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Supermodificanti a base di grafene per ecosostenibilità e “pavimentazioni perpetue” – prima parte

L’esperienza di Iterchimica Srl ha portato alla formulazione di un prodotto innovativo contenente grafene e plastiche dure riciclate attraverso una tecno-selezione

sfondo iter

  For English version: https://www.stradeeautostrade.it/en/materials-technologies/graphene-enhanced-supermodifiers-for-eco-sustainable-and-perpetual-pavements-part-1/

La seconda parte dell’articolo è su https://www.stradeeautostrade.it/asfalti-e-bitumi/supermodificanti-a-base-di-grafene-per-ecosostenibilita-e-pavimentazioni-perpetue-seconda-parte/.

Con l’obiettivo di preservare l’intero ecosistema e di lasciare alle generazioni future la Terra con le medesime risorse di cui disponiamo oggi, nell’ultimo decennio l’attività umana ha perseguito in modo sempre più assiduo e costante gli assunti e le argomentazioni che fanno riferimento all’ecosostenibilità.

Gli strumenti utilizzati a supporto dell’ecosostenibilità sono molteplici, come ad esempio gli Acquisti Verdi (GPP – Green Public Procurement) che, come definiti in campo europeo, sono “un approccio in base al quale le Amministrazioni Pubbliche integrano i criteri ambientali in tutte le fasi del processo di acquisto, incoraggiando la diffusione di tecnologie ambientali e lo sviluppo di prodotti validi sotto il profilo ambientale, attraverso la ricerca e la scelta dei risultati e delle soluzioni che hanno il minore impatto possibile sull’ambiente lungo l’intero ciclo di vita”.

È evidente che in questo contesto storico, con riferimento alle pavimentazioni stradali, le tecnologie si sono sviluppate ed evolute in modo sostanziale verso soluzioni che migliorano il “Ciclo di Vita” (Life Cycle Assessment – LCA).

Grafene
1.

Le tecnologie più innovative permettono oggigiorno di:

  • aumentare la vita utile (sono stati introdotti i concetti inerenti all’incremento sino a 50 anni – “Pavimentazioni Perpetue”);
  • rigenerare e riutilizzare i conglomerati bituminosi derivanti dalla demolizione e dalla fresatura delle vecchie pavimentazioni (Economica Circolare);
  • ridurre i consumi energetici e le emissioni in ambiente.

A testimonianza di questa evoluzione in campo stradale, di seguito si riporta l’esperienza di Iterchimica Srl che ha portato alla formulazione di un prodotto innovativo contenente grafene e plastiche dure riciclate attraverso una tecno-selezione.

In questa prima parte trattiamo la parte teorica mentre la seconda (e ultima), che troverete online a partire da mercoledì 1° Aprile 2020, riguarderà l’applicazione.

La modifica PMA con metodo Dry dei CB

La composizione chimica del bitume è estremamente complessa e variabile in funzione sia del greggio sia dei processi di lavorazione.

In particolare, le raffinazioni sono sempre più spinte al recupero dei prodotti come benzine, gasoli, oli pesanti, ecc., comportando un constante impoverimento del bitume e delle relative prestazioni fisico-meccaniche.

Parallelamente, l’aumento dei volumi di traffico e dei carichi applicati alle pavimentazioni hanno richiesto un costante incremento delle prestazioni dei diversi materiali che compongono la sezione stradale.

Dal punto di vista dei conglomerati bituminosi, negli ultimi 40 anni si sono sempre più ricercate soluzioni che possano incrementare le prestazioni della vita utile attraverso la “modifica”.

I tentativi di modifica e la tipologia di modificanti sono stati innumerevoli come ad esempio neoprene (policloroprene), lattice naturale e sintetico, plastomeri di diversa natura, elastomeri termoplastici, ecc..

