Tutto quello che devi sapere sull'acido polilattico: PLA spiegato

Acido polilattico, o PLA, come viene spesso definito, è un altro materiale rivoluzionario con applicazioni che vanno dalla stampa 3D al packaging. Il PLA è ricavato da risorse rinnovabili come amido di mais e canna da zucchero, il che lo rende sostenibile rispetto alle plastiche tradizionali. È un grande vantaggio quando le questioni ambientali sono in prima linea. Questo articolo cerca di elaborare le specifiche del PLA, tra cui la sua storia, le sue caratteristiche, i suoi usi e il suo impatto sull'ambiente. Questa guida aiuterà i produttori, i progettisti e gli altri utenti di questo materiale a comprenderne facilmente le capacità e le aree di applicazione che si concentrano sulla sostenibilità.

Cos'è il PLA e come viene prodotto?

L'acido polilattico, o PLA, è una plastica prodotta da risorse rinnovabili come amido di mais, canna da zucchero o manioca. È biodegradabile e viene prodotto dalla fermentazione di queste materie prime per creare acido lattico polimerizzato in PLA. La formazione di lattide e la polimerizzazione ad apertura di anello sono i due passaggi principali coinvolti nella polimerizzazione del PLA. Grazie alla disponibilità di materie prime, la produzione di questa plastica è considerata ecologicamente sicura rispetto alle plastiche indotte dal petrolio. È ampiamente utilizzata grazie alla sua compostabilità globale, alla facilità di utilizzo in vari campi come imballaggio, stampa 3D, apparecchiature mediche e compostabilità di livello industriale.

Comprensione del monomero dell'acido lattico

L'acido lattico, il monomero principale nella produzione di acido polilattico (PLA), è un composto organico ottenuto principalmente tramite la fermentazione di fonti di carbonio come mais, canna da zucchero e barbabietole. Ha due forme stereoisomeriche, acido L-lattico e D-lattico, che sono significative nel determinare le caratteristiche finali del PLA. La tecnologia per la bioproduzione di acido lattico è avanzata e si integra bene con il sistema esistente grazie all'uso di materie prime biotecnologiche rinnovabili, che soddisfano il crescente mercato dei materiali eco-compatibili.

Il processo di polimerizzazione del lattide

Il lattide è solitamente utilizzato come materia prima per produrre acido polilattico (PLA) utilizzando il processo di polimerizzazione ad apertura di anello (ROP). La sintesi dell'acido polilattico è avviata dalla polimerizzazione del lattide, che viene eseguita con un catalizzatore metallico come l'ottoato di stagno (II). La ROP avviene sotto calore e pressione moderati, il che consente ai monomeri del lattide di aprire la loro struttura ad anello e polimerizzare in lunghe catene di PLA. Questa tecnica è particolarmente efficace, consentendo di gestire il risultato del peso molecolare e della resistenza meccanica del PLA. Tali proprietà sono essenziali quando si cercano aree di applicazione decisive come imballaggio, prodotti medicali e altri prodotti monouso.

Fasi coinvolte nella produzione di PLA

1. Preparazione della materia prima: l'amido deve essere estratto dalla biomassa, dal mais o dalla canna da zucchero, e l'idrolisi convertirà l'amido in zuccheri essenziali.
2. Fermentazione: gli zuccheri prodotti sopra verranno convertiti in acido lattico (monomero chiave per il PLA) tramite fermentazione microbica.
3. Purificazione dell'acido lattico: l'acido lattico deve essere purificato per ottenere un monomero di alta qualità, requisito fondamentale per la riuscita della polimerizzazione ripetuta.
4. Formazione di lattide: l'acido lattico purificato subirà una reazione di condensazione o altri processi catalitici per trasformarsi in lattide, un dimero ciclico.
5. Polimerizzazione: l'apertura dell'anello della polimerizzazione del lattide verrà avviata con un catalizzatore (ottoato di stagno(II)) a temperatura e pressione controllate per la polimerizzazione del PLA.
6. Post-elaborazione: è possibile modificare il peso molecolare o aggiungere additivi per modificare il polimero PLA e soddisfare le esigenze specifiche dell'uso previsto.
7. Formatura del prodotto finale: a seconda dell'utilizzo industriale, il PLA può essere trasformato in varie forme, tra cui pellicole, fibre o oggetti stampati.

