PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA SOBRE NANOCELULOSE APLICADA A MATERIAIS COMPÓSITOS. Materiais, Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

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1 PROSPECÇÃO TECNOLÓGICA SOBRE NANOCELULOSE APLICADA A MATERIAIS COMPÓSITOS D. H. Milanez (1,2), D. R. Leiva (1), R. M. Amaral (1,3,4), L. I. L. Faria (1,3,4), J. A. R. Gregolin (1,2) douglas@nit.ufscar.br (1) Núcleo de Informação Tecnológica em Materiais, Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). (2) Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, UFSCar. (3) Departamento de Ciência da Informação, UFSCar. (4) Programa de Pós-Graduação em Ciência, Tecnologia e Sociedade, UFSCar. RESUMO A nanocelulose se destaca por seu apelo sustentável e propriedades mecânicas superiores às fibras naturais, o que a torna potencial para aplicação em compósitos. Poucos estudos têm acompanhado o patenteamento de novas tecnologias associado a esta temática. O objetivo da presente pesquisa foi mapear o desenvolvimento tecnológico em nanocelulose aplicada aos compósitos por meio de indicadores elaborados a partir dos registros bibliográficos indexados na base Derwent Innovations Index no período Os indicadores foram elaborados com base em metodologias de prospecção tecnológica e técnicas quantitativas (mineração de dados e de texto). Os resultados mostraram crescimento do percentual do número de patentes em nanocelulose associado a materiais compósitos. Foi possível mapear os principais países de prioridade das tecnologias e os tipos de nanocelulose utilizadas. As evidências observadas mostraram que o desenvolvimento tecnológico em termos de patenteamento pode ser considerado emergente. Palavras chave: bibliometria; inteligência tecnológica; inteligência competitiva. INTRODUÇÃO A importância da nanotecnologia e dos nanomateriais tem aumentado no contexto de ciência e engenharia mundial e brasileiro. Um nanomaterial promissor e recorrentemente associado a sustentabilidade é a nanocelulose, que pode ser obtida de fontes renováveis e de resíduos da agroindústria (1-3). Há uma variedade de aplicações potenciais para a nanocelulose, como dispositivos eletrônicos, agentes texturizantes, curativos e implantes bioartificiais, e, principalmente, agente de reforço em compósitos. Em geral, a nanocelulose possui propriedades mecânicas superiores às das fibras 1

2 convencionais de celulose devido à altíssima razão de aspecto, baixa densidade da celulose (1,5 g/cm 3 ) e elevado módulo elástico (os nanocristais podem atingir 138 GPa) (3). Estudos de mercado também estimam materiais compósitos como principal nicho para a nanocelulose, representando uma fatia de 36% já em 2017 (4). Embora haja diversas formas de referir aos nanomateriais à base de celulose (1,2), há dois tipos principais, cuja padronização da nomenclatura foi recentemente proposta pela TAPPI - Technical Association of the Pulp and Paper Industry (5) : as nanofibrilas de celulose, que se caracterizam pelo seu perfil longo e flexível, formada por regiões alternadas de cadeias de celulose amorfas e cristalinas; e os nanocristais de celulose, que possuem formato de agulhas (whiskers) e elevada cristalinidade. Em geral, as nanofibrilas são obtidas por processos mecânicos enquanto que os nanocristais resultam de processos de hidrólise ou via processos de biossíntese (1-3). Os avanços do desenvolvimento tecnológico da nanocelulose utilizada em compósitos pode ser realizado mediante indicadores elaborados a partir de documentos de patente, que é uma das técnicas de análise quantitativa empregadas na prospecção tecnológica (6,7). Os documentos de patente contêm informações dispostas em formato universal e de acesso público, geralmente indisponíveis em outras fontes de informação, que permitem a compreensão de elementos de natureza técnica, legal e de negócio da tecnologia descrita. Esses documentos englobam pedidos depositados no mundo todo, sendo intensamente utilizados em estudos prospectivos para o acompanhamento de tendências tecnológicas e subsidiar a tomada de decisão (6-8). Atualmente, técnicas quantitativas têm sido preferencialmente utilizadas sobretudo devido ao elevado volume de informação disponível que desafia, por exemplo, a capacidade de processamento humano e compreensão dos acontecimentos, mesmo em áreas específicas (9). Dentre os instrumentos de análise quantitativa disponíveis figuram indicadores baseados em mineração de dados (data mining) e de textos (text mining), que englobam técnicas estatísticas para medições e inferências relativas à informação contida, por exemplo, em documentos de patentes (6-9). O objetivo da presente pesquisa foi mapear o desenvolvimento tecnológico em nanocelulose aplicada a materiais compósitos a partir de indicadores tecnológicos elaborados por mineração de dados e de texto de documentos de patente. 2

