CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE POLIETILENO VERDE OBTIDOS PELA ADIÇÃO DE FARELO DE SOJA

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1 CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE POLIETILENO VERDE OBTIDOS PELA ADIÇÃO DE FARELO DE SOJA G. R. Ferreira 1, W. F. Wolf 1, A. B. Sowek 1 *, L. A. Pinheiro 1, B. M. Carvalho 1 V. M. 1 Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais. Av. General Carlos Cavalcanti, Uvaranas, Bloco do CIPP, CEP , Ponta Grossa PR - absowek@uepg.br RESUMO A preocupação para o desenvolvimento de tecnologias mais verdes vem aumentando nos últimos anos sempre com o objetivo de reduzir os impactos ambientais. O polietileno verde, utilizado como matriz neste trabalho é um polímero produzido a partir da cana-de-açúcar, ao passo que os polietilenos tradicionais utilizam matérias-primas de fontes não renováveis. O farelo de soja, utilizado como reforço, foi escolhido por ser o Brasil um dos maiores produtores do grão e também por ser proveniente de fontes renováveis. Nesta pesquisa, os compósitos foram processados em extrusora e caracterizados por tração, termogravimetria e MEV. Verificou-se uma diminuição da resistência mecânica ocasionada pela baixa adesão entre as fases, porém um aumento no módulo de elasticidade indicando que o farelo de soja atua como reforço, aumentando a rigidez do material. Na análise térmica, verificou-se uma diminuição da temperatura de degradação com o gradativo aumento da adição de farelo de soja. Palavras-chave: polietileno verde, farelo de soja, compósitos. INTRODUÇÃO Os polímeros derivados do petróleo são amplamente utilizados devido a sua versatilidade, propriedades mecânicas e custo relativamente. No entanto, com o aumento do consumo de materiais poliméricos, há também o aumento considerável de resíduos sólidos que são descartados no meio ambiente, causando um grande impacto ambiental e tornando-se um desafio a ser tratado pela engenharia (1). Os problemas gerados pelo descarte de polímeros de origem petroquímica impulsionam o desenvolvimento, produção e aplicação de polímeros biodegradáveis (1) e a utilização de polímeros obtidos de fontes renováveis (2). O polietileno verde utilizado neste trabalho é obtido a partir do eteno gerado do etanol proveniente da cana de açúcar (fonte renovável) (3). Este polímero tem estrutura semelhante ao originado a partir do eteno oriundo da rota petroquímica, e corresponde a uma inovação tecnológica, pois além de ocorrer absorção de CO2 da 3605

2 atmosfera no ciclo de produção, ainda reduz a dependência de matérias-primas de origem fóssil para a fabricação de produtos plásticos (2). O desenvolvimento de materiais compósitos com cargas naturais tem se tornado uma ótima alternativa também para esse problema. A combinação de uma matriz polimérica com uma carga biodegradável origina o material biocompósito. Esta categoria de material tem a característica de uma maior velocidade de degradação, minimizando assim o impacto ambiental (4, 5). O Brasil está entre os maiores produtores de soja do mundo, sendo o estado do Paraná um dos maiores produtores internos (6). Assim, a disponibilidade desta fonte renovável na região é bastante privilegiada, tornando viável e adequado o desenvolvimento de pesquisas e novas tecnologias utilizando matrizes sintéticas com derivados da soja. Para este trabalho, utilizou-se farelo de soja adicionado a uma matriz de polietileno verde, com o propósito de se produzir um material biocompósito. Analisou-se a influência de diferentes porcentagens de carga, verificando o desempenho mecânico final do biocompósito em comparação com o polímero puro. Analisou-se a interação entre o farelo e a matriz polimérica que diretamente influencia na adesão e dispersão das fases, que por sua vez influencia no comportamento mecânico das misturas. MATERIAIS E MÉTODOS Neste estudo utilizou-se o polietileno de alta densidade (SHC7260) fornecido pela Braskem, denominado PE verde e o farelo de soja, denominado FS, fornecido pela Cooperativa Agrícola Mista de Ponta Grossa - COOPAGRICOLA. O farelo de soja passou por um processo de moagem utilizando um moinho de martelo e depois peneirado manualmente utilizando uma peneira de 60 e 100 meshs. O farelo moído foi seco em estufa por 12 horas a 70 C antes da extrusão. As misturas foram feitas nas composições de 10, 20 e 30% em peso de farelo de soja, utilizando uma extrusora de rosca simples Ciola ME-30; 60 rpm e temperaturas de 160/180/180/190 C. Os corpos de prova foram moldados por injeção, utilizando uma injetora Boy 55M, e temperaturas (145 C na zona de alimentação, 155 C na zona de cisalhamento e 175 C no bico da injetora). 3606

