PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE POLIETILENO PÓS-CONSUMO REFORÇADOS COM FIBRAS DO BAGAÇO DE CANA

Transcrição

1 PREPARAÇÃ E CARACTERIZAÇÃ DE CMPÓSITS DE PLIETILEN PÓS-CNSUM REFRÇADS CM FIBRAS D BAGAÇ DE CANA Alberto G. V. de Carvalho Neto, Thiago A. Ganzerlli, Silvia L. Fávaro, Beatriz S. Suguino, Gizilene M. de Carvalho, Eduardo Radovanovic* Departamento de Química Universidade Estadual de Maringá Maringá-PR eradovanovic@uem.br Fibras naturais são cada vez mais utilizadas como reforço de materiais plásticos, visando melhores propriedades mecânicas dos materiais finais. Assim, o objetivo deste trabalho foi preparar compósitos utilizando como matriz o polietileno pós-consumo (PEpc) e como reforço fibras do bagaço de cana-de-açúcar. Para uma melhor incorporação do bagaço na obtenção dos compósitos sua superfície foi modificada quimicamente. bagaço de cana foi mercerizado com hidróxido de sódio e em seguida acetilado. A modificação foi caracterizada através de FTIR e MEV. s compósitos foram preparados a partir de material modificado e não modificado, contendo 5, 1 e 2% de fibras. As diferentes formulações foram processadas por extrusão. s materiais obtidos analisados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A análise morfológica indicou que a modificação química do bagaço de cana é suficiente para aumentar a compatibilidade entre matriz e reforço. Ensaios de tração, flexão e impacto foram utilizados para avaliar as propriedades mecânicas dos materiais, indicando um melhor desempenho mecânico dos compósitos. Palavras-chave: Compósito, polietileno pós-consumo, bagaço de cana, acetilação Reinforcement of a post-consumer polyethylene composites with sugarcane bagasse-based fibers Natural fibers have been widely used as reinforcement in plastic to manufacture materials with excellent mechanical properties. In this work, composites were prepared from a post-consumer polyethylene (PEpc) matrix and sugarcane bagasse fibers as reinforcement. Chemical modification of fibers of sugarcane bagasse was used to improve their compatibility over the preparation of the composites. The fibers were mercerized with a Na solution followed by an acetylating reaction. FTIR spectroscopy was used to characterize the chemically modified fibers. By using an extrusion process, the composites were prepared from either the modified or the unmodified materials, containing of 5, 1 or 2 wt% of fibers. The morphology of the obtained materials was evaluated by SEM images. It was noticed that the chemical modification of the fiber improves the adhesion between matrix and reinforcement phases. Flexural and impact tests, used in determination of mechanical properties, demonstrated that the composites had better mechanical performance than the polymer matrix Keywords: Composite, post-consumer polyethylene, sugarcane bagasse, acetylation Introdução A expansão do uso de materiais poliméricos pode ser observada no nosso dia a dia através dos inúmeros bens de consumo que nos cercam. Uma grande variedade de polímeros surgiu decorrente do desenvolvimento de novos processos de polimerização. Assim, os materiais desenvolvidos a partir de polímeros pós-consumo têm chamado cada vez mais a atenção devido aos ganhos sociais, econômicos e ecológicos que propiciam. A maior fração dos polímeros passíveis de reciclagem é composta de poliolefinas, tais como o polietileno (PE) e o polipropileno (PP). Entretanto, para os materiais reciclados podem ser requeridas algumas propriedades finais específicas diferentes dos polímeros de origem. Uma alternativa ecologicamente correta para a

