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Title:
PROCESS FOR THE PRODUCTION OF THERMOPLASTIC COMPOSITES CONTAINING ADDITIVES AND RESULTING COMPOSITES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/042196
Kind Code:
A1
Abstract:
A process is described for the production of thermoplastic composites containing additives for the production of components, parts and products moulded by injection moulding, extrusion, thermoforming, rotomoulding and blow moulding involving recycling and processing waste from coffee production and consumption (post-consumption coffee grounds, grain waste or powder generated during manufacturing, waste powder from the process of encapsulation, post-consumption capsule waste, etc.) combined with wood flour (of any type or kind) and/or MDF waste and/or other agroindustrial and lignocellulosic waste (plant fibres from coconuts, bamboo, peanuts, cassava flour, etc.) and mixing same with virgin or recycled thermoplastic resins (post-consumption or industrial scraps) that are biodegradable and/or compostable and/or from renewable sources and polymer blends of said resins.

Inventors:
BIANCHINI GLAUCO FABRÍCIO (BR)
BIANCHINI VIVIAN KARINA (BR)
RAZZINO CARLOS DO AMARAL (BR)
Application Number:
PCT/BR2020/050354
Publication Date:
March 11, 2021
Filing Date:
September 04, 2020
Export Citation:
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Assignee:
INTECMAT IND E TECNOLOGIA EM MATERIAIS COMPOSTOS POLIMERICOS LTDA ME (BR)
International Classes:
B29C70/02; C08L23/06; C08L23/12; C08L97/02
Foreign References:
IN201641015805A2017-11-10
BR0106351A2002-09-17
Other References:
R. VASANTHAKUMARI ET AL.: "Preliminary Studies of the Effect of Coupling Agent on the properties of Spent Coffee Grounds Polypropylene Bio-Composites", INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING RESEARCH AND TECHNOLOGY, vol. 7, 2014, pages 9 - 16, XP055800084
J. T. MARTINS ET AL.: "Analise do perfil termico de compositos de polietileno de alta densidade obtidos por extrusao e injeçao de residuo cafeeiro", XIII CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA QUIMICA EM INICIAFAO CIENTIFICA, BLUCHER CHEMICAL ENGINEERING PROCEEDINGS, vol. 1, 2019, pages 1197 - 1203, XP055800086, ISSN: 2359-1757, Retrieved from the Internet
GRISON ET AL.: "Avaliaçao das propriedades mecânicas e morfologicas de compositos de PEAD com pó de Pinus taeda e alumina calcinada", POLIMEROS, vol. 25, 2015, pages 408 - 413, XP055800088, DOI: 10.1590/0104-1428.1852
Attorney, Agent or Firm:
Ariboni, Fabbri & Schmidt Sociedade de Advogados (BR)
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Claims:
Reivindicações

1. Processo para a produção de compósitos termoplásticos aditivados, através de extrusora, caracterizado por compreender as etapas de:

- processamento dos resíduos lignocelulósicos e/ou pó de café, através de moagem, secagem e seleção granulométrica;

- alimentação no funil da extrusora de uma resina termoplástica granulada e/ou na forma de flakes (resinas virgens ou recicladas, biodegradáveis e/ou de fontes renováveis e blendas a partir destas resinas);

- mistura intensiva dos resíduos lignocelulósicos e/ou pó de café com a resina termoplástica na extrusora, com temperatura preferencialmente inferior a 210Q C;

- degasagem do compósito na extrusora; e,

- obtenção do compósito granulado.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os resíduos lignocelulósicos apresentarem granulometria de 100 a 800 micra, umidade entre 2 e 10% , densidade aparente entre 0,10-0,4 g/cm3 e densidade real entre 1 ,40 e 2,00 g/cm3.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por os resíduos lignocelulósicos compreenderem ainda cargas vegetais ou minerais, selecionadas entre talco, argila, farinha de resíduo de madeira, pó de MDF, amendoim, mandioca, coco, bambu ou cana.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a resina apresentar fluidez de 5 até 50 g/10 min, sendo preferencialmente selecionada entre as resinas poliolefínicas, e mais preferencialmente entre polipropileno ou polietileno de alta densidade.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 4, caracterizado por incluir agentes compatibilizantes para poliolefinas à base de anidrido maleico.

6. Compósitos termoplásticos, caracterizados por serem produzidos de acordo com o processo conforme descrito em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.

7. Compósito termoplásticos, caracterizados por apresentarem a forma de grânulos e estarem aptos a produção de componentes, peças e produtos moldados por injeção, extrusão, termoformagem, rotomoldagem ou sopro.

