OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE FIBRAS DE MADEIRA BALSA COM POLIPROPILENO VIRGEM E RECICLADO

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1 OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE FIBRAS DE MADEIRA BALSA COM POLIPROPILENO VIRGEM E RECICLADO Alessandra L. Marinelli 2, José D. Ambrosio 2, Marcos R. Monteiro 2, Lidiane C. Costa 3, Márcio Kobayashi 3, Antonio D. Nobre 1, Márcia C. Branciforti 3 * 1 Instituto de Pesquisas da Amazônia INPA Manaus - AM 2 Centro de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais CCDM/UFSCar São Carlos SP 3 * Universidade Federal de São Carlos - UFSCar São Carlos - SP marciacb@ufscar.br A finalidade desse trabalho é a de apresentar a caracterização de fibras de Madeira Balsa e as propriedades mecânicas e morfológicas de compósitos de Madeira Balsa com polipropileno virgem e reciclado, obtidos por extrusão usando polipropileno grafitizado com anidrido maleico como compatibilizante. A Madeira Balsa parece ser uma espécie muito promissora para fornecer compósitos de madeira e polímero com boas propriedades para uso na produção de compósitos de madeira e polipropileno reciclado. As fibras da Madeira Balsa atuam como agente de reforço para o polipropileno. Consequentemente é possível criar uma sinergia entre o desenvolvimento de novos materiais compósitos e a proteção da Floresta Amazônica. Essa sinergia rende impactos positivos sobre o Ciclo Total do Carbono, refletindo como uma importante contribuição para o Controle do Clima Global. Palavras-chave: Fibras vegetais naturais, Madeira Balsa, Compósitos, Floresta Amazônica, Polipropileno reciclado. Obtation and Characterization of the composites of Balsa Wood Fibers with Virgin and Recycled Polypropylene The purpose of this paper is to present the characterization of Balsa wood fibers and the mechanical and morphological properties of the composites of Balsa wood fibers with virgin and recycled polypropylene, obtained from twin screw extrusion using maleated polypropylene as compatibilizer. Balsa wood appears to be a very promising species to provide good wood polymer composite properties and performance for use in the production of wood recycled polypropylene composites. The Balsa wood fibers act as reinforcement for polypropylene. Therefore it is possible to create a synergy between the development of new composite materials and the protection of the Amazon Rain Forest. This synergy yields a positive impact over the Total Carbon Cycle, reflecting an important contribution for the Global Climate Control. Keywords: Natural vegetal fibers, Balsa wood, Composites, Amazon rain Forest, Recycled polypropylene. Introdução Ultimamente, a Floresta Amazônica tem atraído atenção mundial devido ao seu efeito nos ciclos de água do continente Americano e devido às emissões de gás do efeito estufa provenientes das queimadas que ocorrem na região, destruindo a Floresta e dando lugar à plantações de grãos e fazendas de gado. Por outro lado, a destruição da floresta por queimadas ocorre naturalmente devido à tempestades, em escala bem mais reduzida, e a Floresta desenvolveu mecanismos muito inteligentes de auto-recuperação e a proposta do Projeto Fênix Amazônico Renascendo das Cinzas da Destruição, cujo conceito está esquematizado na Figura 1, é baseada nestes mecanismos: existem plantas pioneiras ou colonizadoras (softwood) que crescem sob condições ambientais extremas (excesso de sol e chuva), formando uma floresta secundária densa e criando condições (sombra e proteção à chuva sob o seu dossel) para que a massiva e duradoura floresta (hardwood)

