53º Congresso Brasileiro de Quimica
Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4

ÁREA: Materiais

TÍTULO: MODIFICAÇÕES ESPECTROSCÓPICAS VIBRACIONAIS E NAS PROPRIEDADES DIELÉTRICAS EM FIBRAS DE BUCHA VEGETAL (Luffa cylindrica ) APÓS TRATAMENTO QUÍMICO

AUTORES: Silva, A.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Costa Júnior, A.E. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Nascimento, D.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Silva, M.A.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Sombra, A.S.B. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Rosa, M.F. (EMBRAPA - AGROINDÚSTRIA TROPICAL) ; Fechine, P.B.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Mazzetto, S.E. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ)

RESUMO: Neste estudo, fibras de bucha vegetal (Luffa cylindrica) foram submetidas a tratamento químico com NaOH (5%, 10% e 15%) e NaClO 1%. As modificações espectroscópicas vibracionais e nas propriedades dielétricas foram avaliadas por espectroscopia no infravermelho (FTIR) e medidas dielétricas. A partir dos espectros vibracionais observou-se que o tratamento removeu ceras e provocou uma diminuição relativa nos conteúdos de lignina e hemicelulose. Em decorrência disso, o tratamento aplicado também alterou as propriedades dielétricas por meio do aumento da permissividade e da perda dielétrica, reforçando a possibilidade de utilização de fibras de bucha vegetal como dielétricos em capacitores, entre outras aplicações.

PALAVRAS CHAVES: bucha vegetal; tratamento químico; modificações

INTRODUÇÃO: É crescente o apelo mundial em prol da sustentabilidade, incluindo o incentivo à exploração de matérias-primas renováveis. Neste aspecto, as fibras vegetais merecem destaque, devido à enorme variedade de espécies existentes e que podem ser estudadas. Como estímulo, a Organização Mundial das Nações Unidas para a Agricultura e Alimentação (FAO - ONU) declarou o ano de 2009 como o ano internacional das fibras naturais [1]. As fibras vegetais têm como componentes majoritários celulose, hemicelulose e lignina [2]. A celulose é um polissacarídeo linear com alta massa molecular. Já a hemicelulose, é um polissacarídeo ramificado e com maior polaridade que a celulose e a lignina é um polímero aromático e não cristalino, de baixa polaridade e de natureza hidrofóbica [3]. O estudo das propriedades de fibras vegetais é essencial para determinar suas possíveis aplicações. Um exemplo de fibra com propriedades ainda pouco estudadas é a fibra de bucha vegetal (Luffa cylindrica). Fibras vegetais são comumente submetidas a tratamento para melhorar propriedades específicas. O tratamento alcalino é, provavelmente, o mais popular processo de modificação. Seu uso pressupõe a solubilização de hemicelulose e de lignina, além de alterar a cristalinidade da celulose [4, 5, 6]. Neste estudo, fibras de bucha vegetal foram submetidas a tratamento químico com diferentes concentrações de hidróxido de sódio (NaOH), seguido de alvejamento com concentração fixa de hipoclorito de sódio (NaClO). As modificações nos espectros vibracionais e nas propriedades dielétricas foram avaliadas por técnicas de espectroscopia no infravermelho (FTIR) e medidas dielétricas.

MATERIAL E MÉTODOS: A bucha vegetal foi adquirida comercialmente, já sem casca, e passou por procedimentos como corte, retirada das sementes e moagem. A moagem foi realizada em um moinho de facas tipo willye (FORTINOX – STAR FT 80), em que as frações com até 30 mesh foram coletadas. As fibras foram tratadas com soluções de NaOH com concentrações de 5%, 10% e 15% m/v sob temperatura constante de 65 °C, por um período de 4 horas. Em seguida, foram lavadas com água destilada para remover o excesso de NaOH, até pH próximo ao da água de lavagem. Posteriormente, as fibras tratadas com NaOH foram alvejadas por meio de imersão em solução de NaClO (1% de cloro ativo), sob temperatura constante de 65 °C, por um período de 1 hora. Por fim, foram lavadas com água destilada para eliminar o excesso de NaClO, secas em estufa a 70 °C até secagem completa e guardadas a vácuo para evitar umidade. Para as análises de FTIR, as amostras de bucha bruta e após tratamento químico foram misturadas em KBr, maceradas e prensadas sob a forma de pastilhas. Os espectros no infravermelho foram obtidos com um espectrofotômetro FTLA 2000-102 (ABB-BOMEM) na região de 400 a 4000 cm-1. Para as medidas dielétricas, as fibras foram compactadas em um molde cilíndrico na forma de disco (Ø = 1,5 cm) e submetidas a uma pressão de 70 MPa, gerando corpos de prova com aproximadamente 8 mm de altura e 1,5 mm de espessura. Esta análise foi conduzida em um equipamento "Material Impedance Analyser", modelo HP 4291A, utilizando um programa de aquisição de dados em uma faixa de 100 MHz a 1 GHz.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Através dos espectros vibracionais (Figura 1) foi possível observar alterações na fibra após o tratamento químico. As posições das bandas e suas correspondentes atribuições funcionais estão de acordo com os valores da literatura para fibras lignocelulósicas [7, 8, 9]. As diferenças mais notáveis nos espectros são a presença das bandas em aproximadamente 1735 cm-1 e 1252 cm-1 apenas para a fibra natural, características do estiramento axial dos grupamentos C=O presentes na hemicelulose, pectina e ceras [9, 10] e do estiramento dos grupamentos C-O presentes na lignina [8], respectivamente. Em termos gerais, a permissividade (K) está associada à capacidade de polarização do material dielétrico, já a perda dielétrica (D) é a perda de energia devido ao movimento de cargas no material. Essas duas principais propriedades dielétricas foram determinadas utilizando o experimento desenvolvido por Hakki e Coleman [11]. Considerando que a concentração de NaClO foi a mesma em todos os tratamentos, a partir da figura 2 foi possível observar que o tratamento que utilizou NaOH 5% provocou aumento nos valores de K e D, devido à remoção de componentes superficiais apolares, como ceras. Já o tratamento com 10% causou subtração em K e D, explicada pela diminuição relativa de componentes responsáveis pelos efeitos de polarização, em especial a hemicelulose, componente mais polar e muito sensível à ação de álcalis. K e D voltaram a aumentar como consequência do tratamento com 15%. Nesta concentração já é possível a ocorrência de desestruturação da fibra através da diminuição excessiva de lignina, componente responsável pela adesão entre si das camadas de celulose. A lignina apresenta baixa polaridade e sua diminuição contribuiu para o aumento global dos valores de K e D.



