ESTUDO SOBRE COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO RECICLADO E FIBRAS DE BANANEIRA

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1 ESTUDO SOBRE COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO RECICLADO E FIBRAS DE BANANEIRA Filipe V. Zerwes 1, Cláudia M. Mählmann 2*, Adriane L. Rodríguez 3, Liane M. Kipper 4 1, 2*, 4 Depto. de Química e Física - Universidade de Santa Cruz do Sul, Av. Independência, 2293, Santa Cruz do Sul/RS - 1 filipez@mx2.unisc.br; 2* mclaudia@unisc.br; 4 liane@unisc.br; 3 Depto. de Engenharia Arquitetura e Ciências Agrárias Universidade de Santa Cruz do Sul- 3 adriane@unisc.br Study about composites of recycled polypropylene and banana tree fibers In this work are presented the results of the study of composites characterization of polypropylene (PP) matrix (virgin and post-consume) with fibres extracted from the banana tree as dispersed phase. After the fibres extraction, they were washed and dried and mats have been confectioned with this material. The polypropylene post-consume was milled and processed by extrusion. The composites have been processed by compression molding to 18 C and 4 ton, with 24% fibre mass fraction. Fibres of average lengths of 2 cm (for two types of matrix) and 4 cm or 6 cm (only for the postconsume matrix) have been used. The composites properties have been evaluated through the tension, density, flexural and hardness Shore D tests. The use of banana tree fibres has resulted in the modification of the material properties when compared to the samples of pure polymer. Plates with homogeneous distribution of fibre have been obtained, and in most of cases, an increase of the mechanical properties was verified with the use of banana tree fibres. Introdução Apesar dos polímeros terem historicamente contribuído imensamente para o desenvolvimento tecnológico mundial e conseqüentemente, aumentando a qualidade de vida do homem moderno, o uso continuado destes materiais tem trazido preocupações para a sociedade. Isto porque, em sua grande maioria, apresentam baixa reciclabilidade e grande poder cumulativo na biosfera, particularmente devido a sua baixa biodegradabilidade e origem não renovável (petróleo). (1) Uma das formas utilizadas para minimizar os impactos ambientais decorrentes da disposição inadequada de resíduos poliméricos, mais especificadamente plásticos, em aterros sanitários e lixões é a reciclagem. Este processo possibilita a reutilização desse tipo de material para emprego em diferentes produtos. Assim, uma das aplicações deste tipo de resíduo pode ser para a obtenção de materiais compósitos poliméricos. Um termoplástico bastante consumido, e conseqüentemente descartado, é o polipropileno, cuja reciclagem e emprego em compósitos é tema deste estudo. Compósitos poliméricos, reforçados com materiais de natureza fibrosa, têm uma larga aplicação em diversos setores industriais, como o de embalagens, da construção civil, automotivo,

2 entre outros. O importante em um compósito é que as propriedades finais do compósito devem ser a soma das propriedades de seus componentes individualmente. Fibras vegetais vêm cada vez mais sendo usadas para a composição de compósitos poliméricos, onde se destacam as fibras de sisal, juta, rami, entre outras. Neste trabalho foi estudada a utilização de fibras de bananeira como fase dispersa em matriz pós-consumo. As fibras de bananeira são produzidas a partir das bainhas foliares extraídas do pseudocaule da bananeira. O corte do pseudocaule é uma prática adotada no sistema de cultivo da banana. Nos países tropicais plantas fibrosas estão disponíveis em abundância e algumas delas, como a bananeira, são resíduos de colheitas agrícolas. Atualmente, fibra de bananeira é um produto desperdiçado do cultivo da banana. Portanto, sem custo adicional, a fibra da bananeira pode ser obtida para propósitos industriais. (2) Cada fibra vegetal (fibra técnica) é um feixe constituído por fibras elementares que, por sua vez, compõem-se de microfibras. Essas microfibras são ricas em celulose. As diversas fibras elementares que compõem a fibra técnica encontram-se unidas pela hemicelulose, pectina e, principalmente, lignina. (3-6) Na tabela 1 são apresentas algumas propriedades das fibras de bananeira. Tabela 1 - Propriedades das fibras de bananeira. Propriedade Física Valores para a fibra de bananeira Densidade 1,35 g/cm 3 Elongação de ruptura 5 6% Conteúdo de celulose 63 64% Conteúdo de lignina 5,% Força de tensão 55 ± 6,7 MPa Módulo de Young 2GPa Diâmetro 12 ± 5,8 µm Fonte: IDICULA et al., 25. (7) Estudos anteriores indicaram que a fibra de bananeira é um reforço efetivo em matrizes poliméricas para fazer compósitos eficazes. (8-9) Os Compósitos com matriz polimérica consistem em uma resina polimérica como a fase matriz e fibras como fase dispersa. Esses materiais são usados na mais ampla diversidade de aplicações dos compósitos, bem como nas maiores, em vista de suas propriedades à temperatura ambiente, de sua facilidade de fabricação e de seu custo. (1)

