Compreendendo o mecanismo de degradação do PLA: por que o filamento de PLA pode ficar quebradiço

Bem-vindo a um tutorial completo sobre o mecanismo de degradação do PLA e respondendo à pergunta de por que o filamento de PLA se torna quebradiço. Neste blog, o primeiro aspecto que será abordado é uma breve história do ácido polilático (PLA) e os fatores que trabalharam para sua degradação, então prosseguiremos para os detalhes do mecanismo de degradação. Existem muitos aspectos desconhecidos em torno deste material. Traremos as respostas para perguntas como por que o PLA é fraco em estrutura, por que tem tantos produtos de decomposição e quão importante o processo de degradação altera os vários graus de filamento de PLA. Prepare-se para entrar no mundo da degradação do PLA, suas aplicações e muito mais no que será uma experiência emocionante e informativa que revela a ciência por trás do PLA. Com isso dito, vamos começar!

O que é PLA e como ele se degrada?

Visão geral do ácido polilático e seus usos conhecidos

PLA (ácido polilático) é um termoplástico biodegradável obtido de recursos renováveis, como amido de milho ou cana-de-açúcar. Devido às economias de rápido crescimento, seu mercado potencial vai de impressão 3D e 4D, embalagens e implantes médicos, entre muitos outros. A principal maneira pela qual o PLA é degradado é a hidrólise, um processo bioquímico que consiste em quebrar um composto pela adição de água. A hidrólise, neste caso, pode acontecer mais rapidamente quando certos fatores aumentam, por exemplo, temperatura, umidade e luz UV, o que, em última análise, torna o material mais quebradiço e poroso ao longo do tempo.

O mecanismo básico de degradação do PLA

Hidrólise é o processo pelo qual o PLA é quebrado, onde ligações éster são clivadas com moléculas de água cortando longas cadeias de polímero em pedaços menores. A degradação pode acontecer devido à longa exposição ao calor, umidade e luz UV, o que pode enfraquecer a estrutura do material ao longo do tempo, tornando-o quebradiço.

Fatores que influenciam a taxa de degradação do PLA

Na minha opinião, além da estrutura química básica do material, há uma série de fatores que influenciam a degradação do PLA, sendo o mais importante a temperatura. Para começar, se a temperatura for aumentada, a taxa de hidrólise também aumenta, o que resulta na clivagem das cadeias de polímero. Também notei que áreas úmidas tendem a aumentar a taxa de degradação porque as moléculas de água são críticas no processo de hidrólise. Áreas com alto teor de umidade ou mesmo contato com água tendem a acelerar o processo de degradação. Além disso, a degradação do PLA é alimentada pela exposição à luz UV, que altera a estrutura de ligação do material, e isso é ainda mais verdadeiro quando o PLA é aplicado ao ar livre ou em locais com alta iluminação. Todos esses fatores estão inter-relacionados para ilustrar como algumas condições ambientais ou de uso do material podem afetar drasticamente a vida útil do PLA.

Por que o PLA fica quebradiço com o tempo?

A Contribuição da Degradação Hidrolítica nos Compósitos Frágeis de PLA

Com o passar do tempo, as moléculas de água fazem com que as cadeias poliméricas do PLA encurtem, levando à perda de flexibilidade e resistência mecânica, o que contribui para a fragilidade. Além disso, a exposição ao calor, umidade e UV piora a desintegração estrutural, tornando-o ainda menos durável e mais quebradiço.

A dependência da taxa de hidrólise em fatores ambientais durante a decomposição do PLA e suas consequências

Fatores ambientais são críticos ao considerar a complexidade da degradação do PLA. O aumento da temperatura promove a hidrólise, aumentando a quebra das cadeias de polímeros. A umidade também catalisa essa reação, enquanto quando a planta madura é exposta a UV por muito tempo, ela danifica a estrutura no nível molecular. Isso coletivamente leva à deterioração das propriedades mecânicas e de flexibilidade do PLA, tornando-o quebradiço rapidamente.

O papel da estrutura da cadeia polimérica na propriedade frágil

Na minha opinião, a fragilidade dos materiais PLA depende de suas estruturas de cadeia de polímero. O processo de degradação do material faz com que as cadeias de polímero encurtem, o que resulta em menos flexibilidade, tornando o material mais quebradiço. Este é um efeito comum que já vi em diferentes ocasiões, por exemplo, quando umidade, calor ou outros fatores fazem com que o processo de quebra interna comece muito mais rapidamente. Ao selecionar ou aplicar PLA, costumo sempre levar em consideração as propriedades mecânicas do material, bem como as condições que reduzem o risco de fragilidade e aumentam a vida útil do material.

