COMPÓSITO DE POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE E FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

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1 COMPÓSITO DE POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE E FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR Rosana L. Müller 1*, Cláudia M. Mählmann 2, Adriane L. Rodríguez 3, Nádia M. Baccar 4, Liliane Marquardt 5, Ana Lúcia B. Rohlfes 6 1*, 2, 4, 6 Depto. de Química e Física - Universidade de Santa Cruz do Sul, Av. Independência, 2293, Santa Cruz do Sul/RS 1* ro-muller@bol.com.br; 2 mclaudia@unisc.br; 4 nadia@unisc.br ; 6 albecker@unisc.br ; 3, 5 Depto. de Engenharia, Arq. e Ciências Agrárias Universidade de Santa Cruz do Sul- 3 adriane@unisc.br, 5 liliane@unisc.br Composite of low density polyethylene and sugarcane bagasse fiber This work has as objective to study the attainment of polymeric composites with vegetal fibre, evaluating the material obtained through its properties. The thermoplastic matrix used was the polyethylene of low density (Braskem - PB 526). As reinforcement was used sugarcane bagasse fiber. The fibres were prepared through the manual separation and cleanness. A portion of fibres was washed and dried. And another portion was treated with solution Hydroxide de Sodium (NaOH) 2% for 1 h, after treated it was washed and dried. The fibres were used for production of random distribution mats. The polyethylene and mats have been submitted to compression (5 min and 135ºC), and the composites with 24% the mass fiber fraction was attainment. The samples have been analyzed using the flexural and tension assays, hardness and absorption of water, following procedure described in technical norms. The results have shown an increase in the mechanical properties with the use of fibres without treatment. And it has indicated the possible occurrence of degradation of the fiber after the chemical treatment of the same ones. Introdução A produção de polímeros reforçados (compósitos poliméricos) tem sido alvo de estudo de muitos pesquisadores, que buscam melhorar as propriedades destes materiais e reduzir o custo do produto final. Diversos tipos de reforços vêm sendo utilizados, tendo as fibras vegetais um significativo destaque neste contexto. Os compósitos são principalmente usados nas indústrias: mecânica de precisão, aeronáutica, aeroespacial, ótica, médica e de material esportivo (1), e também podem ser aplicadas em áreas que vão desde a indústria automotiva, embalagens até a de construção civil. (2) É crescente o interesse na utilização de materiais lignocelulósicos, principalmente de fibras vegetais (sisal, juta, coco, banana, curauá), como reforço em compósitos de matriz polimérica. Isto está relacionado às propriedades e características das fibras vegetais, tais como: baixo custo, baixa densidade, flexibilidade no processamento, entre outras. Além disso, são fontes renováveis, moldáveis, não-abrasivas, biodegradáveis, combustíveis, reativas, etc. (2) As fibras vegetais estão se tornando alternativas econômicas e ecológicas para uso como reforços e cargas em plásticos. (3) Além disso, o desenvolvimento de compósitos de polímeros sintéticos com fibras naturais contribui para a redução da poluição ambiental, bem como para a criação de novos empregos e para a utilização de recursos naturais disponíveis. (3)

2 As fibras vegetais são bem mais baratas do que as fibras sintéticas e podem substituí-las em muitas aplicações onde o custo é fator mais importante do que a resistência. (4) Nos países tropicais, plantas fibrosas estão disponíveis em abundância, e algumas vezes suas fibras são consideradas resíduo de colheitas agrícolas. Portanto, sem custo adicional essas fibras podem ser obtidas para propósitos industriais. (4-7) As fibras vegetais são constituídas basicamente de celulose, lignina e hemicelulose, que influem diretamente em suas propriedades adesivas. Nos compósitos, a celulose é responsável pela ligação das fibras ao polímero, enquanto que a lignina atua impedindo a difusão da matriz na celulose, dificultando a aderência da fibra ao polímero. A composição química de lignocelulósicos é inerente de acordo com as necessidades das plantas. (8) A composição das fibras, e conseqüentes propriedades mecânicas, físicas e químicas, dependem da área de crescimento, condições de extração, idade, clima de cultivo, dentre outros fatores. A fibra de cana-de-açúcar é composta por, aproximadamente, 40% de celulose, 30% de hemicelulose e 20% de lignina. (9) A região interfacial é fundamental para as propriedades dos compósitos, pois é através dela que os esforços atuantes na matriz são transmitidos ao reforço. Métodos químicos e físicos podem ser usados para modificar a fibra e aperfeiçoar a interface. A maioria dos compósitos foi criada para melhorar combinações de características mecânicas, tais como a rigidez, tenacidade e resistência nas condições ambientes e a altas temperaturas (10), e permitir sua utilização em aplicações onde o polímero puro correria grande risco de falhar. (11) Materiais compósitos podem ser obtidos através de alguns processos, dentre estes está a moldagem por compressão a quente, que consiste em moldar a forma do material com aplicação de calor e pressão, dentro de um molde. Como as fibras vegetais degradam a temperaturas elevadas, a temperatura de processamento deve ser tal que permita a obtenção de misturas homogêneas, sem ocorrência de degradação de fibra. (12) As propriedades mecânicas dos compósitos dependem de diversos fatores, tais como o tipo, volume, orientação, dispersão da fibra na matriz polimérica, bem como a afinidade química entre fibra e matriz. A melhora das propriedades do produto final pode ser conseguida com da incorporação de fibras tratadas superficialmente com agentes de acoplamento a fim de aumentar a adesão interfacial entre fibra e matriz. (3) No presente trabalho as fibras vegetais utilizadas eram oriundas de agroindústrias familiares, sendo que as mesmas foram extraídas a partir do bagaço da cana-de-açúcar. Para tentar aumentar a adesão entre fibra e matriz foi utilizada solução de hidróxido de sódio (NaOH).

