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Caracterização do TPS, TPS com óleo de coco e dos nanocompósitos poliméricos

4.4.1 Medidas de índice de fluidez (MFI)

As medidas de índice de fluidez do TPS, TPS com óleo de coco e

nanocompósitos poliméricos foram realizadas em um Plastômero da Ceast Melt

Flow, Modular Liner, na temperatura de 160°C e peso de 5 kg para todas as

amostras.

36

4.4.2 Aspecto visual

As imagens digitais dos aspectos visuais foram obtidas em uma câmera

digital para avaliar as características e estabilidade dos filamentos durante o

processamento por extrusão, dos granulados e das fitas.

4.4.3 Colorimetria

A colorimetria (Sistema CIELAB) foi realizada em um colorímetro Konica

Minolta CM-5 nas amostras produzidas por extrusão rosca simples com matriz

tipo fita. As cores foram definidas com base nos parâmetros de luminosidade

(L*), coordenada a* (indicação de vermelho a verde), coordenada b* (indicação

de amarelo a azul) de acordo com a Figura 17. As medidas foram feitas em fundo

branco, com base na média de no mínimo três medições em cada superfície da

amostra.

Figura 17: Sistema CIELAB de cores (KONARZEWKI, 2019).

Com base nos parâmetros L*a*b* foi definida a diferença total de cor

ocasionada pela introdução do óleo de coco e da argila na matriz de TPS medida

por meio da Eq. (1):

∆E

= √(∆l

)

2

+ (∆a

)

2

+ (∆b

)

2

(1)

Onde ∆𝐸

é a diferença de cor, ∆𝑙

= 𝑙

𝑇𝑃𝑆

− 𝑙

𝐹𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜

, ∆𝑎

= 𝑎

𝑇𝑃𝑆

𝑎

𝐹𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜

e ∆𝑏

= 𝑏

𝑇𝑃𝑆

− 𝑏

𝐹𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜

.

37

4.4.4 Difração de raiosX (DRX)

Os padrões de difração de raios X das amostras de amido, TPS, TPS

com óleo de coco e dos nanocompósitos poliméricos foram obtidos em um

difratômetro SHIMADZU, modelo XRD-7000, utilizando radiação de CuKα (λ =

1,5418 Å) a 40 kV e 30 mA, sob velocidade de 1º (2θ)/min com um passo de

0,05. Os ensaios foram realizados a temperatura ambiente e no intervalo de

ângulos 2θ de 2,5 a 60º.

4.4.5 Absorção de água

A absorção de água foi medida com base na norma ASTM D570-98(2018).

Os corpos de prova em formato retangular (100 x 25 x 4 mm) foram inicialmente

secos em estufa a vácuo em temperatura de 50°C por 24 horas. Em seguida, as

amostras, em triplicata, foram pesadas em balança analítica e organizadas em

bandejas de alumínio e imediatamente imersas em água destilada (23°C) por 2

horas. Após o período de imersão, foi removido o excesso de água presente nas

amostras e em seguida, estas foram pesadas para verificar a absorção de água

A medida da absorção obtida a partir da equação (2) baseada na norma ASTM

D570-98(2018):

𝐴𝑀(%) = (

𝑀1−𝑀0

𝑀0

) 𝑥100 (2)

Onde 𝑀

1

é a massa do corpo de prova (em gramas) após o tempo de

imersão em água e o 𝑀

0

é a massa da amostra antes da imersão. No cálculo

também foi contabilizado a massa do material que foi solubilizada, para isso,

após a pesagem dos corpos de prova pós-imersão, os mesmos foram secos nas

mesmas condições de secagem inicial e a diferença entre a massa inicial e final

foi considerada como material completamente solubilizado.

4.4.6 Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR)

A espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foi

realizada com um espectrofotômetro Cary 660 Agilent (Varian) usando o modo

38

4.4.7 Ensaios mecânicos sob tração

Foram utilizados corpos de prova tipo fita (25 x 51 x 5mm) que foram

condicionados em ambiente com temperatura (23 ± 3°C) controladas para

aguardar a realização do ensaio mecânico. As propriedades mecânicas de

resistência à tração, alongamento na ruptura e módulo de elasticidade foram

medidas.

