Biocompósitos de Ecobras com Vermiculita



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Biocompósitos de Ecobras com Vermiculita
Marcelo F.L.Oliveira1, Aline L. China1,2, Márcia C.A.M.Leite.1 , Márcia G.Oliveira2

1UERJ/IQ – Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Rua São F. Xavier, 524, RJ.

2 INT – Instituto Nacional de Tecnologia. Av. Venezuela, 82/106, RJ.

marcelo.ferreira@int.gov.br


RESUMO
Compósitos de polímeros biodegradáveis com adição de cargas minerais têm sido estudados recentemente com o objetivo de buscar materiais ambientalmente amigáveis para serem utilizados em artefatos mecanicamente resistentes e biodegradáveis. Compósitos de Ecobras e vermiculita, em baixos teores, foram preparados por intercalação por fusão seguida de moldagem por injeção. Para cada composição, a carga foi tratada termicamente em diferentes temperaturas. Os compósitos foram caracterizados por índice de fluidez. Foram realizados ensaio de resistência à tração e a biodegradabilidade foi avaliada utilizando o método de solo simulado mediante o monitoramento da perda de massa e da morfologia. Os valores de índice de fluidez dos compósitos diminuem à medida que o teor de vermiculita aumenta. O módulo elástico dos compósitos com apenas 5,0 phr de argilomineral revelou enrijecimento em relação à matriz pura. Nos ensaios de biodegradabilidade foi observada maior perda de massa para o Ecobras frente aos compósitos preparados.
Palavras-chave: Polímeros biodegradáveis, vermiculita, biocompósitos.
INTRODUÇÃO
O uso de polímeros biodegradáveis na manufatura de alguns artefatos, como por exemplo bandejas para embalagens de alimentos e tubetes para mudas de plantas, é uma alternativa atrativa em comparação aos polímeros convencionais. As principais vantagens desse uso se baseiam nas seguintes características dos polímeros biodegradáveis: (i) origem de fonte renovável; (ii) redução do impacto ambiental; e (iii) menor agressividade ao meio ambiente. Boas propriedades como barreira a gases e resistência à umidade são alcançadas. Por outro lado, apresentam baixo desempenho nas propriedades mecânicas e térmicas quando comparadas aos polímeros convencionais1,2. A adição de cargas tem como objetivo a recuperação do desempenho mecânico e boas condições de processamento. Dentro desse universo de polímeros biodegradáveis, há um em especial: o Ecobras™, um copoliéster alifático à base de amido de milho termoplástico produzido pela empresa Corn Products da BASF. O Ecobras™ apresenta uma elevada biodegradabilidade quando comparado com outros bioplásticos3. É razoável pensar em utilizar uma fibra ou uma carga inorgânica que confira maior resistência mecânica ao Ecobras™ sem interferir em sua capacidade de biodegradação. A vermiculita, um silicato lamelar da família dos filossilicatos, surge como carga reforçante, conferindo resistência mecânica e térmica à matriz, tornando viável a aplicação em diversos artefatos. Como vantagem, a vermiculita apresenta abundância no Brasil e baixo custo como matéria-prima4,5. Este trabalho tem por objetivo estudar inicialmente composições envolvendo Ecobras™ e vermiculita, preparadas por intercalação por fusão, utilizando misturador de câmara interna. Os compósitos foram caracterizados por índice de fluidez (IF) e ensaios mecânicos (módulo elástico, resistência à tração e alongamento na ruptura). A biodegradabilidade das misturas foi realizada utilizando o método de solo simulado, monitorando perda de massa durante o período de 2 e 4 semanas. A morfologia do Ecobras e seus compósitos foram acompanhados por microscopia eletrônica de varredura.
EXPERIMENTAL
Ecobras™é a combinação do PBAT, poli (adipato-co-tereftalato de butileno) e mais de 50% de amido de milho. Foi gentilmente cedido pela BASF e Corn Products. O polímero encontra-se na forma de pellets, índice de fluidez (190°C, 2,16kg) = 4,0 - 9,0 g/10 min (grau injeção), densidade () = 1,30-1,32 g/cm3 e coloração bege. A vermiculita (VMT) utilizada é resíduo da extração da bauxita, originário das jazidas de Santa Luzia, região brasileira do estado da Paraíba. Foi gentilmente cedida pelo Centro de Tecnologia de Minerais (CETEM). O material recebido encontra-se na forma de grânulos pequenos irregulares, de coloração castanha, não expandida, de granulometria super fina e densidade () igual a 2,49 g/cm3. Antes do processamento, a vermiculita foi expandida termicamente a 300°C e 500°C por 1 hora. Em seguida, os materiais foram previamente secos em estufa sob vácuo a 80°C por 24 horas. As misturas foram preparadas por intercalação por fusão na temperatura de 125°C em misturador de câmara interna acoplado a um reômetro de torque com rotores do tipo ROLLER. A velocidade dos rotores foi ajustada em 80 rpm e o tempo total de mistura foi de 8 minutos. O teor de argila variou em 2,5 e 5,0 phr para cada composição expandida termicamente. A Tabela 1 mostra as formulações estudadas para o preparo dos compósitos.
Tabela 1 – Composições estudadas para o preparo das misturas


