POLIPROPILENO RECICLADO REFORÇADO POR FIBRAS DE PIAÇAVA: PROPRIEDADES FÍSICAS

Transcrição

1 POLIPROPILENO RECICLADO REFORÇADO POR FIBRAS DE PIAÇAVA: PROPRIEDADES FÍSICAS S. G. Nunes 1,2*, T. E. Borges 1, L. V. da Silva 2, S. C. Amico 2, F. D. R. Amado 1, D. D. Damm 1. * stephaniegnunes@hotmail.com 1 - Universidade Estadual de Santa Cruz (UESC) 2 - Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) RESUMO Este trabalho tem como objetivo reforçar polipropileno residual (PPr) com fibra de piaçava (FP) auxiliado por polipropileno funcionalizado com anidrido maleico (MAPP). Foram produzidas por extrusão/injeção formulações com diferentes teores de FP (10, 20 e 30% em peso) e de MAPP (0, 2 e 10% em peso) e analisadas por termogravimetria, temperatura de deflexão térmica, calorimetria exploratória diferencial, índice de fluidez e densidade. A adição de FP reduziu a temperatura de início de decomposição e a de decomposição. A adição de FP também reduziu o grau de cristalinidade e a temperatura de cristalização em comparação ao PPr. A formulação de maior IF foi a 80/10/10% em peso e a de maior densidade a 60/10/30% em peso. Assim, houve indicativos de que a FP poderia ser utilizada como reforço de PPr, contribuindo para a diminuição do passivo ambiental. Palavras-chave: Termoplásticos reforçados, Fibras de Piaçava, PP residual, MAPP. 1 INTRODUÇÃO A quantidade de resíduos sólidos tem apresentado um elevado crescimento no cenário mundial pois está relacionado ao consumo de materiais de difícil degradação, potencialmente agressivos ao homem e ao meio ambiente [1]. O elevado volume de resíduos e seu impacto negativo no meio ambiente levaram ao surgimento do conceito Green Building, cujo objetivo é a concepção de produtos 2383

2 com reduzido impacto ao meio ambiente pelo uso de recursos renováveis, e assim alcançar uma melhor relação produto-ambiente-sociedade [2]. Por causa da sua elevada aceitação pela população mundial e pela baixa degradabilidade, os materiais poliméricos são considerados um problema ambiental. Dentre os polímeros mais utilizados, destaca-se o polipropileno (PP). Outros materiais descartados, mas não tão populares como resíduos, são algumas fibras naturais. Estas também se destacam pelo volume crescente de produção no Brasil e também demandam soluções para sua disposição final. Tais fibras têm sido investigadas para uso como reforço em materiais compósitos de matriz termoplástica, pois possuem propriedades como baixa densidade, baixo custo, biodegradabilidade, renovabilidade e atoxicidade [3]. Como materiais poliméricos são hidrofóbicos não irão facilmente interagir com fibras naturais, logo o uso de agente compatibilizante proporcionará a diminuição das tensões interfaciais e melhorará a adesão entre as fases, e consequentemente as propriedades térmicas destes compósitos. O agente compatibilizante de maior uso é o anidrido maleico funcionalizado com o polipropileno (MAPP). Logo, o principal objetivo desse trabalho é o desenvolvimento e estudo de compósitos de PP reciclado (PPr), fibra de piaçava in natura (FP) e o MAPP, visando o aproveitamento e diminuição de resíduos sólidos no meio ambiente. 2 MATERIAIS E MÉTODOS As fibras de piaçava foram doadas por uma Cooperativa de Produtores Rurais na Bahia e foram caracterizadas pelo fornecedor como sendo piaçava sem beneficiamento e reciclada da apara da produção comercial. As FP foram secas em uma estufa a 110 o C por 4 h para a completa retirada da umidade e de voláteis presentes. O PPr foi coletado dentro da UESC, sendo em sua maioria copos de energéticos, potes de margarinas, garrafões e tampas de garrafas de água mineral. O PPr foi moído em moinho de facas com uma peneira de 16 mesh. Seis diferentes composições com variados teores de PPr, FP (10, 20 e 30%) e MAPP da Arkema (0, 2 e 10%) foram processadas em extrusora dupla-rosca e posteriormente injetadas para obtenção de amostras. Ensaio de densidade foi realizado no SENAI-CIMATEC em Salvador de acordo com a norma ASTM D792. A densidade das amostras foi determinada pelo método de 2384

