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 na biodegradação de compósitos biodegradáveis de Policaprolactona (PCL) e
bagaço de cana-de-açúcar. Compósitos de PCL com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de
cana-de-açúcar em duas faixas granulométricas (75-150 µm e 150-300 µm) foram
produzidos em um misturador interno. Filmes dos compósitos foram submetidos a
biodegradação. Os resultados mostraram que os compósitos se desintegraram em 60
dias enquanto os filmes de PCL pura 90 dias. A presença de fibra aumentou
significativamente a biodegradação, enquanto o teor e tamanho da partícula pouco
influenciou. A incorporação do bagaço de cana de açúcar potencializou a
biodegradação da PCL.
Palavras chaves
PCL; Compósitos; Biodegradação
Introdução
Os polímeros substituíram materiais convencionais, como metais, em várias
aplicações e isso é possível devido às vantagens que eles oferecem sobre os
materiais convencionais como facilidade de processamento, redução de custos e
excelentes propriedades mecânicas (Gowda et al., 2018; Brza et a., 2020).
Infelizmente, esses polímeros têm degradabilidade nenhuma ou muito baixa,
portanto, resultando em um crescimento de resíduos de polímeros descartados nas
últimas décadas (Lu et al., 2018).
O desenvolvimento de biopolímeros, polímeros extraídos de recursos naturais que
são degradados e transformados sob várias condições ambientais e pela ação de
vários microrganismos, gerou uma competição com os polímeros a base de
combustíveis fósseis no que diz respeito a propriedades funcionais e custo de
fabricação (Nair et al., 2017; George et al., 2020).
De acordo com Prasad e Kandasubramanian (2019), a policaprolactona (PCL)
pertence à família dos polímeros sintéticos renováveis populares e atrativos que
são biocompatíveis e biodegradáveis. Segundo Abrisham et al. (2020) de forma
idêntica aos materiais derivados do petróleo tradicionais, os compósitos
biopolímeros, 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 novos materiais com melhor
desempenho e produção sustentável (Raírez et al., 2019).
O Brasil é o maior produtor mundial de cana de açúcar, entretanto, a
produção de resíduos agrícolas é diretamente proporcional à produção agrícola,
sendo estes resíduos potencialmente impactantes ao meio ambiente, caso não sejam
devidamente tratados. 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., 2020; Cordeiro
et al., 2020; Panicker et al., 2019).
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 físicomecânicas 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.
O objetivo deste trabalho é avaliar o impacto do tamanho da partícula e do teor
do reforço na biodegradação 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.
A perda de massa durante o enterramento em solo simulado foi avaliada em
amostras dos filmes, com dimensões de 50x50 mm, segundo a norma ASTM G 160. Duas
amostras de cada composição foram enterradas no solo simulado e tiveram suas
massas medidas semanalmente por um período de 90 dias, após cuidadosamente
limpas e secas com papel absorvente.
Resultado e discussão
Na Figura 1.A-B, tem-se a variação de massa em função do tempo de biodegradação
da PCL pura e dos compósitos das duas faixas granulométricas. É possível notar
que nos primeiros sete dias, praticamente não houve variação de massa dos
compósitos nas duas faixas granulométricas e um leve aumento de massa da amostra
de PCL pura que segundo Azevedo et al. (2016), esse pequeno aumento de massa
pode estar relacionado a uma absorção inicial de água por parte das amostras.
Nos 30 dias posteriores a primeira semana, percebe-se ainda que há variação de
massa da PCL pura, cerca de 20%, bem como dos compósitos das duas faixas
granulométricas, com destaque para as amostras com 10% de fibra que foram as
maiores variações nesse primeiro momento. Esse mesmo comportamento de
biodegradação das composições de fibras com relação a PCL pura, foi observado
por Di Franco et al. (2004).
Ainda na Figura 1.A-B, nota-se que, a partir do trigésimo dia, os compósitos
passam a ter maiores variações e mais significantes de massa até que 60 dias
após o enterro das amostras, todos os compósitos foram degradados totalmente,
enquanto a PCL pura precisou de um mês a mais para ser degradada totalmente.
Evidenciando assim, a última etapa do teste de biodegradação, quando o substrato
de teste de carbono é principalmente consumido por população microbiana (LUTHRA
et al., 2020; SONG et al., 2009).
Por fim, observa-se, que o tamanho da partícula pouco influenciou, pois os
compósitos da primeira e menor faixa granulométrica tiveram uma ligeira perda
percentual de massa maior que os da maior e segunda faixa granulométrica. De
acordo com Zykova et al. (2017) isso pode ser explicado por mais condições
favoráveis para o crescimento de microrganismos para essa faixa granulométrica.
Na Figura 2.A-B, tem-se os aspectos visuais da biodegradação dos compósitos da
primeira e segunda faixa granulométrica, respectivamente. A principal
característica da biodegradação é a taxa de perda de peso de amostras durante a
exposição no solo (Zykova et al., 2017). Nota-se que, inicialmente, é difícil
ver alguma diferença no aspecto visual, porém, a partir do trigésimo dia já fica
claro que as amostras ficam desgastadas e passam a ter outros aspectos visuais
até sua desintegração.
Comportamento da variação percentual da massa dos compósitos em função do tempo.
Aspectos visuais das amostras da primeira e segunda faixa granulométrica durante a biodegradação.
Conclusões
A adição de fibra de bagaço de cana de açúcar a PCL acelera significativamente sua
biodegradação, diminuindo o tempo de desintegração em um terço. O tamanho e teor
da partícula não interferiram na biodegradação. A incorporação de bagaço de cana
de açúcar a PCL é capaz de produzir compósitos com alta biodegradabilidade, com
potencial elevado para a indústria de embalagens de rápido descarte.
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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