Tudo o que você precisa saber sobre o ácido polilático: PLA explicado

Ácido Polilático, ou PLA, como é frequentemente chamado, é outro material revolucionário com aplicações desde impressão 3D até embalagens. O PLA é feito de recursos renováveis, como amido de milho e cana-de-açúcar, o que o torna sustentável em comparação aos plásticos tradicionais. É uma grande vantagem quando as questões ambientais estão em primeiro plano. Este artigo busca elaborar as especificidades do PLA, incluindo sua história, características, usos e como ele afeta o meio ambiente. Este guia ajudará fabricantes, designers e outros usuários deste material a entender facilmente suas capacidades e áreas de aplicação que se concentram na sustentabilidade.

O que é PLA e como ele é feito?

O ácido polilático, ou PLA, é um plástico produzido a partir de recursos renováveis, como amido de milho, cana-de-açúcar ou mandioca. É biodegradável e é produzido pela fermentação dessas matérias-primas para criar ácido láctico polimerizado em PLA. A formação de lactídeo e a polimerização por abertura de anel são as duas principais etapas envolvidas na polimerização do PLA. Devido à disponibilidade de matérias-primas, a produção deste plástico é considerada ambientalmente segura em comparação aos plásticos induzidos por petróleo. É amplamente utilizado devido à sua compostabilidade global, facilidade de uso em vários campos, como embalagens, impressão 3D, equipamentos médicos e compostabilidade de nível industrial.

Compreendendo o monômero do ácido láctico

O ácido láctico, o principal monômero na produção de ácido polilático (PLA), é um composto orgânico obtido principalmente por meio da fermentação de fontes de carbono como milho, cana-de-açúcar e beterraba. Ele tem duas formas estereoisoméricas, ácido L-láctico e ácido D-láctico, que são significativas na determinação das características finais do PLA. A tecnologia para bioprodução de ácido láctico é avançada e se integra bem ao sistema existente devido ao uso de matéria-prima biotecnológica renovável, que atende ao crescente mercado de materiais ecológicos.

O Processo de Polimerização do Lactide

O lactídeo é geralmente usado como matéria-prima para produzir ácido polilático (PLA) usando o processo de polimerização por abertura de anel (ROP). A síntese de ácido polilático é iniciada pela polimerização do lactídeo, que é realizada com um catalisador metálico, como o octoato de estanho (II). O ROP ocorre sob calor e pressão moderados, o que permite que os monômeros de lactídeo abram sua estrutura de anel e polimerizem em longas cadeias de PLA. Essa técnica é particularmente eficaz, permitindo que se gerencie o resultado do peso molecular e da resistência mecânica do PLA. Essas propriedades são essenciais ao buscar áreas decisivas de aplicações como embalagens, produtos médicos e outros produtos descartáveis.

Etapas envolvidas na produção de PLA

1. Preparação da matéria-prima: O amido deve ser extraído da biomassa, milho ou cana-de-açúcar, e a hidrólise converterá o amido em açúcares essenciais.
2. Fermentação: os açúcares produzidos acima serão convertidos em ácido láctico (monômero chave para PLA) por meio da fermentação microbiana.
3. Purificação do ácido láctico: o ácido láctico deve ser purificado para obter um monômero de alta qualidade, um requisito essencial para uma polimerização repetida bem-sucedida.
4. Formação de lactídeo: O ácido láctico purificado passará por uma reação de condensação ou outros processos catalíticos para se transformar em lactídeo, um dímero cíclico.
5. Polimerização: A abertura do anel da polimerização do lactídeo será iniciada com um catalisador (octoato de estanho(II)) sob temperatura e pressão controladas para polimerização do PLA.
6. Pós-processamento: alterações nos pesos moleculares ou aditivos podem ser misturados para modificar o polímero PLA e atender às necessidades específicas do uso pretendido.
7. Formação do produto final: Dependendo do uso industrial, o PLA pode ser transformado em várias formas, incluindo filmes, fibras ou objetos moldados.

