BRPI0205056B1

BRPI0205056B1 - Processo de preparação de compósito termoplástico biodegradável de amido reforçado com fibras celulósicas e compósito termoplástico biodegradável de amido com reforço de fibras celulósicas

Info

Publication number: BRPI0205056B1
Application number: BRPI0205056-0A
Authority: BR
Inventors: Antonio Aprigio Da Silva Curvelo; Antonio José Felix De Carvalho
Original assignee: Fundação De Amparo À Pesquisa Do Estado De São Paulo - Fapesp; Universidade De São Paulo - Usp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2019-04-16

Abstract

"processo de preparação de composto termoplástico biodegradável de amido com reforço de fibras celulósicas e compósitos assim obtidos". a invenção refere-se a um processo de preparação de composto termoplástico biodegradável de amido com reforço de fibras celulósicas e compósitos assim obtidos; composto pelas etapas: 1) condicionamento da polpa celulósica; 2) pesagem dos componentes; 3) mistura dos componentes; 4) plasticização; 5) obtenção do compósito. os compósitos obtidos são constituídos basicamente de amido, polpa celulósica e um plastificante e apresentam boa propriedade mecânica e boa resistência à umidade. tal material termoplástico poderá ser moldado por injeção, extrusão, termoformagem, extrusão/injeção seguida de sopro, entre outras técnicas utilizadas na indústria de plástico.

Description

“PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS E COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO COM REFORÇO DE FIBRAS CELULÓSICAS”

Campo da invenção [001] A presente patente refere-se a um processo para a preparação de composto termoplástico biodegradável de amido com reforço de fibras celulósicas e compósitos assim obtidos, que poderão ser moldados por injeção, extrusão, termoformagem, extrusão/injeção seguida de sopro, entre outras técnicas utilizadas na indústria de plástico, apresentando os referidos compostos biodegradáveis, boas propriedades mecânica e boa resistência à umidade.

Estado da Técnica [002] O amido é obtido a partir de cereais e tubérculos, como milho, trigo, arroz, mandioca e batata. O amido natural não modificado é constituído de grânulos, cujo tamanho pode variar de 2 a 100 pm dependendo do vegetal de onde foi extraído. Esses grânulos são essencialmente constituídos de dois polímeros, a amilose e amilopectina, que são polissacarídeos constituídos por unidades repetitivas de β-D-glicopiranose ligadas por ligações α-1,4. A amilose é essencialmente linear sendo um poli(1-4)- α -D- glicopiranose enquanto que e a amilopectina é ramificada, sendo constituída de cadeias lineares de poli(1-4)-a D- glicopiranose conectadas por ligações α-(1-6). A massa molecular e as quantidades relativas desses polímeros variam em função do tipo de planta de onde o amido foi extraído e esses polímeros estão arranjados no grânulo de modo a formar uma estrutura semicristalina. O grânulo de amido é insolúvel em água fria devido às fortes interações existentes entre as cadeias poliméricas que apresentam ligações hidrogênio. Sendo assim, o grânulo de amido seco, apresenta uma temperatura de fusão muita elevada e acima do seu ponto de decomposição térmica. Contudo é conhecido o fato de que na presença de compostos com capacidade de formar ligações hidrogênio, como água, amônia,

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2/16 álcoois e sob efeito de calor, as cadeias poliméricas dos grânulos de amido podem ser separadas para gerar uma solução, um gel ou ainda um fundido. Esse processo é bem conhecido e estudado na presença de água e depende da quantidade desta que esteja presente. Para elevadas concentrações de água, o grânulo de amido experimenta um processo de inchamento conhecido como gelatinização que ocorre em torno de 60 - 70^oC. Esse processo leva à formação de um gel, que dependendo da temperatura atingida e das condições de cisalhamento, pode levar à destruição completa da estrutura do grânulo. Na presença de baixas concentrações de água (15 a 25%), sob pressão e cisalhamento pode ocorrer também a destruição da estrutura do grânulo dando origem a um material amorfo que, em temperaturas de 90 a 180^oC se comporta como um fundido. Esse processo é conduzido em equipamentos para processamento de plásticos como extrusoras, misturadores fechados, cilindros aquecidos, etc.

