Simone B. Carvalho, Daniela Becker*, Palova S. Balzer. Instituto Superior Tupy IST, Joinville, SC

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1 COMPÓSITOS DE POLI (CLORETO DE VINILA) E FIBRA DE BANANEIRA: ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO ALCALINO DA FIBRA DE BANANEIRA NAS PROPRIEDADES DO COMPÓSITO Simone B. Carvalho, Daniela Becker*, Palova S. Balzer Instituto Superior Tupy IST, Joinville, SC Neste trabalho foi avaliado a influência do tratamento alcalino mercerização das fibras de bananeira nas propriedades físico-químicas e mecânicas dos compósitos com poli(cloreto de vinila) (PVC). Para este tratamento foram preparadas soluções com hidróxido de sódio (NaOH) nas concentrações de 2, 5 e 10 % e os tempos de imersão das fibras de 2, 4 e 6 horas. Utilizando a fibra de bananeira tratada, como reforço para produção de compósitos com PVC, verifica-se a obtenção de resultados significativos em relação à redução na absorção de umidade e uma melhora de desempenho mecânico em relação à resistência à tração em comparação aos compósitos com as fibras de bananeira não tratadas. A utilização da mercerização como tratamento para fibras de bananeira é mais uma alternativa viável de uso de fibras naturais como reforço para polímeros. Palavras-chave: poli(cloreto de vinila) -PVC, fibra de bananeira, tratamento alcalino Polyvynil cloridre and banana fiber composites: Study of influence of alkali treated banana fiber on composites properties This study evaluate the influence of alkali treatment mercerization of banana fibers in the physical-chemical and mechanical properties of poly(vinyl chloride) (PVC) composites. On this treatment, solutions with 2, 5 and 10% of sodium hydroxide (NaOH) were prepared and the fibers were immersed for 2, 4 and 6 hours. Using the treated banana fiber as reinforcement on PVC composites, it was observed meaningful results related to reduction in water absorption and an improvement of mechanical performance in relation to tensile strength compared to composites with untreated banana fibers. The use of mercerization as treatment to banana fibers is a viable alternative of natural fibers as reinforcement for polymers. Keywords: poly(vynil chloride), banana fiber, alkaline treatment Introdução Atualmente a constante busca pela utilização de fibras para reforço de materiais poliméricos tem encontrado diversas tendências, entre elas as fibras naturais. Estas são muito utilizadas como reforço, pois se tratam de materiais biodegradáveis, provenientes de fontes renováveis e possuem propriedades mecânicas que podem aumentar as propriedades dos polímeros. Também são de baixo custo, baixo peso e não abrasivas, evitando assim maior desgaste do ferramental e facilidade no processo de moldagem [1-2]. Hoje já são utilizadas fibras de sisal, bambu, bagaço de cana-de-açúcar, curauá, madeira, fibra de bananeira, entre outras. As fibras de bananeira se destacam por ser de cultivo fácil em países tropicais. O pseudocaule, após oferecer o fruto, pode proliferar fungos com difícil controle e tratamento, devido à alta umidade das plantações. Sendo assim, a extração das fibras do pseudocaule das bananeiras

2 pode ser uma opção de renda interessante para a mão de obra rural [3-4]. O emprego de fibras naturais como reforço em matriz polimérica, tanto termofixa como termoplástica, vem apresentando vantagens em relação às propriedades mecânicas de tração e peso específico [5-6]. Nos estudos realizados por Balzer e colaboradores [7], observou-se que a adição da fibra de bananeira mostrou-se viável na formação de compósitos de PVC rígido, apresentando um aumento na resistência à tração, bem como uma discreta redução do peso específico do compósito resultante, potencializando a obtenção de componentes com melhor desempenho mecânico e menor peso. Vários tratamentos são utilizados em compósitos de fibras naturais com polímeros termoplásticos para melhorar as propriedades, podendo ser físicos (plasma e descarga elétrica) ou químicos (esterificação e mercerização entre outros). O método químico mais comum é a utilização do tratamento alcalino, também chamado de mercerização, por ser um dos mais econômicos. Este método consiste em tratamento a base de lixívias fortes que tem como base o hidróxido de sódio (NaOH) concentrado, que é aplicado à fibra [8]. Este trabalho tem como objetivo avaliar a influência do tratamento alcalino da fibra de bananeira nas propriedades físico-químicas e mecânicas dos compósitos PVC/ fibra. Experimental Obtenção do composto de PVC A formulação do composto de PVC rígido utilizou a resina Norvic SP 1000 fornecida pela Braskem com valor K 65. A mistura da resina de PVC com os aditivos empregados para a obtenção do composto estão descritos na Tabela 1, cuja formulação está em pcr (partes por cem de resina). Esta mistura foi realizada em um misturador intensivo. Tabela 1. Formulação empregada para a obtenção do composto de PVC rígido. Material Teor (pcr) Função Resina PVC 100 Matriz polimérica (Norvic SP 1000) Barostab 3,6 Estabilizante térmico Drapex 6.8 0,2 Lubrificante Estearina 0,5 Lubrificante externo DOP 0,5 Plastificante

