PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE POLIETILENO PÓS-CONSUMO REFORÇADOS COM

FIBRAS DO BAGAÇO DE CANA

Alberto G. V. de Carvalho Neto, Thiago A. Ganzerlli, Silvia L. Fávaro, Beatriz S. Suguino, Gizilene M. de Carvalho, Eduardo Radovanovic*

Departamento de Química – Universidade Estadual de Maringá – Maringá-PR – eradovanovic@uem.br

Fibras naturais são cada vez mais utilizadas como reforço de materiais plásticos, visando melhores propriedades mecânicas dos materiais finais. Assim, o objetivo deste trabalho foi preparar compósitos utilizando como matriz o polietileno pós-consumo (PEpc) e como reforço fibras do bagaço de cana-de-açúcar. Para uma melhor incorporação do bagaço na obtenção dos compósitos sua superfície foi modificada quimicamente. O bagaço de cana foi mercerizado com hidróxido de sódio e em seguida acetilado. A modificação foi caracterizada através de FTIR e MEV. Os compósitos foram preparados a partir de material modificado e não modificado, contendo 5, 10 e 20% de fibras. As diferentes formulações foram processadas por extrusão. Os materiais obtidos analisados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A análise morfológica indicou que a modificação química do bagaço de cana é suficiente para aumentar a compatibilidade entre matriz e reforço. Ensaios de tração, flexão e impacto foram utilizados para avaliar as propriedades mecânicas dos materiais, indicando um melhor desempenho mecânico dos compósitos. Palavras-chave: Compósito, polietileno pós-consumo, bagaço de cana, acetilação

Reinforcement of a post-consumer polyethylene composites with sugarcane bagasse-based fibers

Natural fibers have been widely used as reinforcement in plastic to manufacture materials with excellent mechanical properties. In this work, composites were prepared from a post-consumer polyethylene (PEpc) matrix and sugarcane bagasse fibers as reinforcement. Chemical modification of fibers of sugarcane bagasse was used to improve their compatibility over the preparation of the composites. The fibers were mercerized with a NaOH solution followed by an acetylating reaction. FTIR spectroscopy was used to characterize the chemically modified fibers. By using an extrusion process, the composites were prepared from either the modified or the unmodified materials, containing of 5, 10 or 20 wt% of fibers. The morphology of the obtained materials was evaluated by SEM images. It was noticed that the chemical modification of the fiber improves the adhesion between matrix and reinforcement phases. Flexural and impact tests, used in determination of mechanical properties, demonstrated that the composites had better mechanical performance than the polymer matrix Keywords: Composite, post-consumer polyethylene, sugarcane bagasse, acetylation Introdução

A expansão do uso de materiais poliméricos pode ser observada no nosso dia a dia através

dos inúmeros bens de consumo que nos cercam. Uma grande variedade de polímeros surgiu

decorrente do desenvolvimento de novos processos de polimerização. Assim, os materiais

desenvolvidos a partir de polímeros pós-consumo têm chamado cada vez mais a atenção devido aos

ganhos sociais, econômicos e ecológicos que propiciam. A maior fração dos polímeros passíveis de

reciclagem é composta de poliolefinas, tais como o polietileno (PE) e o polipropileno (PP).

Entretanto, para os materiais reciclados podem ser requeridas algumas propriedades finais

específicas diferentes dos polímeros de origem. Uma alternativa ecologicamente correta para a

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modificação de algumas das propriedades dos polímeros é a utilização de fibras naturais na

preparação de materiais compósitos.

Um compósito é constituído de reforço, geralmente sob a forma de fibras e de uma matriz,

que é contínua e envolve a outra fase. O reforço contribui para a resistência mecânica do material,

enquanto que a matriz une as fibras, conservando a sua disposição geométrica, bem como as

protegendo do ambiente exterior. As propriedades mecânicas teóricas de um compósito dependem

dos seguintes fatores: propriedades dos materiais constituintes (fibras e matriz); concentração das

fibras e orientação das fibras, bem como da interação entre a matriz e o reforço.

Os compósitos são materiais que podem ser reforçados com fibras metálicas, poliméricas,

minerais ou com fibras naturais de origem vegetal. Na fabricação de materiais compósitos, as

resinas termorrígidas, principalmente os poliésteres, são as mais utilizadas. Outras resinas

termorrígidas usadas, além do poliéster, são: epóxi, vinil, éster, etc. A escolha da resina apropriada

permite muitas vezes alterar as características finais de um compósito, tais como: temperatura de

utilização, resistência química, propriedade elétrica, etc. Uma ampla variedade de fibras tem sido

utilizada como reforço na fabricação de diferentes materiais, como fibras lignocelulósica, fibras de

vidro, carbono, metal e outras fibras sintéticas.