[003] A extrusão de amido contendo relativamente baixos teores de água (15 a 25%) é bastante conhecida e estudada pela indústria alimentícia e vários trabalhos foram publicados onde as condições de extrusão foram intensivamente estudadas (C. Mercier e P Feillet, Cereal Chemistry, Vol. 52, No. 3, p. 283-297, 1975). Na década de 80, o processamento de amido por técnicas empregadas para plásticos, na presença de água ou plastificantes de elevado ponto de ebulição como glicerol, ou ainda, na presença de ambos, foram patenteados como novos materiais para emprego como polímeros biodegradáveis, denominados de amido desestruturado ou amido termoplástico (US 4 673438, US 5362777, EP 400531, EP 409781). Esses materiais podem ser moldados por extrusão, injeção, injeção e sopro, termoformagem, etc. As composições, contendo principalmente amido e agentes plastificantes apresentam elevada sensibilidade à água, baixa estabilidade dimensional e baixa resistência mecânica. Em contato com o ambiente podem absorver ou perder água, mudando de forma e apresentando grande variação de propriedades mecânicas, indo de um material quebradiço quando seco para um estado muito flexível quando úmido. Como resultado, o amido desestruturado ou amido termoplástico

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3/16 é frágil e muito sensível à água, o que limita muito sua utilização na prática. Para resolver esses problemas diversas abordagens foram propostas anteriormente:

(a) blendas com outros polímeros, tais como polímeros naturais como gelatina (US 5,294,249) e zeína, com polímeros naturais modificados e com polímeros sintéticos, (b) laminados onde uma camada externa hidrofóbica protege o amido termoplástico no interior e (c) compósitos reforçados com cargas minerais e fibras.

[004] A maioria das patentes envolvendo blendas poliméricas se refere ao uso de polímeros sintéticos ou ainda polímeros naturais modificados como em US 5,280,055 para ésteres de celulose e em US 5,367,067 e PI 9705674 para ésteres de amido. Os polímeros sintéticos mais utilizados são polímeros que contêm grupos polares como -OH, -NH, -NH2, -COOH, ou ainda poliésteres, poliuretanas, etc. Muitos desses polímeros, que podem de fato formar ligações hidrogênio, são também utilizados como agentes compatibilizantes em blendas com amido e polímeros apolares como polietileno, por exemplo.

[005] Algumas patentes envolvem o uso de álcool polivinílico, copolímeros de etileno vinil álcool (EVOH), copolímeros de etileno-ácido acrílico (EAA), copolímeros de etil-acrilato (EEA), copolímeros de etileno-metil metacrilato, por exemplo: US 4,133,784, US 4,337,181, US 5,095,054, US 5,095,054, US 5,262,458WO 91/02025. Blendas com policaprolactona têm também sido descritas como muito eficientes (US 5,500,465). Essas blendas têm sido descritas como muito eficientes em aumentar a resistência à água do amido, além de melhorar as propriedades mecânicas dos compostos. Todavia, de um modo geral, as blendas de amido com outros polímeros apresentam dois inconvenientes: o uso de polímeros sintéticos ou modificados, mesmo quando considerados biodegradáveis, o que é discutível, pelo fato desses materiais não serem naturais e, pelo fato de que a maioria desses polímeros apresenta custos elevados, aumentando substancialmente o custo do composto final, mesmo quando utilizados em pequenas quantidades.

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4/16 [006] Uma outra abordagem descrita para melhorar em especial a resistência à água dos compostos de amido é o emprego de laminados como descrito em FR 2791603, onde placas obtidas por coextrusão de amido termoplástico recoberto por uma fina camada de policaprolactona são patenteadas para uso em materiais para embalagens resistentes à umidade. Essa solução é muito interessante, porém tem a limitação quanto ao processo de aplicação, não podendo ser utilizada, por exemplo, para se obter objetos por injeção.

[007] Recentemente, materiais compósitos reforçados por fibras ou materiais particulados têm sido descritos. A matriz pode ser amido termoplástico reforçado por fibras naturais (EP 1075188, DE 19950744), blendas de amido termoplástico e outros polímeros reforçados por serragem ou pó de madeira (US 6231970). Patentes utilizando ésteres de amido reforçados por fibras têm sido também descritas (DE 19830774 e DE 19830775). Na maioria dos casos as fibras empregadas são oriundas de vegetais como palhas de arroz e plantas como sisal, cânhamo, além de serragem de madeira, etc. Estes materiais fibrosos apresentam a vantagem de poderem ser incorporados como material picado e apresentam grande facilidade de dispersão, contudo a disponibilidade comercial desses materiais é pequena, e em alguns casos como as fibras de sisal e cânhamo, podem apresentar custos elevados se comparados com outras fibras do tipo commodities, inclusive sintéticas. Outra desvantagem desses materiais é que em geral são heterogêneos e contêm uma fração significativa de material particulado de difícil remoção que contribui pouco na melhora das propriedades mecânicas dos compósitos com eles preparados.

Objetivos, Soluções e Vantagens [008] O principal objetivo desta invenção é a obtenção de compósitos biodegradáveis de amido termoplástico reforçados com polpas celulósicas através do processo ora proposto. A função da polpa é melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à água e à umidade do amido termoplástico.