2 possa se restabelecer a médio e longo prazo 1. Uma atividade de Agrosilvicultura de ciclo curto poderia então ser utilizada nas áreas desmatadas da Floresta Amazônica: estas espécies arbóreas pioneiras poderiam ser cultivadas com o propósito de coleta de fibras e madeira com interesse comercial, para ser usada, por exemplo, em compósitos de polímeros com fibras vegetais naturais. Ao redor das culturas destas árvores, uma cerca natural com espécies espinhentas pode ainda ser utilizada, tais como pupunha (Bactris gasipaes) ou curauá (Ananas erectifolius), citando apensa alguns exemplos, com o intuito de proteger as diversas árvores de espécies nobres dos animais herbívoros. Caboclos da região da Floresta Amazônica utilizam estas cercas vivas para a proteção de suas plantações. Após certo tempo, cerca de 2 anos, as espécies nativas da Amazônia atingiriam um tamanho a partir do qual poderiam crescer independentemente, e as madeiras e fibras da floresta secundária poderiam ser coletadas e exploradas de forma a agregar valor comercial às mesmas. É importante ressaltar que a proposição de alternativas para a preservação da Amazônia, através da sua exploração de forma sustentável, envolve não apenas a manutenção ou recuperação do seu papel nas mudanças climáticas globais, mas a preservação de um universo ainda inexplorado de soluções tecnológicas criadas pela natureza em bilhões de anos de evolução. Figura 1 Principais componentes do sistema de produção do projeto Fênix Amazônico 1. Uma destas árvores pioneiras que podem ser exploradas em Agrisilvicultura de ciclo curto é a Madeira Balsa (Ochrama pyramidalis), cuja dormência das sementes precisa justamente ser interrompida pelo calor do fogo. A Balsa foi estudada por Barbosa 2 e apresentou taxas de crescimento extremamente altas, cerca de 14 metros em 14 meses. Esta Madeira destaca-se pela sua leveza e resistência à compressão, e por isso possui aplicações em como chapas e varetas para aeromodelismo, maquetes, pranchas de surf e artesanatos em geral. Estas aplicações conferem à Madeira Balsa um elevado valor agregado. No entanto, durante o seu beneficiamento, aonde a tora

3 de madeira da árvore da Balsa é cortada conforme esquematizado na Figura 2 uma grande quantidade de resíduos é gerada. O resíduo gerado encontra-se na forma de pó, resultante do corte e serragem da madeira nas dimensões desejadas, ou na forma de pequenas toras ou pranchas conforme apresentadas na Figura 3, uma vez que a apenas a região central da árvore é aproveitada, num comprimento útil em torno de 1 a 1,5 m. A empresa Orion Madeira Balsa, situada em Santa Cruz da Conceição, beneficia a Madeira Balsa de origem certificada para estas aplicações, e forneceu ao Grupo de Compósitos do Fênix Amazônico o resíduo deste beneficiamento na forma de pó de serra e lixa para incorporação em polipropileno e avaliação preliminar do potencial do uso destas fibras em compósitos poliméricos. Figura 2 Esquema de corte da Madeira Balsa da empresa Orion. Figura 3 Madeira Balsa beneficiada na empresa Orion. Vale ressaltar que a empresa Orion possui em sua área externa uma plantação ornamental de Madeira Balsa, sem o propósito de exploração. Nesta plantação pudemos observar que, coincidentemente, o conceito do Projeto Fênix foi testado e comprovado como mostra a Figura 4. Nas Figuras 4a e 4b pode ser observado que a Balsa (madeira branca leve (softwood) após formar um dossel (encontro das copas das árvores) fornece sombra e proteção à chuva para diversas outras espécies nobres, como mogno (Swietenia macrophylla), ipê (Tabebuia), jatobá (Hymenaea courbaril), Angelim (Sweetia fruticosa), imbuia (Ocotea porosa), entre outras (hardwood) que foram plantadas posteriormente. Outra observação importante refere-se à quantidade de camada

