avaliação térmica e mecânica da degradação de materiais
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AVALIAÇÃO TÉRMICA E MECÂNICA DA DEGRADAÇÃO DEMATERIAIS POLIMÉRICOS NA PROTEÇÃO AO MEIO
AMBIENTE
Cheila G. Mothé1* , Fernanda T. G. Dias2 , Michelle G. Mothé1
1* Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Departamento de Processos Orgânicos, Escola de Química, Riode Janeiro – RJ – [email protected]
2 Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Instituto de Macromoléculas – IMA- Rio de Janeiro – RJ
O Brasil reciclou 520 mil toneladas de plásticos, em 2007, segundo o Instituto Sócio-Ambiental dos Plásticos. Assacolas plásticas utilizadas nos supermercados e outros estabelecimentos, têm sido o motivo de grande preocupação,pois cerca de 66 milhões das mesmas têm sido consumidas em um mês nos supermercados de São Paulo, segundo aAssociação Paulista de Supermercados (APAS). Tal fato enfatiza a urgente necessidade de pesquisa no desenvolvimentoe caracterização de novos materiais poliméricos biodegradáveis. Neste trabalho decidiu-se estudar por análise térmicaamostras de sacolas plásticas de poli (ácido láctico), PLA, biodegradável do Japão, e de polietileno de alta densidade(PEAD) não biodegradável do Brasil. Uma avaliação das propriedades mecânicas também foi realizada para as amostrasde PEAD e PLA. Pelas curvas de TG, o PEAD apresentou maior estabilidade térmica do que o PLA. Os resultados dosensaios mecânicos comprovaram que a sacola de PEAD é mais resistente à tração do que as amostras de PLA.
Palavras-chave: PEAD, PLA, análise térmica, propriedade mecânica
Thermal and mechanical evaluation of the degradation polymeric materials on environment protection
Brazil recycled 520 thousand tons of plastics in 2007, according to Instituto Sócio-Ambiental dos Plásticos. Plasticbags used at markets and others stores had been a major worry due to the fact that around 66 millions of them are usedup in a month at São Paulo’s supermarkets, according to Associação Paulista de Supermercados (APAS). This situationlightens up the urgency of research on development and characterization of new biodegradable polymeric materials. Theaim of this research is to study by thermal analysis samples of PLA biodegradable plastic bags from Japan comparing toHDPE non-biodegradable plastic bags from Brazil. Also were evaluated mechanical properties for both plastic bagssamples. By TG curves, HDPE exhibited higher thermal stability than PLA. Results by mechanical tests proved thatHDPE has greater values for tensile strength when compared to PLA sample.
Keywords: HDPE, PLA, thermal analysis, mechanical properties
Introdução
Os problemas ambientais causados pelo acúmulo de lixo e rejeitos industriais tem
preocupado não apenas a população, mas também pesquisadores, fabricantes e principalmente
ecologistas, na busca por encontrar soluções de forma a minimizar inúmeros danos ao meio
ambiente. Os materiais poliméricos, principalmente os plásticos, são um dos principais poluidores,
quando descartados de forma inadequada ou usados em excesso como o exemplo das sacolas
plásticas [1]. Segundo a Associação Paulista de Supermercados (APAS) têm sido consumidos em
um mês, cerca de 66 milhões de sacolas plásticas e consequêntemente contribuindo para o aumento
dos aterros e lixões. O uso de plásticos é crescente na vida diária da população e dados estatísticos
apontam que milhões de toneladas de “commodities” tais como: PEBD, PEAD, PEBDL, PP, PS,
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PVC e outros são produzidos e despejados anualmente no meio ambiente. A Figura 1 mostra a
porcentagem da produção brasileira em 2003 e a demanda futura de commodities termoplásticos
[2], onde pode-se observar que o PP tem mais acentuada perspectiva de crescimento em 2013.
Figura 1: Produção brasileira e estimativas de commoditiesFonte: Adaptado de ABP, 2005.