O emprego de compósitos de matriz polimérica reforçados por fibras naturais

lignocelulósicas vem tendo um crescente desenvolvimento nos últimos anos. As fibras vegetais,

além de apresentarem muitas vantagens em relação às fibras sintéticas (baixo custo, fontes

renováveis, baixa abrasividade) são também promissoras devido ao desempenho mecânico obtido

por seus compósitos em relação aos obtidos com fibras sintéticas como, por exemplo, as de vidro1.

Muitas fibras naturais como: madeira, juta, kenaf, abacaxi, coco, bagaço da cana, casca de arroz e

sisal têm sido utilizadas como reforço em materiais compósitos2.

A cana de açúcar é um dos principais produtos agrícolas do Brasil, atingindo a produção de

426 milhões de toneladas na ultima safra. Obtendo como produtos em seu processo de

industrialização, além do açúcar, do álcool e do vinhoto, 25 % em bagaço.

O objetivo deste trabalho foi preparar compósito a partir do polietileno pós-consumo (PEpc)

reforçado com fibras do bagaço de cana e caracterizar suas propriedades físico-químicas,

morfológicas e mecânica.

Experimental Materiais

- Polietileno de alta densidade pós-consumo: obtido na indústria de reciclagem Plaspet, Maringá-

PR.

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- Bagaço de cana de açúcar: fornecido pelo Centro de tecnologia em ação de desenvolvimento

sustentável de Arapongas - PR.

Modificação química do bagaço de cana

O bagaço de cana foi triturado utilizando um moinho de faca, lavado com água destilada por

1 hora a 80 ºC e seco em estufa durante 5 horas a 100 ºC.

Após a lavagem as amostras foram tratadas com solução de NaOH 10% a temperatura

ambiente, por 3 horas. Em seguida, foram lavadas em água corrente até pH próximo de 7, e secas

em estufa a 100 °C.

O bagaço de cana após ter sido submetido às etapas de lavagem e mercerização foi imerso em

acido acético glacial por 1 hora a temperatura ambiente. Em seguida filtrado e imerso por 5 minutos

em anidrido acético 97% levemente acidificado com ácido sulfúrico, e posteriormente filtrado,

lavado com água até pH próximo de 7 e seco em estufa até massa constante.

Preparação dos Compósitos

Os compósitos foram processados em uma extrusora monorrosca, com rosca de 25 mm de

diâmetro e 70 cm de comprimento (L/D=28), com 3 zonas de aquecimento. As temperaturas de

processamento foram de 110 ºC na primeira zona, 165 ºC na segunda e na terceira zona trabalhou-se

com temperatura inferior a 200 ºC. A velocidade de rotação foi de 40 rpm.

Os corpos de prova para os ensaios mecânicos foram preparados a partir dos compósitos

extrudados e triturados. Uma injetora Pavan Zanet 100 t com diâmetro de 42 mm, temperatura de

injeção de 180 ºC, pressão de injeção de 35 bar, pressão de recalque de 30 bar, foi utilizada na

preparação dos corpos de prova. A notação adotada neste texto utilizada para as diferentes

formulações dos compósitos injetados foi: PE para a matriz, e utilizou-se B para o bagaço de cana e

Bac para o bagaço de cana acetilado, os índices 5, 10 e 20 indicam a porcentagem de fibras no

compósito. Assim, como exemplo, a notação PE/Bac10 significa um compósito obtido com 10%

em massa de bagaço de cana acetilado numa matriz de polietileno.

Técnicas de Caracterização

- Análise de FTIR-HATR: a modificação do bagaço de cana foi caracterizada por espectroscopia na

região do infravermelho com refletância total atenuada horizontal, utilizando um espectrofotômetro

de infravermelho com transformada de Fourier Bomem, model MB-100, 16 acumulações e 4 cm-1

de resolução.

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- Microscopia eletrônica de varredura: as fibras e os compósitos foram analisados

morfologicamente através de microscopia eletrônica de varredura utilizando um equipamento marca

Shimadzu, modelo SS-550.

- Resistência à tração: os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal de ensaios -

EMIC DL 2000 com uma célula de carga de 5000 N, velocidade de garra de 50 mm/min, segundo a

norma ASTM D - 638. Para cada formulação realizou-se 8 ensaios.

