PROPRIEDADES MECÂNICAS DE FILMES OBTIDOS A PARTIR DE FÉCULA DE ARARUTA (Maranta arundinaceae), NANOARGILA E GLICEROL

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1 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE FILMES OBTIDOS A PARTIR DE FÉCULA DE ARARUTA (Maranta arundinaceae), NANOARGILA E GLICEROL W.J. dos Santos 1* ; C.S.Miranda 1 ; A.P. B. Gonçalves 1; D. H. Guimarães 1 ; J.S.Silveira 2 ; S. Luporini; N.M. José 1 1- Universidade Federal da Bahia. Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, Rua Aristides Novis, n 2, 2 andar, Federação - CEP: Salvador/BA, Brasil. Grupo de Energia e Ciências dos Materiais, GECIM. * wiltonsts@gmail.com 2- Empresa Baiana de Desenvolvimento Agrícola, Av. Gerard Suerdick, s/n, CEP: Cruz das Almas/ BA, Brasil. RESUMO Fécula de araruta pode ser utilizada como matriz polimérica na produção de filmes biodegradáveis. Os filmes foram produzidos por casting, a adição de nanoargilas e plastificantes melhoram suas propriedades. A análise dos efeitos das diferentes concentrações de nanoargila e plastificante sobre as propriedades mecânicas dos filmes de amido foram realizadas utilizando o planejamento fatorial composto central. Analisando as superfície de resposta,observou-se que menores concentrações de plastificante e maiores concentrações de nanoargilas acarretou no aumento dos valores de resistência à tração e diminuição da deformação. A partir dos modelos estatísticos gerados, foi possível determinar a formulação mais adequada para a elaboração de filmes. A formulação desejada foi caracterizada quanto às propriedades mecânicas, térmicas e de barreiras. Palavras-chave: Propriedades mecânicas, térmicas, filmes, araruta, nanoargila 7666

2 INTRODUÇÂO O grande volume de plástico produzido aliado ao longo tempo para sua decomposição tem gerado vários problemas ambientais, isso vem despertando preocupações quanto ao uso indiscriminado destes materiais levando o consumidor a assumir uma postura mais crítica em relação às suas opções de consumo. Nesse contexto, as fontes amiláceas se destacam como matériaprima renovável, com grande potencial econômico e propriedades especiais interessantes para a confecção de filmes biodegradáveis (1). A araruta (Maranta arundinacea) é uma fonte amilácea que pode ser utilizadas para a produção de filmes (2). A incorporação de nanoargilas a filmes de amido tem sido proposta na literatura como uma alternativa de melhoria das propriedades mecânicas e de barreira desses filmes (3). Assim, o objetivo deste trabalho foi produzir filmes a partir de fécula de araruta adicionados de nanoargila montimorilonitas e glicerol e avaliar quantos às propriedades mecânicas, térmicas e de barreiras. MATERIAIS E MÉTODOS Os filmes foram produzidos pela técnica de casting. Para o estudo das formulações dos filmes foi adotado um delineamento composto central rotacional 2 2 (DCCR 2 2 ) (Tab. 1), incluindo quatro pontos axiais e quatro pontos centrais, resultando em 11 experimentos aplicável à metodologia de superfície de resposta. Foi avaliado o efeito das variáveis independentes em cinco níveis diferentes sobre as variáveis dependentes. As variáveis dependentes avaliadas para cada ensaio do planejamento experimental foram: (i) resistência à tração na força máxima (RTM); (ii) deformação específica (DE) e (iii) permeabilidade ao vapor de água (PVA). Os dados foram ajustados ao modelo de segunda ordem (Eq. A) como uma função das variáveis dependentes. 7667

3 Yi = variável resposta, Xi = Variável independente (valor codificado), bi = Coeficiente do modulo para a variável i. RESULTADOS E DISCUSSÂO A tab.1 apresenta os valores obtidos para as propriedades avaliadas nos filmes de fécula de araruta, glicerol e MMT. Na Fig. 2 estão apresentadas as superfícies de respostas para a RTM e DE e PVA dos filmes. Observa-se que em menores concentrações de plastificante houve aumento RTM, tal fato é atribuído a pouca mobilidade molecular. Os menores valores de RTM foram obtidos para as maiores concentrações de glicerol (ensaios 1,3 e 5 na tabela 1). O aumento na RTM com o incremento da argila evidencia a ação de reforço do mineral na matriz polimérica, esses comportamento é atribuído às ligações de hidrogênio entre a fécula e a MMT (3). Tab. 1: Resultados do planejamento experimental DCCR2 2 para os filmes nanocompósitos de fécula de araruta e montimorillonitas. Ensaios C G C MMT RMT DE PVA (%) (%) (Mpa) (%) (g.h -1.m -1.Pa 1 )* (40) 1 (7,5) 2,688 27,066 3, (10) 1 (7,5) 16,164 2,282 2, (40) -1 (2,5) 2,859 28,474 3, (10) -1 (2,5) 25,282 3,999 2, (25) 2 (8,5) 9,666 16,774 2, (25) - 2 (1,5) 8,392 20,060 3, (46,15) 0 (5) 2,305 29,064 5, (3,85) 0 (5) 21,636 2,935 2, (25) 0 (5) 7,844 23,540 3, (25) 0 (5) 6,225 15,484 3, (25) 0 (5) 6,515 15,211 3,464 O aumento da concentração de glicerol provocou alta permeabilidade ao vapor de água devido a maior disponibilidade de sítios hidrofílicos. Por outro lado, o aumento na concentração de argila provocou redução da PVA. Para 7668

