AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MISTURAS DE POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE (PEBD) E POLI(SS-HIDROXIBUTIRATO) (PHB).

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1 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MISTURAS DE POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE (PEBD) E POLI(SS-HIDROXIBUTIRATO) (PHB). Gustavo A. D. Burlein 1, Marisa C. G. Rocha 1 1 Instituto Tecnológico do Rio de Janeiro IPRJ Nova Friburgo - RJ gburlein@iprj.uerj.br Os polímeros sintéticos são produzidos basicamente a partir de matérias primas oriundas de fontes não renováveis (derivados do petróleo), e dão origem a materiais que demoram vários anos para sofrerem processos de decomposição. Por outro lado, a quantidade de resíduos de plásticos no lixo aumenta a cada ano, tornando premente a busca de materiais biodegradáveis com propriedades mecânicas satisfatórias. A proposta deste trabalho é avaliar o efeito da adição de poli (ß-hidroxibutirato) (PHB), em formulações de grades de polietileno usado em embalagens. Nesta fase inicial do projeto, misturas de polietileno (PE) e PHB (10, 20 e 30% p/p) foram processadas em extrusora de rosca dupla co-rotante, a 100 rpm. O perfil de temperatura adotado foi de 80/140/140/140 ºC. As propriedades mecânicas dos materiais produzidos foram avaliadas através de ensaios tradicionais de tração efetuados segundo a norma (ASTM D 638M). Foi verificado, nas misturas analisadas, que o aumento da porcentagem de PHB causa um aumento significativo no módulo de Young e redução no alongamento na ruptura do polietileno. Palavras-chave: polietileno; poli (ß-hidroxibutirato); biodegradação EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF MIXTURES OF LOW DENSITY POLYETHYLENE (LDPE) AND POLY (SS-HYDROXYBUTYRATE)(PHB). Nowadays, synthetic polymers are produced mainly from non renewable sources (oil derivatives). In order for a plastic material to be decomposed, it is necessary a long time, about one hundred years. Besides, the amount of plastic waste increases every year, so the search for biodegradable materials with good mechanical properties is urgent. The purpose of this study is to evaluate the effect of the addition of PHB in formulations of "grades" of polyethylene used in the packing industry. In this initial phase of the project, mixtures of PE and PHB (10, 20 and 30% w / w) were processed in the co rotating twin screw extruder at 100 rpm. The temperature profile adopted was the 80/140/140/140 C. The mechanical properties of the materials were determined through traditional tensile tests (ASTM D 638M). It was found that the increasing of the content of PHB in the blend, causes a significant increase in the modulus of Young and elongation at break of polyethylene. Keywords: polyethylene; poly (b-hidroxybutyrate; biodegradation Introdução Os polímeros sintéticos são produzidos principalmente a partir de petróleo, levando muitos anos para degradar, resultando em poluição ambiental. Cerca de 30% dos resíduos domésticos são Derivados de embalagens para alimentos: sacos e folhas em papel revestido. O impacto ambiental decorrente desse descarte, nos Estados Unidos da América é o despejo de mais de 160 milhões de toneladas anuais de lixo sólido no meio ambiente. Dessa massa total, 7% correspondem a plásticos, o que em volume equivale à quantia de 30%. Cada habitante norte-americano descarta 70 kg de lixo plástico por ano. Na Europa são 38 kg anuais e no Brasil algo da ordem de 10 kg anuais por

2 habitante. Na cidade de São Paulo, são produzidos ton/dia de lixo, dos quais, cerca de 10% é constituído de material plástico [1,2]. A queima ou a reciclagem são algumas das possibilidades de reduzir os descartes. Entretanto, durante a queima, água e dióxido de carbono são liberados, provocando um aumento na concentração de dióxido de carbono na atmosfera. Diante disso, o homem vem observando a necessidade da preservação do ambiente em que vive. Pesquisadores buscam soluções e criam novas tecnologias, utilizando materiais renováveis, na tentativa de resolver estes problemas. Para o gerenciamento do lixo plástico produzido em sociedade, a utilização de plásticos biodegradáveis é uma das alternativas que tem sido proposta. O uso de polímeros biodegradáveis pode ajudar a reduzir o impacto ambiental causado pelo acúmulo de resíduos plásticos em aterros sanitários [3]. Neste trabalho, misturas de polietileno com teores variáveis de (poli-β -hidroxibutirato) foram processadas em extrusora de rosca dupla, com o objetivo de verificar o efeito do PHB nas propriedades mecânicas e na biodegradação dos materiais produzidos Experimental Materiais utilizados Polietileno de baixa densidade (PEBD) Polietileno de baixa densidade (PEBD) (MFI=2,20g/10min ASTM D 1238), doado pela Petroquímica Triunfo (Brasil). O material na forma de pelelts apresenta com as seguintes características (Tabela 1). Tabela 1 - Características do PEBD. (*) Características do polietileno linear de baixa densidade (PEBD) Código do Produto TS 7028 Densidade (ASTM D 1505) 0,922 à 0,924 g/cm³ Índice de Fluidez (ASTM D 1238) 2,2 2,9 g/10min Tensão no Escoamento (ASTM D 638) 11 MPa Tensão na Ruptura (ASTM D 638) 12,5 MPa Antioxidante Octadecil 3 (3,5 di- terc- butil- 4 hidroxifenil) propiniato Antibloqueio Dióxido de Silício Deslizante Eurocamida (*) Dados fornecidos pelo fabricante. Poli(ß-hidroxibutirato) (PHB)