- Resistência à Flexão: no ensaio de flexão seguiu-se a norma ASTM D – 790-00, método A, modo

3 pontas. Foram realizados 8 ensaios para cada amostra, utilizando um equipamento EMIC DL

2000, uma célula de carga de 5000 N, com distância entre os suportes de 63 mm e velocidade de 20

mm/min.

- Resistência ao Impacto Izo: para os ensaios de Impacto os corpos de prova foram entalhados e os

testes realizados segundo a norma ASTM D 256-00, método A. Foram realizados 5 ensaios para

cada amostra em um equipamento EMIC –Al, com pêndulo de 5,4 J.

Resultados e Discussão

Na Figura 1 são apresentadas as micrografias para o bagaço de cana e bagaço modificado. Na

superfície da fibra do bagaço de cana (Figuras 1A e 1B) ocorre a presença das células do

parênquima envolvendo a fibra e alguns resíduos. De acordo com a literatura as fibras vegetais são

revestidas por substâncias intercelulares constituídas principalmente de lignina e hemicelulose3,4.

Após o tratamento alcalino ocorre a retirada parcial da lignina e também da hemicelulose, bem

como a remoção de impurezas, substâncias graxas e das células do parênquima, de acordo com a

literatura3. Com essa reação ocorre uma exposição da estrutura fibrilar, conforme Figura 1C, o que

resulta num aumento da área efetiva de contato da fibra. Assim, os grupos OH da celulose também

são expostos facilitando a formação do acetato de celulose quando as fibras são acetiladas, a reação

proposta para a acetilação é descrita na equação 13. Esta equação descreve o processo onde os 3

grupamentos OH da unidade repetitiva da celulose são acetilados, no entanto, esta substituição pode

ser parcial, dependendo do procedimento de acetilação. Para as fibras acetiladas (Figura 1D) não foi

possível evidenciar mudanças morfológicas, comparativamente às fibras mercerizadas, em várias

amostras analisadas.

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O

HO

HH

OH

OHO

H H

CH2OH

n

+ (CH3CO)2OCH3COOH

H2SO4

O

HO

HH

OR

ORO

H H

CH2OR

+ CH3COOH

n(1)

Onde R : CH3CO

O

Figura 1 – Imagem de MEV da fibra do bagaço de cana: (A) fibra não modificada, (B) Fibra lavada, (C) fibra mercerizada, (D) fibra acetilada.

Através dos espectros de FTIR-HATR do bagaço de cana tratado e não tratado (Figura 2) foi

possível observar a modificação química da superfície da fibra. A comparação entre o espectro das

fibras mercerizada e o espectro das fibras sem tratamento revela que houve no primeiro o

desaparecimento das bandas em 1740 e 1250 cm-1 atribuídas principalmente a modos de vibração de

grupamentos C=O e C-O presentes na lignina e na hemicelulose, que foram parcialmente removidas

durante a mercerização5. O aparecimento das bandas nas regiões de 1750 cm-1 e 1240 cm-1 no

espectro do bagaço de cana acetilado foi atribuído aos estiramentos dos grupamentos C=O e C–O,

A B

C D

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respectivamente, originados pela inserção do acetato nas fibras através da reação de acetilação,

indicando que a superfície da fibra foi quimicamente modificada.

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600

1240 cm-11750 cm

-1

Fibra acetilada

Fibra mercerizada

Número de onda (cm-1)

Fibra1740 cm-1

1250 cm-1

Figura 2 – Espectro de FTIR das fibras do bagaço de cana.

A técnica de MEV possibilitou analisar a adesão entre matriz e reforço nos compósitos

extrudados. As Figuras 3A e 3B apresentam a micrografia para o compósito preparado a partir de

material não modificado, onde pode ser observada a não aderência entre a fibra e a matriz

polimérica em todas as regiões. Uma maior adesão entre as fases ocorre nos compósitos preparados

com fibra modificada. Nas Figuras 3C e 3D observa-se uma grande adesão entre o bagaço acetilado

e o PE, em todas as regiões do compósito. A modificação da superfície da fibra atua desta maneira

para aumentar a interação e a adesão entre a matriz e a fase de reforço.

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Fig. 3. Micrografias dos Compósitos: (A) PE/B, (B) PE/B, (C) PE/Bac, e (D) PE/Bac.

Na Figura 4 podem ser observados os resultados obtidos a partir dos ensaios de resistência a

tração para os materiais compósitos. Na Figura 4a têm-se os valores para a tensão na ruptura.