Explorando as propriedades do PLA

Propriedades mecânicas e térmicas do PLA

O PLA tem alta resistência à tração e módulo, permitindo que seja usado onde rigidez e integridade estrutural são necessárias. No entanto, tem uso limitado em ambientes de alto estresse devido à baixa resistência ao impacto em comparação a outros polímeros. Termicamente, o PLA transita do vidro polimérico para um estado de borracha em baixas temperaturas, em torno de 55–60 °C, e começa a amolecer em aproximadamente 150–180 °C. Assim, ele pode perder sua forma em condições de baixo calor. Mais importante, para atender às necessidades industriais específicas, incluindo misturas de PLA, suas propriedades mecânicas e térmicas podem ser modificadas pela mistura com outros materiais ou pelo uso de certos enchimentos ou aditivos.

Propriedades biodegradáveis ​​e de barreira

Em condições de compostagem industrial, o PLA é caracterizado por biodegradabilidade excepcional e se decompõe em água, dióxido de carbono e biomassa em poucos meses. Esse atributo o torna altamente procurado para usos ecologicamente corretos, como a fabricação de materiais de embalagem ou produtos descartáveis. Por outro lado, as temperaturas descontroladas e a ausência de atividade microbiana em ambientes naturais como água ou solo retardam comparativamente o processo de degradação do PLA. Em relação às propriedades de barreira, o PLA possui resistência moderada à passagem de oxigênio e umidade e, portanto, é apropriado para embalagens de alimentos de curto prazo. Combiná-lo com outros polímeros ou revestimentos para aplicações específicas pode oferecer propriedades de barreira adicionais.

Influência do peso molecular no PLA

O peso molecular é um dos fatores mais críticos que influenciam as propriedades mecânicas, térmicas e de degradação do PLA. Polilactídeos com altos pesos moleculares tendem a ter maior resistência, resistência térmica e menores taxas de degradação, tornando-os aplicáveis ​​em condições onde a durabilidade é necessária. Em contraste, Polilactídeos com baixos pesos moleculares têm uma maior taxa de degradação e são mais úteis em aplicações médicas, como sistemas de administração de medicamentos ou implantes biodegradáveis. Atender a esses requisitos exige selecionar um peso molecular adequado.

Como o plástico PLA é usado em embalagens de alimentos?

Aplicações do ácido polilático na indústria alimentícia

Em relação à segurança alimentar, a capacidade de ser obtido de forma sustentável e compostável, o ácido polilático (PLA) é de fato uma adição revolucionária à indústria de embalagens de alimentos. Ele é amplamente utilizado em recipientes, copos, bandejas e materiais de embalagem para frutas frescas, doces e embalagens de alimentos prontos para consumo. Além disso, o PLA é um substituto competitivo para PET e PS, onde a transparência é necessária, pois é transparente e rígido.

Além disso, estudos recentes sugerem que o PLA estende a vida útil de itens em risco de perecer. Quando misturado com certos aditivos relevantes ou construído em estruturas multicamadas, o PLA pode cobrir umidade e oxigênio, que são elementos cruciais na preservação de alimentos. Estimativas da indústria sugerem que a capacidade de produção mundial de PLA aumentará em mais de 600,000 toneladas métricas até 2025 devido ao aumento da demanda estimado pelo mercado de alimentos e bebidas. Esse aumento indica um foco maior em métodos de embalagem ecologicamente corretos, à medida que governos e empresas utilizam políticas mais sustentáveis.

O PLA também é relevante em materiais de embalagem de alimentos devido à sua compatibilidade com os princípios da economia circular. Produtos feitos com PLA podem ser compostados no nível da planta, o que ajuda a diminuir o desperdício em aterros sanitários e reduz as emissões de carbono. Os esforços em pesquisa estão focados em ampliar a gama de habilidades térmicas e mecânicas do PLA, e o desenvolvimento de inovações para aumentar a temperatura máxima de operação e a resistência do material diminui sua tendência a se tornar quebradiço. Isso torna mais fácil a implementação do material em várias aplicações de embalagem de alimentos.