3 O PHB utilizado (lote 103) foi fornecido em forma de pó pela Biocycle. A densidade do polímero é 1,23 g/cm 3 e o índice de fluidez é igual a 18 g/10 min (ASTM D-1238, 190ºC, 2,160Kg) (5). Índice de fluidez (MFI). As determinações do índice de fluidez foram efetuadas em um plastômetro de extrusão Modelo MP993a - TINUS OLSEN padronizado de acordo com a Norma ASTM D Preparação das blendas Os materiais: polietileno e o PHB, depois de pesados e misturados em concentrações determinadas, foram submetidos à extrusão na extrusora de rosca dupla - Modelo DRC 22 D, L/Φ=36,4mm e Φ=22mm - EXTRUSÃO BRASIL, e processados com a velocidade de rotação igual a 100rpm. O perfil de temperatura adotado nas fases da extrusora, desde a zona de alimentação até a zona de dosagem, foi 90/140/140/140/140 0 C nas proporções de 90%, 80% e 70% de PEBD. Ensaios Mecânicos Os corpos de prova utilizados para os ensaios mecânicos foram preparados através da moldagem por injeção, utilizando uma temperatura de C e uma pressão de injeção de 175bar. Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de ensaios universal Shimadzu AG-I 100 kn. A velocidade do ensaio define a taxa de deformação que será aplicada ao polímero. A velocidade foi escolhida dentro de um intervalo fornecido pela norma técnica, de acordo com o comportamento mecânico do polímero (rígido ou semi-rígido) durante o ensaio e da geometria do corpo de prova a ser ensaiado. Os ensaios foram realizados segundo a Norma padrão ASTM D 638M [5]. Esta recomenda a utilização de uma velocidade que promova a ruptura do corpo de prova dentro de um intervalo de tempo compreendido entre meio e cinco minutos a partir do início do teste. Assim, foram feitos testes com três diferentes velocidades. A velocidade de afastamento das garras foi de 5mm/min. Para a realização dos ensaios foram preparados 5 corpos de prova através de moldagem por injeção sob temperatura controlada. As áreas transversais dos corpos de prova foram calculadas utilizando-se medidas de espessura e de largura, determinadas com um paquímetro. Resultados e discussão Determinação das condições de processamento Utilizando o planejamento fatorial 2 2, pode se verificar tanto o efeito de um fator sobre uma determinada variável de resposta, como determinar se há efeito de interação entre os fatores [6]. Neste trabalho, o efeito da velocidade de rotação dos parafusos e o perfil de temperatura no índice

4 de fluidez do PHB foi avaliado através do fatorial 2 2. Na, Tabela 2 são mostrados os níveis dos fatores analisados, assim como os resultados da determinação do MFI. Tabela 2 Planejamento fatorial 2 2. Ensaio Temperatura (ºC) Rotação (rpm) MFI (g/10min) 1 80/150/150/ ,4 2 80/155/160/ ,3 3 80/150/150/ ,1 4 80/155/160/ ,4 O efeito principal da temperatura, por definição, é a média dos efeitos da temperatura nos dois níveis de rotação (Equação 1) T = (1/2) ( x 2 x 1 ) + ( x 4 x 3 ) (1) Onde: x 1 = ao valor da variável de resposta (MFI) correspondente ao ensaio 1 x 2 = ao valor da variável de resposta (MFI) correspondente ao ensaio 2 x 3 = ao valor da variável de resposta (MFI) correspondente ao ensaio 3 x 4 = ao valor da variável de resposta (MFI) correspondente ao ensaio 4 O valor principal obtido foi (T = 59,15). Este valor mostra que o MFI sobe 59,15% em média quando a temperatura passa do nível inferior 80/150/150/150 C para o superior 80/155/160/160 C. Analisando agora o efeito principal da rotação (Equação 2). R = (1/2) ( x 4 + x 3 ) - ( x 1 + x 2 ) (2) Observando o resultado (R=1,4) pode-se perceber que a rotação é menos importante na variação do MFI do que a temperatura, e este fato foi comprovado com a extrusão do PHB em diversas condições. O MFI do PHB processado nas diversas condições é apresentado na Tabela 3. Tabela 3 MFI em diversas temperaturas e rotações. Temperatura (ºC) Rotação (RPM) MFI (g/10min) 80/155/160/ ,8 80/155/160/ ,3 80/155/160/ ,4 80/155/160/ ,4 80/155/160/ ,8 80/150/150/ ,1 80/150/150/ ,3 80/150/150/ ,4 80/140/140/ ,1 Com a definição das condições ótimas de extrusão foram preparadas as misturas do PEBD com PHB, velocidade de rotação igual a 100rpm. O perfil de temperatura adotado nas zonas da extrusora, desde a zona de alimentação até a zona de dosagem, foi 90/140/140/140/140 0 C.

