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DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

BASEADOS EM TERMOPLÁSTICO DE AMIDO E POLIPROPILENO COM

BIOMASSA BRUTA DE Penicillium sp.

L. A. Massulo1*, B. F. Bergel2, C. M. Mählmann3, A. L. Rodríguez4; V. A. Corbellini3

* Av. Independência, 2293, bloco 12, sala 1211, Bairro Universitário, Santa Cruz do Sul, RS, Brasil, CEP 96815-900, e-mail: [email protected].

1 Curso de Engenharia Civil – Universidade de Santa Cruz do Sul- UNISC, RS. 2 Curso de Química Industrial – Universidade de Santa Cruz do Sul- UNISC, RS.

3 Departamento de Química e Física – Universidade de Santa Cruz do Sul- UNISC, RS.

4 Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias – Universidade de Santa Cruz do Sul- UNISC, RS.

RESUMO A crescente preocupação com a preservação ambiental tem impulsionado pesquisas envolvendo materiais biodegradáveis, neste contexto o termoplástico de amido (TPS) tornou-se um dos plásticos mais estudados. O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver blendas parcialmente biodegradáveis de TPS e polipropileno (PP), e aplicá-las como matriz em compósitos poliméricos. Foram utilizados os processos de extrusão e moldagem por compressão a quente para a obtenção dos compósitos. As formulações estudadas envolveram fração mássica de 5% (m/m) de: biomassa fúngica bruta de Penicillium sp.; 1,3-β-glicano ou fibras de bagaço de cana-de-açúcar. As propriedades das amostras foram avaliadas pelos ensaios de flexão, tração e dureza. Os resultados alcançados indicaram a dependência das propriedades avaliadas com os diferentes reforços estudados, indicando potencial de aplicação destes compósitos.

Palavras-chave: termoplástico de amido, Penicillum sp., compósitos poliméricos, fibras de cana-de-açúcar, β-glicano, Lentinus sp.

INTRODUÇÃO

Nas últimas décadas o uso de plásticos vem aumentando em vários

segmentos, sendo utilizados em diversas aplicações devido às suas propriedades

interessantes. Por outro lado, a maioria dos plásticos mais usados é oriunda de

matéria prima não renovável, o que aliada à dificuldade de biodegradação, causa

grande impacto ambiental tanto na sua extração como no seu descarte.

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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Na busca de uma solução desse problema, plásticos biodegradáveis têm sido

estudados através de várias pesquisas, e a partir de diversas matérias primas. Um

destes plásticos mais estudados é o termoplástico a base de amido (TPS), pois

quando misturado com polímeros tradicionais, permite a obtenção de blendas

parcialmente biodegradáveis e ainda possibilita o acréscimo de reforços (1-3).

Geralmente, os termoplásticos biodegradáveis puros possuem propriedades

mecânicas pobres, sendo que a utilização de misturas (blendas) destes com outros

plásticos podem resolver ou minimizar esse problema.(4-6).

Outra forma de melhorar as propriedades, e portanto ampliar as aplicações, de

termoplásticos biodegradáveis, é através da sua utilização em compósitos

reforçados com diversos tipos de fibras. Entretanto, como o caráter biodegradável é

o que torna interessante a utilização deste tipo de material, os reforços mais

interessantes são os que apresentam este mesmo comportamento, como os

lignocelulósicos, entre outros (7-10).

Neste contexto, este trabalho envolveu o desenvolvimento de blendas de

polipropileno (baixo custo e boas propriedades físicas) com termoplástico a base de

amido de mandioca. Esta blenda foi utilizada como matriz reforçada separadamente

com biomassa bruta do fungo Penicillium sp., com fibras de cana-de-açúcar ou com

betaglicano. O betaglicano foi extraído do fungo Lentinus sp., pois em biomassas

fúngicas são encontrados maiores teores deste carboidrato (11). Os compósitos foram

processados e suas propriedades foram determinadas, visando comparar o efeito

das três fases dispersas empregadas.

