COMPÓSITOS BIODEGRADÁVEIS: MATRIZES
POLIMÉRICAS REFORÇADAS COM RESÍDUOS DO
PROCESSAMENTO DE FIBRAS DE CASCA DE COCO
Jeremias S. Macedo*, Marysilvia F. da Costa, Rossana M. S. M. Thiré
Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE/UFRJ – jeremias@metalmat.ufrj.br Caixa Postal 68505, 21941-972 Rio de Janeiro/RJ
Biodegradable composites: polymeric matrixes filled with waste powder from processing coconut shell fiber
The polyhydroxybutyrate (PHB), which is a linear and highly crystalline biodegradable polymer, was filled with waste powder from processing of coconut fibers. The effect of the filler weigth contents on composites properties was evaluated by tensile tests, X-ray diffraction technique and electron microscopy. Improvements in tensile strength and elongation at break were achieved from composites containing 10 % wt waste powder. Significant changes in degree of crystallinity were also observed.
Introdução
Pesquisas envolvendo o emprego de polímeros biodegradáveis como substitutos dos polímeros sintéticos convencionais ganharam espaço nos últimos anos, em virtude da intensificação das questões ambientais. Contudo, a maior parte das matrizes biodegradáveis apresenta propriedades mecânicas inferiores aos polímeros tradicionais. Na tentativa de solucionar este problema, tem-se como alternativa, o uso de fibras naturais como reforço de matrizes (fibras de bambu [1], de linho [2], de coco [3] em matrizes de ácido polilático-PLA, policaprolactona-PCL e polihidroxibutirato-PHB, respectivamente), a exemplo do que se faz com os polímeros convencionais [4-7].
No presente trabalho, o PHB foi utilizado como matriz biodegradável. O PHB é um poliéster linear, bastante cristalino, com algumas propriedades mecânicas semelhantes às do polipropileno e com aplicações potenciais na fabricação de produtos descartáveis, marinha e etc. Esse polímero pertence à família dos polihidroxialcanoatos (PHAs), produzidos a partir de bactérias quando em condições excessivas de carbono e energia, porém, com carência dos nutrientes (N, P, Mg, Fe, etc.) necessários ao crescimento desses microorganismos [8].
O material de reforço escolhido foi o pó da casca de coco. Trata-se de um resíduo orgânico lignocelulósico com alto teor de lignina – 41-45 % oriundo do processamento do mesocarpo fibroso deste fruto. Este resíduo é de ampla disponibilidade no litoral do país em forma de lixo. O emprego do pó de coco ainda é limitado ao setor agrícola, como substratos para mudas tais
como o sabiá, sansão-do-campo (espécie nativa da caatinga do nordeste do país), entre outras hortaliças cultivadas. O pó de coco proporciona ótima aeração no solo e possui a capacidade de reter até 8 vezes o seu peso seco em água, melhorando significativamente o cultivo de plantas em solos arenosos, que normalmente apresentam baixa retenção de água. O uso do pó como reforço consiste numa alternativa viável para o manejo deste resíduo, aumentando o seu valor agregado.
Com o objetivo de otimizar as propriedades mecânicas do PHB, foram estudados compósitos biodegradáveis à base de PHB e pó residual do processamento de fibras de coco (pó de coco). Os compósitos obtidos foram caracterizados via ensaios de tração, análises de difração de raios-X (DR-X) e microscopia eletrônica de varredura (MEV).
Experimental
Os filmes biodegradáveis foram produzidos com proporções em massa de PHB/pó de coco equivalentes a 100/0%, 90/10%, 80/20% e 70/30%. O plastificante empregado foi o hexilenoglicol (30 % da massa total da mistura entre os dois principais componentes). Filmes contendo apenas PHB sem plastificante também foram produzidos. O pó de coco foi submetido a um processo de peneiração antes de ser incorporado ao PHB. A fração de pó empregada apresentou granulometria variando entre 212-350 μm.