Ocorre uma variação muito pequena nos valores de resistência a tração para valores menores nestes

compósitos. Nos resultados obtidos para a variação do alongamento na ruptura (%) (Figura 4b) a

inserção das fibras provoca maiores modificações no material, sendo que uma diminuição mais

drástica no alongamento foi observada para os compósitos preparados com 20% de bagaço de cana,

ou seja, a adição dos materiais fibrosos faz com que haja um aumento na rigidez dos compósitos

comparativamente ao polímero puro. Como conseqüência deste resultado, os valores de módulo de

elasticidade (Figura 4c) têm aumento significativo para os compósitos quando comparado com a

matriz pura. Um maior valor de módulo de elasticidade (aumento de 27,2%) é encontrado para o

compósito com 20% de fibra de bagaço de cana acetilado. Assim, pode-se inferir que tanto a

A B

C D

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a

quantidade de fibras quanto o processo de modificação destas contribuem no aumento do valor do

módulo de elasticidade.

PEAD PE/5B PE/5CBac PE/10B PE/10Bac PE/20B PE/20Bac0

5

10

15

20

Diferentes Formulações

Tens

ão M

áxim

a (M

Pa)

PEAD PE/5B PE/5CBac PE/10B PE/10Bac PE/20B PE/20Bac0

2

4

6

8

10

12

14

Diferentes FormulaçõesA

long

amen

to M

áxim

o (%

)

PEAD PE/5B PE/5CBac PE/10B PE/10Bac PE/20B PE/20Bac0

100

200

300

400

500

600

Mod

ulo

de E

last

icid

ade

(MP

a)

Figura 4. Ensaio de tração: a) tensão na ruptura; b) alongamento na ruptura; e c) módulo de elasticidade.

Os resultados de tensão na flexão estão apresentados na Figura 5. Um aumento na

resistência à flexão é observado com a inserção de fibras na matriz polimérica. Esse aumento foi

observado em todas as formulações, no entanto, ocorreu uma tendência destes valores de tensão de

ruptura sejam maiores nas amostras que apresentaram a maior quantidade de material de reforço.

Pode ser observado na Figura 4b que o aumento do módulo de flexão está diretamente relacionado

b

c

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com a quantidade de fibra na matriz e com o processo de modificação. Os melhores resultados

nestes ensaios foram obtidos para os compósitos preparados com 20% de fibra, com aumento de

56% e 78%, para compósitos com fibra não modifica e modificada, respectivamente.

PEAD PE/5B PE/5Bac PE/10B PE/10Bac PE/20B PE/20Bac0

5

10

15

20

25

30

35

Diferentes Formulações

Tens

ão M

áxim

a (M

Pa)

PEAD PE/5B PE/5Bac PE/10B PE/10Bac PE/20B PE/20Bac0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Diferentes Formulações

Mód

ulo

de F

lexã

o (M

Pa)

Figura 5 - Ensaio de flexão: a) tensão máxima; e b) módulo de flexão.

A inserção de fibras naturais em materiais poliméricos faz com que aumente a sua rigidez e

como conseqüência ocorreu um aumento na sua resistência ao impacto, pois as fibras adicionadas

atuam como absorvedores a energia do impacto, evitando também a propagação de trincas durante o

ensaio. Na Figura 6 pode-se observar um aumento na resistência ao impacto com a adição de

bagaço de cana, em relação ao polímero puro. A amostra que apresentou um maior aumento na

resistência ao impacto foi aquela preparada com 10% de bagaço de cana acetilado, 22,4%.

PEAD PE/5B PE/5Bac PE/10B PE/10Bac PE/20B PE/20Bac0

40

50

Diferentes Formulações

Res

istê

ncia

ao

Impa

cto

(J/m

)

Figura 6 - Ensaio de resistência ao impacto

a b

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Conclusões

Compósitos preparados a partir de polietileno pós-consumo e fibras de bagaço de cana não

modificadas e acetiladas foram processados por extrusão e injeção. As fibras acetiladas foram

caracterizadas por FTIR e MEV. Foi observado que a modificação química do bagaço de cana

através da acetilação aumenta a sua hidrofobicidade, o que possibilita uma maior compatibilidade

com a matriz de polietileno. As analises mecânicas indicaram a obtenção de um material mais

rígido com a adição das fibras. Desta forma, os compósitos apresentaram maiores valores de

módulo de elasticidade e flexão e maior resistência à flexão e ao impacto, quando comparados com

a matriz. A quantidade de material de reforço (fibras) no compósito é um fator significante nas

propriedades mecânicas, principalmente nos valores de módulo de elasticidade e flexão.

Agradecimentos S L Fávaro, A G V de Carvalho Neto, E Radovanovic agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas 1. A. Almeida, V. Calado, D. Barreto, J. R. Almeida Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2005, 15,

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