Autores
Oliveira, R.G.M. (UFCG) ; Almeida, T.G. (UFCG)
Resumo
Objetivou-se neste trabalho avaliar o impacto do tamanho da partícula e do teor do
reforço nas propriedades mecânicas, térmicas e na biodegradação de compósitos
biodegradáveis Policaprolactona (PCL)/bagaço de cana-de-açúcar. Compósitos de PCL
com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúca em duas faixas
granulemetricas (75-150 µm e 150-300 µm) foram produzidos em um misturador
interno. Os compositos foram caracterizados quanto as propriedades mecanicas de
tração através de filmes. As propriedades mecanicas foram afetadas com o aumento
de teor de fibras. À medida que se aumentou o teor de fibras, nas duas faixas
granulometricas, o módulo elastico aumentou, a tensão de ruptura tendeu a
diminuir.
Palavras chaves
Compósitos; PCL; Propriedades mecânicas
Introdução
Segundo Prasad e Kandasubramanian (2019), a policaprolactona (PCL)
pertence à família dos polímeros sintéticos renováveis populares e atrativos que
são biocompatíveis e biodegradáveis. De acordo com Abrisham et al. (2020), os
biopolimeros como a PCL, também podem ser reforçados com cargas vegetais. As
fibras naturais são uma fonte importante de materiais de reforço para aplicações
em compósitos poliméricos alternativos, gerando uma produção sustentável (RAÍREZ
et al, p. 117, 2019).
O Brasil é o maior produtor mundial de cana de açúcar, gerando resíduos
potencialmente impactantes ao meio ambiente, caso não sejam devidamente
tratados. O Brasil é o maior produtor mundial de cana de açúcar, desse modo, o
desenvolvimento de um método viável na indústria para a fabricação de compósitos
poliméricos à base de bagaço de cana-de-açúcar pode ser denominado como um meio
ambientalmente correto de manuseio eficiente de resíduos, bem como agregação de
valor (NUNES et al, p.2, 2020; CORDEIRO et al, p.23, 2020).
Na literatura, encontra-se diversos trabalhos que estudam o
comportamento dos compósitos poliméricos a base de fibra vegetal, como, por
exemplo, Mei e Oliveira (2017) que analisaram o compósito polimérico a base de
policaprolactona e borra de café. Pereira et al. (2018) estudaram os efeitos da
porcentagem de reforço de fibras de eucalipto nas propriedades físico-mecânicas
de compósito com matriz termofixa de poliéster. Dzazio e Sowek (2018) obtiveram
filmes de polipropileno com cascas de soja com o objetivo de analisarem suas
propriedades mecânicas, térmicas, absorção de água, morfologia e biodegradação
desse compósito polimérico. Hoffman et al. (2019) estudaram o impacto da carga
natural de babaçu no processamento e propriedades de filmes de PBAT/PHB.
Nesse contexto, visando minimizar ampliar os estudos relacionados à
melhoria de propriedades de materiais compósitos, objetivou-se neste trabalho
avaliar o impacto do tamanho da partícula e do teor do reforço nas propriedades
mecânicas de compósitos biodegradáveis Policaprolactona (PCL)/bagaço de cana-de-
açúcar.
Material e métodos
Todos os insumos e equipamentos utilizados no desenvolvimento deste
trabalho foram da Universidade Federal de Campina Grande, Laboratório de
Processamento de Materiais e Laboratório de Caracterização de Materiais.
A matriz polimérica utilizada foi a policaprolactona de nome comercial
Capa™ 6500, fornecida pela Perstorp (Suécia), na forma granular, em pellets de
aproximadamente 3 mm. A carga utilizada para a preparação dos compósitos foi o
bagaço de cana-de-açúcar, na forma de fibras. O bagaço de cana-de-açúcar foi
classificado granulometricamente para a escolha de duas faixas de fração de
fibras com comprimento entre 150-300 µm (G2) e 75-150 µm (G1).
Para promover uma mistura mais efetiva dos componentes, um misturador
interno Rheomix 3000 com rotores de alta intensidade (tipo roller), operando a
uma velocidade nominal de 60 rpm, com temperatura da parede da câmara mantida a
150°C, durante 15 minutos com fator de preenchimento de 70% foi utilizado para
preparar compósitos de PCL com 0, 10, 20 e 30% de fibras do bagaço de cana-de-
açúcar em cada uma das duas faixas granulométricas da carga. A alimentação dos
insumos foi feita em duas etapas, primeiramente, com a introdução do polímero
seguida da alimentação da carga, após redução do torque visualizada no painel do
equipamento, a fim de evitar níveis muito altos de torque com o aumento da
viscosidade do fundido. Antes do processamento, os materiais foram secos em
estufa a vácuo, durante 24 horas, a uma temperatura constante de 80ºC.
Após o processamento no misturador interno, os materiais foram
granulados para a produção de filmes. Os filmes foram preparados por compressão
em uma prensa hidráulica aquecida a uma temperatura constante de 100°C.
Inicialmente realizou-se uma pré-prensagem, sem carga, durante 1,5 min seguida
da aplicação de uma pressão de 500 kPa por 2,5 min. Por fim, os filmes foram
resfriados em temperatura ambiente
Corpos de prova de tração medindo 10 x 1cm foram preparados a partir dos
filmes produzidos, segundo a norma DIN EN ISO 527-3.
Os ensaios mecânicos de tração foram realizados segundo a norma DIN EN
ISO 527-3, em máquina universal de ensaios mecânicos Filizola modelo BME 10KN
operando a uma velocidade de deformação de 5 mm/min. Os testes foram realizados
nos filmes e conduzidos à temperatura ambiente.
