CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO BIODEGRADAVEL DE PLA /FIBRA DE BAMBU

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1 CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO BIODEGRADAVEL DE PLA /FIBRA DE BAMBU Amanda L. da Silva¹*, Caroline R.P. de Paula¹, Lucas F. Berti¹, Marcela Guiotoku², Elaine C. Azevedo¹ ¹Programa de Pós-Graduação em Eng. Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) (eng.amandaleeite@gmail.com) ²Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Colombo PR RESUMO A substituição do uso de matéria prima sintética por matéria prima renovável e sem elementos nocivos aos seres humanos e a natureza na produção de diversos tipos de materiais e objetos torna-se interessante. O objetivo desse trabalhoé produzir e caracterizar compósitos de fibra de bambu (taquara lixa Merostachys skvortzovii), com o polímero biodegradável poli (ácido lático) PLA, para possíveis aplicações na agricultura. A mistura se deu com diferentes teores de fibra (10, 20 e 30% m/m) junto ao PLA.A caracterização foi através da análise termogravimétrica (TGA), Infravermelho (FTIR) e o teste de inchamento e absorção de água. Observou-se que o aumento da proporção de fibras influenciou no processo de perda de massa, assim como a absorção de agua e inchamento no compósito. A espectroscopia na região do infravermelho apresentou bandas características nos compósitos com maior porcentagem de fibras. Os resultados indicam que os compósitos demonstram potencial para diversas aplicações, devendo serem analisados por ensaios mecânicos e de biodegradação. Palavras-chave: compósito biodegradável, análise térmica, bambu INTRODUÇÃO Materiais poliméricos derivados de petróleo, matéria prima não renovável, possuem compostos orgânicos voláteis em sua composição, estes podem causar danos ao meio ambiente e a saúde humana (1), além de possuir uma vida útil curta e um longo período de 2199

2 degradação, como os tubetes de PVC ou PP utilizados na agricultura para plantio de mudas, que ficam anos no meio ambiente (2). Produtos provenientes de fontes renováveis, que possam ser biocompostados, como os compósitos com fibras naturais, e materiais poliméricos biodegradáveis, podem ser uma opção na substituição de produtos de biodegradação lenta. As várias espécies de bambu, que apresentam fácil adaptação, tornam-se uma opção para algumas aplicações que podem aliviar a pressão sobre as florestas (3). Por isso, é importante o incentivo da busca por conhecimento das propriedades físicas, químicas, mecânicas e anatômicas dessas gramíneas, que podem ser utilizados na confecção de compósitos nas mais variadas aplicações industriais e do agronegócio, como a produção de tubetes biodegradáveis. Os tubetes utilizados atualmente são produzidos com polímeros sintéticos, o que não garante uma utilização orgânica pós plantio pelo fato de não serem biodegradáveis e serem constituídos de polímeros derivados de fontes petrolíferas. As fibras naturais, possuem baixo custo,tornando interessantes na utilização junto a polímeros de fonte renovável em biocompósitos devido a sua biodegradabilidade (3)como o Poli (Àcido Lático) PLA, polímero termoplástico obtido através de matéria prima renovável, à base de açúcar, caracterizado como bioreabsorvível e biocompatível (4), aplicado na biomedicina como um material biocompatível e não causa impacto ambiental por ser biodegradável (5). Essa junção de diferentes matérias primas, dão origem a um compósito, que é caracterizado por suaheterogeneidade, por possuir em sua estrutura a união de diferentes materiais. Neste trabalho, as fibras da espécie Merostachys skvortzovii, popularmente chamada de taquara lixa, foram utilizadas junto a matriz biodegradável, as propriedades termogravimétricas do compósito e seus componentes foram investigadas pela avaliação da estabilidade esua decomposição térmica,as ligações químicas pelo infravermelho e seu comportamento durante 72h submerso em água. Indicando potencial de emprego no desenvolvimento e na caracterização de novos produtos e aplicações, como tubetes para plantio de mudas no setor agrícola. MATERIAIS E MÉTODOS Material Os materiais utilizados para fabricação do compósito foram o PLA, adquirido na empresa Oeko em Florianópolis-SC, em pellets e as fibras de taquara lixa adulta 2200

