Nuovo Metodo Chimico Trasforma la Gomma Usata in Resine di Alto Valore

La gomma è un materiale estremamente prezioso con un enorme mercato globale. Sebbene il suo utilizzo risalga a centinaia di anni, era principalmente limitato alla gomma naturale proveniente dagli alberi. Il processo moderno di vulcanizzazione, che rende la gomma durevole e versatile, non è stato sviluppato fino al 1839.

Il chimico Charles Goodyear ha inventato la gomma vulcanizzata, ovvero gomma naturale o sintetica migliorata mediante trattamento con zolfo, altri prodotti chimici e calore.

Proprietà uniche come elasticità, flessibilità, tenacità, resistenza alla trazione, resistenza all’invecchiamento, impermeabilità, assorbimento degli urti e resistenza al calore rendono la gomma così preziosa nell’automotive, nella costruzione, nell’industria, nella sanità, nei beni di consumo e negli imballaggi.

Tuttavia, i rifiuti di gomma rappresentano un problema importante che contribuisce alla crisi globale dei rifiuti, creando sfide per l’ambiente, la salute umana e l’economia. L’aumento della produzione di rifiuti è il risultato di urbanizzazione, sviluppo economico e crescita demografica.

I pneumatici, in particolare, sono il principale contributore ai rifiuti di gomma. La produzione mondiale totale di pneumatici usati rappresenta il 2% del totale dei rifiuti solidi annuali.

Il Grave Problema dei Rifiuti di Gomma 

Circa un miliardo di pneumatici vengono scartati ogni anno in tutto il mondo, e milioni finiscono in discariche. Nel Regno Unito da solo, si stima che 37 milioni di pneumatici per auto e camion vengano scartati annualmente. Nel frattempo, negli Stati Uniti, più di 274 milioni di pneumatici sono stati scartati nel 2021, con circa il 20% di essi gettati in siti di smaltimento. 

Non è solo una questione di spazio, però. L’accumulo di questi materiali di scarto introduce pericoli ambientali. 

I prodotti in gomma contengono vari prodotti chimici, inclusi antiossidanti e antiossidanzi, che possono filtrarsi nell’ambiente e rappresentare rischi per la salute. Lo smaltimento improprio dei rifiuti di gomma, specialmente dei pneumatici, nelle discariche può persino portare a contaminazione delle acque sotterranee a causa della lisciviazione di sostanze nocive e metalli pesanti. 

Essere non biodegradabili per natura significa che persistono nell’ambiente per lunghi periodi, contribuendo all’inquinamento e a un degrado visivo per secoli. Inoltre, la gomma è altamente infiammabile, e gli accumuli di pneumatici di scarto possono rappresentare un significativo rischio di incendio, rilasciando inquinanti nocivi nell’aria. 

Uno studio del 2020 studio finanziato dal governo del Regno Unito ha suggerito che le particelle dei pneumatici sono una fonte importante e aggiuntiva di microplastiche e potrebbero, in effetti, essere una fonte di microplastiche poco documentata nei corpi idrici.

Lo studio è stato il primo a identificare questo fenomeno, dimostrando che le particelle dei pneumatici possono essere trasportate direttamente nell’oceano attraverso l’atmosfera o trasportate nelle fognature e nei fiumi dall’acqua piovana, dove possono superare il processo di trattamento delle acque.

“Gli scienziati hanno a lungo sospettato che i detriti dei pneumatici rappresentino una minaccia nascosta per l’ambiente marino,” ma pochi studi hanno misurato la loro abbondanza negli ambienti acquatici, ha detto il professor Richard Thompson OBE. Lo studio fornisce “una reale comprensione dell’importanza dell’usura dei pneumatici come fonte di microplastiche.”

Tutti questi fattori richiedono azioni urgenti e un cambiamento verso pratiche di gestione sostenibile dei rifiuti.

Necessità di Soluzioni Efficienti per la Gestione dei Rifiuti di Gomma

I rifiuti di gomma, in particolare quelli provenienti dai pneumatici, rappresentano un problema in crescita a livello globale a causa dell’aumento della produzione e della durata limitata, creando la necessità di soluzioni efficaci di gestione e riciclo dei rifiuti. 

