Principal conquista da Wankai na produção em grande escala de PEF 100% de base biológica

Desenvolver PET 100% de base biológica com desempenho superior ao PET tradicional sempre foi o foco principal da Wankai, e esse avanço é fundamental para o progresso futuro do setor.

PEF: Uma alternativa 100% biológica ao PET

A resina PET (Polietileno Tereftalato) à base de petróleo é feita de 30% de etilenoglicol (MEG) e 70% de ácido tereftálico purificado (PTA). No entanto, o aumento da demanda por plásticos sustentáveis ​​e verdes levou a indústria a explorar alternativas de origem biológica. Embora o PTA de origem biológica esteja disponível comercialmente, a produção eficiente de MEG de origem biológica continua sendo um desafio fundamental para o uso em larga escala do plástico PET de origem biológica.

Entra o PEF, um promissor poliéster de base biológica. Os monômeros do PEF, ácido furandicarboxílico (FDCA) e etilenoglicol (EG), podem ser obtidos de açúcares vegetais renováveis, garantindo um fornecimento de matéria-prima mais sustentável.

O PEF rapidamente chamou a atenção dos líderes do setor, oferecendo uma nova e poderosa solução para o setor de plásticos verdes. Com o impulso global em direção aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU, particularmente na redução das emissões de carbono e da poluição plástica, o futuro do PEF no mercado parece altamente promissor.

Em fevereiro de 2023, a Avantium, uma empresa holandesa, assinou um acordo de licenciamento de patente com a Eastman para acelerar a comercialização de PEF e FDCA. A Avantium planeja inaugurar sua principal planta de FDCA em 2023, abrindo caminho para a produção de PEF em larga escala.

PET vs PEF: Comparação de desempenho

1. Propriedades de barreira excepcionais  

O PEF supera o PET em propriedades de barreira. Pesquisas de Eerhart et al. (2012) mostram que o PEF possui uma barreira ao oxigênio 10 vezes melhor, uma barreira ao dióxido de carbono de 6 a 10 vezes melhor e uma barreira ao vapor de água duas vezes melhor em comparação ao PET. Isso torna o PEF uma excelente escolha para embalagens, aumentando a vida útil e reduzindo o desperdício de recursos.

2. Desempenho térmico superior  

O PEF possui uma temperatura de transição vítrea (Tg) de 86 °C, superior aos 74 °C do PET, e um ponto de fusão (Tm) de 235 °C, ligeiramente inferior aos 265 °C do PET. No entanto, ainda atende aos requisitos de estabilidade térmica para a maioria das aplicações, especialmente em ambientes de alta temperatura.

3. Sustentabilidade: PEF com menor pegada de carbono  

A pegada de carbono do PEF é de 50% a 70% menor que a do PET, conforme confirmado pelo Departamento de Energia dos EUA. Sua principal matéria-prima, o ácido furandicarboxílico (FDCA), é de origem biológica e pode produzir plásticos de alto desempenho, sendo o FDCA reconhecido como um dos produtos químicos de origem biológica mais promissores.

4. Reciclabilidade e Degradabilidade

O PEF é reciclável e biodegradável. Pesquisas da Avantium e da Universidade de Amsterdã (2019-2020) constataram que o PEF pode ser usado em garrafas PET por até cinco ciclos de reutilização. Ele se destaca em embalagens multicamadas e pequenas, substituindo plásticos difíceis de reciclar. O PEF também se degrada mais rapidamente do que os plásticos tradicionais em condições de compostagem industrial e apresenta biodegradabilidade significativa em ambientes naturais.

Desafios do PEF: Baixa tenacidade e cor amarela

Atualmente, o PEF enfrenta dois desafios principais: baixa tenacidade e amarelamento. A principal matéria-prima, o FDCA (ácido furandicarboxílico), é um monômero de base biológica derivado de biomassa como amido e celulose. 

Comparado ao PTA tradicional à base de petróleo, o FDCA tem uma estrutura semelhante, mas com átomos de oxigênio em seu anel aromático, tornando-o mais polar e mais rígido devido ao menor ângulo de ligação entre o anel e o grupo carboxila. Enquanto o PEF, feito de FDCA e etilenoglicol, supera o PET em resistência ao calor, resistência mecânica e propriedades de barreira a gases, o anel furânico restringe a mobilidade das cadeias moleculares, o que resulta em tenacidade reduzida.

O PEF é produzido por dois métodos: esterificação direta e transesterificação. Na esterificação direta, o FDCA reage com glicol em altas temperaturas (180-220 °C), mas esse processo faz com que o FDCA perca dióxido de carbono, resultando em uma cor mais escura, amarelo-acastanhada. O método de transesterificação, que envolve troca de éster seguida de policondensação a vácuo, melhora a cor, mas não resolve completamente o problema.

Método inovador da Wankai para produção de PEF temperado e de baixa coloração

A Wankai New Materials desenvolveu um processo simples, porém altamente eficaz, para a criação de PEF temperado de baixa coloração, resolvendo os problemas dos métodos tradicionais que dependem de cadeias laterais ou tempos de polimerização prolongados. Este método oferece vantagens técnicas significativas. O processo envolve as seguintes etapas:

Primeiramente, um sistema de reação contendo ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), epóxido, catalisador alcalino e solvente misto é usado para iniciar a reação, formando um intermediário. O intermediário é então combinado com um catalisador de polimerização, estabilizantes e antioxidantes, e sofre policondensação sob vácuo a temperaturas que variam de 220 °C a 270 °C, resultando em PEF.

Durante esse processo, o epóxido reage rapidamente com o FDCA em temperaturas mais baixas, minimizando as reações de descarboxilação e melhorando a qualidade da cor do poliéster. Além disso, o epóxido modificado com alquila introduz grupos laterais nas cadeias moleculares, aumentando a distância entre as moléculas e melhorando sua mobilidade, o que melhora significativamente a tenacidade do poliéster final.

Comparação de amostras de teste: cor e tenacidade aprimoradas em PEF

Ésteres de ácido polifurandicarboxílico (por exemplo, éster de 1,2-propilenoglicol de ácido polifurandicarboxílico (PF-1,2-PG), éster de 1,2-butanodiol de ácido polifurandicarboxílico (PF-1,2-BD), éster de 1,2-pentanodiol de ácido polifurandicarboxílico (PF-1,2-PeD), éster de etilenoglicol de ácido polifurandicarboxílico (PF-EG)) são derivados da reação de FCDA com vários álcoois. Esses ésteres podem funcionar como intermediários ou modificadores na produção de PEF.

Comparado ao método de fusão por esterificação utilizado nos Exemplos Comparativos 1 e 2, o método de preparação desta modalidade se destaca por sua capacidade de reduzir significativamente o valor de cor do PEF. O valor b é notavelmente menor, comprovando que este método melhora efetivamente a qualidade da cor do poliéster.

Além disso, ao incorporar cadeias laterais mais longas, o poliéster à base de furano sintetizado apresenta alongamento aprimorado na ruptura, resultando em um aumento substancial na tenacidade. Quando comparado ao PEF produzido no Exemplo Comparativo 1, este método aumenta tanto a tenacidade quanto a durabilidade do poliéster, destacando as claras vantagens da invenção.