3 Experimental Matérias-Primas As matérias-primas utilizadas foram: fibra de cana-de-açúcar, cujo bagaço foi cedido por um produtor de doces da região; polietileno de baixa densidade (PEBD) virgem (Braskem- PB 526); hidróxido de sódio (NaOH). Obtenção e Avaliação das Amostras As fibras foram inicialmente separadas e limpas, após foram cortadas no comprimento de 2 cm e separadas em duas porções iguais. A primeira porção foi lavada e seca em estufa a 60 ºC durante cinco horas, e a segunda foi tratada com solução a 2% de NaOH durante uma hora a temperatura ambiente. Após o tratamento químico, as fibras foram lavadas e secas nas mesmas condições da primeira porção. Depois de separadas, tratadas e limpas, as fibras foram prensadas em uma prensa hidráulica para a obtenção de mantas (1 tonelada, 70 ºC). A produção das amostras, placas de compósito e também de resina pura, ocorreu através de moldagem por compressão a quente em uma prensa hidráulica. Os materiais foram colocados em um molde e este foi aquecido a 135ºC sem aplicação de pressão, após foi aplicada pressão de 4 toneladas. Na figura 1 é apresentada uma síntese dos materiais utilizados, parâmetros de processo empregados e amostras produzidas, bem como da codificação das mesmas. Fibra de cana-deaçúcar Manta Tratamento com NaOH 135 C, 4 ton Amostra Compósito PEBD VC Manta 135 C, 4 ton Amostra Compósito PEBD trat 1h PEBD Braskem- PB C, 4 ton Amostra PEBD V Figura 1 Síntese do processamento e formulação das amostras.

4 A avaliação das amostras foi realizada através dos ensaios, cujos procedimentos são descritos por normas técnicas, como segue: ٠ Tração: norma ASTM-D638, velocidade do ensaio de 500 mm/min, na Máquina Universal de Ensaios Mecânicos EMIC DL 10000; ٠ Flexão: norma ASTM-D790-03, velocidade do ensaio de 5,3 mm/min, na Máquina Universal de Ensaios Mecânicos EMIC DL 10000; ٠ Dureza: norma ASTM-D2240, com tempo de 4s no equipamento Durômetro Shore GSD 702 Teclock Politest, realizado em triplicata para cada amostra; ٠ Absorção de água: norma ASTM-D570; os corpos de prova foram cortados em pequenas dimensões, sendo os ensaios realizados em triplicata para cada tipo de amostra. Resultados e Discussão Observou-se o escurecimento das fibras após o tratamento químico, isto possivelmente tenha ocorrido devido à retirada parcial da lignina e da hemicelulose das fibras. Na figura 2 são apresentados os resultados do ensaio de tração, parâmetro tensão na força máxima, onde se observou um aumento na resistência mecânica das amostras com a inclusão das fibras sem tratamento químico. A inclusão de fibras tratadas com NaOH não alterou significativamente o valor da tensão, apresentando uma pequena diminuição no valor médio desta propriedade comparada com o compósito com fibra sem tratamento, indicando uma possível ocorrência de degradação da fibra. Tensão na Força Máxima (MPa) Amostras PEBD V PEBD VC PEBD VC trat 1h Figura 2 - Resultados do Ensaio de Tração Tensão na Força Máxima.

5 Na figura 3 são apresentados os resultados do ensaio de tração, parâmetro módulo de elasticidade, onde se verificou um aumento do módulo com a inclusão de fibras sem tratamento e de fibras tratadas, sendo a aumento mais significativo para a amostra com fibras sem tratamento, cujo módulo é quase três vezes maior que o do PEBD puro. Módulo de Elasticidade (MPa) Amostras PEBD V PEBD VC PEBD VC trat 1h Figura 3 - Resultados do Ensaio de Tração Módulo de Elasticidade. A figura 4 mostra os resultados do ensaio de flexão, parâmetro tensão na força máxima, onde houve duplicação do valor da tensão quando foram adicionadas fibras sem tratamento à matriz termoplástica. Tensão na Força Máxima (MPa) 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Amostras PEBD V PEBD VC Figura 4 - Resultados do Ensaio de Flexão Tensão na Força Máxima. Através do ensaio de flexão observou-se que o valor do módulo de elasticidade do compósito é maior que o valor da matriz pura. A adição das fibras sem tratamento duplicou o valor do módulo de elasticidade (figura 5).