3 (Merostachys skvortzovii), procedente da estação experimental da Embrapa em Caçador- SC. Produção dos compósitos As amostras da taquara- lixa foram secas em estufa com circulação de ar a 60ºC por 96 horas. Após, cortadas em pedaços menores (nos colmos) de forma manual, foram moídas em moinho de facas tipo Willey. Posteriormente, as amostras foram peneiradas manualmente em peneiras de 42 e 60 mesh e as fibras utilizadas ficaram retidas entre estas duas granulometrias. As fibras foram secas em estufa MedClave modelo 1 a ºC por 24 horas, e o polímero, em pellets, a ºC por 2 h antes da produção dos compósitos. As fibras foram previamente misturadas ao polímero de forma manual, em diferentes proporções, 10, 20 e 30% m/m de fibra e inseridas em homogeneizador modelo MH 100 série 6069 da MH equipamentos, a uma temperatura de 90ºC, rotação de 3600 rpm, por 15 segundos. Após, o material ser fundido e misturado, foi triturado em moinho de facas e injetados no molde utilizando uma injetora Haake Minijet Pro, Thermo scientific, a uma temperatura de 170ºC, pressão inicial de 350bar por 25s e 700bar por mais 25s. Analise termogravimétrica Foi realizada a análise das amostras de fibras, do PLA e dos compósitos nas diferentes proporções de fibra/polímero, taxa de aquecimento de 10ºC.min -1, em atmosfera de nitrogênio (N2), aquecimento da amostra de até 900 C na termobalança DTG-60H da Shimadzu. Análise por infravermelho com transformada de Fourier Foi realizada a análise dos compósitos nas diferentes proporções utilizando um espectrômetro de infravermelho, modelo Varian 640-R, pela técnica de refletância total atenuada (ATR). Análise de absorção e inchamento de água 2201

4 Através da norma ASTM D , foi realizada a análise dos compósitos em triplicatas nas diferentes proporções, que ficaram submersos em água, monitorados em sua dimensão e massa no período de 2, 24, 48 e 72 horas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A TGA dos compósitos foi realizada com objetivo de analisar a estabilidade térmica dos compósitos produzidos com os melhores parâmetros de proporção de fibra e PLA. Na Figura 1 são mostradas as curvas termogravimétricas de compósitos de fibra de bambu com PLA em diferentes proporções (0, 10, 20 e 30%). Pode-se observar que no geral, a perda inicial de massa se da pela presença de água nas amostras a partir de 100ºC, a amostra com 0% de fibra demonstra uma degradação térmica continua acima de 280ºC (linha vermelha), sendo o material totalmente decomposto em uma única etapa, aproximadamente a 400ºC. Nos compósitos com as fibras, tem-se a degradação térmica ocorrendo continuamente próximo de 240ºC até aproximadamente 570ºC, temperatura levemente inferior se comparado ao polímero e superior quando comparada ao valor de estabilidade térmica da fibra in natura, que possui componentes como celulose e lignina, de temperatura de início de degradação de aproximadamente 200 e 350ºC, mostrando a influência do polímero em modificar a estabilidade térmica do compósito. Figura 1 Curvas termogravimétricas de compósitos de fibra de bambu com PLA em diferentes proporções. 2202

5 % de perda de massa % de fibra 10% de fibra 20% de fibra 30% de fibra Taxa de aquecimento C Os compósitos com porcentagens de fibras apresentaram maior estabilidade térmica durante o aquecimento, já o compósito sem fibras, próximo de 400ºC, apresenta perda total de massa na análise. Na Figura 2, é apresentado a análise por infravermelho dos corpos de prova, que permite verificar o efeito do aumento da proporção de fibras nas estruturas químicas dos compósitos, bem como as ligações carboxila e hidroxila reativas no PLA. Espectros FTIR do PLA e dos compósitos com 10, 20 e 30% em fibra são mostrados na Figura 2. Figura 2 Espectro dos compósitos de PLA com 0, 10, 20 e 30% de fibras 2203

