BRPI0804101A2 - material compósito contendo material termoplástico e material protéico e processo de obtenção - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere à composição e o processo de obtenção de materiais compósitos contendo materiais termoplásticos convencionais, biopolímeros biodegradáveis termoplásticos e material proteico. Neste trabalho foi utilizada a torta de mamona como carga para a obtenção de materiais compósitos preparados a partir de polímeros largamente difundidos, tais como, o poliestireno de alto impacto (HIPS), o polietileno de baixa densidade linear (PEBOL ou LDPE), o polipropileno (PP) e um biopolímero biodegradável como o polihidróxialcanoato (PHA). No caso dos três primeiros polímeros, o objetivo do preparo de materiais compósitos utilizando torta de mamona seria aumentar a biodegradabilidade do material, sem comprometer as propriedades mecânicas do mesmo, uma vez que esses polímeros são largamente empregados na confecção de produtos de curta vida útil, tais como, copos descartáveis, sacolas plásticas, potes e embalagens. No caso dos polihidróxialcanoatos (PHAs), a adição do resíduo de mamona fermentado como carga poderia propiciar uma redução do custo de produção do material, com manutenção ou melhoria de suas propriedades. Os materiais compósitos obtidos, desta maneira, apresentam boas propriedades mecânicas e térmicas. A gama de compósitos assim preparados encontra aplicação nas indústrias que empregam a madeira maciça e indústrias da área de construção civil, podendo também ter aplicação em produtos descartáveis.

Description

MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAL TERMOPLÁSTICO EMATERIAL PROTEICO E PROCESSO DE OBTENÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção está relacionada com um material compósitobaseado em material termoplástico e material proteico e seu respectivoprocesso de obtenção, com o objetivo de substituir plásticosconvencionais, de maneira a evitar os problemas ambientais causadospela utilização em grande escala dos plásticos de origem petroquímica.

Mais especificamente, neste invento foi utilizado material proteico, taiscomo, a torta de mamona como carga para a obtenção de materiaiscompósitos, preparados a partir de polímeros largamente difundidos,objetivando aumentar a biodegradabilidade do material sem comprometeras propriedades mecânicas do mesmo, uma vez que esses polímeros sãolargamente empregados na confecção de produtos de curta vida útil, taiscomo, copos descartáveis, sacolas plásticas, potes e embalagens.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

O difundido consumo de plásticos convencionais em substituição aoutros materiais, como madeira, vidro e aço, tem gerado uma maiorpreocupação das autoridades e do público em geral com relação àdisposição final destes materiais, uma vez que, não são biodegradáveis ea reciclagem destes produtos nem sempre é possível. Essa preocupaçãotem suscitado a busca por soluções alternativas no sentido de encontrardestino adequado ao lixo plástico e/ou reduzir a quantidade de resíduosgerados através, por exemplo, do desenvolvimento de polímeros, blendaspoliméricas ou compósitos biodegradáveis. Esta substituição dos plásticosconvencionais por polímeros ou materiais compósitos biodegradáveis podeser encarada como uma opção de maneira a evitar os problemasambientais causados pela utilização, em grande escala, dos plásticos deorigem petroquímica.

Esta inquietação em relação às questões ambientais tem levado nãosomente à preocupação em relação à geração e acúmulo de rejeitosplásticos, como também de todo e qualquer tipo de rejeito. A torta demamona é um co-produto gerado no processo de obtenção do biodiesel apartir da semente da mamona, conforme descrito no pedido de patente PI0105888-6. A sustentabilidade ambiental e economicidade do processo deprodução de biodiesel a partir da mamona requerem o aproveitamento evaloração deste resíduo. No trabalho que originou este pedido de patente,foi utilizada a torta de mamona como carga para a obtenção de materiaiscompósitos preparados a partir de polímeros largamente difundidos, taiscomo, o poliestireno de alto impacto (HIPS), o polietileno de baixadensidade linear (PEBDL ou LDPE), o polipropileno (PP) e biopolímerosbiodegradáveis como polihidroxialcanoatos (PHAs).

Para minimizar o impacto causado pela geração deste resíduo demamona estudou-se a incorporação destes resíduos, in natura e apósfermentação em estado sólido, como carga para compósitos obtidos apartir de resinas termoplásticas. No caso do poliestireno de alto impacto(HIPS), polietileno de baixa densidade linear (PEBDL ou LDPE) epolipropileno (PP), o objetivo do preparo de materiais compósitos comresíduo de mamona seria aumentar a biodegradabilidade do material, semcomprometer as propriedades mecânicas do mesmo, uma vez que essespolímeros são largamente empregados na confecção de produtos de curtavida útil, tais como, copos descartáveis, sacolas plásticas, potes eembalagens. No caso dos polihidroxialcanoatos (PHAs), a adição doresíduo de mamona fermentado como carga poderia propiciar umaredução do custo de produção do material, com manutenção ou melhoriade suas propriedades.

