ES2310326T3

ES2310326T3 - Metodo de produccion de polimeros degradables.

Info

Publication number: ES2310326T3
Application number: ES05290816T
Authority: ES
Inventors: Michel Mezza
Original assignee: PlasBio Inc
Current assignee: PlasBio Inc
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2009-01-01
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: DE602005007794D1; EP1591216A1; ATE399625T1; EP1591216B1

Abstract

Un método para producir una composición de polímero biodegradable en forma de comprimidos para utilizarse en la fabricación de productos sustitutos del plástico que contienen al menos un polímero biodegradable en forma de polvo y básicamente sin material plástico no degradable, en el cual la compactación debe realizarse a una temperatura por debajo de 100ºC utilizando una prensa bajo condiciones apropiadas para obtener comprimidos. La fabricación de productos sucedáneos del plástico es llevada a cabo mediante maquinaria que se utiliza en la fabricación de productos de plástico no biodegradables, en la cual la composición de polímero biodegradable contiene entre 5 y 85% de policaprolactona, entre 2 y 30% de ácido málico y entre 10 y 85% de polietilenglicol.

Description

Método de producción de polímeros degradables.

Antecedentes de la invención a) Campo de aplicación de la invención

La presente invención está relacionada con una composición que se utilizará en la fabricación de productos de polímero biodegradable, con un contenido preferentemente de policaprolactona (PCL), ácido málico (MA) y polietilenglicol (PG). Además, la presente invención está relacionada con un método de producción de una composición en forma de comprimidos para su utilización en la fabricación de productos de polímero biodegradable.

b) Descripción del estado de la técnica

El plástico se utiliza prácticamente en todas partes y es ahora un elemento casi indispensable de la vida cotidiana. Algunos son objetos permanentes, con un largo periodo de utilización. Otros, en realidad una parte importante del conjunto de plásticos, se encuentran en artículos de un corto periodo de utilización o desechables, incluyendo bolsas, embalajes, recipientes, botellas, bolígrafos, etc. Por consiguiente, la utilización intensiva de plásticos trae como consecuencia que sus residuos estén esparcidos en todo el planeta, dañando potencialmente la flora y fauna y ensuciando los lugares más remotos.

La mayoría de los productos plásticos comunes permanecerá durante siglos o más tiempo, ya que están compuestos de enormes cadenas irrompibles moleculares de polímeros. Las industrias de transformación del plástico utilizan tradicionalmente, como materia de base, mezclas de partículas de plásticos extruidos con aditivos, los cuales se transforman en objetos, tales como bolsas, películas, botellas, recipientes, etc. por medio del soplado, la extrusión, la molturación o la inyección (estas mezclas han sido homogenizadas por medio del calentamiento y la extrusión).

Con el fin de reducir los problemas de contaminación ocasionados por el plástico, el reciclado de todos los productos plásticos sería lo ideal. Sin embargo, el reciclado completo del material plástico es difícil de lograr, ya que no existen instalaciones de reciclado en todos los lugares o éstas están demasiado alejadas y la conformidad de la población es muy escasa para que la actividad sea rentable. Por ello surge la necesidad de encontrar sustitutos biodegradables.

Los sustitutos biodegradables del plástico (SBP) son substancias que se pueden utilizar como el plástico convencional, pero se descomponen en agua y dióxido de carbono por medio de la acción de microorganismos comúnmente presentes en el entorno natural. Por consiguiente, los SBP se pueden devolver a la naturaleza, ya que se descompondrán rápidamente y no afectarán negativamente la calidad del compost producido en las instalaciones de
compostaje.

Los SBP conocidos en el estado de la técnica son biopolímeros naturales, biopolímeros modificados o polímeros químicamente sintetizados e incluyen el poli (3-hidroxibutirato), el almidón modificado, el poli (butileno succinato de acetato de celulosa), poli (butileno succinato/adipato), la policaprolactona, el ácido poliáctico y el alcohol polivinílico. Estos compuestos y muchas otras proposiciones de la industria respecto a los sustitutos del plástico no son realmente satisfactorios, ya sea por su poca resistencia, su escasa conformidad con los dispositivos de transformación o porque son en realidad biofragmentables, en un sinfín de minúsculos trozos de plástico o en polvo, en vez de ser biodegradables. Los derivados de ácido poliáctico y los polihidroxibutaratos son muy costosos, de manera que su uso está limitado principalmente a la medicina, por ejemplo, las suturas reabsorbibles. El ácido polivinílico se descompone con sólo agua y se utiliza principalmente en las bolsas de detergente de las lavadoras.