Benefícios do uso de PLA biodegradável para embalagens

• Sustentabilidade Ambiental: Como há cana-de-açúcar ou amido de milho dos quais o PLA é feito, ele é um plástico biodegradável, e seu uso pode diminuir nossa dependência de combustíveis fósseis. Além disso, diferentemente dos plásticos padrão, ele tem um impacto ambiental negativo menor, pois pode se decompor em usinas de compostagem industrial.
• Pegada de Carbono Reduzida: A produção e o uso em escala industrial do PLA reduzem consideravelmente a emissão de gases de efeito estufa prejudiciais em comparação à produção e ao uso de plásticos à base de petróleo. Por esse motivo, ele é estabelecido como uma escolha melhor.
• Compostabilidade: A matéria orgânica nas embalagens de PLA pode se decompor sob condições controladas de compostagem, ajudando a minimizar os resíduos orgânicos que vão para aterros sanitários e, ao mesmo tempo, melhorando a matéria orgânica do solo.
• Versatilidade: Embora seja usado para fazer recipientes para hambúrgueres, vegetais frescos, carnes, embalagens para assados ​​e envoltórios para outras bebidas, sua praticidade está dentro dos objetivos ambientais das embalagens de alimentos.

Comparação entre PLA e plástico tradicional

• Fonte do material: O PLA é feito de amido de milho ou cana-de-açúcar, diferentemente dos plásticos tradicionais, que são feitos de combustíveis fósseis como a gasolina.
• Biodegradabilidade: o PLA se decompõe em matéria orgânica em instalações de compostagem industrial, enquanto os plásticos comuns levam anos para se decompor e contribuem para a poluição.
• Impacto ambiental: em comparação aos plásticos tradicionais, a produção de PLA gera menos emissões de gases de efeito estufa, reduzindo a pegada de carbono geral.
• Desempenho: O PLA tem um desempenho extremamente bom em muitas aplicações; no entanto, em comparação com certos plásticos industriais que funcionam em altas temperaturas, sua resistência ao calor e durabilidade limitam sua utilização.
• Reciclagem: Por serem mais comuns, os plásticos tradicionais têm mais chances de serem aceitos em programas de reciclagem. No entanto, o PLA não tem outros meios de descarte além da compostagem industrial.

Considerando tudo isso, fica claro que o PLA tem suas deficiências, principalmente em desempenho, mas também tem suas vantagens em sustentabilidade.

A Síntese do PLA: Técnicas e Métodos

Condensação direta de ácido láctico

Na produção de PLA, a condensação direta de ácido láctico é um método que envolve a remoção de água à medida que os monômeros de ácido láctico são ligados. A técnica normalmente precisa de temperaturas elevadas e níveis de pressão reduzidos para levar a reação em direção ao progresso eficaz. No entanto, um dos problemas significativos com esse método é que é desafiador obter polímeros de alto peso molecular devido à natureza de equilíbrio da reação, o que a torna ineficiente para propósitos de larga escala ou alto desempenho.

Técnicas de polimerização por abertura de anel

A polimerização por abertura de anel (ROP) continua sendo um dos métodos mais comuns para a síntese de PLA. Também é um dos mais eficazes quando se deseja alto peso molecular e características específicas do polímero. Neste caso, o lactídeo, o dímero cíclico do ácido láctico, é polimerizado com catalisadores à base de metal sob condições controladas. O catalisador mais comumente empregado para polimerização eficaz é o octanoato de estanho(II); no entanto, esforços recentes estão sendo feitos para pesquisar substitutos não tóxicos, como catalisadores orgânicos, para melhor sustentabilidade e biocompatibilidade.

Devido à clivagem das estruturas de lactídeo cíclico, os monômeros podem se ligar para formar longas cadeias de polímeros. O ROP é facilmente adaptado para atingir certos pesos moleculares e polidispersidades, por isso é frequentemente usado para múltiplas aplicações relacionadas ao PLA em dispositivos médicos, materiais de embalagem e têxteis. Estudos preliminares sugerem que o ROP pode atingir pesos moleculares acima de 100,000 g/mol, dependendo das condições da reação e da natureza dos catalisadores, o que por sua vez aumenta a resistência mecânica e a durabilidade do polímero.

Além disso, o desenvolvimento de novas técnicas de ROP, como sistemas de catalisadores verdes e sem solventes, está melhorando o rendimento da produção de ácido láctico e aumentando a ecologia do processo. Essas inovações correspondem ao crescente fornecimento de PLAs manufaturados sustentáveis, contribuindo para uma economia circular. Aproveitando essas inovações, o ROP continua a estar entre os métodos mais confiáveis ​​e facilmente realizáveis ​​de produção de PLA.