3 Densidade (g/cm 3 ) Densidade (g/cm 3 ) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Arquimedes utilizando água destilada. A temperatura de deflexão térmica (HDT) foi avaliada segundo a norma ASTM D648, com uma taxa de aquecimento de 120 ºC/h e uma tensão aplicada de 1,82 MPa. A estabilidade térmica das amostras foi avaliada com a norma ASTM E1131, e a análise termogravimétrica (TGA) foi realizada sob atmosfera de nitrogênio (N 2 ) com taxa de aquecimento de 20 ºC/min, de 25 a 900 ºC. Calorimetria exploratória diferencial (DSC) foi realizada a uma taxa de 10 o C/min de 25 a 190 ºC, de acordo com a norma ASTM D3417. O índice de fluidez (IF) foi medido de acordo com a norma ASTM D1238, a uma temperatura de 190 ºC, com tempo de pré-aquecimento de 300 s e carga de 2,160 kg. 3 RESULTADOS Os valores de densidade das composições estão indicadas na Figura 1. Pode-se observar que à medida que aumenta o teor de FP aumenta a densidade dos materiais, pois a FP possui uma densidade superior à do PPr. Quando comparado com os valores teóricos provenientes da regra da mistura, os valores medidos se mostraram levemente inferiores, e esta diferença pode ser devido a vazios nas amostras [4] ou a valores aproximados das densidades dos constituintes Figura 1. a) Valores de densidade pelo método de Arquimedes; b) Densidade teórica baseada na regra das misturas. Na Figura 2 encontra-se os resultados do ensaio de HDT. Foi evidenciado que os compósitos contendo um maior teor de FP apresentaram maior HDT, com uma tendência mais pronunciada para o compósito com 30% de FP. De acordo com 2385

4 Temperatura ( o C) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Borsoi [5], a adição de fibras naturais em matrizes poliméricas aumenta a rigidez do composto, ocasionando um aumento da temperatura de deflexão térmica Figura 2. Temperatura HDT obtida para as formulações estudadas. Na Figura 3 pode-se observar o perfil de degradação térmica da fibra de piaçava, do PPr e dos compósitos. Na Figura 3a, pode-se observar que a faixa de temperatura onde ocorre 8 % da perda mássica da FP foi de 50 a 150 ºC, que é a faixa de temperatura relativa à perda de umidade e substâncias voláteis contida na piaçava. O início da degradação propriamente dita da FP ocorre próximo a 230 ºC. A Figura 3b, mostra a curva da primeira derivada da perda de massa (DTG), e para a piaçava se observa dois picos, o primeiro ( 300 ºC) relacionado à degradação da hemicelulose e o segundo ( 380 ºC) à degradação da celulose, o que equivale à máxima taxa de decomposição da piaçava. A região na faixa de temperatura de o C é a da degradação da lignina, restando, após isso, material inorgânico. Este valor é similar ao valor de 40% reportado para a piaçava por Aquino [6]. Para o PPr puro ( ), a faixa de decomposição ocorreu em uma única etapa, tendo seu início e fim em aproximadamente 415 e 480 ºC, respectivamente. A temperatura onde ocorre 10% da perda de massa para o PPr puro foi de 470 C, enquanto que com 20% de FP a temperatura reduziu para 425 ºC. Logo, a adição de FP reduziu a temperatura de início de decomposição do material, sendo o PPr puro a formulação de maior estabilidade térmica. Os compósitos com maiores teores de FP produziram um teor mais elevado de resíduo ao final da análise. De acordo com Borsoi [5], a presença do agente compatibilizante pode acelerar a decomposição dos compósitos pois os compósitos compatibilizados apresentam 2386

5 maior interação interfacial, fazendo com que haja uma maior interação entre os processos de degradação dos componentes. Figura 3. Curvas termogravimétricas (a) e curvas da primeira derivada da perda de massa em função da temperatura (b). A Figura 4 mostra as curvas de resfriamento e de 2º aquecimento do PPr e dos compósitos e por DSC, evidenciando as temperaturas de cristalização e de fusão. Pode ser verificado que os picos apresentam um comportamento simétrico, porém com mudança na intensidade, sendo o pico correspondente ao composto o de menor intensidade. Na curva resfriamento, o primeiro pico de cristalização identificado ocorre a uma temperatura de 127,5 C, sendo provavelmente relativo ao PEBD, que é muito utilizado combinado ao PP, principalmente em tampas de garrafas de água mineral, que foi uma das principais fontes de PPr na coleta. O segundo pico de cristalização identificado foi a uma temperatura de 165 C, relativo ao PPr. As temperaturas de fusão e cristalização das formulações analisadas foram muito próximas, sem variação significativa. Na curva de aquecimento, houve diminuição da entalpia de fusão do PPr (71,5 J/g) para os compósitos (57,5 J/g) e de (57,1 J/g), coerente com a diminuição de material fusível na mistura. O PPr também obteve um grau de cristalinidade superior às demais formulações. De acordo com Ota [7], o aumento do teor de fibras causa obstrução mecânica durante o processo de empacotamento, reduzindo a taxa de cristalinidade do material com fibra. 2387

