Los polímeros termoestables, que se encuentran en piezas de automóviles y electrodomésticos, deben ser duraderos y resistentes al calor, pero normalmente no pueden reciclarse ni descomponerse fácilmente después de su uso.
Químicos del MIT han desarrollado ahora una forma de modificar los plásticos termoestables que permite descomponerlos más fácilmente sin comprometer su resistencia mecánica.
Los termoestables, que incluyen los epoxis, los poliuretanos y el caucho utilizado en los neumáticos, se encuentran en muchos productos que deben ser duraderos y resistentes al calor, como los automóviles o los electrodomésticos. Un inconveniente de estos materiales es que normalmente no pueden reciclarse ni descomponerse fácilmente después de su uso, porque los enlaces químicos que los mantienen unidos son más fuertes que los de otros materiales, como los termoplásticos.
Químicos del MIT han desarrollado ahora una forma de modificar los plásticos termoestables con un enlazador químico que hace que los materiales sean mucho más fáciles de descomponer, pero que les permite conservar la resistencia mecánica que los hace tan útiles.
En un estudio publicado hoy en Nature, los investigadores demostraron que podían producir una versión degradable de un plástico termoestable llamado pDCPD, descomponerlo en polvo y usar ese polvo para crear más pDCPD. También propusieron un modelo teórico que sugiere que su enfoque podría aplicarse a una amplia gama de plásticos y otros polímeros, como el caucho.
“Este trabajo revela un principio de diseño fundamental que consideramos aplicable a cualquier tipo de termoestable con esta arquitectura básica”, afirma Jeremiah Johnson, profesor de química en el MIT y autor principal del estudio.
Peyton Shieh, becario postdoctoral de la American Cancer Society en el MIT, es el primer autor del artículo.
Difíciles de reciclar
Los termoestables son una de las dos grandes clases de plásticos, junto con los termoplásticos. Los termoplásticos incluyen el polietileno y el polipropileno, que se utilizan en bolsas de plástico y otros plásticos de un solo uso, como los envoltorios de alimentos. Estos materiales se fabrican calentando pequeños gránulos de plástico hasta que se funden, luego se moldean con la forma deseada y se dejan enfriar hasta volver a solidificarse.
Los termoplásticos, que representan alrededor del 75 por ciento de la producción mundial de plástico, pueden reciclarse calentándolos de nuevo hasta que se licúan, de modo que puedan volver a moldearse con una nueva forma.
Los plásticos termoestables se fabrican mediante un proceso similar, pero una vez que pasan de líquido a sólido al enfriarse, es muy difícil devolverlos al estado líquido. Esto se debe a que los enlaces que se forman entre las moléculas del polímero son uniones químicas fuertes llamadas enlaces covalentes, que son muy difíciles de romper. Cuando se calientan, los plásticos termoestables normalmente se queman antes de poder volver a moldearse, afirma Johnson.
“Una vez que adoptan una forma determinada, la mantienen durante toda su vida útil”, afirma. “A menudo no hay una forma sencilla de reciclarlos”.
El equipo del MIT quería desarrollar una forma de conservar las cualidades positivas de los plásticos termoestables —su resistencia y durabilidad— al tiempo que se facilita su descomposición después de su uso.
En un artículo publicado el año pasado, con Shieh como primer autor, el grupo de Johnson describió una forma de crear polímeros degradables para la administración de fármacos, incorporando un bloque de construcción, o monómero, que contiene un grupo de éter de sililo. Este monómero se distribuye al azar por todo el material y, cuando el material se expone a ácidos, bases o iones como el fluoruro, los enlaces de éter de sililo se rompen.
El mismo tipo de reacción química que se utiliza para sintetizar esos polímeros también se emplea para fabricar algunos plásticos termoestables, como el polidiciclopentadieno (pDCPD), que se utiliza en los paneles de carrocería de camiones y autobuses.
Aplicando la misma estrategia de su artículo de 2019, los investigadores añadieron monómeros de éter de sililo a los precursores líquidos que forman el pDCPD. Descubrieron que, si el monómero de éter de sililo representaba entre el 7,5 y el 10 por ciento del material total, el pDCPD conservaba su resistencia mecánica, pero podía descomponerse en un polvo soluble al exponerse a iones de fluoruro.
“Ese fue el primer hallazgo emocionante”, afirma Johnson. “Podemos hacer que el pDCPD sea degradable sin perjudicar sus útiles propiedades mecánicas”.
Nuevos materiales
En la segunda fase del estudio, los investigadores intentaron reutilizar el polvo resultante para formar un nuevo material de pDCPD. Tras disolver el polvo en la solución precursora utilizada para fabricar el pDCPD, lograron fabricar nuevos termoestables de pDCPD a partir del polvo reciclado.
“Ese nuevo material tiene propiedades mecánicas casi indistinguibles, e incluso en algunos aspectos mejoradas, en comparación con el material original”, afirma Johnson. “Demostrar que se pueden aprovechar los productos de degradación y volver a fabricar el mismo termoestable utilizando el mismo proceso es emocionante”.
Los investigadores creen que este enfoque general podría aplicarse también a otros tipos de química de termoestables. En este estudio demostraron que utilizar monómeros degradables para formar las cadenas individuales de los polímeros es mucho más eficaz que utilizar enlaces degradables para “entrecruzar” las cadenas, algo que ya se había intentado antes. Creen que este enfoque de cadenas escindibles podría utilizarse para generar muchos otros tipos de materiales degradables.
“Este es un avance emocionante en la ingeniería de los plásticos termoestables”, afirma Jeffrey Moore, profesor de química en la Universidad de Illinois, que no participó en el estudio. “Los químicos han dedicado la mayor parte de sus esfuerzos a aprender a sintetizar mejores plásticos, y se ha invertido mucho menos en investigación química sobre la ciencia de la desconstrucción de polímeros. El trabajo de Johnson ayuda a llenar esta importante laguna en el conocimiento fundamental, al tiempo que aporta avances de relevancia tecnológica”.
Si se pueden encontrar los tipos adecuados de monómeros degradables para otros tipos de reacciones de polimerización, este enfoque podría utilizarse para fabricar versiones degradables de otros materiales termoestables, como los acrílicos, los epoxis, las siliconas o el caucho vulcanizado, afirma Johnson.
Los investigadores esperan ahora constituir una empresa para conceder licencias y comercializar la tecnología.
Patrick Casey, consultor de nuevos productos en SP Insight y mentor del Deshpande Center for Technological Innovation del MIT, ha trabajado con Johnson y Shieh para evaluar la tecnología, realizando, entre otras tareas, una modelización económica preliminar e investigación de mercado secundaria.
“Hemos debatido esta tecnología con algunos de los principales actores del sector, que nos dicen que promete ser beneficiosa para las partes interesadas de toda la cadena de valor”, afirma Casey. “Los fabricantes de piezas obtienen un flujo de materiales reciclados de bajo coste; los fabricantes de equipos, como las empresas automovilísticas, pueden cumplir sus objetivos de sostenibilidad; y los recicladores obtienen una nueva fuente de ingresos a partir de los plásticos termoestables. Los consumidores ven un ahorro de costes y todos nosotros obtenemos un entorno más limpio”.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation y los National Institutes of Health.
