INFLUÊNCIA DO MECANISMO DE MISTURA DO PP-MA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS COMPÓSITOS DE PP COM FIBRAS DE BANANEIRA

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1 INFLUÊNCIA DO MECANISMO DE MISTURA DO PP-MA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS COMPÓSITOS DE PP COM FIBRAS DE BANANEIRA Ana C. Kleinschmidt, Daniela Becker, Palova S. Balzer* 1 Instituto Superior Tupy - IST- Joinville-SC palova@sociesc.org.br Neste trabalho foi analisada a influência da seqüência de mistura do compósito de polipropileno (PP) com 10% em volume de fibra de bananeira (FB) modificado com anidrido maleico (MA), e comparado com o PP puro e com o PP com fibra de bananeira sem anidrido maleico. Para análise da forma da mistura foi utilizados três formas diferentes, todos os componentes juntos (PP+PP-MA:+FB), o PP-MA com a FB e em seguida o PP (PP+(PP-MA+FB)) e o PP/PP- MA e depois a FB ( (PP/PP-MA)+FB). A obtenção dos compósitos foram realizados em uma extrusora monorosca, e após a moagem os compósitos foram injetados para obtenção dos corpos de prova para caracterização mecânica de tração e impacto. Constatou-se que a resistência ao impacto da mistura de PP+PP-MA+FB quando processados de uma única vez apresentou maior resistência ao impacto. Já para a resistência à tração máxima e módulo de elasticidade não ocorreram mudanças significativas nestas propriedades para os compósitos modificados, apenas para o PP com fibra sem MA em que apresentou baixo módulo de elasticidade. Na microscopia eletrônica de varredura foi possível observar que as FB apresentaram maior adesão nos compósitos com MA, principalmente para a composição PP+(PP-MA+FB). Palavras-chave: polipropileno, anidrido maleico, fibras de bananeira. Influence of PP-MA in the mechanical properties of PP and banana fibers composites The aim of this study was to analyze the influence of the sequence of the composite mixture of polypropylene (PP) with 10% volume of banana fiber (CF) modified with maleic anhydride (MA), and compared with the pure PP and the PP with banana fiber without maleic anhydride. In order to analyze the shape of the mixture it was used three different ways: a) all the components together (PP + PP-MA: + FB), b) the PP-MA with FB mixture in the PP (PP +(PP-MA + FB)) and c) PP with PP-MA and mixture in the FB ((PP / PP-MA) + FB). The acquisition of the composites was performed in an extruder, and after the grinding the composites they were injected to obtain the bodies of evidence for mechanical characterization of tensile and impact. It was found that the impact resistance of the mixture of PP + PP-MA + FB when processed once showed greater resistance to impact. For the maximum tensile strength and modulus of elasticity were not significant changes in these properties for the composites modified, with only the PP fiber without MA showed that low modulus of elasticity. In scanning electron microscopy it was possible to observe that the FB had higher membership in composites with MA, especially for the composition + PP (PP-MA + FB). Keywords: polypropylene, maleic anhydride, banana fibers. Introdução Atualmente a preocupação com o meio ambiente e a constante busca pela utilização de fibras para reforço de materiais poliméricos com o intuito de modificar as propriedades dos materiais plásticos tem encontrado diversas tendências. Entre elas, destaca-se as fibras naturais, que além de reforçar o polímero, são biodegradáveis, possuem baixo custo, são leves (devido à baixa massa específica destas fibras) e não possuem característica abrasiva (causam menos desgaste à peça e facilitam o processo de moldagem), quando comparado a fibras tradicionalmente utilizadas, como a fibra de vidro. As fibras naturais são provenientes de fontes renováveis e possuem propriedades mecânicas que podem aumentar as propriedades dos polímeros aditivados [1-3]. Entre

2 as fibras naturais mais utilizadas destacam-se as fibras de sisal, coco, curauá, bambu, madeira, fibras de bananeira, entre outras. A fibra de bananeira é retirada do pseudocale, podendo ser extraído até cinco tipos diferentes de fibras, como a renda, o filé e o couro. Muitas destas fibras são utilizadas por artesões sendo transformada em esteiras, tapetes, cortinas, cestas e outros produtos, mas também vem sendo foco de outros setores industriais como o automotivo e construção civil. O Brasil ocupa o segundo lugar no ranking mundial na produção de banana perdendo apenas para a Índia, e o norte de Santa Catarina se destaca por ser o quarto maior produtor nacional de banana e o segundo maior em produtividade [4]. A bananeira após dar o fruto e o filhote (que produzirá outro fruto) é cortada e deixada na plantação, no qual leva um tempo considerável para degradar e assim adubar a terra. Para não ocorrer à proliferação de fungos, ao cortar o pseudocaule pode-se aproveitá-lo para retirar as fibras. Um dos principais desafios na tecnologia que envolve os materiais compósitos é a obtenção de uma adequada interface entre reforço e matriz. Os métodos mais estudados é a interação química através da adição de agentes de acoplamento, a modificação da fibra ou a modificação da matriz [5,6]. Dentre os agentes de acoplamento mais utilizados estão os polímeros graftizados com anidrido maleico, pois as interações entre os grupos anidrido dos agentes de acomplamento e o grupamento hidroxila das fibras naturais podem resolver o problema de incompatibilidade e aumentar as propriedades mecânicas dos compósitos com fibras naturais [7-9]. Como na indústria automobilística, o sistema mais utilizado é a base de polipropileno, particularmente em componentes não-estruturais, por possuir baixa massa específica, excelente processabilidade, boas propriedades mecânicas e excelente propriedades elétricas este polímero apresenta características que possibilitam a modificação estrutural, além de ser um polímero de fácil aditivação [10]. Desta forma, o objetivo deste trabalho é estudar a influência da adição de polipropileno graftizado com anidrido maleico (PP-MA), em diferentes métodos de mistura, analisando as propriedades mecânicas de compósitos de polipropileno (PP) e fibras de bananeira (FB). Experimental Matérias-primas O polipropileno homopolímero utilizado foi fornecido pela Braskem, sendo identificado pelo código H103. O PP-MA CA 100, adicionado à mistura, contém uma porcentagem de 5% de anidrido maleico em sua composição, doado pela Orevac. As fibras de bananeira do tipo prata

