Fondi di Caffè e Tè: Da Scarti a Super-Materiali per Polimeri Sostenibili!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona tantissimo: come trasformare quelli che consideriamo semplici scarti in risorse preziose. Pensate a quanti fondi di caffè e bustine di tè usate buttiamo via ogni giorno… E se vi dicessi che potrebbero diventare i protagonisti di una piccola rivoluzione nel mondo dei materiali? Sì, avete capito bene! Stiamo parlando di usarli come biofiller, cioè come “riempitivi” biologici ed ecologici per creare nuovi materiali compositi polimerici. Un’idea fantastica, perfettamente in linea con i principi dell’economia circolare e un bel passo avanti per ridurre il nostro impatto ambientale.

Nel mio ultimo progetto, mi sono concentrato proprio su questo: ho preso i fondi di caffè (CG – Coffee Grounds) e i residui di tè nero (BTG – Black Tea Grounds), due dei sottoprodotti più comuni dell’industria alimentare, e ho provato a usarli come riempitivi e persino come pigmenti naturali per un tipo specifico di polimero, l’etilene-norbornene (EN).

Un Problema di ‘Simpatia’ tra Materiali

Ora, la sfida principale quando si cerca di mescolare questi scarti naturali con i polimeri è la loro diversa “personalità”. Immaginate i fondi di caffè e tè come amanti dell’acqua (idrofili), mentre la maggior parte dei polimeri, come il nostro EN, sono più tipi da “olio” (idrofobici). Come l’acqua e l’olio, non si mescolano volentieri. Questa scarsa compatibilità porta a una dispersione non uniforme delle particelle di scarto nella matrice polimerica, un po’ come grumi di farina in una torta venuta male. Il risultato? Le proprietà meccaniche del materiale finale ne risentono, e non in positivo. Diversi studi, infatti, hanno mostrato che superando una certa quantità di questi biofiller (ad esempio, più del 5% in peso), la resistenza e l’elasticità del composito diminuiscono significativamente.

La Soluzione High-Tech: Il Trattamento al Silano

E qui entra in gioco la nostra “bacchetta magica”: un trattamento chimico chiamato silanizzazione. Ho deciso di trattare le polveri di caffè e tè con un composto specifico, il (3-amminopropil)trietossisilano (APTS). Lo so, il nome è un po’ complicato, ma pensatelo come un “agente di pace”, un ponte molecolare che aiuta i nostri scarti idrofili a legare meglio con la matrice polimerica idrofobica. L’idea era di vedere se questo trattamento potesse migliorare la dispersione dei biofiller, le caratteristiche del colore, le proprietà meccaniche e, soprattutto, la resistenza all’invecchiamento UV dei compositi polimerici. L’esposizione prolungata ai raggi UV, infatti, è uno dei principali nemici dei materiali polimerici all’aperto.

Per verificare l’efficacia del trattamento, ho preparato diverse miscele: il polimero EN puro, l’EN con fondi di caffè non trattati (EN/CG), l’EN con tè nero non trattato (EN/BTG), l’EN con caffè trattato (EN/CG-APTS) e l’EN con tè trattato (EN/BTG-APTS). Tutti i biofiller sono stati aggiunti in una concentrazione del 5% in peso. Poi, abbiamo messo alla prova questi materiali esponendoli a cicli di invecchiamento UV accelerato per 50, 100, 200 e 300 ore.

Cosa Abbiamo Scoperto? L’Analisi dei Risultati

I risultati sono stati davvero incoraggianti! Abbiamo usato diverse tecniche per capire cosa stesse succedendo:

• Spettroscopia FTIR: Per vedere i cambiamenti chimici sulla superficie del polimero dovuti all’ossidazione causata dai raggi UV (abbiamo misurato l’indice carbonilico, CI).
• Test di Trazione: Per misurare come cambiavano la resistenza e l’allungamento dei materiali prima e dopo l’invecchiamento.
• Analisi Termogravimetrica (TGA): Per valutare la stabilità al calore dei biofiller prima e dopo il trattamento.
• Microscopia Elettronica a Scansione (SEM): Per osservare da vicino la forma delle particelle di scarto e come si disperdevano nel polimero.
• Metodo Spettrofotometrico: Per misurare i cambiamenti di colore (ΔE) dovuti all’invecchiamento.

