BR102019013688A2 - Processo de obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose para uso em manufatura aditiva e produtos obtidos - Google Patents
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Abstract
processo de obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose para uso em manufatura aditiva e produtos obtidos. a presente invenção descreve a obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose, filamento de phb-cb (f), obtidos a partir da extrusão (e5) de um compósito (c) de pó de celulose (2) e pós de phb (3), que apresenta características desejadas para serem utilizados em impressora 3d fdm. além dessas características, o material obtido é biodegradável, biocompátivel e apresenta ótima superfície para a adesão e proliferação celular, podendo ser largamente empregado na engenharia tecidual. assim, a presente invenção oferece uma alternativa aos filamentos presentes no atual estado da técnica, empregando matérias-primas abundantes, acessíveis e consideradas passivo ambiental; e, dispensando o uso de plastificantes em seu processo de obtenção.
Description
[001] Trata a presente solicitação de patente de invenção de um inédito "PROCESSO DE OBTENÇÃO DE FILAMENTOS DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS BASEADOS EM POLI-HIDRÓXIBUTIRATO/CELULOSE PARA USO EM MANUFATURA ADITIVA E PRODUTOS OBTIDOS”, que se refere à obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose, da incorporação de resíduos de celulose bacteriana à PHB para o desenvolvimento de filamentos com características desejadas para serem utilizados em impressora 3D FDM.
[002] A presente invenção pertence ao campo da química, mais especificamente, ao de compostos macromoleculares; e ao campo da tecnologia de fabricação aditiva, por descrever a obtenção de filamentos poliméricos a serem utilizados em manufatura aditiva, mais especificamente, a filamentos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose para utilização em impressora 3D FDM.
[003] A manufatura aditiva, também conhecida como prototipagem rápida ou impressão 3D, é um sistema que possibilita a obtenção de protótipos de forma mais rápida do que o convencional, podendo-se empregar os mais diversos materiais, como PLA, ABS, prata e vidro. Outra vantagem da prototipagem rápida é que, através de softwares, é possível se ter total controle da produção das peças, com predição de erros e possibilidade de correção antes que os mesmos aconteçam, tal controle ainda permite a produção de várias peças de maneira automática (LINO e NETO, 2000).
[004] O processo de prototipagem rápida se faz pela deposição de camadas, uma por vez, sobre uma mesa de impressão. Dessa forma, as camadas vão sendo adicionadas seguidamente, de acordo com o fatiamento da peça que é determinado previamente pelo software utilizado (como o AUTOCAD®, por exemplo), então, com essas deposições, o protótipo, que é uma peça tridimensional, é formado (TAKAGAKI, 2013).
[005] A maioria dos métodos de prototipagem rápida pode ser realizado utilizando-se um desenho CAD 3D, o desenho pode ser produzido em programas de computador da forma desejada ou pode ser apenas baixado através de sites da internet, os quais já disponibilizam os arquivos, tais como: Instructables, Thingverse, Myminifactory, e 3D hug (WOHLERS, 2006). O formato do arquivo aceito pela impressora é a extensão STL, que converte as superfícies do modelo em triângulos, estando esses relacionados à resolução da peça. A impressora, através da quantidade desses triângulos, identifica a resolução desejada na impressão, sendo que, quanto maior o número de triângulos, maior a qualidade do protótipo. (LINO e NETO, 2000).
[006] Atualmente, existem diversas tecnologias de prototipagem rápida que fornecem peças de geometria de alta precisão, econômica e personalizada, porém, todas se baseiam no fatiamento da imagem da peça e no depósito de camadas para que se obtenha o protótipo como demonstrado. A "Modelação por Deposição Fundida” (FDM) utiliza material polimérico aquecido através de um cabeçote de extrusão, e ejetados pelo cabeçote, que deposita o material na plataforma de extrusão que se move no eixo "X; Y; e Z”. O processo se repete, camada a camada, até a finalização da peça. O material termoplástico, quando aquecido, apresenta características de maleabilidade, possibilitando a modelagem do protótipo. Após a deposição das camadas, o polímero se solidifica novamente, à temperatura ambiente. Esse processo depende do diâmetro do filamento, que precisa estar dentro do parâmetro de 1,75 mm, podendo apresentar uma variação de 0,1mm, para mais ou para menos. Os materiais mais comuns no processo FDM são PLA e ABS. Dentre os métodos existentes de impressão, o FDM é o que apresenta maior facilidade e melhor custo benefício, por estar em domínio público (TAKAGAKI, 2013; GORNI, 2001).