Tal fato enfatiza a urgente necessidade de pesquisa no desenvolvimento e caracterização de
novos materiais poliméricos como: poli (ácido láctico), PLA, e derivados, poliésteres,
poliaminoácidos, poliuretanos, compósitos poliméricos dentre outros; cujas propriedades e
desempenho sejam diferenciados principalmente na questão da degradação ou biodegradação; seja
nas indústrias de alimentos, automobilísticas, farmacêuticas, médicas, petroquímicas e outras. A
degradação de polímeros pode ocorrer por diversos processos que provocam mudanças nas
propriedades físicas e químicas devido a interação dos polímeros com agentes ambientais. Alguns
tipos de degradação podem ocorrer simultaneamente quando os materiais são processados ou
expostos ao ambiente de trabalho tais como: biológico, fotodegradação, mecânico, químico,
térmico, outros. A degradação química se refere aos processos induzidos pela exposição do material
ao ar, a água, e a agentes químicos (ácidos, bases, solventes e gases). Em geral quanto maior a
temperatura, maior o efeito desses agentes. A biodegradação é um processo no qual a decomposição
do polímero se faz pela ação de organismos vivos, como bactérias, fungos, insetos e outros que
atacam a celulose, amido ou demais polissacarídeos adicionados ao polímero na obtenção do
produto final. De modo geral, um polímero é considerado degradável quando possui na sua
estrutura, componentes que acelerem a degradação da própria resina. A degradabilidade é
profundamente afetada pelas condições do meio, pela presença de aditivos na composição e pelo
tipo de polímero [3,4] . Essas variáveis determinam diferentes mecanismos de degradação no meio
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ambiente como ilustrado na Figura 2 e podem ser classificados em fotodegradação (fotólise e
foto-oxidação), biodegradação, oxidegradação etc. Segundo a American Society of Testing and
Materials (ASTM), polímero biodegradável é “aquele que sua degradação resulta da ação natural de
micro e macrorganismos, tais como bactérias, fungos e algas”. A Europa e América do Norte estão
estabelecendo em suas normas que, para um produto ser classificado como biodegradável é
necessário que se decomponha ou degrade de modo biológico em até 180 dias e que 60% (USA) e
90% (Europa) do carbono presente no material se transformem em composto, água e CO2 [1].
Figura 2: Diagrama de blocos de mecanismos de degradação de polímeros
Análise Térmica pode ser definida como um conjunto de técnicas que permite medir as
mudanças de uma propriedade física ou química de uma substância ou material em função da
temperatura ou tempo, enquanto a substância é submetida a uma programação controlada de
temperatura. As técnicas de análise térmica (TG, DTG, DTA, DSC,...) proporcionam informações
qualitativas e quantitativas sobres as propriedades térmicas de materiais, principalmente sua
degradação, e medidas específicas como: temperatura de transição vítrea (Tg), temperatura de fusão
(Tm), temperatura e tempo de cristalização e oxidação, calor específico e ainda a aquisição de
parâmetros cinéticos de decomposição, que possibilitam em pouco tempo, um estudo minucioso que
pode fornecer o cálculo de energia de ativação (E) de um processo químico até o tempo máximo de
vida (shelf life) de um material [5].
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Mothé et al. 2002, realizou um estudo termoanalítico com sacos de lixo de polietileno de
baixa densidade (PEBD) comparado com sacos de lixo de PEBD envelhecidos durante dez anos em
aterro sanitário. Pelas técnicas de TG/DTG e SDTA em um equipamento Mettler Toledo, modelo
TGA/SDTA 851, com razões de aquecimento de 5, 10 e 20º C, em atmosfera de ar foi possível
observar uma acentuada influência da razão de aquecimento utilizada com as amostras do aterro
sanitário, indicando 2 estágios de degradação para a razão de 20ºC/ min e 4 estágios para as razões
de 5 e 10ºC/min para a termogravimetria. Isto não aconteceu nas amostras não envelhecidas, cujo
principal estágio de decomposição de todas as amostras foi de 400 a 450ºC, com perda de massa em
torno de 90%, sendo que as amostras envelhecidas no aterro mostrou também estágio de degradação
na temperatura em torno de 250ºC, referentes a perda de aditivos do PEBD. Nas análises de SDTA
(Figura 3a e 3b) um largo evento exotérmico pode ser observado para as amostras não envelhecidas
na faixa de 350 a 500ºC, porém para as amostras envelhecidas em aterro esse evento exotérmico se
fragmentou em 3 picos e se desloca para 400 a 500ºC sugerindo que o material sofreu degradação
durante o processo de envelhecimento [6].
Figura 3: Curvas SDTA para amostras de sacos PEBD (a) e PEBD envelhecidas no aterro sanitário(b) [6]
As propriedades mecânicas determinam a resposta dos materiais às influências mecânicas
externas, sendo essa resposta manifestada pela capacidade de desenvolverem deformações
reversíveis, irreversíveis e resistirem à fratura [7]. A análise das propriedades mecânicas dos
materiais é uma das considerações essenciais a serem feitas no processo de seleção dos materiais
poliméricos para um projeto ou desenvolvimento de um produto. Estes valores podem ser obtidos
através de ensaios mecânicos padronizados, dentre os quais se destacam os ensaios de solicitação
mecânica sob tração, flexão e compressão.