Description:
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE COMPÓSI TOS TERMOPLÁSTI COS ADI TI VADOS E COMPÓSI TOS RESULTANTES

Campo da I nvenção

[001 ] A presente invenção se refere a um processo para a produção de compósitos termoplásticos aditivados e aos compósitos resultantes. Mais em particular, a presente invenção se refere a um processo para a produção de compósitos termoplásticos, em cujo processo de produção são agregados resíduos orgânicos, preferencialmente reciclados. Síntese de Invenção

[002] A invenção consiste essencialmente em um processo de produção de compósitos termoplásticos para produção de componentes, peças e produtos moldados por injeção, extrusão, termoformagem, rotomoldagem e sopro a partir do reaproveitamento e beneficiamento de resíduos da produção e consumo de café (borra de café pós consumo, refugo de grãos ou pó gerados durante industrialização, resíduos de pó do processo de encapsulamento, resíduos de capsulas pós consumo, etc.) combinados com farinha de madeira (de qualquer tipo ou espécie), e/ou resíduos de MDF e/ou outros resíduos agroindustriais e lignocelulósicos (fibras vegetais de coco, bambu, amendoim, farinha de mandioca, etc.) e a sua mistura com resinas termoplásticas virgens ou recicladas (pós- consumo ou aparas industriais), biodegradáveis e/ou compostáveis e/ou de fontes renováveis e blendas poliméricas a partir destas resinas. A denominação resíduos lignocelulósicos se refere aos subprodutos gerados durante a usinagem de madeiras ou MDF em serrarias e movelarias e resíduos agroindustriais gerados a partir do cultivo, beneficiamento e utilização na indústria.

Breve Descrição das Figuras

[003] A presente invenção será melhor compreendida a partir da descrição detalhada de uma forma preferencial de realização, não limitativa, a qual toma por base ilustrativa a figura em anexo, trazida a título meramente ilustrativo e não limitativo, na qual: - A figura 1 é uma vista esquemática de uma extrusora, apta a produção de um compósito termoplástico, de acordo com a presente invenção.

Descrição detalhada da invenção

[004] O invento em questão demonstra o desenvolvimento do processo para a produção de compostos termoplásticos que podem ser processados puros ou utilizados como concentrados, podendo ser diluídos com resinas puras durante o processamento nos referidos processos de fabricação de componentes/peças/produtos. Os referidos compósitos podem então ser utilizados em produtos (móveis, utensílios, acessórios, etc.) de maneira customizada, moldados pelos diferentes processos de moldagem de termoplásticos, em diferentes tamanhos, formas, cores, etc., de acordo com as necessidades e interesses dos consumidores.

Caracterização dos resíduos utilizados

[005] Os resíduos agroindustriais lignocelulósicos e/ou da produção e consumo de café, utilizados pelo invento, são obtidos inicialmente na forma de pó e/ou são moídos em moinhos de faca, moinhos de martelo ou moinhos pulverizadores, sendo utilizados em sua forma final moída e seca. A granulometria pode variar de 100 a 800 micra e a faixa de umidade ótima recomendada para processamento com termoplásticos deve situar-se entre 2 a 10% , densidade aparente entre 0, 10-0,4 g/cm 3 , densidade real entre 1 ,40 - 2,00 g/cm 3 . A distribuição de tamanhos de partícula é determinada por método de peneiras e dependendo da razão de aspecto (relação entre o comprimento (I) e o diâmetro equivalente (d)), as partículas podem ser consideradas como cargas particuladas e porosas, devido a sua baixa razão de aspecto ou como reforços fibrosos, para maiores razões de aspecto. Principais características das resinas termoplásticas

[006] Materiais termoplásticos são produtos derivados de petróleo que podem ser moldados em formas definidas através da aplicação de calor e pressão e a principal característica das resinas termoplásticas utilizadas nos produtos do presente invento é o índice de fluidez, conforme determinado pelo método ASTM D-1238. Resinas que apresentam boas características de fluxo que permitam a sua aplicação em processos de extrusão são produtos que apresentam fluidez na faixa de 1 a 10 g/10 min. No caso de produtos moldados por injeção a fluidez pode variar de 5 até 50 g/10 min a depender da complexidade geométrica das peças a serem moldadas. Constituem produtos de resinas termoplásticas tipicamente utilizadas no processo de produção de concentrados de compósitos com carga lignocelulósica (masterbatches) objeto da presente invenção, as resinas poliolefínicas do tipo polipropileno e polietileno de alta densidade. No caso do presente invento são utilizados agentes compatibilizantes para poliolefinas à base de anidrido maleico. A incorporação do resíduo celulósico ao termoplástico altera as características de fluidez da resina particularmente a sua pseudoplasticidade e consistência do material fundido e devem ser avaliadas através de reometria capilar.