3 METODOLOGIA UTILIZADA Foram elaborados indicadores tecnológicos com base nos registros bibliográficos de documentos de patente associados à nanocelulose e compósitos, indexados na base Derwent Innovations Index (DII). Os procedimentos seguiram os critérios e as recomendações apresentados Manual de Estatística de Patente da OECD (8) - Organisation for Economic Co-operation and Development. Os dados bibliográficos foram recuperados mediante o cruzamento de uma expressão de busca para nanocelulose, que engloba diversos sinônimos para referir-se a este nanomaterial (10), com o termo em inglês *composite*. Foram recuperados documentos de patente associados à nanocelulose, dos quais 272 tratavam de nanocelulose aplicada a compósitos. O período da busca compreendeu de 2000 a 2013 e a coleta dos dados foi realizada em 31 de março de Contudo, as análises foram limitadas ao período de 2000 a 2011, devido ao período de em sigilo dos pedidos (6). Os registros foram tratados utilizando-se o software Earliest Priority Selector (11), obtendo-se o ano do primeiro depósito da patente (prioridade) (6). Em seguida, os registros bibliográficos foram processados no software de mineração de dados e de texto VantagePoint (versão 5.0). Foram obtidos, por meio da mineração de dados, os anos e os países do primeiro depósito (prioridade), tomados como referência para data e local (país ou escritório regional) do desenvolvimento da tecnologia. Os principais tipos de nanocelulose utilizados em materiais compósitos e aplicações dos mesmos foram alcançados por meio da mineração de texto aplicada aos títulos e resumos dos registros bibliográficos de patente: após o processamento de linguagem natural, foram agrupados os termos associados diretamente a algum dos sinônimos da nanocelulose e aqueles associados a aplicações do compósito. Em seguida, foi realizado o cruzamento dos tipos de nanocelulose com os países de origem. Adicionalmente, a representação gráfica dos indicadores foi realizada com auxílio do software MS Excel (versão 2010). RESULTADOS E DISCUSSÃO O número de documentos de patente associados às tecnologias em nanocelulose e em compósitos contendo este nanomaterial aumentou consideravelmente ao longo dos quadriênios considerados no persente estudo, 3

4 Número de doc. de patentes Relação Num. patentes (nanoc. + compósitos) Num. patentes (nanocelulose) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais conforme Figura 1. Outros estudos também indicaram o crescimento no interesse sobre os nanomateriais à base de celulose (inclusive no contexto de compósitos), sobretudo a partir de meados da década dos anos 2000, com perspectivas do desenvolvimento tecnológico intensificar-se ainda mais nos próximos anos (10,12). No período da análise, o patenteamento de compósitos contendo nanocelulose representou 15% do total de patentes associado à nanocelulose depositadas no período de 2000 a Entretanto, houve crescimento nesta relação percentual entre os quadriênios (Figura 1), atingindo 16% no último período, o que corrobora com a expectativa de que o principal mercado para a nanocelulose seja o de materiais compósitos (4). Nanocelulose Nanocelulose+Compósitos Relação percentual % % % % 400 8% 200 4% Fonte: Derwent Innovations Index. Figura 1 - Evolução do patenteamento em nanocelulose em geral e aplicada a nanocompósitos e relação percentual em diferentes quadriênios. A China destacou-se como o país que mais depositou patentes em nanocelulose e em nanocelulose aplicada a compósitos, conforme Figura 2. De fato, o patenteamento dos chineses tem crescido consideravelmente em diversas áreas tecnológicas desde o início dos anos 2000, quando modificou sua política de propriedade intelectual para integrar a Organização Mundial do Comércio (13), além de ser um dos maiores produtores mundiais de celulose. Os EUA e o Japão, tradicionalmente países desenvolvedores de tecnologia (7), ocupam a segunda e terceira posição, respectivamente, e, juntamente com a China, demonstram elevado interesse no uso de nanocelulose em materiais compósitos, já que os três países apresentaram relação percentual superior a 15% (média geral) no período da análise. No caso dos países europeus, o interesse no uso de nanocelulose em compósitos variou conforme o país de origem, destacando-se sobretudo para a Suécia, 0%