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Neste trabalho decidiu-se estudar por análise térmica e avaliar as propriedades mecânicas de
amostras de sacolas plásticas de poli (ácido láctico), PLA, biodegradável proveniente do Japão e de
polietileno de alta densidade (PEAD) não biodegradável proveniente do Brasil.
Experimental
Materiais
As amostras de sacolas plásticas utilizadas durante este estudo foram de poli (ácido láctico),
PLA, biodegradável proveniente do Japão e de polietileno de alta densidade (PEAD) não
biodegradável proveniente do Brasil, como mostram as Figuras 4a e 4b, respectivamente.
(a) (b)Figura 4: Sacolas pláticas utilizadas durante este estudo foram de poli (ácido láctico), PLA, biodegradável proveniente do Japão (a) e de
polietileno de alta densidade (PEAD) não biodegradável proveniente do Brasil (b)
Análise térmica
A estabilidade térmica das amostras de sacolas biodegradável de PLA e não biodegradável
de PEAD foi analisada por TG/DTA em equipamento SDT2960 da TA Instruments (USA).
Aproximadamente 5 mg de cada amostra foram cortadas e analisadas. As análises foram obtidas por
aquecimento das amostras da temperatura ambiente a 800°C, com razão de aquecimento de
10°C/min sob atmosfera de nitrogênio, cuja vazão de gás utilizada foi de 120 mL/min.
Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas dos materiais foram avaliadas pelo equipamento Universal de
Ensaios Instron, modelo 4204 (Canton, USA). O ensaio de resistência à tração utilizou garras
pneumáticas distanciadas de 100 mm, velocidade de separação entre elas de 50 mm/min e célula de
carga de 1KN. Os corpos de prova foram cortados segundo a norma ASTM D 882-91 (“Tensile
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Properties of Thin Plastic Sheeting”), na forma de barras retangulares, com comprimento fixo de
150 mm e largura fixa de 10 mm. Os valores de espessura variaram entre 0,007 e 0,034 mm. Os
parâmetros como módulo de elasticidade, tensão máxima no estiramento e alongamento máximo,
foram determinados a partir da média dos 5 melhores corpo de prova utilizados no ensaio.
Resultados e Discussão
A Figura 5 mostra as curvas de Termogravimetria (TG) obtidas para amostras de sacolas de
PLA e PEAD. A estabilidade térmica neste tipo de curva pode ser discutida em relação à
temperatura inicial de decomposição térmica (Tonset) . A perda de massa das amostras, decorrente
do processo de degradação, também podem ser avaliadas. As curvas mostraram apenas um estágio
de decomposição para o PEAD a temperatura inicial de perda de massa (Tonset) de 450ºC e para
PLA Tonset de 360ºC. A amostra de PEAD apresentou maior estabilidade térmica quando
comparada com a amostra de PLA. A perda de massa dos materiais foi praticamente a mesma, em
torno de 98%, e foi encontrado 2% de resíduos inorgânicos a 800ºC.
Figura 5: Curvas TG para as amostras de PLA e PEAD
Os valores de temperatura em que a velocidade de decomposição foi máxima, TMD, estão
apresentados na Tabela 1. Estes resultados foram obtidos pelas curvas de DTG, conforme mostra a
Figura 6. O perfil das curvas confirmam a existência de um único estágio principal no processo de
decomposição.
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A curva de DTG para o PEAD indica que este material tem maior resistência a temperatura
do que o PLA. Foi observado para a amostra de PLA um ombro em torno de 320ºC, o qual pode
estar relacionado à presença de outro material na amostra, provavelmente um aditivo ou solvente.
Tabela 1: Valores de Tonset, TMD e TFD obtidos pelas curvas de termogravimetria das amostras de PEAD e PLA
AmostrasTonset
(°C)TMD
(°C)
TFD
(°C)
Intervalo de reação
(TFD - Tonset)
(°C)
Perda de massa
(%)
PEAD 450 477 501 51 97,1
PLA 360 396 425 65 98,1
Tonset = temperatura inicial de decomposição
TMD = temperatura máxima de decomposição
TFD = temperatura final de decomposição
Figura 6: Sobreposição das curvas DTG para as amostras de PEAD e PLA
As curvas de Análise Térmica Diferencial (DTA) para amostras de PLA e PEAD estão
ilustradas na Figura 7, onde pode-se observar dois eventos endotérmicos para ambas. O primeiro
está relacionado com a temperatura de fusão cristalina (Tm) e o segundo, com a temperatura de
decomposição. O PEAD apresentou Tm em 126ºC e temperatura de decomposição em 478ºC,
enquanto a amostra de PLA apresentou os valores de 106ºC e 398ºC, respectivamente.