4 (5) Tunc et al (2006) a pouca afinidade pela água adquirida por esses materiais deve-se à presença de lamelas de argila que tem uma grande superfície de contato criando caminhos tortuosos que limitam a penetração das moléculas de água (3). Os modelos quadráticos codificados que relaciona as variáveis dependentes com os fatores em estudo (CG e CMMT) são apresentados a seguir (Eq. A a C). RTM = X X X X X 1 X 2 PVA = X X X X X 1 X 2 DE = X X X X X 1 X 2 eq A (eq C) eq B As analises de variância (ANOVA) (Tab. 2) foi realizada com a finalidade de verificar a qualidade dos ajustes dos modelos codificados gerados (Eq. A a C). Pela ANOVA, verificou-se a significância da regressão e do resíduo ao nível de 95% de confiança, utilizando o teste F, para o planejamento estudado. Tab. 2:. Análise de variância (ANOVA) para as propriedades mecânicas e PVA Variável Fonte de Soma dos Graus de Média F (cal.) F variação quadrados liberdade quadrática (tab.) RTM Regressão 582, ,49 23,56 4,39 0,88 Resíduo 29, ,95 Total 612,11 11 DE Regressão 987, ,55 8,43 4,39 0,88 Resíduo 140, ,44 Total 1128,40 11 PVA Regressão 4,68 5 0,94 3,90 4,39 0,77 Resíduo 1,44 6 0,24 Total 6,12 11 R

5 a b c Fig. 2: Efeito da concentração de montmorillonita (CMMT) e concentração de glicerol (CG) na RTM a), DE b) e PVA c). 7670

6 Ao comparar os filmes sem nanoargila (F.F) e os filmes adicionados de 8,5% de MMT (F.NC) Fig. 3, observa-se que a adição MMT proporcionou aumento na estabilidade térmica, conforme a Tab. 3. Tab.3: Temperatura onset/endset e resíruos das amostras. Amostra T onset ( C) T endset ( C) T Máx ( C) Resíduo (%) MMT Glicerol Fécula de araruta ,5 F.F F.NC Massa (%) Fécula de Araruta MMT F.F F.N.C Glicerol DTG MMT Glicerol Fécula de Araruta F.F F.NC Temperatura C Temperatura ( C) a) b) Fig. 3: a) Curvas de TG. b) Curvas de DTA. Para os precursores e filme nanocompósito com 25% de glicerol e 8,5% de MMT (F.NC) e filme de fécula de araruta com 25% de glicerol sem MMT (F.F). Ao analisar as curvas de DCS dos precursores, Fig. 4, observa-se um único evento para MMT referente à umidade, um único evento para o glicerol referente à degradação e três eventos para a fécula de araruta. O primeiro evento para a fécula refere-se à umidade e a temperatura de gelatinização. O segundo evento endotérmico está relacionado a degradação nas regiões do granulo mais ricas na fase amorfa, já o terceiro evento refere-se à degradação nas regiões de maior cristalinidade do granulo. Pode-se observar que a nanoargila reduziu do evento de degradação referente à região de menor cristalinidade. 7671

7 MMT Glicerol Fluxo de calor (mg/w) Endo Fluxo de calor (mg/w) Endo Temperatura ( C) a Temperatura ( C) b Araruta F.NC Fluxo de calor (mg/w) Endo Temperatura ( C) c Fluxo de calor (mg/w) Endo Temperatura ( C) Fig. 4: Análise DSC. a) MMT, b) Glicerol, c) fécula, d) filmes com MMT (F.NC) e sem MMT (F.F) F.F d CONCLUSÕES Foi possível elaborar filmes a partir de fécula de araruta plastificados com glicerol. A adição de nanoargila hidrofílicas a esses filmes resultou em materiais homogêneos. Nos filmes elaborados nas condições ótimas (8,5% de MMT e 25% glicerol) foi observado que o mineral além de atuar como reforço, aumentou as propriedades de barreira e a estabilidade térmica. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES e ao PPEQ. REFERÊNCIAS 1. MALI, S.; GROSSMANN, M. V. E.; YAMASHITA, F. Filmes de amido: produção, propriedades e potencial de utilização. Ciências Agrárias, Londrina, v. 31, n. 1, p , jan./mar Disponível em: file:///d:/arquivos/downloads/ pb%20(11).pdf. 7672

8 2. LEONEL, M., CEREDA, M.P.; SARMENTO, S.B.S. Processamento de araruta (Maranta arudunacea) para extração e caracterização da fração amilácea. Brazilian Journal, p , Disponível em: 3. WILHELM, H.M.; Sierakowski, M. R.; Souza, G. P.; Wypych, F.;Carbohydr. Polym.2003.p CYRAS, V.P.; MANFREDI, L.B.; TON-THAT, M-T; VÁZQUEZ, A.; Physical and mechanicalproperties of thermoplastic starch/montmorillonite nanocomposites films.carbohydrate Polymer p TUNC,S.;ANGELLIER, H.; CAHYANA, Y.; CHALIER, P.; GONTARD, N.; GASTALDI, E. Funcional properties of wheat gluten/montmorillonite films processed by casting. Journal of Membrane Science p MECHANICAL PROPERTIES OF FILMS OBTAINED FROM STARCH ARROWROOT (arundinaceae Maranta), nanoclay and Glycerol Arrowroot starch may be used as polymer matrix in the production of biodegradable films. The films were produced by casting, the addition of plasticizers nanoclays and improve their properties. The analysis of the effects of different concentrations of plasticizer and nanoclay on the mechanical properties of starch films were performed using factorial central composite design. Analyzing the response surface, it was observed that lower concentrations of plasticizer and higher concentrations of nanoclays resulted in increased values of tensile strength and decreased deformation. From the statistical models generated, we determined the most appropriate formulation for the preparation of films. The desired formulation was characterized as the mechanical, thermal and barrier properties Key-words: properties mechanical, thermal, barrier, films, arrowroot, nanoclay. 7673