[009] Um importante aspecto da invenção se refere ao processo de dispersão e homogeneização da polpa na matriz de amido termoplástico, de modo a se

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5/16 obter uma dispersão homogênea e reprodutível das fibras pela matriz. A utilização de polpa nos referidos compostos de amido termoplástico tem também como objetivo evitar ou pelo menos minimizar o uso de outros polímeros, especialmente polímeros sintéticos nos compostos de amido termoplástico. As polpas celulósicas, especialmente de madeiras como eucaliptus e pinus são produzidas em larga escala e a baixos custos, e podem ser compradas como material regular especificado por normas internacionais, o que as torna materiais realmente disponíveis. As polpas podem ser obtidas por processos de polpação mecânica, por processos termomecânicos e por processos químicos, podendo ser branqueadas ou não.

[0010] A dificuldade em utilizar as polpas celulósicas está na sua tendência à aglomeração e dificuldade de dispersão na matriz empregada, fato que não ocorre com as fibras picadas citadas nas patentes anteriores e na patente proposta. Com relação às fibras, as polpas ainda são superiores em vários aspectos:

a) São materiais commodities e apresentam pouca variação dentro de um mesmo tipo selecionado.

(b) Apresentam tamanho de fibras muito inferiores às fibras picadas, permitindo a obtenção de filmes finos, inclusive por extrusão e sopro.

(c) Devido à sua elevada área superficial, apresentam elevada adesão à matriz polimérica.

(d) Devido a sua baixa espessura e comprimento e elevada área superficial, teores considerados baixos para um material de reforço, como 1 2%, permitem melhoras significativas das propriedades do material.

[0011] É objeto desta patente um processo para dispersão eficiente e econômica de polpas celulósicas em compostos de amido termoplástico de modo a se obter dispersões homogêneas e reprodutíveis melhorando significativamente as propriedades mecânicas dos compostos, aumentando a estabilidade dimensional dos mesmos e diminuindo a sensibilidade à água.

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Contudo, ao contrário dos processos utilizados para a obtenção de compósitos termoplásticos de fibras curtas ou picadas, não é possível dispersar polpas celulósicas secas diretamente em matrizes poliméricas e obter dispersões homogêneas. As polpas celulósicas apresentam a tendência intrínseca de formar aglomerados quando o excesso de água das dispersões desses materiais é removido. Este é o principio dos processos de fabricação de papel. Uma vez secas, dificilmente as fibras de uma polpa poderão ser separadas sem que ocorra intensiva quebra das mesmas.

[0012] A invenção ora proposta está baseada no fato de que se for possível separar as fibras de polpas celulósicas e mantê-las separadas através do “encapsulamento” das mesmas por um material na forma de pó que seja aderente à fibra, porém não aderente a si mesmo, será possível dispersá-las convenientemente em uma matriz polimérica, que poderá ou não ser constituída pelo mesmo material particulado, usado no encapsulamento das fibras. A fibra a ser dispersa poderá ser utilizada com a umidade presente ou ainda poderá ser seca parcialmente ou totalmente para posterior utilização.

[0013] A presente invenção apresenta um processo onde as fibras de polpas celulósicas úmidas são separadas e mantidas separadas pela adição de amido e processamento da mistura em equipamentos e por processos adequados. Dessa maneira obtém-se uma mistura de aspecto seco na forma de pó de amido em grânulos e fibras, Nesta, tanto as fibras como o amido estão umedecidos, o que vem posteriormente, facilitar o processamento do amido. Essa mistura é mantida por um período de tempo preestabelecido em repouso para promover a difusão da água pelos grânulos de amido e é processada em extrusora ou misturador intensivo para promover a desestruturação ou plastificação do amido, dando origem diretamente a um compósito formado por uma matriz amorfa de amido termoplástico reforçado por fibras celulósicas.

Figuras [0014] A invenção será descrita e para sua melhor compreensão, é apresentada a seguinte figura:

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Figura 1: Fluxograma do processo

Descrição da invenção [0015] O processo é composto pelas seguintes etapas:

1) Condicionamento da polpa celulósica;

2) Pesagem dos componentes;

3) Mistura dos componentes;

4) Plasticização;

5) Obtenção do compósito.

O processo desenvolve-se como explicado a seguir:

1) Condicionamento da polpa celulósica:

[0016] As polpas celulósicas preferencialmente utilizadas são as polpas de madeira, como pinus de fibras longas ou eucaliptus de fibras curtas. Essas polpas podem ser adquiridas ainda úmidas, o que pode reduzir seu custo de aquisição e irá facilitar o processo aqui descrito.

