Desarrollan un nuevo tipo de plástico que permite el reciclaje de plásticos mixtos

Científicos de Berkeley Lab han diseñado un nuevo sistema de materiales para superar uno de los mayores retos del reciclaje de productos de consumo: el reciclaje de plásticos mixtos. Su logro contribuirá a hacer posible una gama mucho más amplia de productos de plástico totalmente reciclables y pone al alcance una economía circular eficiente para bienes duraderos como los automóviles.

Cada año generamos ingentes cantidades de plástico y de productos que lo contienen, pero sólo una mínima parte de ese plástico puede recuperarse y utilizarse para fabricar productos de calidad similar. Esto se debe a que la mayoría de los productos, desde los films para envasar alimentos y las bolsas de un solo uso hasta las zapatillas de deporte y los aparatos electrónicos, están fabricados con mezclas de diferentes plásticos, y una vez mezclados, esos plásticos no pueden recuperarse y utilizarse para fabricar nuevos productos similares. En su lugar, la mayor parte acaba en vertederos, incineradoras y, en el peor de los casos, en los océanos.

En este contexto, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), en Estados Unidos, está abordando el reto de los plásticos mixtos utilizando un material diseñado a medida llamado polidietilenamina (PDK), un nuevo tipo de plástico que desarrollaron para ser reciclado de forma eficiente e indefinida, proporcionando una solución de fabricación de productos de plástico con bajas emisiones de carbono que nunca terminen en un vertedero.

En un nuevo estudio publicado en Science Advances, el equipo demostró que puede crear PDK personalizados específicamente adaptados para el reciclaje químico de plásticos mixtos y que pueden recuperar completamente los plásticos constituyentes de un producto mezclado compuesto por múltiples PDK y otros materiales de fabricación comunes. Brett Helms, del Molecular Foundry, dirigió el equipo multidisciplinar, en el que también participaron investigadores del Joint BioEnergy Institute (JBEI) y del Advanced Light Source del Berkeley Lab, entre otros. El trabajo supone una importante validación de un material prometedor y profundiza en el conocimiento de la química de los polímeros.

«Ahora sabemos cómo adaptar los plásticos de PDK para reciclar productos complejos que comprenden varios tipos de materiales», afirma Helms. «Un ejemplo podría ser un zapato, en el que un textil está unido a un caucho mediante un adhesivo. Los materiales convencionales utilizados en este tipo de productos no pueden reciclarse para su reutilización, ya que no pueden deconstruirse de forma independiente. Sin embargo, si se fabricaran con polímeros PDK diferentes y especialmente diseñados, por primera vez podrían hacerlo».

Despolimerización

Los PDK y otros plásticos son conocidos como polímeros, materiales en los que las moléculas constituyentes son largas cadenas de pequeñas unidades repetidas conocidas como monómeros. Para este trabajo, los investigadores empezaron fabricando una variedad de PDK con estructuras químicas ligeramente diferentes y demostraron que cada uno podía ser «despolimerizado» o descompuesto en sus respectivos monómeros con altos rendimientos de recuperación. Este es esencialmente el proceso de reciclaje del plástico, ya que esos monómeros recuperados se pueden utilizar para crear un nuevo lote de PDK.

El equipo descubrió que cada PDK se despolimerizaba a una temperatura y velocidad diferentes. Para entender mejor esas propiedades, utilizaron cálculos teóricos y modelos computacionales (teoría del funcional de la densidad) para simular los distintos polímeros y explorar cómo se forman y despolimerizan. Gracias a estos conocimientos teóricos, el equipo identificó las mejores moléculas PDK para el trabajo y optimizó su diseño.

«Un aspecto especialmente interesante de este trabajo fue la estrecha integración entre los experimentos y los cálculos», dice la directora de Molecular Foundry, Kristin Persson, que dirigió el trabajo teórico. «Al descubrir el mecanismo que sustenta la circularidad, pudimos diseñar nuevos polímeros que conservan la capacidad de reciclaje. Estamos muy contentos de que estos conocimientos de diseño sirvan para futuros trabajos».

«Es a través de esas interacciones entre la teoría y el experimento que construimos el conocimiento y el marco para establecer las reglas de diseño que rigen la reactividad de los polímeros», asegura Helms. «De lo contrario, sólo tendríamos observaciones, en lugar de una explicación».

Reciclaje de plásticos convencionales y otros materiales

Utilizando esas moléculas optimizadas, los investigadores demostraron el éxito de su sistema de materiales creando plásticos mixtos, cada uno de ellos hecho con dos PDK diferentes, y luego despolimerizando y recuperando completamente los materiales constituyentes. Repitieron la demostración con PDK de diferentes colores, abordando un reto particular de la industria, y demostraron que con un proceso ligeramente más complejo podían recuperar de nuevo los monómeros de PDK con altos rendimientos.

El equipo también demostró que el PDK puede utilizarse para fabricar envases de plástico flexibles y reciclables a partir de plásticos convencionales. Formaron una película multicapa a partir de plásticos comunes -polipropileno (PP) y tereftalato de polietileno (PET)- utilizando una «capa de unión» de PDK para unirlos. Normalmente, el PP y el PET no podrían extraerse de un material multicapa, pero aquí los investigadores aprovecharon su control sobre la capa de PDK para separar y recuperar también las películas de PP y PET.

En una demostración final de su enfoque, los investigadores construyeron un objeto a partir de una mezcla de diferentes PDK junto con vidrio y acero inoxidable, para simular los retos del reciclaje de automóviles, y volvieron a pasarlos por el proceso de reciclaje, demostrando un alto rendimiento en la recuperación de los monómeros de PDK, así como del vidrio y el metal. Estos resultados podrían dar lugar a un cambio significativo en la forma de enfocar la fabricación de bienes duraderos, permitiendo una economía circular en la que los productos estén diseñados para ser totalmente recuperados y reutilizados.

«Hoy en día, los productos de consumo complejos simplemente no se reciclan, sino que se incineran, se depositan en vertederos o se ‘infrarreciclan», dice Helms. «Aquí hemos sentado las bases de cómo reciclar esos productos hasta sus bloques de construcción monoméricos originales, facilitando a la vez la recuperación de los materiales ligados a ellos para su reutilización, incluidos los metales valiosos o el vidrio. De este modo, los materiales PDK aportan más circularidad a la fabricación con una intensidad de carbono intrínsecamente baja», concluye.