A importância desta invenção está relacionada a aspectoseconômicos e ambientais, uma vez que a utilização de um co-produtogerado no processo de obtenção do biodiesel a partir da semente aumentaa sustentabilidade ambiental e a economicidade do processo, através davaloração deste resíduo.

ESTADO DA TÉCNICA

Os polímeros oriundos do petróleo constituem a matéria-prima paraa fabricação de diversos utensílios plásticos que são materiais largamenteutilizados atualmente. No entanto, por possuírem natureza nãobiodegradável tornam-se um grande problema do ponto de vista ambiental,pois levam em média 100 anos para serem totalmente decompostos.

A substituição dos polímeros convencionais por polímeros, blendasou compósitos biodegradáveis pode ser hoje considerada como umaalternativa capaz de evitar muitos problemas ambientais provenientes doconsumo cada vez maior dos chamados termoplásticos de origempetroquímica. Desta maneira, os biopolímeros que são definidos comomateriais poliméricos derivados de fontes renováveis que podemapresentar ou não biodegradabilidades, mostram-se mais atrativos doponto de vista ecológico, visto que, mesmo que não apresentem taxa debiodegradabilidade elevada, são oriundos de matéria-prima renovável.

Um material compósito é definido como uma combinaçãomacroscópica de dois ou mais materiais de maneira que a mistura adquiracaracterísticas diferentes dos constituintes, quando avaliados em separado(Morton, J., Cantwell, W.J. Composite Materials, Chapter in Kirk OthmerEncyclopedia of Chemical Technology, 4th Ed., Vol.7, John Wiley & Sons,NY, p.1, 1994). Existem vários exemplos deste sinergismo na natureza,tais como, as madeiras, as folhagens, os dentes e os ossos. Os materiaiscompósitos representam uma das commodities que mais crescem nomercado mundial. O mercado convencional para estes materiais ébaseado nas áreas de construção civil, industrial, transporte eaeroespacial, sendo que, para esta última, a escala ainda é bem pequena.

Nos últimos anos verifica-se uma busca por alternativas quepermitam a obtenção de compósitos biodegradáveis principalmente paraaplicações em produtos descartáveis.Os produtos descartáveis constituem um grande problema sob aótica ambiental, visto que, em sua grande maioria, os plásticos utilizadospara a confecção destes produtos são recalcitrantes à biodegradação.

Uma alternativa para aumentar a biodegradabilidade destes materiaiscompósitos seria a introdução de biopolímeros ou materiaisbiodegradáveis em sua composição. Supõe-se que a presença dequantidades variadas de polímeros naturais, biopolímeros e materiaisbiodegradáveis em blendas ou compósitos possam auxiliar na degradaçãodo componente sintético.

O estado da técnica evidencia que pesquisas têm sido realizadascom o intuito de obtenção de materiais compósitos utilizando um polímerotermoplástico oriundo do petróleo e matérias-primas renováveis dediferentes fontes.

O pedido de patente PI 0106351-0 descreve materiais compósitoscompreendendo material termoplástico e fibra vegetal lignocelulósica.

O pedido de patente PI 0402485-0 refere-se a um materialcompósito contendo fibras vegetais, resíduos industriais e cargas mineraisassociados a uma resina termoplástica.

No entanto, não encontramos nenhum trabalho que versasse sobrea utilização de material proteico como carga para estes compósitos.

Dentre os biopolímeros produzidos por microorganismos temos ospolihidroxialcanoatos (PHAs), que constituem uma ampla família depoliésteres obtidos por biossíntese direta a partir de carboidratos, dealguns óleos vegetais e de glicerol. Estes biopoliésteres apresentampropriedades semelhantes a polímeros amplamente empregados naatualidade, tais como: polipropileno e o polietileno de alta densidade linear.

Existem dois processos distintos para geração de PHAs: afermentação submersa e a fermentação em estado sólido (FES).

