EFEITO DO TEOR DA FIBRA DO COCO NAS PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MADEIRA PLÁSTICA

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1 EFEITO DO TEOR DA FIBRA DO COCO NAS PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MADEIRA PLÁSTICA A. G. de Carvalho 1, J. W. R. da Silva Filho 1, E. M. Araújo 2, T. J. A. Melo 2, A. M. D. L. Lins 2, L. H. C. Mattoso 3, E. S. Medeiros 1, L. B. Silva 1, M. M. Ueki 4 e A. S. F. Santos 1 * * Corresponding author (ameliasfsantos@yahoo.com.br) 1 Departamento de Engenharia de Materiais, UFPB, João Pessoa, Brasil, 2 Departamento de Engenharia de Materiais, UFCG, Campina Grande, Brasil, 3 Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio, Embrapa-CNPDIA, São Carlos, Brasil, 4 Núcleo de Ciência e Engenharia de Materiais (NUCEM), UFS, Sergipe, Brasil RESUMO O uso de fibras naturais como reforço para termoplásticos tem despertado interesse, principalmente, para termoplásticos reciclados por minimizar a poluição ambiental e por utilizar recursos naturais com disponibilidade regional. Nesse trabalho foram avaliadas as propriedades térmicas de compósitos de polietileno de alta densidade reciclado (HDPE-r) e fibra de coco (FC) em duas proporções diferentes. O HDPE-r sem e com 20 e 30 % m/m de FC foi misturado com 5 % m/m de polipropileno graftizado com anidro maleico (PP-g-MA) e 5 % m/m de Strutkol TPW 113 no estado fundido, utilizando um misturador de alto cisalhamento. Alterações na temperatura de fusão e cristalização e no grau de cristalinidade desses compósitos foram avaliadas por calorimetria exploratória diferencial (DSC). Na análise termogravimétrica (TGA) foi verificada uma menor estabilidade térmica do compósito com o aumento do teor de FC, pois os componentes estruturais da fibra apresentam menor temperatura de degradação que o polímero. Palavras-chave: Polietileno, compósito, reciclagem, fibra do coco, DSC, TGA. 3989

2 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, a preocupação com o meio ambiente se tornou o foco em pesquisas com materiais que reduzem o impacto ambiental. Isto levou ao desenvolvimento de materiais produzidos com resíduos, como o composto de plástico de madeira (WPC), um composto de plástico reciclado com resíduo lignocelulósico (1). O uso de WPC traz benefícios econômicos, sociais e ambientais, uma vez que utiliza resíduos de plástico e reforço de fonte renovável como matériaprimas, contribui para o fortalecimento da cadeia do plástico reciclado e gera emprego e renda para catadores de materiais recicláveis (2). No estudo do WPC, é importante diminuir sua absorção de umidade, propriedade que cria complicações para o desempenho do WPC. A boa interação entre a fibra e a matriz deve ser promovida, pois a diferença de polaridade entre esses componentes leva à incompatibilidade e dificulta sua adesão. Portanto, os aditivos são utilizados, adicionados às formulações para melhorar as propriedades. Os aspectos relativos ao seu acoplamento são determinantes nas propriedades finais do WPC. O aumento da resistência específica e da diminuição do peso específico são alguns dos principais desafios para a competitividade no mercado com madeira convencional (2). A maior parte do mercado de WPC usa formulações compostas por um ou mais dos principais plásticos presentes no resíduo sólido urbano adicionado ao resíduo lignocelulósico para trazer resistência e aspecto de madeira. A fibra de coco (FC) é uma fibra lignocelulósica obtida do mesocarpo fibroso do coco, fruto do coqueiro (Cocos nucifera) cultivado extensivamente nos trópicos. No Brasil, o consumo da água do coco verde é cada vez maior, principalmente no verão, ao longo de todo o litoral. Esse consumo crescente traz como consequência imediata uma grande produção de resíduo sólido formado pelas cascas fibrosas. O estado da Paraíba, no verão, produz cerca de mil frutos/ano (3), o que torna premente a necessidade de iniciativas que levem em conta a utilização do rejeito do coco. O uso dessas fibras pode levar à produção de materiais de baixo custo, além de contribuir para a diminuição do resíduo sólido (4). 3990