3 No presente trabalho foram estudados compósitos com matriz polimérica de o polipropileno (PP) reciclado e virgem, tendo como reforço a fibra extraída do pseudocaule da bananeira, o qual é considerado rejeito, uma vez que, após serem colhidos os frutos, necessita ser cortado. Experimental Extração e preparo das fibras Após o corte do pseudocaule de bananeira as fibras foram extraídas manualmente, em laboratório, lavadas e secas em estufa durante 3minutos e temperatura de 8 C. Posteriormente as fibras foram cortadas com comprimento médio de 2cm, 4cm ou 6cm e secas novamente em estufa (temperatura de 8 C) e acondicionadas em local seco. Preparo da matriz polimérica Após a coleta do polipropileno pós-consumo, das garrafas de água mineral de 2L, foi realizada a limpeza e trituração em um moinho de facas de marca MECANOFAR modelo ES3, e a extrusão e obtenção dos pellets.também foi utilizado o polímero virgem Prolen 2L, produzido pela Petroquímica Ipiranga. Obtenção do compósito Inicialmente foram confeccionadas as mantas com as fibras, através da prensagem sob 6 ton e temperatura de 8 C. As placas de material compósito foram formuladas com fração mássica de fibras de 24%, com comprimentos médios de 2 cm, com os dois tipos de matriz, e de 4 cm ou 6 cm, com a matriz pós-consumo. Para a composição das placas os materiais foram distribuídos no molde em forma de sanduíche, tendo sido processadas a 18 C sob 4 ton. Após o resfriamento à temperatura ambiente, as amostras foram retiradas do molde. Foram também processadas amostras de polímero puro, sob mesmas condições de processamento. Inicialmente foram processados e analisados os compósitos com matriz pós-consumo. E a partir dos resultados obtidos foi escolhida a fibra de 2 cm para a confecção do compósito com matriz virgem. Depois de confeccionadas as placas os corpos de prova para os ensaios de tração e flexão foram cortados. Na figura 1 são apresentados os corpos de prova para o ensaio de flexão (esquerda) e tração, compósitos com fibras de 2 cm de comprimento e de polímero puro.

4 Figura 1 Corpos de prova (da esquerda para a direita) para o ensaio de flexão: compósito PP virgem, e PP virgem puro; para o ensaio de tração: compósito PP pós-consumo, e PP pósconsumo, todos com fibras de 2 cm de comprimento. As amostras foram codificadas segundo sua composição como apresentado na tabela 2. Tabela 2 Codificação e composição das amostras processadas. Codificação Composição PP-PÓS Polipropileno pós-consumo puro C PP PÓS Compósito polipropileno pós-consumo com fibra de 2 cm PP V Polipropileno virgem puro C PP V Compósito polipropileno virgem com fibra de 2 cm C PP PÓS 4cm Compósito polipropileno pós-consumo com fibra de 4 cm C PP PÓS 6cm Compósito polipropileno pós-consumo com fibra de 6 cm Avaliação das amostras A fim de avaliar as propriedades físico-mecânicas das amostras realizaram-se os ensaios de: Tração segundo procedimento descrito na norma ASTM-D638-3, em uma máquina universal de ensaios EMIC DL 1, velocidade de 5 mm/ min e célula de carga de 5 kgf; Densidade - segundo procedimento descrito na norma ASTM D618-5, realizada em uma balança analítica para ensaio de densidade da marca Import Denver Instrument Company. Flexão - segundo procedimento descrito na norma ASTM D79, em uma máquina universal de ensaios EMIC DL 1, velocidade de 5,3 mm/ min e célula de carga de 1 kgf;

