BR102018075225A2 - Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável compreendendo lignina, uso da referida composição e produto que a compreende - Google Patents
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Abstract
a presente invenção se refere a uma composição termoplástica biodegradável e/ou compostável compreendendo lignina, polímeros rígidos e polímeros flexíveis para produção de peças rígidas, bem como ao uso da referida composição. também é revelado um produto compreendendo a composição termoplástica biodegradável e/ou compostável.
Description
COMPOSIÇÃO TERMOPLÁSTICA BIODEGRADÁVEL E/OU COMPOSTÁVEL COMPREENDENDO LIGNINA, USO DA REFERIDA COMPOSIÇÃO E
PRODUTO QUE A COMPREENDE
CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção se refere a uma composição termoplástica biodegradável e/ou compostável compreendendo lignina, polímeros rígidos e polímeros flexíveis para produção de peças rígidas, bem como ao uso da referida composição.
[002] Também é revelado um produto compreendendo a composição termoplástica biodegradável e/ou compostável.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[003] A demanda por sustentabilidade ambiental e, consequentemente, por materiais de fontes renováveis e/ou biodegradáveis tem aumentado em um nível bastante significativo nos últimos anos.
[004] Dentro desse contexto, os biopolímeros oferecem uma resposta interessante para manter um desenvolvimento sustentável em termos ecológicos, uma vez que eles podem proporcionar a preservação de matériasprimas à base fóssil, a redução do volume de lixo com a compostabilidade no ciclo natural, bem como a proteção do clima através da redução do dióxido de carbono liberado. Entretanto, mesmo diante de tantos benefícios ambientais, os biopolímeros ainda sofrem para transpor algumas barreiras econômicas e técnicas.
[005] Embora venham enfrentando tais desafios, a capacidade mundial da indústria de bioplásticos foi projetada pelo Institute for Bioplastics and Biocomposites (IfBB) para atingir cerca de 9,4 milhões de ton/ano em 2020 conforme relatório de 2016 do IfBB, intitulado “Biopolymers: facts and statistics, Hochschule Hannover, University of Applied Sciences and Arts -, o que
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2/20 traduz uma expectativa de aumento muito significativo em 5 anos, haja vista a produção de 2015 que ficou em aproximadamente 2,0 milhões de toneladas. É válido ainda destacar que cerca de 64% desse montante era compreendido por materiais advindos de fontes renováveis, porém não biodegradáveis, e a tendência segue em aumento nesse percentual para 82% em 2020.
[006] Esse cenário retrata a ocorrência de caminhos mais abertos a biopolímeros que usam da mesma rede já pré-existente de infraestrutura dos convencionais, como é o caso do Bio-PET e do Bio-PE, por exemplo. Os biodegradáveis, por sua vez, enfrentam grandes desafios para transpassar entraves econômicas, já que necessitam de equipamentos e estruturas diferenciadas, o que acaba por exigir investimentos extras dificultando o alcance de viabilidade financeira.
[007] Inserida na parcela já estruturada, tem-se como grande oportunidade de fornecimento de matérias-primas renováveis a taxas economicamente viáveis, a indústria de papel e celulose. Isto está alinhado às discussões, desenvolvimentos e lançamentos de biorrefinarias e à integração dos processos de conversão de biomassa para produzir energia, biocombustíveis, biomateriais e químicos de alto valor agregado. É perceptível a transformação que vem ocorrendo de indústrias de papel e celulose para companhias de base florestal, que vislumbram agregar o máximo de valor a suas florestas aproveitando oportunidades surgidas por pressões ambientais e necessidades de mudanças de mercados.
[008] Exemplo dessa transformação é o caso da lignina, a qual é um dos componentes da biomassa e, no passado, era essencialmente tratada como um subproduto obtido durante a extração da celulose, sendo queimada para geração de energia nas indústrias de papel e celulose. Atualmente, a lignina vem sendo valorizada, recuperada e convertida em produtos com grande potencial
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3/20 de substituição de matérias-primas advindas de fonte fóssil, ou até mesmo em produtos que adentram em novos cenários e aplicações.