3 foram fornecidas pela EPAGRI de Jaraguá do Sul SC. Tratamento e obtenção das misturas Cinco tipos de compósitos foram processados para posterior análise: PP puro, PP/fibra de bananeira e PP/PP-MA/fibra de bananeira, sendo que este último foi misturado utilizando três estratégias de misturas diferentes como apresentado na Tabela 1. As misturas contêm 10% em volume de fibras de bananeira e 5% de PP-MA em massa. Para a obtenção da formulação em volume foi adotada a massa específica da fibra de bananeira igual a 1,3 g/cm 3 [11]. Tabela 1: Seqüência de processamento dos compósitos de PP com fibra de bananeira e anidrido maleico. COMPÓSITO SEQUÊNCIA PP+PP-MA+FB Todos os componentes envolvidos foram misturados manualmente em saco plástico e processados em seguida. (PP+PP-MA)+FB Em sacos plásticos, primeiramente foi misturado o PP com PP-MA seguido da extrusão destes documentosora, sendo moída em moinho e novamente extrudada com as fibras de bananeira. PP+(PP-MA+FB) Para esta mistura o PP-MA foi solubilizado em tolueno a 100ºC, com as fibras de bananeira; após completa solubilização do PP-MA esta solução foi estufada por duas horas a 75ºC, então o resultado dessa reação foi extrudada junto ao PP. Todas as misturas foram obtidas utilizando a mini-extrusora AX Plásticos com temperaturas entre 190ºC e 200ºC e velocidade de processo variando de 30 a 60 rpm. Após a extrusão as misturas foram moídas no moinho de facas Primotécnica. Obtenção dos corpos de prova Os corpos de prova para os ensaios de resistência ao impacto e à tração foram obtidos em uma máquina injetora Sandretto Micro 65. Entretanto, antes de serem injetados estes materiais permaneceram estufados a 60ºC durante 4 horas, devido a característica higroscópica das fibras de bananeira. Caracterização dos compósitos O ensaio de resistência ao impacto Charpy foi realizado em um equipamento Emic, com martelo de 0,5 J, seguindo a norma ISO 179, para avaliar a energia absorvida pelo corpo de prova entalhado. Já o ensaio de resistência à tração foi realizado em uma Máquina Universal de Ensaios

4 Emic, seguindo a norma ISO 527, com célula de carga de 50 kgf e velocidade de ensaio de 50 mm/ min. Alterações na morfologia dos compósitos de PP com fibras de bananeira foram observadas em um microscópio eletrônico de varredura (MEV) JSM T 300, sendo que as amostras foram recobertas com fina camada de ouro. Resultados e Discussão A Figura 1 apresenta os resultados obtidos no ensaio de resistência ao impacto (média dos valores obtidos e desvio padrão). Segundo a análise estatística utilizando ANOVA, pode-se verificar a vantagem de se adicionar fibras de bananeira ao polipropileno, bem como a eficácia do tratamento com PP graftizado com anidrido maleico. A maior resistência ao impacto do PP com fibra de bananeira sem tratamento, tendo um aumento desta propriedade em torno de 12% quando comparado ao PP sem FB, comprova que somente a adição da fibra de bananeira melhora a resposta mecânica quanto à propriedade de impacto do PP. Porém, o tratamento com PP-MA melhorou significativamente as propriedades do compósito. Sendo que a melhor formulação foi PP/PP- MA/FB, a qual ocorreu pelo encontro dos componentes da mistura na mini-extrusora (a resistência ao impacto foi aproximadamente 20% maior quando comparado ao PP sem FB). A mistura (PP+PP-MA)+FB obteve bom resultado, mas não o esperado, isto provavelmente porque esta formulação foi processada mais vezes do que as outras (foi extrudada e moída duas vezes, enquanto as outras somente uma), levando a uma degradação termomecânica da mistura [12]. A redução da resistência ao impacto da mistura PP+(PP-MA+FB) pode estar relacionado com a degradação da fibra de bananeira durante o tratamento [13].