3 Nesse trabalho foram avaliadas as propriedades térmicas de compósitos de polietileno de alta densidade reciclado (HDPE-r) e fibra de coco (FC) em duas proporções diferentes. O HDPE-r sem e com 20 e 30 % m/m de FC foi misturado com 5 % m/m de polipropileno graftizado com anidro maleico (PP-g-MA) e 5 % m/m de Strutkol TPW 113 no estado fundido, utilizando um misturador de alto cisalhamento. Alterações na temperatura de fusão e cristalização e no grau de cristalinidade desses compósitos foram avaliadas por calorimetria exploratória diferencial (DSC). Na análise termogravimétrica (TGA) foram verificadas alterações na estabilidade térmico desses compostos. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais O resíduo de plástico rígido de HDPE foi obtido moído e lavado diretamente de indústria recicladora local. O resíduo lignocelulósico, fibra de coco, foi doado pela Embrapa, Fortaleza, CE. Os agentes compatibilizantes PP graftizado com anidrido maleico (Bondyram 1001) e o lubrificante (Struktol TPW 113) foram obtidos da Parabor Ltda. 2.2 Metodologia Preparação em misturador interno de formulações de madeira plástica com diferentes teores fibra de coco As fibras foram misturadas em diferentes proporções (20 e 30%) ao polietileno de alta densidade (HDPE) reciclado em misturador interno de alto cisalhamento, mantendo a concentração de compatibilizante e lubrificante (PP-g-MA e struktol TPW 113, respectivamente) constantes, ou seja, 5% em massa de cada (8). Antes da mistura as fibras foram secas por 24h a 60 C em estufa com circulação de ar. O tempo de mistura foi fixado em aproximadamente 1 minuto e após esse tempo, o misturador foi aberto sequencialmente a cada 5s até obter uma mistura homogênea. As formulações preparadas foram codificadas e têm suas informações ilustradas na Tabela

4 Tabela 1. Nomenclatura e descrição das formulações preparadas. Componentes (wt%) HDPE-r Aditivado WC 20%FC WC 30%FC HDPE PP-g-MA FC TPW Termogravimetria (TGA) A análise por termogravimetria (TGA) foi realizada em equipamento Shimadzu DTG-60H para determinar a temperatura de decomposição das formulações e do HDPE-r Aditivado o aquecimento. Amostras de aproximadamente 10 mg de cada formulação sob fluxo de 50mL/min de nitrogênio e com taxa de aquecimento de 20 C/min foram aquecidas de temperatura ambiente até 700 C Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) A análise por calorimetria diferencial exploratória de varredura (DSC) foi realizada em equipamento Shimadzu DSC-60H para determinar as possíveis transições térmicas que ocorrem durante o aquecimento através da quantificação de energia envolvida. Amostras de aproximadamente 5mg das diferentes formulações sob fluxo de 50mL/min de nitrogênio com taxa de aquecimento de 10 C/min foram aquecidas da temperatura ambiente até 200 C com isoterma mantida durante 2 min nessa temperatura e resfriadas até 50 C com taxa de resfriamento de 10 C/min. O grau de cristalinidade ( ) foi calculado conforme Eq. A, considerando a entalpia de fusão do polietileno 100% cristalino como = 290 J.g -1, se refere à entalpia de fusão para cada amostra e é a fração em massa de HDPE-r na formulação. 3992

5 3. RESULTADOS 3.1 Termogravimetria (TGA) De acordo com a análise termogravimétrica (TGA) observa-se que a degradação do HDPE-r iniciou por volta dos 350 C e a temperatura de máxima taxa de degradação ocorreu por volta dos 475 C. Este comportamento pode ser atribuído, provavelmente, à presença de impurezas no polímero por se tratar de um material reciclado e que pode ter diminuído a temperatura de início da degradação do polietileno. As curvas TGA e DTG estão ilustradas na Figura 2. Nessa mesma Figura, observa-se que as curvas de degradação das formulações da madeira plástica apresentam 3 estágios de decomposição e não apenas um único estágio como o HDPE-r. Os dois primeiros estágios de decomposição correspondem à degradação de componentes como hemicelulose, celulose e lignina, presentes na fibra de coco. Apesar da maior resistência à degradação da formulação 20%FC, se comparada a formulação 30%FC, como ilustra a curva DTG, ambas as formulações obtiveram a temperatura de maior taxa de degradação do 3º evento térmico ocorrendo por volta da temperatura de 475 C, ou seja, igual à temperatura de maior taxa de degradação do polietileno reciclado. Esse comportamento indica que a estabilidade térmica da matriz polimérica não foi alterada na formulação da madeira plástica. Figura 1. Curvas TGA (a) e DTG (b) para as formulações com diferentes teores da fibra de coco comparadas com o HDPE-r Aditivado. 3993