[009] A capacidade ao redor do mundo de produção de lignina é estimada em 50 milhões de toneladas/ano, embora ainda aproximadamente 98% desse montante seja queimado imediatamente para geração de calor e energia que alimentam as indústrias de papel e celulose. No entanto, conforme mencionado, esse cenário vem sofrendo mudanças. A quantidade de lignina isolada e comercializada foi de 1,1 milhão de tonelada em 2014. Já o mercado global de lignina atingiu um valor de aproximadamente US$ 775 milhões nesse mesmo ano e a expectativa é de chegar ao redor de US$ 900 milhões em 2020, com a evolução de mercado e com novos entrantes no mesmo, o que corresponde a um crescimento na casa de 2,5% em 5 anos (“Polymer/Lignin blends: Interactions, properties, applications, Kun, Dávid & Pukánszky, Béla, European Polymer Journal, 2017 e “Lignin Market (Lignosulfonates, Kraft Lignin and Others) for Concrete Additive, Animal Feed, Dye Stuff, and Other Applications: Global Industry Perspective, Comprehensive Analysis and Forecast 2014-2020, Zion Research, Market Research Store, Deerfield Beach, 2015).
[010] A lignina é a maior fonte de aromáticos presente na natureza e, portanto, uma enorme oportunidade de material renovável. Em relação a teores tem-se que as gramíneas contêm de 17 a 24%, em massa, de lignina, as madeiras denominadas moles (softwood) apresentam de 18 a 25%, em massa, de lignina e as madeiras duras (hardwood) de 27 a 33%, em massa, de lignina (“ Polymer/Lignin blends: Interactions, properties, applications ”, Kun, Dávid & Pukánszky, Béla, European Polymer Journal, 2017, e “Lignin and Lignans as Renewable Raw Materials: Chemistry, Technology and Applications ”, F.G. CalvoFlores et al., Wiley, Hoboken, 2015).
[011] Ademais, há uma necessidade atual pelo desenvolvimento de
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4/20 soluções sustentáveis não só ambientalmente, mas também em termos técnicos e econômicos, para o cenário de produtos plásticos rígidos, usando para tal materiais biodegradáveis e, preferivelmente, de fontes renováveis.
[012] Atualmente, muitos dos plásticos verdes não são biodegradáveis, apesar de serem produzidos a partir de intermediários químicos provenientes de rotas bioquímicas e/ou advindos de fontes renováveis, de forma que o impacto do produto final, quando descartado, é o mesmo do que um material baseado em petróleo. O desafio atual é a busca por materiais que sejam biodegradáveis e ainda garantam boa trabalhabilidade ao produto final.
[013] Existe uma complexidade atrelada à biodegradação, uma vez que as estruturas químicas dos polímeros que apresentam essa característica são bem distintas das poliolefinas convencionais. Os polímeros biodegradáveis são mais susceptíveis a processos degradativos e mais difíceis de serem trabalhados.
[014] Além do desafio técnico, os polímeros biodegradáveis possuem um custo bastante elevado tendo, normalmente, cerca de pelo menos três vezes o preço dos polímeros convencionais. Assim sendo, para que se atinja uma viabilidade técnica e econômica, faz-se necessária a incorporação de elevados teores de lignina, tendo em vista seu baixo custo. Entretanto, apesar da incorporação de elevados teores de lignina diminuir o custo da composição/mistura que se deseja obter, leva ao aumento da complexidade desta, principalmente quando se trata de aplicações em peças rígidas. Justificativa para tal é o fato da lignina ser rígida no estado sólido, porém não apresentar resistência no estado fundido suficiente para bons processamentos de transformações plásticas em peças finais, como injeção, por exemplo.
[015] Diante disso, faz-se necessária a inclusão de um componente que apresente resistência no estado fundido (componente rígido). No entanto, quando este componente rígido é adicionado, as propriedades finais da peça são
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5/20 de elevadíssima rigidez e fragilidade, não sendo amplamente aplicável e viável em termos técnicos, de modo que faz-se necessário incluir um outro componente que proporcione a devida ductilidade e resistência ao impacto no estado sólido (componente flexível). Todavia, este último componente flexível, por sua vez, traz ainda mais complexidade para o estado fundido, posto que são componentes de características antagônicas.
[016] Assim, há uma necessidade por composições com elevados teores de lignina compreendendo ambos componentes rígido e flexível, as quais superem os desafios técnicos mencionados, para que se obtenha produtos com boas características em processo e propriedades finais.
[017] Nesse contexto, existem documentos no estado da técnica que revelam composições contendo lignina e outros componentes, como polímeros. Todavia eles não superam os desafios técnicos, ambientais e econômicos encontrados na atualidade.
[018] O documento intitulado “Biobased Ternary Blends of Lignin, Poly(Lactic Acid), and Poly(Butylene Adipate-co-Terephthalate): The Effect of Lignin Heterogeneity on Blend Morphology and Compatibility, Chen et al., descreve misturas de ligninas com poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT) e poli(ácido láctico) (PLA). O documento trata do fracionamento da lignina e o efeito de diferentes frações da lignina na compatibilidade e dispersão em composições de PBAT e PLA. Contudo não revela como balancear as propriedades dos componentes individuais para obter peças com elevada rigidez.
