Los científicos han diseñado un nuevo sistema de materiales para superar uno de los mayores desafíos en el reciclaje de productos de consumo:el reciclaje de plástico mixto. Su logro ayudará a habilitar una gama mucho más amplia de productos de plástico totalmente reciclables y pondrá al alcance una economía circular eficiente para bienes duraderos como los automóviles.

Generamos cantidades asombrosas de plástico y productos que contienen plástico cada año, pero solo una pequeña fracción de ese plástico puede recuperarse y usarse para fabricar productos de calidad similar. Esto se debe a que la mayoría de los productos, desde películas para empaque de alimentos y bolsas de un solo uso hasta zapatillas y productos electrónicos, están hechos de mezclas de diferentes plásticos, y una vez que se mezclan, esos plásticos no se pueden recuperar y usar para hacer nuevas bolsas o zapatillas. En cambio, la mayor parte termina en vertederos, incineradores u océanos.

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) está abordando el desafío de los plásticos mixtos utilizando un material diseñado a medida llamado polidicetoenamina (PDK), un nuevo tipo de plástico que desarrollaron para ser reciclado de manera eficiente e indefinida, proporcionando un bajo costo. solución de fabricación de carbono para productos plásticos que nunca tienen que terminar en un vertedero.

En un nuevo estudio que aparece en Science Advances , el equipo demostró que pueden crear PDK personalizados diseñados específicamente para el reciclaje de plástico mixto y que pueden recuperar por completo los plásticos constituyentes de un producto combinado compuesto por múltiples PDK y otros materiales de fabricación comunes. Brett Helms, de Molecular Foundry de Berkeley Lab, encabezó el equipo multidisciplinario, que también incluía investigadores del Joint BioEnergy Institute (JBEI) y Advanced Light Source de Berkeley Lab, entre otros. El trabajo es una importante validación de un material prometedor y profundiza nuestro conocimiento de la química de polímeros.

"Ahora sabemos cómo adaptar los plásticos PDK para reciclar productos complejos que comprenden varios tipos de materiales", dijo Helms. "Un ejemplo podría ser un zapato, en el que un textil se une a una goma mediante un adhesivo. Los materiales convencionales utilizados en dichos productos no se pueden reciclar para reutilizarlos, ya que no se pueden deconstruir de forma independiente. Sin embargo, si estuvieran hechos de diferentes polímeros PDK especialmente diseñados, entonces podrían serlo por primera vez".

Crear un material de diseño

Los PDK y otros plásticos se conocen como polímeros, materiales en los que las moléculas constituyentes son largas cadenas de pequeñas unidades repetidas conocidas como monómeros. Para este trabajo, los investigadores comenzaron haciendo una variedad de PDK con estructuras químicas ligeramente diferentes y demostraron que cada uno podía "despolimerizarse" o descomponerse en sus respectivos monómeros con altos rendimientos de recuperación. Este es esencialmente el proceso de reciclaje de plástico, ya que los monómeros recuperados se pueden usar para crear un nuevo lote de PDK.

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

"Un aspecto particularmente agradable de este trabajo fue la estrecha integración entre los experimentos y los cálculos", dijo la directora de Molecular Foundry, Kristin Persson, quien dirigió el trabajo teórico. "Al descubrir el mecanismo que sustenta la circularidad, pudimos diseñar nuevos polímeros que conservan la reciclabilidad. Estamos entusiasmados de que estos conocimientos de diseño sirvan de base para el trabajo futuro".

"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", dijo Helms. "De lo contrario, solo tendríamos observaciones, en lugar de una explicación".

¿Plásticos mixtos? No hay problema

Usando esas moléculas optimizadas, los investigadores demostraron el éxito de su sistema de materiales al crear plásticos combinados, cada uno hecho de dos PDK diferentes, y luego despolimerizar y recuperar por completo los materiales constituyentes. Repitieron la demostración con PDK de diferentes colores, abordando un desafío particular de la industria, y demostraron que con un proceso un poco más complejo podían recuperar nuevamente los monómeros PDK con altos rendimientos.

El equipo también mostró cómo se puede utilizar PDK 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 se podían extraer 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 poderoso enfoque, los investigadores construyeron un objeto a partir de una mezcla de diferentes PDK junto con vidrio y acero inoxidable, para simular los desafíos del reciclaje de automóviles, y volvieron a pasar por el proceso de reciclaje, demostrando la recuperación de alto rendimiento de los monómeros PDK, así como el vidrio y el metal. Estos resultados podrían conducir a un cambio significativo en la forma en que abordamos la fabricación de bienes duraderos, lo que permitiría una economía circular en la que los productos están diseñados para recuperarse y reutilizarse por completo.

"Los productos de consumo complejos simplemente no se reciclan hoy; se incineran, se desechan en vertederos o se reciclan", dijo Helms. "Aquí hemos sentado las bases sobre cómo reciclar dichos productos de vuelta a sus componentes monoméricos originales, facilitando la recuperación de materiales vinculados a ellos para su reutilización, incluidos metales valiosos o vidrio. De esta manera, los materiales PDK aportan más circularidad. a la fabricación con una intensidad de carbono intrínsecamente baja". + Explora más

Descomponer el plástico en sus partes constituyentes