Inovações na síntese de PLA

A substituição de sistemas de catalisadores clássicos por polimerização enzimática não é a inovação mais empolgante na síntese de PLA, mas sim uma refrescante. Processos enzimáticos são uma alternativa mais ecológica para polimerização catalisada, pois empregam enzimas naturais para catalisar o processo, diminuindo assim o desperdício tóxico e permitindo temperaturas de reação mais baixas. Além disso, o desenvolvimento da síntese de PLA estereocomplexo a partir de polímeros enantiomericamente puros melhorou as propriedades térmicas e mecânicas dos materiais. Essas inovações aumentam o desempenho dos materiais e contribuem para a sustentabilidade nos processos de fabricação de PLA, o que é um pré-requisito para a aceitação mais ampla do uso do PLA.

Quais são os impactos ambientais do PLA?

PLA como um polímero biodegradável

O ácido polilático (PLA) é considerado um material verde devido à sua capacidade de se degradar em ambientes de compostagem industrial. Na minha opinião, como o PLA pode ser decomposto em seus componentes naturais, como dióxido de carbono e água, que são abundantes em uma infinidade de ambientes, é uma alternativa plástica que tem o potencial de diminuir o desperdício de plástico. Ao mesmo tempo, entendo que o potencial dos PLAs é sempre engarrafado, a menos que um sistema adequado de gerenciamento de resíduos seja implementado. Além disso, concordo que o PLA NE se degrada de forma tão eficiente em ambientes não tratados, como solo ou oceano. Portanto, é necessário um sistema no qual os principais fatores sejam monitorados.

Impacto da produção de PLA no meio ambiente

Os impactos ambientais da produção de ácido láctico são benéficos e prejudiciais ao ciclo de vida do PLA. Além disso, materiais de origem para PLA, como amido de milho ou cana-de-açúcar, podem ser cultivados, diminuindo a dependência de combustíveis fósseis e até mesmo reduzindo as emissões de gases de efeito estufa. Por outro lado, o processo de produção é altamente intensivo em energia; fontes de energia não renováveis ​​podem piorar a pegada ecológica. Além disso, a produção de safras de matéria-prima envolve mudanças no uso da terra, uso da água e fertilização que prejudicam o meio ambiente. Esses aspectos sugerem que esforços devem ser feitos para implementar práticas ambientalmente amigáveis ​​para obter o máximo de benefícios ecológicos do PLA.

O papel do PLA na redução de resíduos plásticos

O PLA é essencial para aliviar a poluição ambiental porque fornece um substituto biodegradável para plásticos tradicionais, não renováveis, à base de petróleo. Os problemas de resíduos plásticos e poluição melhorarão muito se compostarmos PLA industrialmente, no entanto, para que seja eficaz, a triagem adequada de resíduos e infraestruturas de compostagem apropriadas devem ser estabelecidas primeiro. Embora esses sistemas sejam necessários para colher os benefícios da compostagem de PLA, entendo que eles têm implicações enormes para nosso combate eficaz no enfrentamento de resíduos plásticos.

Perguntas Frequentes (FAQs)

P: O que é ácido polilático (PLA) e como ele é produzido?

A: O ácido polilático (PLA) é um plástico biodegradável feito de materiais renováveis, como amido de milho ou cana-de-açúcar. O PLA é fabricado durante a fermentação do amido em ácido láctico e, subsequentemente, o ácido é polimerizado em um polímero de PLA. A formação do PLA bruto envolve a condensação de monômeros de ácido láctico ou a polimerização de ácido láctico ou lactídeo para obter o polímero final.

P: Quais propriedades mecânicas o PLA possui?

R: As características mecânicas do PLA abrangem alta resistência à tração e baixo alongamento na ruptura, implicando em maior rigidez e fragilidade do que outros polímeros. Essas características, mais notavelmente a resistência à tração e o módulo de tração, permitem sua aplicação em impressão 3D, moldagem por injeção e produção de outros itens biodegradáveis.

P: O que deve ser entendido por PLA ser um plástico biodegradável?

R: O termo implica que o PLA pode se decompor em elementos como dióxido de carbono e água com compostagem industrial. A decomposição do PLA é facilitada por microrganismos que digerem o polímero. Como resultado, é uma opção muito mais verde do que os plásticos tradicionais.

P: Por que o ponto de fusão do PLA de 150 – 160 graus Celsius é significativo?

