Le plastiche dei cavi ad alta tensione o dei compositi resistenti sono progettate in modo da non fondere mai più dopo la polimerizzazione. Nell’uso quotidiano è un vantaggio, al momento del riciclo un vero problema. Il gruppo del progetto VIT ha verificato se le due cose si possano conciliare e ha sviluppato materiali che segnalano i danni con un cambio di colore e che, dopo il riscaldamento, possono essere riprocessati — e alla fine potrai scoprire quanto ingegnere dei materiali c’è in te.
Le plastiche termoindurenti si usano dove conta la resistenza: nei compositi, nei rivestimenti e negli isolanti elettrici che lavorano ad alta tensione. Il loro più grande vantaggio è al tempo stesso il loro più grande difetto. Sono progettate in modo da non fondere né fluire dopo la polimerizzazione. Durante l’uso sono dunque stabili, ma quando finisce la loro vita è molto difficile riutilizzarle.
A questo problema si è dedicato il gruppo del progetto VIT, finanziato dall’Unione europea nell’ambito delle azioni Marie Skłodowska-Curie e coordinato dall’Università di Parma, in Italia.
I ricercatori hanno puntato sui vitrimeri. Sono polimeri che durante l’uso si comportano come le classiche plastiche termoindurenti, ma una volta riscaldati possono cambiare forma, essere riparati o riprocessati. L’obiettivo era chiaro: sviluppare materiali che uniscano funzionalità e possibilità di riciclo.
I lavori si sono svolti su più fronti contemporaneamente. I ricercatori si sono occupati di:
Uno dei risultati chiave è un insieme di materiali che mostrano sollecitazioni, graffi, umidità o infiltrazioni di ossigeno attraverso un cambiamento visibile di colore o di fluorescenza. Ne sono responsabili particolari molecole chiamate meccanofori.
«Grazie ai nostri meccanofori, o molecole ottiche, è possibile rilevare a occhio nudo i danni presenti, oppure il passaggio di umidità o ossigeno: crepe, ossigeno o umidità, infatti, provocano un netto cambiamento di colore», spiega la coordinatrice del progetto, Roberta Pinalli.
In pratica significa avere la possibilità di individuare piccoli graffi e microfratture prima che si trasformino in danni più seri. Un aspetto importante: in alcuni sistemi specifici la risposta ottica è stata mantenuta o ripristinata anche dopo il riprocessamento del materiale. La segnalazione non scompare quindi con il primo ciclo di vita della plastica.
I partner del progetto hanno verificato come si comporterebbero i nuovi materiali nell’isolamento dei cavi ad alta tensione, nei compositi e nei componenti termoindurenti. I cavi sono un buon banco di prova, perché il polietilene reticolato, ampiamente usato per isolarli, è difficile da riciclare.
Il gruppo ha quindi testato ionomeri a base di polietilene e formulazioni di vitrimeri come possibili sostituti. Il risultato è promettente: il loro comportamento elettrico è risultato paragonabile a quello dei materiali convenzionali.
La cosa più difficile è stata mantenere la resistenza meccanica. È la proprietà che si è rivelata più sensibile al riprocessamento. Come riferisce Pinalli, nei materiali a base di polietilene «abbiamo osservato un comportamento più rigido in seguito al riciclo».
Questa osservazione conferma che il materiale può essere riprocessato, ma che il suo comportamento meccanico dipende fortemente dallo storico dei processi e dalle condizioni di riciclo. Nell’isolamento dei cavi o nei compositi, dove i parametri devono restare prevedibili a lungo, è una questione cruciale.
I ricercatori hanno inoltre dimostrato che alcuni sistemi di vitrimeri autodiagnostici possono essere riprocessati almeno quattro volte mantenendo la loro risposta funzionale. Cicli ulteriori finora non sono stati testati. Dopo i successivi trattamenti i materiali sono diventati meno elastici e, sotto certi aspetti, meccanicamente più deboli, anche se la loro rigidità è rimasta sostanzialmente simile.
Il gruppo ha presentato anche processi di rilevanza industriale: l’estrusione reattiva, lo stampaggio a compressione e lo stampaggio a iniezione, dimostrati su alcuni sistemi a base di polietilene. Ciononostante, l’ostacolo principale resta la trasformazione della chimica di laboratorio in processi produttivi affidabili.
«Le attrezzature di processo rappresentano l’ostacolo maggiore, perché la lavorazione di un vitrimero è molto diversa da quella di un polimero termoplastico in termini reologici: le viscosità sono significativamente differenti e la viscosità del vitrimero è superiore a quella del termoplastico», sottolinea la coordinatrice.
Per le aziende significherebbe adattare gli intervalli di temperatura, i protocolli di essiccazione, i tempi di permanenza e le condizioni di miscelazione. La sola nuova chimica non basta: servono anche cambiamenti sulla linea di produzione.
La storia di VIT mostra bene quante specializzazioni si incontrino lavorando su un’unica plastica. Ci sono la progettazione di molecole e la chimica dei polimeri, l’ingegneria elettrica legata all’isolamento dei cavi, e anche l’ingegneria di processo e la trasformazione delle materie plastiche. Ognuna di queste discipline porta il suo tassello: alcuni fanno in modo che il materiale cambi colore quando si crepa, altri verificano che isoli ancora bene, altri ancora cercano il modo di estruderlo e stamparlo su scala industriale.
Il progetto VIT ha dimostrato che i vitrimeri intelligenti possono diagnosticare i danni, supportarne la riparazione e consentire il riprocessamento. Sostituire gli attuali materiali termoindurenti, difficili da riciclare, richiederà tuttavia una convalida a lungo termine, test standardizzati e processi che l’industria possa gestire in modo affidabile. La strada dalla plastica che cambia colore quando si crepa al cavo della rete elettrica è dunque ancora lunga, ma i primi passi sono stati compiuti.
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