Esplorando le proprietà del PLA

Proprietà meccaniche e termiche del PLA

Il PLA ha un'elevata resistenza alla trazione e un modulo elevato, che gli consentono di essere utilizzato dove sono necessarie rigidità e integrità strutturale. Tuttavia, ha un uso limitato in ambienti ad alto stress a causa della bassa resistenza all'impatto rispetto ad altri polimeri. Termicamente, il PLA trasferisce il vetro polimerico a uno stato gommoso a basse temperature, circa 55-60 °C, e inizia ad ammorbidirsi a circa 150-180 °C. Pertanto, può perdere la sua forma in condizioni di bassa temperatura. Ancora più importante, per soddisfare specifiche esigenze industriali, comprese le miscele di PLA, le sue proprietà meccaniche e termiche possono essere modificate miscelandole con altri materiali o utilizzando determinati riempitivi o additivi.

Proprietà biodegradabili e barriera

In condizioni di compostaggio industriale, il PLA è caratterizzato da un'eccezionale biodegradabilità e si decompone in acqua, anidride carbonica e biomassa nel giro di pochi mesi. Questa caratteristica lo rende molto ricercato per usi ecosostenibili, come la produzione di materiali di imballaggio o prodotti monouso. D'altro canto, le temperature incontrollate e l'assenza di attività microbica in ambienti naturali come acqua o terreno rallentano in modo comparabile il processo di degradazione del PLA. Per quanto riguarda le proprietà barriera, il PLA possiede una moderata resistenza al passaggio di ossigeno e umidità ed è quindi appropriato per imballaggi alimentari a breve termine. Combinandolo con altri polimeri o rivestimenti per applicazioni specifiche può offrire ulteriori proprietà barriera.

Influenza del peso molecolare sul PLA

Il peso molecolare è uno dei fattori più critici che influenzano le proprietà meccaniche, termiche e di degradazione del PLA. I polilattidi con pesi molecolari elevati tendono ad avere maggiore resistenza, resistenza termica e tassi di degradazione inferiori, rendendoli applicabili in condizioni in cui è necessaria la durevolezza. Al contrario, i polilattidi con pesi molecolari bassi hanno un tasso di degradazione più elevato e sono più utili in applicazioni mediche come sistemi di somministrazione di farmaci o impianti biodegradabili. Per soddisfare questi requisiti è necessario selezionare un peso molecolare adeguato.

Come viene utilizzata la plastica PLA negli imballaggi alimentari?

Applicazioni dell'acido polilattico nell'industria alimentare

Per quanto riguarda la sicurezza alimentare, la capacità di essere reperito in modo sostenibile e compostabile, l'acido polilattico (PLA) è davvero un'aggiunta rivoluzionaria al settore degli imballaggi alimentari. È ampiamente utilizzato in contenitori, tazze, vassoi e materiali di confezionamento per frutta fresca, dolci e imballaggi per alimenti pronti al consumo. Inoltre, il PLA è un sostituto competitivo per PET e PS, dove è richiesta la trasparenza poiché è sia trasparente che rigido.

Inoltre, studi recenti suggeriscono che il PLA prolunga la durata di conservazione degli articoli a rischio di deperimento. Quando miscelato con determinati additivi pertinenti o incorporato in strutture multistrato, il PLA può coprire umidità e ossigeno, che sono elementi cruciali nella conservazione degli alimenti. Le stime del settore suggeriscono che la capacità produttiva mondiale di PLA aumenterà di oltre 600,000 tonnellate metriche entro il 2025 a causa dell'aumento della domanda stimato dal mercato alimentare e delle bevande. Questo aumento indica una maggiore attenzione ai metodi di imballaggio ecocompatibili poiché governi e aziende utilizzano politiche più sostenibili.

Il PLA è rilevante anche nei materiali di imballaggio alimentare grazie alla sua compatibilità con i principi dell'economia circolare. I prodotti realizzati con PLA possono essere compostati a livello di impianto, il che aiuta a ridurre i rifiuti nelle discariche e a ridurre le emissioni di carbonio. Gli sforzi nella ricerca sono focalizzati sull'ampliamento della gamma di capacità termiche e meccaniche del PLA e lo sviluppo di innovazioni per aumentare la temperatura massima di esercizio e la resistenza del materiale ne riduce la tendenza a diventare fragile. Ciò semplifica l'implementazione del materiale in varie applicazioni di imballaggio alimentare.