[019] O documento intitulado “Thermo-mechanical characterization of bioblends from polylactide and poly(butylene adipate-co-terephthalate) and lignin, Abdelwahab et al., descreve o efeito da incorporação de uma lignina Organosolv e um extensor de cadeia na compatibilidade entre poli(ácido láctico)
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6/20 (PLA) e poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT). Este documento avalia o uso da lignina em conjunto com um extensor de cadeia. Esse processo reacional altera a estrutura do produto, tornando-o bem diferente da composição da presente invenção, que compreende somente a incorporação da lignina, sem envolvimento de nenhum processo de reação.
[020] O documento intitulado “Ionic liquids-lignin combination: an innovative way to improve mechanical behaviour and water vapour permeability of eco-designed biodegradable polymer blends ”, Livi et al., apresenta um estudo de propriedades de misturas de polímeros biodegradáveis com o uso de lignina combinado com líquidos iônicos. Apesar do documento mencionar propriedades da mistura entre lignina, PBAT e PLA, o foco do estudo é analisar a influência dos líquidos iônicos, usados como agentes de compatibilização, em misturas de polímeros biodegradáveis reforçadas com um recurso renovável, como a lignina. Além disso, as amostras analisadas não apresentam altos teores de lignina. Por exemplo, foram preparados nanocompósitos com base em PBAT, PLA, lignina e líquidos iônicos, em que os percentuais em peso dos componentes utilizados foram: 64% de PBAT, 16,5% de PLA, 16,5% de lignina e 1% de líquidos iônicos.
[021] O documento WO 2009/043580 revela uma formulação para a produção de um recipiente biodegradável florestal, composta de poli(ácido lático), fibras de lignocelulose, aditivos lubrificantes, plastificantes, modificadores de cristalinidade, compatibilizadores e aditivos funcionais. Diferentemente dos documentos anteriormente citados, o documento WO 2009/043580 não revela uma composição compreendendo a lignina em si, mas uma composição contendo fibras lignocelulósicas. Ressalta-se que apesar da biomassa lignocelulósica de plantas ser composta principalmente por celulose, hemicelulose e lignina, os processos para isolar a lignina da biomassa lignocelulósica geram alterações estruturais e cisões da cadeia da lignina nativa.
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Portanto, a lignina extraída não apresenta as mesmas características e efeitos na aplicação da lignina contida na fibra lignocelulósica.
[022] Portanto, há no estado da técnica a necessidade por uma composição compreendendo altos teores de lignina, aplicável em peças rígidas, que superem os desafios técnicos, ambientais e econômicos da atualidade.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[023] É descrita aqui uma composição termoplástica biodegradável e/ou compostável, compreendendo 30 a 70% em massa de lignina; 10 a 60% em massa de um polímero rígido; e 10 a 40% em massa de um polímero flexível.
[024] Em uma modalidade preferida, a composição compreende 40 a 50% em massa de lignina.
[025] Em uma modalidade preferida, a composição compreende 20 a 40% em massa de um polímero rígido.
[026] Em uma modalidade preferida, a composição compreende 20 a 30% em massa de um polímero flexível.
[027] Em uma modalidade da invenção, o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em tração de 1800 a 4600 MPa. Em uma modalidade preferida, o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em tração de 2700 a 4200 MPa.
[028] Em uma modalidade da invenção, o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em flexão de 2000 a 5000 MPa. Em uma modalidade preferida, o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em flexão de 3000 a 4500 MPa.
[029] Em uma modalidade da invenção, o polímero flexível apresenta módulo de elasticidade em tração de 50 a 1000 MPa. Em uma modalidade preferida, o polímero flexível apresenta módulo de elasticidade em tração de 100 a 500 MPa.
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[030] Em uma modalidade, o polímero rígido ou/e o polímero flexível é(são) selecionado(s) a partir do grupo consistindo em bioplásticos de fontes renováveis ou não, biodegradáveis e/ou compostáveis.
[031] Em uma modalidade opcional da invenção, a composição termoplástica biodegradável e/ou compostável compreende adicionalmente um acelerador de taxa de biodegradação.
[032] O acelerador de taxa de biodegradação é selecionado a partir do grupo consistindo em polissacarídeos ou materiais lignocelulósicos.
[033] Em uma modalidade, o acelerador de taxa de biodegradação é o amido, o amido termoplástico e/ou a celulose.
[034] Em uma modalidade da invenção, a composição termoplástica biodegradável e/ou compostável é utilizada na produção de peças rígidas.
