Gruppo di lavoro sui rifiuti

"Il riciclaggio dei rifiuti è garanzia di sostenibilità"


Segue la trattazione della ’’Teoria delle miscele polimeriche multifase’’. Contiene anche una descrizione sommaria dell’impianto di stampaggio della plastica ottenuta da una miscela eterogenea di plastiche post-uso, scarti plastici industriali e rifiuto secco urbano. La stessa trattazione si può scaricare in formato .pdf cliccando qui.

INDICE


  1. Raccolta della plastica post uso e suo riutilizzo.
  2. Tecniche adottate attualmente nei casi di riutilizzo.
  3. Teoria sulle miscele polimeriche multifase.
  4. Ricerche condotte con l’impianto pilota per il riutilizzo di plastiche eterogenee per stampaggio a bassa pressione.
  5. Tecnologia ideata per consentire il riutilizzo di plastiche eterogenee post uso, con un impianto industriale.
  6. Settori applicativi della tecnologia ideata.
  7. Conclusioni.

1. RACCOLTA DELLA PLASTICA POST USO E SUO RIUTILIZZO


Attualmente la raccolta della plastica post uso, avviene prevalentemente tramite mezzi di raccolta di enti pubblici, che ne effettuano anche lo smaltimento in discariche, in inceneritori o per produrre combustibile (CDR). Anche gli scarti di processi industriali, quando non riutilizzati in piccole percentuali nello stesso processo, seguono lo stesso iter, con gravi costi di smaltimento. Forme di riutilizzo, sono fondate in costosi trattamenti di selezione, macinazione, lavaggio, centrifugazione, essiccamento e trasformazione, in cui l’elemento caratterizzante è la riduzione dei rifiuti plastici in frazioni di mono materiale, in cui la presenza di impurità è contenuta in piccole percentuali. Tali frazioni trovano impiego in settori di minore qualità, così PET, PELD, PEHD, PA, PVC vengono riutilizzati per produrre filati, film per sacchetti dei rifiuti, tubi per irrigazione, profilati, manufatti stampati per edilizia, per contenitori di vario genere, per pedane, per il trasporto ecc. Forme di riutilizzo marginali esistono anche per materie plastiche eterogenee, anche se i settori di impiego sono frammentati e senza requisiti. Ad oggi, poco o niente è stato fatto per riqualificare queste enormi quantità di materie prime, di cui solo una piccola percentuale viene riutilizzata ed a costi molto elevati.

2. TECNICHE ADOTTATE ATTUALMENTE NEI CASI DI RIUTILIZZO


Il riutilizzo delle materie plastiche, va distinto nettamente in due settori di valore tecnico notevolmente diversi:
a) riutilizzo di materie plastiche omogenee
b) riutilizzo di materie plastiche eterogenee.
Nel primo caso, le tecniche di riutilizzo sono in buona parte le stesse adottate per le plastiche vergini, sia per lo stampaggio, che per l’estrusione. Gli elementi che caratterizzano questa attività sono: selezione, triturazione, lavaggio, centrifugazione, essiccamento e trasformazione, attività che vengono definite di pre-trattamento, alquanto costose ed effettuate con impianti complessi, che tuttavia semplificano la trasformazione finale, poichè in ogni caso rimane l’omogeneità di ogni polimero. Anche in tutti questi casi, si riutilizzano materie plastiche post uso, ma l’attività di trasformazione consiste semplicemente nel ricreare le condizioni di trasformazione degli stessi prodotti vergini, come può avvenire nei termoplasti anche più volte.
Nel secondo caso, subentrano problematiche più complesse, determinate dalla eterogeneità non solo per le presenze polimeriche, ma in particolare per le frazioni di inerti vari e le forti emissioni gassose. Queste problematiche, emerse in tutta la loro evidenza durante il periodo di ricerca condotto con un impianto pilota (figura sotto), già nel 2001, hanno costituito la guida per reinventare una serie di dispositivi nuovi ed apportare sostanziali varianti al macchinario tradizionale, per consentire la realizzazione tecnologica di un processo produttivo, applicabile alla produzione di manufatti di largo consumo, con fermi-macchina nella norma, ma sopratutto con caratteristiche tecniche, tali da porsi in alternativa agli stessi manufatti prodotti con legno di qualità, o plastiche vergini.