4 orgânica depositada sobre o solo, que originalmente é bastante arenoso, conforme mostra a Figura 4c. Esta plantação exemplifica assim dois pontos bastante importantes com relação à proposta do Projeto Fênix para a recuperação da Floresta Amazônica: 1) a biodiversidade da Floresta, indicando que diversas espécies diferentes podem e devem ser plantadas sob o dossel de espécies adequadas à Agrosilvicultura de ciclo curto; e 2) a possibilidade de se recuperar o solo arenoso, pois é sabido que toda a fertilidade do solo Amazônico deve-se à esta rica camada orgânica, e sem a qual, a região estaria fadada a formar um deserto. SOFTWOOD VARIADA ESPÉCIES NOBRES (a) HARDWOOD (b) DEPÓSITO DE MATÉRIA ORGÂNICA SOLO (c) ARENOSO Figura 4 Plantação da empresa Orion que evidencia o conceito do Projeto Fênix. Frente ao exposto, os objetivos deste trabalho podem ser assim resumidos: 1) caracterizar a fibra de Madeira Balsa resultante do beneficiamento da mesma; e 2) testar a viabilidade de se utilizar este resíduo como reforço em polímeros, agregando valor às fibras e aos polímeros, especialmente os reciclados. Experimental Materiais: As fibras de Madeira Balsa (FMB), resultantes da serragem da mesma durante o seu beneficiamento, foram gentilmente doadas pela empresa Orion Madeira Balsa. Polipropileno virgem () homopolímero (H501K) com índice de fluidez no fundido (MFI) de 3,5g/10min

5 produzido pela Quattor. Polipropileno reciclado () também possui MFI de 3,5g/10min e foi fornecido pela empresa Polikem de São Carlos/SP. O compatibilizante utilizado foi o polipropileno grafitizado com 1% anidrido maleico, (PP-g-AM) Orevac C100, gentilmente cedido pela Atofina. Métodos: Caracterização das fibras As fibras de Madeira Balsa foram caracterizadas por análise termogravimétrica (TGA) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para tanto foi utilizado o equipamento da TA Instruments, modelo HiRes 2950, a uma taxa de aquecimento de 20 o C/min, a partir da temperatura ambiente até 900 o C, sob atmosfera de nitrogênio, 50mL/min. O MEV utilizado é da marca Zeiss modelo Stereoscan 440. As amostras foram devidamente recobertas com uma fina camada de ouro antes de serem observadas no MEV. Preparação dos Compósitos As amostras de, e compósitos foram processadas em uma extrusora de rosca dupla (L/D = 40, 30mm em diâmetro), marca Imacom, onde o perfil de temperatura, o controle de dosagem e a velocidade de rotação das roscas foram as variáveis ajustadas do processo. A configuração da rosca utilizada está apresentada na Figura 5. Figura 5 Perfil de configuração da rosca utilizada na extrusão, extrusora Imacom. A velocidade de rotação das roscas foi de 170rpm e o controle de dosagem foi analisado por meio da vazão e do torque registrados no próprio equipamento, ficando em torno de 12Kg/h. O perfil de temperatura utilizado foi: Zona 1:60ºC, Zona 2: 140ºC, Zona 3: 160ºC, Zona 4: 180ºC, Zona 5: 180ºC, Zona 6: 185ºC, Zona 7: 185ºC, Zonas 8, 9 e 10: 185ºC. Foram preparados cinco compósitos, todos com 2% em massa de compatibilzante PP-g-AM, a saber: /20%FMB; /30%FMB; /10%FMB; /20%FMB; e / (50/50)/20%FMB.

