PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO BIOCOMPÓSITO AMIDO TERMOPLÁSTICO/FIBRAS DE AÇAÍ

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1 PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO BIOCOMPÓSITO AMIDO TERMOPLÁSTICO/FIBRAS DE AÇAÍ L. Goulart 1, R. Brandes 1, L. Souza 1, C. A. Carminatti 1, A. Mikowski 1, M. D. Michél 3, E. M. Oliveira 2, D. O. S. Recouvreux 1 1 Universidade Federal de Santa Catarina Campus Joinville. Laboratório de Polímeros e Materiais Compósitos. 2 Universidade Federal de Santa Catarina. Laboratório Central de Microscopia Eletrônica 3 Universidade Estadual de Ponta Grossa. Laboratório de Ensaios Mecânicos. R. Dr. João Colin, Bairro Santo Antônio Joinville/SC derce.recouvreux@ufsc.br RESUMO O amido pode ser transformado em termoplástico por aquecimento e agentes plastificantes (glicerol, água e outros polióis). A agroindústria do açaí gera uma grande quantidade de resíduos, que após o devido tratamento, podem ser utilizados como reforço na forma de fibras curtas. O principal foco deste trabalho foi o desenvolvimento de um biocompósito baseado em matriz de amido de milho e reforçado com fibras de açaí. As fibras de açaí foram dispersas na matriz de amido e moldadas por vazamento. A morfologia do biocompósito e a interação entre as fibras e a matriz foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), enquanto a avaliação das propriedades mecânicas foi efetuada através de ensaios de tração. Os resultados do MEV mostraram uma boa interação das fibras com a matriz de amido. No entanto, os ensaios mecânicos de tração indicaram baixa resistência mecânica do material biocompósito quando comparado com as membranas de amido. Palavras-chave: amido termoplástico, fibras de açaí, biocompósito. INTRODUÇÃO Produtos feitos totalmente ou parcialmente a partir de recursos naturais renováveis e biodegradáveis se apresentam como uma alternativa para produtos obtidos exclusivamente de recursos não renováveis, como o petróleo, carvão mineral e gás natural. Materiais compósitos baseados em polímeros biobaseados e fibras naturais apresentam grande potencial para uma economia de base biológica. O amido é um biopolímero que tem recebido muita atenção devido às suas grandes vantagens, tais como, ampla disponibilidade, compostagem total e ausência 8529

2 de resíduos tóxicos, baixo custo (1; 2). Este biopolímero pode ser facilmente transformado em um amido termoplástico através da quebra das interações de suas cadeias moleculares através de aquecimento, possibilitando a insersão de elementos plastificantes, transformando-o em um material termoplásticos, de fácil degradação e renovável (3; 4; 5). Açaí (Euterpe oleracea, Mart.) é uma planta originária da região amazônica. O fruto do açaí é distribuido por diversos estados brasileiros e para o exterior, para ser utilizado na alimentação, remédio, indústria de papel, ração animal e na confecção de artesanatos e bijuterias (6). Devido ao grande consumo de fruta, muitas pesquisa tem sido realizadas sobre a polpa, mas poucas pesquisas foram realizadas com os resíduos gerados a partir do beneficiamento do açaí. A transformação do açaí gera uma grande quantidade de resíduos, sendo que a sua fibra natural é um resíduo extremamente estudado e pesquisado. As fibras de açaí apresentam grande potencial para a sua utilização como material de reforço em aplicações ecoeficientes sustentáveis, tais como em embalagens, peças automotivas, construção civil, móveis e bens de consumo (6). O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um material compósito baseado em amido termoplástico e fibras curtas de açaí como material de reforço. A interação da fibras com a matriz de amido no material compósito foi avaliada, bem as propriedades mecânicas. MATERIAIS E MÉTODOS Produção do biocompósito As fibras de açaí provenientes da empresa Alicon Agroindustrial - Garuva, SC foram cedidas para este estudo pela professora Ana Paula Testa Pezzin (UNIVILLE). As fibras foram utilizadas como recebidas, sendo que já haviam sido modificadas superficialmente com 5 % NaOH (7). A dispersão filmogênica utilizada neste trabalho constituí de: 3 g de amido de milho (Corn Products Brasil), 1 g de glicerol, 100 ml de água destilada e 0,4 g de fibra de açaí. Os ingredientes foram misturados manualmente e mantidos em banho-maria durante 20 minutos, à 90ºC e sob agitação constante para a completa gelificação. Este procedimento assegurou a desintegração dos grânulos de amido e a formação de uma dispersão homogênea. A técnica de casting foi empregada na confecção dos biocompósitos, onde, a 8530