El adipato de politetrametileno, el adipato de polibutileno y la policaprolactona modificada con polímero de almidón (Mater-BI) son apropiados para producir películas y bolsas, pero no lo son para fabricar productos obtenidos mediante inyección de plástico. Las proposiciones derivadas del maíz y el almidón solo pueden resultar en una mala calidad física y parecen obstruir fácilmente las máquinas de transformación actuales. Los SBP existentes no satisfacen las exigencias para la inyección plástica y el tiempo necesario para la degradación de esos productos existentes no puede adaptarse a las necesidades del consumidor.

El uso de mezclas de SBP constituye una solución propuesta para paliar los problemas relacionados con los SBP citados anteriormente. En efecto, la utilización de una combinación de biopolímeros degradables podría reforzar las propiedades químicas y físicas del producto derivado. Las mezclas de SBP requieren probablemente contar con un granulado o viruta, ya que el uso de una mezcla en polvo no es conveniente para la maquinaria de la industria del plástico, que requiere una composición granulada o compactada de mezcla madre. Sin embargo, las mezclas de polvos que poseen una amplia variedad de moléculas, como las que se requieren en la composición de las mezclas óptimas de SBP, no tienden a producir una sustancia homogénea. Por otra parte, los SBP no se compactan fácilmente por medio del proceso de extrusión convencional de la industria del plástico, ya que este proceso requiere altas temperaturas y los SBP no son en su gran mayoría termoestables ni termoresistentes a las altas temperaturas de la
extrusión.

Por consiguiente, sería conveniente contar con un método para producir una mezcla madre que evite la extrusión convencional y permita obtener una composición de SBP totalmente biodegradables que posea características físicas similares a las de las mezclas madre tradicionales y que pueda transformarse con el mismo equipo industrial. Además, sería sumamente deseable contar con una composición de SBP a un costo razonable, que permita obtener un producto homogéneo, que pueda almacenarse durante un periodo prolongado y que tenga el alcance de tiempo de degradación según las necesidades específicas.

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Resumen de la invención

Uno de los objetivos de la presente invención es el obtener un método para producir una composición de polímero biodegradable en forma de comprimidos, para ser utilizada en la producción de sustitutos del plástico con la misma maquinaria que se fabrican los productos de plástico no biodegradables. El método de la presente invención consta de la compactación de al menos un polímero biodegradable en forma de polvo y básicamente sin los materiales no biodegradables del plástico; la compactación se lleva a cabo a una temperatura por debajo de 100ºC con una prensa, bajo las condiciones que permitan obtener los comprimidos de la composición.

Otro de los objetivos de la presente invención es el proporcionar una composición que se utilizará en la fabricación de productos de polímero biodegradable, dicha composición contiene entre 10 y 85% de policaprolactona (PCL), entre 2 y 30% de ácido málico (MA) y entre 10 y 85% de polietilenglicol (PG).

Para fines de la presente invención, el término "biodegradable" significa naturalmente degradable, biocompatible, hidrodegradable, de degradación ligera, compostable o degradable en elementos simples que no se acumulan en la naturaleza y forman parte de ciclos naturales.

Los términos "plástico", "plástico no degradable" o "polímeros no degradables" se refieren a las sustancias sintéticas compuestas de enormes cadenas irrompibles moleculares de polímeros que son bioinertes y tienden a acumularse en la naturaleza.

El término "comprimido" hace referencia a una píldora, una cápsula, un gránulo, una viruta, una tableta, una pastilla, una partícula y otros.

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Descripción de las realizaciones preferenciales

Como se mencionó anteriormente, de acuerdo a la presente invención, existe una composición que contiene al menos un polímero biodegradable en forma de polvo. La granulación o formación de comprimidos del polvo de polímero biodegradable por medio del método según esta invención permite obtener comprimidos apropiados para la industria del polímero o la transformación del plástico, que requiere principalmente mezclas madre en forma de comprimidos. La composición en forma de polvo que es granulada por medio del método de la presente invención incluye, pero sin excluir, PCL, MA y PG solos o en combinación. No obstante, el método de la presente invención se utiliza preferentemente para producir comprimidos a partir de una combinación de polímeros biodegradables en forma de polvo, y aún más en las combinaciones que contienen PCL, MA y PG, puesto que unos de los principales problemas de la fabricación de sustitutos del plástico a partir de una combinación de polímeros biodegradables se deriva de la discrepancia de los pesos moleculares de cada sustancia en polvo utilizada en el proceso, lo cual impide la obtención de una mezcla homogénea de polvos y, por consiguiente, da un producto menos homogéneo. Las mezclas parecidas a los comprimidos pueden utilizarse en los aparatos de transformación actuales de la industria, como máquinas y dispositivos de extrusión, molturación, soplado e inyección. Entre otras ventajas que se obtienen al granular la composición según esta invención están la sencillez de fabricación, la precisión de la mezcla y la temperatura de trabajo inferior. Cualquier persona calificada en el área comprenderá que el método de la presente invención no se limita a la producción de comprimidos de la composición descrita aquí anteriormente, sino que puede emplearse para fabricar cualquier composición de cualquier sustituto del plástico biodegradable adecuado en forma de polvo.