Ecosostenibilità
2. La struttura del grafene

Internazionalmente riconosciute, le tecnologie utilizzabili sono sostanzialmente due:

  • bitume modificato con polimeri (Polymer Modified Bitumen – PmB, Metodo Wet): definito secondo Norma UNI EN 12597 come legante bituminoso la cui reologia è modificata attraverso l’uso di uno o più polimeri organici. L’incremento prestazionale rispetto al bitume tal quale è garantito dall’inversione di fase che si ottiene tramite la lavorazione in un apposito impianto di modifica (metodo wet). Il bitume modificato con polimeri è successivamente utilizzato nella produzione dei conglomerati bituminosi;
  • modifica diretta dei CB (Polymer Modified Asphalt – PmA con Metodo Dry): l’incremento prestazionale è ottenuto tramite l’utilizzo di un compound polimerico durante la fase produttiva della miscela bituminosa. Ovvero, utilizzando del bitume tal quale, il polimero di modifica è immesso nel ciclo produttivo dopo gli aggregati e prima del bitume (metodo Dry).

Con riferimento alle modifiche Dry, negli ultimi 15 anni si sono formulati compound polimerici sempre più prestazionali. Le formulazioni appositamente studiate prevedono la miscelazione di polimeri di diversa natura, talvolta anche “drogando” il compound con altri materiali caratteristici, come ad esempio il “grafene”. 

Il grafene

Nota sin dal XVIII secolo, la grafite è un materiale stratificato la cui struttura è formata da atomi di carbonio tenuti insieme sullo stesso piano da legami covalenti, mentre i diversi strati sono legati dalle interazioni di Van der Walls.

Derivante dalla lavorazione della grafite e scoperto nel 1947 da P.R. Wallace e isolato nel 2004 da A. Geim e K. Novoselov (Premio Nobel per la Fisica nel 2010), il grafene è invece un monostrato di atomi di carbonio (2D, lo spessore corrisponde a quello dell’atomo) disposti in una struttura a nido d’ape.

Tale struttura ordinata conferisce elevate caratteristiche fisico-meccaniche ai prodotti e agli oggetti che lo contengono, permettendo così la conquista di diversi campi altamente tecnologici come l’elettronica, l’aeronautica, la medicina, l’astronautica, il tessile, lo sport, l’ambientale, ecc..

Le caratteristiche principali sono:

  • spessore di un atomo (106 volte più sottile di un capello umano, è il materiale più sottile conosciuto dall’uomo);
  • resistenza elevatissima (circa 200 volte quella dell’acciaio);
  • flessibilità elevatissima;
  • conduzione di calore e di elettricità eccellenti (migliori rispetto al rame);
  • assorbimento enorme della luce;
  • superficie specifica elevatissima (circa 1.300 m2/g, ma sino a 3.100 m2/g).

La grande sfida produttiva del grafene è stata quella di trovare un processo che permettesse di ottenere un prodotto finale di elevata qualità e purezza, per il raggiungimento delle massime prestazioni e per l’eliminazione di sostanze chimiche estranee.

Utilizzato per la produzione del supermodificante a base di grafene presentato di seguito, il grafene G+ (chiamato ITC1) è prodotto da Directa Plus ed è composto da nanoparticelle di grafene purissimo con caratteristiche morfologiche e strutturali ottimizzate. G+ è ottenuto attraverso un processo di produzione brevettato che utilizza una tecnica unica: Plasma Super Expansion.

A partire dalla grafite naturale, ogni fase del processo (espansione, esfoliazione ed essiccazione) crea nanoplatelets di grafene che possono essere poi utilizzati in polvere, fiocchi, pasta o disperse in liquido. Questa trasformazione fisica permette quindi di ottenere un prodotto:

  • altamente prestazionale;
  • composto da 100% grafene, esente da solventi o altre sostanze
  • chimiche, di qualità costante;
  • certificato non tossico e conforme ai requisiti REACH.
Iterchimica Srl
3. Il grafene ITC1 in fiocchi

Compound polimerici supermodificanti a base di grafene per conglomerati bituminosi

In conformità ai concetti di riciclaggio e “Perpetual Pavement”, il settore R&D di Iterchimica Srl si è occupato degli ultimi cinque anni tra le altre cose anche dell’evoluzione prestazionale dei compound polimerici per la modifica Dry dei conglomerati bituminosi, valutando l’intero arco di vita utile (LCA) delle pavimentazioni e perseguendo gli obiettivi di:

  • ecosostenibilità;
  • produzioni ad alta efficienza;
  • riduzione dei consumi energetici;
  • recupero di materiali;
  • modifiche versatili con tecnologia tipo Dry per la produzione dei CB;
  • utilizzo di grafene, per incrementare le prestazioni rispetto ai tradizionali compound polimerici.

