De poliuretano de origem fóssil para poliuretano de origem natural

Atualmente, a procura de materiais derivados do petróleo está em expansão, apesar das variações no preço e na disponibilidade de recursos fósseis, como é o caso dos materiais plásticos. A sua procura aumentou dramaticamente em todo o mundo, resultando num aumento de vinte vezes na sua produção desde a década de 1960. Além disso, nos próximos vinte anos, prevê-se um novo aumento ¹.

No entanto, a escassez destes recursos, juntamente com os efeitos ambientais, como o aquecimento global e a poluição, ameaçam o futuro da indústria dos plásticos. O contexto atual e a sensibilização da sociedade para as questões ambientais conduziram a uma evolução neste setor.

De facto, existe uma nova cultura de sustentabilidade baseada no que se designa por ‘bioeconomia’. Esta é definida como a utilização de recursos naturais renováveis e a conversão dos seus resíduos, a fim de gerar produtos de elevado valor acrescentado (bioenergia, biomateriais, alimentos, etc.). Aplicada à indústria dos plásticos, incentiva a inovação com o objetivo de produzir materiais muito mais sustentáveis e naturais, como os biopolímeros. Um exemplo disso é o desenvolvimento de poliuretanos termoendurecíveis e termoplásticos de origem natural, que são utilizados em muitos setores.

Os poliuretanos de origem natural podem ser sintetizados de diferentes maneiras, como, por exemplo, por síntese química convencional ou síntese sem solventes, e também podem ser utilizados reagentes derivados da biomassa, como mostrado na Imagem 1.

Imagem 1. Reagentes derivados da biomassa para a síntese de poliuretano.

Os poliuretanos termoendurecíveis são obtidos através da reticulação de dois pré-polímeros, geralmente um poliéster ou poliol poliéter e isocianatos por catálise básica ou ácida. Estes materiais distinguem-se pela sua grande versatilidade. Podem ser obtidos em diferentes formas (compacta ou expandida, flexível ou rígida) e com múltiplos formatos, podendo adaptar-se às necessidades de cada mercado. Por este motivo, a investigação sobre o desenvolvimento de poliuretanos de origem natural está em plena expansão, uma vez que permitem reduzir os problemas ecológicos associados a estes materiais, como a sua reciclagem.

Neste sentido, o Aimplas está a participar no projeto Dickens, em que participa, juntamente com a empresa Tecno Caucho Rolls & Covers, na investigação de substitutos ecológicos alternativos aos de origem fóssil, com vista à produção de poliuretano de origem natural. Por um lado, para a produção destes poliuretanos naturais, existe a opção de substituir parcialmente os isocianatos, como o diisocianato de difenilmetano ou o diisocianato de tolueno, pela sua alternativa comercial de origem natural. Por outro lado, outra estratégia consiste em obter poliuretano de origem natural a partir de produtos de biomassa, como a lenhina ou os óleos vegetais.

Um dos objetivos do projeto é substituir os polióis de origem fóssil por polióis sintetizados de origem natural. Para isso, o primeiro passo foi definir o produto de biomassa mais adequado para a formulação de poliuretanos de acordo com a sua aplicação final. Os óleos vegetais foram escolhidos devido à sua grande disponibilidade, à estabilidade dos preços e da disponibilidade das matérias-primas e ao facto de serem de baixo custo. Além disso, a sua estrutura química permite uma grande variedade de modificações químicas, tornando-os versáteis e interessantes para o desenvolvimento de poliuretanos.

Por último, foram utilizados polióis obtidos a partir de óleos vegetais para substituir os reagentes de origem fóssil na formulação de poliuretano termoendurecível. Ao combinar com os reagentes de partida utilizados, foi possível sintetizar, a partir de um único tipo de óleo, vários polióis de origem natural com propriedades diferentes, como o peso molecular, a viscosidade ou o índice de hidroxilo de cada uma destas amostras. Este painel de polióis permitiu a formulação de uma variedade de poliuretanos mais ou menos rígidos, mas com propriedades mecânicas diferentes. Por conseguinte, podem ser utilizados numa grande variedade de aplicações.

Imagem 2. Poliuretanos de origem natural.

Este projeto demonstrou que é possível desenvolver polímeros, nomeadamente poliuretano termoendurecível, em parte de origem natural, sem sacrificar as propriedades mecânicas precisas para os materiais termoendurecíveis e sem aumentar demasiado o preço deste tipo de produção.

Em resumo, a sustentabilidade do poliuretano, em termos de composição química e tecnologia de produção, é um aspeto importante na indústria dos polímeros, que é impulsionada por estratégias de economia circular. Por esta razão, estão a ser desenvolvidas novas tecnologias para o tornar um processo mais sustentável, tendo em conta aspetos como os solventes utilizados, a origem dos materiais, o consumo de energia e o impacto ambiental, entre outros. Neste ponto, entra em jogo a extrusão reativa ou REX, que é considerada um processo muito poderoso e inovador nos processos de polimerização. Esta tecnologia utiliza uma extrusora como reator químico contínuo em que pode ser realizada desde a síntese ou modificação de polímeros até à sua degradação ou reciclagem, tudo isso numa única etapa.

Na extrusão reativa, as matérias-primas são introduzidas continuamente na extrusora e sujeitas a um cisalhamento a média ou alta temperatura. Ao contrário de outras técnicas, este sistema funciona na ausência de solventes e, por conseguinte, está em conformidade com os 12 princípios da química verde com o seu respetivo benefício ambiental.

Imagem 3. Síntese de poliuretano termoplástico por extrusão reativa.

No que diz respeito à síntese dos poliuretanos, estes podem ser obtidos a partir dos seus componentes principais ou de uma pré-mistura de dióis selecionados. O tempo de residência é de dois a cinco minutos, pelo que se trata de uma reação rápida e eficaz, que pode ser realizada continuamente à escala piloto e industrial. Foram relatados casos de sucesso em que a síntese sem solventes pode ser efetuada com materiais naturais, mesmo à temperatura ambiente. Alguns exemplos incluem a utilização de polióis derivados de óleos naturais, que têm grupos funcionais reativos, tais como os dióis ou os diisocianatos, mas também a partir de dióis furânicos, tais como o 2,5-bis(hidroximetil)furano, o hidroximetilfurfural derivado da celulose e o furfural. Os dióis e as diaminas de açúcar C5 e C6 podem também ser utilizados para produzir copolímeros e formar poliuretano a partir do furano.

O desenvolvimento de poliuretano de origem natural não é muito popular atualmente, uma vez que existem vários fatores que limitam a sua produção, tais como o acesso às matérias-primas, a concorrência com a indústria fóssil, as barreiras legislativas e sociais, o financiamento e o investimento, e a investigação e o desenvolvimento ². No entanto, estudos recentes indicam que existe uma verdadeira oportunidade técnica e económica para produzir estes polímeros utilizando biomassa.

Esta solução, que é apresentada como uma alternativa aos recursos derivados do petróleo, poderia ser sintetizada com um peso molecular mais elevado e propriedades físicas controladas através de reações mais sustentáveis e sem solventes, e poderia ser escalada para a produção industrial, contribuindo assim para o impacto ambiental positivo que é tão necessário atualmente.

Referências

¹ A Sustainable Bioeconomy for Europe: Strengthening the Connection between Economy, Society and the Environment.

² Fonte: RoadToBio-European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 745623