Explorando os produtos de degradação do PLA

Os principais subprodutos e suas consequências

Os subprodutos mais frequentemente observados da degradação do polilactídeo são oligômeros e lactídeo. Eles ocorrem como resultado da cadeia do polímero sendo hidrolisada em seus monômeros. A melhor parte sobre o ácido láctico é que ele é ecologicamente correto porque não é tóxico e pode ser facilmente absorvido pelos sistemas naturais. O único problema com o óleo de lactídeo é que ele pode hipoteticamente se concentrar em sistemas fechados, o que pode então cortar o acesso dos sistemas circundantes, potencialmente destruindo a aplicação e o ecossistema no processo.

Como o ácido láctico se associa à degradação do PLA

Em termos gerais, o ácido láctico impacta a degradação do PLA, pois é principalmente o subproduto gerado pela hidrólise. Quando a hidrólise ocorre, o lactídeo é um resíduo que permanece. É apenas uma questão de tempo antes que a maior quantidade de ácido láctico desencadeie uma resposta na área local que reduza o nível de pH, resultando na degradação da hidrólise em equilíbrio.

Desmantelamento da Matriz PLA: Uma Explicação.

Na minha experiência, a hidrólise é o primeiro passo da dissolução da matriz PLA. Ela inclui moléculas de água penetrando em polímeros e quebrando ligações éster em cadeias de polímeros. Percebi que quando isso acontece, o material começa a perder sua integridade estrutural e se torna mais fraco e quebradiço com o tempo. Outras coisas que são importantes nesses processos incluem umidade e temperatura. Por exemplo, mais pressão úmida fixará a entrada de água, enquanto temperaturas mais altas são úteis na clivagem da ligação. Essas situações existem com bastante frequência ao trabalhar com PLA, onde o material viscoelástico não é fácil de quebrar e, portanto, requer armazenamento frio e seco. No entanto, se a intenção de uso do PLA for em ambientes com quebra predominante, então conhecer esse mecanismo me ajuda a melhorar o desempenho para esse mecanismo de mudança específico.

Como o processo de degradação afeta o filamento PLA?

Como as mudanças nas propriedades mecânicas do PLA são afetadas pela degradação

O filamento PLA está tão degradado que agora limita para que ele pode ser usado. Isso é o mesmo para a maioria dos polímeros šypercarnívoros. Com o passar do tempo, a hidrólise continua a ocorrer, o que encurta as cadeias do polímero, tornando o material mais quebradiço e encurtando sua resistência à tração. Como resultado, o filamento perde sua flexibilidade, bem como capacidade de suportar carga, tornando-o menos útil em aplicações mecânicas, a menos que, é claro, entre em degradação para um caso de uso específico.

Analisando o comportamento de degradação de PLA puro e compósitos baseados em PLA

Várias tendências são, na minha opinião, dignas de nota, pois o PLA puro é comparado aos compósitos baseados em PLA, especificamente seu comportamento em relação à degradação. O PLA puro é um constitutivo unidirecional com propriedades mecânicas consistentes quando colocado sob as mesmas condições ambientais, portanto, espera-se que sua degradação seja uniforme e em uma taxa consistente. Enquanto isso, os compósitos baseados em PLA são muito mais diversos graças às inclusões ou reforços variados adicionados, levando a um comportamento de degradação variado, por exemplo, compósitos com enchimentos orgânicos, fibras de madeira podem ser propensas a absorver umidade, ocorrendo com mais frequência, o que pode desencadear uma área a sofrer hidrólise. Alternativamente, a penetração de umidade pode ser ligeiramente restrita em compósitos reforçados com enchimento inorgânico de fibras de vidro ou carbono, o que limita um pouco a degradação. Pela minha experiência, esse nível de detalhe é muito importante, especialmente ao lidar com materiais que provavelmente serão expostos a diferentes aspectos ambientais/, em última análise, alterando suas propriedades, tornando-os mais adequados para cenários específicos.

O PLA é realmente biodegradável?

Investigando a degradação natural do PLA em várias condições

As condições em que o PLA é colocado determinam sua biodegradabilidade. Por exemplo, se a temperatura, umidade e atividade microbiana forem adequadas no composto industrial, o PLA pode se biodegradar em dióxido de carbono, água e biomassa em um período de 3 meses ou menos. Ao contrário, se o PLA for exposto a condições e cenários naturais como o oceano, a degradação é totalmente oposta, pois as condições são fósseis, o que resulta em um atraso prolongado no processo, pois não há microrganismos que seriam capazes de consumir o PLA. Portanto, pode-se dizer que o PLA é biodegradável, mas há um porém: ele não se dissolve em um tempo eficiente em muitos ambientes sem as condições certas.