[035] Em uma modalidade da invenção, as peças rígidas são para aplicação nos segmentos selecionados a partir do grupo consistindo em segmento florestal, agrícola, de embalagens e bens de consumo, automotivo ou de construção civil.
[036] Em uma modalidade da invenção, as peças rígidas estão na forma de tubetes. Em uma modalidade preferida, os tubetes são para aplicação no segmento florestal e/ou agrícola.
[037] Também é descrito aqui o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção para processos de transformação de plásticos.
[038] Também é descrito aqui o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção para fabricação de peças rígidas.
[039] Em uma modalidade, o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção pode ser em qualquer aplicação que use peça rígida biodegradável. Preferivelmente, a peça rígida é para
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9/20 aplicação nos segmentos selecionados a partir do grupo consistindo em segmento florestal, agrícola, de embalagens e bens de consumo, automotivo ou de construção civil.
[040] Em uma modalidade da invenção, o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção é para fabricação de peças rígidas em forma de tubetes.
[041] Em uma modalidade da invenção, o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção é para fabricação de peças rígidas em forma de tubetes para aplicação no segmento florestal e/ou agrícola.
[042] É revelado ainda um produto compreendendo a composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção.
[043] Em uma modalidade da invenção, o produto está na forma de uma peça rígida.
[044] Em uma modalidade preferida, o produto está na forma de uma peça rígida, a qual apresenta a partir de cerca de 0,3 mm de espessura.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[045] A figura 01 representa a estrutura química genérica suposta para lignina.
[046] A figura 02 representa um gráfico Resistência à Tração (MPa) versus Alongamento na Ruptura (%), o qual demonstra as curvas representativas para as formulações 1 a 4 do exemplo da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[047] A composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da presente invenção combina polímeros rígidos, polímeros flexíveis, lignina e, opcionalmente, aceleradores de taxa de biodegradação, de maneira que o equilíbrio das proporções desses constituintes leva à obtenção de peças rígidas
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10/20 biodegradáveis e com boas propriedades mecânicas.
[048] A composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção é passível de ser transformada diretamente em peças rígidas por processos de transformação convencionalmente empregados em termoplásticos, como, por exemplo, extrusão, injeção, compressão, termoformagem, dentre outros.
[049] É descrita aqui uma composição termoplástica biodegradável e/ou compostável, compreendendo 30 a 70% em massa de lignina, preferencialmente 40 a 50% em massa de lignina; 10 a 60% em massa de um polímero rígido, preferencialmente 20 a 40% em massa de um polímero rígido; e 10 a 40% em massa de um polímero flexível, preferencialmente 20 a 30% em massa de um polímero flexível.
[050] A lignina pode ser definida, tecnicamente, como um material amorfo derivado de reações desidrogenativas de três tipos de fenil-propanóides: álcoois trans-coniferílico (tipo-G), trans-sinapílico (tipo-S) e trans-pcumarílico (tipo-H), os quais podem se conectar de distintas maneiras por ligações covalentes, não havendo uma unidade repetitiva (característica de polímeros), mas sim um arranjo complexo de tais unidades precursoras que geram macromoléculas.
[051] Como toda matéria natural, a lignina apresenta diferenças substanciais na sua composição, estrutura e pureza, que afetam suas propriedades e, por consequência, seus potenciais de aplicação. Tais variações dependem da origem botânica, uma vez que a relação das unidades geradoras (H/G/S) muda de acordo com o tipo de planta. Por exemplo, esta razão é 0-5 / 95-100 / 0 em madeira mole (softwood), 0-8 / 25-50 / 46-75 em madeira dura (hardwood) e 5-33 / 33-80 / 20-54 em gramíneas (Kun, Dávid & Pukánszky, Béla. Polymer/Lignin blends: Interactions, properties, applications. European Polymer
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Journal, 2017, e S.M. Notley, M. Norgren, Lignin: functional biomaterial with potential in surface chemistry and nanoscience, in: L.A. Lucia, O.J. Rojas (Eds.), The Nanoscience and Technology of Renewable Biomaterials, Wiley-Blackwell, Hoboken, p. 173-205, 2009.).
