COMPÓSITOS DE AMIDO TERMOPLÁSTICO REFORÇADOS COM FIBRA DE BANANEIRA

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1 COMPÓSITOS DE AMIDO TERMOPLÁSTICO REFORÇADOS COM FIBRA DE BANANEIRA Daniele C. Bastos*, Renata A. Simão Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE, Caixa Postal 68505, , Rio de Janeiro/RJ *danielecruz@metalmat.ufrj.br Plasticized starch composites reinforced with banana trees fiber The search for biodegradable materials, mainly plastic, that not only take care of the economic expectation, but mainly the question of environment preservation has been intensified. The aim of this work was to produce a plastic material from maize starch and banana tree fiber. Firstly, composites with 1% of fiber addition (D < 500 µm) and without fiber addition was carried out by extrusion. Mechanical assays had shown that the amount of used fiber was not enough to improve its mechanical properties and the used diameters had not promoted a good adhesion fiber/matrix, as it was observed by MEV. The diameter of the fiber was reduced (D < 150 µm) and increased the used fiber percentage (10 and 20%). These composites was prepared by casting, so that a superficial analysis in AFM was carried out. These results had shown a bigger fiber/matrix adhesion in these composites, in less favorable conditions of processing. Probably, fiber with lesser dimensions would tend to produce composites with better mechanical properties. Introdução Os materiais plásticos levam em média mais de um século para se degradar no ambiente sendo responsáveis por grande parte dos resíduos que vêm aumentando a poluição ambiental. Vários países no mundo estão tentando minimizar a quantidade de materiais plásticos desperdiçados e descartados, além de incentivarem a reciclagem. Apesar desta depender em grande parte da coleta e seleção do produto e apesar de grande parte dos municípios do país possuírem algum tipo de coleta seletiva, esta coleta ainda não atinge a totalidade de recicláveis. Muitas pesquisas têm sido desenvolvidas na confecção de materiais plásticos baseados em biopolímeros. Dentre os biopolímeros mais promissores para este fim estão os amidos de diversas fontes botânicas. O amido é biodegradável, tem baixo custo e está disponível em todo o mundo. O uso de amido para produzir bioplásticos iniciou-se nos anos 70 [1]. O amido não é um verdadeiro termoplástico, mas quando submetido a um processo termo-mecânico em presença de um plastificante como, por exemplo, água, glicerol ou sorbitol, este polímero perde sua estrutura granular semicristalina e adquire o comportamento similar ao de um termoplástico fundido [2], ou seja, o amido funde e escoa, permitindo seu uso em equipamentos de injeção, extrusão e sopro, como os utilizados para o processamento de plásticos sintéticos. A maioria dos plásticos biodegradáveis tem propriedades mecânicas e módulo elástico inferiores aos termoplásticos convencionais. O uso de fibras naturais como reforço para termoplásticos tem despertado interesse crescente devido ao baixo custo, utilização de recursos

2 naturais brasileiros disponíveis, além de contribuir para a despoluição ambiental. Desta forma, fibras naturais, extraídas de plantas, se tornam materiais de reforço atrativos na preparação de compósitos biodegradáveis com boas propriedades de interface. O pseudocaule da bananeira, planta da família Musacea, é o principal resíduo na bananicultura. Este é deixado na lavoura como lixo orgânico e por isso atrai biodeterioradores. A fibra de bananeira é produzida a partir das bainhas foliares extraídas do pseudocaule da bananeira, que equivale a seu tronco. Após a colheita do cacho costuma-se retirar a bananeira mãe, cortando-se o pseudocaule de modo a dar espaço para o crescimento dos filhotes. Este corte é feito, tomando-se os devidos cuidados para não machucar os filhotes, a cerca de três palmos do chão. Do pseudocaule da bananeira é possível extrair vários tipos de fibras, cada uma com sua característica. A camada do pseudocaule é constituída de três partes: capa (externa), seda (interna) e renda (intermediária). A camada externa que é a mais grossa e é utilizada para trabalhos que exijam resistência do material, foi utilizada neste trabalho. O presente trabalho teve como objetivo a obtenção de filmes biodegradáveis de amido de milho plastificados com glicerol e água, utilizando fibras de bananeira como reforço, com boas propriedades mecânicas. Experimental Obtenção e preparação da fibra de bananeira No presente trabalho, a camada externa do pseudocaule de um espécime de bananeira foi cortado em tiras de 30 cm de comprimento e cerca de dois dedos de espessura. As fibras foram secas ao sol por 2 semanas, moídas em moinho de facas, peneiradas (<500µm e <150µm) e secas em estufa a 40 0 C até secagem completa. Processamento em extrusora mono-rosca Fibras de bananeira foram previamente peneiradas com diâmetro menor que 500 µm. Foram preparados dois compósitos diferentes: Compósito A: amido de milho termoplástico. Misturou-se amido de milho (300 g), glicerol (59,2 g) e água (35,5 g) para posterior processamento em extrusora. Compósito B: amido de milho termoplástico reforçado com 1% de fibra de bananeira. Foram misturados previamente amido de milho (300 g), fibra de bananeira (3 g), glicerol (59,2 g) e água (35,5 g) para posterior processamento em extrusora.