O processamento do material foi realizado em câmara de mistura Rheomix 600 com rotor tipo roller acoplada a um reômetro de torque Rheocord 9000 (Haake) a 165 ºC por 6 min. Posteriormente, o material foi comprimido sob 55,2 MPa numa prensa hidráulica a quente por 45 minutos e em seguida resfriado. Os corpos de prova foram cortados em formato gravata de acordo com a norma ASTM 638D.
As propriedades mecânicas foram avaliadas numa máquina universal de testes, Instron 5567, com velocidade do travessão de 2 mm/min. Os resultados equivalem às médias dos ensaios efetuados para cada amostra.
As medidas de difração de raios-X foram realizadas em difratômetro Rigaku-Miniflex, operado com fonte de CuKα, λ = 15,42 nm. A região investigada foi compreendida entre 2θ = 2-60º, coletando-se os dados a cada 0,05 º.
As análises da superfície de fratura dos compósitos previamente submetidos aos ensaios de tração foram realizadas em um microscópio eletrônico de varredura JEOL, modelo JSM 6460LV. As amostras foram fixadas ao suporte empregando cola prata e metalizadas com ouro antes da análise.
Resultados e Discussão
A Figura 1 representa os resultados dos ensaios de tração para os compósitos obtidos. Pode-se obPode-servar que a incorporação do pó de coco na matriz promoveu aumentos na resistência e no alongamento de ruptura dos filmes PHB/pó-90:10, cujos valores atingiram 11,49 MPa e 4,92 %, respectivamente. Nos demais casos, o efeito foi negativo. Isto sugere que o aumento de pó no compósito dificulte a sua dispersão na matriz e induza a formação de aglomerados, levando a perdas nas propriedades do material.
0 1 2 3 4 5 0 2 4 6 8 10 12 90:10 80:20 70:30 100:0 T ensã o (M Pa) Deformação (%) Com Plastificante PHB/pó-100:0 PHB/pó-90:10 PHB/pó-80:20 PHB/pó-70:30
Figura 1 –Curvas Tensão X Deformação para os filmes PHB/pó-100:0 e PHB/pó-90:10, 80:20 e 70:30.
Os difratogramas dos filmes obtidos a partir do PHB puro e demais compósitos preparados são apresentados na Figura 2. O grau de cristalinidade total das amostras foi calculada a partir da razão entre área dos picos cristalinos e a área total dos difratogramas, cujos valores se encontram dispostos na Tabela 1.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 49,04 44,28 36,85 30,85 22,79 21,77 13,70 17,01 b) c) d) e) a) 2θ (o) Intensidade
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
Tabela 1 – Grau de cristalinidade dos filmes de PHB sem plastificante e das demais combinações preparadas.
Amostras Grau de Cristalinidade PHB puro 0,571 PHB/pó-100:0 0,452 PHB/pó-90:10 0,458 PHB/pó-80:20 0,412 PHB/pó-70:30 0,394
A Figura 2 mostra que não houve formação de novas estruturas cristalinas, visto que independente da ausência de plastificante (Figura 2a) e do teor de pó de coco presente no compósito (Figuras 2b e 2c) não se verificou alterações nas posições dos picos cristalinos. Os picos cristalinos de maior intensidade foram observados em 2θ = 13,70; 17,01; 21,77º; 22,79º que estão relacionados aos planos (020), (110), (101) e (111), respectivamente [9].
A semelhança entre os difratogramas do filmes PHB/pó-90:10 (Figura 2c) e PHB/pó-100:0 (Figura 2b) e também entre os valores do grau de cristalinidade (Tabela 1) mostram que a adição de 10 % do pó não exerceu influência significativa sobre a cristalinidade destas amostras.
No caso dos filmes de PHB com 20 % e 30 % de pó, poucas diferenças foram verificadas nos respectivos difratogramas comparando-os aos da Figura 2b. Observa-se que os picos em 2θ = 21,77º e 22,79º apresentam melhor definição nos difratogramas das Figuras 2d e 2e do que no difratograma relativo ao PHB/pó-100:0 . Os filmes equivalentes apresentaram menores graus de cristalinidade, Tabela 1.