Vantaggi dell'utilizzo di PLA biodegradabile per l'imballaggio

• Sostenibilità ambientale: poiché il PLA è fatto con canna da zucchero o amido di mais, è una plastica biodegradabile e il suo utilizzo può ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili. Inoltre, a differenza delle plastiche standard, ha un impatto ambientale negativo inferiore poiché può decomporsi negli impianti di compostaggio industriale.
• Impronta di carbonio ridotta: la produzione e l'uso su scala industriale di PLA riducono notevolmente l'emissione di gas serra nocivi rispetto alla produzione e all'uso di materie plastiche a base di petrolio. Per questo motivo, è considerata una scelta migliore.
• Compostabilità: la materia organica contenuta negli imballaggi in PLA può decomporsi in condizioni di compostaggio controllate, contribuendo a ridurre al minimo i rifiuti organici che finiscono nelle discariche e migliorando al contempo la materia organica del terreno.
• Versatilità: Sebbene venga utilizzato per realizzare contenitori per hamburger, verdure fresche, carne, confezioni per prodotti da forno e involucri per altre bevande, la sua praticità rientra negli obiettivi ambientali del confezionamento alimentare.

Confronto tra PLA e plastica tradizionale

• Fonte del materiale: il PLA è ricavato dall'amido di mais o dalla canna da zucchero, a differenza delle plastiche tradizionali, che sono ricavate da combustibili fossili come la benzina.
• Biodegradabilità: il PLA si scompone in materia organica negli impianti di compostaggio industriali, mentre la plastica di uso comune impiega anni per decomporsi e contribuisce all'inquinamento.
• Impatto ambientale: rispetto alle plastiche tradizionali, la produzione di PLA genera minori emissioni di gas serra, riducendo l'impronta di carbonio complessiva.
• Prestazioni: il PLA offre ottime prestazioni in numerose applicazioni; tuttavia, rispetto ad alcune plastiche industriali che resistono ad alte temperature, la sua resistenza al calore e la sua durevolezza ne limitano l'utilizzo.
• Riciclaggio: poiché sono più comuni, le plastiche tradizionali hanno maggiori possibilità di essere accettate nei programmi di riciclaggio. Tuttavia, il PLA non ha altri mezzi di smaltimento se non il compostaggio industriale.

Tutto sommato, è evidente che il PLA ha i suoi difetti, soprattutto in termini di prestazioni, ma presenta anche vantaggi in termini di sostenibilità.

La sintesi del PLA: tecniche e metodi

Condensazione diretta dell'acido lattico

Nella produzione di PLA, la condensazione diretta dell'acido lattico è un metodo che comporta la rimozione dell'acqua quando i monomeri dell'acido lattico sono legati insieme. La tecnica in genere richiede temperature elevate e livelli di pressione ridotti per spingere la reazione verso un progresso efficace. Tuttavia, uno dei problemi significativi di questo metodo è che è difficile ottenere polimeri di alto peso molecolare a causa della natura di equilibrio della reazione, che lo rende inefficiente per scopi su larga scala o ad alte prestazioni.

Tecniche di polimerizzazione ad apertura di anello

La polimerizzazione ad apertura di anello (ROP) rimane uno dei metodi più comuni per la sintesi di PLA. È anche uno dei più efficaci quando si desiderano un peso molecolare elevato e caratteristiche polimeriche specifiche. In questo caso, il lattide, il dimero ciclico dell'acido lattico, viene polimerizzato con catalizzatori a base di metallo in condizioni controllate. Il catalizzatore più comunemente impiegato per una polimerizzazione efficace è l'ottanoato di stagno (II); tuttavia, di recente si stanno facendo sforzi per ricercare sostituti non tossici, come catalizzatori organici, per una migliore sostenibilità e biocompatibilità.

Grazie alla scissione delle strutture cicliche del lattide, i monomeri possono legarsi per formare lunghe catene di polimeri. Il ROP è facilmente adattabile per raggiungere determinati pesi molecolari e polidispersità, quindi è frequentemente utilizzato per molteplici applicazioni correlate al PLA in dispositivi medici, materiali di imballaggio e tessuti. Studi preliminari suggeriscono che il ROP può raggiungere pesi molecolari superiori a 100,000 g/mol, a seconda delle condizioni della reazione e della natura dei catalizzatori, il che a sua volta aumenta la resistenza meccanica e la durata del polimero.

Inoltre, lo sviluppo di nuove tecniche ROP, come sistemi di catalizzazione senza solventi e verdi, sta migliorando la resa della produzione di acido lattico e potenziando l'ecocompatibilità del processo. Queste innovazioni corrispondono alla crescente offerta di PLA prodotte in modo sostenibile, contribuendo a un'economia circolare. Sfruttando queste innovazioni, ROP continua a essere tra i metodi di produzione di PLA più affidabili e facilmente realizzabili.