As análises foram realizadas em máquina universal de ensaios

mecânicos modelo EMIC DL- 3000. Os resultados dos ensaios foram expressos

em relação à média de cinco corpos de provas analisados, com seus respectivos

desvios padrões, para cada formulação. Foi utilizada uma velocidade de ensaio

de 1 mm/min e utilizando uma célula de carga de 30 kN.

4.4.8 Ensaio de dureza Shore D

As medições de dureza foram realizadas seguindo a norma ASTM D2240

obtendo-se os valores na escala Shore D. Para isso, foi utilizado o durômetro

Mainard modelo M-903 medindo-se cinco pontos em cada amostra. Foi aplicada

uma carga de 5 kg por 3 segundos.

4.4.9 Ensaio de biodegradabilidade

O ensaio de biodegradabilidade foi realizado conforme a norma ASTM

D5338 com adaptações. Para isso, as amostras em formato de fitas (80 x 25 x 4

mm), em triplicata, foram enterradas em composto vegetal (solo) com 3 meses

de incubação a 10 mm de profundidade, em bandejas de alumínio (280 x 180 x

40 mm) e mantidas em temperatura ambiente a 60% de umidade relativa.

Semanalmente foi realizada a medição da umidade da mistura (composto

vegetal e amostras), sendo possível realizar ajustes quando necessário. A

variação de massa das amostras enterradas foi coletada semanalmente.

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5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 Medidas de índice de fluidez

Os resultados obtidos para as medidas de índice de fluidez podem ser

visualizados na Figura 18. Os dados indicaram que a presença do óleo promoveu

uma ligeira redução no MFI e, consequentemente, um aumento da viscosidade

do material, a qual é mantida estável até a concentração de 7,5% em massa de

óleo de coco.

Os resultados das MFI mais estáveis que foram observados entre as

formulações 1% OC e 7.5% OC pode ser explicado pela presença dos lipídios

do óleo de coco, que aumenta a mobilidade dos segmentos macromoleculares,

aumentando a viscosidade do material, até que a interação entre a cadeia

polimérica de amilose e os lipídios dominem, formando uma estrutura helicoidal

compacta amilose-lipídio como observado por WANG et al (2019) e WANG,

CASULLI, BOUVIER (1993).

40

No caso da formulação 10% OC foi possível observar um aumento da

fluidez do material (aumento do MFI) e consequente redução da viscosidade.

Isto pode ser em decorrência do fato de que o aumento da concentração de óleo

de coco pode ocasionar a redução das interações intermoleculares do polímero,

resultando em aumento da fluidez (FANGFANG et al, 2020), além disso, para

altas concentrações de óleo de coco, as interações lipídio-lipídio são maiores

do que as interações amido-lipídio, reduzindo a viscosidade do material (WANG

et al, 2019; WANG, CASULLI, BOUVIER, 1993). O aumento da fluidez na

formulação 10% OC pode ser também em decorrência de uma possível migração

do óleo de coco para a superfície do material durante o processamento

ocasionando um efeito lubrificante por parte dos lipídios presentes no óleo de

coco.

Os efeitos significativos na fluidez foram observados nas formulações

contendo a argila. As formulações contendo 1% em massa de argila, com

exceção da formulação 5% OC/1% OMMT, apresentaram valores menores de

MFI (indicando um aumento na viscosidade), em níveis abaixo das formulações

que possuíam apenas a presença do óleo de coco, indicando uma forte influência

da argila. Esta influência fica ainda mais evidente quando observamos as

formulações contendo 3% em massa de argila, neste caso, ocorreu uma redução

ainda maior nos valores de MFI e como consequência um aumento considerável

da viscosidade do material.

O aumento da viscosidade observado com a adição da argila pode ser

explicado pelo fato de que a presença da argila organofílica promove um

aumento da interação do polímero com a argila pois apresenta grupos funcionais

que interagem com as macromoléculas do polímero (No caso da Cloisite 30B, o

grupo funcional é -OH). Desta forma, quanto maior a concentração de argila,

maior tende a ser a interação polímero/argila e consequentemente maior a

viscosidade apresentada pelo material (PAZ, et al, 2008). Além disso, uma maior

concentração de argila aumenta a possibilidade de contato entre as lamelas de

argila na matriz de amido termoplástico, exigindo maior nível de tensão

necessária para que ocorra a fluidez (HANKEN et al, 2014).

