Procesabilidad y sustentabilidad del polipropileno: reciclado mecánico

Queda claro que, en el proceso de implementación de un sistema de economía circular en el sector de los materiales plásticos, uno de sus objetivos esenciales es el de retener el plástico residual en su condición de mayor valor, para reducir los impactos ambientales y promover la reducción, la reutilización y el reciclaje.

Reciclado mecánico: herramienta esencial

Por ello, el reciclado mecánico se contempla como una herramienta esencial en una economía de plásticos ambiental y económicamente sustentable. El reciclaje mecánico es un proceso en el que el polímero se separa por tipos de polímero y se reprocesa a través de etapas físicas de fusión y extrusión para ser transformado y obtener las propiedades finales deseadas sin cambiar su estructura química, como se aprecia en el siguiente esquema.

Sin embargo, este método requiere optimizar cada etapa con la finalidad de hacer más eficientes los costos del proceso y reducir la degradación de las propiedades mecánicas y la inconsistencia de la calidad de los productos.

Factores a considerar en el reciclado de polipropileno

Por ello, después de realizar un previo análisis de las diversas variables que intervienen en el proceso de reciclado del polipropileno, a continuación trataremos de detallar brevemente algunos de los factores que, a nuestro juicio, es importante considerar y los proponemos en el siguiente esquema. 

Estructura molecular. Tanto las propiedades de flujo o reológicas y el comportamiento fisicomecánico del polipropileno, así como su potencial aplicación final, dependen fuertemente de la estructura molecular del polímero, es decir, del peso molecular, cristalinidad o si es homopolímero o copolímero.

Por ejemplo, los contenedores o cubetas de boca ancha para almacenar lubricantes o pinturas, se hacen comúnmente de copolímero en bloque, que tiene un buen equilibrio de propiedades de impacto y rigidez. Otros recipientes hechos de polipropileno, como botellas para productos de higiene y de limpieza o envases de productos lácteos, también pueden estar hechos de copolímero al azar u homopolímero, por lo que se debe mencionar de la diferencia de rangos de temperatura de fusión entre homopolímero (160-165 °C) y copolímero de polipropileno (135-159 °C).

Si estas diferentes formas de polipropileno se combinan durante el reprocesamiento, las propiedades del material pueden verse comprometidas y modificar adversamente el comportamiento del polipropileno reciclado, reflejado en variación de la fluidez y en las propiedades mecánicas resultantes. Es decir, las propiedades previas del polipropileno reciclado dependen de la procedencia de los residuos y de sus componentes químicos.

Incompatibilidad en mezclas con otros materiales plásticos. Entre los principales y más comunes contaminantes poliméricos del polipropileno recuperado se pueden mencionar las partículas residuales de cualquier tipo de polietileno. Su resultado más frecuente es la contaminación por HDPE, ya que este se encuentra en diversos artículos, como botellas, cierres y accesorios. El PP y el HDPE, ambos de la familia de las poliolefinas, con gran similitud en su estructura y comportamiento, y con densidad menor a 1, flotan por ello en el agua y adicionan mayor dificultad para ser separados por los reprocesadores.

Además, ya que la temperatura de fusión del polipropileno, entre 160 y 170 °C, es mayor que la del HDPE, de 130 °C, durante el proceso de fundido del PP puede haber degradación del HDPE en forma de partículas negras que pueden contaminar y ocasionar fallas mecánicas o visuales en el producto final del artículo recuperado de PP. Por lo anterior es importante que los recicladores tengan en cuenta que los niveles o contenidos de HDPE o polietileno contaminante no debe ser mayor de 5 % para evitar problemas en el producto terminado.

Contaminación. Dentro de los procesos de reciclaje es importante tener siempre en cuenta que los materiales reciclados pueden contener una variedad de sustancias agregadas intencionalmente para mejorar las propiedades del plástico (metales agregados como rellenos, colorantes, etc.). Además, los materiales recuperados pueden contaminarse durante su uso y posterior gestión de residuos.

Como consecuencia, algunas sustancias y contaminantes, que pueden estar incrustados químicamente en la matriz plástica y no solo como contaminación física o superficial, resultan difíciles de eliminar durante el reciclaje; los componentes potencialmente problemáticos podrían integrarse durante el proceso de reciclado, y generar la necesidad de implementar sistemas de separación eficientes, que permitan la obtención de materiales reciclados de alta calidad, aplicabilidad eficiente y libres de contaminantes.

