El logro clave de Wankai en la producción a gran escala de PEF 100 % de base biológica

El desarrollo de PET 100% de base biológica con un rendimiento superior al PET tradicional siempre ha sido el enfoque principal de Wanke, y este avance es clave para el progreso futuro de la industria.

PEF: una alternativa 100% biológica al PET

La resina PET (tereftalato de polietileno) derivada del petróleo está hecha de un 30 % de etilenglicol (MEG) y un 70 % de ácido tereftálico purificado (PTA). Sin embargo, el aumento de la demanda de plásticos ecológicos y sostenibles ha llevado a la industria a explorar alternativas de origen biológico. Si bien el PTA de origen biológico está disponible comercialmente, la producción eficiente de MEG de origen biológico sigue siendo un desafío clave para el uso de plástico PET de origen biológico a gran escala.

Entra en escena el PEF, un prometedor poliéster de origen biológico. Los monómeros del PEF, el ácido furandicarboxílico (FDCA) y el etilenglicol (EG), pueden obtenerse a partir de azúcares vegetales renovables, lo que garantiza un suministro de materia prima más sostenible.

El PEF ha captado rápidamente la atención de los líderes de la industria, ofreciendo una nueva y poderosa solución para el sector de los plásticos ecológicos. Con el impulso global hacia los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas, en particular en la reducción de las emisiones de carbono y la contaminación plástica, el futuro del PEF en el mercado parece muy prometedor.

En febrero de 2023, Avantium, una empresa holandesa, firmó un acuerdo de licencia de patentes con Eastman para acelerar la comercialización de PEF y FDCA. Avantium planea lanzar su planta insignia de FDCA en 2023, lo que abre la puerta a la producción de PEF a gran escala.

Comparación de rendimiento entre PET y PEF

1. Propiedades de barrera excepcionales  

El PEF supera al PET en cuanto a propiedades de barrera. La investigación de Eerhart et al. (2012) muestra que el PEF tiene una barrera al oxígeno 10 veces mejor, una barrera al dióxido de carbono entre 6 y 10 veces mejor y una barrera al vapor de agua dos veces mejor que el PET. Esto hace que el PEF sea una excelente opción para el envasado, ya que mejora la vida útil y reduce el desperdicio de recursos.

2. Rendimiento térmico superior  

El PEF tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) de 86 °C, superior a los 74 °C del PET, y un punto de fusión (Tm) de 235 °C, ligeramente inferior a los 265 °C del PET. Sin embargo, aún cumple con las necesidades de estabilidad térmica para la mayoría de las aplicaciones, especialmente en entornos de alta temperatura.

3. Sostenibilidad: PEF con menor huella de carbono  

La huella de carbono del PEF es entre un 50% y un 70% menor que la del PET, según confirmó el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Su materia prima principal, el ácido furandicarboxílico (FDCA), es de origen biológico y puede producir plásticos de alto rendimiento; el FDCA está reconocido como uno de los productos químicos de origen biológico más prometedores.

4. Reciclabilidad y degradabilidad

El PEF es reciclable y biodegradable. Una investigación de Avantium y la Universidad de Ámsterdam (2019-2020) concluyó que el PEF se puede utilizar en botellas PET durante hasta cinco ciclos de reutilización. Se destaca en envases multicapa y pequeños, reemplazando a los plásticos difíciles de reciclar. El PEF también se degrada más rápido que los plásticos tradicionales en condiciones de compostaje industrial y muestra una biodegradabilidad significativa en entornos naturales.

Desafíos del PEF: poca tenacidad y color amarillo

En la actualidad, el PEF se enfrenta a dos desafíos principales: poca tenacidad y amarilleamiento. La materia prima principal, el FDCA (ácido furandicarboxílico), es un monómero de origen biológico derivado de biomasa como el almidón y la celulosa. 

En comparación con el PTA tradicional basado en petróleo, el FDCA tiene una estructura similar pero con átomos de oxígeno en su anillo aromático, lo que lo hace más polar y más rígido debido a un ángulo de enlace más pequeño entre el anillo y el grupo carboxilo. Mientras que el PEF, elaborado a partir de FDCA y etilenglicol, supera al PET en resistencia al calor, resistencia mecánica y propiedades de barrera de gas, el anillo de furano restringe la movilidad de las cadenas moleculares, lo que da como resultado una tenacidad reducida.

El PEF se obtiene mediante dos métodos: esterificación directa y transesterificación. En la esterificación directa, el FDCA reacciona con glicol a altas temperaturas (180-220 °C), pero este proceso hace que el FDCA pierda dióxido de carbono, lo que da lugar a un color más oscuro, amarillento-parduzco. El método de transesterificación, que implica un intercambio de ésteres seguido de policondensación al vacío, mejora el color, pero no resuelve por completo el problema.

El método innovador de Wankai para producir PEF reforzado y de bajo color

Wankai New Materials ha desarrollado un proceso simple pero altamente efectivo para crear policarbonatos reforzados con fibra de vidrio de bajo color, solucionando así los problemas de los métodos tradicionales que dependen de cadenas laterales o tiempos de polimerización prolongados. Este método ofrece importantes ventajas técnicas. El proceso implica los siguientes pasos:

En primer lugar, se utiliza un sistema de reacción que contiene ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), epóxido, catalizador alcalino y disolvente mixto para iniciar una reacción, formando un intermedio. A continuación, el intermedio se combina con un catalizador de polimerización, estabilizadores y antioxidantes, y se somete a policondensación al vacío a temperaturas que oscilan entre 220 °C y 270 °C, lo que da como resultado un PEF.

Durante este proceso, el epóxido reacciona rápidamente con el FDCA a temperaturas más bajas, lo que minimiza las reacciones de descarboxilación y mejora la calidad del color del poliéster. Además, el epóxido modificado con alquilo introduce grupos laterales en las cadenas moleculares, lo que aumenta la distancia entre las moléculas y mejora su movilidad, lo que mejora significativamente la tenacidad del poliéster final.

Comparación de muestras de prueba: color y dureza mejorados en PEF

Los ésteres de ácido polifurandicarboxílico (por ejemplo, éster de 1,2-propilenglicol de ácido polifurandicarboxílico (PF-1,2-PG), éster de 1,2-butanodiol de ácido polifurandicarboxílico (PF-1,2-BD), éster de 1,2-pentanodiol de ácido polifurandicarboxílico (PF-1,2-PeD), éster de etilenglicol de ácido polifurandicarboxílico (PF-EG)) se derivan de la reacción de FCDA con varios alcoholes. Estos ésteres pueden funcionar como intermediarios o modificadores en la producción de PEF.

En comparación con el método de fusión por esterificación utilizado en los ejemplos comparativos 1 y 2, el método de preparación de esta realización se destaca por su capacidad para reducir significativamente el valor de color del PEF. El valor b es notablemente inferior, lo que demuestra que este método mejora eficazmente la calidad del color del poliéster.

Además, al incorporar cadenas laterales más largas, el poliéster sintetizado a base de furano exhibe una elongación de rotura mejorada, lo que conduce a un aumento sustancial de la tenacidad. En comparación con el PEF producido en el Ejemplo Comparativo 1, este método aumenta tanto la tenacidad como la durabilidad del poliéster, lo que resalta las claras ventajas de la invención.