Impianto pilota


Il nostro intento, fin dall’inizio, è stato quindi quello, non solo del riutilizzo, ma con livelli qualitativi di rilievo, ottenibili solo con un’efficace riqualificazione dei rifiuti plastici, senza tuttavia avviare processi di sintesi.

Attualmente (2012) l'impianto pilota di cui sopra è stato trasferito in Romania allo scopo di testare le miscele di rifiuti locali e fare la campionatura dei prodotti, allo scopo di preparare l'installazione dell'impianto completo. Nella figura sotto è rappresentato un rendering dell’impianto di stampaggio, completo delle 4 camere di iniezione e delle 6 stazioni rotanti.

Rendering dell'impianto di stampaggio completo


3 TEORIA SULLE MISCELE POLIMERICHE MULTIFASE


Per miscele polimeriche, si intende la presenza di uno o più polimeri in una matrice polimerica di base che li contiene. Per miscele polimeriche multifase, intendiamo la presenza di modificanti dispersi nella miscela, allo scopo di modificarne le caratteristiche prestazionali e tecniche. Lo scopo di trasformare delle miscele polimeriche, è dettato dalla necessità, in casi particolari, di preparare un nuovo prodotto polimerico con prestazioni e caratteristiche diverse e ben definite, senza dover sostenere gli ingenti costi che richiederebbe la sintesi e l’industrializzazione di un nuovo polimero. Le miscele polimeriche, come i polimeri mono materiale, possono essere additivati con modificanti, che hanno lo scopo di variarne le proprietà, perciò gli additivi possono essere classificati a seconda della proprietà che si vuol conferire ai polimeri, avremo perciò:
  • additivi per modificare le proprietà meccaniche (rinforzanti).
  • additivi per migliorare la processabilità.
  • additivi per modificare le proprietà elettriche.
  • additivi modificatori all’impatto (alle basse temperature).
  • additivi per modificare la viscosità interna.
  • additivi per migliorare lo scorrimento superficiale.
  • additivi per modificare le proprietà ottiche.
  • additivi per modificare le caratteristiche superficiali.
  • additivi per modificare la resistenza all’invecchiamento.

    Avremo perciò: degli agenti plastificanti, rinforzanti, antiurtizzanti, reticolanti, stabilizzanti, lubrificanti, ritardanti di fiamma, inibitori di fumo, conduttori, di pigmentazione, coloranti, promotori d’adesione, antiusura, antiossidanti, stabilizzatori alla luce, antiblocco. Cioè ad oggi, esiste un’ampia varietà di agenti, che consentono ampie possibilità di modificare le caratteristiche della base polimerica e quelle reologiche del fuso, di conseguenza le successive prestazioni del manufatto prodotto ed in modo fortemente stabile. Tuttavia e nonostante questi aspetti di base, molte problematiche devono essere superate quali:
  • I sistemi polimerici in generale, sono scarsamente compatibili, quindi scarsamente miscibili.
  • Gli additivi vanno dispersi uniformemente e resi aderenti alla massa polimerica.
  • A volte per adottare un additivo che determina una caratteristica, si deve adottarne un altro che promuove l’adesione.

    In generale, l’uso di una miscela polimerica, per ottenere prestazioni definite, implica un’attenta ricerca, molti test reologici (prove di viscosità), prove di laboratorio e di simulazione, per verificare i risultati in opera, tuttavia con costi infinitamente più ridotti rispetto alla ricerca necessaria per realizzare un nuovo prodotto di sintesi. Abbiamo introdotto queste poche informazioni sulle miscele polimeriche multifase relativamente a prodotti vergini, per anticipare gli stretti legami esistenti con le materie plastiche eterogenee provenienti dalla raccolta urbana, o da scarti di processi industriali. Di seguito, quando introdurremo il processo di trasformazione e stampaggio per il riutilizzo di materie plastiche eterogenee post uso, avremo modo di constatare quanto la teoria, abbia possibilità di applicazione pratica. Al di là della tecnologia adottata, la trasformazione si identifica in una successione di azioni fisico meccaniche, che hanno lo scopo di pretrattare il materiale, omogeneizzarlo e liberarlo dalle forti emissioni gassose, iniettarlo e compattarlo meccanicamente, per ottenere le proprietà meccaniche e termiche richieste.

