SUBSTÂNCIAS COMPÓSITAS COM SUBPRODUTOS VEGETAIS, USOS E PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE SUBSTÂNCIAS COMPÓSITAS

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se ao campo das substâncias compósitas apresentando uma composição que inclui uma substância não sintética, em geral, bem como a usos e processos de produção de substâncias compósitas.

Antecedentes da Invenção

Considerando o custo ambiental associado à generalidades dos materiais plásticos, existe hoje uma crescente necessidade de proporcionar novos materiais para embalagens e outros tipos de usos, que possam substituir os referidos materiais plásticos.

A distribuição de substâncias ediveis, em particular de substâncias ediveis com propriedades organoléticas sensíveis, como por exemplo grão de café torrado e moído, requer o uso de confinamentos em materiais que proporcionem uma atmosfera interior controlada e estanque ao ambiente exterior. Em particular tais confinamentos são proporcionados em materiais que devem proporcionar pelo menos barreira à transferência de vapor de água e oxigénio ao longo de períodos previamente definidos, habitualmente designados por vida de prateleira, e que podem ser de vários meses. Hoje em dia, os materiais habitualmente utilizados para este efeito por cumprirem tais requisitos são materiais sintéticos, tanto incluindo plásticos como metais, que apresentam custos económicos e ambientais relativamente elevados.

O café constitui uma bebida popular em todo o mundo, sendo preparado de diversos modos de acordo com a tradição e costumes locais. Um desses modos é o chamado café expresso, cujos hábitos de consumo se têm globalizado e aumentado muito significativamente nos últimos anos. Um dos motivos que certamente sustenta esta popularidade prende-se com a possibilidade de preparação do café expresso de uma forma prática e económica, em máquinas simples e relativamente baratas, da categoria dos eletrodomésticos, designadamente máquinas de café que funcionam com cápsulas descartáveis, de dose individual. Embora comecem a existir no mercado algumas alternativas de cápsulas de café menos prejudiciais ao ambiente, o impacto das cápsulas de café constitui um problema sério de poluição, agravado pela previsão de grande crescimento do mercado deste tipo de embalagens.

A cascarilha é um subproduto do processo de torra dos grãos verdes de café, correspondendo em geral à parte que se solta dos grãos de café após a torra dos mesmos. A cascarilha é gerada em quantidades significativas e é atualmente tida como um subproduto não valorizado, com frequência eliminado sem ter em conta o seu potencial para outras aplicações.

O estado da técnica inclui diversos documentos relativos a substâncias compósitas apresentando uma composição que inclui polímeros sintéticos, designadamente numa matriz termoplástica, e bio-polímeros .

O documento EP 2218653 AI revela uma embalagem decomponivel biologicamente que inclui uma casca, uma camada de fibra e uma membrana de fecho que são em cada caso constituídas por um material decomponivel biologicamente.

O documento WO 03/ 000810 AI revela uma composição melhorada de impregnação e revestimento com base em emulsões de polímeros e látex de origem vegetal tais como casca e outras cinzas, incluindo cinza de casca de café na proporção de 10 a 50% do peso do compósito.

O documento WO 2012/077066 AI revela uma cápsula para preparar um produto líquido compreendendo uma parede de base que apresenta uma estrutura em camadas com pelo menos uma camada feita de um primeiro material compostável e pelo menos uma camada feita de um segundo material compostável que não sofre um amolecimento e/ou derretimento apreciável a uma temperatura de 70°C - 120 °C. Em particular, o referido primeiro material compostável é selecionado do grupo que inclui polímeros derivados de biomassas, polímeros sintéticos, polímeros produzidos por micro-organismos ou bactérias geneticamente modificadas, polímeros de monómeros fósseis, e misturas dos referidos polímeros com ou sem aditivos. O referido segundo material compostável é selecionado a partir de papel, tal como papel de celulose, de um modo preferido 100% celulose de papel, cartão, celofane de papel e acetato de celulose em particular, a camada do referido primeiro material é disposta internamente com relação à camada do referido segundo material. A cápsula revelada pode ser integralmente constituída por material compostável. Este documento descreve definições de "compostável" e de "biodegradação", as quais se integram no âmbito do presente pedido.