5 Dureza Shore D - conforme procedimento descrito em norma ASTM D224, em um Durômetro Shore GSD 72 Teclock Politest. Resultados e Discussão Na figura 2 são apresentadas as fibras extraídas manualmente do pseudocaule de bananeira. Figura 2 - Fibras retiradas do pseudocaule da bananeira. Na figura 3 estão apresentados os resultados do módulo de elasticidade do ensaio de tração para os polímeros virgem e pós-consumo, e seus respectivos compósitos com as fibras medindo 2cm. E observou-se que a introdução das fibras fez com que essa propriedade fosse aumentada para ambas matrizes utilizadas. Sendo que para o caso da matriz pós-consumo foi observado um aumento de 93% no módulo de elasticidade, e para a matriz virgem foi verificado um aumento de 7%. A incorporação da fibra nas matrizes estudadas causou o aumento na rigidez do material, indicando boa adesão fibra/matriz. Ainda, deve-se ressaltar o maior aumento para o caso de matriz pós-consumo, indicando que houve molhabilidade adequada das fibras durante o processamento dos compósitos.

6 E (MPa) PP-PÓS C PP-PÓS PP-V C PP-V Figura 3 Resultados do módulo de elasticidade dos compósitos com fibras de 2cm, e do polímero puro virgem e pós-consumo. Na figura 4 são apresentados os resultados de módulo de elasticidade dos compósitos com fibras de 2cm, 4cm e 6 cm, onde se pôde constatar que o módulo de elasticidade aumentou com o aumento do comprimento das fibras. Tendo sido mais significativo o aumento da amostra com fibra de 4 cm em relação à amostra com fibra de 2cm, indicando a eficiência desse tipo de reforço com distribuição randômica do mesmo para comprimentos de 4 cm, e a ineficiência para a fibra de maior comprimento, uma vez que não ocorreu variação significativa comparada ao compósito com fibra de 4 cm E (MPa) C PP-PÓS C PP-PÓS 4cm C PP-PÓS 6cm Figura 4 - Resultados do ensaio de tração - módulo de elasticidade dos compósitos com matriz pósconsumo com fibras de 2cm, 4cm e 6cm. Na figura 5 podem-se observar os resultados obtidos para tensão na força máxima para os polímeros virgem e pós-consumo, e seus respectivos compósitos com as fibras medindo 2cm, 4cm e 6cm. Observou-se a diminuição da tensão com a inclusão das fibras de 2cm, e aumento para os

7 compósitos com fibra de 4cm quando comparado com a amostra de polipropileno puro pósconsumo. As variações observadas para esta propriedade foram pequenas, tendo sido menos efetiva para a amostra de 6 cm, confirmando os resultados do módulo para esta amostra, e indicando que a utilização de fibras de maior comprimento impede a melhor adesão fibra/matriz, provavelmente devido ao problema com a distribuição das fibras na matriz vinculado ao maior comprimento. 4 3 Tensão na Força Máxima 2 (MPa) 1 PP-V C PP-V PP-PÓS C PP-PÓS C PP-PÓS 4cm C PP-PÓS 6cm Figura 5 Resultados obtidos com a realização dos ensaios de tração para tensão força máxima. Os resultados obtidos no ensaio de flexão para o parâmetro módulo de elasticidade com fibra medindo 2cm, 4cm e 6cm e para as amostras de polímero puro, são apresentados na figura 6, em relação ao polímero puro foi observada a queda desta propriedade com a inclusão das fibras de 2 cm. Já para os compósitos com matriz pós-consumo e fibras medindo 4cm e 6cm observou-se o aumento nesta propriedade com o aumento do comprimento das fibras. Na flexão, assim como no ensaio de tração, foi observado menor módulo de elasticidade para a amostra de PP pós-consumo. E (MPa) PP-V C PP-V PP-PÓS C PP-PÓS C PP-PÓS 4cm C PP-PÓS 6cm Figura 6 Resultados do ensaio de flexão para o módulo de elasticidade.

8 No parâmetro tensão força máxima do ensaio de flexão (figura 7), observou-se uma diminuição com a inserção das fibras de 2 cm. E comparando-se as amostras de compósitos PP/fibra observou-se o aumento dessa propriedade com o aumento do comprimento da fibra, seguindo o mesmo perfil observado para o módulo de elasticidade em flexão. Tensão na Força Máxima (MPa),8,6,4,2 PP-V C PP-V PP-PÓS C PP-PÓS C PP-PÓS 4cm C PP-PÓS 6cm Figura 7 Resultados do ensaio de flexão para tensão força máxima. Através do ensaio de Densidade (figura 8) pôde-se observar a diminuição da densidade do material com a inclusão das fibras para os três comprimentos estudados. Esta diminuição dos valores indica a possibilidade de ocorrência de poros, tendo sido menor para o compósito com matriz de PP virgem. No caso dos compósitos com matriz pós-consumo a variação foi menor para as amostras com fibras de maior comprimento, possivelmente pela menor dificuldade de a matriz molhar as fibras devido ao maior comprimento e conseqüente maior distância entre elas. 1 Densidade (g/cm 3 ),8,6,4,2 PP-V C PP-V PP-PÓS C PP-PÓS C PP-PÓS 4cm C PP-PÓS 6cm Figura 8 Resultados do ensaio de densidade. Com relação à dureza superficial do material pôde-se observar a diminuição da dureza do material com a inclusão das fibras tanto para as de 2cm, como para as de 4cm e 6cm.