3 dispersão foi vertida em placas de acrílico, as fibras de açaí foram dispersadas manualmente nas placas e mantidas à 30ºC, sob circulação de ar, para a evaporação do solvente até a massa constante. A evaporação total do solvente proporcionou a formação de membranas biocompósitas de amido termoplástico/açaí. As mambranas formadas foram removidas das placas e armazenadas em dessecador para as análises futuras. Microscopia eletrônica de varredura A microestrutura das amostras foi caracterizada por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) (Philips, XL 30). Para as observações de MEV, amostras secas foram colocadas sobre um suporte de alumínio e recobertas com ouro. Ensaio Mecânico de Tração O ensaio mecânico de tração do material compósito constituído de amido termoplástico e fibras de açaí foi realizado em temperatura ambiente, utilizando a máquina Shimadzu, modelo Autograph AG-I, 10kN, sem a utilização de extensômetro. Os corpos de prova possuem dimensões padronizadas, sendo o comprimento de 40 mm, largura de 9 mm e espessura de 0,7 mm. A velocidade do ensaio foi mantida constante em 4 mm min -1. Os dados brutos gerados do ensaio são o tempo, o deslocamento e a força. A tensão ( ) foi calculada pela razão entre a força aplicada do ensaio e a área de seção transversal (produto da espessura do corpo de prova pela largura). A deformação ( ) foi calculada pela razão entre o deslocamento e o comprimento do corpo de prova. Através de um diagrama de tensão versus deformação, o módulo de elasticidade foi estimado a partir de uma regressão linear, numa região que apresente o comportamento elástico-linear. RESULTADOS E DISCUSSÃO O biocompósito constituido de amido termoplástico e fibras curtas de açaí foi produzido utilizando a técnica de casting para a moldagem em placa de acrílico e foram caracterizados em relação a sua morfologia e propriedades mecânicas. A imagem da Figura 1 (a) ilustra o filme biocompósito de amido termoplástico/fibras de 8531

4 açaí preparado previamente, o qual foi utilizado para a confecção de amostras para as visualizações por MEV e para os ensaios de tração. A análise visual demonstra a ocorrência da dispersão da fibras de forma aleatória e heterogênea na matriz de amido, apresentando regiões de vazios. As imagens das Figuras 1 (b) e (c) representam os corpos de provas do biocompósito amido termoplástico/fibras de açaí e da membrana de amido termoplástico, respectivamente, confeccionados para o ensaio de tração. Figura 1. Em (a) imagem da placa de acrílico contento o filme biocompósito de amido termoplástico/fibras de açaí previamente preparado; Imagens dos corpos de provas, em (b) do biocompósito amido termoplástico/fibras de açaí e em (c) da membrana de amido termoplástico. As amostras foram analisadas morfologicamente através de micrografias do MEV obtidas da superfície do biocompósito. Na Figura 2(a) mostra a micrografia da região que esteve em contato direto com a placa de acrílico, e é possível observar a formação de uma superfície rugosa, uniforme e com fibras completamente recobertas pela matriz de amido. Já a figura 2 (b) mostra a região superficial oposta da amostra que permaneceu em contato com o ar, a qual é possível observar que as fibras também estão recobertas pela matriz de amido, no entanto, as fibras apresentam saliências protuberantes. A estrutura morfológica apresentada nas micrografias do MEV (Figuras 02 (c), (d), (e) e (f)) mostram a interface entre matriz- 8532

5 fibra, sendo possível observar uma boa interação entre a matriz de amido e a fibra vegetal. Figura 2. Micrografias do MEV mostrando em (a) e (b) a superfície do biocompósito onde as fibras se encontram recobertas pela matriz de amido; em (c) e (d) a superfície do biocompósito que apresenta maior exposição das fibras, e em (e) e (f) detalhes da interação fibra-matriz. A Figura 3 mostra uma típica curva de tensão-deformação obtida do ensaio de tração realizado para uma amostra do biocompósito amido termoplástico-fibras de açaí, sendo que apresentou resistência mecânica relativamente baixa. Os valores determinados para o módulo de elasticidade do amido termoplástico e do biocompósito amido termoplástico-fibras de açaí foram 1,25 0,27 MPa e 0,21 0,02 MPa, respectivamente. O limite de resistência à tração corresponde à tensão máxima no diagrama versus (Figura 3). Para o amido termoplástico foi encontrado o valor de 18,07 7,82 MPa, enquanto que, para o biocompósito amido 8533