O documento US 2012/0097602 AI revela uma cápsula de tipo similar, sendo que o componente de filtro apresenta uma mistura de 0 a 60% de fibras de celulose e de cerca de 40 a 100 de fibras de poliéster compostáveis.

O documento WO 2015/162632 AI revela uma cápsula de tipo similar que compreende um material polímero biodegradável e compostável, ou uma mistura de referidos materiais, e uma percentagem de agentes de enchimento, sendo que os materiais polímeros incluem agro-polímeros e bio-poliésteres.

O documento WO 2015/162632 AI revela um composto com um polímero termoplástico e um meio de enchimento para produzir embalagens de alimentos, em particular cápsulas de café, e que também inclui polissacáridos derivados de agro-polímeros. A referida cápsula apresenta uma camada única e é feita de um material compreendendo um polímero biodegradável e compostável, com uma percentagem de meios de enchimento entre 15% e 80% de pelo menos um poliéster alifático ou alifático-aromático contendo de 15% a 90% de um ou mais meios de enchimento com uma granulometria D50.

O documento FR 3035085 também revela uma cápsula produzida a partir de um composto incluindo agro-polímeros de uma lista particular de possíveis origens de tais agro-polímeros.

Nenhum dos documentos no estado da técnica revela uma substância compósita apresentando uma composição que inclua bio- polímeros adaptados a uma matriz termoplástica, incluindo fibras naturais derivadas de subprodutos de espécies vegetais edíveis, em particular aromáticas, como por exemplo a cascarrilha de café, e que proporcione boas propriedades dimensionais e funcionais em vista de diferentes tipos de usos.

Descrição Geral da Invenção

O objetivo da presente invenção é proporcionar substâncias compósitas apresentando a maior fração possível de fibras de materiais naturais de origem vegetal de outra forma não usados até à data, em vez de materiais plásticos, desse modo substituindo pelo menos parte da massa da referida substância compósita por uma fonte de material biodegradável presentemente não valorizada, as referidas substâncias compósitas sendo adaptadas de modo que podem ser usadas como materiais industriais, passíveis de serem usados para produção industrial e proporcionando boas propriedades físicas, incluindo mecânicas e óticas, vantajosas em vista de diversos usos e com redução de custos.

Este objetivo é realizado de acordo com a presente invenção através de substâncias compósitas de acordo com a reivindicação 1, sendo que formas de realização preferidas são reveladas nas reivindicações dependentes.

Em particular, as substâncias compósitas de acordo com a presente invenção apresentam uma composição que inclui subprodutos de espécies vegetais edíveis, em particular fibras naturais associadas a subprodutos resultantes de um prévio processamento agroindustrial, incluindo térmico e/ou mecânico, de tais espécies vegetais, as referidas substâncias compósitas sendo adaptadas de modo que apresentam propriedade físicas, similares às de polímeros sintéticos e/ou bio-sintéticos, desse modo substituindo uma pelo menos uma parte, de um modo preferido pelo menos a maior parte da massa da referida substância compósita por uma fonte de material presentemente não valorizada.

As substâncias compósitas de acordo com a presente invenção podem apresentar uma composição que inclui pelo menos um de polímeros sintético e bio-polímeros, bem como ainda fibras naturais de subprodutos materiais resultantes do processamento de espécies vegetais.

As substâncias compósitas de acordo com a presente invenção podem apresentar uma matriz termoplástica que inclui pelo menos um de: polímeros sintéticos e bio-polímeros, e é reforçada com fibras naturais de subprodutos vegetais.

Demonstra-se como vantajoso quando as substâncias compósitas apresentam uma composição que inclui fibras naturais de subprodutos materiais resultantes do processamento de espécies vegetais aromáticas, visto que estas podem proporcionar um melhor contributo para a manutenção de perfis organolépticos associados às substâncias perecíveis a recolher em objetos produzidos com as referias substâncias compósitas.