5 Número de doc. de patentes Relação Num. patentes (nanoc. + compósitos) Num. patentes (nanocelulose) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Reino Unido e Finlândia, países com intensa atividade econômica de valor agregado associado a derivados da madeira. O Escritório Europeu de Patentes (EPO, sigla em inglês), regional (7), também apareceu como prioridade dos pedidos de patentes, o que pode afetar parcialmente o valor de cada país europeu em separado 1. Por sua vez, o Brasil, que não aparece entre os principais países de depósito prioritário, teve apenas 22 patentes depositadas em nanocelulose no período do estudo, sendo expressiva a participação dos depósitos em materiais compósitos (36,4%). A ausência do Canadá entre os principais países, relacionados na Figura 2, apesar de sua grande atuação do desenvolvimento científico da nanocelulose (10,12), pode ser explicado pelo comportamento de suas empresas e instituições, que, recorrentemente, depositam suas patentes prioritariamente no Escritório Americano de Patentes e Marcas e, posteriormente, estendem a proteção para o país de origem (7). Este fato também pode ter favorecido os valores encontrados para os EUA. Nanocelulose Nanocelulose+Compósitos Relação percentual % 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Fonte: Derwent Innovations Index. Figura 2 - Principais países de origem (prioridade) dos documentos de patente e seus interesses por tecnologias em nanocelulose e nanocelulose aplicada a compósitos no período de 2000 a O principal tipo de nanocelulose utilizado pelos chineses em materiais compósitos foi a celulose bacteriana, conforme Figura 3. Embora em menor expressão, outros países que aplicaram celulose bacteriana em compósitos foram EUA, Japão e Alemanha. Os EUA também apresentaram interesse sobretudo no uso de nanocristais de celulose aplicado a nanocompósitos, com alguns poucos documentos também associados a nanofibrilas e nanofibras de celulose. Esse resultado provavelmente 1 O uso do país de prioridade representa uma limitação metodológica do presente estudo, consequente da indisponibilidade do país do inventor ou da organização nos registros bibliográficos da DII. 5

6 Número de doc. de Patentes 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais sofreu influência dos depósitos do Canadá (7), que também tem desenvolvido tecnologias voltadas para nanocristais de celulose, inclusive com plantas piloto de produção deste tipo de nanocelulose (10). 25 Celulose bacteriana Nanofibrilas de celulose Nanocristais de celulose Nanofibras de celulose Fonte: Derwent Innovations Index. Figura 3 - Total de documentos de patente em materiais compósitos separados conforme os sinônimos da nanocelulose no período de 2000 a Os países escandinavos, Suécia e Finlândia, buscaram o patenteamento do uso de nanofibrilas de celulose em tecnologias voltadas a materiais compósitos, em alinhamento com a pesquisa e desenvolvimento desse tipo de nanocelulose, sendo produzida atualmente em escala piloto nesses países (10). No caso do Brasil, que não se encontra entre os principais países patenteadores, o tipo de nanomaterial identificado em seus pedidos de patente envolvendo compósitos compreendeu sobretudo celulose bacteriana (50% das 22 patentes), e um documento associado a nanofibrilas de celulose. Não foi possível identificar os tipos de nanocelulose em todos os pedidos de patente analisados devido a limitações metodológicas inerentes do processo de mineração de texto, tal como uso apenas dos títulos e resumos para a análise. Além disso, por questões estratégicas do depositante, nem sempre esta informação está disponível. Os indicadores também mostraram que as aplicações da nanocelulose em compósitos visaram não somente propriedades mecânicas, mas também outras propriedades, tais como modificador reológico, biocompatibilidade e barreira para gases. Na amostra analisada há pedidos de patentes que indicavam o uso da tecnologia em produtos para alimentos e bebidas (26 pedidos), dispositivos médicos (15) e embalagens (14).