“Le particelle dei pneumatici sono ritenute tra le maggiori fonti di inquinamento da microplastiche a livello mondiale,” e abbiamo bisogno di “soluzioni più sistemiche, forse tramite un miglior design dei pneumatici dei veicoli,” afferma il professor Richard Thompson OBE FRS, Direttore del Marine Institute.

Una ricerca dell’anno scorso, condotta dall’Università di Plymouth e dalla Newcastle University e finanziata da UK National Highways, mostra che i bacini di ritenzione possono aiutare a contrastare l’inquinamento da pneumatici. Lo studio ha anche notato che le particelle di usura dei pneumatici superavano altre forme di microplastiche e sono state rimosse in quantità molto maggiori.

Ora, la presenza di bacini di ritenzione e zone umide è stata trovata in grado di ridurre la quantità di particelle rilasciate dai pneumatici che entrano nelle acque di una media del 75%, offrendo così protezione per fiumi e oceani.

Di conseguenza, i ricercatori hanno raccomandato che la manutenzione di zone umide e bacini di ritenzione diventi una priorità importante per ridurre il flusso di particelle dei pneumatici dalle strade ai fiumi.

“I bacini di ritenzione e le zone umide sono costruiti come parte di progetti autostradali principalmente per attenuare il flusso e prevenire inondazioni a valle, ma anche per rimuovere gli inquinanti. Queste misure di drenaggio esistenti lungo parti della rete stradale strategica del Regno Unito hanno il potenziale di fermare la diffusione dell’inquinamento da pneumatici.”

— Mrs Florence Parker-Jurd, Associate Research Fellow

Per ottenere dati concreti sulla quantità totale di particelle di usura dei pneumatici raccolte nell’influsso, nell’efflusso e nei sedimenti delle zone umide e dei bacini di ritenzione, lo studio ha utilizzato il metodo di pirolisi-cromatografia a gas-spettrometria di massa (Py‑GC‑MS) sviluppato da Geoff Abbott della Newcastle University. Il metodo è stato sviluppato per identificare le particelle derivanti dai pneumatici nell’ambiente.

Un’altra soluzione promettente è il riciclo, che può ridurre l’impatto ambientale dello smaltimento dei rifiuti di gomma e creare nuovi prodotti da materiali riciclati. 

Un’applicazione della gomma riciclata è la costruzione, dove può essere usata in miscele di asfalto e calcestruzzo, pietre di pavimentazione e superfici per parchi giochi. Altre applicazioni includono riempimento per erba artificiale, superfici sportive, piastrelle per pavimenti e isolamento acustico. Utilizzando processi termici, la gomma di scarto può anche essere convertita in carburante o altre fonti di energia. 

La pirolisi è un processo popolare che trasforma i rifiuti di gomma in qualcosa di utile. In questo processo chimico, la gomma viene riciclata mediante decomposizione ad alta temperatura. Separa i legami covalenti nella materia organica in assenza di ossigeno. 

Sottoponendo i rifiuti di gomma a decomposizione termica, si producono nanoparticelle di carbonio nero riciclato (RCBN) e olio/gas, che possono essere usati come combustibile alternativo nei forni per cemento.

I rifiuti di gomma riciclati ottenuti mediante pirolisi da pneumatici di scarto possono anche essere usati per produrre calcestruzzo elettricamente conduttivo. La gomma conduttiva viene impiegata nei settori aerospaziale, militare e automobilistico.

La gestione dei rifiuti di gomma, tuttavia, affronta serie sfide. Per cominciare, l’enorme volume di rifiuti di gomma generato a livello globale rende estremamente difficile gestirli e riciclarli in modo efficiente. 

Poi c’è la varietà di prodotti in gomma e le loro complesse composizioni chimiche che rendono difficile il riciclo e il riutilizzo. Anche il processo ampiamente usato (pirolisi) ha i suoi svantaggi — genera sottoprodotti nocivi come diossine e benzene che comportano rischi per la salute e l’ambiente.

