TÍTULO: UTILIZAÇÃO DE FIBRAS DE COCO VERDE PARA PREPARAÇÃO DE BIOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS.
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO
CATEGORIA:
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
ÁREA:
SUBÁREA: Engenharias
SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO(ÕES): CENTRO UNIVERSITÁRIO SENAC - SENACSP
INSTITUIÇÃO(ÕES):
AUTOR(ES): NICOLLE SILVA DA SILVA
AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): EMILIA SATOSHI MIYAMARU SEO
1 1.RESUMO
As atividades humanas causam impactos ao meio ambiente, sendo que a geração de resíduos é uma das grandes preocupações atualmente. Neste sentido o presente trabalho tem como objetivo reutilização e tratamento do resíduo da casca de coco verde para a obtenção de uma fibra natural, a fim de reforça-la melhorando suas características e aplica-las a uma matriz polimérica. Dessa forma dando uma disposição final ambientalmente correta ao resíduo, amenizando, portanto, a problemática de resíduos de coco verde, e ampliando a utilização de uma nova proposta para substituição de materiais convencionais derivados do petróleo. Para melhor desempenho da fibra escolhida foi realizado o processo de mercerização com hidróxido de sódio (NaOH) e ácido acético, elevando assim a aderência à matriz que será utilizada, o polietileno de alta densidade fornecido pela empresa Brasken. Os testes de caracterização realizados foram: picnometria por gás hélio para obter densidade, microscopia eletrônica de varredura, análise termogravimétrica, determinação da porcentagem de elementos inorgânicos nas fibras e fluorescência por raios X.
2. INTRODUÇÃO
Atualmente a questão da geração de resíduos sólidos vem sendo discutida de forma ampla, sendo considerados vários fatores do gerenciamento que iniciam desde a geração à disposição final (BRINGHENTI, 2004).
O Plano de Gestão Integrada de Resíduos Sólidos da cidade de São Paulo (PGIRS – SP) é uma das ferramentas utilizadas pela Política Nacional de Resíduos Sólidos, definida na Lei 12.305/2010. A diretriz fundamental que norteia este plano é a não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento adequado dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente correta apenas dos rejeitos (SÃO PAULO, 2014). Seguindo as diretrizes do PGIRS, é possível observar que há possibilidade de utilizar os resíduos gerados pela agroindústria. Neste contexto, este trabalho aborda uma forma de reciclar a fibra obtida a partir da espécie Cocos nucifera, conhecida popularmente como coco verde ou coco-da-baía, produzindo um compósito com polietileno.
2 As fibras são elementos estruturais que estabelecem resistência mecânica ao compósito. Dessa forma as fibras atuam como reforço ao compósito, constituindo a fase dispersa, e podem formar diversas estruturas. Dentro das opções para a utilização de fibras, podem ser citadas as fibras sintéticas, de vidro, carbono e as naturais (ALMEIDA, 2012).
Compósitos são materiais formados por dois ou mais componentes distintos de forma mecânica e física, sendo pelo menos um componente contínuo e outro descontínuo. O componente contínuo é denominado por matriz polimérica que realiza a transferência de esforços. Já o descontínuo é denominado como carga (ARAÚJO, 2009).
Em relação às matrizes poliméricas, Almeida (2012) afirma que a matriz tem como funcionalidade manter a ligação entre as fibras, proteger as fibras durante sua utilização, distribuir carga entre as fibras e redistribuir carga em caso de ruptura. Esta matriz pode ser apresentada na forma metálica, cerâmica, cimentícia e polimérica. As matrizes poliméricas são divididas em dois grupos, os termoplásticos e os termoendurecíveis.
A fibra oriunda do coqueiro (Cocos nucifera), que é obtida a partir do mesocarpo fibroso do coco, tem seu cultivo predominantemente nas regiões quentes e úmidas do Brasil (MONTEIRO, 2006 apud BEDIN, 2014).
Segundo Passos (et al., 2005), as fibras do coco são constituídas basicamente por celulose, hemicelulose, lignina, pectina e minerais. De acordo com os mesmos autores, a hemicelulose é um polissacarídeo formado pela polimerização de vários açúcares, incluindo glicose, xilose, arabinose e manose. Sendo que a hemicelulose é o elemento que age como ligação para celulose e lignina.