[052] Além disso, existe uma outra variável que é o processo de extração da lignina, visto que é impossível isolá-la sem realizar modificações químicas em sua estrutura. Um dos principais pontos afetados pelo processo de extração é a massa molar da lignina isolada (também chamada de lignina técnica), a qual pode ficar numa faixa bastante larga de 260 a 50.000.000 g/mol (Omar Faruk, Mohini Sain. Lignin in Polymer Composites. Elsevier Inc. 2015.). Os principais processos para extração da lignina dos materiais lignocelulósicos são: soda, kraft, sulfito e organosolv (Omar Faruk, Mohini Sain. Lignin in Polymer Composites. Elsevier Inc. 2015; Duval, Antoine & Lawoko, Martin. A review on lignin-based polymeric, micro- and nano-structured materials. Reactive and Functional Polymers, 85, 2014.; Abdelaziz, Omar & Brink, Daniel & Prothmann, Jens & Ravi, Krithika & Sun, Mingzhe & García-Hidalgo, Javier & Sandahl, Margareta & Hulteberg, Christian & Turner, Charlotta & Lidén, Gunnar & Gorwa-Grauslund, Marie. Biological valorization of low molecular weight lignin. Biotechnology advances, 34, 2016.; Mohamed Naceur Belgacem, Alessandro Gandini.
Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Elsevier Inc. 2008; e P. Wool, Richard. Lignin Polymers and Composites. p. 551-598, 2005).
[053] Por fim, ressalta-se que a lignina possui uma estrutura química bastante complexa e que existem modelos que buscam descrevê-la, não havendo uma definição plena. A Figura 01 apresenta uma fórmula suposta para tal.
[054] A presença da lignina na composição da invenção facilita o processamento da composição ao reduzir sua viscosidade, possibilitando
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12/20 vantagens operacionais, como reduções de temperaturas e pressões. Além disso, a lignina apresenta baixo custo e a produção de composições usando altos teores de lignina possibilita a obtenção de produtos economicamente competitivos, produtos esses que podem adentrar em aplicações hoje não factíveis para, por exemplo, bioplásticos, devido ao preço elevado. Dessa forma, a composição da invenção pode, inclusive, competir com alternativas convencionais (fonte fóssil e não biodegradável).
[055] Assim, os elevados teores de lignina na composição da invenção resultam em melhorias de custo, melhorias de propriedades finais e de processo de polímeros biodegradáveis e manutenção do caráter ambiental.
[056] O polímero rígido utilizado na composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da presente invenção quando no estado sólido deve apresentar as características de faixa de módulo de elasticidade em tração de 1800 a 4600 MPa, preferencialmente 2700 a 4200 MPa, de acordo com a norma ASTM D638, e de módulo de elasticidade em flexão de 2000 a 5000 MPa, preferencialmente 3000 a 4500 MPa, de acordo com a norma ASTM D790.
[057] O polímero rígido é selecionado a partir do grupo consistindo em bioplásticos de fontes renováveis ou não, biodegradáveis e/ou compostáveis. Exemplos não limitativos de polímeros rígidos de acordo com a presente invenção são selecionados a partir de poli(hidroxialcanoato) (PHA) e poli(ácido lático) (PLA).
[058] As vantagens proporcionadas pela presença do polímero rígido na composição termoplástica biodegradável e/ou compostável são que o referido polímero está associado à boa processabilidade em injeção e apresenta resistência no estado fundido.
[059] O polímero flexível utilizado na composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da presente invenção deve apresentar as
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13/20 características de faixa de módulo de elasticidade em tração de 50 a 1000 MPa, preferivelmente de 100 a 500 MPa, de acordo com a norma ISO 527.
[060] O polímero flexível é selecionado a partir do grupo consistindo em bioplásticos de fontes renováveis ou não, biodegradáveis e/ou compostáveis. Exemplos não limitativos de polímeros flexíveis de acordo com a presente invenção são selecionados a partir de poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT), policaprolactona (PCL) e poli(succinato-co-adipato de butileno) (PBSA).
[061] As vantagens proporcionadas pela presença do polímero flexível na composição termoplástica biodegradável e/ou compostável são que o referido polímero promove resistência ao impacto e ductilidade no estado sólido, bem como está associado à boa processabilidade em extrusão.
[062] O termo bioplástico, como aqui utilizado, se refere a um material plástico de fonte renovável e/ou biodegradável.
[063] A expressão de fonte renovável significa que um material ou produto é derivado de biomassa. Biomassa usada para bioplásticos deriva, por exemplo, de milho, cana-de-açúcar ou celulose.
[064] Os biopolímeros são polímeros ou copolímeros produzidos a partir de matérias-primas de fontes renováveis e/ou biodegradáveis, como milho, cana-de-açúcar, celulose, quitina, entre outros.
[065] O termo biodegradação é definido como um processo químico no qual materiais são metabolizados em água, dióxido de carbono e biomassa com o auxílio de microorganismos. O processo de biodegradação depende das condições ambientais, como por exemplo temperatura, inóculo e umidade, e do material ou de sua aplicação. Para declarar a biodegradabilidade de um produto, as condições ambientais têm que estar especificadas e um cronograma para biodegradação deve ser estabelecido a fim de tornar as alegações mensuráveis e comparáveis. Alguns exemplos de normas são EN 13432, ASTM D6400, ASTM
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D5338, ISO14855, ASTM 5988, ASTM D6003, ASTM G160, ABNT NBR 15448-1 e ABNT NBR 15448-2.