As composições foram moldadas por injeção em uma máquina de injeção semi-industrial na temperatura de 135°C para a obtenção de corpos de prova dos ensaios mecânicos. A fluidez das composições foi realizada em um medidor de índice de fluidez (XNR-400) na temperatura de 190°C, carga de 0,925kg e tempo de corte de 20 s, de acordo com a norma ISO 1133. A avaliação das propriedades mecânicas (resistência à tração, alongamento na ruptura e módulo elástico) foi realizada em máquina universal de ensaios EMIC (DL-3000) com velocidade de separação de garras igual a 50 mm/min. O solo para o ensaio de biodegradabilidade foi preparado misturando-se partes iguais de solo fértil com baixo teor de argila, areia da praia seca classificada em peneira de malha 40 e esterco de cavalo seco por dois dias de acordo com a ASTM, norma G-160. Determinou-se a perda de massa do polímero puro e seus compósitos com vermiculita tratados termicamente apenas a 300°C após 2 e 4 semanas de acondicionamento no solo, monitorando-se o pH (6,0-7,0) e a umidade (30-40%). A perda de massa (%) das amostras foi avaliada pela Equação (A):
Perda de massa (%) = (M0-M1/M0) x 100 Eq. (A)
M0 e M1 são as massas das amostras antes e após 2 e 4 semanas de acomodação no solo respectivamente. Avaliou-se a morfologia do Ecobras e suas misturas em um microscópio eletrônico de varredura JEOL (JSM-6510LV) no modo baixo vácuo, utilizando detectores de elétrons retroespalhados (BEI) com constraste de composição (COMPO) sem nenhum tipo de recobrimento e aumento de 500 vezes.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Índice de Fluidez (IF)
A Tabela 2 mostra os resultados do ensaio do índice de fluidez (IF) do Ecobras™ e seus compósitos com VMT em diferentes teores e expandidos termicamente a 300°C (VMT-3) e 500°C (VMT-5), respectivamente.
Tabela 2 – Índice de fluidez do Ecobras e suas composições


Observou-se que os valores do índice de fluidez diminuem à medida que o teor de argila aumenta, independente do tratamento térmico realizado no argilomineral, visto que o Ecobras™ utilizado para o processamento possui índice de fluidez em torno de 4,0 a 9,0 g/10min (190°C,2,16kg), de acordo com especificação do fabricante. Isso pode ser atribuído à adição da carga, promovendo resistência ao escoamento do polímero fundido, restringindo a mobilidade de suas cadeias.
Propriedades Mecânicas
Quanto ao desempenho mecânico, a Tabela 3 mostra os valores de resistência à tração () e alongamento na ruptura () e módulo elástico a 1% (E) do Ecobras™ e seus compósitos.

Quanto aos valores de tensão na ruptura, observou-se redução com adição crescente de vermiculita tratada termicamente em diferentes temperaturas em comparação ao Ecobras™ puro, considerando-se os valores de desvio padrão.

Em relação aos resultados do alongamento na ruptura, a adição de 5,0 phr de carga expandida termicamente em diferentes temperaturas ocasionou redução abrupta em seus valores comparados ao polímero puro, indicando perda de tenacidade.

Quanto ao módulo elástico a 1%, a adição de apenas 5,0 phr de VMT para os compósitos em diferentes temperaturas acarretou aumento em seus valores comparados aos compósitos com 2,5 phr e à matriz pura. Isto pode ser atribuído à maior rigidez apresentada pela carga em relação à matriz polimérica.

Tabela 3 – Propriedades mecânicas do Ecobras e seus compósitos.



Perda de Massa
Na Figura 1 estão ilustradas apenas as imagens fotográficas do Ecobras™ e seus compósitos antes e após o ensaio de biodegradabilidade no período de 2 e 4 semanas em solo simulado, respectivamente.

Observou-se nitidamente que os materiais foram atacados pelos microorganismos após o tempo de 2 e 4 semanas de permanência acondicionados em solo com o surgimento de pontos e manchas escuras em diversas regiões espalhadas na superfície das misturas quando comparados às misturas no tempo zero sem enterro.