[0017] Elas podem ser obtidas por processos mecânicos, termomecânicos, químicos, enzimáticos, ou obtidas de papel ou papelão reciclado, etc. As polpas podem ser branqueadas ou não. Outras polpas que podem ser utilizadas são as polpas obtidas de plantas anuais, tais como: sisal, cânhamo, linho, curauá, coco, fibras de bananeira e juta, ou polpas obtidas de resíduos agrícolas como, por exemplo, bagaço de cana, palha de arroz, palha de milho, palha de trigo e resíduo de moagem de mandioca e as obtidas da reciclagem de papel e papelão.

[0018] Quando secas, as polpas devem ser previamente dispersas em água de forma a conter teores de água entre 50 e 400% em relação à massa seca. A dispersão é feita em dispersores de polpa. As polpas úmidas que não foram secas no processo de polpação podem ser utilizadas diretamente.

[0019] A utilização de polpa celulósica apresenta vantagens em relação a outras fibras por ser mais barata e haver grande disponibilidade destas.

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8/16 [0020] A quantidade de polpa a ser utilizada pode variar de 1 a 75% em peso, sendo que concentrações inferiores a 1% se tornam ineficazes, mesmo para fibras muito finas e as de elevadas áreas superficiais e concentrações superiores a 75% são de difícil incorporação, gerando misturas com elevadas viscosidades, difíceis de serem processadas.

2) Pesagem dos componentes:

[0021] Definida a formulação, cada um dos constituintes será pesado em balança de acordo com as concentrações pré-fixadas.

[0022] Além da polpa celulósica, os outros componentes utilizados são escolhidos antes do início do processo, entre eles, o amido que pode ser amido regular e pode também ser um amido especial como as variedades com altos teores de amilose ou ainda amilopectina pura, como os amidos cerosos.

[0023] Trata-se de um material de baixo custo, assim como as polpas celulósicas. É utilizado, amido em grânulos purificado ou contido em grãos moídos ou farinhas de tubérculos, composto de polímeros lineares ou ramificados de unidades de α-D-glicopiranose, em proporções que podem variar de 40 a 90% em peso, considerando todos os componentes na base seca.

[0024] O amido utilizado pode ser selecionado das seguintes fontes: milho, trigo, arroz, mandioca, batata, centeio, aveia, além de amido especial como as variedades com altos teores de amilose ou ainda, amilopectina pura, como os amidos cerosos. Caso a farinha utilizada como fonte de amido contenha fibras, a porcentagem de polpa celulósica deve ser corrigida, considerando-se tal porcentagem de fibra da farinha.

[0025] Além da polpa celulósica e amido, são incluídos os seguintes componentes para os compósitos:

a. Um plastificante de baixa ou alta massa molecular, que não a água, que apresente grupos capazes de formar ligações hidrogênio, tais como: -OH, -NH, -NH2, -COOH, que apresentam ponto de ebulição superior a 180^oC em concentrações que podem variar de 0 a 70% deve ser utilizado. Concentrações

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9/16 superiores a 70% tem grande tendência a provocar exudação do plastificante e devem ser evitadas. São exemplos de plastificantes que podem ser utilizados: glicerol, etileno glicol, entre outros.

b. Opcionalmente, materiais fibrosos como serragem de madeira, fibras moídas de plantas anuais ou oriundas de resíduos agro-industriais, em quantidades que podem variar de 5 a 50% em peso.

c. Um agente de processamento que tenha como objetivo reduzir a viscosidade da mistura e facilitar a desmoldagem do material diminuindo a aderência deste, tanto aos equipamentos de processamento como aos moldes. Podem ser citados como exemplos de agente de processamento: ácido esteárico ou seus sais de magnésio, cálcio e outros, ou ainda misturas destes, ceras naturais como carnaúba e cera de abelha, parafinas, ceras microcristalinas, óleos vegetais, óleos vegetais hidrogenados, ceras de origem animal, parafina clorada, ceras fluoradas, entre outros, em teores compreendidos entre 0,1 e 15%. Sendo que teores inferiores a 0,1% costumam apresentar efeito reduzido e teores superiores a 15% podem provocar exudação excessiva do agente de processo.

d. Opcionalmente, pigmentos ou corantes, agentes fungicidas, agentes antiestáticos, agentes modificadores de odor e outros componentes que visem a modificar ou adicionar características específicas ao produto desta patente. Estes componentes podem ser adicionados em teores de 0,1 a 10% em peso do total.

e. Cargas minerais como carbonato de cálcio, talco, caulina, óxido de magnésio, sílica, argila, sulfato de bário, sulfato de cálcio, caulim, alumina hidratada, sílica amorfa, carbonato de magnésio, dióxido de titânio, perlita, vermiculita, metassilicato de cálcio, mica, entre outros, podem ser adicionadas com o objetivo de reduzir custos e modificar propriedades como estabilidade dimensional em teores de 5 a 50% em peso.