[007] O filamento é o material necessário para a impressão do protótipo, assim como impressoras convencionais domésticas utilizam papel, as impressoras 3D utilizam filamento como matéria prima, o filamento é a base do método FDM e necessita apresentar diâmetro de 1,75mm com variação de ±0,10 mm, esse diâmetro se faz necessário, pois, se houver grandes variações, o polímero poderá entupir a cabeça extrusora, equipamento por onde o filamento passa para ser impresso (THEO et al. 2004; MINETOLA et al, 2016).
[008] Existem limitações de pesquisas no desenvolvimento de materiais compósitos para o processo de FDM, principalmente, no que diz respeito a novos compósitos a serem utilizados na engenharia tecidual. Nessa perspectiva, é interessante a escolha de biopolímeros biocompatíveis e biodegradáveis.
[009] Um polímero que atende as demandas supracitadas é o PHB, poli-hidróxibutirato, sua produção é realizada por fermentação bacteriana, por meio do emprego de Alcaligenes eutrophus, por ser um material biodegradável e biocompatível, que possui uma ótima superfície para a adesão e proliferação celular. Devido as suas propriedades, o PHB tem se destacado principalmente na engenharia tecidual.
[010] Entretanto, ele apresenta como limitação sua fragilidade, devido a sua alta cristalinidade e instabilidade térmica, sendo necessário associá-lo a outros polímeros ou aditivos (CHEN, 2005; RATHBONE et al,2010; ELSAYED, et al., 2009).
[011] Muitos pesquisadores vêm trabalhando na utilização de aditivos naturais em polímeros biodegradáveis, utilizando: celulose, amido e lignina, por exemplo, com o objetivo de se obter um material com degradação mais rápida e menor custo de produção (AZIZI et al, 2005;BARUD et al, 2011 MACHADO et al, 2012).
[012] Nesse contexto, se insere a presente invenção, que descreve um processo de obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose, obtido por meio da trituração de descartes de CB, seguido da incorporação de CB triturada com o PHB, dispensando elementos plastificantes, para o desenvolvimento de um filamento com as características desejadas para serem utilizados em uma impressora 3D FDM.
[013] No atual estado da técnica, estão presentes algumas anterioridades que descrevem filamentos a serem empregados em manufatura aditiva. No entanto, nenhuma das anterioridades descreve obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose, obtidos a partir de um processo de obtenção razoavelmente simples e sem adição de plastificantes, como a presente invenção.
[014] A anterioridade JP2019026702, intitulada "Thermoplastic composite resin, 3D filaments and a process for their preparation for the printer using the resin", descreve uma resina composta, compreendida por resina termoplástica, na qual nanofibras de celulose e copolímero de etileno são uniformemente distribuídos, resolvendo problemas de agregação observado nas resinas termoplásticas convencionais. Ainda que a anterioridade empregue nanofibras de celulose, não é mencionado o uso de resíduos de celulose bacteriana.
[015] A anterioridade JP2016028887, intitulada "Heat-melting lamination type filament for three-dimensional printer, and method for producing the same", descreve a obtenção, por fusão, de um filamento nanolaminado constituído de uma matriz de resina termoplástica (2) e por uma composição funcional (3), constituída de nanotubo de carbono, nanofibra de carbono, nanofibra de celulose e nanoargila. A anteriodade descreve que a composição funcional (3) é dispersa na resina termoplástica, afim de promover maior funcionalidade ao artigo moldado na impressora 3D, porém, sem mencionar o emprego de resíduos de celulose bacteriana como matéria-prima para o filamento descrito.