O primeiro processo é aquele que vem sendo tradicionalmenteempregado na produção de PHAs, porém os custos de manufatura sãomuito elevados. Já o uso da fermentação no estado sólido (FES) foiproposto com o objetivo de reduzir os custos do processo (Oliveira, F.C.,Freire, D.M.G., Castilho, LR. Productin of poly(3-hydroxybutyrate) by solidstate fermentation with Ralstonia eutropha. Biotechnology Letters, Volume26, pages 1851-1855, 2004). Além do uso de matérias-primas de baixocusto (resíduos agroindustriais), a FES permite o uso direto de sólidosfermentados contendo o bioproduto e eliminando a necessidade de efetuaras etapas de separação e purificação que, no caso de processos deprodução de biopolímeros por fermentação submersa, constituem cerca de40% dos custos totais de produção.

Uma das etapas deste trabalho inclui o emprego da torta demamona fermentada, contendo a biomassa microbiana com o biopolímeroem seu interior, eliminando-se por completo as etapas de recuperação dospolímeros e empregando-se os sólidos fermentados diretamente nopreparo de materiais compósitos com diferentes polímeros comerciais.

O processo de fermentação em estado sólido (FES) é bastantecaracterístico e utiliza substratos insolúveis com baixas porcentagens deágua em sua composição, os quais devem atuar tanto como suportefisiológico quanto como nutrientes na ausência de água livre. Naformulação do meio de fermentação várias fontes de carbono (substratoprincipal) são utilizadas: farelo de trigo, farelo de arroz, farelo de cevada,bagaço de cana-de-açúcar, torta de coco, torta de soja, torta de babaçu,torta de mamona, entre outros, além da incorporação opcional de algumafonte de carbono indutora para a produção de lipases (óleos, ácidosgraxos, detergentes). Em alguns casos, fontes de nitrogênio complementarsão utilizadas: licor de milho, extrato de levedura, uréia, sais de amônio eoutros. Sais metálicos e micro-elementos podem ser suplementados parasuprir as necessidades do microrganismo.

Nos últimos anos, a técnica de fermentação em estado sólido temrecebido uma maior atenção dos pesquisadores, tanto para produção deenzimas, quanto para obtenção de substâncias de interesse da indústriade alimentos, pois tem mostrado que pode ofertar maior produtividade ouprodutos com melhores características do que a fermentação submersa.

Além disso, há a possibilidade de utilização de substratos de baixo valoragregado, diminuindo assim o custo da produção.

Desde 1986, há no Brasil uma série de pesquisas sendodesenvolvidas a fim de agregar valor aos produtos e subprodutos daagricultura tropical, principalmente pelo aumento da geração de resíduosagroindustriais na região. A utilização dos resíduos da agroindústriabrasileira, além de fornecer diferentes alternativas de substratos parafermentação, também ajuda na diminuição dos problemas de poluição.

O processo seletivo dos substratos sólidos depende de váriosfatores, entre eles, o custo e viabilidade envolvendo assim a investigaçãode diferentes resíduos agroindustriais. Estes, normalmente são ricosnutricionalmente, sendo que no processo de fermentação em estado sólidoeles fornecem, não somente, os nutrientes para a cultura, mas tambémservem como suporte das células microbianas.

A torta de mamona é o mais tradicional e importante subproduto dacadeia produtiva da mamona, produzida a partir da extração do óleo dassementes desta oleaginosa {Ricinus communis). Em todo o mundo, seuuso predominantemente tem sido como adubo orgânico de boa qualidade,pois é um composto ricamente nitrogenado, eficiente na recuperação deterras esgotadas.

O Brasil é o terceiro produtor mundial de mamona tendo produzidoaproximadamente 210 mil toneladas na safra 2004/2005. A produçãoconcentra-se na região Nordeste, destacando-se o Estado da Bahia comoresponsável por cerca de 90% do volume total. O processo dedescascamento e extração do óleo de mamona produz dois importantesresíduos: a casca do fruto e a torta. O adequado aproveitamento dessesprodutos permite o aumento das receitas da cadeia produtiva econseqüentemente a sua rentabilidade. As cascas de mamona sãogeradas na propriedade rural, muitas vezes ao lado da plantação demamona, enquanto a torta é gerada na indústria de extração do óleo, quegeralmente está situada a grande distância da plantação.Tradicionalmente, estes dois produtos têm sido utilizados como aduboorgânico, sendo a torta comercializada por conter alto teor de nitrogênio eas cascas apenas levadas de volta para dentro da lavoura ou aproveitadana própria fazenda.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Esta invenção está relacionada com a produção de materiaiscompósitos baseados em polímeros covencionais e biopolímeros, taiscomo poliestireno de alto impacto (HIPS), polietileno de baixa densidadelinear (PEBDL ou LDPE), polipropileno (PP) e polihidroxialcanoato (PHA)e material proteico (ex: torta de mamona) in natura e fermentado. A grandedificuldade encontrada em relação à aplicação dos poliésteres, tipopolihidróxibutirato (PHB), em larga escala, reside no fato deles terem suaprodução atrelada a elevados custos. Quando comparado aos plásticosobtidos por via petroquímica, os biopolímeros possuem um custo total deprodução cerca de quatro vezes mais elevado. Por isto torna-seimprescindível o desenvolvimento de processo de baixo custo para aprodução destes biopolímeros como o processo de fermentação no estadosólido.