C’è anche una carenza di infrastrutture e tecnologie per una raccolta, selezione e riciclo efficaci dei rifiuti di gomma. I metodi tradizionali di gestione dei rifiuti si concentrano sulla raccolta, combustione e smaltimento dei rifiuti di gomma in discariche.

In questo contesto, è essenziale sviluppare tecniche di gestione dei rifiuti efficienti per affrontare il problema crescente dei rifiuti di gomma in modo efficace.

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Un Nuovo Processo Chimico per Riutilizzare i Rifiuti di Gomma

Un nuovo studio, finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e pubblicato su Nature¹, ha introdotto una nuova tecnica per affrontare i rifiuti di gomma.

A causa della mancanza di strategie per il riciclo chimico dei polimeri dienici di consumo, come quelli presenti nei pneumatici, è stato sviluppato un nuovo metodo chimico per degradare i rifiuti di gomma. 

Un team di ricercatori guidato dal dott. Aleksandr Zhukhovitskiy, professore assistente nel Dipartimento di Chimica dell’UNC‑Chapel Hill, ha applicato l’amminazione C‑H insieme a una strategia di riorganizzazione dello scheletro polimerico per trasformare la gomma smaltita in precursori per resine epossidiche. 

Questa de‑costruzione dei materiali offre un’alternativa innovativa, pratica e sostenibile ai metodi di riciclo tradizionali. Mira anche a superare le sfide degli approcci tradizionali alla degradazione della gomma.

La gomma è costituita da polimeri reticolati tra loro in una rete tridimensionale. Questo esteso reticolamento nella struttura polimerica rende la gomma un materiale resistente, flessibile e durevole, ma lo rende anche resistente alla degradazione.

Esistono due principali tecniche convenzionali per degradare la gomma: la de‑vulcanizzazione, un processo che rompe i legami di zolfo ma erode le proprietà meccaniche del polimero, e la scissione degli scheletri polimerici mediante metodi catalitici o ossidativi, che tende a produrre sottoprodotti di basso valore.

Nessuno dei due metodi fornisce una soluzione efficiente e scalabile per riutilizzare i rifiuti di gomma. Per superare questi ostacoli, la ricerca ha sviluppato “un metodo che degrada la gomma in materiali funzionali che possiedono valore anche come miscela,” ha dichiarato il co‑autore senior dott. Zhukhovitskiy.

Per questo, i ricercatori hanno sviluppato un reagente di diimide di zolfo, un’imina di anidride solforosa, che consente fino al 35% di amminazione allicica dei polimeri dienici e della gomma. È stata poi applicata la riorganizzazione cationica 2‑aza‑Cope per de‑costruire i polimeri.

L’introduzione del reagente di diimide di zolfo permette il posizionamento dei gruppi amminici in punti specifici delle catene polimeriche e prepara il terreno per la successiva riorganizzazione dello scheletro. La reazione chimica è ciò che ristruttura lo scheletro polimerico. Questa riorganizzazione comporta la de‑costruzione della gomma in materiali solubili funzionalizzati con ammine. Questo processo in due fasi, come mostrato dai ricercatori, funziona in modo eccellente. 

Quando testato su un polimero modello, i ricercatori sono riusciti a degradarlo notevolmente. Il peso molecolare del polimero è stato ridotto a circa 400 g/mol da 58.100 g/mol.

Applicando il loro metodo alla gomma usata, sono riusciti a degradarla completamente in circa sei ore. La gomma post‑consumatore aminata è diventata un materiale solubile con gruppi amminici che può essere utilizzato per produrre materiali come le resine epossidiche.

Le resine epossidiche sono note per le loro eccellenti proprietà di adesione. Vengono usate in adesivi, rivestimenti, sigillanti, isolamento elettrico e riparazioni ingegneristiche civili. Le resine epossidiche sono tipicamente prodotte da sostanze chimiche di origine petrolifera come il bisfenolo A e agenti di reticolazione.

Secondo la ricerca, i termoindurenti epossidici preparati con i polimeri solubili funzionalizzati con ammine risultanti hanno una resistenza simile a quella delle resine commerciali derivanti dal bisfenolo A.