[016] A anterioridade KR101912839, intitulada "Composition for FDM 3D printer", descreve uma composição do tipo pasta para uma impressora 3D de modelagem por deposição fundida (FDM), que inclui um ligante e um pó cerâmico contendo CaO e SiO2, como componentes principais. A composição descrita é injetada na impressora FDM 3D na forma de pasta, de modo que um artigo moldado possa ser rapidamente formado sem fundir, e uma variedade de estruturas geométricas possa ser implementada com precisão, sendo assim utilizada como um bio-substituto para uso médico. Ainda que a anterioridade descreva um material biocompatível, diferentemente da presente invenção, ela é apresentada na forma de pasta, além disso, a anterioridade não descreve o uso de resíduos de celulose bacteriana e de PHB como matérias-primas.
[017] A anterioridade WO2018069025, intitulada "Propylene based filament for 3D printer", descreve filamentos para sistemas de manufatura aditiva que compreendem um copolímero de propileno etileno heterofásico, tendo um teor solúvel em xileno, variando de 15 a 50 e uma taxa de fluxo de fusão MFR L (taxa de fluxo de fusão de acordo com ISO 1133, condição L, ou seja, 230°C e 2,16 kg de carga) variando de 0,5 a 100 g/10 min. Ainda que a anterioridade descreva a obtenção de filamentos, ela não descreve a obtenção de filamentos baseados em resíduos de celulose bacteriana e PHB.
[018] A anterioridade KR101850514, intitulada "Biodegradable resin composition for 3D printer filament and 3D printer filament with excellent flexibility and impact resistance using the same", descreve filamentos para impressoras 3D produzidos a partir de resina biodegradável, que, além da biodegradabilidade, ainda apresentam maior resistência ao impacto e flexibilidade quando comparados aos filamentos convencionais, podendo ser aplicados no campo da saúde. Ainda que sejam descritos filamentos biodegradáveis, não são empregadas as mesmas matérias-primas da presente invenção.
[019] A anterioridade BR112018070035-5, intitulada "Filamento à base de propileno para impressora 3D", descreve um filamento consumível para uso em um sistema de fabricação de aditivo com base em extrusão, que compreende um copolímero de etileno-propileno que apresenta: teor de unidades derivadas de etileno que varia de 3,0% em peso a 12,0% em peso; MFR L (Índice de Fluidez, de acordo com ISO 1133, condição L, isto é, 230°C e 2,16 kg de carga) de 4 a 20 g/10 min; e solúveis de xileno medidos a 25°C compreendidos entre 3% em peso e 30% em peso. Portanto, a anterioridade não descreve a obtenção de filamentos baseados em resíduos de celulose bacteriana e PHB.
[020] Assim, a inventividade e novidade da presente invenção reside em possibilitar a obtenção de um material a ser empregado em manufatura aditiva, que associe características de biodegradabilidade, biocompatibilidade, ótima superfície para a adesão e proliferação celular, e que possua resistência e dimensões adequadas para ser empregado em impressoras 3D FDM; de maneira inovadora, sustentável e sem o uso de elementos plastificantes. Portanto, a presente invenção traz importantes contribuições ao campo técnico.
[021] Proporcionar um material a ser empregado em manufatura aditiva que seja biodegradável e biocompatível, além de apresentar as características desejadas para serem utilizados em impressoras 3D FDM.
[022] A presente invenção descreve a obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose, que se dá pela preparação de um compósito constituído de descartes de celulose bacteriana e do polímero PHB, que, ao ser extrudado, origina filamentos com características desejadas para serem utilizados em impressora 3D FDM, além de serem biodegradáveis e biocompatíveis.
[023] A presente invenção apresenta como principais vantagens:
- ✓ Proporcionar a obtenção de um material a ser empregado em manufatura aditiva, que utiliza como matéria-prima resíduos de celulose bacteriana, provenientes de curativos, um resíduo abundante e de fácil obtenção;
- ✓ Proporcionar a obtenção de um material a ser empregado em manufatura aditiva que seja biodegradável, biocompatível e que se apresente como ótima superfície para a adesão e proliferação celular, além de apresentar as características desejadas para emprego em impressora 3D FDM;
- ✓ Proporcionar um processo menos agressivo ambientalmente e que dispense o uso de plastificantes na obtenção dos filamentos de PHB/CB;
- ✓ Proporcionar a obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose a partir de um processo de produção razoavelmente simples e de custo reduzido.