Os subprodutos materiais de processamento de espécies vegetais aromáticas incluem, por exemplo, subprodutos de grãos de café verde, alfarroba, arroz e canela.

As substâncias compósitas de acordo com a presente invenção podem incluir um subproduto de processamento associado ao processamento da substância edível que pode ser protegida.

A cascarilha é um subproduto do processamento de café, em particular resultante da torra de grãos de café verde.

Demonstra-se como particularmente vantajoso quando as substâncias compósitas de acordo com a presente invenção, incluem fibras naturais de cascarilha de café, resultantes do processo de torrefação de grão de café, desse modo reduzindo a fração em massa dos polímeros sintéticos e/ou bio-polímeros.

Em particular, as substâncias compósitas de acordo com a presente invenção incluem fibra de cascarilha na sua composição.

A referida substância compósita pode não incluir PLA.

Um objetivo inerente da presente invenção é o de proporcionar usos de substâncias compósitas incluindo subprodutos de espécies vegetais, em particular fibras naturais associadas a subprodutos do processamento agroindustrial de espécies vegetais edíveis. Este objetivo é realizado de acordo com a presente invenção através de um uso de acordo com a reivindicação 12.

O referido objetivo pode ser realizado através da utilização de uma substância compósita de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 11.

Um objetivo inerente é o de proporcionar uma nova utilização de um material associado ao processamento de grãos de café, em particular da cascarilha de café, desse modo proporcionando uma valorização económica do mesmo e minimizando os subprodutos habitualmente resultantes do processamento de grão de café verde e eliminados, não utilizados ou valorizados economicamente.

Substâncias compósitas de acordo com a presente invenção podem ser usadas para produção de materiais de construção, tal como para enchimento ou revestimento, e de objetos associados à distribuição e consumo de substâncias ediveis ou farmacológicas, tal como para recolha de substâncias perecíveis, em geral, e substâncias com perfis organolépticos degradáveis por exposição a vapor de água e oxigénio ambientes, tais como café torrado e moído, chá e outras substâncias aromáticas, e apresentando uma composição na família dos bio-polímeros.

Um outro objetivo inerente é o de proporcionar uma embalagem de produtos alimentares, em particular embalagens de café, como por exemplo cápsula e pastilhas para grão de café torrado e moído, com propriedades físico-químicas similares às do café.

As substâncias compósitas de acordo com a presente invenção podem ser usadas para produção de artigos do tipo filmes flexíveis, embalagens semi-flexíveis, como por exemplo pastilhas para conter substâncias ediveis aromáticas como por exemplo pau de canela, e embalagens rígidas, como por exemplo cápsulas para grão de café torrado e moído, e outras substâncias ediveis aromáticas, e recipientes abertos, como por exemplo chávenas, copos, bem como artigos outros, como por exemplo utensílios usados na preparação de alimentos, como por exemplo colheres e similares. A substância compósita de acordo com a presente invenção pode ser ainda usada para produção de artigos por meio de injeção, de forma análoga à de outros polímeros.

Um outro objetivo da presente invenção é o de proporcionar um processo de produção de substâncias compósitas incluindo pelo menos um de polímeros sintéticos e bio-polímeros na sua composição, e incluindo um subproduto resultante de um prévio processamento de espécies vegetais edíveis, como por exemplo a cascarilha resultante da torrefação de grãos de café.

Este objectivo é realizado de acordo com a presente invenção através de um processo de acordo com a reivindicação 17.

O referido objetivo pode ser realizado através de um processo de produção de uma substância compósita de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11.