6 Caracterização das Propriedades Mecânicas e Morfológicas dos Compósitos Ensaios de tração foram realizados segundo a norma ISO com o auxílio de um extensômetro, onde o módulo foi testado em velocidade de 1mm/min e as demais propriedades em velocidade de 50mm/min. O equipamento utilizado foi uma máquina universal de ensaios Instron Os ensaios de flexão foram avaliados utilizando o equipamento Instron 4467, segundo norma ISO 178, com velocidade de teste de 2mm/min. O ensaio de resistência ao impacto foi realizado conforme o ensaio Izod com entalhe em temperatura ambiente com o auxílio do equipamento Ceast 6545 e segundo a norma D256. A morfologia dos compósitos foi caracterizada no MEV-FEG da Phillips modelo XL30. As amostras foram criogenicamente fraturadas e receberem uma fina camada de ouro antes de serem observadas. Resultados e Discussão A estabilidade térmica da Madeira Balsa foi avaliada por análise termogravimétrica (TGA). A Figura 6 mostra a curva de TGA obtida. Observa-se que a Madeira Balsa apresenta quatro picos de perda de massa. A primeira variação se inicia em 50ºC e está relacionada à perda de água (perda total de 1,9% da massa). A segunda variação de massa se inicia em 200ºC e se estende até aproximadamente 300 o C, que juntamente com a terceira variação que apresenta um máximo em 340 o C, correspondem à perda de 80,4% de massa, e são atribuídas à decomposição da hemicelulose e degradação da celulose, respectivamente. A quarta variação ocorre a aproximadamente 600 o C cuja perda de massa total é de 13,3% e deve ser atribuída a decomposição da lignina. Figura 6 Curva termogravimétrica TGA da Madeira Balsa.

7 A Figura 7 apresenta as micrografias MEV obtidas para as sessões longitudinal e transversal da Madeira Balsa in natura, ou seja, na forma em que é encontrada na natureza. As micrografias revelam fibras longas contínuas e vasos de diferentes formas com tamanhos que podem variar de 20 a 150µm. (a) (b) Figure 7 Micrografias MEV da superfície (a) longitudinal e (b) transversal da Madeira Balsa. É sabido que as fibras vegetais naturais apresentam a presença de impurezas naturais e artificiais provenientes do seu beneficiamento e que esses resíduos presentes na superfície das fibras diminuem a adesão quando estas fibras são utilizadas em materiais compósitos ou laminados 3,4. É também sabido que a lavagem de fibras com água, solução de hidróxido de sódio entre outros, remove parcialmente essas impurezas superficiais, deixando-a mais rugosa, o que pode aumentar a adesão na interface fibra/matriz 5,6. Entretanto como esse trabalho propõe metodologia simples e barata, para que as comunidades rurais da Amazônia possam absorver tal tecnologia, as fibras foram utilizadas in natura. A Figura 8 apresenta as micrografias MEV dos compósitos obtidos. Nestas micrografias pode ser observado que foi obtida boa interface entre as fibras de Madeira Balsa e as matrizes e que esta interface é boa independentemente da composição da matriz,, ou 50/50/, utilizada e do tamanho das fibras utilizado.

8 (a) (c) (b) (d) Figure 8: Micrografias MEV da superfície fraturada dos compósitos (a) /20%FMB; (b) /10%FMB; (c) /20%FMB; e (d) / (50/50)/20%FMB. As propriedades mecânicas das amostras foram analisadas por ensaios sob tração, flexão e impacto Izod. Os resultados são apresentados na Figura 9. Através dos ensaios de tração foram determinados o módulo de elasticidade (Figura 9a), a resistência sob tensão no escoamento (Figura 9b) e o alongamento na ruptura (Figura 9c). Pode ser observado na Figura 9a os compósitos apresentaram módulos elásticos sob tração superiores às amostras de e, sendo significativamente maior para as amostra /30%FMB seguido pela amostra / (50/50)/20%FMB. A Figura 9b mostra os resultados obtidos para resistência sob tração no escoamento. Os valores dos compósitos com são inferiores aos compósitos com e / (50/50)/20%FMB. Houve uma redução na tensão ao escoamento com a presença de 10%FMB no. Estes resultados estão coerentes com a morfologia das amostras. O resultado de alongamento na ruptura, Figura 9c, mostra maior valor de alongamento na ruptura do em relação ao e os compósitos, indicando cadeias poliméricas longas para o. Entretanto pequena diferença nos valores de alongamento na ruptura foi observada entre os compósitos.