A presença da argila na formulação 5% OC/1% OMMT não promoveu

grandes alterações quando comparados aquelas observadas juntamente com

outras concentrações de óleo de coco, podendo-se dizer que para esta

41

combinação de concentração de argila e óleo de coco, a argila organofílica pode

ter atuado como um plastificante interno devido ao efeito de orientação das

nanopartículas dispersas de argila ou o campo de tensões durante a fluidez pode

ter promovido a ruptura dos aglomerados de argila diminuindo a resistência ao

escoamento e favorecendo a fluidez do material (HANKEN et al, 2014).

5.2 Aspecto visual

As análises dos aspectos visuais dos filamentos obtidos na saída da

matriz da extrusora dupla rosca, dos granulados e das fitas possibilitou avaliar

as características e estabilidade dos materiais obtidos. Os aspectos visuais do

filamento de TPS e dos materiais com óleo de coco até a concentração de 7,5%

em massa apresentaram boa uniformidade, fluidez e elasticidade do fundido na

saída da matriz, sendo estas características melhoradas com o incremento da

concentração do óleo de coco (Figura 19). Esta melhoria pode ser devido às

interações dos lipídios presentes no óleo de coco com a amilose presentes no

amido ou a uma co-cristalização das cadeias de amilose com suas cadeias

adjacente que ancoram as moléculas profundamente promovendo uma maior

resistência a ruptura do fundido (THACHIL, CHOUKSEY, GUDIPATI, 2013; SHU

et al, 2013).

Figura 19: Filamento obtido na saída da matriz da extrusora dupla rosca para a formulação 10% OC. (Autoria própria, 2021).

A presença da argila também promoveu significativas mudanças na

estabilidade da fluidez do material na saída da matriz. Para ambos os casos (com

1 e 3% em massa), e em todas as formulações, foi observado um filamento com

42

fluidez contínua, bastante uniforme e sem a presença de irregularidades,

indicando que a argila melhorou a estabilidade do material na saída da matriz. A

presença da argila também promoveu um aumento da rigidez aparente do

filamento (Figura 20), fato este que facilitou o processo de granulação do mesmo,

sendo possível obter granulados uniformes sem a presença de marcas de corte.

Figura 20: Estabilidade do filamento da formulação 1% OMMT durante o início do processo de granulação. (Autoria própria, 2021).

A Figura 21 apresenta o aspecto visual dos granulados obtidos após a

granulação, evidenciando a influência tanto o óleo de coco, como da argila nas

características ópticas aparente e na uniformidade dos grânulos obtidos. Foi

possível observar que o incremento da concentração do óleo de coco promoveu

uma mudança visual dos granulados, uma vez que o material passa de

translucido (TPS) a um aspecto leitoso com o aumento da concentração do óleo

de coco como também acarretou uma maior uniformidade dos granulados, que

passaram de um estado mais deformado (achatado, no TPS) para

aproximadamente equiaxiais com o aumento da concentração. Esta

uniformidade também foi promovida pelo incremento da concentração de argila,

neste caso, foi possível observar uma coloração leitosa dos grânulos com o

aumento da sua concentração, tornando os grânulos mais nítidos e com aspecto

visual semelhante ao de polímeros sintéticos.

43

TPS 1% OMMT 3% OMMT 1% OC 1% OC/1% OMMT 1% OC/3% OMMT

2.5% OC 2.5% OC/1% OMMT 2.5% OC/3% OMMT 5% OC 5% OC/1% OMMT 5% OC/3% OMMT

7.5% OC 7.5% OC/1% OMMT 7.5% OC/3% OMMT 10% OC 10% OC/1% OMMT 10% OC/3% OMMT

Figura 21 – Aspecto visual de todas as formulações submetidas a granulação.