[066] O termo compostagem é definido como sendo um processo que controla a decomposição biológica e transformação de materiais biodegradáveis em uma substância semelhante ao húmus chamado de composto. A decomposição do material biodegradável resulta na produção de dióxido de carbono, água, minerais e matéria orgânica estabilizada (adubo ou húmus). Desta forma, polímeros compostáveis são aqueles que sofrem biodegradação durante a compostagem para ceder CO2, água, compostos inorgânicos e biomassa a uma taxa consistente com outros materiais compostáveis conhecidos e não deixam resíduos visíveis, distinguíveis ou tóxicos.
[067] Os polímeros compostáveis, os quais são designados a serem eliminados após suas vidas úteis por meio de reciclagem orgânica, isto é, compostagem, representam uma das opões estratégicas disponíveis para a gestão de resíduos de plásticos. A compostagem é uma alternativa atrativa para a redução de resíduos sólidos e é especialmente adequada para os segmentos de plásticos convencionais, nos quais a reciclagem é dificultada ou não viável economicamente.
[068] As composições da presente invenção podem ser biodegradáveis e/ou compostáveis.
[069] Conforme aqui utilizado, o termo termoplástico significa um plástico com a capacidade de amolecer e fluir quando sujeito a um aumento de temperatura e pressão, tornando-se uma peça com formas definidas após resfriamento e solidificação. Novas aplicações de temperatura e pressão promovem o mesmo efeito de amolecimento e fluxo e novos resfriamentos solidificam o plástico em formas definidas. Desta maneira, os termoplásticos têm a capacidade de sofrer transformações físicas de forma reversível.
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[070] Em uma modalidade opcional da invenção, a composição termoplástica biodegradável e/ou compostável compreende adicionalmente um acelerador de taxa de biodegradação.
[071] O acelerador de taxa de biodegradação é selecionado a partir do grupo consistindo em polissacarídeos ou materiais lignocelulósicos. Como exemplos não limitativos de polissacarídeos pode-se citar o amido, amido termoplástico e celulose. Como exemplo não limitativos de materiais lignocelulósicos pode-se citar fibras, finos e pós.
[072] Em uma modalidade, o acelerador de taxa de biodegradação é o amido, o amido termoplástico e/ou a celulose.
[073] A quantidade do acelerador de taxa de biodegradação na composição termoplástica biodegradável e/ou compostável, quando presente, depende da taxa de biodegradação desejada.
[074] O acelerador de taxa de biodegradação tem a função de aumentar a taxa de biodegradação da composição e possui preço competitivo, resultando em viabilidade econômica.
[075] Os constituintes da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável podem se apresentar isolados ou em misturas/blendas poliméricas.
[076] Além disso, os constituintes da composição da invenção podem apresentar dupla função, compreendendo duas classes ao mesmo tempo, desde que se enquadrem nas características / limitações descritas na composição. Por exemplo, o amido termoplástico pode agir como polímero flexível e acelerador de taxa de biodegradação.
[077] A composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção é aplicável e apresenta vantagens para qualquer processo de transformação de plásticos.
[078] Em uma modalidade da invenção, a composição termoplástica
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16/20 biodegradável e/ou compostável é utilizada na produção de peças rígidas.
[079] As peças rígidas são para aplicação em todos os segmentos em que se utilizam polímeros convencionais ou biodegradáveis. Exemplos nãolimitativos desses segmentos são selecionados a partir do grupo consistindo em segmento florestal, agrícola, de embalagens e bens de consumo, automotivo ou de construção civil.
[080] Em uma modalidade da invenção, as peças rígidas estão na forma de tubetes. Em uma modalidade preferida, os tubetes são para aplicação no segmento florestal e/ou agrícola.
[081] Também é descrito aqui o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção para processos de transformação de plásticos.
[082] Também é descrito aqui o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção para fabricação de peças rígidas.
[083] Em uma modalidade, o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção pode ser em qualquer aplicação que use peça rígida biodegradável. Preferivelmente, a peça rígida é para aplicação nos segmentos selecionados a partir do grupo consistindo em segmento florestal, agrícola, de embalagens e bens de consumo, automotivo ou de construção civil.
[084] Em uma modalidade da invenção, o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção é para fabricação de peças rígidas em forma de tubetes.