2 modificação de algumas das propriedades dos polímeros é a utilização de fibras naturais na preparação de materiais compósitos. Um compósito é constituído de reforço, geralmente sob a forma de fibras e de uma matriz, que é contínua e envolve a outra fase. reforço contribui para a resistência mecânica do material, enquanto que a matriz une as fibras, conservando a sua disposição geométrica, bem como as protegendo do ambiente exterior. As propriedades mecânicas teóricas de um compósito dependem dos seguintes fatores: propriedades dos materiais constituintes (fibras e matriz); concentração das fibras e orientação das fibras, bem como da interação entre a matriz e o reforço. s compósitos são materiais que podem ser reforçados com fibras metálicas, poliméricas, minerais ou com fibras naturais de origem vegetal. Na fabricação de materiais compósitos, as resinas termorrígidas, principalmente os poliésteres, são as mais utilizadas. utras resinas termorrígidas usadas, além do poliéster, são: epóxi, vinil, éster, etc. A escolha da resina apropriada permite muitas vezes alterar as características finais de um compósito, tais como: temperatura de utilização, resistência química, propriedade elétrica, etc. Uma ampla variedade de fibras tem sido utilizada como reforço na fabricação de diferentes materiais, como fibras lignocelulósica, fibras de vidro, carbono, metal e outras fibras sintéticas. emprego de compósitos de matriz polimérica reforçados por fibras naturais lignocelulósicas vem tendo um crescente desenvolvimento nos últimos anos. As fibras vegetais, além de apresentarem muitas vantagens em relação às fibras sintéticas (baixo custo, fontes renováveis, baixa abrasividade) são também promissoras devido ao desempenho mecânico obtido por seus compósitos em relação aos obtidos com fibras sintéticas como, por exemplo, as de vidro 1. Muitas fibras naturais como: madeira, juta, kenaf, abacaxi, coco, bagaço da cana, casca de arroz e sisal têm sido utilizadas como reforço em materiais compósitos 2. A cana de açúcar é um dos principais produtos agrícolas do Brasil, atingindo a produção de 426 milhões de toneladas na ultima safra. btendo como produtos em seu processo de industrialização, além do açúcar, do álcool e do vinhoto, 25 % em bagaço. objetivo deste trabalho foi preparar compósito a partir do polietileno pós-consumo (PEpc) reforçado com fibras do bagaço de cana e caracterizar suas propriedades físico-químicas, morfológicas e mecânica. Experimental Materiais - Polietileno de alta densidade pós-consumo: obtido na indústria de reciclagem Plaspet, Maringá- PR.

3 - Bagaço de cana de açúcar: fornecido pelo Centro de tecnologia em ação de desenvolvimento sustentável de Arapongas - PR. Modificação química do bagaço de cana bagaço de cana foi triturado utilizando um moinho de faca, lavado com água destilada por 1 hora a 8 ºC e seco em estufa durante 5 horas a 1 ºC. Após a lavagem as amostras foram tratadas com solução de Na 1% a temperatura ambiente, por 3 horas. Em seguida, foram lavadas em água corrente até p próximo de 7, e secas em estufa a 1 C. bagaço de cana após ter sido submetido às etapas de lavagem e mercerização foi imerso em acido acético glacial por 1 hora a temperatura ambiente. Em seguida filtrado e imerso por 5 minutos em anidrido acético 97% levemente acidificado com ácido sulfúrico, e posteriormente filtrado, lavado com água até p próximo de 7 e seco em estufa até massa constante. Preparação dos Compósitos s compósitos foram processados em uma extrusora monorrosca, com rosca de 25 mm de diâmetro e 7 cm de comprimento (L/D=28), com 3 zonas de aquecimento. As temperaturas de processamento foram de 11 ºC na primeira zona, 165 ºC na segunda e na terceira zona trabalhou-se com temperatura inferior a 2 ºC. A velocidade de rotação foi de 4 rpm. s corpos de prova para os ensaios mecânicos foram preparados a partir dos compósitos extrudados e triturados. Uma injetora Pavan Zanet 1 t com diâmetro de 42 mm, temperatura de injeção de 18 ºC, pressão de injeção de 35 bar, pressão de recalque de 3 bar, foi utilizada na preparação dos corpos de prova. A notação adotada neste texto utilizada para as diferentes formulações dos compósitos injetados foi: PE para a matriz, e utilizou-se B para o bagaço de cana e Bac para o bagaço de cana acetilado, os índices 5, 1 e 2 indicam a porcentagem de fibras no compósito. Assim, como exemplo, a notação PE/Bac1 significa um compósito obtido com 1% em massa de bagaço de cana acetilado numa matriz de polietileno. Técnicas de Caracterização - Análise de FTIR-ATR: a modificação do bagaço de cana foi caracterizada por espectroscopia na região do infravermelho com refletância total atenuada horizontal, utilizando um espectrofotômetro de infravermelho com transformada de Fourier Bomem, model MB-1, 16 acumulações e 4 cm -1 de resolução.