Innovazioni nella sintesi del PLA

La sostituzione dei classici sistemi di catalizzatori con la polimerizzazione enzimatica non è l'innovazione più entusiasmante nella sintesi del PLA, ma piuttosto una rinfrescante. I processi enzimatici sono un'alternativa più ecologica alla polimerizzazione catalizzata poiché impiegano enzimi naturali per catalizzare il processo, riducendo così i rifiuti tossici e consentendo temperature di reazione più basse. Inoltre, lo sviluppo della sintesi di PLA stereo complessa da polimeri enantiomericamente puri ha migliorato le proprietà termiche e meccaniche dei materiali. Tali innovazioni migliorano le prestazioni dei materiali e contribuiscono alla sostenibilità nei processi di produzione del PLA, che è un prerequisito per una più ampia accettazione dell'uso del PLA.

Quali sono gli impatti ambientali del PLA?

PLA come polimero biodegradabile

L'acido polilattico (PLA) è considerato un materiale ecologico per la sua capacità di degradarsi in contesti di compostaggio industriale. A mio parere, poiché il PLA può essere scomposto nei suoi componenti naturali come anidride carbonica e acqua, che sono abbondanti in una pletora di ambienti, è un'alternativa alla plastica che ha il potenziale per ridurre i rifiuti di plastica. Allo stesso tempo, capisco che il potenziale dei PLA è sempre imbottigliato a meno che non venga implementato un adeguato sistema di gestione dei rifiuti. Inoltre, sono d'accordo sul fatto che il PLA NE si degrada in modo efficiente in ambienti non trattati come il suolo o l'oceano. Pertanto, è necessario un sistema in cui i fattori chiave siano monitorati.

Impatto della produzione di PLA sull'ambiente

Gli impatti ambientali della produzione di acido lattico sono benefici e dannosi per il ciclo di vita del PLA. Inoltre, i materiali di origine per il PLA, come l'amido di mais o la canna da zucchero, possono essere coltivati, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e persino le emissioni di gas serra. D'altro canto, il processo di produzione è altamente dispendioso in termini di energia; le fonti di energia non rinnovabili possono peggiorare l'impronta ecologica. Inoltre, la produzione di colture di materie prime comporta cambiamenti nell'uso del suolo, uso dell'acqua e fertilizzazione che danneggiano l'ambiente. Questi aspetti suggeriscono che è necessario impegnarsi per implementare pratiche rispettose dell'ambiente per ottenere i massimi benefici ecologici dal PLA.

Il ruolo del PLA nella riduzione dei rifiuti di plastica

Il PLA è essenziale per alleviare l'inquinamento ambientale perché fornisce un sostituto biodegradabile per le plastiche tradizionali non rinnovabili a base di petrolio. I problemi di rifiuti di plastica e inquinamento miglioreranno notevolmente se compostassimo industrialmente il PLA, tuttavia affinché sia ​​efficace, prima si dovrebbero creare una corretta raccolta differenziata dei rifiuti e infrastrutture di compostaggio appropriate. Sebbene questi sistemi siano necessari per raccogliere i benefici del compostaggio del PLA, capisco che hanno implicazioni enormi per la nostra lotta efficace nell'affrontare i rifiuti di plastica.

Domande frequenti (FAQ)

D: Cos'è l'acido polilattico (PLA) e come viene prodotto?

A: L'acido polilattico (PLA) è una plastica biodegradabile ricavata da materiali rinnovabili come amido di mais o canna da zucchero. Il PLA viene prodotto durante la fermentazione dell'amido in acido lattico e, successivamente, l'acido viene polimerizzato in un polimero PLA. La formazione di PLA grezzo comporta la condensazione di monomeri di acido lattico o la polimerizzazione di acido lattico o lattide per ottenere il polimero finale.

D: Quali proprietà meccaniche possiede il PLA?

A: Le caratteristiche meccaniche del PLA comprendono elevata resistenza alla trazione e basso allungamento a rottura, il che implica una maggiore rigidità e fragilità rispetto ad altri polimeri. Queste caratteristiche, in particolare la resistenza alla trazione e il modulo di trazione, ne consentono l'applicazione nella stampa 3D, nello stampaggio a iniezione e nella produzione di altri articoli biodegradabili.

D: Cosa si intende con PLA come plastica biodegradabile?

R: Il termine implica che il PLA può decomporsi in elementi come anidride carbonica e acqua con il compostaggio industriale. La scomposizione del PLA è facilitata da microrganismi che digeriscono il polimero. Di conseguenza, è un'opzione molto più ecologica rispetto alle plastiche tradizionali.

D: Perché il punto di fusione del PLA è significativo, ovvero tra 150 e 160 gradi Celsius?