Aditivos utilizados en la transformación del polipropileno

Las propiedades químicas y la calidad de los plásticos pueden variar de acuerdo con el producto y su aplicación. Las sustancias se pueden agregar no intencionalmente, ya sea en la fase de producción (residuos de catalizadores, impurezas metálicas en aditivos no metálicos o como contaminación por absorción potencial durante el uso y la gestión de residuos). Entre algunos de los principales aditivos utilizados en la transformación del polipropileno se encuentran los siguientes: antioxidantes, agentes antiestáticos, anti-block, nucleantes y clarificantes, estabilizadores UV, entre otros.

En la siguiente gráfica se puede observar el comportamiento de la viscosidad de dos muestras de polipropileno, una sin contaminar y otra contaminada, con respecto al material virgen y a dos ciclos de procesamiento en un estudio reportado por [Loredana Incarnato, y Co. JAPPS v.89 p. 1768, 2003]. Asimismo, se aprecia el efecto de la presencia del contaminante en la reducción de la viscosidad o peso molecular, después del segundo ciclo de reprocesamiento.                        

Los contaminantes presentes, dependiendo del tipo y cantidad, pueden promover una mayor degradación al actuar como catalizadores durante el proceso de reprocesamiento o de transformación en el producto terminado. La combinación entre contaminantes y las condiciones de operación, como elevadas temperaturas y velocidades de corte (altos esfuerzos), pueden ocasionar una disminución en el tamaño de las cadenas del polipropileno y, en consecuencia, una reducción de la viscosidad.

Degradación. Los polímeros reciclados sufren degradación durante el proceso de reciclaje. Habitualmente, los polímeros son susceptibles de sufrir degradación térmica durante el reciclado mecánico por efecto del oxígeno contenido en los grupos de su estructura y dar lugar a reacciones que alteran la estructura molecular, la morfología y posteriormente las propiedades físicas. La degradación de los polímeros, que puede ocurrir por diferentes caminos, se produce debido al efecto de la temperatura, el oxígeno y la luz.

La degradación térmica puede condicionar la aplicación de temperatura de procesamiento indicada para un material virgen, debido a la pérdida continua de propiedades mecánicas al estar expuesto el material a altas temperaturas. Cuando el polímero comienza a degradarse por la temperatura, los componentes de la cadena principal comienzan a reaccionar entre sí y a cambiar la estructura y las propiedades del polímero.

La degradación oxidativa puede ser generada por degradación térmica, inducida por radiación solar o por altos esfuerzos mecánicos. Cuando el polímero se degrada, el oxígeno presente en el material plástico desintegra las moléculas y crea radicales libres que reaccionan en cadena rápidamente con el oxígeno.

Y, por último, la exposición a la luz UV también tiene efectos negativos. La luz visible o la radiación UV, al iniciar o catalizar la degradación, provocan un rompimiento de los enlaces químicos en la cadena del polímero y ocasionan cambios o fallas superficiales y de color, además de una afectación en algunas propiedades mecánicas del material.  

El principal problema en el reciclado del polipropileno aumenta por la fácil degradabilidad de esta resina, tanto durante su tiempo de vida (principalmente por fotooxidación), como durante las etapas de procesamiento y reciclado. El calor, el esfuerzo mecánico y la radiación ultravioleta modifican fuertemente la estructura y la morfología y, como consecuencia, las características y propiedades del polipropileno reciclado. Tanto la elongación como la resistencia al impacto son las propiedades más influenciadas por el fenómeno de la degradación, además de fallas en decoloración y otros daños estéticos que también deberán ser tomados en cuenta.

Aunque el comportamiento de la degradación es común a todos los materiales poliméricos, los efectos de degradación termomecánica y fotooxidativa en el PP son dramáticos debido al carbón terciario presente en la cadena principal del polímero.         

Con este artículo damos por terminada la serie en la que tratamos de enmarcar algunos aspectos principales en el entorno de la procesabilidad y sustentabilidad del polipropileno. Esperamos haber aportado información de interés para nuestros lectores, y quedamos a sus órdenes en espera de comentarios y sugerencias de temas nuevos por abordar.