4 - Microscopia eletrônica de varredura: as fibras e os compósitos foram analisados morfologicamente através de microscopia eletrônica de varredura utilizando um equipamento marca Shimadzu, modelo SS Resistência à tração: os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal de ensaios - EMIC DL 2 com uma célula de carga de 5 N, velocidade de garra de 5 mm/min, segundo a norma ASTM D Para cada formulação realizou-se 8 ensaios. - Resistência à Flexão: no ensaio de flexão seguiu-se a norma ASTM D 79-, método A, modo 3 pontas. Foram realizados 8 ensaios para cada amostra, utilizando um equipamento EMIC DL 2, uma célula de carga de 5 N, com distância entre os suportes de 63 mm e velocidade de 2 mm/min. - Resistência ao Impacto Izo: para os ensaios de Impacto os corpos de prova foram entalhados e os testes realizados segundo a norma ASTM D 256-, método A. Foram realizados 5 ensaios para cada amostra em um equipamento EMIC Al, com pêndulo de 5,4 J. Resultados e Discussão Na Figura 1 são apresentadas as micrografias para o bagaço de cana e bagaço modificado. Na superfície da fibra do bagaço de cana (Figuras 1A e 1B) ocorre a presença das células do parênquima envolvendo a fibra e alguns resíduos. De acordo com a literatura as fibras vegetais são revestidas por substâncias intercelulares constituídas principalmente de lignina e hemicelulose 3,4. Após o tratamento alcalino ocorre a retirada parcial da lignina e também da hemicelulose, bem como a remoção de impurezas, substâncias graxas e das células do parênquima, de acordo com a literatura 3. Com essa reação ocorre uma exposição da estrutura fibrilar, conforme Figura 1C, o que resulta num aumento da área efetiva de contato da fibra. Assim, os grupos da celulose também são expostos facilitando a formação do acetato de celulose quando as fibras são acetiladas, a reação proposta para a acetilação é descrita na equação 1 3. Esta equação descreve o processo onde os 3 grupamentos da unidade repetitiva da celulose são acetilados, no entanto, esta substituição pode ser parcial, dependendo do procedimento de acetilação. Para as fibras acetiladas (Figura 1D) não foi possível evidenciar mudanças morfológicas, comparativamente às fibras mercerizadas, em várias amostras analisadas.

5 C 2 n + (C 3 C) 2 C 3C 2 S 4 R C 2 R R n + C 3 C (1) nde R : C 3 C A B C D Figura 1 Imagem de MEV da fibra do bagaço de cana: (A) fibra não modificada, (B) Fibra lavada, (C) fibra mercerizada, (D) fibra acetilada. Através dos espectros de FTIR-ATR do bagaço de cana tratado e não tratado (Figura 2) foi possível observar a modificação química da superfície da fibra. A comparação entre o espectro das fibras mercerizada e o espectro das fibras sem tratamento revela que houve no primeiro o desaparecimento das bandas em 174 e 125 cm -1 atribuídas principalmente a modos de vibração de grupamentos C= e C- presentes na lignina e na hemicelulose, que foram parcialmente removidas durante a mercerização 5. aparecimento das bandas nas regiões de 175 cm -1 e 124 cm -1 no espectro do bagaço de cana acetilado foi atribuído aos estiramentos dos grupamentos C= e C,

6 respectivamente, originados pela inserção do acetato nas fibras através da reação de acetilação, indicando que a superfície da fibra foi quimicamente modificada. 174 cm cm -1 Fibra Fibra mercerizada Fibra acetilada 175 cm cm Número de onda (cm -1 ) Figura 2 Espectro de FTIR das fibras do bagaço de cana. A técnica de MEV possibilitou analisar a adesão entre matriz e reforço nos compósitos extrudados. As Figuras 3A e 3B apresentam a micrografia para o compósito preparado a partir de material não modificado, onde pode ser observada a não aderência entre a fibra e a matriz polimérica em todas as regiões. Uma maior adesão entre as fases ocorre nos compósitos preparados com fibra modificada. Nas Figuras 3C e 3D observa-se uma grande adesão entre o bagaço acetilado e o PE, em todas as regiões do compósito. A modificação da superfície da fibra atua desta maneira para aumentar a interação e a adesão entre a matriz e a fase de reforço.

7 A B C D Fig. 3. Micrografias dos Compósitos: (A) PE/B, (B) PE/B, (C) PE/Bac, e (D) PE/Bac. Na Figura 4 podem ser observados os resultados obtidos a partir dos ensaios de resistência a tração para os materiais compósitos. Na Figura 4a têm-se os valores para a tensão na ruptura. corre uma variação muito pequena nos valores de resistência a tração para valores menores nestes compósitos. Nos resultados obtidos para a variação do alongamento na ruptura (%) (Figura 4b) a inserção das fibras provoca maiores modificações no material, sendo que uma diminuição mais drástica no alongamento foi observada para os compósitos preparados com 2% de bagaço de cana, ou seja, a adição dos materiais fibrosos faz com que haja um aumento na rigidez dos compósitos comparativamente ao polímero puro. Como conseqüência deste resultado, os valores de módulo de elasticidade (Figura 4c) têm aumento significativo para os compósitos quando comparado com a matriz pura. Um maior valor de módulo de elasticidade (aumento de 27,2%) é encontrado para o compósito com 2% de fibra de bagaço de cana acetilado. Assim, pode-se inferir que tanto a