[024] A invenção será descrita em uma realização preferencial, assim, para melhor entendimento, serão feitas referências às figuras a seguir:
- ✓ FIG 1: Fluxograma do processo de obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose;
- ✓ FIG 2: Scaffold impresso em uma impressora 3D FDM utilizando o filamento PHB/CB;
- ✓ FIG 3: Microscopia Eletrônica de Varredura da celulose bacteriana pulverizada;
- ✓ FIG 4: Espectros de FTIR da membrana de celulose bacteriana e da celulose bacteriana triturada;
- ✓ FIG 5: A. Filamento comercial de PLA com diâmetro de 1,75mm; B. Filamento do compósito polimérico PHB/CB;
- ✓ FIG 6: Imagens de MEV da secção transversal do filamento de PHB;
- ✓ FIG 7: Imagens de MEV da secção transversal do filamento de PHB/CB;
- ✓ FIG 8: Espectros de FTIR do PHB, celulose bacteriana triturada e dos filamentos de PHB e PHB/CB;
- ✓ FIG 9: DSC do PHB, dos filamentos de PHB, PHB/CB e da celulose bacteriana triturada.
[025] O processo de obtenção de filamentos de compósitos poliméricos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose (Fig. 1) se inicia com a obtenção da celulose bacteriana pulverizada, para tanto, retalhos de celulose bacteriana seca (1) são previamente triturados (E1), com um triturador, e, em seguida, pulverizados (E2), sendo realizadas entre 3 e 10 moagens a 340 RPM, durante 30 minutos, para que o material se transforme em pó de celulose (2), com granulometria de 30μm. Para a obtenção dos compósitos (C), o pó de PHB (3) é adicionado (E3) ao pó de celulose (2), seguindo a proporção de 99,9 % de pó de PHB (3) para 0,1 % de pó de celulose (2); sendo a mistura (4) homogeneizada (E4), com misturador utilizando a velocidade de 2000 RPM por 30 segundos, sendo obtido o compósito (C), o qual é extrudado (E5), em extrusora homemade de rosca simples pré-aquecida por 15 minutos à 180oC; o material (5) é inserido (E6) no funil da extrusora, e o fuso alimentador é ligado com velocidade de 20 RPM, em seguida é obtido filamento de PHB/CB (F). Para melhor solidificação do filamento de PHB/CB (F) extrudado, é utilizado um Cooler fan de 10 mm para gerar pequena ventilação na saída da extrusora.
[026] Os retalhos de celulose bacteriana seca (1) empregados como matéria-prima na produção dos filamentos PHB/CB (F) são descartes industriais de folha de celulose seca, o que gera uma grande redução nos custos de produção, além de transformar um passivo ambiental em ativo, também contribuindo para menor geração de lixo. Os filamentos PHB/CB (F) apresentaram melhoras de resistência e homogeneidade, quando comparados aos filamentos convencionais, sem a necessidade de adição de plastificantes.
[027] Devido às características do pó de PHB (3), os filamentos de PHB/CB (F) são biodegradáveis e biocompatíveis, além de possuir uma ótima superfície para a adesão e proliferação celular, sendo, assim, um material de grande valia para aplicação em engenharia tecidual, a partir da impressão de componentes, utilizando-se a técnica de impressão 3D FDM.
[028] A fim de se avaliar a aplicação do filamento de PHB/CB (F), foram impressos scaffolds. Para tanto, foi utilizada uma impressora 3D de baixo custo e o software Repetier Host e Slic3r para ajustar as configurações de fatiamento, temperatura e velocidade de impressão dos protótipos. A temperatura utilizada na cabeça extrusora da impressora 3D foi de 170°C, a velocidade de impressão foi de 15 mm/s e preenchimento de 20%. Um dos protótipos impressos (fig. 2), possui um diâmetro de 10,75 mm e espessura de 5mm.