La compactación de polvos de polímero biodegradable o de mezclas de polímero en forma de comprimidos se lleva a cabo preferentemente mediante la compresión fría o la compresión caliente, pero de preferencia a una temperatura por debajo de 100ºC, e incluso mejor a la temperatura ambiente, para evitar cualquier cambio en la estructura química del polímero biodegradable. Con el objetivo de lograr adecuadamente la mezcla de la fórmula y los aditivos que podrían estar presentes, un granulador de alta presión, como el que se utiliza para fabricar comprimidos en la industria farmacéutica (ya sea el rotativo u otro) pueden emplearse para ejercer una presión de 1 a 30 toneladas sobre la composición del polvo, y de esta manera producir los comprimidos. La utilización de un granulador de alta presión para combinar los ingredientes de una mezcla necesaria para la industria de la transformación del plástico, sin importar si la mezcla es o no biodegradable, constituye una realización de la presente invención. Sin embargo, cualquier persona calificada en el área comprenderá que todo método de compresión que conserva las propiedades físicas y químicas de la composición del polímero puede utilizarse para fabricar comprimidos a partir de los elementos de la composición de acuerdo a esta invención.

Otra realización de la presente invención es el proporcionar una composición para utilizarse en la fabricación de productos de polímero biodegradable que contengan entre 10 y 85% de policaprolactona (PCL), entre 2 y 30% de ácido málico (MA) y entre 10 y 85% de polietilenglicol (PG), e incluso mejor si contienen entre 20 y 60% de PCL, entre 5 y 20% de MA y entre 20 y 60% de PG. La composición de la presente invención puede obtenerse en la forma de un polvo, sin compresión, para su uso en las máquinas de transformación de plástico especializadas de dos tornillos. Sin embargo, proporcionar una composición que contenga PCL, MA y PG en forma de comprimidos representa una realización preferida de la presente invención.

Para fines de la presente invención, los aditivos pueden utilizarse en proporciones variables, solos o en combinación, e incluyen, sin excluir: ligninas y sus derivados, harinas (trigo, maíz, soya, castaña), metales (boro, hierro, molibdeno, zinc, magnesio, calcio, fosfato), cenizas de defosforación, aserrín de madera, cebada torrificada, pectinas, glucosa, gelatinas, fructosa, maltosa, extracto de germen de trigo, carboximetilcelulosas, poliacrilamidas, alginateos (sodio, calcio, potasio, amonio), policaprolactonas, polilactidos, derivados del oxepano, aspartamo, adipatos (potasio, sodio), almidones oxidados, gluconatos (sodio, potasio, calcio), guanilatos (sodio, potasio, calcio), glicerol, beta caroteno, proprionatos (calcio, potasio, sodio), stearatos (calcio, magnesio, sodio), polietilenglicol, aminas grasas, sulfatos (calcio, potasio, sodio, amonio, manganeso, hierro), cloruros (calcio, potasio, amonio, magnesio, hierro), acetatos (calcio, potasio, sodio, amonio, manganeso, hierro, isobutirato de sacarosa), benzoatos (calcio, potasio, sodio, amonio), carbonatos (calcio, potasio, sodio, amonio, magnesio, hierro), bicarbonatos (potasio, sodio, amonio), fosfatos (calcio, potasio, sodio, amonio, magnesio, hierro, aluminio, celulosa, almidones), citratos (calcio, potasio, sodio, amonio), nitratos (calcio, potasio, sodio, amonio, magnesio), glicerofosfato de calcio, óxidos (calcio, potasio, magnesio, hierro, polietileno), cianamida cálcica, hidróxidos (calcio, potasio, sodio, amonio, magnesio), lactatos (calcio, potasio, sodio, magnesio, hierro), hidrocarbonato de magnesio, látex, sacarosa, sulfonitrato de amonio, urea, agar-agar, ácidos (glucónico, nucleico, aminado, grasos, esteárico, poliacrílico, láctico, glocólico, málico), almidones (maíz, mandioca, cebada, centeno, avena, sorgo, trigo, guisante, arroz, patata, tronco de palma, bellota, alubia, castaña), glucosa, sulfuro, yodo, gomas (tragacanto, arábiga, guar, konjac, gelana, karaya, tara, xanthana), lecitinas, gluten, ceras (carnauba, candelilla, abeja), lactosa, levulosa, levaduras, celulosa y sus derivados, quitrina y sus derivados
y algas.

