Seringas e bolsas de infusão em hospitais feitas com matériasprimas renováveis, chocalhos para bebês e blocos de encaixe feitos com plásticos com origem biológica, PLA e a biopoliamida (PA) para as indústrias automotiva e elétrica. Isso soa bem porque, aparentemente, aspectos de sustentabilidade já vêm sendo firmemente estabelecidos na indústria de plásticos e sedimentados entre os consumidores.

No entanto, a participação global de polímeros baseados em matériasprimas biológicas entre todos os tipos de plástico foi inferior a 1,5% em 2021 (1). Este valor precisa ser aumentado significativamente, uma vez que os países da União Europeia estabeleceram para si próprios o objetivo de alcançar neutralidade climática até 2050, evitando o uso de matérias-primas fósseis. A indústria quer alcançar esse objetivo aumentando a reciclagem de plásticos. O restante deverá ser coberto pelo uso de biopolímeros. Porém, além das questões associadas a preço e oferta, a pouca disponibilidade de dados e o difícil acesso à informação sobre a durabilidade dos plásticos com origem biológica constituem obstáculos à sua utilização generalizada (estudo BioResist; FKZ: 22001017(2)).

Muitos produtos plásticos, especialmente os usados em áreas como medicina, brinquedos ou eletrônica, estão sujeitos a elevadas exigências em sua produção e utilização, especialmente em termos da sua durabilidade a longo prazo. Portanto, as empresas ainda estão muito céticas em relação aos bioplásticos já existentes, como o poli(ácido láctico) (PLA), o poli(succinato de butileno) (PBS) ou soluções já prontas, como a BioPA. Há carência de conhecimento sobre as propriedades desses materiais no que diz respeito à influência de fatores externos como temperatura, umidade e radiação ultravioleta, com o fator tempo desempenhando um papel particularmente crucial.

As empresas e usuários necessitam de informações sobre a durabilidade a longo prazo dos plásticos produzidos a partir de matérias-primas renováveis, para que possam utilizá-los com precisão e de uma forma que crie valor. No entanto, essas investigações são complexas e devem ser realizadas continuamente durante vários anos.

 

Banco de dados com informações para uso dos bioplásticos a longo prazo

 A rede de pesquisa “BeBio2”, lançada em 2021 sob a liderança da Universidade de Kassel, na Alemanha, visa preencher as lacunas de informação sobre a durabilidade dos bioplásticos e biocompósitos. Juntamente com o Instituto de Tecnologia de Plásticos da Universidade de Stuttgart (Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart, IKT), o Instituto Fraunhofer para Pesquisa Aplicada sobre Polímeros (Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung, IAP) em Potsdam, todos na Alemanha, a empresa Altair, que fornece soluções para análise de dados, e mais de cinquenta parceiros industriais, o Instituto de Engenharia de Materiais da Universidade de Kassel (Institut für Werkstofftechnik der Universität Kassel) tem como objetivo estabelecer um banco de dados sobre a durabilidade de polímeros com origem biológica para a indústria de plásticos.

A implantação dessa base de dados visa aumentar significativamente a aceitação dos polímeros com origem biológica entre empresas e consumidores, para que esses materiais, no futuro, sejam utilizados com mais frequência em áreas onde se requer elevada durabilidade. Esta iniciativa se baseou no projeto de pesquisa BioResist(2), no qual foram investigadas as causas do uso limitado de bioplásticos que vem ocorrendo até o momento. A rede “BeBio2” abrange vários aspectos do programa de financiamento “Matérias-Primas Renováveis” do Ministério Federal Alemão para Alimentação e Agricultura (Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft, BMEL) e é financiado pela Agência de Matérias-Primas Renováveis (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe).

 

Cooperação com a indústria

O projeto conjunto está subdividido em duas áreas centrais: produtos de consumo (corporativo, utilidades domésticas, artigos médicos, brinquedos) e produtos industriais (automotivo, construção civil, eletrônicos). Complementando essas atividades há dois projetos interdisciplinares sobre a hidrólise do PLA e o modelamento do envelhecimento dos bioplásticos. Esses modelos pretendem viabilizar a previsão de propriedades e, assim, oferecer um valor agregado essencial à base de dados (figura 1).

Fig.1 – Estrutura da rede de pesquisa BeBio2 (Fonte: Universidade de Kassel, gráficos: Hanser)

 

Nos estudos experimentais, os materiais compósitos são feitos de plásticos de origem biológica, bem como fibras naturais, amido ou aditivos, e depois processados para se obter corpos de prova. A seguir eles são submetidos a um processo de envelhecimento acelerado (de até 21 dias). A próxima etapa engloba a caracterização mecânica, óptica e microestrutural dos plásticos envelhecidos (figura 2).