6 3.2.2 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) A análise por calorimetria exploratória diferencial (DSC) mostra que durante o aquecimento, a fusão do HDPE-r aditivado inicia-se por volta da temperatura de 105 C e termina por volta da temperatura de 148 C. As formulações com diferentes teores de fibra têm o pico máximo de fluxo de calor por volta da temperatura de 135 C. Cada formulação difere apenas na quantidade de fluxo de calor transferida. Os dados de temperatura de fusão ( ), calor de fusão ( ) e grau de cristalinidade ( ) podem ser obtidas através da análise por DSC e os resultados estão descritos na Tabela 2. Tabela 2. Valores de grau de cristalinidade e temperaturas de fusão e cristalização. Formulação (J.g -1 ) ( C) WC 20% FC 85,92 174,43 138,25 WC 30% FC 67,31 117,13 136,31 HDPE-r Aditivado 42,87 111,91 137,16 4. CONCLUSÃO As formulações com teores de fibra obtiveram ligeiro menor desempenho térmico que o polímero puro, pois os componentes estruturais da fibra apresentam menor temperatura de degradação. Dessa forma, o uso da madeira plástica com os dois teores de fibra estudados podem ser usados em substituição do polietileno convencional para aplicações térmicas. Garantindo o uso de um material com menor impacto ambiental. 3994

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Wambua, P.; Ivens, J.; Verpoest, I. - Composites Science and Technology, 63, p.1259, Wielage, B.; Lampke, Th.; Marx, G.; Nesther, K., Starke, D. - Thermochimica Acta, 337, p.169, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária EMBRAPA, Singleton, A. C. N.; Baillie, C. A.; Beaumont, P. W. R.; Peijs, T. - Composites: Part B: Engineering, 34, p.519, Pothan, L. A.; Thomas, S. - Composites Science and Technology, 63, p.1231, Velde, K. V.; Kiekens, P. - Composite Structures, 54, p. 355, Santos, A. S. F. Estudos dos processos de limpeza, degradação e reestabilização de resíduos sólidos urbanos. Dissertação de Mestrado (Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais) Departamento de Engenharia de Materiais, UFSCar, São Carlos, Brasil, Santi, C. R. Desenvolvimento de perfis extrudados de compósitos de polietileno de alta densidade com farinha de madeira. Tese de Doutorado, UFSCar, Claudia A. Fonseca, Ian R. Harrison* - An investigation of co-crystallization in LDPE/HDPE blends using DSC and TREF - Thermochimica Acta. 10. Fernanda M. B. Coutinho, Ivana L. Mello, Luiz C. de Santa Maria, Polietileno: Principais Tipos, Propriedades e Aplicaçõe. Polímeros: Ciência e Tecnologia. Luiz Henrique Capparelli Mattoso. 11. Vera Lúcia P. S.; Alcides L.L.; Biodegradação das fibras de coco e de sisal aplicadas na indústria automotiva - Energ. Agric. Botucatu, Elisângela Corradini, MorsyleidedeFreitasRosa, Bruno Pereira demacedo, Priscila DaniellePaladin, (2009) Composição química, propriedades mecânicas e térmicas da fibra de frutos de cultivares de coco. 13. Sergio N. Monteiro a, Luiz Augusto H. Terrones a, Eduardo A. de Carvalho a, José Roberto M. d Almeida b. Efeito da Interface Fibra/Matriz Sobre a Resistência de Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Coco. Revista Matéria, v. 11, n. 4, pp ,

8 EFFECT OF CONTENT OF COIR FIBER ON THERMAL PROPERTIES OF WOOD PLASTIC ABSTRACT The use of natural fibers as reinforcement for thermoplastics has attracted interest mainly for thermoplastic recycled to minimize environmental pollution and use natural resources to regional availability. In this study the thermal properties of composites of recycled high density polyethylene (HDPE-r) Coir fiber (CF) in two different ratios were evaluated. HDPE with and without r-20 and 30% w / w of FC was mixed with 5% w / w graftizado polypropylene with maleic anhydride (PP-g-MA) and 5% w / w Strutkol melt TPW 113 using a high shear mixer. Changes in melting temperature and crystallization and degree of crystallinity of these compounds were assessed by differential (DSC) scanning calorimetry. In the thermogravimetric analysis (TG) was verified a lower thermal stability of the composite with increasing FC content, because the structural components have less fiber degradation temperature of the polymer. Key-words: Polyethylene, composite, recycling, coir fiber, DSC, TG. 3996