No âmbito da presente invenção, entende-se como "subproduto de espécie vegetal edível" qualquer material ou substância que resulta de um processamento, por exemplo mecânico, térmico, ou outro, de uma espécie vegetal, sendo que o referido "subproduto", material ou substância, não é utilizado ou utilizável diretamente enquanto produto alimentar. A definição de "subproduto" poderá ser ainda entendida por referência a um processo que gera um "produto de espécie vegetal edível", no sentido de uma substância edível que resulta diretamente enquanto maior fração em massa, de um processamento de uma espécie vegetal edível do qual também resulta pelo menos um "subproduto", com menor fração em massa. Neste sentido, "subproduto" é uma menor parte em massa que resulta de um processo de manipulação ou transformação de uma espécie vegetal edível, enquanto matéria-prima, num produto edível pronto para utilização ou consumo. Descrição das Figuras

A invenção será em seguida explicada em maior detalhe com base em formas de realização preferidas e nas Figuras que se anexam.

As Figuras mostram:

Figura 1: gráfico de viscosidade de uma primeira forma de realização de uma substância compósita de acordo com a presente invenção;

Figura 2: gráfico de viscosidade de uma segunda forma de realização de uma substância compósita de acordo com a presente invenção;

Figura 3: gráfico de comportamento térmico da cascarilha de café, obtida após torrefação de grãos de café;

Figura 4: gráfico comparativo da primeira e segunda formas de realização de acordo com a presente invenção;

Figura 5: gráfico de espetrometria comparativo da primeira e segunda formas de realização de acordo com a presente invenção;

Figura 6: imagem captada por SEM de uma amostra da primeira forma de realização de acordo com a presente invenção, numa primeira escala de ampliação;

Figura 7: imagem captada por SEM de uma amostra da primeira forma de realização de acordo com a presente invenção, numa segunda escala de ampliação;

Figura 8: imagem captada por SEM de uma amostra da primeira forma de realização de acordo com a presente invenção, numa terceira escala de ampliação.

Descrição de formas de realização da Invenção

De acordo com um primeiro aspeto, a presente invenção revela substâncias compósitas que apresentam na sua composição fibras naturais resultantes do processamento de espécies vegetais, i.e., subprodutos materiais de processamento mecânico e/ou térmico.

De acordo com um outro aspeto, as substâncias compósitas apresentam fibras naturais subprodutos resultantes do processamento de espécies vegetais, bem como ainda pelo menos um de: polímeros sintéticos e bio-polímeros de origem vegetal.

É deste modo proporcionada uma valorização de subprodutos de processamento agroindustrial, ou outro, bem como uma redução do consumo de polímeros de custos económicos e/ou ambientais relativamente mais elevados.

Em particular, as substâncias compósitas de acordo com a presente invenção apresentam propriedades apropriadas para diversos usos incluindo para uso na produção de objetos por meio de injeção em moldes, ou por meio de impressão tridimensional.

Em particular, as substâncias compósitas são adaptadas para proporcionar proteção relativamente à luz, vapor de água, ao oxigénio, a contaminantes microbianos, a contaminantes químicos.

As substâncias compósitas reveladas pela presente invenção são por isso adequadas para a produção de objetos de recolha, em particular do tipo embalagens ou partes destas, que proporcionam proteção de substâncias perecíveis ao longo de um assim designado período de prateleira ou tempo de vida comercial, i.e. apresentando degradação das suas propriedades físico-químicas, quando expostas a vapor de água e oxigénio ambientes. As referidas substâncias perecíveis podem ser substâncias edíveis, em geral, requerendo uma substancial proteção de barreira de vapor de água, e podem ainda ser substâncias edíveis com perfil aromático, em particular, requerendo para além disso uma substância proteção de barreira de oxigénio.

As referidas substâncias edíveis aromáticas podem ser substâncias percursoras de bebidas aromáticas, como por exemplo grãos de café torrado e moído, café solúvel, chá, chocolate, alimentos liofilizados e outras substâncias similares.

Um exemplo de uso das substâncias compósitas reveladas pela presente invenção é o caso de embalagens do tipo cápsulas, pastilhas e similares, e com uma forma dimensional semirrígidas, rígidas, ou de tipo filme.