Prima di tutto, abbiamo notato che il trattamento con silano (APTS) ha funzionato! Le analisi SEM hanno mostrato che le particelle di caffè e tè trattate avevano superfici leggermente diverse, più “lisce” e compatte, specialmente nel caso del tè, suggerendo che il silano si era legato efficacemente. Questo è importante perché il tè nero, ricco di composti polifenolici e lignina, offre più “appigli” (gruppi ossidrilici -OH) per il silano rispetto al caffè, che contiene più oli residui.

La TGA ha confermato che il trattamento ha migliorato la stabilità termica dei biofiller. Ad esempio, il tè trattato (BTG-APTS) ha mostrato un inizio della decomposizione a temperature significativamente più alte rispetto al tè non trattato. Questo è un vantaggio non da poco se pensiamo alle temperature che i materiali possono raggiungere durante la lavorazione o l’uso.

Ma la vera magia l’abbiamo vista nei compositi finali. Visivamente, i campioni con i biofiller trattati (EN/CG-APTS e EN/BTG-APTS) apparivano molto più omogenei, con un colore marrone uniforme e meno agglomerati visibili rispetto a quelli con i filler non trattati. La silanizzazione aveva chiaramente migliorato la dispersione!

E l’invecchiamento UV? Qui i risultati sono stati ancora più netti. Tutti i campioni, esposti ai raggi UV, hanno mostrato segni di degrado, come un aumento dell’indice carbonilico (CI) misurato con FTIR, che indica ossidazione superficiale. Tuttavia, i compositi contenenti i biofiller, sia trattati che non, si sono comportati molto meglio del polimero EN puro. In particolare, il campione EN/CG-APTS (caffè trattato) ha mostrato l’aumento di CI più basso in assoluto, rimanendo quasi invariato per tutte le 300 ore! Questo suggerisce che i composti antiossidanti presenti naturalmente nel caffè e nel tè (come polifenoli, flavonoidi, catechine, identificati anche tramite analisi LC-MS/MS nei nostri estratti) aiutano a proteggere il polimero, e che una migliore dispersione grazie al silano potenzia questo effetto.

Anche le proprietà meccaniche hanno seguito un andamento simile. Sebbene l’aggiunta dei biofiller non trattati inizialmente riducesse un po’ la resistenza alla trazione (soprattutto con il caffè, forse per la sua struttura più irregolare), durante l’invecchiamento UV questi compositi hanno mantenuto le loro prestazioni molto meglio dell’EN puro. Il campione EN/CG-APTS (caffè trattato) è risultato il migliore in termini di mantenimento delle proprietà meccaniche dopo 300 ore di UV, mostrando il più alto “fattore di invecchiamento” (AF).

Infine, il colore. L’invecchiamento UV tende a scolorire o ingiallire i polimeri. Anche qui, i biofiller hanno aiutato. Il campione EN/BTG-APTS (tè trattato) è stato quello che ha mostrato il minor cambiamento di colore (ΔE più basso) dopo 300 ore. Sembra che i pigmenti del tè nero, specialmente se ben dispersi grazie al silano, siano più stabili ai raggi UV rispetto a quelli del caffè. Inoltre, il silano stesso, contenendo gruppi amminici, potrebbe agire come uno “spazzino” di radicali liberi, contribuendo ulteriormente alla stabilità.

Perché è Importante? Verso un Futuro più Sostenibile

Quindi, cosa significa tutto questo? Significa che abbiamo dimostrato che è possibile prendere scarti comuni come i fondi di caffè e tè, trattarli con un metodo relativamente semplice come la silanizzazione, e usarli per creare materiali polimerici non solo più sostenibili ed economici, ma anche con migliori prestazioni in termini di resistenza all’invecchiamento UV e stabilità del colore.

Migliorare la compatibilità tra questi biofiller e la matrice polimerica apre davvero le porte a un loro utilizzo più ampio nella tecnologia dei materiali polimerici. Immaginate imballaggi, oggetti di design, componenti per esterni realizzati in parte con questi scarti valorizzati! È un esempio perfetto di come la ricerca possa trovare soluzioni innovative per trasformare un problema (i rifiuti) in un’opportunità, contribuendo a un futuro più verde e circolare. Certo, ci sono ancora sfide da affrontare per ottimizzare il processo e le prestazioni, ma la strada intrapresa è decisamente promettente! Non trovate sia affascinante?

Fonte: Springer