No caso dos três primeiros polímeros, o objetivo do preparo demateriais compósitos utilizando resíduo de mamona seria aumentar abiodegradabilidade do material, sem comprometer as propriedadesmecânicas do mesmo, uma vez que esses polímeros são largamenteempregados na confecção de produtos de curta vida útil, tais como, coposdescartáveis, sacolas plásticas, potes e embalagens. No caso dopolihidroxialcanoato (PHA), a adição do resíduo de mamona fermentadocomo carga poderia propiciar uma redução do custo de produção do mate-rial, com manutenção ou melhoria de suas propriedades.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Para que o entendimento da invenção fique mais claro, é ilustrado aseguir um desenho esquemático, em anexo, que deverá ser observado emconjunto com a descrição da invenção.

A Figura 1 ilustra as propriedades mecânicas de misturas depolihidróxibutirato (PHB) e resíduos de mamona fermentados (RMF).

A Figura 2A e 2B ilustra as propriedades mecânicas (2A) epropriedades térmicas (2B) de misturas de poliestireno de alto impacto(HIPS) e resíduo de mamona não fermentado (RMNF).

A Figura 3 ilustra as propriedades mecânicas das misturas depolipropileno (PP) e resíduo de mamona não fermentado (RMNF).

A Figura 4A e 4B ilustra as propriedades mecânicas (4A) epropriedades térmicas (4B) das misturas de polietileno de baixa densidadelinear (PEBDL ou LDPE) e resíduo de mamona não fermentado (RMNF).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito a um material compósito obtido apartir de materiais termoplásticos, tais como, polímeros convencionais ebiopolímeros biodegradáveis, e materiais proteicos. Foram realizadasmisturas de polihidroxialcanoatos (PHAs), poliestireno de alto impacto(HIPS), polipropileno (PP) e polietileno de baixa densidade linear (PEBDL)com torta de mamona variando a granulometria, o teor de carga e o tempogasto no preparo da mistura. As misturas de resíduo de mamona com ospolímeros foram preparadas em câmara de mistura Haake Rheocord 9000.

Com o resíduo da mamona, in natura e após fermentação em estadosólido, devidamente cominuído e peneirado, foram preparadas misturascom os quatro diferentes polímeros (PHB, HIPS, PP e PEBDL). Apercentagem em peso do material proteico variou de 5% a 60%; agranulometria do resíduo de mamona variou de 45 um a 256 um e o tempode mistura variou de 5 min a 10 min. Foi feita a homogeneização damistura em temperaturas entre 20°C e 200°C e posterior moldagem damistura.

A fermentação no estado sólido permite o uso direto de sólidosfermentados contendo o bioproduto e eliminando a necessidade de efetuaras etapas de separação e purificação dos polímeros. Em uma das etapasdeste trabalho foi empregada a torta de mamona fermentada, contendo abiomassa microbiana com o biopolímero em seu interior, eliminando-se porcompleto as etapas de recuperação dos polímeros e empregando ossólidos fermentados diretamente no preparo de materiais compósitos.

Desta forma, foram obtidos materiais compósitos feitos de resíduo demamona fermentado (RMF) com polihidróxibutirato (PHB), pois foiverificado que o resíduo de mamona bruto poderia ser enriquecido compolihidroxialcanoatos (PHAs) produzidos através do cultivo, porfermentação em estado sólido, com a bactéria Cupríavidus necator eoutras estirpes bacterianas. Procedeu-se então a fermentação desteresíduo e, após secagem, o mesmo foi utilizado como carga para opreparo dos materiais compósitos.

A análise das propriedades mecânicas (Figura 1) indica que, para agranulometria testada (256 um), a introdução de até 15% (m/m) de carganos compósitos não prejudica as propriedades mecânicas dos materiais,em relação ao PHB puro.