R: O PLA é usado de forma ideal para o processo de extrusão a uma temperatura baixa de 150 – 160 graus Celsius. Nessa temperatura, o PLA derrete rapidamente, tornando-o adequado para extrusão por meio de bicos para impressão 3D. Isso permite a produção de objetos intrincados e sofisticados impressos em 3D com PLA.

P: Quais são os usos dos produtos PLA nas atividades cotidianas?

R: O PLA pode ser usado para vários propósitos, como implantes médicos, impressão 3D e embalagens, e é até ótimo para talheres descartáveis. O PLA também é adaptável, pois pode ser moldado por injeção ou impresso em 3D, o que o torna útil para muitos usos comerciais e de consumo.

P: É possível combinar PLA com outros plásticos?

R: Absolutamente, as características mecânicas e físicas do PLA podem ser melhoradas ainda mais misturando-o com outros polímeros. Adicionar outros bioplásticos ou aditivos aumenta a flexibilidade, a resistência ao impacto e a resistência térmica do polímero, ampliando seu escopo de aplicabilidade.

P: Qual é a temperatura de transição vítrea do PLA?

R: A temperatura de transição vítrea do PLA é de quase 60 graus Celsius. Nessa temperatura, o polímero muda de um estado duro e vítreo para um estado emborrachado e flexível, o que afeta suas propriedades mecânicas e estabilidade em várias faixas de temperatura.

P: Como a produção de PLA contribui para a sustentabilidade?

R: A produção de PLA é ecologicamente correta. É feita de matérias-primas renováveis, como amido de milho e cana-de-açúcar, o que reduz a dependência de combustíveis fósseis não renováveis. Além disso, como o PLA é biodegradável, ele minimiza a quantidade de resíduos plásticos gerados e atenua o impacto negativo geral no meio ambiente, desde que seja descartado corretamente.

P: Quais são alguns dos desafios associados ao uso do PLA?

R: Quebra e degradação em temperaturas mais baixas, juntamente com fragilidade, são alguns dos problemas atualmente relacionados à aplicação do PLA; portanto, seu uso é restrito em regiões de alta temperatura. Além disso, embora o uso aprovado de instalações industriais esteja por aí, deve ser mencionado que há condições específicas para que ele seja adaptado para a quebra do PLA.

Fontes de Referência

1. Membrana Polimérica Fabricada com Ácido Polilático e Óleo de Babaçu para Cicatrização de Feridas

• Autores: D. Fernandes et al.
• Data de Publicação: 2021-02-21
• Principais conclusões:
  • A membrana eletrofiada de PLA/babaçu demonstrou propriedades favoráveis ​​para a construção de curativos para feridas. Estas incluem a taxa de transmissão de vapor de água recomendada (WVTR), manutenção de um ambiente úmido, não citotoxicidade, estimulação de linhagens de células de queratinócitos e inibição do crescimento de Pseudomonas aeruginosa.
• Metodologia:
  • A membrana polimérica feita de PLA e óleo de babaçu foi eletrofiada, seguida de uma série de testes para medir sua eficácia como curativo (Fernandes et al. 2021, pág. 102173).

2. As propriedades de engenharia, físicas e abrasivas de materiais de ácido polilático publicados em 3D

• Autor: A. Almajid
• Data de Publicação: 2020-03-01
• Principais conclusões:
  • O estudo se concentrou na modelagem de deposição de materiais PLA e descobriu que o desempenho de tração, módulo e ductilidade dependia muito da porcentagem de preenchimento e da direção da impressão.
• Metodologia:
  • Testes de tração, dureza e desgaste foram conduzidos em amostras de PLA com diferentes porcentagens de preenchimento para determinar as propriedades mecânicas (Almajid, 2020, pp. 118–125).

3. Características e efeitos da mistura de PLA, especificamente compósitos de amido reticulado e mistura de ácido polilático.

• Autor: Ying Wang
• Data de publicação: 07 de julho de 2018
• Principais conclusões:
  • De acordo com a pesquisa, a combinação de PLA com amido e compósitos de PLA de trimetilclorosilano melhorou as propriedades mecânicas, a análise óptica e a absorção de água dos compósitos. Um aumento no teor de amido reduziria as propriedades mecânicas.
• Metodologia:
  • Neste estudo de caso, sete amostras primárias experimentais foram produzidas pela mistura mecânica de PLA e amido em diversas proporções, seguida de testes mecânicos e análise FTIR.Wang, 2018).