3 Este composto foi processado em uma extrusora monorosca Ciola com L/D 25/1, tendo a temperatura de processamento variado de 135 a 155 C, com rotação da rosca de 300 rpm. O composto extrudado foi resfriado à temperatura ambiente e moído em um moinho de facas Primotécnica Mod. P Obtenção das fibras de bananeira As fibras foram extraídas manualmente do pseudocaule de bananeiras da qualidade prata, na forma de tiras, fornecidas por cooperativas agrícolas da região norte do estado de Santa Catarina. Foram imersas em soluções aquosas nas concentrações de 2, 5 e 10 % de hidróxido de sódio em proporção de 45g/L de fibra e mantidas por 2, 4 e 6 horas em temperatura ambiente, conforme Tabela 2. Ao final do tratamento foram neutralizadas com ácido sulfúrico e em seguida lavadas em água corrente abundante até neutralização do ph. As fibras tratadas foram secas em temperatura ambiente e depois cortadas em comprimento médio de 20 mm. Tabela 2. Planejamento dos experimentos. Experimento Concentração (%) Tempo (horas) Obtenção dos compósitos de PVC rígido com fibras de bananeira Antes do processamento, as fibras foram secas em estufa de circulação de ar a 60ºC até estabilização da massa. Para que as fibras fossem incorporadas ao composto de PVC moído foi utilizada uma extrusora de laboratório AX Plásticos Mod. AX 16:26. A temperatura de processamento variou de 188 a 190 C, com rotação da rosca de 45 rpm. Os compósitos extrudados foram resfriados ao ar e moídos novamente.

4 Obtenção dos corpos de prova Para a obtenção dos corpos de prova de tração foi utilizada a injetora Sandretto Metal Mecânica CE 650/ 247. Foi utilizado um perfil de temperatura variando de 145 a 185 C, pressão de recalque de 300 bar e tempo de resfriamento de 20 s. Caracterização dos compósitos Foi realizado o ensaio de absorção de água conforme norma ASTM D Sendo realizado em quintuplicata. As amostras foram secas em estufa à vácuo, em temperatura de 50ºC, por 24h e pesadas. Para medir a absorção de água do compósito, todas as amostras foram imersas em água destilada em temperatura ambiente por 24h e então pesadas. Os ensaios de tração foram realizados na máquina universal de ensaios EMIC conforme norma ISO 527. Alterações na morfologia da fibra tratada foram observadas em microscopia eletrônica de varredura (MEV) JSM T 300. As amostras foram recobertas com ouro. Resultados e Discussão A comparação entre as micrografias de MEV da fibra de bananeira não tratada e tratada com NaOH 5% por 4h, mostradas na Figura 1, indica que o tratamento alcalino afeta a textura das fibras. Segundo Li e colaboradores [9] o tratamento remove certas quantidades de lignina, ceras, hemicelulose e óleos da superfície externa, aumentando a rugosidade da superfície. A adição da solução do hidróxido de sódio à fibra natural promover a ionização dos grupos hidroxilas para grupo alcoxi [10], conforme reação apresentada na equação (1): Fibra OH + NaOH Fibra O δ- Na δ+ + H 2 O (1) Além disso, observa-se a redução do diâmetro da fibra após o tratamento, este comportamento pode estar relacionado com o processo de desfibrilação, comportamento observado por Moraes e colaboradores [11].