According to co-author Maxim Ratushnyy, a former postdoc scholar at UNC‑Chapel Hill:

“In momenti come questo, apprezzo il potere della sintesi organica. È affascinante vedere la facilità con cui la sequenza sviluppata di trasformazioni organiche semplici ma potenti può affrontare un legame C—C ostinato e convertire le gomme a base di poli‑butadiene e poli‑isoprene in potenziali resine epossidiche di valore.”

Inoltre, il nuovo riciclo chimico dei materiali post‑consumatore è altamente efficiente rispetto ai metodi di riciclo convenzionali, che spesso richiedono catalizzatori costosi o temperature estreme.

In questo studio, i ricercatori hanno ottenuto i risultati a temperature miti, 35‑50 °C (95‑122 °F) in medio acquoso, rendendo il processo economicamente vantaggioso e rispettoso dell’ambiente.

L’impatto ambientale del processo è stato valutato utilizzando il Environmental Impact Factor (E‑factor), “una metrica semplice ma potente,” che calcola la quantità reale di rifiuti misurando i rifiuti generati rispetto al rendimento del prodotto.

Oltre a confrontare l’impatto di un nuovo processo con quelli esistenti, il dott. Geoff Lewis, specialista di ricerca presso il Center for Sustainable Systems dell’Università del Michigan, ha spiegato che l’E‑factor evidenzia anche “passaggi del processo che possono essere migliorati mentre lavoriamo per trasferire questo processo dal laboratorio alla pratica.”

L’E‑factor completo del processo, che include l’uso di solventi, era elevato. Tuttavia, il suo E‑factor semplice, escludendo i solventi, era molto più basso. Questo evidenzia le aree del processo che possono essere ottimizzate per la sostenibilità.

Quindi, il team sta ora esplorando sistemi di solventi più verdi e condizioni di reazione alternative per ridurre la generazione di rifiuti.

Definendolo “un cambiamento di paradigma nel modo in cui affrontiamo il problema dei rifiuti di gomma,” la co‑autrice dello studio Sydney Towell, candidata al dottorato presso l’UNC‑Chapel Hill, ha spiegato che:

“Sfruttando il potere dell’amminazione C–H e della riorganizzazione dello scheletro, questo metodo fornisce una nuova via per trasformare la gomma post‑consumatore in materiali di alto valore, riducendo la dipendenza dalle discariche e minimizzando i danni ambientali.”

Azienda Innovativa

Goodyear Tire & Rubber Co  

Fondata nel 1898, Goodyear è un importante produttore di pneumatici che sta investendo in alternative sostenibili alla gomma e iniziative di riciclo.

Nel gennaio 2022, l’azienda ha lanciato un pneumatico dimostrativo realizzato con materiale sostenibile. Il pneumatico include 13 ingredienti presenti in nove diversi componenti del pneumatico e offre prestazioni complessive solide. 

Questo comprende il carbon black, utilizzato per aumentare la durata del pneumatico e prodotto bruciando vari tipi di prodotti petroliferi. Tuttavia, per ridurre la circolarità e le emissioni di carbonio, ora sono presenti quattro tipi di derivati, prodotti da olio vegetale, anidride carbonica, metano e olio di pirolisi da pneumatici a fine vita (TPO). 

L’olio di soia nel pneumatico sostenibile aiuta a mantenere la flessibilità del composto di gomma a temperature variabili, mentre la silice di alta qualità, prodotta da residui di gusci di riso, migliora l’aderenza e riduce il consumo di carburante. 

Il poliestere usato nei pneumatici è riciclato da bottiglie post‑consumatore, mentre le resine di pino, bio‑rinnovabili, hanno sostituito quelle tradizionali basate sul petrolio. 

All’epoca, il contenuto di materiale sostenibile nei pneumatici Goodyear era del 70%, con la previsione di aumentare al 90% nel 2023, avvicinandosi al suo obiettivo di creare il primo pneumatico realizzato interamente con materiali sostenibili.

