Manufacturing and recycling of polyolefins and biopolymers in a circular economy model. Mechanical, thermal and morphological characterization of polymers and high-performance films

(English) On April 29th, 2015, the EU enacted Directive 2015/720, aimed at reducing plastic consumption, promoting the use of reusable bags and encouraging the replacement of single-use plastic bags with biodegradable alternatives. This European legislation was transposed into Spanish law by Royal Decree 293/2018, dated May 18th. This legislation and its accompanying regulations have significantly impacted the transformation sector, forcing it to reinvent itself to continue its activities. This work aims to provide answers to the challenges faced by manufacturers due to this new context, as well as address the needs resulting from it. Distinctive features of this project are its practical nature and industrial scale. A primary objective is to establish the processability and quality windows for recycled post-industrial and post-consumer materials, ensuring the production of a final product with predefined quality standards. The study examines three types of polyethylene: virgin, post-industrial, and post-consumer. Each type undergoes a combined cycle simulating an industrial recycling process, with post-industrial material being processed up to twelve times and post-consumer material up to four times. This methodology of cyclic processing supports the principle of circularity in sample characterization. For each cycle, involving extrusion and recycling, the study examines micro and macroscopic changes, analyzing morphological and structural changes (using DSC, TGA, GPC, and FTIR techniques) and the evolution of mechanical properties (tensile strength, elongation at break, tear resistance, impact resistance (dart test), and colorimetric changes). At the microstructural level, two types of crystalline structures are observed, and they evolve differently through the processing cycles due to the thermo-oxidative degradation phenomena that occur along the process. The changes include a reduction in crystallinity due to the breakdown of more linear and less branched chains, and an increase in cross-linking among more branched structures. These microstructural changes affect post-industrial and post-consumer recycled polyethylene differently. Macroscopically, tear resistance is the most critical property affected during the recycling cycles, decreasing by up to 40% from the initial value and potentially becoming the main limitation for the successive reuse of these polymers. In line with the previously mentioned regulations, biodegradable polymers are another focus of interest. The study examines biodegradable compostable polymers used to manufacture single-use bags. A secondary objective is to determine how long these biodegradable polymers retain their usability properties under standard storage conditions, analyzing the samples over twelve consecutive months. Macroscopically, a progressive loss in tensile, elongation, and impact properties is the most significant phenomenon. Microscopically, two degradation mechanisms—hydrolysis and thermo-oxidation—are observed, both occurring in the amorphous phase of the material. The study concludes that the tested bags have a shelf life of over twelve months under standard storage conditions. (Català) El 29 d'abril del 2015, la UE va promulgar la Directiva 2015/720 per tal de fomentar la reducció del consum de plàstic, promoure l'ús de bosses reutilitzables i impulsar la substitució de les bosses de plàstic d'un sol ús per altres biodegradables. Aquesta legislació europea es va traslladar a nivell nacional al Reial Decret 293/2018 de 18 de maig, sobre reducció del consum de bosses de plàstic. Totes aquestes legislacions i les reglamentacions derivades tenen un fort impacte sobre el sector de transformació, que ha estat obligat a reinventar-se per continuar la seva activitat. Aquest treball pretén aportar respostes als reptes a què s'enfronten els transformadors davant de les noves regulacions, així com a les necessitats que els provoca. El caràcter pràctic del projecte i l'escala industrial en què s'ha desenvolupat són les senyes principals d'identitat. Un primer objectiu consisteix a establir les finestres de processabilitat i qualitat del material reciclat postindustrial i postconsum per obtenir un producte final amb una qualitat prefixada. Per a aquest estudi s'ha partit de tres conjunts de polietilens: verge, postindustrial i postconsum. Cadascú s'ha sotmès a un cicle de processament que s'ha iterat fins a dotze vegades en el cas del material postindustrial i quatre vegades en el cas del material postconsum. Reproduir l'esquema de circularitat al llarg del cicle de vida de les borses és el principi que sosté la metodologia de cicles utilitzada per obtenir les mostres a caracteritzar. Per a cadascun dels cicles, consistents en una extrusió i un reciclatge, s'ha estudiat l'evolució a nivell micro i macroscòpic que es produeix, analitzant