5 6 5,7 Resistência ao impacto (J/m 2 ) ,6 5,0 5,2 4,5 0 PP PP+FB PP+PP-MA+FB (PP+PP-MA)+FB PP+(PP-MA+FB) Figura 1. Resistência ao impacto do PP e dos compósitos de PP/Fibras de bananeiras com e sem anidrido maleico. As Figuras 2 e 3 apresentam os resultados do ensaio de tração. Pode-se observar que a seqüência da mistura não alterou significativamente a resistência à tração dos compósitos como visto na Figura 2. Apesar do PP puro apresentar maior resistência à tração, quando comparado às formulações de PP com FB, estas alterações foram inferiores a 10%, não sendo significativo, conforme análise estatística ANOVA , ,7 33,3 34,3 34,4 Resistência a Tração (MPa) PP PP+FB PP+PP-MA+FB (PP+PP-MA)+FB PP+(PP-MA+FB) Figura 2. Resistência à tração do PP e dos compósitos de PP/Fibras de bananeiras com e sem anidrido maleico.

6 Analisando a figura 3, pode-se perceber que a adição da fibra de bananeira leva a um decréscimo (aproximadamente 20%) no módulo de elasticidade em relação ao polipropileno puro. A adição do PP-MA melhora o módulo de elasticidade em relação ao compósito sem o agente de acoplamento, mas a seqüência de mistura não altera significativamente o módulo de elasticidade dos compósitos. Segundo a análise estatística ANOVA, somente o compósito com fibra de bananeira sem MA apresentou alteração significativa nos resultados. 380 Módulo de Elasticidade (MPa) 370, ,9 341,9 356,0 353,2 260 PP PP+FB PP+PP-MA+FB (PP+PP-MA)+FB PP+(PP-MA+FB) 370,4 370,4 Figura 3. Módulo de elasticidade do PP e dos compósitos de PP/Fibras de bananeiras com e sem anidrido maleico. Na figura 4 é apresentado as micrografias obtidas por MEV do compósito de PP/FB com e sem anidrido maleico com diferentes formas de misturas. Constata-se que no compósito sem anidrido maleico (figura 4 a) ocorrem vazios entre as FB e a matriz de PP, além da presença de fibras soltas na matriz de PP, indicando que estas foram arrancadas da matriz, não havendo afinidade entre a matriz e a fibra, comprovando a baixa resistência mecânica deste compósito, fato também observado por Paul e colaboradores, 2008 [11].Já nas formulações com anidrido maleico, é observado uma significativa melhora na aderência entre a fibra e a matriz, principalmente nas misturas de (PP+PP-MA)+FB (figura 4 c) e PP+(PP-MA+FB) (figura 4 d) no qual observa-se que (a) (b) as fibras quebram em vez de serem arrancadas, o que indica uma melhor força interfacial mostrando que o mecanismo de mistura influencia na adesão entre a fibra e a matriz. (c) (d)

7 Figura 4: Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de PP com fibras de bananeira: (a) PP+FB; (b) PP+PP-MA+FB; (c) (PP+PPMA)+FB; (d) PP + (PPMA+FB). Conclusões Nas formas de misturas estudadas para a obtenção do compósito de PP/FB com e sem MA constatou-se que a mistura PP/FB sem MA não apresenta boas propriedades mecânicas devido a presença de vazios entre os dois componentes da mistura. Já para os compósitos de PP/FB com o agente modificador da matriz as propriedades apresentam melhora quando comparado ao compósito sem fibra de bananeira e que apesar da pequena quantidade de fibra a forma de mistura de PP/MA/FB apresentou a melhor resistência ao impacto, apesar de que os sistemas de mistura (PP+PP-MA)+FB e PP+(PP-MA+FB) apresentaram maior adesão entre a fibra e matriz. Agradecimentos Os autores agradecem a Braskem pela doação do PP e a Orevac pela doação do PP graftizado com anidrido maleico. Referências Bibliográficas 1 A. Rodolfo Jr, Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, Brasil, L.A. Pothan, et al. Composites Science and Technology, 2003, 63, 1231.

8 3 M.H. Ishizaki, et al. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2006, 16, Acessado em:20/06/ Razera, I A T. Tese de doutorado, USP SC, Gassan J., Appl Sci Manufact, 2002;33 A(3): T.J. Keener, R.K. Stuart, T.K. Brown, Composites Part A, 2004,35, J.Z. Lu, Q. Wu, I.I. Negulescu. Wood Fibre Sci. 2001, 34, L.M. Matuana, J.J. Balatinecz, R.N.S. Sodhi, C.B. Park. Wood Sci Technol 2001, 35, J. HolberY, D. Houston. JOM, nov S. A. Paul, A. Boudenne, L. Ibos, Y. Candau, K. Joseph, S. Thomas, Composites, 2008, 39, M. A. De Paoli, Degradação e Estabilização de Polímeros, 2ª versão on line, D. Ray; B.K.Sarkar; A.K. Rana; N.R. Bose. Bull. Mater.Sci. 2001, 24, ,7 370,4