Preparação do compósito termoplástico

[007] Compósitos são materiais constituídos de dois ou mais componentes que diferem em propriedades químicas e físicas, os quais foram misturados por processos físicos ou químicos que resultam em um produto com características específicas resultantes da combinação. Os procedimentos tradicionalmente utilizados para preparação de concentrados compósitos termoplásticos com resíduos lignocelulósicos são processos do tipo batelada em misturador intensivo do tipo k-mixer ou processo contínuo em extrusora de dupla rosca.

[008] Agentes compatibilizantes ou de acoplamento são empregados como forma de aumentar a afinidade química entre grupos funcionais dos componentes do compósito, de forma a estabilizar a mistura. A reatividade do sistema depende da funcionalidade dos grupamentos químicos presentes em cada componente individual e da eficiência do processo de mistura dispersiva. Existem inúmeros agentes de acoplamento no mercado para uso específico em compósitos termoplásticos com cargas celulósicas na sua maioria com funcionalidade maleica para matrizes olefínicas como polietileno e polipropileno.

[009] A extrusora mais utilizada para a fabricação de compostos termoplásticos é a de rosca dupla, sendo que a mais adequada para se obter a melhor dispersão e distribuição das partículas da carga na matriz termoplástica é a extrusora de rosca dupla co-rotacional ou co-rotante. Neste tipo de extrusora as roscas gêmeas giram na mesma direção e proporcionam maior intensidade de mistura. Existem ainda as extrusoras de rosca dupla contra-rotacional ou contra-rotante onde as roscas gêmeas giram em direções opostas, ou seja, uma contra a outra.

[0010] A eficiência de mistura destas extrusoras é inferior a extrusora de rosca dupla co-rotacional, porém proporciona maior pressão no cabeçote de saída da extrusora onde é definido o perfil do extrudado. Este tipo de extrusora é mais eficiente quando se deseja realizar a mistura da carga com o termoplástico simultaneamente com a extrusão de perfis extrudados, que não é possível para as extrusoras co-rotacionais.

[001 1] As extrusoras de rosca dupla co-rotacionais são projetadas para extrudar grânulos do composto termoplástico para posterior conformação do mesmo, sendo que o perfil geométrico das roscas co-rotantes deve ser projetado adequadamente para se obter o composto com a melhor qualidade de mistura. Para facilitar este projeto existem extrusoras de rosca dupla co-rotacionais com elementos de rosca e/ou de barril segmentados para facilitar o design do perfil de rosca.

[0012] Geralmente o perfil de rosca segmentado inclui elementos de mistura e elementos de transporte, os quais devem ser distribuídos ao longo da rosca para fundir o termoplástico, misturá-lo com as partículas de carga e transportar o composto fundido até o cabeçote. Os elementos de mistura são conhecidos como elementos de malaxagem ou de malaxação (kneading block) e possuem várias dimensões e diferentes arranjos. O bloco de malaxagem com elementos mais estreitos é ideal para melhorar a distribuição da carga, enquanto os mais espessos são mais adequados para dispersar a carga na matriz. Os elementos dentro do bloco de malaxagem podem ainda estarem deslocados num determinado ângulo e, quanto mais próximo de 90°, mais intensa é a mistura. Os elementos responsáveis pela condução da mistura entre os blocos de malaxagem ou até o cabeçote são conhecidos como elementos de transporte (conveying elements). Sua função é para empacotar mais ou menos a mistura, acelerando mais ou menos o percurso do composto dentro da extrusora. Existem ainda para ambos os tipos de elementos aqueles posicionados contra o fluxo, conhecidos como elementos de esquerda (left-hand elements) que tem a função de aumentar o tempo de residência da mistura dentro da extrusora. O barril pode ser segmentado para facilitar tanto a alimentação dos componentes da mistura ao longo da extrusora, bem como posicionar os elementos de degasagem (venting).

[0013] O protocolo de mistura para um composto termoplástico numa extrusora de rosca dupla deve ser elaborado de uma forma adequada para obter a melhor qualidade de mistura. Assim, a sequência ideal de mistura seria alimentar o termoplástico no início do barril da extrusora para que fosse inicialmente fundido.

[0014] Após esta etapa deveria ser alimentada, num elemento de barril posicionado mais à frente da extrusora, a carga mais sensível à absorção de água, para que esta umidade seja eliminada através antes da etapa de alimentação da segunda carga. Para tanto é necessário incluir um elemento de barril para que ocorra a eliminação da maior quantidade de umidade. Só então a segunda carga seria alimentada.

