Palavras-chave: Torta de mamona, Mercerização, Poli(3-hidroxibutirato), Polietileno de baixa densidade.

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1 AVALIAÇÃO DA MERCERIZAÇÃO DA TORTA DE MAMONA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MISTURAS DE POLIETILENO DE BAIXA DENDIDADE (PEBD) COM POLI(3-HIDROXI-BUTIRATO) (PHB) Natalia N. Coelho 1 (IC), Maira C. Sanches 1 (IC), Jorge de M. Futigami 1 e Marisa C. G. Rocha Universidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ, Rio de Janeiro RJ, natalianogueirauerj@gmail Resumo: Misturas de poli(3-hidroxibutirato) (PHB) com polietileno (PEBD) utilizando torta de mamona, subproduto da cadeia produtiva do biodiesel, como elemento de reforço, têm sido desenvolvidas, visando: aumentar a suscetibilidade do polímero à biodegradação, a obtenção de propriedades mecânicas adequadas e a redução de custos. De forma a melhorar a adesão interfacial entre os polímeros e a carga, a torta de mamona foi mercerizada utilizando uma solução de 5% de hidróxido de sódio. O processo de mercerização foi avaliado através de espectroscopia no infravermelho, difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. As misturas carregadas com torta de mamona foram processadas em extrusora. As propriedades mecânicas dos materiais obtidos foram avaliadas em tração, utilizando a norma ASTM D-638. Os resultados obtidos mostraram que a adição da torta de mamona mercerizada promove o aumento do módulo de Young do PEBD e das misturas PEBD/PHB. Palavras-chave: Torta de mamona, Mercerização, Poli(3-hidroxibutirato), Polietileno de baixa densidade. Evaluation of the castor oil cake mercerization on the mechanical properties of low density polyethyelene (LDPE)/ poly(3- hydroxybutyrate) (PHB) blends Abstract: Poly (3- hydroxybutyrate ) (PHB )/ low density polyethylene (LDPE ) blends filled with castor oil cake, a by product of the biodiesel production chain, have been developed in order to increase the LDPE susceptibility to biodegradation, obtaining suitable mechanical properties and cost reduction. In order to improve interfacial adhesion between the polymer and the filler, the lignocellulosic fibers were mercerized using a 5 % sodium hydroxide. solution. The mercerization process was evaluated by infrared spectroscopy, X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM). The mixtures were compounded in the single screw extruder. The tensile mechanical properties of the materials obtained were evaluated using the standard ASTM D The results showed that the mercerization of the castor cake leads to an increasing of the LDPE and LDPE/PHB Young's modulus. Keywords: Castor oil cake, Mercerization, Low density polyethylene, Poly(( 3-hydroxi-butyrate), Mechanical properties Introdução Misturas de polietileno de baixa densidade (PEBD) com poli(3-hidróxibutirato) (PHB) carregadas com torta de mamona, subproduto da cadeia produtiva do biodiesel, vêm sendo desenvolvidas visando aumentar a susceptibilidade do polietileno à biodegradação, obter materiais com propriedades mecânicas adequadas e reduzir custos. Os estudos realizados, entretanto, demonstram a fraca adesão interfacial existente entre os polímeros e a carga vegetal. A mercerização tem sido apontada como um tratamento superficial que promove melhor adesão interfacial entre as fibras hidrofílicas, e os polímeros hidrofóbicos. A mercerização é definida como um processo no qual a fibra vegetal é submetida a interação com uma solução concentrada de base forte que produz grande inchamento da fibra, causando modificações na sua estrutura fina, dimensões, morfologia e propriedades mecânicas. Esse processo promove a remoção de graxas, 1

2 hemiceluloses, lignina, cinzas e óleo mineral causando mudanças na topografia da fibra. Aumento da rugosidade e da razão comprimento/diâmetro da fibra também têm sido observados. Em consequência, há um aumento da área de contato da fibra com o polímero resultando na obtenção de melhores propriedades. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito da mercerização da torta de mamona nas propriedades mecânicas de misturas de polietileno de baixa densidade (PEBD) e poli(3-hidroxibutirato) PHB[1-5]. Experimental Materiais Polietileno de baixa densidade (LDPE. TS O728), MFI= 2,20 g/10 min, C foi doado pela Petroquímica Triunfo. Poli(3-hidroxibutirato) (PHB), MFI=16g/10 min, C, foi doado pela PHB Industrial S.A. A torta de mamona (TM) foi doada pela Bom-Brasil Óleo de Mamona Ltda. A torta de mamona foi detoxificada em autoclave a temperatura de 120ºC, pressão de 1,1 atmosferas durante 30 minutos. Após essa etapa, a torta de mamona foi triturada em um moinho de bolas num período durante 24 horas e colocada em estufa com circulação de ar a 60ºC por 8 horas. Posteriormente, a amostra foi peneirada e a fração com partículas de tamanho menor ou igual a 0,25 mm foram selecionadas para esse estudo. Mercerização da torta de mamona A torta de mamona foi imersa em solução 5% m/m de NaOH durante 1 hora. Posteriormente, as fibras foram lavadas com água destilada para remover o NaOH residual. A lavagem foi realizada até o ph das fibras se aproximarem de 7. Caracterização da torta de mamona Espectros na região do infravermelho (FTIR) de pastilhas de KBr contendo amostras da torta de mamona sem tratamento e mercerizada foram obtidos na região de cm -1 utilizando o espectrômetro Varian, Excalibur Series 30 equipado com um acessório de refletância atenuada (ATR). Dados de difração de raios X das amostras foram obtidos em um difratômetro Rigaku, com radiação CuKα (λ = 1,542 A) gerada em 30 KV e 15 ma, em taxa de 1 0 /min cono intervalo de 2ϴ entre 2 0 a 40 0, com filtro de Ni, à temperatura ambiente. A morfologia das amostras foi avaliada através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) usando um microscópio Hitachi Benchtop TM3000. Processamento das misturas As misturas poliméricas foram processadas em extrusora monorosca, com perfil de temperatura 90/130/130/130/130ºC e velocidade de rotação de 70 rpm. Determinação das propriedades em tração das misturas As propriedades em tração foram determinadas utilizando uma máquina universal Shimadzu, Modelo AG-I equipada com uma célula de carga de 5 KN. Os testes foram efetuados de acordo com a norma ASTM D-638. Corpos de prova do tipo I foram preparados por moldagem por injeção numa injetora Arburg modelo Allrounder 270S. Resultados e Discussão Os espectros de FTIR da torta de mamona sem tratamento e após tratamento com NaOH são apresentados na Fig.1. Eles apresentam bandas características de fibras lignocelulósicas. Os espectros das fibras antes e após tratamento químico com NaOH estão muito semelhantes, não apresentando diferenças significativas na posição e intensidade das bandas de absorção. O espectro da torta pura, mercerizada e acetilada (Fig. 1) mostram que a redução de intensidade das bandas 2