3 As propriedades mecânicas foram obtidas seguindo a norma ASTM D 638 para o ensaio de tração. O equipamento utilizado foi a máquina universal de ensaios mecânicos da marca Shimadzu, modelo AG-I 10kN e velocidade de ensaio de 50mm/min. Para a análise morfológica as amostras foram retiradas dos corpos de prova fraturados por tração e analisadas utilizando um microscópio eletrônico de varredura da marca Shimadzu, modelo SSX 550. Na análise térmica foi utilizado a termogravimetria TGA/DTA modelo SDT 2960 da TA Instruments. As amostras foram aquecidas da temperatura ambiente até 600 C sob uma taxa de 10 C/min em uma atmosfera de nitrogênio. A análise de absorção de água foi realizada em corpos de prova moldados por injeção. Primeiramente as amostras foram deixadas em estufa por um período de 24 horas, sob uma temperatura de 50 C, sendo pesadas (W 0 ). Após isso, as amostras foram colocadas imersas em água destilada por um período de 24 horas e pesadas novamente (W f ). A quantidade de água absorvida (PWA) foi calculada utilizando-se da fórmula da Eq. (1). (1) RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados do ensaio de absorção de água estão apresentados na Fig. 1, observa-se que as amostras contendo uma maior porcentagem de farelo de soja apresentaram maior absorção de água. Este aumento é explicado pela presença de grupos polares dos constituintes do farelo, como proteínas e carboidratos, que podem interagir com as moléculas de água aumentando a capacidade de absorção. Segundo Tajvidi (7), os ensaios de absorção de água permitem avaliar propriedades como estabilidade dimensional das misturas, assim como podem ser tomados como indicadores da adesão interfacial fibra matriz. Em compósitos reforçados com fibras naturais a água pode ser absorvida através de vazios ou trincas existentes nestes compósitos devido à pobre adesão interfacial ou aglomeração do reforço. A análise morfológica dos compósitos foi feita por MEV e está apresentada na Fig

4 Figura 1 Efeito do teor de farelo de soja (FS) com diferentes granulometrias (60 e 100 mesh) na matriz de polietileno verde no comportamento de absorção de água. Analisando as Fig. 2 (a) e (b) é possível confirmar que houve de fato aglomeração do farelo de soja na matriz de polietileno verde e também fraca adesão interfacial devido à existência de vazios na interface farelo polietileno. Provavelmente, os compósitos apresentaram este comportamento devido à grande diferença de energia superficial entre as duas fases e isso refletiu diretamente no comportamento mecânico das misturas. Resultados semelhantes foram obtidos por Furlan (5) em estudos com PP carregados com casca de aveia e também em trabalhos que estão sendo realizados em nossos laboratórios com PP e farelo de soja. As curvas tensão versus deformação para os compósitos e para o polietileno verde puro estão apresentadas na Fig. 3. Percebe-se que conforme a quantidade de carga presente nos compósitos foi aumentada reduziu-se a resistência máxima à tração e deformação máxima independentemente da granulometria do farelo. A adição de carga além de diminuir a deformação até a ruptura aumentou o módulo elástico. Para a adição de 20% de carga, o módulo elástico do compósito formado com farelo peneirado a 100 mesh aumenta 4,8% e para o peneirado a 60 mesh 3608

5 aumenta 10,4%. Com a adição de 30% de farelo de soja o módulo elástico aumenta 25%. Pode-se observar que o compósito com 30% em peso de farelo de soja é o mais frágil. A baixa adesão entre a carga e a matriz polimérica e a tendência que as cargas apresentam para formar aglomerados causam a diminuição da resistência mecânica levando a fragilização dos compósitos. Aglomerado Vazio (a) FS Vazio (b) Figura 2 Fotomicrografias obtidas do compósito com adição de 30% de farelo de soja peneirado a 100 mesh, obtidas com microscópio eletrônico de varredura (a) com aumento de 40 vezes, (b) com aumento de 70 vezes.. As curvas do TGA para o polímero puro e para os compósitos estão apresentadas na Fig. 4. É possível observar que a degradação se apresenta de forma mais intensa nos compósitos do que na matriz de polietileno verde, devido ao fato que a presença do farelo de soja diminui a estabilidade térmica dos compósitos. O polietileno verde apresenta-se termicamente estável até uma temperatura aproximada de 420 C, e, dessa forma, mantém a composição química fixa e 3609