Devido à baixa interação entre a fibra e a matriz polimérica, por serem ambas hidrofóbicas, é necessário realizar modificações químicas a fim de potencializar as fibras como agente de reforço. Essa modificação química tem como objetivo diminuir a característica hidrófila dessas fibras, porém sem alterar as suas propriedades (BEDIN, 2014).
Para Bedin (2014), existem vários tipos de tratamentos de fibras naturais como, por exemplo: acetilação, sulfito de sódio, benzoílação, peróxido e hidróxido de sódio.
3 O mais comum dentro dos processos de tratamento é a alcalinização ou mercerização, que foi utilizada neste trabalho, que é feita com tratamento em uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) demonstrado na equação abaixo. Este tratamento superficial aumenta a rugosidade da superfície causando uma maior interação, viabilizando com este processo um aumento de 30% nas propriedades de tensão, força e módulo na fibra retirando assim a pectina.
𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 − 𝑂𝐻 + 𝑁𝑎𝑂𝐻 → 𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 − 𝑂 − 𝑁𝑎 + 𝐻2𝑂 (1) 3. OBJETIVOS
O objetivo geral do trabalho é preparar e caracterizar as fibras de coco modificadas quimicamente visando a obtenção de um biocompósito.
Constituem-se como objetivos específicos:
• Compreender a literatura sobre biocompósitos, fibras naturais, reciclagem, realizando levantamento bibliográfico;
• Obter e preparar coco verde para mercerização;
• Desenvolver ensaios experimentais por processo de mercerização visando obter fibras com melhor aderência à matriz polimérica;
• Caracterizar química e microestruturalmente as fibras de coco mercerizadas. 4. METODOLOGIA
A metodologia que foi aplicada neste trabalho consiste inicialmente em realizar levantamento bibliográfico de artigos, dissertações, teses e outras fontes científicas acerca do processo de obtenção da fibra da casca do coco verde. Em seguida, desenvolver os experimentos constituídos das fases de preparação dos compósitos a base de fibra da casca de coco verde e analisar os dados coletados para elaboração de artigos. Na fase experimental, foi feita a preparação dos compósitos e caracterização dos mesmos.
5. DESENVOLVIMENTO
A primeira etapa para a obtenção das fibras consistiu em dividir os cocos verde em pedaços pequenos e seca-los em uma estufa a uma temperatura de 80 ºC por aproximadamente 48 horas (Figura 5.1). Após a secagem, o material foi triturado em um moinho de facas (Figura 5.2).
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Figura 5.1. (esquerda) Coco verde in natura após 48 horas de secagem em estufa a 80ºC, Figura 5.2. (direita) Material de fibras de coco já secase triturado em moinho de facas.
Para a obtenção das fibras e particulados, foram adicionados 60 g dos resíduos secos no processo de tratamento químico com solução aquosa de NaOH, durante 48 horas em agitação de 150 rpm em um Jar Test. Nesta fase foram realizados experimentos com três diferentes concentrações de hidróxido de sódio (3%, 5% e 7% w/v), para que possa ser obtida a melhor qualidade de fibra possível.
Depois do tratamento finalizado, as fibras foram lavadas em água corrente e friccionadas em uma peneira com abertura de 0,149 mm para a remoção de impurezas. Em seguida as fibras foram postas em solução aquosa de ácido acético (4% v.v.) em agitação por aproximadamente 1 hora (Figura 5.3), após esse período as fibras foram lavadas em água corrente (Figura 5.4) e secas em estufa com temperatura aproximada de 80 ± 2 ºC durante 4 horas (Figura 5.5).
Figura 5.3. (esquerda) Fibras de coco em agitação com ácido acético, Figura 5.4. (central) Lavagem das fibras de coco mercerizadas, Figura 5.5. (direita) Fibras após mercerização e
secagem.
Após as etapas de mercerização e secagem, as fibras devem ser moídas em um liquidificador com alta rotação e classificadas, visando a obtenção de particulados e fibras curtas como pode ser observado na Figura 5.6 e Figura 5.7.
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Figura 5.6. (esquerda) Fibras mercerizadas separadas com malha de 0,149 mm, Figura 5.7. (direita) Fibras mercerizadas separadas com malha de 0,35 mm.
As fibras e os particulados obtidos foram armazenados juntamente com sílica gel, fechadas a fim de mantê-las totalmente secas para a utilização. A retirada de umidade das fibras e particulados é de extrema importância para a preparação do compósito, uma vez que a presença de água no processo dificulta a interação entre a fibra e a matriz polimérica.