3 relativas a vibração axial das hidroxilas foi devida a reação de mercerização e que a reação não foi completa. Figura 1: Espectros de absorção no FTIR da torta de mamona pura (TM) e mercerizada (TMM) Picos de difração de Raio X (Fig 2) são atribuídos à fase cristalina da mamona em 26,9º e 29,7º. Com relação a fase amorfa, é possível verificar no difratograma da torta mercerizada, traçando-se uma linha base no difratograma, a presença de menor quantidade dessa fase. A observação desse resultado está relacionada a eliminação da fase amorfa com o tratamento alcalino. Figura 2: Difratogramas de raios X da torta de mamona pura (a) e mercerizada (b) As análises das micrografias (a) e (b) da figura 3 mostram que o processo de mercerização promove o processo de fibrilação da torta de mamona e também remove a lignina e a hemicelulose das fibras. Fazendo assim, com que aumente a área de contato disponível para interação da matriz. 3

4 Figura 3: Micrografia eletrônica de varredura da torta de mamona pura e mercerizada a 5% NaOH Tabela 1: Módulo de Elasticidade, Força Máxima e Tensão na Ruptura Módulo de Tensão na Ruptura Mistura elasticidade Força Máxima (N) (MPa) (MPa) PEBD ± ± ±0.16 PEBD/PHB/TM (95/2,5/2,5)% ± ± ±0.16 PEBD/PHB/TM (90/05/05)% ± ± ±0.19 PEBD/PHB/TM (87,5/10/2,5)% ± ± ±0.40 PEBD/PHB/TM (87,5/2,5/10)% ± ± ±0.62 PEBD/PHB/TM (85/10/05)% ± ± ±0.46 PEBD/PHB/TM (85/05/10)% ± ± ±0.64 PEBD/PHB/TMM (95/2,5/2,5)% ± ± ±0.22 PEBD/PHB/TMM (90/05/05)% ± ± ±0.16 PEBD/PHB/TM (87,5/10/2,5)% ± ± ±0.65 PEBD/PHB/TMM (87,5/2,5/10)% ± ± ±0.47 PEBD/PHB/TMM (85/10/05)% ± ± ±0.12 PEBD/PHB/TMM (85/05/10)% ± ± ±0.25 De acordo com a tabela 1, foi observado um aumento do módulo de elasticidade das misturas contendo a mamona mercerizada em relação as misturas com mamona sem tratamento químico. Conclusões A torta de mamona (TM) passou pelo processo de mercerização, foi caracterizada por FTIR, DRX e por MEV. Os resultados de DRX mostraram uma provável diminuição na fase amorfa da torta após tratamento alcalino. Os resultados de MEV indicaram que o tratamento químico promoveu a fibrilação da torta e também o desaparecimento da lignina e da hemicelulose, fazendo assim com que aumente o contato superficial da torta com a matriz polimérica. Os resultados de FTIR não mostraram diferenças significativas nas posições e intensidades das bandas. O Módulo de Elasticidade comprovou que a torta de mamona age como um elemento de reforço, aumentando a sua intensidade. 4

5 Agradecimentos Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) e Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano (IMA/UFRJ) Referências Bibliográficas [1] Burlein, G.A.D.; Dissertação de Mestrado (Instituto Politécnico - Iprj/Uerj), [2] Rinddlav-Westling, A.; Gatenholm, P., Biomamolecules 2003, 4, 166. [3] Namoothiri, K.M.; Nair, N.R.; John,R.P.; Biosuresource Tecnology 2010, 101, [4] Saroja, N.; Shamala, T.L.; Tharanatham, Rn.; Process Biochemistry 200, 36,119. [5] Macedo,J.S.; Tese de Doutorado (COPPE/UFERJ),