Revista >> Iunie - Iulie 2024 [Nr. 265] >> Cercetare & Invatamant superior

INCDTIM deschide drumul european spre materiale plastice sustenabile

Dr. Alexandrina Nan, INCDTIM Cluj-Napoca

19 Iulie 2024

Polimerii s-au infiltrat în aproape fiecare aspect al tehnologiei moderne şi implicit a vieţii noastre de zi cu zi, de la materialele plastice din aparatele electronice și gadgeturi până la fibrele din hainele noastre. De fapt, este greu de imaginat viața modernă fără materialele plastice. Prin combinarea tehnicilor convenționale cu strategiile inovative în sinteza polimerilor, Institutul de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi Molecular (INCDTIM) din Cluj-Napoca prezintă imense capacități de influenţă a cercetării în domeniul materialelor polimerice din România. Concentrându-se pe implementarea tehnicilor prietenoase cu mediul în sinteza și producția de materiale polimerice sustenabile aplicabile în diverse domenii ale vieţii, echipa de Materiale Multifuncţionale şi Compuşi Biologic Activi din cadrul institutului exemplifică modul în care perseverenţa, ingeniozitatea și dăruirea pot conduce la transformări substanțiale și de durată ale vieţii noastre cotidiene.

În continuare, vom prezenta impactul, beneficiile şi o parte din cele mai reprezentative rezultate dobândite în cadrul a două proiecte ale echipei noastre: proiectul „Poliesteri cu proprietăți speciale pentru acoperirea suprafețelor solide cu aplicații în medicină și nanotehnologie – MATPAHCA” – PN-II-RU-TE-2014-4-0654 şi proiectul „Polimeri inovativi cu conductivitate termică ajustabilă – POLYTECO” – PN-III-P4-ID-PCE-2020-1595, proiecte dedicate în întregime obținerii aşa-zișilor „polimeri verzi”, polimeri sintetizaţi din resurse regenerabile, dar şi determinării parametrilor transferului de căldură a acestora.

Impactul proiectelor în general
Aceste proiecte au integrat structura polimerilor sustenabili și materialelor polimerice cu aspectul metodelor inovatoare ecologice de preparare într-o manieră unică. În prezent, industria polimerilor este supusă unor presiuni severe de a reduce costurile și de a aduce pe piață produse noi, care să respecte noul pact adoptat la nivel european de toate țările europene, „Green Deal”. Astfel de presiuni determină industria polimerilor și comunitatea științifică să dezvolte și să evalueze noi polimeri verzi și compozite polimerice care să permită: (i) reducerea numărului de etape de procesare utilizate în fabricație, (ii) îmbunătățirea randamentului și a capacității de producție a materialelor polimerice, (iii) reducerea la minimum a produşilor secundari toxici ai reacțiilor, (iv) aplicarea cât mai frecventă a metodelor ecologice pentru producția de materiale polimerice și (v) reducerea costurilor de fabricație. Pe termen lung, ambele proiecte vor genera noi modalități de producție pentru fluxurile tehnologice de fabricare a materialelor polimerice, care vor spori competitivitatea României la nivel internaţional în acest domeniu. Proiectele au adus beneficii majore: (i) o mai bună performanță a materialelor polimerice, (ii) utilizarea de materii prime regenerabile în procesele de preparare, (iii) eficientizarea proceselor de conversie a monomerilor din punct de vedere energetic și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră și (iv) aplicarea unor metode ecologice inovatoare pentru prepararea polimerilor și a materialelor polimerice. În cazul proiectului POLYTECO cea mai importantă activitate a fost procurarea echipamentului de măsurare a conductivităţii termice (λ), difusivităţii termice (α) şi a căldurii specifice, TPS-2500S. Achiziţia acestui echipament are şi va avea în continuare un impact puternic pozitiv asupra grupului de cercetare şi implicit asupra Institutului.

Resurse regenerabile în slujba materialelor polimerice cu conductivitate termică crescută
Nicio altă categorie de material nu este mai importantă pentru comunitatea mondială decât polimerii. Cu toate acestea, unele clase de polimeri, cum ar fi materialele plastice de înaltă performanță - materiale plastice care îndeplinesc cerințe mai mari decât cele standard - sunt foarte scumpe din cauza costurilor de sinteză şi sunt utilizate în cantităţi mai mici. Prin urmare, este necesar să fie găsite şi dezvoltate tehnologii de producție mai eficiente pentru multe clase polimerice, care ar putea reduce prețul de vânzare al unor tipuri de polimeri. Proiectele noastre au urmărit dezvoltarea unor astfel de metode, menite să conducă la reducerea costurilor sau la îmbunătăţirea performanţelor materialelor polimerice finale preparate. Astfel, am obţinut noi polimeri, copolimeri și materiale polimerice compozite derivate din trei tipuri de monomeri din clasa alfa-hidroxiacizilor având grupări carboxil şi hidroxil în structură. Alfa-hidroxiacizi sunt compuşi organici extraşi din fructe şi legume. Câteva exemple în acest sens ar fi acidul tartaric prezent în struguri, acidul malic extras din măr, acidul mandelic regăsit în migdale, etc. Acidul p-fluoromandelic şi acidul politartaric sunt doi polimeri obţinuţi printr-o metodă de sinteză „verde”, fără folosirea catalizatorilor şi solvenţilor, iar singurul produs secundar de reacţie este apa, respectiv cantităţi foarte mici de dioxid de carbon în cazul acidului politartaric. Cei doi polimeri, deşi ambii sunt poliesteri şi se obţin prin aceaşi metodă de reacţie, au proprietăţi extrem de diferite. Acidul p-fluoromandelic este un polimer neoteric termoplastic cu proprietăţi hidrofobe şi fluorescente, dar cu conductivitate scăzută. În schimb, acidul politartaric este un polimer hidrofilic, policarboxilic, care intră în categoria superplastifianților, compuşi consideraţi a fi a treia descoperire în tehnologia de producţie a betonului și un mijloc important de obținere a unei durabilități ridicate și a unei durate lungi de viață a structurilor din beton.