Além disso, pode ser destacado o fato de que as altas temperaturas que serão aplicadas no momento da moldagem podem ocasionar espaçamentos no compósito devido a evaporação da água atuando também de forma negativa nos maquinários utilizados no processo.
Para a determinação de densidade das fibras foi utilizado o equipamento Micromeritcs Instrument Corporation, modelo Accupyc 1330, nos parâmetros: número de purgas: 30, pressão de purga: 19,5 psi g, número de repetições: 30, pressão de preenchimento: 19,5 psi g, taxa de equilíbrio: 0,005 psi g/min, corrida de precisão: utilizada, porcentagem de variação: 0,05%, temperatura da análise: 23ºC. A quantidade de amostra utilizada está na Tabela 5.1.
Tabela 5.1. Quantidade utilizada durante a análise.
MASSAS DA AMOSTRA (g)
ANÁLISE 1 ANÁLISE 2 ANÁLISE 3
6 A microscopia eletrônica de varredura foi realizada para verificação da morfologia das fibras, utilizando o equipamento Tabletop Microscope, modelo TM 3000 da marca Hitachi.
Para a análise termogravimétrica foi utilizado o equipamento Shimadzu, modelo TGA 51H, controle de sistema TA 60WS, para a determinação da temperatura de oxidação das fibras, com cerca de 2 mg de amostra em cadinhos de alumina, ar como gás de arraste, vazão de 100 mL.min-1 e aquecimento de 20°C até 800 °C nas razões de 10°C.min-1.
Para esta análise de teor de cinzas um cadinho de porcelana foi colocado na mufla sob temperatura de 500ºC por 60 minutos. O cadinho foi retirado e, após esfriar em dessecador com sílica, foi pesado (m1) em balança analítica. Em seguida, foram adicionados 5g de biomassa no cadinho de porcelana ficando em estufa por 24 horas à temperatura de 100ºC. Após este período, o cadinho foi retirando, colocado em dessecador com sílica para esfriar e pesado (m2).
O cadinho foi levado para a mufla sob temperatura de 500ºC a 600ºC durante 4 a 6 horas e retirado, deixando-o esfriar em dessecador até temperatura ambiente, pesando-o (m3). O teste foi realizado em duplicata e o teor de cinzas, determinado pela equação 2:
𝐶𝑖𝑛𝑧𝑎𝑠 (%) = [(𝑚3− 𝑚1) × 100] (𝑚2− 𝑚1) (2)
Sendo: m1 = massa cadinho (g); m2 = massa do cadinho + biomassa seca (g); m3 = massa do cadinho + massa de cinzas (g).
A fluorescência de raios X por energia dispersiva (EDX) foi realizada para determinação dos elementos inorgânicos que compõem as cinzas das fibras, utilizando o equipamento Shimadzu, modelo EDX-720 em atmosfera a vácuo e collimator de 10mm.
6. RESULTADOS
As fibras de coco verde mercerizadas apresentaram massa específica no valor médio de 1,720 ± 0,008 g/cm3 por picnometria de hélio.
As micrografias apresentadas nas Figuras 6.1 e 6.2 mostram a morfologia da fibra mercerizada, obtida por microscopia eletrônica de varredura. Observa-se nessa Figura 6.1 B ausência de lignina e hemicelulose.
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Figura 6.1. Micrografias de fibras de coco natural (A) e tratada (B).
As fibras de coco foram analisadas por termogravimétria conforme os resultados apresentados no Gráfico 6.1. Entre 0ºC a 100ºC observa-se liberação de umidade, no intervalo entre 250º C a 400ºC a decomposição de celulose e hemicelulose, entre 400ºC e 550ºC a degradação associada a lignina e a cima de 550ºC a formação de carvão e cinzas, ocorrendo a estabilização do material.
Gráfico 6.1. Valores analisados de temperatura x oxidação das fibras.
-0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 Temp [C] -0.00 5.00 10.00 15.00 mg TGA
Am ostra A 2016 T GA-51H 2016-08-18.tadT GA
Utilizando a equação 2 para determinação de teor de cinzas, foi obtido o valor 1,64 ± 0,06 % de elementos inorgânicos em massa na fibra.