MATERIAIS E MÉTODOS

Preparação de termoplástico de amido

O termoplástico de amido (TPS) foi preparado a partir da mistura de 80%

amido de mandioca com 20% de glicerol, Synth 99,5%, (m/m). Esta mistura foi

utilizada para a formulação 80% de água com 20% da mistura (m/m), sendo

gelatinizada em forno micro-ondas em potência média por 7 min em intervalos de 1

minuto para homogeneização. O produto foi seco em estufa a 60°C, e realizada a

moagem em moinho de facas Mecanofar MF300.

Obtenção da blenda (matriz)


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Foi realizada a mistura de polipropileno EP448R-QUATTOR com TPS em

homogeneizador de laboratório MH-equipamentos na proporção de 8:2,

respectivamente. Após a mistura foi realizada a moagem do material.

Preparo das fases dispersas (reforços)

A biomassa fúngica (Penicillium sp.) utilizada neste trabalho foi inoculada e

cultivada em meio preparado a partir de glicose, peptona e água, 4:2:100 (m/m/m). A

biomassa obtida (após 5 dias) foi inertizada em autoclave por 1 hora, seca em estufa

e moída para ser aplicada como reforço. A extração do betaglicano se deu a partir

do fungo Lentinus, que foi digerido em solução de NaOH 1 mol L-1 por 24 horas.

Após, o conteúdo foi centrifugado e o sedimento submetido a uma digestão em HCl

3% por 24 horas. Novamente centrifugou-se a amostra e o sedimento foi submetido

à oxidação com H2O2 3% a -5°C por 3 horas. O sedimento foi lavado com acetona, o

solvente foi evaporado e o produto foi seco. As fibras de bagaço de cana-de-açúcar

foram lavadas em água, secas em estufa a 70°C, e moídas em moinho de facas.

Para a utilização nos compósitos procedeu-se com a separação granulométrica das

fibras, tendo sido utilizadas fibras menores que 1 mm.

Produção dos compósitos

Os compósitos foram produzidos com teores de reforço de biomassa bruta de

Penicillium sp. e cana-de-açúcar foi de 5%, enquanto o de betaglicano foi de 10%.

As formulações foram processadas por extrusão, em extrusora monorosca SEIBT,

(temperatura máxima de 165°C). O material obtido foi moído em moinho de facas e

depois, processado por moldagem por compressão a 180°C, obtendo-se placas de 2

mm de espessura.

Avaliação das propriedades

As propriedades das amostras foram caracterizadas pelos ensaios de: Tração

(ASTM D638, EMIC DL 10.000, 5 mm min-1); Flexão (ASTM D790); Dureza (ASTM-

D2240, no Durômetro Shore GSD – 702 Teclock Politest.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Ensaio de tração

Na figura 1 são apresentados os resultados para o parâmetro módulo de

elasticidade em tração da blenda polimérica de PP + TPS 20%, e dos compósitos de


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PP/TPS + 5% de biomassa bruta de Penicillium sp., PP/TPS + 10% de β-glicano e

PP/TPS + 5% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar.

Fig. 1 - Resultados do módulo de elasticidade do ensaio de tração.

Observou-se aumento na rigidez do compósito com 5% de biomassa em

relação ao PP/TPS puro. Entretanto, verificou-se diminuição na rigidez dos

compósitos com os demais reforços, tendo esse último uma variação muito grande

dessa propriedade.

Na figura 2, são apresentados os resultados do ensaio de tração para

tensão na força máxima.

Fig. 2 - Resultados de tensão na força máxima do ensaio de tração.

Em comparação com o PP/TPS puro, notou-se um aumento na resistência

mecânica dos compósitos quando acrescidos de fibras de cana-de-açúcar ou de

betaglicano, entretanto, quando acrescido de biomassa bruta, o compósito teve um

resultado similar ao PP/TPS, contudo, mostrou menor variação.

Ensaio de flexão


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Os valores obtidos para o módulo de elasticidade do ensaio de flexão das

amostras testadas são apresentados na figura 3.

Fig. 3 - Resultados do módulo de elasticidade do ensaio de flexão.

Os resultados mostraram que a adição de betaglicano ou biomassa bruta

aumentaram a rigidez em flexão em comparação ao PP/TPS puro. Também houve

um aumento com a adição das fibras de cana-de-açúcar, porém menor comparado

às outras formulações.