6 termoplástico-fibras de açaí o limite de resistência à tração foi de 2,74 1,03 MPa. Em geral, fibras vegetais, quando combinadas com polímeros, podem proporcionar uma melhor flexibilidade e melhorar a resistência mecânica e tenacidade (7; 8; 9). No entanto, compósitos reforçados com fibras naturais tendem a mostrar baixa resistência mecânica devido à fraca adesão interfacial causada pela baixa interação química das fibras com a matriz polimérica (10). Mesmo sendo observado uma boa interação entre as fibras de açaí e matriz polimérica de amido termoplástico, as fibras foram pouco efetivas no reforço do compósito, onde a resistência mecânica é requerida. Assim, é indicado outros estudos, utilizando diferentes métodos de confecção, para melhorar os resultados da resistência mecânica do biocompósito. Figura 3. Curva típica de tensão ( ) versus deformação ( ) do biocompósito amido termoplástico-fibras de açaí, obtido do ensaio mecânico de tração. CONCLUSÕES Foi possível a obtenção de um material biocompósito constituído de amido termoplástico e fibras vegetais de açaí. A boa adesão observada, através de imagens de MEV, pode ser atribuída à forte interação entre as fibras lignocelulósicas e a matriz de amido. Apesar de os resultados dos ensaios de tração indicarem baixa resistência mecânica, as fibras vegetais são adequadas para o desenvolvimento de 8534

7 materiais compósitos mais leves do que aqueles que utilizam fibras sintéticas, como por exemplo a fibra de vidro. Os resultados obtidos mostraram que as fibras de açaí e o amido termoplástico exibem excelente potencial e representam uma alternativa viável para a produção de um material com grande valor agregado, contudo, os resultados obtidos demonstraram que existe a necessidade de se aprofundar os estudos prévios, no intuito da obtenção de um maior entendimento dos fatores envolvidos no processo de fabricação e o impacto gerado nas respectivas propriedades mecânicas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à professora Ana Paula Testa Pezzin (UNIVILLE) pelo fornecimento das fibras de Açaí e ao Laboratório Central de Microscopia Eletrônica da UFSC (LCME) pelas análises através de microscopia eletrônica de varredura. REFERÊNCIAS 1. BERGO, P.V.A; SOBRAL, P.J.A; PRISON, J.M. Physical Properties of Cassava Starch Films Containing Glycerol. Food Engineering Dept., FZEA, University of São Paulo, Brazil FAMÁ, L.; ROJAS, A.M.; GOYANESA, S.; GERSCHENSON, L. Mechanical properties of tapioca-starch edible films containing sorbates. LWT; v 38; p ; GONG, Q.; WANG, L.Q.; TU, K. In situ polymerization of starch with lactic acid in aqueous solution and the microstructure characterization. Carbohydrate Polymers, v.64, n.4, CHEN, L.; YUSHAN, N.; XINCHAO, B.; XUEYU, Q.; XIULI, Z.; XUESI, C.; XIABIN, J. A novel approach to grafting polymerization of ε-caprolactone onto starch granules. Carbohydrate Polymers, v. 60, n.1, p , RODRIGUES-GONZALES, F.J.; RAMSAY, B.A.; FAVIS B.D. High performance LDPE/thermoplastic starch blends: a sustainable alternative to pure polyethylene. Polymer, v. 44, n.5, p , PESSOA, J.D.C.; ARDUIN, M; MARTINS, M.A.; CARVALHO, J.E.U. Characterization of açaí (E. oleracea) fruits and its processing residues. Brazilian Archives of Biology and Technology, v. 53, n. 6, p ,

8 7. GEHLEN, L. R. Efeito da utilização de fibras lignocelulósicas (açaí e curauá) em compósitos com matriz de resina poliéster insaturado. Dissertação (mestrado) Universidade Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência de Materiais - PIPE, HU, R.; LIM, JK. Fabrication and mechanical properties of completely biodegradable hemp fiber reinforced polylactic acid composites. Journal of Composite Materials, v. 41, n. 13, p , SOLEIMANI, M.; TABIL, L., PANIGRAHI, S.; OPOKU, A. The effect of fiber pretreatment and compatibilizer on mechanical and physical properties of flax fiber-polypropylene composites. Journal of Polymers and the Enviroment, v. 16, p , THWE, M.M.; LIAO, K. Durability of bamboo-glass fiber reinforced polymer matrix hybrid composites. Composites Science and Technology, v. 63, p , PREPARATION AND COMPOSITE CHARACTERIZATION THERMOPLASTIC STARCH/AÇAI FIBERS ABSTRACT The starch may be converted to thermoplastic by heating and plasticizers (glycerol, water, and other polyols). Agribusiness açai generates a lot of waste, which after proper treatment, can be used as reinforcement in the form of short fibers. The primary focus of this work was the development of a biocomposite based on corn starch matrix and reinforced with fibers açai. The açai fibers were dispersed in the starch matrix and molded by casting. The morphology of biocomposite and interaction between the fibers and the matrix was evaluated by scanning electron microscopy (SEM), while the evaluation of mechanical properties was performed by tensile tests. The SEM results showed a good interaction of the fibers with the starch matrix. However, the tensile test showed a lower mechanical strength of the biocomposite materials when compared to the starch membranes. Key-words: starch, açai fibers, biocomposite 8536