Resultado e discussão
A Figura 1 ilustra o módulo de elasticidade dos compósitos da primeira
(1a) e da segunda faixa granulométrica (1b) utilizadas. Na Figura 1, percebe-se
que o módulo de elasticidade do polímero puro (PCL) é menor que todos os
compósitos estudados. Nota-se que, na Figura 1a, a diferença do módulo da PCL
pura com relação ao compósito de maior carga pode ser observada (1,26 GPa). Por
fim, o mesmo comportamento foi observado para a segunda faixa granulométrica, na
Figura 1b, onde a diferença entre o módulo da PCL pura com relação ao compósito
de maior carga pode ser observada (1,18 GPa). O aumento do módulo de
elasticidade após a adição de fibra em compósitos poliméricos foi observado por
Sousa et al. (2018) ao estudarem compósitos de polietileno e polipropileno
reforçados com fibras de bambu. Por fim, o valor para o módulo de elasticidade
da PCL pura foi igual a 0,68 GPa, Bardi e Rosa (2005) reportaram valor próximo a
0,18 GPa, embora Dziadek et al. (2015) tenham reportado valor para filmes de PCL
pura próximo a 0,38 GPa.
Para as duas faixas granulométricas observa-se que à medida que se
aumentou o teor de fibras nos compósitos, o módulo elástico aumentou. Nota-se
que na Figura 2a a diferença entre o compósito com 10% BCA e o de 30% BCA é
igual a aproximadamente 0,96 GPa. O mesmo comportamento foi observado na Figura
2b, onde a diferença entre as composições com 10% e 30% de carga vegetal foi
aproximadamente 0,98 GPa. Comportamento similar foi descrito por Franco et al.
(2019) ao caracterizarem filmes biodegradáveis com diferentes teores de cana de
açúcar, bem como por França et al. (2018) ao caracterizarem filmes de blendas de
PBAT/PLA com fibras de babaçu. De acordo com Arrakhiz et al. (2012) o aumento do
módulo pode ser atribuído a boa adesão entre as fibras e a matriz.
O comportamento do módulo elástico com relação a faixa granulométrica
também pode ser observado na Figura 2, sendo a Figura 2a a representação da
primeira e menor faixa (75 a 150 µm) e a Figura 2b a representação da segunda e
maior faixa granulométrica (150 e 300 µm). Os compósitos com a menor fibra
tiveram maiores valores com relação aos compósitos da maior fibra, apesar de ser
pouco considerável. Santos et al. (2018) tiveram maiores valores para módulo
elástico ao diminuírem o tamanho da fibra do compósito estudado.
Segundo Essabir et al. (2013) essa diminuição do modulo de elasticidade
com o aumento do tamanho de partícula da fibra pode ser explicada pela
diminuição da molhabilidade entre as partículas e a matriz, reduzindo
efetivamente o número de ligações entre a matriz e as partículas.
Na Figura 2 encontram-se o comportamento quanto a tensão máxima
(ruptura) dos filmes de PCL e PCL/BCA para a primeira faixa (2a) e segunda faixa
granulométrica (2b) adotadas. Nota-se que a tensão máxima para os filmes de PCL
pura foi maior quando comparada aos compósitos nas duas faixas granulométricas,
e teve valor igual a 14,50 MPa. Diziadek et al. (2015) obtiveram aproximadamente
14 Mpa como valor para a tensão máxima para filme de PCL pura.
Observa-se que, para as duas faixas granulométricas, na Figura 2a e 2b,
que o aumento do teor de fibra nos compósitos ocasionou a diminuição da tensão
máxima, embora, na primeira faixa granulométrica (Figura 2a), não tenha uma
diferença considerável entre o compósito de 20 e 30% de BCA. A diminuição da
tensão máxima com o aumento do teor de fibra em compósitos foi observada por
Mastalygina e Popov (2017). Esse comportamento devido ao aumento de carga é
causado porque quanto maior o teor de carga no compósito, mais provável é a
ocorrência de uma aglomeração crítica de partículas que pode atuar como um ponto
de partida para fissuras que enfraquecem o compósito, ou seja, as fibras atuam
com defeito fragilizando a matriz (SHAHZAD, p.23, 2017; FRANÇA et al, p.10,
2018; PELOTTO et al, p.1, 2009).
Nota-se, ainda, que os valores de tensão máxima aumentaram com o aumento
do tamanho da fibra, ou seja, maiores valores para a segunda faixa
granulométrica.
Módulo de Elasticidade da primeira (a) e segunda faixa granulométrica(b).
Tensão de ruptura da primeira (a) e segunda faixa granulométrica(b)
Conclusões
As propriedades mecânicas foram afetadas devido a presença de carga
vegetal. O teor de carga também afetou as propriedades mecânicas, onde quanto
maior o teor, maior foi o módulo elástico, mostrando assim um material mais rígido
à medida que se aumentou o teor de fibras nos compósitos, ou seja, os compósitos
com 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúcar foram mais rígidos com valores de
módulo de elasticidade igual a aproximadamente 1,94 GPa para primeira faixa
granulométrica e 1,86 GPa para segunda. Quanto a tensão máxima, foi afetada pela
presença de fibra. À medida que se aumentou o teor de fibras, a tensão de ruptura
diminuiu. A primeira e menor faixa granulométrica teve os menores valores quando
comparado com a maior faixa granulométrica.
Agradecimentos
O presente trabalho foi realizado com o apoio do CNPq, Conselho Nacional de
Desenvolvimento Científico e Tecnológico, e da Universidade Federal de Campina
Grande.
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