[029] A caracterização e análise do material produzido foi realizada por: microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia vibracional na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria esporádica diferencial (DSC). A seguir, os experimentos e os resultados obtidos são descritos.
[030] As imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram obtidas em um microscópio eletrônico de varredura por emissão no campo (MEV-FEG) modelo JEOL JSM 7500F, acoplado com um equipamento de EDS Noran System 7 / Thermo scientific, operando na faixa de tensão de 10kV. A fratura das amostras foi realizada em N2 líquido. Posteriormente, as amostras foram fixadas em um suporte de cobre com fita adesiva dupla face de carbono, e cobertas com uma camada de carbono com espessura de 1-10 nm, operando na faixa de tensão de 3-10kV. As imagens foram obtidas na secção transversal dos filamentos.
[031] A análise termogravimétrica (TGA) foi realizada, utilizando o equipamento Shimadzu, módulo termogravimétrico TGA-50 (N2) de 20 a 800°C, sob atmosfera de nitrogênio a um fluxo de 5 ml/min-1 e taxa de aquecimento de 20°C min-1. A massa de cada amostra foi de 15 mg.
[032] A calorimetria esporádica diferencial (DSC) foi realizada usando um DSC 1 da Mettler Toledo calibrado com índio padrão. O nitrogênio foi usado como gás de purga (10 ml/min-1). As medições foram realizadas em panelas de alumínio contendo cerca de 5 mg de amostra. Os comportamentos térmicos das amostras foram analisados de 30˚C a 200˚C com taxa de varredura 10˚C min-1.
[033] Na imagem de microscopia eletrônica de varredura do corte da seção transversal da celulose bacteriana triturada (Fig. 3), pode-se observar, a partir do aumento de 10.000x, as nanofibras de celulose conservadas e evidentes como na seta, o que demonstra que elas permaneceram intactas, mesmo sob o processo de alta rotação para que o material se tornasse pó.
[034] Nos espectros FTIR da membrana de celulose bacteriana e da celulose bacteriana triturada (Fig. 4), nota-se que as bandas de rede observadas para celulose bacteriana pura podem ser atribuídas ao estiramento de OH (3454 cm-1), ligações H (3237 cm-1), alongamento CH de grupos CH2 e CH3 (2902-2717cm-1), curva de OH (1650 cm-1), flexão simétrica do CH2 (1432 cm-1), flexão de CH (1368 cm-1), flexão assimétrica da ponte C-O-C (1162 cm-1), vibrações esqueléticas envolvendo alongamento C-O (1114-1058 cm-1), estiramento assimétrico fora de fase (896 cm-1) e a flexão fora de fase do OH (666-619 cm-1) (BARUD, DE ASSUNÇÃO, et al., 2008).
[035] O filamento de PHB/CB (F) extrudado (Fig. 5) apresenta grande semelhança de espessura quando comparado com filamentos já disponíveis no mercado, como o PLA (Figura 5A); o filamento de PHB/CB (F) (Figura 5B) apresentou o diâmetro de 1,75mm que é o diâmetro utilizado nas impressoras.
[036] Por meio da figura 6A, é possível observar estruturas esféricas que podem ter surgido devido à formação de bolhas durante a execução do processo. Porém, na figura 6B, observa-se uma maior amplitude em relação ao PHB, que apresenta uma superfície uniforme e compacta, demonstrando características de um filamento homogêneo.
[037] Na figura 7A, ainda se verifica a formação de bolhas de ar no processamento da amostra. Na figura 7B, com menor aumento, se observa as nanofibras de celulose bacteriana com uma distribuição uniforme na superfície do PHB. Já em um maior aumento, nas figuras 7C-D, as mesmas nanofibras se mostram entrelaçadas e intactas.
[038] Mesmo após o processo de trituração, a celulose se mostra aderida à superfície do PHB, de forma que essa adesão preenche a superfície do PHB; observa-se também que a estrutura de rede, composta por um amontoado de fibras, forma fitas com menos de 100nm de largura (BARUD et. al, 2010).
