AVALIAÇÃO QUÍMICA E MECÂNICA DE UM COMPÓSITO A BASE DE PET COM ADIÇÃO DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

Transcrição

1 AVALIAÇÃO QUÍMICA E MECÂNICA DE UM COMPÓSITO A BASE DE PET COM ADIÇÃO DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR Fernanda G. L. Medeiros Borsagli 1 2 Andre G. Ferreira 2 A. Borsagli 3 1 Rua Dom Prudêncio Gomes, 595/102 Coração Eucarístico Belo Horizonte MG Cep: ; medeirosfernanda80@yahoo.com.br 2 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG) 3 Pontíficia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC-Minas) RESUMO Tem sido cada vez mais crescente a preocupação com o destino de resíduos, visto que esses representam um grande impacto ambiental. Logo, a busca de novas alternativas que possibilitem o uso desses materiais torna-se uma área promissora. Nessa direção, o presente trabalho propõe uma análise da propriedade mecânica do PET com a adição do bagaço de cana-de-açúcar e uma análise química para a criação de um novo material. Para isso, primeiramente, caracterizou-se as matérias primas (PET e bagaço de cana) em seu estado natural e preparou-os para a mistura dos mesmos nas proporções de 10%, 15% e 20% de bagaço na matriz de PET, utilizando glicerina como plastificante. E, por fim fez-se a caracterização por FTIR e análise da resistência à tração e alongamento. Os resultados indicaram que a proporção de 15% de bagaço obteve as melhores propriedades. Logo, mostrou-se ser viável a produção do compósito por esse processo. Palavras-chaves: Bagaço de cana-de-açúcar. PET. Análise química. Análise mecânica. INTRODUÇÂO Mudanças econômicas tem ocorrido em todo o mundo, o que acaba por demandar modificações na forma de manipular boa parte dos materiais. Nesse enfoque, é cada vez mais crescente a preocupação com o destino de resíduos da agroindústria, já que esse representa um grande impacto ambiental no solo e no ar atmosférico, pois segundo dados da Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB, 2011) (1) somente Minas Gerais teve um aumento significativo de ha. Silva et al. (2011) (2) afirmam que os resíduos apresentam-se como uma alternativa aos materiais sintéticos utilizados na produção de compósitos poliméricos 3789

2 para isolação térmica, pois reduzem os custos de produção e permitem uma melhor degradação evitando danos irreparáveis ao meio ambiente. Os compósitos reforçados com fibras são considerados os compósitos mais importantes tecnologicamente, pois apresentam alta resistência e rigidez em relação ao peso, em geral são materiais relativamente leves com propriedades mecânicas excepcionais (3). O bagaço de cana-de-açúcar é uma fibra natural resultado da extração do caldo de cana-de-açúcar para produção de álcool e açúcar, sobrando como resíduo agroindustrial (4). Nesse sentido, o presente trabalho propõe uma avaliação química através de espectroscopia no infravermelho (FTIR) e das propriedades mecânicas por meio de ensaio de tração do PET com a adição de bagaço de cana-de-açúcar. MATERIAIS E MÈTODOS Nesse trabalho aproveitou-se o resíduo da moagem da cana-de-açúcar como aditivo ao PET. O bagaço foi tratado com água destilada, secado em estufa de secagem e esterilização de 40L da Nova Técnica à 120 C por 48 horas e triturado. No caso do PET utilizou-se o resíduo de garrafas de refrigerante moído obtendo granulometria entre 1 e 2mm. A compatibilização na mistura foi feita com a glicerina bi destilada (5). Então, processou-os por compressão térmica na prensa hidráulica com aquecimento SL 11 da marca SOLAB, com carga de 0,5 Toneladas num molde de aço inoxidável confeccionando 4 tipos de corpos de prova com as proporções da Tabela 1 e com os ciclos de temperatura (1 e 2) representados na fig 1. Tabela 1 Composição dos Corpos de Prova Corpo de Prova PET (%) Bagaço de Cana (%)

