Utilização de glicerol na reciclagem química de PET visando a produção de poliésteres sulfonados

Abstract

Resumo: O recente interesse por fontes de energia alternativas, renováveis, de duração ilimitada e baixo impacto ambiental tem levado ao aumento da utilização e produção de biodiesel, o que implica em crescente disponibilidade de glicerina no mercado. Isto exige o estudo de novas aplicações para aumentar o consumo desta matéria prima, o que pode ser associado à solução de um grave problema ambiental como é o caso do descarte inapropriado de embalagens PET pós-consumo. Paralelamente, a tecnologia de células a combustível vem se mostrando bastante promissora, principalmente aquela que utiliza eletrólito polimérico. Células a combustível são dispositivos que geram eletricidade de maneira limpa, eficiente e versátil, possuindo enorme potencial de aplicação tanto em plantas estacionárias quanto veiculares e portáteis. A membrana polimérica trocadora de prótons mais utilizada atualmente é a Nafion®, por causa de suas excelentes propriedades e por estar disponível comercialmente. Entretanto, seu custo é muito elevado e por isso ainda restringe a disponibilidade das células bem como a sua aplicação comercial. Unindo estas duas importantes demandas do setor de energia, este trabalho demonstra o desenvolvimento de poliésteres aromáticos sulfonados obtidos a partir da reciclagem química de PET - poli(tereftalato de etileno) - pós-consumo e um derivado aromático do glicerol, visando a formação de membranas para utilização como eletrólitos sólidos para Células a Combustível de Membrana Trocadora de Prótons (PEMFC). O monômero, 1-fenoxi-2,3-propanodiol, foi sintetizado a partir do glicerol, através de uma rota sintética que passa pelo cloreto de glicerila, de forma rápida e eficiente, com rendimento de 83%. Este monômero foi utilizado nas reações de polimerização em etapas, com o PET, investigadas nas temperaturas de 220, 250, 270 e 290ºC. Os poliésteres obtidos foram submetidos às reações de sulfonação em condições mais brandas do que as utilizadas comumente, nas quais se investigou o tempo de reação. Os resultados obtidos demonstraram a formação de quatro poliésteres aromáticos inéditos, estruturalmente diferentes. A Análise Termogravimétrica evidenciou que os mesmos apresentam elevada estabilidade térmica, em torno de 120ºC. Através da Calorimetria Exploratória Diferencial pode-se verificar valores de Tg mais elevados que o valor da Tg do PET, indício da incorporação do monômero na estrutura, uma vez que a presença do grupo fenóxi na estrutura do polímero reduz a liberdade rotacional da macromolécula. Os poliésteres sulfonados, também inéditos, foram obtidos com diferentes índices de acidez e estes apresentaram perfis de perda de massa semelhantes. Além disso, a Tg diminuiu após a sulfonação, devido às alterações estruturais que ocorrem por conta desta reação. Os polímeros obtidos apresentaram propriedades variadas e podem ser utilizados para diversas aplicações, inclusive como precursores na síntese de outros polímeros. Os poliésteres sulfonados sintetizados possuem estruturas que permitem sua utilização como eletrólitos sólidos na composição de células a combustível.

Abstract: The recent interest in alternative energy sources that are renewable, unlimited and that have low environmental impact has led to an increased use and production of biodiesel, implying that glycerin is increasingly available on the market. This requires the study of new applications to increase the consumption of this raw material, which can be associated with the solution of a serious environmental problem such as the disposal of inappropriate post-consumer PET - polyethylene terephthalate - bottles. Simultaneously, the technology of fuel cells is proving itself to be quite promising, especially those that use polymer electrolyte. Fuel cells are devices that generate electricity in a clean, efficient and versatile way, that have a huge application potential, both as stationary plants and as vehicular and portable. The polymeric proton exchange membrane most used today is Nafion ®, because of its excellent properties and its commercial availability. However it is very expensive preventing the availability of cells and their commercial application. Combining these two important demands of the energy sector, this work demonstrates the development of sulfonated aromatic polyesters obtained from the chemical recycling of PET bottles post-consumer and the development of an aromatic derivative of glycerol, aiming at membranes formation to be used as solid electrolytes for Fuel Cells Proton Exchange Membrane (PEMFC). The monomer, 1-phenoxy-2,3-propanediol, was synthesized from glycerol through a synthetic route which passes through the glyceryl chloride, quickly and efficiently, with 83% yield. This monomer was used in the polymerization reactions in stages, with PET, investigated at 220, 250, 270 and 290 ºC. The obtained polyesters were subjected to sulfonation reactions in milder conditions than the ones commonly used, in the sulfonation reactions the time was investigated. The results showed the formation of four inedit aromatic polyesters, which have different structures. Thermogravimetric analysis revealed that they have high thermal stability, around 120 ° C. By Differential Scanning Calorimetry it can be observed that the Tg value higher than the Tg of PET, evidence of incorporation of the monomer structure, since the presence of the phenoxy group in the polymer structure reduces the rotational freedom of the macromolecule. The sulfonated polyesters, inedited as well, were obtained with different acidity and these profiles showed similar weight loss. Furthermore, the Tg decreased after sulfonation, due to structural changes that occur due to this reaction. The obtained polymers exhibited different properties and may be used for a wide number of applications, including as precursors in the synthesis of other polymers. The synthesized sulfonated polyesters have structures that allow it to be used as solid electrolytes in fuel cells composition.