As substâncias compósitas reveladas pela presente invenção podem ser usadas na injeção de objetos, de forma similar à injeção de substâncias compósitas incluindo polímeros sintéticos e/ou bio- sintéticos .

A presente invenção será em seguida descrita com base em formas de realização associadas ao aproveitamento de um subproduto particular do processamento de torrefação de grãos de café: a cascarilha de café.

Neste sentido, são descritos exemplos de materiais compósitos total ou substancialmente biodegradáveis, reforçados com cascarilha de café resultante do processo de torrefação de grãos de café.

Em particular, foram testadas duas misturas de BioPBS com cascarilha de café.

No caso de uma primeira forma de realização da substância compósita de acordo com a presente invenção, foi ensaiada uma matriz termoplástica incluído bio-polímero (BioPBS) com cascarilha de café presente numa fração em massa de 10,7%.

No caso de uma segunda forma de realização da substância compósita, foi ensaiada uma matriz termoplástica que também tem uma fração em massa de 10,7% de fibra de cascarilha, mas que inclui ainda a adição de um polímero compatibilizante para aumentar a adesão interfacial entre o PBS e as fibras de cascarilha. O polímero selecionado foi EVA-co-MA (Fusabond C 190) por conter o grupo funcional pretendido (anidrido maleico) enxertado na estrutura principal do EVA (ethylene vinyl acetate) e por possuir uma temperatura de fusão adequada (71 °C) ao processo. O EVA-co- MA foi adicionado numa fração em massa de 14,9%. Experimentalmente, verificou-se que o BioPBS e o EVA-co-MA eram miscíveis, o que reforçou a justificação para utilizar este aditivo. A principal desvantagem deste polímero é ser de origem petroquímica não- biodegradável .

As misturas de BioPBS com cascarilha foram efetuadas a 140 °C, de modo a aplicar temperaturas razoavelmente superiores às da fusão do PBS (115 °C) e testar condições mais próximas das usadas na indústria.

Em ambos os casos, a viscosidade das misturas manteve-se estável para adições sucessivas de frações constantes de cascarilha, à temperatura de 140 °C. A viscosidade da primeira forma de realização (ver Figura 1) é inferior à viscosidade da segunda forma de realização (ver Figura 2), para a mesma concentração de fibras de cascarilha, porque o aditivo EVA-co-MA possui um índice de fluidez relativamente baixo.

O comportamento térmico da cascarilha de café, resultante do processo de torrefação de grão de café, é representado na Figura 3. A cascarilha contem neste caso 10% em peso de água e a sua degradação térmica ocorre a cerca de 200 - 400 °C. O resíduo a 600 °C corresponde a 30% em peso. O teste foi realizado sob atmosfera inerte.

Os resultados da caracterização do comportamento térmico comparam o polímero BioPBS com a primeira forma de realização (ver a Figura 4). O polímero sozinho, BioPBS, apresenta um perfil de degradação num passo único (340-440 °C) e o resíduo a 600 °C é desprezável .

A primeira forma de realização de compósito incluindo fibra de cascarilha tem o pico de fusão a 122 °C. Os resultados mostram também que uma fração de cerca de 10% em massa de ECO 10 começa a degradar-se a temperaturas superiores a 200 °C (220-360 °C), sendo os restantes 90% (m/m) degradados até aos 420 °C. A 600 °C, a amostra consiste num resíduo carbonífero que corresponde a cerca de 7% (m/m) da amostra inicial. A perda de massa de 10% corresponde ao conteúdo mássico em fibras.

Esta forma de realização de substância compósita pode assim apresentar um índice de fluidez de pelo menos 1,5 g/ 10 min, a 190°C, de um modo preferido de pelo menos 3,0 g/ 10 min, a 190 °C.

Além disso, revela-se como particularmente vantajoso o facto de estas substâncias compósitas de acordo com a presente invenção apresentarem uma temperatura de fusão menor que 200 °C, de um modo preferido menor que 170 °C, de um modo particularmente preferido menor que 150 °C.