3 Fig. 1 - Ciclos de temperatura utilizados 1 (PET, Bagaço e Glicerina) e 2 (PET) A caracterização química dos corpos de prova foi realizada nos materiais in natura e nos corpos de prova fabricados por meio de FTIR com equipamento IRPrestige 21, em atmosfera de nitrogênio com Reflectância Atenuada Refletida, em amostras de 5 mg, na faixa de 4000 a 400 cm -1. O ensaio mecânico foi realizado em máquina de tração AG - X da Shimadzu com capacidade de 10 KN, segundo norma ASTM D638, com velocidade de 3 mm/min em atmosfera adequada. RESULTADOS E DISCUSSÔES a seguir. A análise de FTIR para o PET, Tipo 1 e bagaço encontram-se na Fig. 2 a, b e c (a) (b) 3791

4 (c) Fig. 2 - Representação gráfica do espectro do a) PET reciclado; b) Tipo 1; c) Representação gráfica do espectro do Bagaço de cana-de-açúcar Verifica-se na Fig. 2 (a e b), a presença das bandas a 730cm -1 (PET) e 715cm -1 (Tipo 1) relacionadas ao estiramento da ligação C-H de anéis aromáticos presentes na molécula do PET (6). A segunda banda à 1099cm -1 (PET) e 1097cm -1 (Tipo 1) associa-se ao estiramento da ligação C-O presente em grupos ésteres (6) sendo que esse estiramento é proveniente de um éster conjugado, característico do PET (7). Em 1250cm -1 (PET) e 1236cm -1 (Tipo 1), é devido ao estiramento da ligação C-O de grupos de ácido carboxílicos presentes na molécula. À 1732cm -1 (PET) e 1710cm -1, deve-se ao estiramento da ligação C=O dos grupos de ácido carboxílico presentes na molécula (6). A banda à 2904cm -1 (PET) e 2918cm -1, associa-se ao estiramento da ligação C-H (6). Já à 3356cm -1 (PET), ocorre o estiramento da ligação O-H, associando-se à absorção dos grupos hidroxilas terminais nas cadeias de PET, assim como a presença de umidade, apesar da secagem em estufa durante 4 horas à 180ºC da amostra de PET reciclado antes da realização do ensaio (7), a qual não está presente no corpo de prova Tipo 1, devido ao processo de compressão térmica envolvido na fabricação da amostra. No do bagaço (Fig. 2 c), diferente do espectro do PET reciclado, a primeira banda é verificada em um valor mais alto à 1024cm -1. Essa banda está associada ao estiramento da ligação C-O da molécula de celulose presente no bagaço. A segunda banda à 1222cm -1, é atribuído ao estiramento da ligação C-O dos grupos álcool e éter, os quais estão presentes tanto na composição da celulose, como em dois compostos presentes na lignina, a siringila e guaicila (8). A banda à 1334cm -1, associa-se a vibração angular do plano da ligação O-H. Essa ligação está presente tanto na celulose, como nos três principais componentes da lignina (8). O quarto está relacionado ao estiramento da ligação 3792

5 C=C dos anéis aromáticos presentes nos três principais componentes da lignina. Em 2862cm -1, é atribuído ao estiramento da ligação C-O-C-H de aldeído presente na celulose (8). E, por último, em 3269cm -1, atribui-se ao estiramento da ligação O-H dos grupos fenóis presentes nos três principais componentes da lignina (8). Em relação aos espectros dos corpos de prova, os Tipos 2, 3 e 4 apresentaram espectros muito semelhantes aos apresentados anteriormente, mas identificando a glicerina, conforme Fig. 3 a, b e c a seguir. (a) (b) (c) Fig. 3 Representação gráfica dos espectros dos corpos de prova a) Tipo 2; b) Tipo 3; c) Tipo 4. A primeira banda, à 702cm -1 (Tipo 3) e 711cm -1 (Tipo 2), associa-se ao estiramento da ligação C-H de anéis aromáticos, semelhante ao PET e Tipo 1. Em 1020cm -1 (Tipo 2), 1031cm -1 (Tipo 3) e 1022cm -1 (Tipo 4), ocorre o estiramento da ligação C-O associada a ligação presente na celulose, conforme o espectro do bagaço em 1024cm -1. Já em 1226cm -1 (Tipo 2), 1224cm -1 (Tipo 3) e 1217cm -1 (Tipo 4), está ocorrendo o estiramento da ligação C-O dos grupos ácidos carboxílicos presentes no material, sendo semelhante em 1236cm -1 no corpo de prova Tipo