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Figura 7: Curvas DTA para as amostras de PLA e PEAD.
Os ensaios mecânicos foram realizados no sentido longitudinal, isto é, no sentido de
orientação das moléculas na sacola, e no sentido transversal. Foram utilizados 10 corpos de prova
em cada ensaio e os 5 melhores resultados foram escolhidos para o cálculo da média. A Figura 8
ilustra os resultados de tensão versus deformação para as amostras. Neste caso específico, os
materiais não apresentaram ponto de escoamento nítido e foi preciso utilizar uma tensão de tração
no escoamento deslocada, com um offset de 0,3%.
Figura 8: Curvas de tensão versus deformação para as amostras (∎) PEAD de corte longitudinal, (∎) PEAD de corte transversal, (∎) PLA de corte
longitudinal e (∎) PLA de corte transversal
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A Tabela 2 mostra os valores de tensão e deformação na ruptura dos corpos de prova e o
módulo elástico dos materiais. Os resultados indicam que o PEAD apresenta maior resistência à
tração quando comparado com o PLA. Entretanto, este último apresenta os maiores valores de
módulo de Young, que representa a maior tensão que um material pode suportar sem qualquer
deformação permanente residual após o alívio da tensão aplicada, uma característica requerida para
o plástico utilizado como sacola. Observou-se também, que ocorreu um decréscimo das
propriedades mecânicas no sentido transversal, conforme esperado. No sentido longitudinal, o perfil
das curvas apresentou o mesmo comportamento. Para a amostra de PLA no sentido transversal, foi
observado um discreto Yield Point, comportamento este não esperado.
Tabela 2: Propriedades mecânicas das amostras de PEAD e PLA
MATERIAL Tensão na ruptura(MPa)
Deformação naruptura
(%)
Módulo de Young(MPa)
PEADlongitudinal
35,97 7,56 476,0
PEAD transversal 27,51 13,79 200,0
PLA longitudinal 19,36 1,10 1936,0PLA
transversal6,01 0,12 5008,0
Conclusões
A divulgação científica dos plásticos biodegradáveis é importante tanto no âmbito de
desenvolvimento tecnológico quanto na conscientização em relação à reciclagem do lixo e ao uso de
recursos alternativos. As propriedades que tornam os biopolímeros úteis como embalagens são
contrárias às propriedades que permitem a sua biodegradação. O desafio está no desenvolvimento
de uma estrutura que agregue biodegradabilidade, propriedades mecânicas, processabilidade e
estabilidade térmica.
A termogravimetria mostrou que ambas amostras de sacolas plásticas exibiram apenas um
estágio de decomposição, porém o polímero não-biodegradável apresenta maior estabilidade térmica
do que o polímero biodegradável. De acordo com as curvas de DTA, o PEAD apresentou valores
de temperatura de fusão cristalina e temperatura de degradação superiores às do PLA.
Os resultados de ensaios mecânico comprovaram que a sacola de PEAD é mais resistente à
tração quando comparada com a amostra de PLA. No entanto, este último apresenta os maiores
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valores de módulo de Young, que representa a maior tensão que um material pode suportar sem
qualquer deformação permanente residual após o alívio da tensão aplicada, uma característica
requerida para o plástico utilizado como sacola.
AgradecimentosAs autoras expressam seus agradecimentos ao CNPq e a CAPES pelo apoio financeiro.
Referências Bibliográficas
1. Instituto Sócio Ambiental dos Plásticos, Jornal Plastivida, nº 110, 2007.2. Anuário Brasileiro do Plástico, 2005.3. S.V. Canevarolo Jr., “Técnicas de Caracterização de Polímeros”, Artliber Editora Ltda, São
Paulo, 2003, 2ª edição, 341-357. 4. W. Michaeli, “Tecnologia dos Plásticos”. Editora Edgard Blücher Ltda., São Paulo, 1995. 5. C.G. Mothé & A.D. Azevedo, “Análise Térmica de Materiais”, IEditora, São Paulo, 2002, 300p.6. C.G. Mothé, C.R. Araújo, A.C. Grisa, M.Z. Andrade, in Proceedings of the 30th Conference
North American Thermal Analysis Society Conference - NATAS, Pittsburgh, Pennsylvania,USA, 2002, pg 275-280.
7. E. B. Mano, “Polímeros como materiais de engenharia”. Edgard Blücher, São Paulo, 2003.