5 Propriedades mecânicas A Tabela 4 apresenta os valores da resistência à tração, módulo de elasticidade e alongamento obtidos durante o ensaio de tração para o PEBD/PHB. Tabela 4 Resultados dos ensaios de tração para o PEBD/PHB. PEBD (100%) PEBD/PH B (90/10%) PEBD/PH B (80/20%) PEBD/PH B (70/30%) PHB (100%) Resistência à Tração (MPa) [Max stress] 12,23 9,84 8,93 8,86 25,42 Desvio-padrão 0,27 0,79 0,41 0,25 1,43 Módulo de Elasticidade. (MPa) [Tangent] 93,50 90,22 126,88 240, ,46 Desvio-padrão 4,03 7,65 7,49 13,64 73,17 Força Máxima (resiliência) (J) [Energy] 1,68 1,58 0,77 0,25 0,07 Desvio-Padrão 0,10 0,20 0,1 0,07 0,01 Alongamento na Ruptura (%) [Break Strain] 106,36 144,30 81,73 21,72 3,07 Desvio-Padrão 6,88 19,79 7,23 5,79 0,29 Os resultados mostram que a adição de teores crescentes de PHB ao polietileno causa uma diminuição na resistência à tração e no alongamento da ruptura (a partir de 10 %) dos materiais. O módulo de Young dos materiais aumenta significativamente quando concentrações altas de PHB são adicionadas ao polietileno, indicando que a adição do PHB ao PEBD leva a obtenção de materiais mais duros e quebradiços. Para utilização em embalagens, deve-se testar a utilização de concentrações mais baixas de PHB, uma vez que a adição de 10% de PHB não provocou um decréscimo tão grande no módulo do PEBD e ainda conduziu a um aumento no alongamento na ruptura. Conclusões 1- Para o PHB puro, a velocidade de rotação na extrusora dupla rosca é menos importante na variação do MFI que a temperatura, mostrando que a degradação do material ocorre com o aumento da temperatura. 2- O aumento da porcentagem de PHB nas misturas causa uma redução no alongamento na ruptura como seria esperado. 3- O módulo de elasticidade dos materiais processados aumenta com o aumento da concentração do PHB adicionada à matriz polimérica devido à alta cristalinidade deste polímero, sendo mais acentuado para as concentrações de 20% e 30% de PHB, tornando o material mais duro e quebradiço. 4- O acréscimo de PHB na matriz de polietileno provoca uma redução na resistência à tração. 5- Para utilização em embalagens, deve-se testar a utilização de concentrações mais baixas de PHB, uma vez que a adição de 10% de PHB não provocou um decréscimo tão grande no módulo do PEBD e ainda conduziu a um aumento no alongamento na ruptura.

6 Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq, CAPES, FAPERJ, ao Tecpol (IPRJ / UERJ) pela realização do processamento e ensaios mecânicos e reológicos. Referências Bibliográficas 1. E. L. Canto - Plástico: bem supérfluo ou mal necessário?, Editora Moderna, São Paulo, (1999). 2. J. G. C. Gomes; C. L. Bueno Netto - Produção de Plásticos Biodegradáveis por Bactérias, Rev. Bras. Eng. Quim., 17, p , (1997). 3. D.S. Rosa; et al Polymer Testing, 2004, 23, ASTM. ASTM D 1238: Melt flow rates of termoplastics by extrusion platomer. Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, ASTM. ASTM D 638M: Tensile properties os plastics. Annual Book of ASTM Standards, Part 35. Philadelphia, B. de Barros Neto, Como fazer experimentos: pesquisa e desenvolvimento na ciência e na indústria. Campinas: UNICAMP, 2007.