De maneira geral, o Ecobras™ e seus compósitos apresentaram perda de massa para os dois períodos de permanência em solo simulado. No entanto, observou-se que a adição de argila à matriz polimérica aumenta o tempo de biodegradação tanto para o período de 2 e 4 semanas quando comparados ao polímero puro. O aumento nos valores de perda de massa entre os períodos de 2 e 4 semanas do Ecobras™ e seus compósitos com 2,5 e 5,0 phr de VMT foram de 17%, 27% e 13%, respectivamente.


Amostras

Tempo em Semanas

T0

T2

T4

Eco









Eco-VMT-3(2,5)









Eco-VMT-3(5,0)







Figura 1 – Imagens fotográficas do Ecobras™ e seus compósitos no tempo zero (T0), 2 semanas (T2) e 4 semanas (T4), respectivamente.


Tabela 4 – Perda de massa do Ecobras™ e seus compósitos biodegradados


Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
A Figura 2 apresenta as imagens obtidas por MEV do Ecobras™ e seus compósitos no tempo zero, 2 e 4 semanas de biodegradação.

Observou-se que as imagens de todas as amostras no tempo zero antes da biodegradação, apresentaram morfologia com superfície regular e traços ao longo da amostra em decorrência da confecção dos corpos de prova por injeção. Em relação ao compósito com 5 phr de carga, o material apresenta uma pequena rugosidade na superfície.


Amostras


Tempo em Semanas

T0

T2

T4

Eco








EcoVMT


3 (2,5)







EcoVMT3 (5,0)









Figura 2 – Fotomicrografias do Ecobras™e seus compósitos do ensaio de biodegradação em solo no tempo zero (T0), 2 semanas (T2) e 4 semanas (T4).


A visualização da morfologia do Ecobras™ e seus compósitos após 2 e 4 semanas de enterro no solo revelou processo de biodegradação, pelo surgimento em suas superfícies, ranhuras, regiões com vazios e/ou crateras e regiões mais claras e esbranquiçadas, indicando a possibilidade do ataque por microorganismos.
CONCLUSÃO
Os compósitos de Ecobras/VMT mantém a processabilidade próxima à da matriz polimérica conforme demonstrado pelos resultados de índice de fluidez. Por outro lado, a taxa de biodegradação é reduzida pela presença da carga. Alguns trabalhos na literatura mencionam a interação dos silicatos em camada com a parede celular dos microorganismos, reduzindo sua atividade. A interação da vermiculita com o Ecobras™ precisa ser melhorada, conforme demonstrado pelos resultados dos ensaios de tração. Isto pode ser alcançado mediante a organofilização da vermiculita.

AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES, ao PIBITI/INT/CNPq pelo auxílio financeiro, a UERJ pelas análises de biodegradabilidade em solo simulado, à BASF e Corn Products Brasil pelo fornecimento do Ecobras e ao CETEM pelo vermiculita.
BIBLIOGRAFIA
- Someya, Y.; Kondo N.; Shibata M.; J.Appl.Pol. Science, 2007,106, 730.

2 - Chivrac, F.; Kadlecova Z.; Pollet, E.; Averous, L. J Polym Environ, 2006, 14,393.

3 – Vieira, M.M.G., “Desenvolvimento de compostos de políméricos biodegradáveis modificados com cargas e fibras naturais vegetais”. Dissertação de Mestrado em Engenharia e Ciência de Materiais (2010)

4 – Wypych, G.; Handbook of fillers, 1999, p.165.



5 - Santos, C.P.F.; Melo, D.M.A.; Melo, M.A.F.; Sobrinho, E.V.Cerâmica, 2002, 48(308), 172.
Ecobras of biocomposites wit vermiculite
Biodegradable polymer composites containing mineral fillers have been studied recently in order to obtain environmentally friendly materials for use in objects mechanically resistant and biodegradable. Composites of Ecobras and vermiculite at low levels were prepared by melt intercalation technique followed by injection molding. For each composition, the clay was heat treated at different temperatures. The composites were characterized by melt flow index. The mechanical properties were performed on the tensile strength, elongation at break and elastic modulus. The biodegradability was evaluated using the method of simulated soil monitoring weight loss and morphology. The values of melt flow index of composites decreased as the concentration of vermiculite increases. The elastic modulus of the composite with only 5.0 phr of clay was higher than pure matrix. The results showed that Ecobras  has a higher biodegradability compared to composites prepared.
Key-words: biodegradable polymers, biocomposites, vermiculite

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