Figura 1 - Espectros vibracionais de fibras de bucha vegetal: (a) in natura e tratadas com NaClO 1% e NaOH (b)5%, (c) 10% e (d) 15%



Figura 2 - (a) Permissividade e (b) Perda dielétrica da fibra de bucha vegetal entre 100 MHz e 1 GHz em função do tratamento químico

CONCLUSÕES: A partir dos espectros vibracionais foi possível observar o desaparecimento de algumas bandas e também a diminuição de outras, atribuídas à hemicelulose e à lignina, confirmando que o tratamento químico causou remoção parcial desses componentes. Em frequências menores a fibra de bucha vegetal apresentou maior permissividade dielétrica. De maneira geral, o tratamento químico melhorou as propriedades dielétricas da fibra de bucha vegetal, possibilitando, inclusive, seu melhor desempenho como dielétrico em capacitores, entre outras aplicações.

AGRADECIMENTOS: À EMBRAPA - Agroindústria tropical, ao Laboratório de Bioinorgânica e ao Laboratório de Telecomunicações e Ciência e Engenharia de Materiais da UFC.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: [1] http://www.fao.org.br, acessada em Julho de 2009.

[2] MARKLUND, E.; Micromechanism based materials models for natural fiber composites. Thesis, Lulea University of Technology, 2005.

[3] FERRAN, M. F.; VILAPLANA, F.; AMPARO, R. G.; BORRÁS, B. A.; CONCHA, S. B.; Flour rice husk as filler in block copolymer polypropylene: Effect of different coupling agents. J. Applied Polym. Science, vol 99, p.1823-1831, 2006.

[4] ICHAZO, M. N.; ALBANO, C.; GONZÁLEZ, J.; PEREIRA, R.; CANDAL, M. V.; Compos. Struct. 2001, 54, 207.

[5] JOSEPH, K.; THOMAS, S.; PAVITHRAN, C.; Polymer 1996, 37, 5139. 12. Li, X.; Tabil, L. G.; Panigrahi, S.; J. Polym. Environ. 2007, 15, 25.

[6] LI, X.; TABIL, L. G.; PANIGRAHI, S.; J. Polym. Environ. 2007, 15, 25.

[7] WANG, Q.; FAN, X. R.; GAO, W. D. Characterization of bioscoured cotton fabrics using FT-IR ATR spectroscopy and microscopy techniques. Carbohydr. 2006 Res. 341, 2170–2175.

[8] PENDEY, K. K.; PITMAN, A.J.; Examination of the lignin content in a softwood and a hardwood decayed by a brown-rot fungus with the Acetyl Bromide Method and Fourier Transform Infrared Spectroscopy. J. Polym. Sci. Part A Polym, 2004, 42, 2340–2346.

[9] SGRICCIA, N.; HAWLEY, M.C.; MISR, M. Characterization of natural fiber surfaces and natural fiber composites. Composites Part A: 2008, 39, 1632–1637.

[10] OUAJAI, S.; SHANKS, R. A. Composition structure and thermal degradation of hemp cellulose after chemical treatments. Polym. Degrad. Stabil. 2005, 89, 327 –335.

[11] HAKKI, B. W. & COLEMAN, P. D. Dielectric Resonator Method of Measuring Inductive Capacities in the Millimeter Range. IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-8: 1960, 402–410.