[039] As principais bandas observadas no espectro PHB (Fig. 8) são atribuídas ao estiramento C-O (1282 cm-1) e C-O (1730 cm-1), os picos 2853 cm-1, 2926 cm-1 e 2972 cm-1, referem-se ao alongamento C-H, e o pico ao redor de 3000 cm-1 referem-se aos grupos terminais de hidroxilas, os espectros obtidos para compósitos exibem basicamente os dois componentes individuais. A celulose bacteriana triturada, apesar de apresentar picos diferentes perante os outros espectros, não se distingue do fato de que o filamento PHB/CB (F) permaneceu com a maioria das características individuais do PHB, quando comparado com o filamento apenas contendo PHB, que também apresenta a mesma redundância. Isso mostra que, mesmo usando a CB triturada como reforço, é possível manter, na maioria do material, os agrupamentos químicos do PHB.
[040] A figura 9 apresenta as curvas de DSC do PHB e dos filamentos de PHB, PHB/CB (F) e CB triturada. A curva obtida para o PHB mostra eventos endotérmicos se iniciando a 136°C até atingirem um pico de 177,34°C, relacionado à taxa máxima de fusão do PHB. Nos filamentos PHB e PHB/CB (F) extrudados, observa-se uma pequena diminuição nos valores da temperatura de fusão, pelo fato da diminuição gradual do peso molecular do PHB, aumentando a mobilidade e a cristalização durante o processo de resfriamento (BARUD et al., 2011).
[041] A partir do exposto, observa-se que, tanto o processo de obtenção de filamentos de compósitos baseados em poli-hidróxibutirato/celulose, bem como os produtos obtidos a partir dele, são merecedores do privilégio de patente de invenção.
Claims (4)
- PROCESSO DE OBTENÇÃO DE FILAMENTOS DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS BASEADOS EM POLI-HIDRÓXIBUTIRATO/CELULOSE caracterizado por se iniciar com a obtenção da celulose bacteriana pulverizada, para tanto, retalhos de celulose bacteriana seca (1) são previamente triturados (E1), com um triturador, e, em seguida, pulverizados (E2), sendo realizadas entre 3 e 10 moagens a 340 RPM, durante 30 minutos, para que o material se transforme em pó de celulose (2), com granulometria de 30μm; para a obtenção dos compósitos (C), o pó de PHB (3) é adicionado (E3) ao pó de celulose (2), seguindo a proporção de 99,9 % de pó PHB (3) para 0,1 % de pó de celulose (2); sendo a mistura (4) homogeneizada (E4), com misturador utilizando a velocidade de 2000 RPM por 30 segundos, sendo obtido o compósito (C), o qual é extrudado (E5), em extrusora caseira de rosca simples pré-aquecida por 15 minutos à 180oC; o material (5) é inserido (E6) no funil da extrusora, e o fuso alimentador é ligado com velocidade de 20 RPM, em seguida é obtido filamento de PHB/CB (F), o qual, está pronto para ser utilizado.
- FILAMENTOS DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS BASEADOS EM POLI-HIDRÓXIBUTIRATO/CELULOSE, obtidos a partir do processo descrito na reivindicação 1, caracterizado por se constituir de pó de celulose (2), numa proporção entre 0,01%; e, pó de PHB (3), numa proporção entre 99,9%; dispensando o uso de plastificantes em sua composição.
- USO DE FILAMENTOS DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS BASEADOS EM POLI-HIDRÓXIBUTIRATO/CELULOSE caracterizado por ser em manufatura aditiva em impressões 3D FDM.
- USO DE FILAMENTOS DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS BASEADOS EM POLI-HIDRÓXIBUTIRATO/CELULOSE , de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por se dar na engenharia tecidual.
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CN114410709A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-29 | 上海即索实业有限公司 | 一种高强度细菌纤维素复合材料及其制备方法 |
CN114410709B (zh) * | 2022-01-20 | 2024-04-26 | 上海即索实业有限公司 | 一种高强度细菌纤维素复合材料及其制备方法 |
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