As tensões máximas determinadas pelo ensaio de flexão são na figura 4.

Fig. 4 - Resultados da tensão máxima do ensaio de flexão

Em flexão foi observado um grande aumento da resistência mecânica nos

compósitos, tanto com a adição de fibras de cana-de-açúcar, tanto com biomassa

bruta. O betaglicano quando adicionado também mostrou um acréscimo desta

propriedade.

Dureza Shore D


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Na figura 5 são apresentados os resultados de dureza superficial das amostras

analisadas.

Fig. 5 - Resultado do teste de dureza das amostras avaliadas.

Os compósitos apresentaram maior dureza superficial quando comparados

com a amostra PP/TPS. Entre os compósitos avaliados, verificou-se similaridade

quanto a essa propriedade.

CONCLUSÕES

Os resultados mostraram que o emprego do β-glicano como reforço em

compósito polimérico foi interessante, e que este quando adicionado à matriz

melhorou principalmente a dureza, a resistência mecânica na tração e a rigidez na

flexão.

Já a adição de cana de açúcar contribuiu adequadamente na melhoria da

dureza, bem como nas resistências mecânicas na tração e flexão.

Com a relação à biomassa bruta, esta foi a única que sua adição não

prejudicou o desempenho quanto à rigidez na tração, e que ainda melhorou a

dureza, a rigidez na flexão e a resistência mecânica na flexão.

Estes resultados interessantes quanto ao ganho de propriedades mecânica

com o emprego destes reforços em matriz de blenda de TPS com PP, indicam que

este tipo de material pode ser aplicado onde a característica inerente ao TPS, de

biodegradação, seja necessária. As aplicações podem ser em bens de consumo

descartáveis, e que durante seu uso não seja colocado em contato com a água,

evitando assim, a desagregação dos constituintes.


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REFERÊNCIAS

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3 Imre, B.; Pukánszky, B. Compatibilization in bio-based and biodegradable polymer

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4 SCHLEMMER D. Preparação, caracterização e degradação de blendas de

poliestireno e amido termoplástico usando glicerol e óleo de buriti (Mauritia

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5 ROSA, D.S.; GRILLO, D.; BARDI, M.A.G.; CALIL, M.R.; GUEDES, C.G.F.;

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6 IMRE, B.; PUKÁNSZKY, B. Compatibilization in bio-based and biodegradable

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7 KOROL, J.; LENŻA, J.; FORMELA, K.. Manufacture and research of TPS/PE

biocomposites properties. Composites Part B: Engineering, 2014.

8 Taghizadeh, A.; Favis, B. D. Carbon nanotubes in blends of

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9 MÜLLER, P.; RENNER, K.; MÓCZÓ, J.; FEKETE, E.; PUKÁNSZKY, B.

Thermoplastic starch/wood composites: Interfacial interactions and functional

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Technology. n.55 p.627-631. 2013.


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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861708005444


















DEVELOPMENT AND AVALIATION OF POLYMERIC COMPOSITES BASED

THERMOPLASTIC STARCH AND POLYPROPYLENE REINFORCED WITH

GROSS Penicillum sp. BIOMASS.

ABSTRACT

The growing concers with the environmental preservation has driven research involving

biodegradable materials, in this context the thermoplastic starch (TPS) became one of

the most studied plastics. The goal of this research was to develop partially

biodegradable blends of TPS and polypropylene, and apply them as matrix in

polymerics composites. The process of extrusion and casting through hot compression

were used to obtaining the composites. The formulations studied involved mass

fractions of 5% of: gross fungal biomass of Penicillium sp.; 1,3-β-glucan of Lentinus sp.

or sugar cane bagasse fiber. The samples’ proprieties were evaluated by bending,

tensile and hardness tests. The achieved results indicated the dependence of the

evaluated proprieties with the various studied reinforcements, indicating the potential

application of these composites.

Key words: thermoplastic starch, Penicillium sp., polymeric composites, sugar cane

fibers, β-glucan, Lentinus sp.


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