O aspecto visual final das fitas para todas as formulações processadas

pode ser visualizado a partir da Figura 22. Visualmente os materiais que

apresentaram maior uniformidade foram nanocompósitos com OC e OMMT

devido a presença do óleo de coco e da argila que agiram de forma sinérgica

produzindo materiais com baixos níveis de porosidade e rugosidade aparente.

44

TPS 1% OMMT 3% OMMT 1% OC 1% OC/1% OMMT 1% OC/3% OMMT

2.5% OC 2.5% OC/1% OMMT

2.5% OC/3%

OMMT 5% OC 5% OC/1% OMMT 5% OC/3% OMMT

7.5% OC 7.5% OC/1% OMMT

7.5% OC/3%

OMMT 10% OC 10% OC/1% OMMT 10% OC/3% OMMT

Figura 22: Aspecto visual das fitas obtidas após a extrusão rosca simples.

5.3 Colorimetria

A Tabela 7 apresenta os resultados de colorimetria do TPS, TPS e óleo

de coco e dos nanocompósitos poliméricos (TPS/OMMT e TPS/OC/OMMT). Os

resultados mostraram que o TPS apresentou valores de luminosidade (L*),

parâmetro (a*) e parâmetro (b*) de 35,51, 1,65, 5,61, respectivamente. Tanto o

óleo de coco, quanto a argila promoveram variações consideráveis nos

parâmetros de cor do TPS, principalmente na luminosidade.

A presença do óleo de coco aumentou o valor do parâmetro de

luminosidade do TPS principalmente quando incorporado em baixas

concentrações. Os resultados indicaram uma tendência a coloração branca em

todas as amostras contendo somente o óleo de coco, principalmente nas

concentrações de 1 e 2,5% em massa de OC que apresentaram valores de

luminosidade 38,29 e 38,21, respectivamente. Além disso, observou-se ainda

que o aumento da concentração de óleo de coco promoveu uma redução nos

valores dos parâmetros a* e b*.

45

A coloração branca observada nas formulações contendo óleo de coco

pode ser devida a uma possível formação de uma emulsão do OC com o glicerol

ou em decorrência da presença dos lipídios no OC. Essa coloração pode ser

influenciada por diversos fatores como, o método de extração do óleo de coco

(prensagem a quente ou solvente), que pode levar a uma liberação de

componentes minoritários para o óleo alterando assim a coloração do mesmo, a

presença de ácidos graxos livres, ésteres de ácidos graxos e outros

contaminantes, e a temperatura de processamento do óleo que podem alterar a

luminosidade do óleo e consequentemente do material (AYDENIZ, GÜNESER,

YILMAZ, 2013; LIU, YANG, HUANG, 2012; IAL, 2008).

No geral, observou-se por meio do parâmetro de variação de cor (

∆E*)

que

o óleo de coco promoveu uma diferença mínima na coloração do TPS, uma vez

que a maior variação foi de 2,55 com a adição de 10,0% em massa de OC

(formulação 10% OC).

Tabela 7 – Parâmetros de cor CIELAB para as amostras do TPS e nanocompósitos poliméricos. L* a* b* ∆E* TPS 35,51 1,65 5,61 -- 1% OMMT 34,76 1,63 4,55 1,29 3% OMMT 34,59 1,85 5,11 1,05 1% OC 38,29 1,54 5,06 2,83 1% OC/1% OMMT 38,9 1,68 5,05 3,43 1% OC/3% OMMT 35,81 1,10 2,74 2,94 2.5% OC 38,21 1,42 5,20 2,74 2.5% OC/1% OMMT 39,59 1,49 5,15 4,11 2.5% OC/3% OMMT 41,85 0,95 4,78 6,43 5% OC 36,00 1,03 4,11 1,69 5% OC/1% OMMT 39,66 0,97 4,23 4,42 5% OC/3% OMMT 50,05 1,57 7,55 14,68 7.5% OC 36,03 1,23 4,78 1,07 7.5% OC/1% OMMT 41,08 0,71 4,11 5,85 7.5% OC/3% OMMT 54,05 1,52 7,9 18,68 10% OC 36,82 0,78 3,62 2,54 10% OC/1% OMMT 42,60 0,69 3,45 7,48 10% OC/3% OMMT 56,7 1,90 8,17 21,34

