A substância natural 3-careno é um componente do óleo de terebintina, um fluxo de resíduos da produção de celulose a partir da madeira. Até agora, este subproduto foi incinerado em sua maior parte. Os pesquisadores da Fraunhofer estão usando novos processos catalíticos para converter 3-careno em blocos de construção para plásticos de base biológica. As novas poliamidas não são apenas transparentes, mas também tem uma alta estabilidade térmica.

Os plásticos são uma alternativa útil ao vidro ou ao metal para uma ampla gama de aplicações. As poliamidas desempenham um papel importante na fabricação de componentes estruturais de alta qualidade, como eles não são apenas resistentes ao impacto e à abrasão, mas também resistente a muitos produtos químicos e solventes. Hoje, as poliamidas são produzidas principalmente a partir do petróleo bruto.

Uma alternativa sustentável:monômeros de resíduos de madeira

O Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia IGB está investigando uma alternativa sustentável para a produção de novos plásticos de alto desempenho a partir de terpenos encontrados em madeira rica em resina. As substâncias naturais estão disponíveis em coníferas como o pinheiro, larício ou abeto. Na produção de celulose, em que a madeira é quebrada para separar as fibras de celulose, os terpenos são isolados em grandes quantidades como subproduto, óleo de terebintina.

No projeto conjunto "TerPa - Terpenos como blocos de construção para poliamidas de base biológica", pesquisadores da filial Straubing BioCat da Fraunhofer IGB conseguiram agora otimizar a síntese de lactamas a partir do terpeno 3-careno e convertê-los em um escalonável, processo competitivo em escala potencialmente industrial. Os lactâmicos são blocos de construção para a produção de poliamidas. Os especialistas Straubing já puderam mostrar que terpenos como o α-pineno, limoneno e 3-careno são matérias-primas adequadas para a síntese de lactamas de base biológica.

Sequência econômica de reação em um único recipiente

A conversão do 3-careno na lactama correspondente requer quatro etapas químicas sucessivas. A característica especial da solução Straubing com patente pendente é que as conversões podem ocorrer como uma "sequência de reação em um único recipiente" em um único reator - a purificação dos produtos intermediários não é necessária. "Conseguimos isso selecionando cuidadosamente os catalisadores e as condições de reação - e isso economiza tempo e dinheiro, "Paul Stockmann explica, quem desenvolveu e otimizou o processo promissor.
"Mesmo em escala de laboratório, nosso processo fornece mais de 100 gramas de monômero de lactama diastereomericamente puro por corrida de produção. Essa quantidade é suficiente para as investigações iniciais da produção e avaliação dos novos plásticos, "Stockmann disse. Outra vantagem:Nenhum produto químico tóxico ou ambientalmente perigoso é necessário para a síntese da lactama.

Bio-baseado, transparente, termicamente estável

No entanto, isso não é tudo. Devido à estrutura química especial do 3-careno, as cadeias laterais do composto natural inibem a cristalização do polímero resultante (ver caixa de informações). "Nossos polímeros de base biológica são, portanto, predominantemente 'amorfos' e, portanto, transparentes, o que é muito incomum para poliamidas de base biológica, "diz o Dr. Harald Strittmatter, que chefia o projeto na filial da BioCat em Straubing. Isso torna as novas poliamidas adequadas como escudos de proteção, por exemplo, em viseiras ou óculos de esqui. Eles também podem ser produzidos com uma entrada de energia consideravelmente menor do que as poliamidas transparentes à base de petróleo. Em contraste com outros bioplásticos, que são produzidos principalmente a partir do milho, trigo ou amido de batata, as poliamidas de base biológica não competem com a produção de alimentos. Em vez, eles agregam valor a um fluxo de resíduos que, até aqui, foi queimado para produção de energia.

Outra vantagem:as novas poliamidas de base biológica também apresentam excelentes propriedades térmicas. "O ponto de transição vítrea de nossas poliamidas é 110 ° C. Portanto, elas também podem estar permanentemente em altas temperaturas, por exemplo, como componentes no compartimento do motor de veículos motorizados, "Strittmatter diz. É verdade que as poliamidas feitas de recursos fósseis têm propriedades de temperatura semelhantes. No entanto, devido aos seus domínios aromáticos - que não ocorrem nas poliamidas à base de 3-careno - eles descolorem com o tempo sob a influência da luz ultravioleta, limitando seu potencial para aplicações externas.

Carenlactamas dão novas propriedades ao PA12 e PA6

Os cientistas também polimerizaram as lactamas de base biológica com outras moléculas monoméricas disponíveis no mercado - laurolactama (monômero de PA12) e caprolactama (monômero de PA6) - para formar copolímeros. A cristalinidade e, portanto, a transparência dos novos copolímeros foram significativamente modificadas. Em princípio, os perfis de aplicação dos plásticos amplamente usados ​​PA12 e PA6 são potencialmente estendidos.

Após a otimização da síntese de monômero, colegas do Instituto Fraunhofer para o Meio Ambiente, Segurança e Tecnologia de Energia UMSICHT em Oberhausen irá transferir o processo para a escala piloto de 20 litros e produzir maiores quantidades de amostra de lactamas. As propriedades dos novos polímeros e copolímeros serão então investigadas com mais detalhes para identificar possíveis aplicações. Os cientistas também pretendem estudar a biodegradabilidade da nova poliamida. Os pesquisadores do Fraunhofer esperam que as empresas interessadas consigam transferir os resultados para a escala industrial.

Em polímeros cristalinos, as cadeias de polímero são alinhadas de maneira ordenada. A luz incidente é espalhada nas estruturas cristalinas para que os plásticos pareçam opacos ou turvos. Se, por outro lado, as cadeias de polímero estão desordenadas, por exemplo, porque as cadeias laterais interferem umas nas outras, falamos de polímeros amorfos. A luz incidente não é espalhada; os polímeros parecem transparentes.