[0015] Após a incorporação das cargas deveria existir mais um barril para a degasagem sob vácuo, para eliminar os últimos traços de voláteis do composto termoplástico antes de ser granulado.

[0016] A figura 1 mostra um esquema de extrusão com roscas e barris segmentados para facilitar a mistura para se obter o composto. Observa-se que é necessário se preocupar com a sequência de mistura e as respectivas etapas de desgaseificação com e sem auxílio de vácuo. Também, para os compostos em questão é necessário acoplar um alimentador lateral após a última unidade de ventilação (venting) e antes da desgaseificação sob vácuo. [0017] Um dos principais controles da qualidade de mistura do composto termoplástico é da composição do mesmo e sua homogeneidade ao longo da produção da mistura.

[0018] O processo de mistura contínua através da extrusão utiliza alimentadores para dosar individualmente os componentes desta mistura. A dosagem realizada em cada unidade de alimentação deve ser sincronizada entre os alimentadores para que a composição obtida ao final do processo de extrusão seja aquela esperada. Os dosadores gravimétricos são mais precisos que os volumétricos e garantem melhor controle da composição.

[0019] Dessa forma, conforme descrito acima, o invento em questão demonstra o desenvolvimento de processos de manufatura de concentrados de compósitos de café combinado com outras fibras e/ou cargas vegetais ou minerais utilizados para obtenção de componentes moldados a partir desses compósitos em geometrias pré-definidas.

[0020] Para melhor detalhar o processo e esclarecer as inúmeras variáveis técnicas envolvidas, na figura 1 supra é indicado o empregado de pó de madeira, devendo-se contudo entender que podem ser utilizadas diversas combinações (café combinado com outras fibras e/ou cargas vegetais ou minerais - talco, argila, etc., farinha de resíduo de madeira, pó de MDF, amendoim, mandioca, fibras vegetais - coco, bambu, cana, etc. [0021] Para estes componentes devem ser controladas as seguintes principais características e propriedades, como tamanho e distribuição do tamanho (granulometria e distribuição granulométrica), razão de aspecto (relação comprimento com o diâmetro) umidade, densidade, etc. Estas características são definidas, principalmente para os componentes vegetais (resíduos de café e lignocelulósicos) nas etapas de moagem/micronização e classificação por peneiramento.

[0022] Onde se tem PP pode-se acrescentar diversas combinações de resinas virgens ou recicladas, biodegradáveis e/ou de fontes renováveis e blendas a partir das mesmas. [0023] Onde se tem aditivos pode-se acrescentar diversas combinações de aditivos (estabilizantes térmicos, anti-UV, deslizantes, auxiliares de fluxo, compatibilizantes, agentes de acoplamento, etc.) dependendo das características dos componentes e das resinas mencionados anteriormente e também, dos tipos de processos e das aplicações dos produtos, nos quais serão utilizados ou obtidos a partir dos compostos termoplásticos aqui descritos. Os referidos compostos poderão ser utilizados em produtos (móveis, utensílios, acessórios, etc) de maneira customizada, moldados pelos diferentes processos de moldagem de termoplásticos, em diferentes tamanhos, formas, cores, etc., de acordo com as necessidades e interesses dos seus clientes.

[0024] Também, devem ser consideradas as condições de extrusão: perfil de roscas, perfil de temperatura, vazão de alimentação, sequência de alimentação, rpm das roscas.

Descrição sintética das etapas do processo de produção de compósitos termoplásticos

[0025] O processo para a produção de compósitos termoplásticos aditivados, de forma sintética, pode assim ser definido:

- processamento dos resíduos lignocelulósicos e/ou pó de café, através de moagem, secagem e seleção granulométrica;

- alimentação no funil da extrusora da resina termoplástica granulada e/ou na forma de flakes (resinas virgens ou recicladas, biodegradáveis e/ou de fontes renováveis e blendas a partir destas resinas);

- mistura intensiva dos resíduos lignocelulósicos e/ou pó de café com a resina termoplástica na extrusora, com temperatura preferencialmente inferior a 210 Q C;

- degasagem do compósito na extrusora; e, - obtenção do compósito granulado.

[0026] A partir do processo supra é possível produzir compósitos termoplásticos em grânulos com excelente incorporação dos aditivos de reciclagem e, principalmente, com propriedades físicas aptas a permitir o seu uso, após moldados por injeção, extrusão, termoformagem, rotomoldagem ou sopro, nas mais diversas áreas. Além da notória vantagem económica do processo em tela, o mesmo ainda se mostra eficiente como produto de reciclagem de materiais orgânicos, contribuindo assim na redução do descarte destes resíduos.