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f. Cargas minerais solúveis, tais como: nitrato de potássio ou sódio, nitrato de amônia, sulfato de potássio, sulfato de sódio, fosfato de potássio, hidrogenofosfato de potássio, bicarbonato de sódio, carbonato de sódio e carbonato de amônia e outras podem ser adicionadas em teores de 1 a 25% em peso. Essas cargas têm como objetivo acelerar a biodegradação e servir como nutrientes para vegetais, fungos e bactérias. Teores superiores a 25% não são recomendados, pois podem gerar materiais extremamente frágeis.

g. Opcionalmente, um outro polímero natural, natural modificado ou sintético tais como: proteínas, ésteres de celulose e de amido, resinas alquídicas, poliésteres, poliuretanas, copolímeros de etileno com ácido acrílico, acetato de vinila, etil acrilato, metil acrilato vinil álcool e outros podem ser utilizados em quantidade minoritária, não superiores a 10% em peso, para modificar características específicas desejadas.

[0026] A composição básica, considerada ideal para obtenção do compósito é composta por 40 a 90% em peso de amido, 2,5 a 50% em peso de glicerol e de 1 a 45% em peso de polpa, todas as quantidades expressas com base nos materiais secos. Os demais componentes descritos nesta etapa podem ser adicionados em função da utilização que se pretende do compósito obtido, ou seja, tais componentes deverão ser acrescentados de forma a se atingir as características desejadas para o produto a ser obtido com a transformação do composto termoplástico.

3) Mistura dos componentes:

[0027] Esta etapa é conduzida em equipamentos misturadores que promovem a mistura dos componentes por divisão, de modo à progressivamente ir separando as fibras da polpa celulósica úmida, que em presença do amido em grânulos ou de cereais e tubérculos moídos irá se revestir desses materiais, evitando assim sua re-aglomeração. Esse processo pode ser conduzido em equipamentos que trabalham em batelada ou em processos contínuos. As fibras devem ficar envolvidas pelo amido e o teor de umidade deve ser controlado através de pesagem seguida de secagem em estufa a 105°C, por 1 hora.

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11/16 [0028] A dispersão da polpa úmida em amido por processo de mistura física é feita à temperatura ambiente, de modo a se obter uma mistura não aglomerada e homogênea de polpa e amido. São exemplos de equipamentos capazes de realizar tal etapa: betoneiras, misturadores de pás de alta ou baixa velocidade, misturadores cilíndricos com pás internas do tipo ribbon blender, misturadores que operem com injeção de ar comprimido, misturadores rotativos cilíndricos ou do tipo “Y”, enfim qualquer misturador capaz de separar as fibras da polpa úmida. O tempo de processamento irá depender do tipo de misturador empregado, da proporção de fibra com relação ao amido a ser dispersa e do tipo de fibra. Polpas mecânicas e termomecânicas apresentam uma maior facilidade de dispersão e são preferíveis. Alternativamente, é possível nessa fase do processo remover parcial ou quase totalmente a água presente, obtendo-se assim uma mistura homogênea na forma de pó de fibras envolvidas pelo amido, não havendo transformação química.

[0029] Os componentes podem ser adicionados em uma mesma etapa, ou se acrescentar os componentes aditivos após o amido, plastificante e polpa, ou ainda, fazer primeiro a mistura de amido e plastificante e após adicionar as fibras.

[0030] Em alguns casos, a mistura poderá ser deixada em repouso, para que haja difusão da água contida no meio pelos grânulos de amido, variando-se o tempo e temperatura em função das características desejadas para o compósito a ser produzido.

4) Processamento da mistura:

[0031] Nesta etapa, é feito o processamento a quente com pressão e cisalhamento (plasticização) da mistura, sendo o amido totalmente plastificado. A mistura obtida na etapa anterior (4), é conduzida a equipamentos utilizados convencionalmente pela indústria de plásticos, e, tem como função promover a desestruturação ou plasticização do amido e sua mistura com as fibras, no estado fundido. Devido à excelente dispersão das fibras no amido é possível utilizar uma extrusora de rosca simples, ao invés de extrusoras de rosca dupla,

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12/16 reduzindo assim os custos, sem perda de qualidade do composto final, em temperaturas de 90 a 170^oC. Também podem ser utilizados para plasticização misturadores intensivos fechados ou cilindros aquecidos.

5) Obtenção do compósito:

[0032] O material obtido na forma de pélete pode ser seco (em secadores próprios ou estufas), ou não, de forma a atingir os teores de água especificados e então, embalado. Obtém-se dessa forma um compósito formado por uma matriz amorfa de amido termoplástico reforçado por fibras celulósicas. A partir deste compósito poderão ser obtidos vários produtos por meio de técnicas para transformação de plásticos, tais como: injeção, extrusão, termoformagem, extrusão/injeção seguida de sopro, etc, sendo os referidos compostos biodegradáveis, com boas propriedades mecânicas e boa resistência à umidade.