L’azienda ha riferito che il pneumatico dimostrativo ha superato tutti i test normativi e interni applicabili. Rispetto ai pneumatici realizzati con materiali tradizionali, il pneumatico dimostrativo ha mostrato una resistenza al rotolamento inferiore, il che significa un miglior risparmio di carburante e una riduzione dell’impronta di carbonio. 

Qualche mese fa, l’azienda ha presentato lo pneumatico ElectricDrive Sustainable‑Material (EDS), che segna un passo fondamentale verso l’obiettivo di introdurre il primo pneumatico del settore al 100% realizzato con materiali sostenibili entro il 2030.

Nel contesto del boom dei veicoli elettrici (EV) e dell’attenzione alla sostenibilità, questi pneumatici EDS sono progettati specificamente per gli EV, offrendo lunga percorrenza, minore resistenza al rotolamento, rumore ridotto e prestazioni superiori in frenata e maneggevolezza su superfici bagnate.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, Goodyear, con una capitalizzazione di mercato di 2,5 miliardi di dollari e azioni attualmente quotate a 8,85 $, in calo del 2,33% YTD, ha annunciato un utile netto di 76 milioni di dollari o 26 cents per azione, rispetto a una perdita netta di 291 milioni di dollari un anno prima, e 114 milioni di dollari di utile netto rettificato o 39 cents per azione per il Q4 2024.

Durante questo periodo, le vendite dell’azienda sono state di 4,9 miliardi di dollari, con volumi di pneumatici pari a 43,6 milioni. Per l’intero anno, le vendite sono state di 18,9 miliardi di dollari, con volumi di pneumatici pari a 166,6 milioni.

Nel 2024, Goodyear ha riportato un utile netto di 70 milioni di dollari o 24 cents per azione, rispetto a una perdita netta di 689 milioni di dollari un anno prima, e un utile netto rettificato di 302 milioni di dollari o 1,05 $ per azione.

I flussi di cassa dalle attività operative in questo periodo sono stati di 698 milioni di dollari, in calo rispetto a 1,032 miliardi di dollari dell’anno precedente. Lo scorso mese, l’azienda ha chiuso con successo la vendita della sua attività di pneumatici off‑the‑road alla Yokohama Rubber Company, mentre la vendita del marchio Dunlop a Sumitomo Rubber Industries dovrebbe concludersi a metà anno.

Parlando del suo primo anno in Goodyear, il CEO Mark Stewart ha espresso soddisfazione per i progressi compiuti nel 2024, durante il quale l’azienda ha superato le aspettative, aumentato gli utili e raggiunto accordi per cedere attività non strategiche.

“Guardando al futuro, rimaniamo impegnati a raggiungere i nostri obiettivi ampliati di Goodyear Forward, inclusa un’ulteriore espansione dei margini e una significativa riduzione del debito.” 

– CEO Stewart

Per il 2025, l’azienda prevede “un significativo de‑leveraging,” espansione dei margini e ottimizzazione del portafoglio per generare valore per gli azionisti. Goodyear dovrebbe generare proventi lordi superiori a 2 miliardi di dollari e un rapporto di leva netta compreso tra 2,0x e 2,5x entro la fine dell’anno.

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Conclusione

I rifiuti di gomma, principalmente provenienti dai pneumatici, rappresentano una grande sfida che richiede la nostra attenzione urgente e soluzioni efficienti. I metodi esistenti come la pirolisi, sebbene ampiamente utilizzati, producono sottoprodotti pericolosi. Nel frattempo, i metodi tradizionali di riciclo faticano a garantire efficienza e scalabilità.

Dato che i rifiuti di gomma sono un problema in crescita e critico, i ricercatori stanno esplorando nuove vie, come i bacini di ritenzione per la filtrazione delle microplastiche e processi chimici che coinvolgono l’amminazione C‑H e la riorganizzazione dello scheletro per la de‑costruzione della gomma, offrendo soluzioni promettenti e più verdi.

Con la ricerca continua e l’adozione da parte dell’industria, questi progressi possono aiutare a ridurre l’inquinamento da gomma, diminuire i rifiuti in discarica e trasformare i rifiuti di gomma in materiali di valore!