Obtenção de compósitos de poliácido láctico (PLA) reforçados com celulose microfibrilada de curauá : propriedades mecânicas, térmicas, biodegradação e absorção de água

Abstract

A preocupação com meio ambiente em relação ao impacto dos polímeros na natureza vem aumentando cada vez mais, fazendo com que se reduza o consumo destes materiais, bem como se busque alternativas inovadoras com o intuito de reduzir os efeitos destes impactos. Assim, as fibras naturais bem como os polímeros naturais, como o de poliácido láctico (PLA), apresentam um grande potencial para substituir os polímeros sintéticos, devido sua baixa densidade, boas propriedades mecânicas e a biodegradabilidade. As fibras de celulose, que podem ser extraídas das fibras naturais apresentam alto módulo de elasticidade e podem ser agregadas aos polímeros naturais, obtendo-se assim compósitos com propriedades únicas. Desta forma, o presente estudo tem como objetivo a substituição do polipropileno (PP), polímero sintético amplamente utilizado e de origem petrolífera, por compósitos de PLA reforçados com celulose microfibrilada (CMF) de fibra de curauá. Apesar das excelentes propriedades mecânicas do PP, este polímero demora anos para ser degradado no meio ambiente. Para a obtenção dos compósitos, a celulose microfibrilada de fibra de curauá foram obtidas a partir de fibras pré-tratadas com clorido de sódio e hidróxido de sódio usando a técnica de desfibrilação mecânica por meio do moinho de Mazuko. Uma completa caracterização da CMF foi realizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET), termogravimetria e sua derivada (TG-DTG), calorimentria exploratória diferencial (DSC) e difração de raio x (DRX). Depois, a celulose microfibriladade fibra de curauá foram incorporadas à matriz polimérica utilizando a técnica de troca de solvente e posterior solubilização dos polímeros para a produção dos compósitos por fusão (alta concentração de celulose microfibrilada). A mistura foi triturada em moinho de facas e adicionada à matriz polimérica, obtendo-se os compósitos de PLA com 0,5% e 1,5% (m/m) de CMF por meio de extrusão de dupla-rosca e posterior injeção para a confecção de corpos de provas para ensaios mecânicos. Corpos de prova de PP e PLA também foram obtidos para comparação. As propriedades mecânicas aliadas a técnica de correlação digital de imagem (DIC), propriedades térmicas, biodegradação em solo simulado e absorção de água serão avaliadas a fim de avaliar a efetividade da substituição. Os materiais foram submetidos a ensaios mecânicos, térmicos, análise dinâmico-mecânica (DMA) e morfológicos. Para avaliar o efeito da biodegradação em solo simulado por 30 a 90 dias e absorção de água sobre as propriedades dos materiais, estes foram caracterizados por TG-DTG, DSC, MEV, DMA e ensaio mecânico de flexão. Por meio das micrografias (MEV e MET) evidenciou-se que a desfribrilação mecânica da celulose microfibrilada foi bastante eficaz, resultando em microfibras com diâmetro 180 a 280 nm e 63,16% de cristalinidade. As curvas TG mostraram que a estabilidade térmica da celulose microfibrilada foram menores que a fibra pré-tratada e fibra in natura e as curvas DSC evidenciaram que a celulose microfibrilada têm uma maior degradação térmica que as fibras pré-tradadas e in natura. Com relação às propriedades mecânicas dos compósitos, estes mostraram que a adição de celulose microfibrilada fez com que a resistência à flexão, tração, impacto e os módulos aumentassem em relação ao PLA e o PP. Já a análise da correlação Digital de imagens (DIC) verificou-se a partir do gradiente de deformação que o material reforçado com 0,5% em massa de celulose microfibrilada apresentou uma maior homogeneidade, fato também comprovado nos ensaios de MEV, em relação a dispersão da carga corroborando com a maior rigidez, tensão máxima e coeficiente de Poisson, em relação ao PLA e o PP. Em relação às análises térmicas, estas técnicas permitiram a avaliação do limite de temperatura no qual este material pode ser processado, como também a influência do teor de CMF na matriz natural. As curvas de TGA mostraram que os compósitos tem uma estabilidade térmica intermediária entre fibras de celulose e matriz de PLA e o DSC para os compósitos mostraram curvas de DSC com uma degradação térmica semelhantes ao PLA, entretanto inferior ao PP. As curvas DMA mostraram aumento do módulo de armazenamento do compósito com 0,5% de carga em relação ao PP e o PLA. A análise da microestrutura por MEV do PLA e dos compósitos permitiram avaliar os mecanismos de falha do PLA, mostrando a razoável transferência de tensão entre fibra e matriz antes do rompimento do material. O ensaio do materal exposto no solo simulado mostrou que a celulose microfibriladae auxiliaram na biodegradação dos compósitos, entretanto retardaram a biodegradação do compósito reforçado com 0,5% de microcelulose, fato comprovado nos ensaios térmicos, mecânicos e morfológicos. A partir dos resultados, com relação aos compósitos em comparação ao PP, estes inicialmente podem substituir o PP. Entretanto às questões de biodegradabilidade e absorção de água ainda tem que ser consideradas como ferramenta de decisão para a escolha do melhor material.