[085] Em uma modalidade da invenção, o uso da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção é para fabricação de peças rígidas em forma de tubetes para aplicação no segmento florestal e/ou agrícola.
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[086] É revelado ainda um produto compreendendo a composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção.
[087] Em uma modalidade da invenção, o produto está na forma de uma peça rígida.
[088] A composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da presente invenção promove fluidez e possibilita a obtenção de peças rígidas muito finas, sendo possível gerar peças a partir de cerca de 0,3 mm de espessura - o que é considerado bem fino para peças rígidas.
[089] O avanço técnico da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção, quando comparada aos termoplásticos convencionais, é apresentar solução para o problema da biodegradabilidade e, quando comparada com os bioplásticos já utilizados, é apresentar melhorias técnicas em processo e propriedades finais, além de melhorias nos custos.
[090] Os bioplásticos normalmente possuem uma estreita janela de processamento, ou seja, condições restritas de processamento, sendo muito susceptíveis a processos degradativos. A lignina age como estabilizante (termooxidativo, termomecânico, radiação UV, etc.), além de modificador reológico (redução da viscosidade), o que acarreta em temperaturas e taxas de cisalhamento mais brandas.
[091] Outro fator relevante é que, combinado ao efeito de lubrificação durante o processamento, a lignina promove melhorias de propriedades mecânicas, como rigidez e resistência à tração.
[092] Combinada às vantagens técnicas, tem-se a questão econômica, uma vez que a lignina apresenta baixo custo.
[093] Destaca-se ainda que a lignina é de fonte renovável e biodegradável e/ou compostável, esta combinação não é fácil de ser atingida junto de boas propriedades técnicas e preços competitivos.
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[094] A composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da presente invenção compreendendo altos teores de lignina, um polímero rígido, um polímero flexível e, opcionalmente, um acelerador de taxa de biodegradação, nas quantidades reveladas, é aplicável em peças rígidas, apresenta boas propriedade mecânicas e supera os desafios técnicos, ambientais e econômicos existentes na atualidade.
EXEMPLO
[095] É aqui apresentado um exemplo de concretização com o intuito de demonstrar as vantagens da composição termoplástica biodegradável e/ou compostável da invenção.
[096] O estudo apresentado no exemplo demonstra as propriedades mecânicas melhoradas com a combinação de polímero rígido, polímero flexível e lignina, ou seja, exemplifica a importância dos três componentes estarem presentes na composição.
[097] Este estudo avalia as propriedades mecânicas de combinações distintas entre um polímero rígido, um polímero flexível, lignina e acelerador de taxa de biodegradação. Os polímeros investigados nesta etapa foram poli(hidroxibutirato) (PHB) e poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT).
[098] Foram realizados ensaios de tração para a verificação da resistência mecânica das formulações testadas com diferentes dosagens dos polímeros, lignina e amido, de modo que os dados da Tabela 1 foram obtidos. Os testes de tração foram realizados de acordo com a norma ASTM D638.
Tabela 1: Resultados dos ensaios de tração
Formulação | Porcentagens em massa de PHB/PBAT/Lignina/Amido | Resistência à Tração (MPa) | Alongamento na Ruptura (%) | Módulo de Elasticidade em Tração (MPa) |
1 | 60/0/40/0 | 18,5 | 0,5 | 4.127 |
Petição 870180159156, de 05/12/2018, pág. 34/42
19/20
Formulação | Porcentagens em massa de PHB/PBAT/Lignina/Amido | Resistência à Tração (MPa) | Alongamento na Ruptura (%) | Módulo de Elasticidade em Tração (MPa) |
2 | 30/30/40/0 | 16,2 | 1,3 | 1.603 |
3 | 30/30/30/10 | 20,5 | 2,7 | 1.599 |
4 | 30/30/30/10c | 19,6 | 4,0 | 1.487 |
5 | 0/45/40/15 | NP | - | - |
6 | 0/45/40/15c | NP | - | - |
Observação: O índice C indica que o amido utilizado foi o amido ceroso. NP significa não processável.
[099] A figura 02 corresponde a um gráfico de Resistência à Tração (MPa) versus Alongamento na Ruptura (%), o qual demonstra as curvas representativas para as formulações 1 a 4.
[100] As formulações 5 e 6 foram consideradas não processáveis, posto que não apresentavam resistência no fundido suficiente para o processamento da peça.
[101] Conforme observado nos gráficos, o PHB confere elevada rigidez, porém torna o produto pouco resistente ao impacto. Isso é entendido pelo baixo valor de Alongamento na Ruptura - quanto menor o Alongamento na Ruptura, mais quebradiça a peça - portanto, quanto menor o valor, pior o resultado (a formulação 1 é a mais quebradiça).