A análise dos resultados das Figuras 2a e 2b e da Tabela 1 mostrou que a adição do hexilenoglicol na matriz reduziu a cristalinidade do polímero, mostrando-se eficiente para o filme PHB/pó-100:0. No entanto, a adição de teores de pó acima de 20 % nos filmes pareceu inibir a ação do plastificante, Figuras 2d e 2e. Supostamente, este comportamento pode estar relacionado ao fato do plastificante possuir maior afinidade pelo pó em relação ao PHB, o que seria intensificado após o aumento do reforço no material.
As microscopias eletrônicas para o pó de coco são apresentadas na Figura 3.
Figura 3 – Microscopias eletrônicas de varredura do pó de coco. Micro-fibras
Estrutura Esfoliada
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Percebe-se que o pó apresenta uma estrutura morfológica esfoliada, a qual recobre a superfície de algumas microfibras residuais que não são completamente separadas no processo de peneiração empregado Figura 3a. A estrutura esfoliada pode ser melhor visualizada na Figura 3b, a qual representa uma ampliação de parte da microscopia disposta na Figura 3a.
A imagem de MEV obtida para os filmes de PHB/pó-100:0 revela uma superfície pouca rugosa, Figura 4. Esta característica poderia explicar a fragilidade do material verificada através da análise dos testes de tração, Figura 1.
Figura 4 – Micrografias obtidas por MEV para a superfície de fratura do PHB/pó-100:0.
Na imagem de MEV da superfície de fratura do compósito PHB/pó-80:20 (Figura 5), pode-se verificar alguns vazios, sugerindo que fibras pode-se desprenderam do material durante o ensaio de tração. Isto evidencia pouca adesão interfacial entre o reforço e a matriz, corroborando com os resultados dos testes de tração da Figura 1.
Figura 5 – Micrografias obtidas por MEV para a superfície de fratura do compósito PHB/pó-80:20.
Conclusões
A utilização do pó de coco como reforço para o PHB puro, mostrou-se viável em baixas concentrações de pó, até 10 %, o que foi evidenciado pela evolução das suas propriedades mecânicas observadas nas curvas tensão-deformação. Os resultados da difração de raios-X
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mostraram que o hexilenoglicol funciona como um bom plastificante para a mistura PHB/pó de coco com até 10 % de pó. Por outro lado, ele não apresenta o mesmo comportamento para as misturas com teores mais elevados de pó de coco. Os resultados de MEV revelaram baixa adesão entre o reforço e a matriz, levando à produção de compósitos com propriedades ainda não-satisfatórias do ponto de vista industrial, porém melhores do que o PHB/pó-100:0. Um tratamento químico do pó de coco deverá ser feito para otimizar a adesão deste com a matriz e, por conseqüência, obter um biocompósito com propriedades adequadas para fins industriais.
Agradecimentos
Ao CNPq e FAPERJ pelo apoio financeiro e ao Instituto de Macromoléculas (IMA/UFRJ) pela disponibilidade da câmara de misturas e do equipamento de Raios-X, ao laboratório de microscopia eletrônica do PEMM/COPPE.
Referências Bibliográficas
1. S-H. Lee, S. Wang Compos. Part A 2006, 37, 80.
2. E. Bodros; I. Pillin; N. Montrely; C. Baley Compos. Sci. Techno.l 2007, 67, 462.
3. T.A. Kapulskis; R.C. de Jesus; e L.H.I. Mei in anais do VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica, Campinas, 2005, Vol. 1. 30.
4. Khalil H.P.S.A., Ismail H. et al. Eur. Polym. J. 2001, 37, 1037.
5. A.K. Mohanty; M.A. Khan; G. Hinrichsen Compos.: Part A 2000, 31, 143. 6. K. Joseph; S. Thomas Polymer 1996, 37, 5139.
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