    4 RICERCHE CONDOTTE CON L’IMPIANTO PILOTA PER IL RIUTILIZZO DI MATERIE PLASTICHE ETEROGENEE PER STAMPAGGIO A BASSA PRESSIONE


    L’attività di ricerca, ha avuto inizio già dal 1997 utilizzando plastiche eterogenee provenienti da municipalizzate che effettuano lo smaltimento dei rifiuti e pulper provenienti da cartiere che recuperavano la cellulosa dai cartoni di tetrapak. Sulla base di questi tentativi e l’ottenimento dei primi concreti risultati, ottenuti stampando una cassetta per fiori e successivamente gli elementi per ottenere un pallet componibile, abbiamo continuato la ricerca in modo più professionale e definito in generale il processo tecnologico adatto industrialmente.

    Fin dai primi tentativi, abbiamo creduto fortemente che le materie plastiche post uso, non solo potevano essere riutilizzate, ma anche con ottime caratteristiche qualitative se opportunamente riqualificate con adeguati trattamenti di processo ed opportuni additivi. Gli aspetti di processo che hanno caratterizzato la ricerca, anche durante lo sviluppo, sono stati:
  • realizzare una tramoggia per l’alimentazione dei macinati leggeri e misti rigidi, in grado di mantenere costante l’alimentazione alla vite in qualsiasi condizione di eterogeneità
  • verificare e definire le caratteristiche di un normale estrusore in grado di trasformare le plastiche eterogenee realizzando un alto grado di miscelazione tale da uniformare la massa, sia dei polimeri che delle fasi inerti;
  • individuare la base polimerica e la percentuale necessaria, che costituisce il legante in grado di agglomerare in modo stabile le altre presenze polimeriche, anche se non fuse completamente;
  • eliminare in continuo le emissioni gassose che si determinano durante tutta la fase reologica di trasformazione, caricamento e iniezione nello stampo.
    L’effetto termico, come citato, dà luogo a forti presenze gassose da estrarre e formate da:
  • aria inglobata nella fase di alimentazione
  • umidità presente nella massa da trasformare acquisita anche dopo la macinazione
  • evaporazione di solventi presenti negli adesivi e nei coloranti
  • degradazione e bruciatura di carta o similari presenti nella massa
  • emissione di sostanze volatili presenti comunque nei polimeri trasformati
  • presenza di inerti solidi comprese tracce metalliche anche in lamina
  • fermentazione ed evaporazione dei liquami conseguenti.

    Un’altra fase della ricerca è stata lo studio di fasi inerti di scarto, da inserire nella miscela per:
    a) aumentare il modulo elastico, cioè aumentare la resistenza alla flessione per particolari soggetti a carichi statici e dinamici.
    b) per migliorare la resilienza alle basse temperature, ossia la capacità di assorbire una maggior energia d’urto prima della rottura.

    5 TECNOLOGIA IDEATA PER CONSENTIRE IL RIUTILIZZO DI PLASTICHE ETEROGENEE POST USO, CON UN IMPIANTO INDUSTRIALE

    Aspetti che hanno preceduto la definizione tecnologica del processo di stampaggio. Anche per l’impianto industriale costruito, abbiamo definito alcuni aspetti basilari quali:
    a) Definizione dei polimeri che si prestavano al riutilizzo per stampaggio, senza creare danneggiamenti al macchinario per effetto di rapida degradazione polimerica e quindi forti emissioni gassose fortemente corrosive e anche nocive, se presenti con percentuali superiori al 10% complessivamente. I polimeri riutilizzabili con la tecnologia di stampaggio ipotizzata, li abbiamo individuati nei seguenti:
    • PELD
    • PEHD
    • PS
    • ABS
    • PA
    • PET
    • PP e loro derivati.
    • PVC
    • ACETATO
    • POLICARBONATO
    • METACRILATO solo in percentuali inferiori al 5%.
    • Inerti, quali: terriccio, residui metallici, stracci, carta e legno in proporzioni contenute entro il 10% in peso.
    b) Un secondo aspetto, che ci ha fortemente impegnati in vari test, è stato quello di individuare il blend polimerico di base fortemente visco-elastico in grado di funzionare da legante e tale da aggregare gli altri polimeri e inerti diffusi più o meno finemente nel blend stesso, anche se non totalmente fusi.