6 Em 1714cm -1 (Tipo 2, 3 e 4), associa-se ao estiramento da ligação C=O do grupo ácido carboxílico, da mesma forma que no corpo de prova Tipo 1 à 1710cm -1. Em 2875cm -1 (Tipo 2), 2879cm -1 (Tipo 3) e 2872cm -1 (Tipo 4) ocorre o estiramento da ligação C-O-C-H de aldeído presente na celulose do bagaço das amostras. Em 3263cm -1 (Tipo 2), 3257cm -1 (Tipo 3) e 3278cm -1 (Tipo 4) ocorre o estiramento da ligação O-H das amostras, que associa-se tanto ao estiramento da ligação O-H dos grupos fenóis presentes nos três principais componentes da lignina do bagaço, como à absorção dos grupos hidroxilas terminais nas cadeias de PET, a presença de umidade no mesmo, conforme verificado nos espectros do corpo de prova Tipo 1 e do PET reciclado, assim como a grupos O-H presente no plastificante (6). O ensaio de tração realizado segundo norma D638 está representado por meio do gráfico da Fig. 4 e com os valores apresentados na Tabela 2 a seguir. Fig. 4 - Representação gráfica do ensaio de tração dos quatro tipos de corpos de prova Tabela 2 - Valores de Resistência à Tração (RT), Módulo de Elasticidade (E) e Corpo de Prova Resistência a Tração (Mpa) Tensão de Ruptura Módulo de Elasticidade Tensão de Ruptura (Mpa) Tipo 1 22,18±0,05 0,02±0,03 20,82±0,04 Tipo 2 18,3±0,04 0,015±0,03 12,32±0,04 Tipo 3 22,96±0,03 0,02369±0,02 14,35±0,05 Tipo 4 21,22±0,03 0,0156±0,02 12,23±0,04 O ensaio de tração apresentou maiores valores de Resistência à Tração para o corpo de prova Tipo 3, o que já era esperado, pois conforme trabalhos desenvolvidos por Paiva et al (2002) (9) e Da Silva (2011) (10), os melhores resultados 3794