8 quantidade de fibras quanto o processo de modificação destas contribuem no aumento do valor do módulo de elasticidade. 2 a 14 b 12 Tensão Máxima (MPa) Alongamento Máximo (%) PEAD PE/5B PE/5CBac PE/1B PE/1Bac PE/2B PE/2Bac PEAD PE/5B PE/5CBac PE/1B PE/1Bac PE/2B PE/2Bac Diferentes Formulações Diferentes Formulações Modulo de Elasticidade (MPa) c PEAD PE/5B PE/5CBac PE/1B PE/1Bac PE/2B PE/2Bac Figura 4. Ensaio de tração: a) tensão na ruptura; b) alongamento na ruptura; e c) módulo de elasticidade. s resultados de tensão na flexão estão apresentados na Figura 5. Um aumento na resistência à flexão é observado com a inserção de fibras na matriz polimérica. Esse aumento foi observado em todas as formulações, no entanto, ocorreu uma tendência destes valores de tensão de ruptura sejam maiores nas amostras que apresentaram a maior quantidade de material de reforço. Pode ser observado na Figura 4b que o aumento do módulo de flexão está diretamente relacionado

9 com a quantidade de fibra na matriz e com o processo de modificação. s melhores resultados nestes ensaios foram obtidos para os compósitos preparados com 2% de fibra, com aumento de 56% e 78%, para compósitos com fibra não modifica e modificada, respectivamente a 14 b Tensão Máxima (MPa) Módulo de Flexão (MPa) PEAD PE/5B PE/5Bac PE/1B PE/1Bac PE/2B PE/2Bac PEAD PE/5B PE/5Bac PE/1B PE/1Bac PE/2B PE/2Bac Diferentes Formulações Diferentes Formulações Figura 5 - Ensaio de flexão: a) tensão máxima; e b) módulo de flexão. A inserção de fibras naturais em materiais poliméricos faz com que aumente a sua rigidez e como conseqüência ocorreu um aumento na sua resistência ao impacto, pois as fibras adicionadas atuam como absorvedores a energia do impacto, evitando também a propagação de trincas durante o ensaio. Na Figura 6 pode-se observar um aumento na resistência ao impacto com a adição de bagaço de cana, em relação ao polímero puro. A amostra que apresentou um maior aumento na resistência ao impacto foi aquela preparada com 1% de bagaço de cana acetilado, 22,4%. 5 Resistência ao Impacto (J/m) 4 PEAD PE/5B PE/5Bac PE/1B PE/1Bac PE/2B PE/2Bac Diferentes Formulações Figura 6 - Ensaio de resistência ao impacto

10 Conclusões Compósitos preparados a partir de polietileno pós-consumo e fibras de bagaço de cana não modificadas e acetiladas foram processados por extrusão e injeção. As fibras acetiladas foram caracterizadas por FTIR e MEV. Foi observado que a modificação química do bagaço de cana através da acetilação aumenta a sua hidrofobicidade, o que possibilita uma maior compatibilidade com a matriz de polietileno. As analises mecânicas indicaram a obtenção de um material mais rígido com a adição das fibras. Desta forma, os compósitos apresentaram maiores valores de módulo de elasticidade e flexão e maior resistência à flexão e ao impacto, quando comparados com a matriz. A quantidade de material de reforço (fibras) no compósito é um fator significante nas propriedades mecânicas, principalmente nos valores de módulo de elasticidade e flexão. Agradecimentos S L Fávaro, A G V de Carvalho Neto, E Radovanovic agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas 1. A. Almeida, V. Calado, D. Barreto, J. R. Almeida Polímeros: Ciência e Tecnologia, 25, 15, A. K. Bledzki, J. Gassan Prog. Polym. Sci 1999, 24, M.S. Sreekala, M.G. Kumaran, S.Thomas Journal of Applied Polymer Science, 1997, 66, [11], M. A. Martines, 21. Tese de Doutorado, Universidade Estadual de Campinas, X. Lu, M. Q. Zhang, M. Z. Rong, G. Shi, G. C. Yang Composites science and technology, 23, 63, 177.