6 Índice de Fluidez (g/10mim) Fluxo de Calor (W/g) Fluxo de Calor (W/g) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Temperatura o C Temperatura o C Figura 4. a) Curvas de resfriamento; e b) curvas de 2º aquecimento do DSC A Figura 5 mostra os resultados de índices de fluidez do PPr e de seus compósitos. De acordo com estudos já realizados [7], para maiores teores de fibra incorporado na matriz, menor será o IF, pois a presença da fibra dificulta o escoamento pelo aumento da viscosidade. Dessa forma, os polímeros reforçados tendem a um menor índice de fluidez em relação à matriz e consequentemente uma maior viscosidade. Porém, ao se observar a Figura 5, nota-se um comportamento distinto nas formulações estudadas. A formulação com 10% de carga foi a que apresentou um maior índice de fluidez, 3,1 g/10 min, enquanto a formulação , teve um IF de 2,5 g/10 min. Entretanto, analisando apenas as formulações com 10% de MAPP pode-se observar que há uma tendência, pois o IF diminui à medida que se aumenta o teor de FP, seguindo assim o padrão da literatura referenciada. Logo, pode-se concluir que o MAPP pode aumentar o IF do composto Figura 5. Índice de fluidez do PPr e de seus compósitos. 2388

7 4 CONCLUSÃO Os ensaios térmicos mostraram que quanto maior a concentração de FP no compósito, maior a temperatura de deflexão térmica, pois maior é a rigidez do material. Na análise termogravimétrica, os compósitos não seguiram uma tendência clara com a adição de fibra, sendo a composição a de menor e a a de maior estabilidade térmica. A adição de FP reduziu a temperatura de início de decomposição do material. Além das fibras, o MAPP também pode estar acelerando a degradação dos compósitos, e análise das formulações e , deverão ser realizadas para a confirmação dessas suposições. No DSC, a adição de FP influenciou o grau de cristalinidade e a temperatura de cristalização do PPr nos compósitos, sendo os valores das formulações contendo FP reduzidas em relação à matriz de PPr, porém essa redução não foi muito significativa. Para que essa conclusão possa ser melhor referenciada, uma análise com as demais formulações ( , e ) precisa ser realizada. O DSC comprovou pela presença de dois picos no termograma a contaminação por polietileno das amostras devido à origem do PPr. De qualquer maneira, as curvas de DSC se comportaram de maneira similar para todas as amostras ensaiadas, indicando sua homogeneidade e semelhança. No ensaio reológico, o fato do IF ter aumentado em relação a matriz de PPr pode ser devido à influência do MAPP na composição, porém esse fato deve ser melhor analisado. 5 REFERÊNCIAS 1. DA SILVA, M. A. Obtenção e Caracterização de Compósitos Cimentícios Reforçados com Fibras de Papel de Embalagens de Cimento Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. 2. DA SILVA, E. P.; SOARES, M.P.; BOLDT, R.S. Aplicação do Compósito AKS7 no Design de Móveis. In: Anais do 2 Simpósio Brasileiro de Design Sustentável. São Paulo, Brasil, CRISTALDE, G., LATTERI, A., RECCA, G. & CICALA, G. Composites Based on Natural Fibre Fabrics. Woven Fabric Engineering. August 18, 2010: pages

8 4. POŁEC, I. et al. Die drawn wood polymer composites. I. Mechanical properties. Composites Science and Technology, p , September. United Kingdom, BORSOI, C. et al. Obtenção e Caracterização de Compósitos Utilizando Poliestireno como Matriz e Resíduos de Fibras de Algodão da Indústria Têxtil como Reforço. Polímeros, vol. 21, nº 4, p , AQUINO, R. C. M. P. Desenvolvimento de Compósitos de Fibras de Piaçava da Espécie Attalea Funifera Mart e Matriz de Resina Poliéster Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais) - Universidade Estadual do Norte Fluminense. 7. OTA, W. N. Análise de Compósitos de Polipropileno e Fibras de Vidro Utilizados pela Indústria Automotiva Nacional Dissertação (Mestrado em Engenharia) Universidade Federal do Paraná. RECYCLED POLYPROPYLENE REINFORCED WITH PIASSAVA FIBER: PHYSICAL PROPERTIES ABSTRACT The Recycling has contributed to sustainable development. This paper aims to enhance residual polypropylene (PPr) with piassava fiber (PF) aided by maleic anhydride functionalized polypropylene (MAPP). Were produced by extrusion / injection formulations with different levels of PF (10, 20 and 30% by weight) and MAPP (0, 2 to 10% by weight) and analyzed by thermogravimetry, heat deflection temperature, differential scanning calorimetry, index fluidity and density. The addition of PF reduced the onset temperature of decomposition, besides the decomposition temperature, 470 C (pure PrP) to 425 C (20% GF). The FP also reduced the degree of crystallinity and the crystallization temperature as compared to PPr. The formulation was higher IF was 80/10/10% and higher density was 60/10/30%. We conclude that the FP can be used as reinforcement of PPr, thereby contributing to the reduction of environmental liabilities. Key-Words: Reinforced thermoplastics, Piassava fiber, residual PP, MAPP. 2390