7 CONCLUSÃO O desenvolvimento tecnológico dos tipos de nanocelulose aplicada aos materiais compósitos foi mapeado por meio de indicadores tecnológicos de documentos de patente. Houve crescimento no número de patentes observado e a China apresentou o maior valor acumulado entre os países analisados, indicando sua consolidação, como desenvolvedor de tecnologias com celulose bacteriana, inclusive aplicada a compósitos. Em geral, países tradicionalmente desenvolvedores de tecnologia também estão entre os principais locais de prioridade das tecnologias, com destaque para Japão, EUA, Finlândia, Suécia, Reino Unido e França. Sob o ponto de vista dos tipos de nanocelulose envolvidos no patenteamento, cada um dos principais países patenteadores pareceu estar apostando em uma categoria específica (nanofibrilas, nanocristais ou bacteriana) e nas possíveis propriedades decorrentes, o que pode ser consequência das atuais incertezas sobre qual irá se sobrepor, devido ao estágio emergente do desenvolvimento desse nanomaterial. O Brasil tem acumulado relativamente poucos pedidos de patente na temática da nanocelulose no período analisado, o que pode representar uma ameaça para empresas nacionais em futuro próximo, mas, dentro do que tem sido patenteado, verifica-se a forte predominância do emprego de celulose bacteriana em materiais compósitos. A metodologia utilizada permitiu analisar a evolução temporal, países de origem das tecnologias e os tipos de nanocelulose utilizados em materiais compósitos. Contudo, novas pesquisas fazem-se necessária, por exemplo, para aprofundar as aplicações finais dos compósitos com nanocelulose, polímeros e processos envolvidos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio da FAPESP (Projeto no 2012/ ), do CNPq (Projeto no /2011-2) e dos Programas de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais e em Ciência, Tecnologia e Sociedade, ambos da UFSCar. REFERÊNCIAS 1. KLEMM, D. et al. Nanocelluloses: a new family of nature-based materials. Angewandte Chemie (International ed. in English), v. 50, n. 24, p , SIQUEIRA, G.; BRAS, J.; DUFRESNE, A. Cellulosic Bionanocomposites: A Review of Preparation, Properties and Applications. Polymers, v. 2, n. 4, p , 13 dez

8 3. EICHHORN, S. J. et al. Review: current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites. Journal of Materials Science, v. 45, n. 1, p. 1 33, 24 set RESEARCH AND MARKETS. The global market for nanocellulose to Disponível emhttp:// o_2017 acesso em: 20 junho TAPPI. Roadmap for the development of international standards for nanocellulose p. Disponível em: acesso em: 30 de maio de MOGEE, M. E. Patents and Technology Intelligence. In: ASHTON, W.; KLAVANS, R. Keeping abreast of science and technology. Columbus: Battelle Press, OECD. OECD Patent Statistics Manual Disponível em: acesso em 30 de maio de TSENG, Y.-H.; LIN, C.-J.; LIN, Y.-I. Text mining techniques for patent analysis. Information Processing & Management, v. 43, n. 5, p , FELDMAND, R.; SANGER, J. The text mining handbook.: advanced approaches in analyzing unstructured data. Cambridge: Cambridge University Press, MILANEZ, D. H. et al. Assessing nanocellulose developments using science and technology indicators. Materials Research, v. 16, n. 3, p , MILANEZ, D. H. et al. The Earliest Priority Seletor for compiling patent indicators. In: 14 th International Society of Scientometrics and Informetrics Conference, Viena, Anais...Vienna: ISSI, p CHARREAU, H.; FORESTI, M. L.; VAZQUEZ, A. Nanocellulose patents trends: a comprehensive review on patents on cellulose nanocrystals, microfibrillated and bacterial cellulose. Recent patents on nanotechnology, v. 7, n. 1, p , HU, A. G.; JEFFERSON, G. H. A great wall of patents: What is behind China s recent patent explosion? Journal of Development Economics, v. 90, n. 1, p , TECHNOLOGICAL FORECASTING OF NANCELLULOSE APPLIED IN COMPOSITE MATERIALS. ABSTRACT Nanocellulose is a sustainable nanomaterial with higher mechanical properties than natural fibers, which. Few studies have followed the patenting of new technologies associated to this theme. This study aims to mapping the technological development in nanocellulose applied to composites using indicators developed from bibliographic data of patent documents indexed at the Derwent Innovations Index database from 2000 to The development of indicators based on technological forecasting methodologies quantitative techniques (data and text mining). The results showed growth in the percentage of patents in nanocelulose associated to composite materials among the triennium. It was also possible to map the main priority countries and types of nanocelulose used. The evidence supports that the technological development in terms of patenting may be considered emergent. Key-words: bibliometrics; technological intelligence; competitive intelligence. 8