Fig. 2 – Fluxograma dos doze subprojetos do BeBio2 (Fonte: Universidade de Kassel, gráfico: Hanser)

 

Quase cinquenta parceiros industriais apoiaram a rede de pesquisa durante toda a duração do projeto, garantindo assim uma investigação orientada para a indústria. As empresas participantes incluíram desde corporações maiores e conhecidas, como B. Braun Melsungen AG (medicina), Bruder Spielwaren GmbH + Co KG (brinquedos) e Vorwerk Deutschland Stiftung & Co (utilidades domésticas), até representantes de pequeno e médio porte do setor de plásticos, como Alfred Pracht Lichttechnik GmbH (tecnologia de iluminação), TechnoCompound GmbH e FKuR Kunststoff GmbH (ambos fabricantes de formulações plásticas).

 

Alterações devido ao intemperismo

Os primeiros resultados das investigações realizadas mostraram a influência de vários fatores ambientais nas propriedades de alguns bioplásticos. A figura 3 mostra, como exemplo dos numerosos resultados já obtidos, os valores do limite de resistência à tração de PA1010, PBS e PLA, reforçados e contendo cargas, em um total de cinco cenários de envelhecimento.

Fig. 3 – Limite de resistência sob tração para vários bioplásticos e biocompósitos envelhecidos (Fonte: Universidade de Kassel; Gráfico: Hanser)

 

A incorporação de 30% em peso de fibras de celulose regeneradas (100% de origem biológica) promoveu um aumento significativo na resistência à tração para ambos os corpos de prova confeccionados com PA1010 e PBS como material da matriz. Se, em vez disso, for usada no PLA uma carga particulada, como amido de batata nativa (50% em peso), não haverá reforço, mas sim fragilização do material. Além disso, fica claro na figura 3 que os corpos de prova contendo cargas e materiais de reforço apresentaram uma notável redução na resistência à tração sob a influência dos fatores água (23°C) e umidade do ar (23°C, 90% de umidade relativa) em comparação com o armazenamento sob condições climáticas normais (23°C, 50% de umidade relativa). O PLA em particular, quando contém 50% em peso de amido de batata, apresentou significativa redução na resistência à tração. O armazenamento sob temperatura elevada (70°C, 50% de umidade relativa) alterou significativamente as propriedades dos bioplásticos e biocompósitos. Um aumento significativo na resistência à tração pode ser observado para PA1010 e PBS reforçados com 30% em peso de fibras de celulose regeneradas, enquanto os graus de PLA contendo ou não cargas foram danificados a tal ponto que o ensaio não foi mais possível.

Em todos os materiais contendo cargas, sob as condições externas descritas anteriormente, a água, umidade e temperatura elevada promoveram significativas diminuições ou elevações na resistência à tração. Por outro lado, a geada (-18°C) exerceu pouca influência nos bioplásticos utilizados.

Além das propriedades mecânicas, também foram caracterizados outros aspectos específicos para as aplicações, tais como mudanças de cor como resultado de influências ambientais, ou alterações no comportamento em termos de odor e emissões. Por exemplo, ocorreu uma clara alteração visual no PA1010 reforçado com 30% em peso de fibras em decorrência do intemperismo. Pode-se observar na figura 4 uma descoloração esbranquiçada no corpo de prova (parte superior) em comparação com a amostra de referência que não foi submetida a intemperismo (parte inferior). Os cientistas atribuem esta descoloração sobretudo à influência da radiação ultravioleta.

Fig.4 – Corpo de prova submetido a intemperismo (superior) e não submetido a intemperismo (inferior) feito com PA1010 reforçado com 30% em peso de fibras (Fonte: Universidade de Kassel; Gráfico: Hanser)

 

Intemperismo artificial versus natural

Os especialistas em plásticos utilizaram um ciclo de intemperismo acelerado especialmente desenvolvido (figura 5) para garantir condições uniformes nos testes efetuados no âmbito da rede de pesquisa. O ciclo total consistiu primeiramente em submeter os corpos de prova a 14 ciclos de verão e depois a 14 ciclos de inverno (18 horas cada), de modo que a duração total do teste foi de 21 dias. Cada ciclo intensifica o curso de um dia com temperaturas crescentes e decrescentes, umidade decrescente e crescente, bem como uma fase com radiação ultravioleta. O dia de verão é complementado por um período de chuva.

Fig. 5 – Ciclo de intemperismo artificial composto por 14 ciclos de verão e 14 ciclos de inverno (Fonte: Universidade de Kassel; Gráfico: Hanser)

 

O Instituto para Engenharia de Materiais e Tecnologia de Plásticos da Universidade de Kassel (Institut für Werkstofftechnik, Kunststofftechnik der Universität Kassel, IfWK), dispõe de um equipamento especial para experiências, na forma de uma bancada de testes para intemperismo ao ar livre com registro dos dados meteorológicos, na qual os corpos de prova são expostos a condições climáticas naturais durante vários anos. Os resultados assim obtidos deverão permitir uma comparação entre os intemperismos artificial e natural.

No projeto ora em andamento, os pesquisadores e as empresas envolvidas assumiram a tarefa de identificar completamente os mecanismos de degradação e envelhecimento específicos para as aplicações dos bioplásticos e biocompósitos, bem como determinar seus efeitos nas propriedades dos materiais. Esta é a única forma de obter informações abrangentes sobre a durabilidade dos materiais e incorporá-las à base de dados. Esses resultados têm sido apresentados e discutidos em workshops públicos.