9 E tensão (MPa) % FMB 10% FMB / (50/50) + E flexão (MPa) % FMB 10% FMB / (50/50) Resistência sob tensão no escoamento (MPa) (a) 30% FMB (b) 10% FMB / (50/50) + Resistência a flexão no escoamento (MPa) (d) 30% FMB 60 / (50/50) + (e) 10% FMB Alongamento na ruptura (%) % FMB 10% FMB / (50/50) + Resistência ao Impacto Izod (J/m) % WBF 20% WBF 20% WBF 30% WBF / (50/50) + 20% WBF 0 (c) (f) Figura 9 Propriedades mecânicas dos compósitos: (a) Módulo elástico na tração; (b) Resistência sob tensão no escoamento; (c) Alongamento na ruptura; (d) Módulo elástico sob flexão; (e) Resistência à flexão no escoamento; e (f) Resistência ao Impacto Izod. 25 Ensaios de flexão foram realizados para se determinar o módulo elástico sob flexão e a resistência à flexão no escoamento (Figura 9). O módulo sob flexão dos compósitos apresentou aumento conforme o aumento da concentração de FMB. Este comportamento foi observado para ambas as matrizes e, conforme pode ser observado na Figura 9d. O aumento é bastante significativo apresentando ganho de aproximadamente 60 e 46% nas amostras com 20%FMB com e, respectivamente. Vale ressaltar que as propriedades superficiais do material em um ensaio de flexão são mais importantes que num ensaio de tração. Neste sentido, fica evidente que a presença da FMB afetou as propriedades superficiais dos compósitos. Com relação à resistência à flexão no escoamento (Figura 9e), foi observado comportamento semelhante ao de módulo sob

10 flexão. Os compósitos com matriz apresentaram maior resistência ao impacto que os compósitos com a matriz, embora a matriz apresente maior valor de resistência ao impacto que a matriz, como pode ser visto na Figura 9f. Conclusões Resultados ainda incipientes têm demonstrado que o uso de fibras de Madeira Balsa como reforço em polipropileno reciclado é uma alternativa economicamente viável para a obtenção de compósitos com boas propriedades mecânicas. Consequentemente é possível criar uma sinergia entre o desenvolvimento de novos materiais compósitos e a proteção da Floresta Amazônica. Essa sinergia rende impactos positivos sobre o Ciclo Total do Carbono, refletindo como uma importante contribuição para o Controle do Clima Global. Os resultados aqui apresentados são decorrentes da área ou da cadeia produtiva de Compósitos Poliméricos com Fibras Vegetais Naturais dentro do contexto abrangente do Projeto Fênix Amazônico Renascendo das Cinzas da Destruição, uma proposta para a Construção de umecossistema de Empreendimentos Sustentáveis na Amazônia. O Projeto Fênix é um projeto aberto e pesquisadores e simpatizantes estão convidados a colaborar. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq (Projeto Universal /2008-3) e ao CCDM pelo suporte financeiro. Agradecimentos especiais ao Sr. Eduardo Napolle da Empresa Orion Madeira Balsa pela doação das fibras de Madeira Balsa e aos ensinamentos sobre desenvolvimento econômico sustentável; um grande exemplo a ser seguido e prova de que todo o Universo conspira a favor quando se objetiva algo grandioso. Referências Bibliográficas 1. A. D. Nobre in Projeto Fênix Amazônico Renascendo das Cinzas da Destruição, uma proposta para a Construção de um Ecossistema de Empreendimentos Sustentáveis na Amazônia, A. P. Barbosa; M. A. A. Campos; P. T. B. Sampaio; S. Nakamura; C. Q. B. Gonçalves Acta Amazônica, 2003, 33, S. Varghese; B. Kuriakose; S. Thomas; A. T. Koshy J. Adhes. Technol., 1994, 8, K. Joseph; S. Thomas; C. Pavithran Polymer, 1996, 37, R. P. Kumar; S. Thomas Polym. International, 1995, 38, P. K. Mallick Fiber-Reinforced Composites, Marcel Dekker Inc., New York, 1988.