6 constante. Para o farelo de soja, tem-se se o aparecimento de três picos. O primeiro está relacionado à perda de umidade em torno de 100 C, os outros dois acima de 200 C e 400 C estão envolvidos com a degradação do farelo de soja. Figura 3 Comparação entre as curvas médias obtidas através do ensaio de tração para as três composições analisadas utilizando diferentes granulometrias do farelo de soja. Figura 4 Curvas obtidas pela análise termogravimétrica para o polietileno puro e para os compósitos. 3610

7 CONCLUSÕES Através da caracterização mecânica por tração foi possível identificar a gradativa perda de resistência mecânica com o aumento da quantidade de farelo de soja adicionado ao polietileno verde. Com a maior adição de farelo de soja tem-se uma redução de cerca de 32% da tensão máxima. Já o módulo elástico é aumentado em aproximadamente 25%, determinando, dessa forma, que o aumento gradativo da adição de farelo de soja causa uma diminuição na resistência e aumento da fragilidade do material. Através da análise morfológica foi possível observar que há a presença de vazios na interface matriz-carga os quais podem ter sido gerados pela falta de efetividade na ligação carga-matriz o que pode gerar a fragilização da estrutura do compósito. Com a análise termogravimétrica observou se que há uma tendência à redução da estabilidade térmica com a adição de farelo de soja, diminuindo desta forma a temperatura para o início da degradação. Na análise de absorção de água, fica evidente que, para os compósitos com uma quantidade mais elevada de farelo de soja, há uma maior absorção, isto pode ser explicado pela presença de grupos polares dos constituintes do farelo de soja (como proteínas e carboidratos), que acabam interagindo com as moléculas da água. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Braskem e a COOPAGRICOLA pela doação dos materiais utilizados na pesquisa. REFERÊNCIAS 1. Pellicano, M.; Pachekoski, W.; Agnelli, J. A. M. Influência da adição de amido de mandioca na biodegradação da blenda polimérica PHBV ecoflex.. Polímeros, v. 19, no.3, p , Castro, D. O.; Frollini, E.; Marini, J.; Ruvolo-Filho, A. Preparação e caracterização de biocompósiots baseados em fibra de curauá, biopolietileno de alta densidade (BPEAD) e polibutadieno líquido hidroxilado (PBHL). Polímeros, v. 23, no.1, p ,

8 3. Brasken Indústria Petroquímica Brasileira, Brasken, São Paulo. Disponível em:<http: >. Acesso em: 15 out Rosa. D. S.; Franco, B. L. M.; Calil, M. R. Biodegradabilidade e Propriedades Mecânicas de Novas Misturas Poliméricas. Polímeros, v. 11, no.2, p , Furlan, L. G.; Duarte, U. L.; Mauler, R. S. Avaliação das propriedades de compósitos de polipropileno reforçados com casca de aveia. Química Nova, v. 35, no. 8, p , Pivato, R. Desenvolvimento de um sistema de separação por aspiração de farelo de soja. 2013, 84p. Dissertação (Pós-graduação em Engenharia de alimentos) Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Tajvidi, M.; Takemura, A. Effects of reprocessing on the hygroscopic behavior of natural fiber high-density polyethylene composites. Journal of Applied Polymer Science, v. 122, p , CHARACTERIZATION OF GREEN POLYETHYLENE COMPOSITES OBTAINED BY THE ADDITION OF SOYBEAN MEAL ABSTRACT The concern for the development of technologies more "green" has been increasing in recent years always with the objective of reducing environmental impacts. The green polyethylene, used as matrix in this work is a polymer produced from sugar cane, while the traditional polyethylene using raw materials from non-renewable sources. The soybean meal, used as reinforcement, was chosen to be the Brazil one of the largest producers of grain and also to be from renewable sources. In this research, the composites were processed in extruder and characterized by traction, thermogravimetry and SEM. There was a decrease in the mechanical resistance caused by low adherence between the stages, but an increase in elasticity module indicating that soybean meal acts as reinforcement, increasing the stiffness of the material. On thermal analysis, it was found that a decrease in temperature of degradation with the gradual increase in the addition of soybean meal. Key-words: Composites, polypropylene, polyethylene, soybean meal 3612