6 -0,05 0,00 Transmitância (A) 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0% de fibra 10% de fibra 20% de fibra 30% de fibra 0, numero de onda (cm¹) As três fortes bandas absorvidas do PLA são características devido as vibrações referente a banda do estiramento do C=O próximo a 1700 cm-¹, a banda devida ao estiramento assimétrico do CO em 1200 cm-¹ e em 1100 cm-¹ ao estiramento simétrico C- O-C. E a ausência de uma banda intensa na região de cm¹, onde tem-se o estiramento do grupamento 0-H, nos indica uma ausência de subprodutos de hidrólise do PLA (6). As fibras naturais presentes no compósito influenciam nas bandas próximo a 1700 cm-¹ referente ao estiramento dos grupos carboxílicos C=O presentes na hemicelulose e lignina. A banda próxima a 1500 cm-¹ refere-se às vibrações das ligações C-C no anel aromático da lignina. A banda próxima a 1400 cm-¹ é referente à deformação assimétrica do grupo metila da celulose e referente ao estiramento do grupo C-OH da celulose, e as bandas na região de 1000 cm-¹ são referentes ao estiramento das ligações C-O-C presentes na celulose, hemicelulose e na lignina (7,8). Na Tabela 1 são apresentados valores médios de absorção após 24 h, 48 h e 72 h de imersão em água. Tabela 1 Absorção média de água, desvio padrão e análise de Tukey de compósitos em 24 h, 48 h e 72 h de imersão Absorção de água (%) 2204

7 Composição 24 h 48 h 72 h 0% 0,39 ± 0,03 Cc 0,5 ± 0,01 Bb 0,57 ± 0,01 Ca 10% 0,56 ±0,02 BCc 0,77 ± 0,02 Bb 0,91 ± 0,02 Ba 20% 0,64 ± 0,12 Ba 0,89 ± 0,18 ABa 1,03 ± 0,22 Ba 30% 0,99 ± 0,04 Ab 1,42 ± 0,40 Aab 1,65 ± 0,07 Aa Letras maiúsculas correspondem à análise entre porcentagens de vibras (vertical); letras minúsculas correspondem à análise entre tempos (horizontal). Valores seguidos de mesma letra são considerados estatisticamente semelhantes pelo teste de Tukey ao nível de confiança de 95%. Pode-se observar na Tabela 1 que o aumento do tempo de imersão promove maior absorção de água em amostras com 0%, 10% e 30% de fibras, sugerindo a necessidade de análises de absorção em tempos superiores aos já estudados para averiguação do tempo em que ocorre estabilidade da porcentagem de absorção. Compósitos com maior porcentagem de fibras tiveram absorção de água superior, como se observa na Tabela 1, o que pode ser explicado pelo caráter hidrofílico das fibras. Com o aumento do percentual de fibras nos compósitos, mais regiões hidrofílicas ficam suscetíveis à absorção de água em comparação aos compósitos com menores quantidades destas, o que provoca o inchamento das fibras e promovem o aumento da absorção de água dos compósitos. CONCLUSÃO Os compósitos com 30% de fibras apresentaram maior absorção de água, se comparados a amostra sem fibras. A quantidade de fibras também influenciou no comportamento térmico dos compósitos com temperaturas de decomposição mais altas em relação à amostra sem a presença de fibras. No infravermelho, a caracterização das bandas com os materiais constituintes das amostras evidenciou o grupo carboxila presente nas fibras naturais. Outros ensaios com os compósitos estão sendo realizados e após a caracterização do material espera-se que os compósitos de PLA/fibras de bambu possam aplicados na agricultura como tubetes para plantio de mudas. AGRADECIMENTOS À Embrapa Florestas, UTFPR, Capes e CNPq. REFERÊNCIAS 2205

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9 Replacing the use of synthetic raw material with renewable raw material and without harmful elements to humans and nature in the production of various types of materials and objects becomes interesting. The objective of this work is to produce and characterize composites of bamboo fiber (taqueria sandal - Merostachys skvortzovii), with biodegradable polymer poly (lactic acid) - PLA, for possible applications in agriculture. The mixture occurred with different fiber contents (10, 20 and 30% m / m) next to the PLA. The characterization was through thermogravimetric analysis (TGA), Infrared (FTIR) and the swelling and water absorption test. It was observed that the increase in the proportion of fibers influenced the process of mass loss, as well as water absorption and swelling in the composite. Infrared spectroscopy showed more intense OH bands in the composites with higher percentage of fibers. The results indicate that the composites demonstrate potential for several applications and should be analyzed by mechanical and biodegradation tests. Key words: biodegradable composite, thermal analysis, bamboo 2207