Os problemas associados à decomposição completa do PLA

Um dos maiores problemas que inibem os indivíduos de decompor completamente o PLA é a falta de instalações para gerar condições ótimas. Condições como altas temperaturas, solo úmido e outras condições diversas são encontradas em instalações de compostagem, que se idealizadas em outros ambientes, o PLA também se desintegraria completamente. A falta de temperatura, umidade e colônias microbianas suficientes resulta na decomposição ineficiente do PLA, o que só é possível por meio de técnicas adequadas de descarte de resíduos e compostagem.

Oportunidades futuras para PLA em uso sustentável

Na minha opinião, o PLA pode ser classificado como biodegradável, embora seja necessário qualificá-lo; ele se decompõe facilmente apenas sob certas condições, como em compostos industriais. Em ecossistemas naturais, sejam eles solos ou oceanos, a temperatura necessária para a obliteração e os microrganismos estão ausentes e, portanto, o PLA leva muito mais tempo para se biodegradar nesses ecossistemas. Para eliminá-lo totalmente, os sistemas de gerenciamento de poluição pelágica devem estar presentes, portanto, sua biodegradabilidade depende muito de como gerenciamos e tratamos os resíduos de PLA.

Fontes de referência

Ácido polilático

Biodegradação

Polímero

Principais fabricantes de extrusoras reativas na China

Perguntas Frequentes (FAQs)  

P: O que é PLA e por que ele é classificado como biocompostável?

R: PLA, também conhecido como ácido polilático, é uma forma de plástico que é fabricado a partir de recursos renováveis ​​como amido de milho ou cana-de-açúcar. É classificado como biocompostável porque, sob certas condições ambientais, pode ser hidrolisado em ácido l-lático, qualificando-o assim como um dos polímeros biodegradáveis.

P: Quais fatores afetam a degradação dos polímeros PLA?

R: A degradação do PLA é virtualmente condicionada pelas condições de degradação de temperatura, umidade e pH. A hidrólise do PLA ocorre mais rapidamente na faixa de temperatura úmida e quente.

P: O peso molecular do PLA influencia seus processos de biodegradação? Se sim, como?

R: Foi observado que o PLA de alto peso molecular é mais resistente à degradação rápida do que o PLA de baixo peso molecular. Isso ocorre porque as moléculas de ácido d-láctico e ácido l-láctico encontradas na cadeia curta de pla requerem um tempo menor para se degradar durante o processo do que as moléculas de cadeia longa de pla.

P: É possível reciclar PLA e como fazer isso?

R: Certo, o PLA pode ser reciclado, mas o procedimento envolvido não é o mesmo que o de outros plásticos. Ele requer coleta e classificação dos produtos de PLA, seguido por um processo em que o PLA é degradado em monômeros em um ambiente controlado e pode então ser produzido em novos produtos de PLA.

P: Quais são as diversas técnicas de degradação empregadas no PLA?

R: Degradação hidrolítica, degradação térmica e biodegradação são as diferentes técnicas de degradação desenvolvidas para PLA. Cada aproximação emprega um conjunto único de condições para decompor a estrutura do PLA.

P: Quanto tempo é preciso esperar para que o PLA se decomponha?

A: A variação no período de degradação do PLA é instigada por fatores ambientais e parâmetros de degradação. Por exemplo, em instalações de compostagem industrial, esse material pode levar aproximadamente 6 meses para se degradar, enquanto em circunstâncias naturais pode levar anos.

P: Existe alguma área na área médica onde o PLA pode ser usado?

R: O PLA é aplicado na área médica, incluindo suturas, parafusos e placas, porque é biocompatível e seguro para ser absorvido pelo corpo. A taxa da cinética de degradação é crucial para permitir que o PLA seja metabolizado de forma uniforme.

P: Como a cristalização afeta a degradação do PLA?

R: A taxa de cristalização do PLA afeta suas propriedades mecânicas e taxa de degradação. A forma cristalina do PLA tem taxas de degradação mais lentas na presença de água, enquanto a forma amorfa mostra taxas mais altas de degradação.

P: Você pode explicar melhor as diferenças que existem entre o teste in vitro feito em laboratório e o teste in vivo feito no corpo?

R: Os pesquisadores que conduziram o experimento in vitro declararam que o fato de ser feito em um ambiente de laboratório controlado pode afetar a taxa de degradação do PLA do que o in vivo, que é feito em humanos. In vitro sim, você pode modificar muitas coisas sobre o ambiente, como temperatura, pH e enzimas que podem influenciar a degradação do PLA.