    c) Un terzo aspetto è stato quello di individuare i parametri più idonei di trasformazione e iniezione, cioè:
    • profilo termico
    • pressione di iniezione che sono determinanti per consentire la realizzazione di forti legami.


    6 SETTORI APPLICATIVI DELLA TECNOLOGIA IDEATA


    I settori applicativi sono in generale quelli in cui i prodotti stampati, non hanno contatto diretto con alimenti, pertanto citiamo soltanto i casi di largo consumo dove la normativa ne consente l’uso:
  • pallet di ogni genere e dimensione
  • vasi per il settore florovivaistico
  • bobine per cavi elettrici
  • pedane per interni modulari
  • piastrelle per pavimentazioni
  • contenitori per cassonetti dei rifiuti o altri usi
  • strutture per pannelli fonoassorbenti
  • elementi per tombini stradali e per fognature
  • traversine ferroviarie di nuova concezione
  • elementi modulari cavi con numerosi vantaggi nella realizzazione dei sottofondi stradali (figura sotto).

    Posa degli elementi in plastica di un sottofondo stradale



    7 CONCLUSIONI


    Sulla base dei dati raccolti e successivi test effettuati sui primi manufatti prodotti con il primo impianto a produzione industriale realizzato, possiamo affermare, che gran parte delle materie plastiche presenti nei rifiuti solidi urbani e destinate alle discariche o agli impianti di termovalorizzazione, possono essere riutilizzate, con prestazioni meccaniche e termiche molto vicine a quelle vergini e questo anche dopo normale invecchiamento. Tali prestazioni sono particolarmente accentuate utilizzando la tecnologia ideata perchè:
  • Consente rapidità di iniezione.
  • Quindi relativo contenimento degli spessori, con conseguente ampia capacità di strutturazione.
  • Ampia capacita di gestire la pressione di compattamento, fondamentale per ottenere requisiti estetici e meccanici notevoli, sopratutto con l’invecchiamento.
  • Notevole uniformità strutturale.
  • Tale uniformità è particolarmente rilevante, per effetto della continua degasazione praticata in tutta la via di flusso.
  • Ampia capacità di trasformare anche con presenze di inerti di medie dimensioni (10mm.) per conseguenza degli ampi passaggi previsti in tutto il processo, quindi alta affidabilità produttiva.
  • Notevole capacità produttiva.
  • Sono consentite ampie additivazioni per deodorare, pigmentare, rinforzare, antiurtizzare etc.
    Successive ottimizzazioni della tecnologia di trasformazione e l’utilizzo di additivi renderanno sempre più competitivo e vantaggioso il riutilizzo delle materie plastiche post uso, poichè le tradizionali materie prime vergini, scarseggeranno sempre più, saranno disponibili a costi sempre più alti e il loro uso diventerà limitato a particolari applicazioni che devono sottostare a restrittivi parametri strutturali, igienici, ecc.

    Riteniamo che oltre ai vantaggi ambientali, sia di notevole interesse anche la redditività produttiva, poichè il riutilizzo proposto utilizzando la tecnologia ideata, consente di evitare passaggi intermedi di selezione, lavaggio, compattamento, centrifugazione, rigranulazione, stoccaggio e doppio trasporto. Riteniamo ragionevolmente, che in futuro, nuove attività produttive, trarranno origine dal riutilizzo di materie prime post uso, il settore delle plastiche eterogenee sarà trainante, e non solo di nicchia, nuovi settori di utilizzo saranno individuati ed anche di largo consumo, alle materie prime tradizionali, provenienti dalla terra, si affiancheranno le materie prime derivate dal riutilizzo delle stesse post-uso.