els canvis morfològics, estructurals (mitjançant les tècniques de DSC, TGA, GPC i FTIR) i la evolució en les propietats mecàniques (resistència a la tracció i elongació a la ruptura, esquinçada, impacte (dart test) i evolució colorimètrica). A nivell microestructural, s'han observat dos tipus d'estructures cristal·lines que evolucionen de manera diferent al llarg dels cicles a causa dels fenòmens de degradació termooxidativa a què es veuen sotmeses. Els canvis microestructurals són complexos, s'observa una tendència a la disminució dels nivells de cristal·linitat a causa del trencament de les cadenes amb una estructura més lineal i menor ramificació, així com una tendència a l'entrecreuament de les estructures més ramificades. Aquests canvis afecten de forma diferent al polietilè reciclat postindustrial i postconsum. A nivell macroscòpic, des del punt de vista mecànic, la propietat més crítica a mesura que transcorren els cicles de reciclatge és l'esquinçada, que arriba fins a una disminució del 40% del valor de partida i pot ser considerada com el limitant principal a la successiva reutilització dels polímers considerats. Seguint les prescripcions de les normatives esmentades anteriorment, els polímers biodegradables, amb què es fabriquen les bosses d'un sol ús, constitueixen un segon focus d'interès. A l'estudi s'estableix el temps en què les borses mantenen les propietats d'usabilitat en condicions d'emmagatzematge estàndard. Per això, es van analitzar mostres durant dotze mesos consecutius. A nivell macroscòpic, el fenomen més significatiu va ser una pèrdua progressiva a les propietats de tracció, elongació i impacte. A nivell micro, dos mecanismes de degradació es van trobar i van presentar una evolució al llarg del temps estudiat, sent el primer la hidròlisi i el segon la termooxidació del material, que van tenir lloc en la fase amorfa. L'estudi conclou que les borses assajades tenen una vida útil, en condicions d'estocatge estàndard, de més de dotze mesos. (Español) El 29 de abril de 2015, la UE promulgó la Directiva 2015/720 con el fin de fomentar la reducción del consumo de plástico, promover el uso de bolsas reutilizables e impulsar la sustitución de las bolsas de plástico de un solo uso por otras biodegradables. Esta legislación europea se traspuso a nivel nacional en el Real Decreto 293/2018 de 18 de mayo, sobre reducción del consumo de bolsas de plástico. Todas estas legislaciones y las reglamentaciones derivadas tienen un fuerte impacto sobre el sector de transformación, que se ha visto obligado a reinventarse para continuar su actividad. Este trabajo pretende aportar respuestas a los retos a los que se enfrentan los transformadores frente a las nuevas regulaciones, así como a las necesidades que les provoca. El carácter práctico del proyecto y la escala industrial en la que se ha desarrollado, son sus señas de identidad principales. Un primer objetivo consiste en establecer las ventanas de procesabilidad y calidad del material reciclado posindustrial y posconsumo para la obtención de un producto final con una calidad prefijada. Para este estudio se ha partido de tres conjuntos de polietilenos: virgen, posindustrial y posconsumo. Cada uno de ellos se ha sometido a un ciclo de procesado que se ha iterado hasta doce veces en el caso del material posindustrial y cuatro veces en el caso del material posconsumo. Reproducir el esquema de circularidad a lo largo del ciclo de vida de las bolsas es el principio que sostiene la metodología de ciclos utilizada para la obtención de las muestras a caracterizar. Para cada uno de los ciclos, consistentes en una extrusión y un reciclado, se ha estudiado la evolución a nivel micro y macroscópico que se produce, analizando los cambios morfológicos, estructurales (mediate las técnicas de DSC, TGA, GPC y FTIR) y la evolución en las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción y elongación a la ruptura, rasgado, impacto (dart test) y evolución colorimétrica). A nivel microestructural, se han observado dos tipos de estructuras cristalinas que evolucionan de manera diferente a lo largo de los ciclos debido a los fenómenos de degradación termo-oxidativa a los que se ven sometidas. Los cambios microestructurales son complejos, se observa una tendencia a la disminución en los niveles de cristalinidad debido a la rotura de las cadenas con una estructura más lineal y menor ramificación, así como una tendencia al entrecruzamiento de las estructuras más ramificadas. Estos cambios afectan de forma distinta al polietileno reciclado posindustrial y posconsumo. A nivel macroscópico, desde el punto de vista mecánico, la propiedad más crítica a medida que transcurren los ciclos de reciclado es el rasgado, que llega hasta una disminución del 40% del valor de partida y puede ser considerada como el limitante principal en la sucesiva reutilización de los polímeros considerados. Siguiendo las prescripciones de las normativas citadas anteriormente, los polímeros biodegradables, con los que se fabrican las bolsas de un solo