[0033] Com o objetivo de facilitar a compreensão do invento, alguns exemplos serão apresentados a seguir, entretanto, eles têm apenas caráter demonstrativo, não ficando o invento limitado aos exemplos aqui apresentados. Todas as quantidades apresentadas em percentual se referem à porcentagem em peso dos materiais secos na composição total, exceto nos casos onde for indicado outro critério. São apresentadas 4 composições, nas quais o amido é reforçado com polpa celulósica e uma quinta composição, denominada de referência, preparada sem a presença da polpa, para que seja possível comparar os resultados das propriedades mecânicas obtidas.

Exemplo 1(a) 500 g de polpa celulósica seca de eucaliptus branqueada obtida pelo processo Kraft foi dispersa em água e desaguada para 35/65 de polpa/água, e então colocada em um misturador rotativo do tipo “Y” com 8580g de amido de milho regular contendo 28% de amilopectina e 12% de água foi adicionado. Foram em seguida, adicionados 1900g de glicerol, 50g de ácido esteárico e o misturador foi ligado, ficando em operação por 3 horas. A mistura resultante na forma de um pó floculado, de aspecto homogêneo foi descarregada e mantida

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13/16 em repouso por 12 horas. A composição resultante em termos do material seco é: 75,5% de amido, 19% de glicerol, 5% de polpa e 0,5% de ácido esteárico.

(b) A mistura obtida em (a) foi extrudada em uma extrusora de rosca dupla B&P (L/D = 25) de 19 mm de diâmetro, operando a 120 rpm, utilizando-se o seguinte perfil de temperatura, 50^oC, 95^oC, 125^oC, 150^oC, 90^oC e cabeçote a 90^oC. O material extrudado foi peletizado e seco para umidade residual de 10%.

(c) O material obtido em (b) foi injetado em uma injetora Arburg Allrounder 270V, operando a 120^oC. O material foi injetado em corpos de prova do tipo borboleta conforme ASTM D 638M.

[0034] Os corpos de prova foram testados em uma máquina de tração Instron a 50 mm/min, temperatura de 23 + 2^oC e umidade relativa de 50 + 5 %. Para os referidos ensaios os corpos de prova foram previamente condicionados em um ambiente com 54% de umidade relativa por 5 dias. Testes de absorção de água foram realizados com os materiais previamente secos, submetidos em ambientes com 97% de umidade relativa com acompanhamento do ganho de massa até o equilíbrio. Para efeitos de comparação um material similar contendo apenas amido e glicerol foi testado e os resultados são apresentados conjuntamente na tabela 1.

Exemplo 2 [0035] Neste exemplo, a composição contém 59,5% em peso de amido, 25% em peso de glicerol e 15% em peso de polpa e 0,5% em peso de ácido esteárico (considerando os materiais secos) e foi preparada de acordo com o exemplo 1.

Exemplo 3 (a) 1430 g de polpa celulósica termomecânica de eucaliptus contendo 35% de matéria seca, foi colocada em um misturador rotativo do tipo “Y” com 8580g de amido de milho regular contendo 28% de amilopectina e 12% de água foi adicionado. Foram em seguida adicionados, 1900g de glicerol, 50g de ácido esteárico e o misturador foi ligado, ficando em operação por 3 horas. A

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14/16 mistura resultante na forma de um pó floculado, de aspecto homogêneo foi descarregada e mantida em repouso por 12 horas. A composição resultante em termos do material seco é: 75,5% de amido, 19% de glicerol, 5% de polpa e 0,5% de ácido esteárico.

[0036] Os corpos de prova foram testados em uma máquina de tração Instron a 50 mm/min, temperatura de 23 + 2^oC e umidade relativa de 50 + 5 %. Para os referidos ensaios os corpos de prova foram previamente condicionados em um ambiente com 54% de umidade relativa por 5 dias. Testes de absorção de água foram realizados com os materiais previamente secos, submetidos em ambientes com 97% de umidade relativa com acompanhamento do ganho de massa até o equilíbrio.

Exemplo 4 [0037] Neste exemplo, a composição contém 59,5% em peso de amido, 25% em peso de glicerol e 15% em peso de polpa termomecânica adicionada úmida e 0,5% em peso de ácido esteárico (considerando os materiais secos) e foi preparada de acordo com o exemplo 3.

Composição de referência [0038] Uma composição contendo 69,5% em peso de amido, 30% em peso de glicerol e 0,5% em peso de ácido esteárico (considerando os materiais secos) foi preparada de acordo com o exemplo 1, procedendo-se na etapa (a) a

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15/16 mistura do amido e do glicerol. A quantidade de glicerol utilizada em relação ao amido é similar àquelas observadas nos exemplos 2 e 4.

