As ceras de origem biológica como elemento-chave para redes de embalagem sustentáveis
Já uma quantidade de 1,5 % de aditivo de cera de base biológica altera de forma mensurável o comportamento de escoamento, bem como a rigidez e a resistência do PBS
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As ceras de base biológica, produzidas a partir de matérias-primas renováveis, poderão, no futuro, substituir os modificadores de propriedades petroquímicos nas aplicações de plásticos. No âmbito da aliança WIR!BioZ, que faz parte da rede nacional TransBIB, o Fraunhofer IMWS e a DEUREX AG desenvolveram aditivos de cera biodegradáveis para bioplásticos e demonstraram o seu sucesso na transição do laboratório para aplicações industriais de embalagem.
Microestrutura de uma mistura composta por um biomero e pelo bioplástico PBS.
No âmbito da aliança WIR! «BioZ – Inovações de base biológica de Zeitz e da Alemanha Central» , investigadores do Instituto Fraunhofer de Microestrutura de Materiais e Sistemas (IMWS), em colaboração com a DEUREX AG, trabalharam no desenvolvimento de novos bioplásticos que são totalmente biodegradáveis e podem ser utilizados como soluções «drop-in» para aplicações de plástico existentes. O BioZ está integrado como centro de competências na rede nacional TransBIB. A TransBIB interliga empresas, instituições de investigação e espaços de inovação da bioeconomia industrial com o objetivo de acelerar de forma específica a transferência de tecnologias de base biológica para aplicações industriais.
O projeto centrou-se no desenvolvimento de modificadores de propriedades de base biológica à base de cera («Biomere») como alternativa sustentável aos modificadores petroquímicos utilizados até à data. As ceras desenvolvidas são biodegradáveis e podem ser produzidas em grande escala a partir de matérias-primas renováveis. O objetivo do projeto era demonstrar a substituição parcial ou total dos modificadores de propriedades petroquímicos em materiais poliméricos e, simultaneamente, desenvolver novas fórmulas para aplicações de embalagem de base biológica.
Outro ponto central centrou-se no desenvolvimento de compostos plásticos para redes de embalagem no setor das frutas e legumes. O objetivo era substituir parcial ou totalmente os materiais poliméricos convencionais por biopolímeros técnicos, sem comprometer a processabilidade ou as propriedades do produto.
A particularidade da abordagem desenvolvida reside na sua elevada variabilidade. Através da utilização de biomeros, as propriedades de processamento de biopolímeros como o polibutileno succinato (PBS) podem ser ajustadas de forma específica — tanto no sentido de viscosidades mais elevadas como mais baixas. Simultaneamente, melhora-se a dispersão de cargas adicionais, por exemplo, de pigmentos de cor, sem que a biodegradabilidade do sistema global seja comprometida. Até ao momento, não se conhece nenhuma tecnologia de plataforma comparável baseada em matérias-primas renováveis.
Enquanto muitos modificadores atualmente utilizados se baseiam em ceras petroquímicas ou copolímeros enxertados e têm uma adequação limitada para aplicações biodegradáveis, a abordagem desenvolvida visa uma integração direta nos processos industriais existentes. Os biômeros podem ser processados em instalações existentes, abrindo assim um caminho relativamente simples para a transformação sustentável das aplicações de plástico existentes.
A base do desenvolvimento foi o ajuste específico do peso molecular dos biômeros através da degradação oxidativa de matérias-primas de origem biológica à base de bagaço de cana-de-açúcar. Seguiu-se uma modificação química com grupos reativos, a fim de influenciar de forma específica as interações com o material de matriz utilizado, o polibutileno succinato (PBS). As ceras desenvolvidas foram incorporadas no biopolímero tanto no processo de mistura por fusão descontínuo como no contínuo. Com base nisso, os parceiros do projeto analisaram a microestrutura resultante e as propriedades dos materiais daí decorrentes.
Os conhecimentos adquiridos constituíram a base para o desenvolvimento de uma fórmula para o fabrico de redes de embalagem. Foi demonstrada a possibilidade de escalar a produção, através da mistura por fusão contínua numa extrusora de dupla rosca, da escala laboratorial (cerca de 1 kg/h) para a escala piloto (cerca de 10 kg/h). A fórmula desenvolvida foi posteriormente transformada com sucesso, à escala industrial, numa película soprada e nas fitas a partir da qual foram fabricadas as redes de embalagem.
É precisamente na interface entre o desenvolvimento de materiais, o dimensionamento de processos e a aplicação industrial que se torna evidente a importância de redes de transferência eficientes, como a TransBIB:
Projetos como o BioZ Wachse mostram que a transferência bem-sucedida de inovações de base biológica vai muito além do próprio desenvolvimento de materiais. Para a implementação industrial, são decisivos parceiros de aplicação adequados, infraestruturas de escalonamento e know-how ao longo da cadeia de valor. É precisamente aqui que a TransBIB entra em ação, ligando entre si os espaços de inovação existentes e facilitando o intercâmbio entre a investigação e a indústria. Assim, a TransBIB oferece, por exemplo, várias ferramentas digitais que, após uma escala bem-sucedida, ajudam a acelerar a aplicação industrial.
Como resultado, ficou demonstrado que as propriedades reológicas e mecânicas do PBS podem ser significativamente influenciadas pela incorporação de ceras de base biológica. Mesmo proporções reduzidas de 1,5 % conduziram a alterações significativas no comportamento de escoamento, bem como na rigidez e resistência do material.
Além disso, a escalabilidade do processo de fabrico foi comprovada com sucesso. Os biomeros desenvolvidos puderam ser transferidos da escala laboratorial para o processo industrial e utilizados na produção de produtos de embalagem relevantes para o mercado. Assim, o projeto dá um importante contributo para o desenvolvimento de soluções sustentáveis em plástico à base de matérias-primas renováveis e demonstra, ao mesmo tempo, como as inovações em materiais de base biológica podem encontrar o seu caminho para aplicações industriais.
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