5 (a) (b) Figura 1 - Micrografia de MEV das fibras de bananeira: a)fibra de bananeira sem tratamento; b)fibra de bananeira com tratamento 5% de NaOH - 4 horas. A Figura 2 apresenta os resultados de absorção de umidade em relação ao tempo de imersão em soluções de NaOH 2, 5 e 10%. Constatou-se que com o aumento da concentração da solução de hidróxido de sódio houve um leve decréscimo de absorção da água no compósito. Segundo análise estatística utilizando ANOVA, os compósitos com fibras de bananeira tratadas com solução de NaOH 10% com tempo de imersão 4 e 6 horas apresentaram valores inferiores de absorção de água em relação aos compósitos com fibras não tratadas. Este comportamento pode estar relacionados ao fato que o tratamento intensifica as interações entre a fibra e a matriz na interface, aumentando a difusão da resina pelo interior da fibra [12]. 0,18 0,15 0,12 Absorção de água (%) 0,09 0,06 0,03 0,00-0,03-0,06-0,09 NaOH 2% NaOH 5% NaOH 10% Tempo (h) Figura 2 - Absorção de umidade em função do tempo de imersão das fibras para as diferentes concentrações de NaOH estudada dos compósitos PVC/fibra de bananeira

6 Nas figuras 3 e 4 são apresentados os valores de módulo de elasticidade e resistência a tração, respectivamente. Apesar de observar um pequeno decréscimo no módulo de elasticidade dos compósitos com a fibra tratada em relação ao com fibra não tratada, como mostrado na Figura 3, os valores não apresentaram diferenças significativas na análise estatística, indicando que o tratamento não altera a rigidez do compósito Módulo de Elasticidade (MPa) NaOH 2% NaOH 5% NaOh 10% Tempo de tratamento (h) Figura 3 Módulo de Elasticidade em função do tempo de tratamento para as diferentes concentração do NaOH dos compósitos de PVC rígido com fibra de bananeira. Na Figura 4 é apresentado o resultado de resistência à tração, observa-se que com a concentração de 5% de NaOH no tempo de 4 horas o valor de tensão foi superior as demais amostras. Observa-se um aumento de 7% na resistência a tração em relação ao compósito com fibras de bananeira não tratada. Este aumento pode estar relacionado com aumento da interação entre a fibra e a matriz devido ao tratamento. Constatou-se também um decréscimo desta propriedade para os compósitos com fibras tratadas em soluções de NaOH 10%. Este comportamento está relacionado com o fato de que tratamentos das fibras com soluções alcalinas concentradas levam a um decréscimo da resistência mecânica da fibra e conseqüentemente uma redução na resistência do compósito contendo esta fibra (11,13).

7 66 64 Resistência a Tração (MPa) NaOH 2% NaOH 5% NaOH 10% Figura 4 - Resistência à tração em função do tempo de tratamento para as diferentes concentrações do NaOH dos compósitos de PVC rígido com fibra de bananeira. Conclusões Nas condições estudadas, o tratamento alcalino utilizado nas fibras de bananeira incorporadas ao composto de PVC mostrou-se viável levando a um melhor desempenho dos compósitos com fibra de bananeira em relação aos compósitos com fibras de bananeira não tratadas. O tratamento das fibras com NaOH favoreceu a uma redução na absorção de umidade e um aumento na resistência à tração do compósito com fibras de bananeiras com relação aos com fibras não tratadas. A solução de NaOH 5% e tempo de imersão das fibras de 4h apresentaram os melhores resultados de resistência a tração dos compósitos. Agradecimentos Os autores agradecem a Braskem pela doação do PVC, a FAPESC pelo apoio através do Projeto jovem pesquisador N o 004/2007, ao Governo do estado de Santa Catarina pela bolsa através do Artigo 170 e ao Prof. Écio Molinari pelo auxílio na injeção dos corpos de prova. Referências Bibliográficas 1. A. Rodolfo Jr, Dissertação, Universidade de São Paulo, M.H. Ishizaki, et al. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2006, 16, S.M. Sapuan, et al. Materials & Design, 2006, 26, J.B. Mishra, et al. Composites Science and Technology, 2000, 60, K.E. Oksman; C. Clemons. Journal Applied Polymer Science, 1998, 67, 1503.

8 6. A. Gomes, et al. JSME International Journal Series, 2004, 47, P.S. Balzer, et al. Polímeros: Ciência de Tecnologia, 2007, XVII, H. Djidjelli, et al. Journal of Applied Polymer Science, 2007, 103, X. Li; G.L. Tabil; S. Panigrani. J. Polym. Environ, 2007, 15, L.G. Silva, H.A. Al-quireshi. Journal of materials Processing technology, 1999, 92, A.G.O. Moraes, et al. In: 18 o CBECiMat, Porto de Galinhas, I.A.T. Razera, Tese de doutorado. Universidade São Paulo, São Carlos, A. Valadez-Gonzalez, et al. Composite: Part B, 1999, 30, 309.

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