Conductivitatea termică a polimerilor este de obicei scăzută, însa obţinerea unui lanţ polimeric extins, cu segmente polimerice bine ordonate, ar putea induce o conductivitate termică foarte ridicată. În general, proprietățile termice ale polimerilor amorfi depind de mai mulți factori, cum ar fi constituenții chimici, structura, tipul și rezistența defectelor sau a defectelor de structură, rezistența legăturii, distribuția densității moleculare, masa moleculară a grupărilor laterale, condițiile de prelucrare și temperatura. Atât efectul lungimii lanțului, cât şi a tipului de monomer şi a metodei de sinteză folosită pentru prepararea polimerului pot afecta conductivitatea termică a polimerilor. În urmă cu mai bine de 40 de ani, Choy și colaboratorii au demonstrat deja că alinierea cristalitelor polimerice ar putea spori semnificativ atât rezistența mecanică, cât și valoarea conductivității termice a polimerilor de-a lungul direcției lanțurilor moleculare legate covalent. În acest context, polimerii obținuți direct prin metoda de polimerizare enzimatică vor prezenta avantaje datorate proprietăților termice îmbunătățite prin creșterea gradului de aliniere a lanțurilor polimerice și reducerea costurilor de producție. Polimerizarea enzimatică poate fi considerată o metodă de sinteză mai bună în comparaţie cu polimerizarea chimică tradițională, devenind astfel o tehnică excelentă pentru sinteza „polimerilor verzi”. Reacţiile catalizate de lipaze ale poliesterilor alifatici s-au dezvoltat rapid, devenind tehnici sintetice esențiale pentru unele materiale polimerice.
Polimerizarea enzimatică are multe avantaje în comparație cu metodele chimice tradiţionale, precum: utilizarea unor condiții de reacție blânde, control ridicat al enantio-, chimio- și regio-selectivității, evitarea reacțiilor secundare nedorite, mai puțini produşi secundari de reacţie și o activitate catalitică superioară față de lactonele macrociclice care sunt mai greu de polimerizat prin cataliză chimică. În plus, polimerizarea enzimatică ar putea contribui la evitarea problemelor asociate cu reziduurile şi urmele de catalizatori metalici, în special a efectelor lor distrugătoare asupra mediului înconjurător și toxicităţii induse în cazul aplicațiile biomedicale, dar nu numai. Policondensarea catalizată de enzime a modernizat chimia prin dezvoltarea unor sinteze mai sigure și mai ecologice și a permis conceperea unei noi generații de polimeri. Fără îndoială, cel mai important și cel mai utilizat biocatalizator pentru esterificare și transesterificare în sinteza poliesterilor este lipaza B din Candida antarctica (CALB) în formele sale libere și imobilizate. Acest lucru a fost demonstrat în numeroase studii, din anii ‚90 până în prezent. Cel mai utilizat catalizator CALB imobilizat este Novozym-435, disponibil în comerț. Grupul nostru a studiat diferența dintre polimerii sintetizați anterior în condiții de policondensare termică și cei sintetizați în condiții enzimatice folosind Novozym-435. Polimerii neoterici, sintetizați în condiții enzimatice au valori mult mai ridicate ale conductivității termice în comparație cu aceiași polimeri sintetizați în condiții termice.

O abordare pentru îmbunătățirea transferului de căldură prin polimeri este includerea de umpluturi cu conductivitate termică relativ ridicată. Majoritatea metodelor de îmbunătățire a conductivității termice a polimerilor s-au concentrat în general asupra materialelor compozite, în care aditivii precum nanoparticulele metalice sau nanotuburile de carbon sunt încorporați în matrici polimerice. Creșterea conductivității termice în astfel de materiale compozite este de obicei limitată din cauza rezistenței termice ridicate la interfața dintre aditivi și matricea polimerică. În cadrul proiectului POLYTECO am folosit polimeri reticulați pentru încorporarea diferitelor tipuri de particule anorganice sau nanoparticule (nanoparticule de oxid de fier, nitrură de bor, oxid de aluminiu, nanoparticule de argint, grafene oxidate şi reduse şi a silicelui mezoporos (SBA-15) dopat cu ioni de argint etc.). Chiar și atunci când conductivitatea termică intrinsecă a nanoparticulelor anorganice este prezentă, variația mare a formei, mărimii, distribuției și orientării umpluturii face dificilă prezicerea conductivității termice a compozitelor. Prin urmare, dezvoltarea acestui subiect are o importanţă deosebită prin prisma aplicabilităţii rezultatelor generate de acest proiect.