Além disso, em particular no que se refere ao uso destas substâncias para produção de confinamentos, ou outro tipo de objetos, por meio de injeção em molde ou aplicações de revestimento de outros materiais, as substâncias compósitas de acordo com a presente invenção podem apresentar os seguintes intervalos de parâmetros operacionais característicos:

- pressão de injeção entre 30 e 150 bar, de um modo preferido entre 50 e 100 bar,

- pressão de compactação entre 5 e 30 bar, de um modo preferido entre 10 e 20 bar.

A espetrometria por meio de FTIR ("Fourier-transform Infrared spectroscopy") dos dois materiais compósitos relativos à primeira e segunda formas de realização é representada na Figura 5. Como se pode observar, não é possível distinguir a contribuição do agente compatibilizante, neste caso o EVA-co-MA, no espetro da segunda forma de realização (referido como "2nd Embodiment").

O aspeto macroscópico dos materiais compósitos, à saída da misturadora, é muito homogéneo. A resistência à fratura manual, testada de forma empírica, é elevada para a espessura e forças aplicadas. O agente compatibilizante deverá aumentar a adesão entre as fibras e a matriz, aumentando a resistência mecânica do compósito e diminuindo a permeabilidade do material por fluidos, ou seja, a barreira à transmissão de fluidos, incluindo a gases (oxigénio, vapor de água).

A microestrutura dos compósitos associados à primeira forma de realização corresponde a um material onde é mais fácil observar a matriz do que as fibras (ver Figuras 6 a 8). Como se pode observar nas imagens obtidas por SEM ("Scanning Electron Microscopy") a matriz possui arestas, devendo corresponder a um polímero relativamente frágil. A morfologia característica da fibra de cascarilha é evidenciada em algumas imagens onde se identificam as fibras, ou as impressões deixadas ao separar os fragmentos para observação .

A substância compósita de acordo com a presente invenção pode incluir polímero sintético e fibra de cascarilha de modo que apresenta uma taxa de transferência de vapor de água (WVTR) menor que 20 g/m ² .dia, de um modo preferido menor que 10 g/m ² .dia, de um modo particularmente preferido menor que 5 g/m ² .dia, em condições ambiente de 38 °C, 90% RH para filme de 1 milímetro.

A substância compósita de acordo com a presente invenção pode incluir polímero sintético e fibra de cascarilha apresentar uma taxa de transferência de oxigénio (OTR) menor que 500 cm ³ /m ² .dia, de um modo preferido menor que 250 cm ³ /m ² .dia, de um modo particularmente preferido menor que 150 cm ³ /m ² .dia, em condições ambiente de 38 °C, 90% RH para filme de 1 milímetro, desse modo proporcionando barreira a transferência de vapor de água e oxigénio. Estas propriedades são relevantes para a produção de recipientes de recolha de substâncias perecíveis, como substâncias edíveis, que se degradam em resultado da exposição à atmosfera ambiente.

A substância compósita de acordo com a presente invenção pode incluir polímero sintético e fibra de cascarilha de modo que apresenta uma transmissão de luz negligenciável.

A matriz termoplástica das substâncias compósitas de acordo com a presente invenção pode, por conseguinte, apresentar caracteristicas físicas, incluindo propriedades de barreira à transmissão de radiação ultravioleta e à transferência de fluidos na mesma ordem de grandeza, no máximo apenas com uma ordem de grandeza de diferença que os valores correspondentes específicos dos polímeros presentes na composição da mesma.

O âmbito da presente invenção não é naturalmente limitado pelos exemplos acima.

Como será prontamente entendido pelo leitor, é ainda possível aproveitar fibras de outros subprodutos de processamento de espécies vegetais, em particular de espécies vegetais aromáticas, como por exemplo: a casca de alfarroba, a casca de canela e a casca de arroz.

Além disso, estas substâncias podem ser combinadas não apenas com polímeros de origem vegetal, mas também como polímeros de origem sintética, e fóssil.

Lisboa, 1 de abril de 2021