46

Os resultados indicaram ainda que a adição da argila ao TPS para a

obtenção dos nanocompósitos poliméricos, por sua vez, reduziu os valores de

luminosidade (L*) do material alcançando valores de 34,76 com a adição de 1%

em massa e 34,59 com a adição de 3% em massa de argila, o que sugere uma

tendência a coloração mais escura ao material. No caso dos parâmetros a* e b*,

foi observado que a adição de 1% em massa de argila reduziu o valor dos dois

parâmetros, entretanto, este fato não foi observado com a adição de 3% em

massa de argila, neste caso, um novo aumento do valor dos parâmetros foi

registrado indicando uma tendência a coloração marrom escuro.

Segundo Reis, Bertolini e Canevarolo (2009) a mudança de coloração

imposta por uma argila a um polímero pode ser devido a presença de íons

metálicos presentes na argila e/ou a trocas de cátions ocorrida durante o

processamento. Íons de ferro (Fe

2+

e Fe

3+

) são os principais responsáveis pela

coloração escura de argilas bentonitas como é o caso da cloisite 30B, que

apresenta uma concentração de cerca de 3% em massa de oxido de ferro (Fe

2

O

3

)

o que possivelmente facilitou o surgimento dessa coloração mesmo que em

menor escala (baixo valor de

∆E*)

(LEITE, I. F. et al, 2006; LEITE, I. F., RAPOSO,

M. O., SILVA, S. M. L. 2008; MADEJOVÁ et al., 2009).

A combinação do óleo de coco e da argila no caso dos nanocompósitos

poliméricos, por sua vez, promoveu grandes alterações nos parâmetros de

coloração do TPS. Foi observado que o aumento da concentração do óleo de

coco combinado com 1% em massa de argila ocasionou um aumento nos valores

de luminosidade e os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentaram uma

coloração mais clara.

Este aumento ficou mais evidente com a combinação do óleo de coco com

3% em massa de argila, neste caso, a luminosidade atingiu os valores de 54,05

e 56,7 nas formulações 7.5% OC/3% OMMT e 10% OC/3% OMMT,

respectivamente. Outro parâmetro que sofreu grande variação foi o b*, neste

caso, as altas concentrações de OC combinadas com 3% em massa de argila

promoveu um aumento no valor deste parâmetro, indicando uma tendência do

material a coloração amarela.

Com base na variação de cor (

∆E*)

ficou evidente que as formulações que

apresentaram maior diferença na coloração foram aquelas que combinaram

altas concentrações de óleo de coco com 3% em massa de argila, alçando o

47

valor de 21,34 na formulação 10% OC/3% OMMT. Este fato pode indicar uma

maior facilidade de troca catiônica da argila devido a presença do óleo de coco

facilitando assim a modificação da cor do material.

5.4 Difração de raios X

A Figura 23 apresenta o difratograma de raios X obtido para o amido

comercial e o TPS obtido pós processamento. Os amidos nativos em geral

apresentam cristalinidade devido a organização das moléculas de amilopectina

no interior do grânulo, neste caso foram observados picos de difração

característicos a 15°, 17°, 17,7°e 23° (2θ) indicando que os grânulos de amido

de mandioca utilizados apresentam cristalinidade tipo C, que trata-se de uma

estrutura composta de amilopectina de comprimento de cadeia de 26 a 29

moléculas de glicose, sendo uma mistura das estruturas tipo A (15°, 17,7° e 23°)

e B (17°) tipicamente encontrada em tubérculos (JANE JL, 2006; SCHEMMER

et al., 2009; LOMELÍ-RAMÍREZ et al., 2014; AMARAL et al, 2016).

Figura 23: Difratograma de raios X para o amido de mandioca nativo e TPS.

O difratograma do TPS não apresentou os picos característicos

apresentados pelo amido nativo, indicando que a estrutura semicristalina dos

48

grânulos foi totalmente destruída, entretanto, foram observados o surgimento de

novos picos em aproximadamente 13, 18,36, 19,72 e 21,16° (2θ) indicando a

ocorrência de recristalização.