[102] O PBAT, além de ser biodegradável, traz flexibilidade à peça e aumenta a resistência ao impacto.
[103] Ao avaliar a extrusão, injeção e propriedades de tração, verificou-se que maiores teores de PBAT dificultaram o corte do extrudado e a obtenção de corpos de prova, por injeção, devido à sua elevada flexibilidade e baixa temperatura de transição vítrea, respectivamente.
Petição 870180159156, de 05/12/2018, pág. 35/42
20/20
[104] Os dados apresentados no presente estudo demonstram a importância da combinação, nas dosagens corretas, dos constituintes da composição da presente invenção: polímero flexível, polímero rígido e lignina, para obtenção de boas propriedades mecânicas. A sinergia dos componentes é clara, posto que, quando usados isoladamente, não apresentam bons resultados.
[105] A composição das formulações testadas e a quantidade incorporada de cada componente foi definida com o objetivo de obter um balanço entre resistência no estado fundido, rigidez, resistência ao impacto e biodegradabilidade.
Claims (27)
- REIVINDICAÇÕES1. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável, caracterizada pelo fato de que compreende:a. 30 a 70% em massa de lignina;b. 10 a 60% em massa de um polímero rígido; ec. 10 a 40% em massa de um polímero flexível.
- 2. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende 40 a 50% em massa de lignina.
- 3. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende 20 a 40% em massa de um polímero rígido.
- 4. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende 20 a 30% em massa de um polímero flexível.
- 5. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo a reivindicação 1 ou 3, caracterizada pelo fato de que o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em tração de 1800 a 4600 MPa.
- 6. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em tração de 2700 a 4200 MPa.
- 7. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo a reivindicação 1 ou 3, caracterizada pelo fato de que o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em flexão de 2000 a 5000 MPa.
- 8. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o polímero rígido apresenta módulo de elasticidade em flexão de 3000 a 4500 MPa.Petição 870180159156, de 05/12/2018, pág. 37/422/4
- 9. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 3 ou 5 a 8, caracterizada pelo fato de que o polímero rígido é selecionado a partir do grupo consistindo em bioplásticos de fontes renováveis ou não, biodegradáveis e/ou compostáveis.
- 10. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo a reivindicação 1 ou 4, caracterizada pelo fato de que o polímero flexível apresenta módulo de elasticidade em tração de 50 a 1000 MPa.
- 11. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o polímero flexível apresenta módulo de elasticidade em tração de 100 a 500 MPa.
- 12. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo a reivindicação 1, 4, 10 ou 11, caracterizada pelo fato de que o polímero flexível é selecionado a partir do grupo consistindo em bioplásticos de fontes renováveis ou não, biodegradáveis e/ou compostáveis.
- 13. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um acelerador de taxa de biodegradação.
- 14. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que o acelerador de taxa de biodegradação é selecionado a partir do grupo consistindo em polissacarídeos ou materiais lignocelulósicos.
- 15. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que o acelerador de taxa de biodegradação pode ser selecionado a partir de amido, amido termoplástico ou celulose.
- 16. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizada pelo fato de ser paraPetição 870180159156, de 05/12/2018, pág. 38/423/4 uso na produção de peças rígidas.
- 17. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que a peça rígida é para aplicação nos segmentos selecionados a partir do grupo consistindo em segmento florestal, agrícola, de embalagens e bens de consumo, automotivo ou de construção civil.
- 18. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que as peças rígidas estão na forma de tubetes.
- 19. Composição termoplástica biodegradável e/ou compostável de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que os tubetes são para aplicação no segmento florestal e/ou agrícola.
- 20. Uso de uma composição termoplástica biodegradável e/ou compostável definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de ser para processos de transformação de plásticos.
- 21. Uso de uma composição termoplástica biodegradável e/ou compostável definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de ser para fabricação de peças rígidas.
- 22. Uso de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a peça rígida é para aplicação nos segmentos selecionados a partir do grupo consistindo em segmento florestal, agrícola, de embalagens e bens de consumo, automotivo ou de construção civil.
- 23. Uso de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que as peças rígidas estão na forma de tubetes.
- 24. Uso de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que os tubetes são para aplicação no segmento florestal e/ou agrícola.
- 25. Produto, caracterizado por compreender uma composiçãoPetição 870180159156, de 05/12/2018, pág. 39/424/4 termoplástica biodegradável e/ou compostável definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 15.
- 26. Produto de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de estar na forma de uma peça rígida.
- 27. Invenção de produto, processo, sistema ou uso, caracterizada pelo fato de que compreende um ou mais elementos descritos no presente pedido de patente.
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