risultato della domanda pubblica e dei regolamenti governativi, che continueranno ad avere un impatto significativo.

Figura 2. Capacità di produzione di bioplastiche della New Economy per tipo di materiale.