Novos polímeros sustentáveis para embalagens biodegradáveis

Abstract

Os polímeros invadiram literalmente o nosso quotidiano na medida em que são utilizados massivamente na produção de diversos materiais, nomeadamente na produção de embalagens plásticas. Contudo, hoje em dia os polímeros ainda são maioritariamente produzidos com base em recursos fósseis, o que acarreta uma série de problemas ambientais. Neste sentido, o ácido 2,5-furanodicarboxílico (FDCA) tem tido um papel crucial na síntese de poliésteres mais sustentáveis, já que pode ser obtido a partir de uma fonte renovável, a biomassa vegetal. Um dos mais promissores poliésteres produzidos com base no FDCA é, sem dúvida, o poli(2,5-furanodicarboxilato de etileno), comumente designado por PEF. Este polímero de alta performance tem aplicações na área de embalagens para bebidas, contudo carece de biodegradabilidade, como aliás a maioria dos poliésteres furânicos desenvolvidos até agora. Torna-se, então premente o desenvolvimento de poliésteres furânico biodegradáveis, mas que mantenha boas propriedades térmicas e mecânicas, adequadas à sua utilização em embalagem. Neste sentido, o objetivo principal deste trabalho é precisamente sintetizar um poliéster baseado em monómeros de origem renovável e que seja simultaneamente biodegradável. Para isso usou-se o FDCA, que pode ser sintetizado através dos açúcares das plantas, e o 1,20-icosanodiol (ICD), que provem de óleos vegetais. O homopoliéster obtido, o poli(2,5-furanodicarboxilato de icosileno) (PC20F), foi detalhadamente caracterizados por RMN de 1H e 13C, FTIR, difração de raios-X e análise elementar, e as suas propriedades térmicas avaliadas por TGA e DSC. O PC20F exibe carácter semi-cristalino e hidrofóbico apresentando temperatura de transição vítrea e temperatura de fusão de aproximadamente 7 e 106 ºC respetivamente. Para além disso demonstra elevada estabilidade térmica, sendo estável até aproximadamente 355 ºC. Adicionalmente estudaram-se as características de sorção de água do PC20F uma vez que estas são fundamentais para aplicações em embalagens, em especial no domínio alimentar, pois a água tem um papel crucial na preservação dos alimentos embalados. O PC20F tem um teor de humidade de equilíbrio muito próxima de 0%. Finalmente foram realizados ensaios de (bio)degradação, o material demonstra ter uma perda de massa de ~7 % em contacto com uma solução tampão de fosfato (degradação hidrolítica) e uma perda de massa de ~12.5 % em contacto com a solução tampão de fosfato e enzima pancreática suína (degradação enzimática). Assim poder-se-á antever o potencial do PC20F como um material adequado ao seu uso em embalagens alimentares devido às suas propriedades térmicas, características de sorção, bem como de biodegradabilidade.

Polymers are everywhere in everyday life, in fact they are massively used in the production of several commodity plastics including in packaging materials. However they are still mainly produced from fossil resources, thus raising several environmental problems. In this vein, 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) has played a crucial role in the synthesis of sustainable polyesters, because FDCA can be synthesized from an inexhaustible and renewable resource, the vegetable biomass. One of the most promising renewable-based polyesters is poly(ethylene 2,5-furandicarboxylate), commonly referred to as PEF. This polymer of high performance has several potential applications, especially in the field of packaging for beverages. However, PEF lacks on biodegradability, as the majority of the furanic-based polyesters developed so far. Hence, it urges to develop a polyester which can be simultaneously from renewable resource and biodegradable, preferably having a good thermal and mechanical properties. The present study was precisely conducted with the specific aim of developing a novel polyester based in renewable resources and that can be simultaneously biodegradable. Hence, FDCA that can be synthesized by the sugar plants and 1,20-eicosanediol which comes from vegetable oils were used to synthesize a new polyester. The ensuing poly(eicosilene 2,5-furandicarboxylate) (PC20F), was thoroughly characterized by 1H and 13C NMR, FTIR, X-ray and elemental analyses and their thermal features were measured by TGA and DSC. The PC20F displays semi-crystalline and hydrophobic character, exhibited glass transition and melting temperatures at approximately 7 and 106 ºC, respectively. Furthermore, PC20F showed high thermal stability, being stable to up to a temperature of ~355 ºC. Additionally, the water sorption isotherm at a constant temperature of 27 ºC was studied. The water sorption characteristics of a material with packaging applications, especially in the food domain, are fundamental, as water plays a crucial role in the preservation of packaged foods, being associated with microbiological, chemical and physical deterioration. PC20F has an equilibrium moisture-sorption uptake very near 0%. Finally (bio)degradation tests were performed, the material demonstrates a mass loss of ~ 7% in contact with a phosphate buffer solution (hydrolytic degradation) and a mass loss of ~12.5% in contact with the buffer solution of phosphate and porcine pancreatic enzyme (enzymatic degradation) Hence, the potential of PC20F can be envisaged as a suitable material for use in food packaging, due to its sorption characteristics in addition to its suitable thermal properties and biodegradability.