A: Il PLA è utilizzato in modo ottimale per il processo di estrusione a una bassa temperatura di 150-160 gradi Celsius. A questa temperatura, il PLA si scioglie rapidamente, rendendolo adatto all'estrusione tramite ugelli per la stampa 3D. Ciò consente la produzione di oggetti intricati e sofisticati stampati in 3D con PLA.

D: Quali sono gli utilizzi dei prodotti PLA nelle attività quotidiane?

R: Il PLA può essere utilizzato per vari scopi, come impianti medici, stampa 3D e confezioni, ed è persino ottimo per posate monouso. Il PLA è anche adattabile, in quanto può essere stampato a iniezione o in 3D, il che lo rende utile per molti usi commerciali e di consumo.

D: È possibile combinare il PLA con altre materie plastiche?

R: Assolutamente, le caratteristiche meccaniche e fisiche del PLA possono essere ulteriormente migliorate mescolandolo con altri polimeri. L'aggiunta di altre bioplastiche o additivi aumenta la flessibilità del polimero, la resistenza all'impatto e la resistenza termica, ampliandone l'ambito di applicabilità.

D: Qual è la temperatura di transizione vetrosa del PLA?

A: La temperatura di transizione vetrosa del PLA è di quasi 60 gradi Celsius. A questa temperatura, il polimero passa da uno stato duro e vetroso a uno stato gommoso e flessibile, il che influisce sulle sue proprietà meccaniche e sulla stabilità a vari intervalli di temperatura.

D: In che modo la produzione di PLA contribuisce alla sostenibilità?

R: La produzione di PLA è ecosostenibile. È realizzata con materie prime rinnovabili come amido di mais e canna da zucchero, il che riduce la dipendenza da combustibili fossili non rinnovabili. Inoltre, poiché il PLA è biodegradabile, riduce al minimo la quantità di rifiuti di plastica generati e mitiga l'impatto negativo complessivo sull'ambiente, a condizione che venga smaltito correttamente.

D: Quali sono le sfide associate all'utilizzo del PLA?

R: Rottura e degradazione a temperature più basse, insieme alla fragilità, sono alcuni dei problemi attualmente correlati all'applicazione del PLA; pertanto, il suo utilizzo è limitato nelle regioni ad alta temperatura. Inoltre, sebbene l'uso approvato di strutture industriali sia in circolazione, va detto che ci sono condizioni specifiche per adattarlo alla rottura del PLA.

Fonti di riferimento

1. Membrana polimerica realizzata con acido polilattico e olio di babassu per la guarigione delle ferite

• Autori: D. Fernandes et al.
• Data di pubblicazione: 2021-02-21
• Principali risultati:
  • La membrana elettrofilata PLA/babassu ha dimostrato proprietà favorevoli per la costruzione di medicazioni per ferite. Queste includono il tasso di trasmissione del vapore acqueo (WVTR) raccomandato, il mantenimento di un ambiente umido, la non citotossicità, la stimolazione delle linee cellulari dei cheratinociti e l'inibizione della crescita di Pseudomonas aeruginosa.
• Metodologia:
  • La membrana polimerica realizzata in PLA e olio di babassu è stata elettrofilata, seguita da una serie di test per misurarne l'efficacia come medicazione per ferite (Fernandes et al. 2021, pag. 102173).

2. Le proprietà ingegneristiche, fisiche e abrasive dei materiali in acido polilattico pubblicati in 3D

• Autore: A. Almajid
• Data di pubblicazione: 2020-03-01
• Principali risultati:
  • Lo studio si è concentrato sulla modellazione della deposizione dei materiali PLA e ha scoperto che le prestazioni di trazione, modulo e duttilità dipendevano in larga misura dalla percentuale di riempimento e dalla direzione di stampa.
• Metodologia:
  • Sono stati condotti test di trazione, durezza e usura sui campioni di PLA con percentuali variabili di riempitivi per determinare le proprietà meccaniche (Almajid, 2020, pagg. 118–125).

3. Caratteristiche ed effetti della miscela PLA, in particolare dei compositi di miscela di amido reticolato e acido polilattico.

• Autore: Ying Wang
• Data di pubblicazione: 07 luglio 2018
• Principali risultati:
  • Secondo la ricerca, la combinazione di PLA con amido e compositi di trimetilclorosilano PLA ha migliorato le proprietà meccaniche dei compositi, l'analisi ottica e l'assorbimento d'acqua. Un aumento del contenuto di amido ridurrebbe le proprietà meccaniche.
• Metodologia:
  • In questo studio di caso, sette campioni primari sperimentali sono stati prodotti mediante miscelazione meccanica di PLA e amido in diverse proporzioni, seguita da test meccanici e analisi FTIR (Wang, 2018).