Tabela 1 - Resultados dos ensaios mecânicos e de absorção de umidade realizados nos compósitos dos exemplos mencionados.

Experimento	Exemplo 1	Exemplo 2	Exemplo 3	Exemplo 4	Composição de referência
Tipo de polpa usada	Kraft	Termomecânica
Composição (%)	Amido	75,5	59,5	75,5	59,5	69,5
Glicerina	19,0	25,0	19,0	25,0	30,0
Polpa	5,0	15,0	5,0	15,0	-
Ácido esteárico	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Ensaios	Módulo de Young (MPa)*	120	400	180	500	65
Limite de resistência (MPa) *	6	12	8	13	4
Absorção de Água (% em peso) **	24	22	25	22	50

* De acordo com ASTM D 638M **Absorção de água de equilíbrio dos materiais condicionados em ambiente condicionado a 97% de umidade relativa de acordo com ASTM E 104.

[0039] Como pode ser observado nos dados da tabela 1, ocorreu uma melhora significativa nas propriedades mecânicas dos compósitos exemplificados, com relação ao material de referência não reforçado com polpa celulósica. Pode-se observar também que, os compósitos reforçados com polpa celulósica absorvem uma quantidade de água bastante inferior à do material de referência. Esses resultados mostram efetivamente que o processo objeto desta patente permite a obtenção de materiais que absorvem menor quantidade de água e apresentam propriedades mecânicas muito superiores as do amido termoplástico sem fibras. Essas melhoras observadas em relação ao amido

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16/16 termoplástico não reforçado permitem viabilizar a utilização destes materiais compósitos para a produção de uma grande gama de materiais. O compósito obtido no processo descrito será utilizado nas indústrias de plástico, que utilizam técnicas como: injeção, extrusão, termoformagem, extrusão/injeção seguida de sopro, entre outras, apresentando propriedades como biodegradabilidade. Alguns exemplos de materiais que podem ser produzidos com esses compósitos são: potes para plantio, pratos para alimentos, chapas termoformadas para uso em embalagens, materiais injetados, como talheres descartáveis, perfis extrudados e outras aplicações que exigem propriedades mecânicas razoáveis com alguma resistência à umidade.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1) Condicionamento da polpa celulósica pela:

a) Dispersão das polpas secas de celulose em água, sob agitação mecânica;

b) Remoção do excesso de água da polpa dispersa por prensagem em desaguadores, de modo que a polpa dispersa contenha água em teores de 50 a 400% em relação à massa seca da polpa;

1. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas:

2/6

2. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser a polpa celulósica de madeiras de fibras curtas ou longas.

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2) Pesagem do amido, da polpa de celulose desaguada, do plastificante, de auxiliares de processamento e de componentes opcionais, como cargas minerais, polímeros naturais ou sintéticos, pigmentos, corantes, agentes anti-estáticos, agentes modificadores de odor, etc.;

3/6 componentes feita em misturadores mecânicos que permitam obter uma mistura homogênea do amido e da polpa, variando o tempo de mistura em função do tipo de misturador utilizado.

3. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser a polpa celulósica da reciclagem de papel e papelão.

3) Mistura do amido com a polpa de celulose desaguada e com plastificante, e, opcionalmente, outros componentes, em misturadores mecânicos capazes de separar as fibras da polpa úmida e mantê-las separadas;

4/6

4. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser a polpa celulósica de plantas anuais selecionados dentre: sisal, cânhamo, linho, curauá, coco, fibras de bananeira e juta.

4) Plasticização da mistura de amido obtido na etapa (3), tendo um teor de água na faixa de 15-25%, em equipamentos de extrusão aquecidos em temperaturas na faixa de 90 °C até 170°C, durante o tempo necessário para completa plasticização do amido nativo;

5/6 cargas minerais solúveis que permitam acelerar a biodegradação e servir como nutrientes para vegetais, fungos e bactérias, na faixa de 1 a 25% em peso.

5. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser a polpa celulósica de resíduos agrícolas, selecionados dentre: bagaço de cana, palha de arroz, palha de milho, palha de trigo e resíduo de moagem de mandioca.

5) Obtenção do compósito formado por uma matriz de amido termoplástico reforçado com fibras celulósicas por peletização do material extrusado na etapa (4) e opcionalmente secagem posterior para redução da umidade.

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6. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser utilizado amido selecionado das seguintes fontes: milho, trigo, arroz, mandioca, batata, centeio, aveia e outros vegetais que apresentem concentrações de amido viáveis ao processo.

7. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser usado amido na forma de grãos moídos, grânulos purificados e farinha.

8. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser o amido utilizado composto de polímeros lineares ou ramificados de unidades de a-Dglicopiranose.

9. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser a mistura dos

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10. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com a reivindicação 9 caracterizado por ser a mistura obtida opcionalmente deixada em repouso variando-se o tempo e temperatura em função das características desejadas para o compósito.

11. “PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO REFORÇADO COM FIBRAS CELULÓSICAS” de acordo com as reivindicações 9 e 10 caracterizado por se obter compósitos formados por uma matriz amorfa de amido termoplástico reforçado por fibras celulósicas.

12. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO COM REFORÇO DE FIBRAS CELULÓSICAS” caracterizado pelo fato de ser formado por 40 a 90% em peso de amido, 1 até 75% em peso de polpa de celulose, de 1 até 70% em peso de um plastificante, de 0,1 até 15% em peso de um agente de processamento, e ser obtido pelo processo tal como definido na reivindicação 1.

13. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por ser o plastificante selecionado de uma substância que apresente grupos capazes de formar ligações hidrogênio.

14. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por ser o plastificante selecionado de compostos hidroxilados.

15. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com as reivindicações 13 e 14, caracterizado pelo fato de ser o plastificante selecionado de uma substância que apresenta ponto de ebulição superior a 180^oC.

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16. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por ser o agente de processamento selecionado entre: ácido esteárico ou seus sais de magnésio, cálcio e outros ou ainda misturas destes, ceras naturais, parafinas, ceras microcristalinas, óleos vegetais, óleos vegetais hidrogenados, ceras de origem animal, parafina clorada e ceras fluoradas.

17. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o compósito compreende, opcionalmente, 5-50% em peso de carga orgânica, 5 a 50% em peso de cargas minerais, 0,1 a 10% em peso de pigmentos ou corantes, até 10% de polímeros naturais, naturais modificados ou sintéticos, agentes fungicidas, agentes modificadores de odor, e outros agentes que visem modificar ou adicionar características específicas ao produto.

18. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 17 caracterizado pelo fato de serem adicionados opcionalmente uma carga orgânica obtida de materiais fibrosos e fibras moídas de plantas anuais ou oriundas de resíduos agro-industriais, na faixa de 5 a 50% em peso.

19. COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com as reivindicações 17 e 18 caracterizado pelo fato de a carga orgânica consistir de serragem de madeira, fibras moídas de sisal, cânhamo, linho, bagaço de cana, palha de arroz, curauá, coco, fibras de bananeira, juta, palha de milho, palha de trigo e resíduo de moagem de mandioca.

20. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 17 caracterizado por serem as cargas minerais: carbonato de cálcio, talco, caulina, óxido de magnésio, sílica, argila, caulim, alumina hidratada, sílica amorfa, carbonato de magnésio, dióxido de titânio, perlita, vermiculita, sulfato de bário, sulfato de cálcio, metassilicato de cálcio e mica.

21. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 20 caracterizado pelo fato de serem adicionadas

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22. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com as reivindicações 20 e 21 caracterizado por serem as cargas minerais solúveis: nitrato de potássio, nitrato de sódio, nitrato de amônia, sulfato de sódio, sulfato de potássio, fosfato de potássio, hidrogeno-fosfato de potássio, bicarbonato de sódio, carbonato de sódio e carbonato de amônia.

23. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 17 caracterizado por ser o polímero adicional selecionado do grupo das proteínas: gelatina, colágeno e zeína.

24. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 17 caracterizado por ser selecionado como polímero adicional do grupo de polímeros naturais modificados: acetato de celulose, butirato de celulose, isopropionato de celulose, propionato de celulose, acetato de amido, butirato de amido, isopropionato de amido e propionato de amido, carboximetil celulose, hidroxietil celulose, hidroxipropil celulose, carboximetil amido, hidroxietil amido, hidroxipropil amido, policaprolactona, poliácido lático, polihidroxibutirato, polihidroxivalerato.

25. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 17 caracterizado por ser selecionado como polímero adicional do grupo de polímeros sintéticos: álcool polivinílico, poliuretanas hidroxiladas, poliésteres hidroxilados, copolímeros de etileno com vinil álcool, vinil acetato, etil vinil acetato, metil acrilato, etil acrilato, propil vinil acetato, polivinil butiral, polivinil formal.

26. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com a reivindicação 12 caracterizado por ser o compósito formado por 40,0 a 90,0% em peso de amido, 2,5 a 50,0% de glicerol e 1,0 a 45,0% em peso de polpa de celulose, expressos com base nos materiais secos.

27. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 26, caracterizado por ter os compósitos módulos de Young na faixa de 50 a 2500 MPa.

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28. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 26, caracterizado por ter os compósitos limites de resistência na faixa de 5 a 80 MPa.

29. “COMPÓSITO TERMOPLÁSTICO BIODEGRADÁVEL DE AMIDO” de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 26, caracterizado por ter os compósitos absorção de água na faixa de 2 a 40% em peso.