3 Ambas as pré-misturas foram processadas em uma extrusora mono-rosca, equipada com quatro zonas de aquecimento, cujas temperaturas foram mantidas a 70, 80, 95 e 115 C, da zona de alimentação à saída da matriz. A rotação da rosca variou entre 20 e 40 rpm. Ensaios mecânicos de Tração Os ensaios mecânicos de tração foram realizados em uma Máquina de Ensaio Universal Instron modelo Realizou-se o ensaio com 3 corpos-de-prova do tipo gravata, cortados segundo a norma ASTM D 638, nas seguintes condições de operação: - Célula de carga: 500 kn - Velocidade de ensaio: 50 mm/min - Temperatura: (20 ± 2) 0 C - Umidade relativa: (50 ± 5)%. Preparação dos compósitos por casting Fibras de bananeira foram previamente peneiradas com diâmetro menor que 150 µm. Compósitos de amido termoplástico reforçados com fibras de bananeira foram obtidos em um reator, com agitação de 240 rpm, a 95 0 C durante 20 minutos. Dois compósitos foram obtidos: Compósito C: amido de milho termoplástico reforçado com 10% de fibra de bananeira. Foram misturados 9 g de amido de milho, 1 g de fibra de bananeira, 200 ml de água e 1,50 ml de glicerol. Compósito D: amido de milho termoplástico reforçado com 20% de fibra de bananeira. Foram misturados 8 g de amido de milho, 2 g de fibra de bananeira, 200 ml de água e 1,50 ml de glicerol. Para ambos os compósitos, as soluções foram despejadas em placas de Petri e então secas em estufa a 50 0 C por 12 horas. Os compósitos C e D foram preparados a fim de avaliar se maiores porcentagens de fibra adicionadas (10 e 20%) e com menores diâmetros melhorariam a adesão fibra/matriz, mesmo em condições menos favoráveis de processamento (casting). Análise Morfológica - Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Foi realizada uma análise morfológica dos filmes amido/fibra de bananeira obtidos por extrusão e por casting através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), utilizando-se o Microscópio JEOL JSM (modelo 6460 LV; Tóquio, Japão). As amostras foram previamente recobertas com ouro.

4 - Microscopia de Força Atômica (AFM) Foram obtidas imagens de alta resolução da superfície dos filmes obtidos por casting. As análises foram realizadas no Microscópio de Força Atômica, modelo 1 M plus da JPK Instruments (Alemanha). As imagens foram obtidas em ar e no modo contato intermitente para que as mesmas não fossem danificadas. Resultados e Discussão Ensaios Mecânicos de Tração Os resultados do ensaio mecânico de tração, dos compósitos A e B, processados em extrusora mono-rosca encontram-se na Tabela 2 e na Figura 1. Tabela 2 - Resultados dos Ensaios Mecânicos de Tração. Amostra: Resistência à Tração (MPa) Módulo de Young (MPa) Alongamento na Ruptura (%) Compósito A 4,4 ± 0,4 0,45 ± 0,17 92,2 ± 0,4 Compósito B 4,5 ± 0,3 0,50 ± 0,07 51,3 ± 7,9 5 Compósito A... Compósito B 4 Tensão (MPa) Deformação (%) Figura 1 Gráfico tensão x deformação. Com o aumento da quantidade de fibra os valores de resistência à tração e o módulo de Young tendem a aumentar em relação ao filme de amido sem adição de fibras. Em contrapartida, o alongamento na ruptura diminui significativamente, uma vez que a fibra é uma fase mais rígida. A quantidade de fibra utilizada neste trabalho não foi suficiente para melhorar de forma significativa as suas propriedades mecânicas. Morfologia dos compósitos amido/fibra de bananeira A análise das fraturas, após ensaio mecânico, dos compósitos A e B obtidos por extrusão foi realizada por MEV. A Figura 2 mostra que a morfologia do filme pode ser facilmente identificada.

