La sostanza naturale 3-carene è un componente dell'olio di trementina, un sottoprodotto del processo di produzione della cellulosa dal legno. Finora, questo sottoprodotto è stato bruciato nella maggior parte dei casi. I ricercatori del Fraunhofer stanno utilizzando nuovi processi catalitici per convertire il 3-carene in componenti costitutivi per plastiche biologiche. Le nuove poliammidi non solo sono trasparenti, ma hanno anche un'elevata stabilità termica.

Le plastiche sono un'alternativa preziosa al vetro o al metallo per una vasta gamma di applicazioni. Le poliammidi svolgono un ruolo importante nella costruzione di componenti strutturali di alta qualità, poiché non solo sono resistenti agli urti e all'usura, ma sono anche resistenti a molti prodotti chimici e solventi. Oggi le poliammidi sono principalmente prodotte dal petrolio greggio.

Un'alternativa sostenibile e rinnovabile

L'istituto IGB Fraunhofer, relativo all'ingegneria e biotecnologia IGB, sta esaminando un'alternativa sostenibile e rinnovabile per la produzione di nuove plastiche ad alte prestazioni dai terpeni (terpene) [un gruppo di sostanze organiche che si trovano abbondantemente in natura. Sono principalmente presenti nelle piante come componente principale degli oli essenziali. Molti terpeni sono idrocarburi, ma ci sono anche composti che non sono idrocarburi e che contengono ossigeno nella loro struttura molecolare, ma sono considerati terpeni, come alcoli, aldeidi o chetoni. Gli idrocarburi terpenici hanno formula molecolare C5H8)n]. presenti nel legno ricco di resina. Le sostanze naturali provengono da alberi conifere come pini, pino europeo o pioppo. Nella produzione di pasta di legno, in cui il legno viene frantumato per separare le fibre di cellulosa, i terpeni vengono separati in grandi quantità come sottoprodotto, cioè olio di trementina.

Monomeri derivati da scarti di legno

Nel progetto congiunto "TerPa, i terpeni come componenti strutturali per poliammidi bio-based", i ricercatori dell'unità BioCat Straubing del Fraunhofer IGB hanno ora ottimizzato la sintesi dei lattami dal terpeno 3-carene e li hanno convertiti in un processo competitivo, scalabile a livello potenzialmente industriale. I lattami sono componenti costitutivi per la produzione di poliammidi. Gli esperti di Straubing hanno precedentemente dimostrato che terpeni come alfa-pinene, limonene e 3-carene sono materie prime adatte per la sintesi di lattami bio-based.

Sequenza di reazione a singolo stadio conveniente

La conversione del 3-carene nel lattame corrispondente richiede quattro fasi chimiche consecutive. La caratteristica specifica del metodo in attesa di brevetto di Straubing è che le conversioni possono essere eseguite come una "sequenza di reazione a singolo stadio" in un reattore separato – cioè non è necessario purificare i prodotti intermedi richiesti. Paul Stockmann, che ha sviluppato e ottimizzato questo promettente processo, spiega: "Abbiamo raggiunto questo obiettivo selezionando con attenzione i catalizzatori e le condizioni di reazione, e questo metodo consente di risparmiare tempo e costi."

Stockmann ha dichiarato: "Anche su scala di laboratorio, il nostro processo produce più di 100 grammi di monomero lattame puro in modo diastereomerico [i diastereomeri (Diastereomer) sono un tipo di isomero spaziale che non ha un'immagine speculare (Mirror Image) e non è sovrapponibile (Non-superimposable). I diastereomeri hanno più di un centro spaziale o centro chirale] per ogni ciclo di produzione. Questa quantità è più che sufficiente per la ricerca preliminare sulla produzione e valutazione di nuove plastiche." Un altro vantaggio: non è necessario alcun prodotto chimico tossico o pericoloso per l'ambiente per la sintesi dei lattami.

Bio-based, trasparente, stabile termicamente

Tuttavia, non è tutto. A causa della particolare struttura chimica del 3-carene, le catene laterali del composto naturale impediscono la cristallizzazione del polimero risultante. Il dottor Harald Strittmatter, responsabile di questo progetto presso l'unità BioCat di Straubing, afferma: "Pertanto, i nostri polimeri bio-based sono principalmente «amorfici» e quindi trasparenti, il che è molto insolito per le poliammidi bio-based." Questo li rende adatti come scudo protettivo, ad esempio in caschi o occhiali da sci. Possono anche essere prodotti con un'energia di input molto inferiore rispetto alle poliammidi trasparenti a base di petrolio. A differenza di altre plastiche biologiche che sono principalmente prodotte da amido di mais, grano o patate, le poliammidi bio-based non competono con la produzione di alimenti. Invece, aggiungono valore ai flussi di scarti che finora sono stati bruciati per produrre energia.

Un altro vantaggio: le nuove poliammidi bio-based hanno anche eccellenti proprietà termiche. Strittmatter afferma: "Il punto di transizione vetrosa delle nostre poliammidi è di 110 gradi Celsius. Pertanto, possono essere costantemente a temperature elevate, ad esempio come componenti nel vano motore dei veicoli a motore." È vero che le poliammidi prodotte da fonti fossili hanno proprietà termiche simili. Tuttavia, a causa delle loro gamme aromatiche che non si trovano nelle poliammidi a base di 3-carene, nel tempo cambiano colore sotto l'influenza della luce UV, limitando così la loro idoneità per applicazioni all'aperto.

I Carenelactam conferiscono nuove proprietà a PA12 e PA6

Gli scienziati hanno anche polimerizzato lattami bio-based per formare copolimeri con altre molecole di monomero commerciali disponibili, cioè la lauro-lattame (monomero PA12) e il caprolattame (monomero PA6). La cristallinità e quindi la trasparenza dei nuovi copolimeri sono state significativamente migliorate. In sostanza, i profili di applicazione delle plastiche più comuni PA12 e PA6 sono stati potenzialmente ampliati.

In cerca di ulteriori ottimizzazioni nella sintesi del monomero, i colleghi dell'istituto Fraunhofer per la tecnologia ambientale, sicurezza ed energia UMSICHT a Oberhausen stanno trasferendo questo processo a una scala di prova di 20 litri e producendo quantità maggiori di lattami. Successivamente, le proprietà dei nuovi polimeri e copolimeri saranno esaminate in maggior dettaglio per identificare potenziali applicazioni. Gli scienziati intendono anche studiare la biodegradabilità delle nuove poliammidi. I ricercatori del Fraunhofer sperano che di conseguenza le aziende interessate possano trasferire i risultati su scala industriale.

Nei polimeri cristallini, le catene polimeriche si allineano in modo regolare in un'unica direzione. La luce incidente viene dispersa sulle strutture cristalline, rendendo così le plastiche opache o torbide. D'altra parte, se le catene polimeriche sono irregolari (ad esempio a causa dell'interferenza delle catene laterali tra loro), si parla di polimeri amorfi. La luce incidente non viene dispersa; i polimeri appaiono trasparenti.

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