Advances in life cycle assessment of plastics with mineral fillers in packaging applications

A la portada: UNESCO Chair in Life Cycle and Climate Change ESCI-UPFPremi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit d’Enginyeria Civil i AmbientalMineral masterbatches, in other words mineral fillers, are concentrates of calcium carbonate or talc in a polymer base. In addition to their optimal cost, their use improves mechanical properties of materials and reduce energy consumption during the processing. Finally, their use may help to reduce the carbon footprint of the final product, since they include (at some percentages) naturally existing minerals (calcium carbonate and talc) instead of virgin petrochemicals. Due to the increasing environmental pollution that the world is recently facing, concerns over using plastic have also increased. Plastic packaging, origin of 30% of the total annual plastic production, is one of the major areas which requires special attention. Therefore, the main focus of this thesis is the environmental assessment of the use of masterbatches, with calcium carbonate and talc, in different plastic packaging applications by using life cycle assessment (LCA) methodology, as being the commonly accepted tool in estimating the potential environmental impacts of products or systems. While doing this, it is also aimed to provide advancements in the LCA methodology of plastic compound materials. In this thesis, through a collaboration with a producer of mineral masterbatches, different studies were performed based on real market cases. The outcomes of this thesis are: i) a deep and extended literature review on environmental impacts of functional fillers (including masterbatches) used in the industry; ii) two LCA case studies (“plastic compound vs eucalyptus wood storage sheets” and “virgin polyethylene (PE) vs eco-designed cosmetic tubes with mineral fillers and recycled content”), in which the use of plastics with mineral fillers is compared to virgin plastic alternatives; iii) introduction of methods, within the inventory phase, to calculate the quality loss (also known as Qs/Qp factors) of compound materials in open-loop and closed-loop recycling; and iv) introduction of a littering indicator, within the impact assessment phase, which estimates the probability of a supermarket bag contributing to the littering problem (in land and marine environments).Els masterbatch minerals, en altres paraules, les càrregues minerals, són concentrats de carbonat de calci o talc en una base de polímer. A més dels seus avantatges econòmics, el seu ús millora les propietats mecàniques dels materials i redueix el consum d'energia durant la seva fabricació. Finalment, la seva utilització com a matèria primera per a la fabricació de productes pot ajudar a reduir la petjada de carboni dels mateixos. Això és així perquè inclouen (en diferents percentatges) minerals naturals (carbonat de calci i talc) en lloc de petroquímics verges. A causa de la creixent contaminació ambiental a la qual el món s'enfronta recentment, també ha augmentat la preocupació per l'ús del plàstic. L'envàs de plàstic, origen del 30% de la producció total anual de plàstic, és una de les àrees principals que requereix atenció especial. Per tant, l'enfocament principal d'aquesta tesi és l'avaluació ambiental de l'ús de masterbatch, amb carbonat de calci i talc, en diferents aplicacions d'envasos de plàstic mitjançant l'ús de la metodologia d'avaluació del cicle de vida (ACV). Aquesta eina és comunament acceptada per estimar els impactes ambientals de productes o sistemes. A part de l'avaluació mediambiental, també es té com a objectiu proporcionar avenços en la metodologia de l'ACV de materials compostos de plàstic. En aquesta tesi, a través d'una col·laboració amb un productor de masterbatch minerals, es van realitzar diferents estudis de cas reals de mercat. Els resultats d'aquesta tesi són: i) una revisió bibliogràfica profunda i extensa sobre els impactes ambientals de les càrregues funcionals (incloent masterbatch) utilitzats en la indústria; iii) dos estudis de cas d'ACV ("làmines d'emmagatzematge de plàstic contra de fusta d'eucaliptus" i "tubs de cosmètics de polietilè (PE) verge versus de disseny ecològic amb càrregues minerals i contingut reciclat"), en els quals l'ús de plàstics amb càrregues minerals es compara amb l’ús alternatiu de plàstics verges; iii) la introducció de mètodes, dins de la fase d'inventari, per a calcular la pèrdua de qualitat (també coneguda com a factors Qs / Qp) dels materials compostos en cicles obert i tancat de reciclatge; i iv) introducció d'un indicador d'escombraries en ambients terrestre i marí, dins de la fase d'avaluació d'impacte, que estima la probabilitat que una bossa de supermercat contribueixi a aquesta problema.Los masterbatches minerales, en otras palabras, las cargas minerales, son concentrados de carbonato de calcio o talco en una base de polímero. Además de sus ventajas económicas, su uso mejora las propiedades mecánicas de los materiales y reduce el consumo de energía durante su fabricación. Finalmente, su utilización como materia prima para la fabricación de productos puede ayudar a reducir la huella de carbono de los mismos. Esto es así porque incluyen (en algunos porcentajes) minerales naturales (carbonato de calcio y talco) en lugar de petroquímicos vírgenes. Debido a la creciente contaminación ambiental a la que el mundo se enfrenta recientemente, también ha aumentado la preocupación por el uso del plástico. El envase de plástico, origen del 30% de la producción total anual de plástico, es una de las áreas principales que requiere atención especial. Por lo tanto, el enfoque principal de esta tesis es la evaluación ambiental del uso de masterbatches, con carbonato de calcio y talco, en diferentes aplicaciones de envases de plástico mediante el uso de la metodología de evaluación del ciclo de vida (ACV). Esta herramienta es comúnmente aceptada para estimar los impactos ambientales potenciales de productos o sistemas. A parte de la evaluación medioambiental, también se tiene como objetivo proporcionar avances en la metodología del ACV de materiales compuestos de plástico. En esta tesis, a través de una colaboración con un productor de masterbatches minerales, se realizaron diferentes estudios casos reales de mercado. Los resultados de esta tesis son: i) una revisión bibliográfica profunda y extensa sobre los impactos ambientales de los cargas funcionales (incluyendo masterbatches) utilizados en la industria; iii) dos estudios de caso de ACV ("láminas de almacenamiento de plástico contra de madera de eucalipto" y "tubos de cosméticos de polietileno (PE) virgen versus de diseño ecológico con cargas minerales y contenido reciclado"), en los cuales el uso de plásticos con cargas minerales se compara conel uso alternativo de plásticos virgenes; iii) la introducción de métodos, dentro de la fase de inventario, para calcular la pérdida de calidad (también conocida como factores Qs / Qp) de los materiales compuestos en ciclos abierto y cerrado de reciclaje; y iv) introducción de un indicador de basura en ambientes terrestre y marino, dentro de la fase de evaluación de impacto, que estima la probabilidad de que una bolsa de supermercado contribuya a esa problema.Postprint (published version