El polímero biodegradable de la invención puede degradadarse por medio de microorganismos en condiciones aeróbicas y anaeróbicas (biodegradable), el agua (hidrodegradable) o la luz (fotodegradable), según la naturaleza de los polímeros biodegradables utilizados para producir el material de combinación, los aditivos o una combinación de ellos.

El polímero de la presente invención tiene muchos usos, entre ellos los agrícolas como el abonado, el sombreado, la eliminación de hierbas, las películas de cubierta vegetal en crecimiento, las macetas para transplante, los soportes y abrazaderas para la siembra, las pantallas y redes protectoras para la plantación de árboles en desiertos o regiones nórdicas, los sedales, los materiales y redes de pesca, así como las microcápsulas para fertilizantes y agroquímicos. Además, esta invención puede ser útil en la industria de la alimentación, concretamente en envases para alimentos, bandejas para perecederos, contenedores para comida instantánea y rápida, recipientes para dispensadoras, botellas, bolsas de plástico, utensilios de plástico, copas, cubiertas, corchos o mallas para verduras. Las aerolíneas pueden servirse de esta invención en envolturas, cojines, utensilios, copas y bandejas. La composición degradable de la invención es útil en la ingeniería civil, particularmente en materiales de construcción para aislantes térmicos, accesorios para encofrados, muros de contención y sacos, así como en artículos para uso doméstico como bolsas para basura o bolsas para reciclar hojas. Productos cosméticos e higiénicos como pañales, cotonetes, toallas sanitarias, cuchillas desechables, cepillos de dientes, botellas, tees de golf, artículos desechables para pesca, caza, deportes marítimos, golf, excursionismo y alpinismo, accesorios desechables para parques y centros deportivos, embalajes para alimentos y bebidas en el estadio, cartuchos de fusil, bolsas pirotécnicas, bolígrafos, rotuladores, adhesivos de fusión a baja temperatura para embalajes y encuadernaciones, así como cartuchos de tinta también puede ser obtenidos con la presente invención. Por último, esta invención puede utilizarse en la medicina como material de liberación retardada para medicamentos; hilos de sutura, fijación de huesos, películas, telas sin tejer, jeringas, cubiertas para termómetro; accesorios para exámenes de oídos y garganta y sábanas desechables. Cualquier persona calificada en el área comprenderá que todo producto de plástico o polímero fabricado de manera adecuada puede ser obtenido mediante la presente
invención.

La presente invención puede entenderse fácilmente refiriéndose a los siguientes ejemplos, que ilustran la invención sin limitar sus posibilidades.

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Ejemplo I Caracterización de un sustituto del plástico fabricado a partir de una composición de polímero biodegradable

Un producto sucedáneo del plástico se fabricó con una composición que contiene policaprolactona, ácido málico y polietilenglicol, según los protocolos de la industria tradicional de la producción del plástico, para determinar sus propiedades físicas y químicas. Los elementos de la composición ensayada y sus proporciones están enumerados en la tabla 1.

TABLA 1

1

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Resultados

El producto obtenido por medio de la composición ensayada es totalmente biodegradable, en lugar de degradarse en minúsculas o microscópicas virutas de plástico, y posee cualidades como la concentración, la resistencia, la flexibilidad, el color y la calidad para uso alimentario (si estas dos características son necesarias), etc., similares a las que exige la industria de los productos plásticos. Además, la composición ensayada puede transformarse en productos SBP con el mismo equipo industrial de la industria tradicional de transformación del plástico (extrusoras, inyectores, equipo de trituración y sopladoras). El bajo nivel de la temperatura de trabajo permite ahorrar energía y obtener un costo razonable por el producto resultante. El producto se puede almacenar durante un periodo de tiempo prologado (bajo condiciones adecuadas) hasta su utilización y presenta condiciones para su eventual degradación o compostaje. La posibilidad de que la fórmula de la composición pueda adaptarse a las necesidades del cliente proporciona un amplio margen de tiempo de degradación en días (corto) o meses (largo). La composición particular del producto resultante lo hace biodegradable gracias a ciertos microorganismos, bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas, así como fotodegradable (por medio de la luz ultravioleta), hidrodegradable (agua), y de acuerdo a las normas y el equipo de la industria de la transformación del plástico. Por lo tanto, la composición ensayada cumple con las exigencias ideales relativas a los sustitutos del plástico biodegradable.