O poliestireno de alto impacto (HIPS) é um polímeroreconhecidamente de natureza quebradiça. De forma geral, nos ensaiosmecânicos realizados (Figura 2A), verificou-se que a adição do resíduo demamona (RM) como carga a este polímero alterou significativamente aspropriedades mecânicas em relação ao polímero puro, reduzindo o móduloelástico, a tensão na ruptura e o alongamento na ruptura.

Na Figura 2B observam-se os dados de análise térmica, comoCalorimetria Diferencial de Varredura (DSC), relativos às misturas HIPS-RM. Como o HIPS é um polímero amorfo, foram determinados os dadosde temperatura de transição vítrea (Tg). Comparando-se os dados deHIPS puro processado, observa-se uma pequena, porém existente,influência do processamento sobre a Tg do material, visto que a adição dacarga de mamona reduz significativamente a Tg. Atingindo uma reduçãode cerca de 50% nos compósitos contendo 40% de resíduo de mamona.

Estes dados indicam que a carga está migrando para a fase estirênica dopolímero e reduzindo sua Tg. Este comportamento pode estar associado àabsorção de óleo residual no resíduo de mamona, causando um efeito deplastificação da fase estirênica.

A Figura 3 ilustra as propriedades mecânicas dos compósitosobtidos a partir das misturas polipropileno e resíduo de mamona (PP-RM).Observa-se que, embora haja uma redução significativa no alongamentoda ruptura e no módulo de elasticidade principalmente para o nível elevadode teor de carga (40%), ainda assim o material compósito resultantemostra-se bastante interessante, com variações menores no módulo deelasticidade.

A Figura 4A ilustra as propriedades mecânicas dos compósitosobtidos a partir das misturas polietileno de baixa densidade linear eresíduo de mamona (PEBDL-RM). Observa-se que, embora haja umaredução significativa no alongamento da ruptura, especialmente para onível elevado de teor de carga (40%) e de granulometria (256 um), aindaassim o material compósito resultante mostra-se bastante interessante,alongando 123% antes de romper-se.

Na Figura 4B, observam-se os dados de DSC relativos às misturaspolietileno de baixa e resíduo de mamona (PEBDL-RM). Como o PEBDL éum polímero semicristalino, foram determinadas as temperaturas de fusão(no aquecimento e no resfriamento) e as temperaturas de cristalização.Verifica-se que a introdução do resíduo de mamona não exerceu efeitonenhum sobre as propriedades térmicas.

Os materiais compósitos obtidos, desta maneira, apresentam boaspropriedades mecânicas e térmicas. A gama de compósitos assimpreparados encontra aplicação nas indústrias que empregam a madeiramaciça e indústrias da área de construção civil, podendo também teraplicação em produtos descartáveis.

Claims (10)

1. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTÉICO, caracterizado por ser preparado apartir de polímeros convencionais, biopolímeros biodegradáveis ematerial proteico.

2. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTÉICO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por ser preparado a partir de polímeros convencionais,tais como, poliestireno de alto impacto (HIPS), polietileno de baixadensidade linear (PEBDL ou LDPE) e polipropileno (PP).

3. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTÉICO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por ser preparado a partir biopolímeros biodegradáveis,tais como, polihidróxialcanoatos (PHAs).

4. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTÉICO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por ser preparado a partir da incorporação de ummaterial proteico in natura e fermentado.

5. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTÉICO, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado por ser preparado a partir da utilização de materialproteico fermentado em estado sólido contendo biopolímeros comopolihidróxialcanoatos (PHAs).

6. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTÉICO, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado por ser utilizado no processo de fermentação em estadosólido os polihidróxialcanoatos (PHAs), tais como, o polihidróxibutirato(PHB).

7. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTÉICO, de acordo com a reivindicação 1 e 3,caracterizado por o material proteico ser a torta de mamona.

8. MATERIAL COMPÓSITO CONTENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTI-COS E MATERIAL PROTEICO, de acordo com a reivindicação 1 e 3,caracterizado por estar, a concentração de material proteico, entre 5%e 60% m/m.

9. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE MATERIAL COMPÓSITO CON-TENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTICOS E MATERIAL PROTEICO,caracterizado por compreender as etapas de: cominuição do materialproteico até granulometria especificada; mistura do material proteico innatura e fermentado às resinas termoplásticas; homogeneização damistura em temperaturas entre 20°C e 200°C e moldagem da mistura.

10. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE MATERIAL COMPÓSITO CON-TENDO MATERIAIS TERMOPLÁSTICOS E MATERIAL PROTEICO,de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por ser utilizado oprocesso de fermentação em estado sólido contendo biopolímerosbiodegradáveis, tais como, polihidróxialcanoatos (PHAs).