7 de propriedades mecânicas de compósitos de PET com fibras em moldagem por compressão foram onde o teor de fibra era de 15%, no presente estudo representado pelo corpo de prova Tipo 3 (85% de PET e 15% de Bagaço Fibra). No entanto, os valores encontrados para os quatro Tipos de corpos de prova foi relativamente baixo, comparado com o valor de Resistência à Tração do PET oriundo de garrafas, 69,41 ± 1,6 Mpa (11). No entanto, os valores do corpo de prova Tipo 3 e Tipo 1 foram. Isso ocorreu provavelmente devido ao plastificante, que não proporcionou uma boa interação entre os dois componentes. Em relação aos valores de Tensão de Ruptura das amostras, o corpo de prova Tipo 1 apresentou valor maior do que os demais. Já os demais corpos de prova apresentaram valores relativamente próximos, mas menores do que o do PET puro. Logo, a incorporação da fibra modificou os resultados em relação ao corpo de prova Tipo 1. Já o corpo de prova Tipo 4, apresentou uma queda de tensão após o valor máximo mais acentuada, vindo de encontro ao abordado por Paiva et al (2002) (9) e Da Silva (2011) (10), que adições com percentual maior que 15% não é adequado. Conclusão Em relação aos compósitos fabricados, a composição com as melhores propriedades foi a do Tipo 3, com 15% em peso de bagaço. Esse resultado está de acordo com dados da literatura. Já o plastificante não proporcionou uma boa adesão/interação verificada pelos valores do ensaio de tração. Em relação ao processo de compressão térmica, ele se mostrou viável para a fabricação do compósito, ainda que seja realizado com um ciclo relativamente extenso. A reutilização do PET reciclado foi possível, o mesmo foi observado na trituração do bagaço. Dessa forma, os resultados encontrados nesse trabalho indicam a viabilidade do processo de fabricação do mesmo. No entanto, melhoras significativas devem ser realizadas para que o processo possa ser executado comercialmente. REFERÊNCIAS 1. COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO (CONAB). Levantamento de Safras. Acompanhamento de safras. Brasília, SILVA, Ed-ek Soares; BORGES, Jacques Cousteau da Silva; OLIVEIRA NETO Manoel Leonel de. Efeito da adição de bagaço de cana de açúcar sobre as propriedades térmicas de pu de mamona. In : Congresso Norte-Nordeste de Pesquisa e Inovação, 302, 2010, Maceio, Anais do CONEPI Maceio, AL

8 3. CALLISTER, William D. Jr. Ciência e engenharia dos materiais uma introdução. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, p LENÇO, Paulo Cesar. Caracterização do bagaço de cana para obtenção de energia f. Dissertação (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, DE PAOLI, Marco Aurelio. Degradação e Estabilização de Polímeros. Disponível em : < >. Acesso em : 27 jun às 18: SILVERSTEIN, Robert; BASSLER, Clayton; MORRILL, Terence. Identificação Espectrométrica de Compostos Orgânicos. Tradução da 3ª por Ricardo Bicca e Roberto Faria. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, p. 7. MANCINI, S. D.; ZANIN, M. Influência de Meios Reacionais na Hidrólise de PET pósconsumo. Polímeros : Ciência e tecnologia, vol. 12, p.34-40, SANTOS, Rachel Passos de Oliveira. Compósitos baseados em PET reciclado, fibras de sisal e plasticizantes oriundos de fontes renováveis : estudo do processamento e propriedades destes materiais f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade São Paulo, USP, São Carlos, PAIVA, J. M.; FROLLINI, E. Sugarcane bagasse reinforced phenolic and lignophenolic composites. Journal of Applied Pulymer Science, vol. 83, n. 4, p , DA SILVA, C. G. Bagaço de cana-de-açúcar como reforço de matrizes termorrígidas baseadas em macromoléculas de lignina f. Tese (Doutorado em Ciências) Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, USP, São Carlos, SILVA, Talita C.; MIRANDA, Leila Figueiredo de. Estudo comparativo do Poli (tereftalato de etileno) virgem e reciclado. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Materiais) Escola de Engenharia Mackenzie, Universidade Mackenzie, MECHANICAL AND CHEMICAL EVALUATION OF A COMPOSITE BASED ON PET ADDED BAGASSE CANE SUGAR ABSTRACT Has been increasingly growing concern about the fate of residues since they represent a major environmental impact. Therefore, the search for new alternatives that enable the use of these materials becomes a promising area. In this direction, this paper proposes an analysis of the mechanical properties of PET with the addition of crushed cane sugar and chemical analysis for the creation of a new material. To do this, first, characterized raw materials (PET and bagasse) in its natural state and prepared them for the mixture thereof in the proportions of 10%, 15% and 20% of bagasse in the PET matrix, using glycerine as plasticizer. Finally made the characterization by FTIR and analysis of tensile strength and elongation. The results indicated that the proportion of 15% bagasse obtained the best properties. Therefore, proved to be viable to produce the composite by this process. Keywords: Bagasse cane sugar. PET. Quimical analyses. Mechanical analyses. 3796