A presença dos picos observados no difratograma do TPS indica a

formação de complexos tipo V

H,

que segundo Amaral e colaboradores (2016) e

Vedove (2019) podem ser picos característicos da cristalização das cadeias de

amilose com os utilizados plastificantes tais como o glicerol ou com quantidades

de lipídios presentes no amido não purificado.

Figura 24: Difratograma de raios X do TPS e TPS com concentrações de óleo de coco.

A adição de 1% e 10% em massa de óleo de coco (formulação 1% OC e

10% OC) mostraram picos semelhantes aos observados no difratograma do TPS

(Figura 24), porém, apresentaram picos com maior intensidade, o que indica que

a formação de complexos tipo V foram favorecidas devida a presença do óleo de

coco. No caso da formulação contendo 5% em massa de óleo de coco foram

observados picos em aproximadamente 16,9, 19,6 e 21,9° (2θ) que estão

49

possivelmente de uma recristalização da amilopectina durante o processamento

(VEDOVE, 2019).

A formação de complexos tipo V observados no TPS e evidenciada em

todas as formulações contendo óleo de coco, era esperada tendo em vista que

o óleo de coco é formado basicamente por lipídios (um dos responsáveis por

essa formação).

Semelhante ao óleo de coco, a argila quando adicionada ao TPS

também favoreceu a recristalização do amido, fato evidenciado pelo aumento de

intensidade dos picos característicos em 13, 18,36, 19,72 e 21,16° (2θ) nas

formulações 1% OMMT e 3% OMMT na Figura 25, indicando que o incremento

da concentração da argila pode ter favorecido a formação de uma estrutura tipo

V

H

.

Figura 25: Difratograma de raios X para a argila e nanocompósitos de

TPS/OMMT

.

A partir da Figura 26, que representa uma ampliação da região “A” da

Figura 25, foi possível verificar ainda que o pico característico presente na argila

pura em aproximadamente 4,92° (2θ) que representa uma distância interplanar

50

(formulação 1% OMMT e 3% OMMT). Segundo a literatura, o desaparecimento

do pico característico da argila é um indicativo importante do aumento do

espaçamento basal entre as lamelas do silicato, resultante da intercalação de

moléculas dos plastificantes e/ou de cadeias poliméricas nas galerias da argila,

e da sua completa esfoliação que permite obter lamelas de silicato dispersas na

matriz polimérica (MEI, L. H. I., RODOLFO, A, 2009; PIRSA, MOHTARAMI E

KALANTARI 2020).

A argila Cloisite 30B organicamente modificada pareceu interagir de forma

efetiva com a matriz de TPS e plastificantes devido aos grupos hidroxila (-OH)

presentes em sua estrutura modificada, que promovem um maior grau de

interação, permitindo obter uma estrutura desorganizada ou esfoliada (MULLER

et al.,2012; RAQUEZ et al, 2011; MAGALHÃES E ANDRADE, 2009; PARK et

al., 2002;). Além disso, a formação da dispersão (argila/água) durante a

pré-mistura e principalmente o alto grau de cisalhamento imposto pela extrusora

dupla rosca durante o processamento no estado fundido contribuíram para a

esfoliação da argila.

51

Quando o óleo de coco e a argila foram adicionados em conjunto ao TPS

o comportamento observado foi semelhante aos dos dois componentes

individuais. A partir da Figura 27 foi possivel verificar que em todas as

formulações foram observados picos relativos a estrutura tipo V

H

sendo esses

picos com maior intensidade nas formulações contendo 3% em massa de argila

e em altas concentrações de óleo de coco, indicando um sinergismo dos

componentes na formação dessa estrutura. No caso das formulações 5% OC/1%

OMMT e 5% OC/3% OMMT, foi observado que a argila favoreceu a destruição

da estrutura tipo B anteriormente observada (na formulação com 5% em massa

de OC) e também dificultou a recristalização, uma vez que os picos relacionados

com estrutura tipo V

H

não foram bem definidos.

Além disso, foi possível verificar ainda que o pico característico da argila

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