6 Módulo de Elasticidade (MPa) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Amostras PEBD V PEBD VC Figura 5 - Resultados do Ensaio de Flexão Módulo de Elasticidade. O ensaio de dureza (tabela 1) mostra que houve aumento no valor com a inclusão de fibras sem tratamento, e permaneceu praticamente inalterado com a adição de fibras tratadas com NaOH, quando comparado com a amostra de polímero puro. Tabela 1 Resultados do ensaio de Dureza. Amostras Dureza (± 5% Shore D) PEBD V 72,66 PEBD VC 87 PEBD VC trat 1h 73 O ensaio de Absorção de água (tabela 2) mostra que os compósitos obtiveram um alto teor de absorção, sendo 20,6% para a amostra com fibras sem tratamento e 19,1% para a amostra com fibras com tratamento. O tratamento químico não proporcionou uma alteração significativa na propriedade higroscópica das fibras. Tabela 2 Resultados do ensaio de Absorção de água. Amostras Teor de Absorção de Água (%) PEBD VC 20,6 PEBD VC trat 1h 19,1

7 Conclusões As amostras compósitas com fibras sem tratamento químico apresentaram bons resultados em todos os ensaios mecânicos. No ensaio de tração houve aumento da resistência mecânica com a adição das fibras, e o módulo se elasticidade triplicou, quando comparado com a matriz pura. Para as amostras reforçadas com fibras com tratamento químico com hidróxido de sódio o parâmetro tensão na força máxima do ensaio de tração mostrou um pequeno aumento com a inclusão das fibras, porém o módulo de elasticidade superou em 63% a matriz pura. Devido ao seu alto módulo de elasticidade, as fibras contribuíram com esta propriedade quando foram inseridas na matriz polimérica. O ensaio de flexão, realizado com as amostras com fibras sem tratamento químico, mostrou que a tensão na força máxima e o módulo de elasticidade tiveram o seu valor dobrado quando comparado à matriz pura, o que significa que o compósito suportou uma maior tensão sem ser permanentemente deformado. Através do ensaio de dureza, observou-se que, a amostra com fibras sem tratamento químico teve sua dureza aumentada. O tratamento químico com NaOH não proporcionou melhora nesta propriedade. Devido ao alto teor de água absorvido tanto pelas amostras com fibras sem tratamento e com tratamento, o uso destes compósitos pode não ser apropriado, dependendo da utilidade. As placas de compósito devem passar por um pós-tratamento de impermeabilização, para que a umidade não interfira nas propriedades do material. De uma forma geral os resultados alcançados foram melhores para as amostras reforçadas com fibras sem tratamento, pois as propriedades da matriz polimérica foram melhoradas com a inclusão de tais fibras. Os resultados encontrados sugerem que o tratamento químico realizado, além de retirar parcialmente lignina e hemicelulose, possivelmente tenha degradado a fibra. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio recebido da Secretaria de Ciência e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Sul, da FAPERGS, do Pólo de Modernização Tecnológica do Vale do Rio Pardo e do Programa de Iniciação Científica da UNISC.

8 Referências Bibliográficas 1. Mano, E. B. Polímeros como Materiais de Engenharia. Edgard Blücher Ltda, São Paulo, Tita, S.P.S.; Paiva, J.M.; Frollini, E. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2002, 12, Bonelli, C. M. C; Elzubair, A.; Suarez, J. C. M.; Mano, E. B. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2005,15, 4, Joseph K.; Medeiros, E. S.; Carvalho, L. H. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 1999, 9, 4, Idicula, M.; Malhotra, S. K.; Joseph, K.; Thomas, S. Composites Science and Technology, 2005, 65, Sapuan, S.M.; Leenie, A.; Harimi, M.; Beng, Y. K. Materials and Design, 2006, 27, Bledzki, a.k.; Gassan, J. Progress in Polymer Science, 1999, 24, Reddy, N.; Yang, Y. Trends in Biotechnology, 2005, 23, 1, Mohanty, A. K.; Misra, M.; Drzal, L. T. Natural Fibers, Biopolymers, and Biocomposites. Taylor & Francis Group CRC Press, Callister, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. LTC, Rio de Janeiro, Canevarollo, S. V. Jr. Ciência dos polímeros: um texto básico para tecnólogos e engenheiros. Artliber, São Paulo, Ishizaki, M. H. et al. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2006, 16, 3, 182.