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Ejemplo II Producción industrial que utiliza una composición del polímero biodegradable

Con el fin de evaluar la idoneidad de la composición de polímeros biodegradables en la fabricación de bienes domésticos, la composición mostrada en la tabla 1 se empleó para producir copas, de acuerdo a los protocolos de la industria de la transformación del plástico, por medio de la inyección plástica. La composición que figura en la tabla 1 se comprimió mediante una máquina de presión para comprimidos farmacéuticos para obtener comprimidos de 6 milímetros de diámetro. Luego, los comprimidos obtenidos se introdujeron en una prensa de inyección para fabricar copas, según los parámetros de inyección enumerados en la tabla 2. Las características necesarias del proceso de inyección fueron adaptadas para fabricar copas de calidad para uso alimentario, con un peso de 55 gramos, 1,4 milímetros de grosor y una capacidad de biodegradación de seis (6) semanas.

TABLA 2

2

Resultados

La composición ensayada ha sido adecuada al equipo de fabricación que se utiliza normalmente en cada industria. Los resultados del proceso de inyección que utiliza la composición mostraron que las copas de 1,4 mm de grosor fabricadas conforme al proceso de la presente invención no presentan ningún riesgo para el medio ambiente. Los riesgos asociados al contacto con la piel, la ingestión o la inhalación son insignificantes. Las copas fueron convertidas en compost en instalaciones de laboratorio y su biodegradación total tomó 6 semanas, lo que demuestra que se evitaría la acumulación de residuos en el medio ambiente.

La invención ha sido descrita respecto a su relación con realizaciones específicas, pero se entenderá que puede conllevar a otras modificaciones y que esta aplicación pretende cubrir todas las variaciones, usos o adaptaciones de la invención, respetando, en general, los principios de la invención e incluyendo, las desviaciones del presente contenido a medida que surjan en la práctica habitual o conocida de acuerdo al área en la que la invención se utilice y a la manera en que se apliquen las características esenciales expuestas en el presente texto, y como se precisa en el alcance de las reivindicaciones adjuntadas.

Claims

1. Un método para producir una composición de polímero biodegradable en forma de comprimidos para utilizarse en la fabricación de productos sustitutos del plástico que contienen al menos un polímero biodegradable en forma de polvo y básicamente sin material plástico no degradable, en el cual la compactación debe realizarse a una temperatura por debajo de 100ºC utilizando una prensa bajo condiciones apropiadas para obtener comprimidos. La fabricación de productos sucedáneos del plástico es llevada a cabo mediante maquinaria que se utiliza en la fabricación de productos de plástico no biodegradables, en la cual la composición de polímero biodegradable contiene entre 5 y 85% de policaprolactona, entre 2 y 30% de ácido málico y entre 10 y 85% de polietilenglicol.

2. El método de la reivindicación 1, según el cual la composición del polímero biodegradable contiene además un aditivo.

3. El método de la reivindicación 2, según el cual el aditivo contribuye a moderar el tiempo de degradación, la resistencia, el grosor, el color, los parámetros de producción o la combinación de lo anterior en los productos de polímero biodegradable.

4. El método de la reivindicación 1, según el cual la prensa puede ser de tipo rotativo u otro.

5. El método de la reivindicación 1, según el cual la compactación es llevada a cabo mediante compresión fría o compresión caliente.

6. El método de la reivindicación 1, según el cual la composición del polímero biodegradable se degrada naturalmente, es fotodegradable, hidrodegradable o una combinación de lo anterior.

7. Una composición para utilizarse en la fabricación de productos de polímero biodegradable que contenga entre 5 y 85% de policaprolactona (PCL), entre 2 y 30% de ácido málico (MA) y entre 10 y 85% de polietilenglicol (PG).

8. La composición de la reivindicación 7, según la cual los productos de polímero biodegradable son productos sucedáneos del plástico.

9. La composición de la reivindicación 7, según la cual los productos de polímero biodegradable son biodegradables, fotodegradables, hidrodegradables o una combinación de lo anterior.

10. La composición de la reivindicación 7, que contiene un aditivo.

11. La composición de la reivindicación 10, según la cual el aditivo contribuye a moderar el tiempo de degradación, la resistencia, el grosor, el color, los parámetros de producción o la combinación de lo anterior en los productos de polímero biodegradable.

12. La composición de la reivindicación 7, según la cual la composición es en forma de comprimido.

13. La composición de la reivindicación 12, según la cual la composición en forma de comprimido se obtiene de acuerdo al método de la reivindicación 1.

14. La composición de la reivindicación 7, según la cual la composición es en forma de polvo.