A composição química das cinzas de fibra de coco está apresentada no Gráfico 6.2. Observou-se semi-quantitativamente a presença maior de oxidos de cálcio, ferro
B A
8 e silício. Em monores quantidades, óxidos de magnésio, potássio, zinco, alumínio, fósforo. Verificou-se traços de óxidos de cobre, manganês, estrôncio e estanho elementar.
Gráfico 6.2. Análise semi-quantitativa de fibra de coco.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho foi possível realizar levantamento bibliográfico sobre resíduos orgânicos, fibras naturais, mercerização entre outros, realização da caracterização das fibras e os testes químicos. Além disso, o experimento realizado permitiu a aplicação e observação destes conceitos de forma a compreender o processo para a obtenção das fibras.
Durante o processo de mercerização foi possível observar que a fibra de coco é facilmente influenciada pelo tratamento com o NaOH e ácido acético uma vez que em suas primeiras horas de mercerização já apresentou grande liberação de lignina que pode ser observada pela cor forte da solução.
Após o período final de mercerização com as diferentes concentrações de NaOH foi possível observar que as três porcentagens proporcionaram um tratamento
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 P o rcen ta g e m m á ssica (%) Composição química
9 da fibra aceitável, porém com 7% da solução composta por NaOH a fibra apresentou melhores resultados se comparado às porcentagens de 3% e 5% pois o produto final obtido com o tratamento com 7% de NaOH apresentou fibras mais soltas, sem grandes aglomerações de fibras e fácil moagem.
A caracterização das fibras é importante uma vez que conhecendo as suas propriedades é possível aplica-las de maneiras diferentes de acordo com a necessidade e o tipo de fibras.
A massa específica obtida está próxima dos dados levantados na literatura. A morfologia da fibra de coco tratada apresentou rugosidade na superfície, verificando a remoção da camada superficial e consequentemente promovendo uma adequação na aderência com a matriz polietileno (proposta de pesquisa posterior).
Pode-se concluir pela análise termogravimétrica que a estabilização das cinzas de fibra de coco ocorreu a 550ºC.
A fibra de coco utilizada no presente trabalho possui altas porcentagens mássicas óxidos de ferro, cálcio e silício.
8. FONTES CONSULTADAS
ALMEIDA, Miguel Bastos Gomes. Estudo estrutural de compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de juta. 2012. Dissertação (Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Portugal, Porto, 2012. Disponível em: < https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/68248/1/000154121.pdf>. Acesso em: 18 nov. 2017. BEDIN, Matheus Guilhen. Compósito com polietileno de baixa densidade e fibra de coco in natura e modificada. Rio de Janeiro, 2014. 117p. Disponível em:
<http://uenf.br/posgraduacao/engenharia-de-materiais/wp-content/uploads/sites/2/2013/07/DISSERTA%C3%87%C3%83O-FINAL.pdf>. Acesso em: 16 nov. 2017.
BRINGHENTI, Jacqueline Rogeria. Coleta seletiva de resíduos sólidos urbanos: aspectos operacionais e da participação da população. 2004. 316f. Tese (Doutorado em Saúde Ambiental) - Faculdade de Saúde Pública, Universidade de São
10 <<http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/6/6134/tde-07122009-091508/pt-br.php>> .Acesso em: 13 nov. 2017.
ARAÚJO, Joyce Rodrigues. Compósitos de polietileno de alta densidade reforçados com fibra de curauá obtidos por extrusão e injeção. 2009. Disponível em: <http://biq.iqm.unicamp.br/arquivos/teses/000470731.pdf>. Acesso em: 13 nov. 2017.
PASSOS, Paulo Roberto de Assis. Destinação sustentável de cascas de coco (Cocos nucifera) verde: Obetenção de telhas e chapas de partículas. Tese (Doutorado em Ciências em Planejamento Energético) – Faculdade de Engenharia da Universidade do Rio de Janeiro. 2005. Disponível em: <http://www.ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/ppassos.pdf>. Acesso em: 20 nov. 2017. SÃO PAULO. PLANO DE GESTÃO INTEGRADA DE RESÍDUOS SÓLIDOS DA CIDADE DE
SÃO PAULO. Comitê Intersecretarial para a Política Municipal de Resíduos Sólidos. São
Paulo, 2014. Disponível em: <http://polis.org.br/wp-content/uploads/PGIRS-2014.pdf >. Acesso em: 15 nov. 2017.