Chiamato commercialmente Gipave®, il supermodificante a base di grafene è prodotto tramite un sistema innovativo ad alta efficienza e sostenibilità. La ricerca è inserita nell’ambito del Progetto Ecopave 2014-2020, finanziato da Regione Lombardia, ed è stata svolta in collaborazione con l’Università degli Studi di Milano-Bicocca (studio della Life Cycle Assessment – LCA), Directa Plus (produzione del grafene) e G.Eco (recupero e selezione delle plastiche dure).

Il nuovo prodotto è composto da specifici polimeri e grafene al fine di migliorare notevolmente le prestazioni fisico-meccaniche delle pavimentazioni, sia rispetto alla tradizionale tecnologia PMB sia rispetto alle tecnologie PMA con metodo Dry attualmente in uso. Il supermodificante si presenta in granuli di diametro medio pari a 1,0÷4,0 mm di colore grigio-nero ed è composto da:

  • plastiche di recupero selezionate: derivanti dal recupero di oggetti composti principalmente da “plastica dura” (ad esempio giocattoli, bidoni, cassette, tubi, tavoli e sedie, ecc.), sono industrialmente trattate secondo un processo brevettato che comprende anche la tecno-selezione in funzione delle specifiche caratteristiche fisico-chimiche (non tutte le plastiche dure possono essere utilizzate, ma solo una quota parte). Le plastiche dure tecno-selezionate sono pertanto tolte dal circuito tradizionale che ne prevederebbe lo smaltimento in termovalorizzatori;
  • base funzionale: è composta da additivi di diversa natura che sono una quota parte del supermodificante. La composizione fisico-chimica è coperta da segreto industriale;
  • grafene: quello utilizzato è il G+ (chiamato ITC1) ed è composto da nanoparticelle di grafene purissimo (si veda capitolo precedente).

L’innovazione è brevettata ed ecosostenibile

Visto il carattere innovativo di questo prodotto, si sono ottenuti diversi brevetti che ne comprovano l’unicità. In particolare, i brevetti riguardano:

  1. metodo produttivo del grafene: permette di ottenere una purezza totale (detenuto da Directa Plus, si veda capitolo relativo);
  2. formulazione del Gipave®: coperta da segreto industriale è stata messa a punto per la prima volta al mondo dal settore R&D di Iterchimica (si veda capitolo precedente);
  3. processo di recupero delle plastiche dure: consiste nella tecno-selezione delle plastiche dure e riutilizzo nella produzione del compound polimerico supermodificante, evitandone lo smaltimento al termovalorizzatore.
laboratorio
4. Alcune macchine del laboratorio tecnologico di Iterchimica Srl

Dal punto di vista della riduzione degli impatti ambientali è importante evidenziare che:

  • la formulazione prevede l’uso di grafene prodotto senza solventi o altri prodotti chimici (produzione con plasma);
  • la tecno-selezione permette il riciclaggio di plastiche dure normalmente ritenute non recuperabili e riutilizzabili, evitandone la termovalorizzazione;
  • il processo produttivo del supermodificante è a minori consumi energetici, limitando emissioni in ambiente;
  • i conglomerati bituminosi modificati con la tecnologia in oggetto hanno elevata vita utile (Perpetual Pavement), riducendo l’utilizzo di materie prime non rinnovabili e diminuendo la manutenzione stradale nel tempo;
  • i materiali derivanti dalla demolizione di pavimentazioni contenenti il supermodificante a base di grafene sono riutilizzabili come un qualsiasi altro conglomerato bituminoso;
  • la Life Cycle Assessment risulta estremamente positiva rispetto ai metodi produttivi dei CB sino ad ora utilizzati.

La seconda parte dell’articolo è su https://www.stradeeautostrade.it/asfalti-e-bitumi/supermodificanti-a-base-di-grafene-per-ecosostenibilita-e-pavimentazioni-perpetue-seconda-parte/.

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