5 No compósito A (Figura 2a), no qual não há adição de fibra, a fratura ocorreu de forma mais homogênea do que no compósito B (Figura 2b), que possui 1% de fibra. No compósito B a fratura ocorreu na interface das fibras (ver setas brancas). Algumas fibras foram puxadas para fora da matriz frágil do amido em diferentes direções. Algumas fibras dobradas também podem ser observadas. A presença de vazios entre as fibras e a matriz, como pode ser observada nas imagens de MEV, mostram portanto, que não houve uma boa adesão entre a fibra e a matriz. (a) (b) Figura 2 Micrografias obtidas em MEV da fratura dos compósitos A (amido de milho termoplástico) e B (amido de milho termoplástico reforçado com 1% de fibra de bananeira) aumento de 100x. A fim de produzir compósitos mais homogêneos, utilizaram-se fibras com diâmetros menores que 150 µm. Estes compósitos C (10% de fibra) e D (20% de fibra) foram obtidos por casting. A análise da superfície dos mesmos foi realizada por MEV e AFM. (a) (b)

6 (c) (d) Figura 3 Micrografias obtidas em MEV dos compósitos C (10% de fibra): (a) aumento de 500x e (b) aumento de 1000x; e D (20% de fibra): (a) aumento de 500x e (b) aumento de 1000x. A Figura 3 identifica a morfologia da superfície dos filmes de amido termoplástico reforçados com 10% de fibra (Figura 3a e 3b) e 20% de fibra (Figura 3c e 3d) em dois aumentos diferentes. Em ambos os filmes são identificados alguns pontos brancos, cuja concentração na superfície dos compósitos aumenta com o aumento da quantidade de fibra adicionada. As estruturas observadas na matriz estão relacionadas à gelatinização parcial do amido [3]. Os pontos brancos podem corresponder a fibras micrométricas ou submicrométricas no plano perpendicular dos compósitos [4]. As micrografias obtidas em AFM (Figura 4) mostram a dispersão das fibras na matriz do compósito C (10% fibra). Observa-se que as fibras, indicadas com setas brancas, têm diâmetros que variam de 400 nm até 2 µm. Uma distribuição homogênea dos diâmetros de fibra pôde ser observada na matriz destes compósitos. Também pode-se inferir qualitativamente na adesividade entre as fibras e a matriz, observando a região de interface nestas imagens. Não se observam vazios entre a matriz de amido e as fibras como está evidenciado nas imagens de AFM, topográfica e de contraste de fases (Figura 4). Fig (a) (b) Figura 4 Imagens obtidas em AFM do compósito C (10% de fibra): (a) contraste de fase e (b) topografia.

7 Conclusões Estes resultados mostraram que foi possível a obtenção de compósitos completamente biodegradáveis à base de amido de milho e fibra de bananeira utilizando tipos de processamento aplicados aos polímeros sintéticos convencionais. O processamento por extrusão acarretou quebra longitudinal e transversal das fibras de bananeira que pode ser atribuída ao diâmetro de fibras utilizado (menor que 500 µm). A partir da redução do diâmetro das fibras (menor que 150 µm) presentes nos compósitos obtidos foi possível obter uma maior adesão fibra/matriz, mesmo em condições menos favoráveis de processamento (casting). Possivelmente, fibras com menores dimensões tenderiam a produzir compósitos extrusados amido/fibra de bananeira com melhores propriedades mecânicas. Desta forma, trabalhos futuros serão realizados no sentido de otimizar o processamento dos compósitos amido/fibra de bananeira por extrusão e avaliar a influência do aumento do teor de fibras nas propriedades mecânicas dos compósitos. Agradecimentos À CAPES pela concessão da bolsa de Doutorado. Referências Bibliográficas 1. Curvelo, A. A. S., et al., Carbohydrate Polymers, 2001, 45, Lourdin, N. et al., Caoutchoucs et Plastiques, 1999, Thiré, R.M.S.M., Simão R.A. and Andrade, C.T., Carbohydrate Polymers, 2003, 54, Cao X., Dong H. and Li, C.M., Biomacromolecules, 2007, 8,