9 Conclusões Nas amostras de PP puro, o de material virgem apresentou melhores propriedades mecânicas que o pós-consumo, indicando a ocorrência de degradação do material com a reciclagem. Mas com a utilização na matriz pós-consumo nos compósitos essas propriedades foram recuperadas, na tração, principalmente para os compósitos com fibras de 4 cm, e em flexão para os compósitos com 6 cm. Isto deve ter ocorrido pelos fatores: distribuição randômica das fibras e ocorrência de poros. A distribuição randômica das fibras dificulta a distribuição das fibras de maior comprimento, fazendo com que para as fibras de 4cm contribuam efetivamente em tração, e que as de 6 cm em flexão; Os resultados de densidade indicaram a possibilidade da ocorrência de poros nos compósitos, principalmente para as amostras com menor comprimento de fibra, uma vez que para este caso torna-se mais difícil garantir uma boa impregnação da fibra pela matriz, sendo mais crítico para matriz termoplástica do que para resinas termofixas. Este ponto merece mais estudos e testes futuros. O tratamento de pré-impregnação das fibras poderia ser realizado para tentar minimizar este efeito. Os resultados alcançados para os compósitos PP/fibras de 2 cm indicaram a efetiva adesão interfacial matriz/fibra. A dificuldade na extração da fibra de bananeira a partir do pseudocaule, caracterizou-se pela necessidade de muito tempo para realização desta atividade, que foi realizado manualmente, e indicou a necessidade do desenvolvimento de um método mais rápido e eficiente. A inserção da fibra de bananeira, em três comprimentos diferentes, na matriz de polipropileno resultou na modificação das propriedades mecânicas do material quando comparado às amostras do polímero puro. O módulo de elasticidade determinado pelo ensaio de tração aumentou, indicando o aumento da rigidez do material, também se pôde observar que com o aumento no comprimento das fibras causou aumento significativo desta propriedade, indicando a ocorrência de adesão adequada entre fibra e matriz, que foi confirmada pelos demais resultados alcançados. Tendo sido mais significativo o aumento da amostra com fibra de 4 cm em relação à amostra com fibra de 2cm. Com relação à dureza superficial do material pôde-se observar a diminuição da dureza superficial do polímero para todas as dimensões de fibra utilizadas. A reutilização de polipropileno pós-consumo como matriz para compósitos com fibras vegetais mostrou ser uma possibilidade de emprego deste tipo de material. Além da reutilização do polipropileno, a possibilidade de uso de um recurso natural renovável que é considerado resíduo

10 agrícola como fase dispersa, demonstrou que vários recursos disponíveis que são geralmente descartados podem resultar em materiais com propriedades interessantes. 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. Referências Bibliográficas 1. Guimarães, J. L.; Satyanarayana, K. G.; Wypych, F.; Ramos, L. P. Disponível em: acessado em 2 de dezembro de Joseph, S. et al. Composites Science and Technology, 22, 62, Savastano Jr, V.; Agopyan, L.; Oliveira, H. Eng. Agríc., 1997, 17, 1, Brahmakumar, M.; Pavithran, C.; Pillai, R.M. Composites Science and Technology, 25, 65, Mohanty, A. K.; Misra, M.; Drzal, L. T. Natural Fibers, Biopolymers, and Biocomposites. Taylor & Francis Group CRC Press, Rong, M. Z.; Zhang, M. Q.; Liu, Y.; Yang, G. C.; Zeng, H. M. Composites Science and Technology, 21, 61, Idicula, M.; Malhotra, S. K.; Joseph, K.; Thomas, S. Composites Science and Technology, 25, 65, Pothan, L. A.; Oommen, Z.; Thomas, S. Composites Science and Technology, 23, 63, Pothan, L. A.; Thomas, S. Composites Science and Technology, 23, 63, Callister, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. LTC, Rio de Janeiro, 22.