USO DE RECURSOS NATURAIS NO DESENVOLVIMENTO DE
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS.POSSIBILIDADES E LIMITAÇÕES
Laura H. Carvalho1
1 - Universidade Federal de Campina Grande – UFCG, Campina Grande – PB, [email protected]
Resumo: O desenvolvimento de materiais compósitos utilizando polímeros sintéticos ou naturais e fibras vegetais em
substituição a fibras sintéticas convencionais, tem se mostrado uma alternativa viável em vários segmentos industriais,
incluindo a indústria automotiva, moveleira e de embalagens. O foco deste trabalho é a valorização de fibras vegetais
Brasileiras, através do desenvolvimento de compósitos poliméricos utilizando diversas matrizes poliméricas, de
preferência, biodegradáveis. Alguns dos resultados sobre a influência do tipo, teor e modificação das fibras bem como a
aditivação dos sistemas nas propriedades dos produtos obtidos são apresentados e discutidos.
Palavras-chave: fibras vegetais, compósitos poliméricos,, ecocompósitos, compósitos biodegradáveis, aditivação .
USE OF NATURAL RESOURCES ON THE DEVELOPMENT OF POLYMER COMPOSITES: POSSIBILITIES
AND LIMITATIONS
.
Abstract: I The development of composite materials using natural or synthetic polymers and natural fibers to replace
conventional synthetic fibers, has proven to be a viable alternative in various industries , including the automotive,
furniture and packaging. The focus of this work is the use of Brazilian vegetable fibers , through the development of
polymer composites using various polymer matrices , preferably biodegradable ones . Some of the results about the
influence of the type , content and modification of the fibers and the use of additives on these systems on the properties
of the products obtained are presented and discussed .
Keywords: vegetable fibers, polymer composites ,, ecocomposites , biodegradable composites, additives .
Introdução
O uso de compósitos a base de biopolímeros e fibras vegetais, em substituição a materiais
tradicionais, tem se mostrado uma alternativa viável em vários segmentos industriais. Os motivos
para este crescimento envolvem tanto o uso racional de recursos naturais, a produção e uso de
materiais menos agressivos ao meio-ambiente e a reciclagem de materiais, quanto a razões
econômicas e sanções oriundas das novas normas e leis ambientais que se tornaram cada vez mais
restritas. Este tipo de preocupação vem norteando a maior parte das pesquisas desenvolvidas no
âmbito da UFCG. Alguns dos resultados obtidos nos últimos anos serão apresentados neste
trabalho.
Histórico
No início as pesquisas tratavam de sistemas a base de polímeros termofixos sintéticos reforçados
por fibras vegetais de importância regional[1-2]. A escolha dos sistemas baseou-se na
disponibilidade, custo e importância regional das fibras e facilidade de processamento da matriz, já
que a infra-estrutura laboratorial na UFCG era precária. Efeitos sobre o tipo, teor e tratamento das
fibras nas propriedades mecânicas de vários sistemas polímero termofixo/fibras vegetais foram
avaliados.
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Posteriormente, fibras vegetais na forma de fios[1-3] e de tecidos tramados e tricotados[4-5] foram
utilizadas como reforço em sistemas de matriz termofixa. Os efeitos de tratamentos superficiais
destes reforços nas propriedades finais de compósitos de polímero termofixo/fibras vegetais
também foram investigados[1-11]. O efeito da hibridização de reforços foi investigado através do
uso de tecidos híbridos algodão/sisal, algodão/juta, algodão/rami, sisal/vidro e juta/vidro,
confeccionados especificamente para serem utilizados como reforço em compósitos de matriz
polimérica[5-8]. Nesses casos, além do tipo e teor de reforço, o efeito da orientação das fibras nas
propriedades mecânicas dos compósitos também foi avaliado. Estudos sobre a sorção de água e
cinética de sorção de água também foram conduzidos, inclusive com a utilização modelos
matemáticos[7,9-10]. A capacitação do grupo de polímeros da UFCG permitiu a ampliação de sua
infra-estrutura, de modo que trabalhos também pudessem ser desenvolvidos com matrizes
termoplásticas. A partir daí, estudos sobre os efeitos de diferentes fibras vegetais curtas – sisal,
babaçu, fibra de madeira – nas propriedades de compósitos de matrizes termoplásticas sintéticas
processados por extrusão e moldados por injeção e compressão puderam ser realizados. Nestes
casos foram investigados os efeitos do tipo e teor de fibras, das variáveis de processo, de
tratamentos das fibras e da hibridização dos reforços, nas propriedades de sistemas diversos[11-17].
Estudos sobre o envelhecimento térmico e higrotérmico desses sistemas também foram conduzidos
[7-17,23].
Dentre os estudos mais interessantes conduzidos pelo grupo inclui-se: (a) o desenvolvimento de
uma metodologia capaz de produzir compósitos de matriz termoplástica multicamadas,
consolidados por compressão de lâminas, reforçados por fibras vegetais orientadas e alinhadas[2] e
(b) a produção de pás eólicas reforçadas por: (i) fibras de juta e (ii) por reforços híbridos juta/vidro
que apresentaram bom desempenho mecânico e durabilidade em uso[9].
Mais recentemente, estudos sobre materiais compósitos utilizando matrizes termoplásticas
biodegradáveis como Ecobrás, PHB e Ecoflex e cargas vegetais como casca de arroz, babaçu e sisal
foram desenvolvidos e estudos sobre a biodegradação e estabilização desses sistemas durante o
processamento ganharam impulso.[18-22]- Os principais resultados e conclusões desses estudos
serão apresentados.
Metodologia
Compósitos termofixos foram moldados por espalmagem ou por compressão enquanto no
processamento de compósitos com matrizes termoplásticas foram utilizados misturadores internos,
extrusoras mono e dupla rosca, injetoras e uma variedade de equipamentos auxiliares (moinhos,
estufas, prensas, secador de resina, etc). Todos esses processos foram realizados no Laboratório de
Processamento de Polímeros da UAEMa/UFCG. O misturador interno acoplado ao reômetro de
torque é o equipamento de pesquisa de processamento fundamental. Nosso laboratório possui dois
misturadores: um pequeno e um grande. O pequeno com capacidade de 69 cm3 g e utilizar rotores
distintos (roller, sigma ou cam) que impõe diferentes intensidades de mistura ao material. O grande
e mais novo, com capacidade de 310 cm3, é equipado com rotores do tipo roller e pode operar até
200 rpm e 400C. Contamos também com uma extrusora monorosca de 20 mm com rosca
convencional além de termos desenhado e feito construir roscas com elementos de mistura de
desenho próprio. Uma extrusora de dupla rosca entrelaçada cônica contra-rotacional e uma
extrusora de dupla rosca corotacional modular de 22 mm e 38 L/D completam os equipamentos de
processamento primário disponíveis em nosso laboratório. Testes para processamento com roscas
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configuradas com elementos de mistura não-convencionais e um side feeder que permitem ampliar
o tipo e intensidade de mistura fornecida, estão sendo iniciados na extrusora de dupla-rosca
corotacional. Para a preparação de filmes dispomos de uma extrusora mono-rosca de bancada
(também com rosca padrão e roscas com elementos de mistura) e equipamento para filme plano
(processo “chill roll”) e filme soprado. Dispomos de equipamentos para caracterização térmica
(DSC, TG, DMA), difração de raios-x (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV),
microscopia ótica (MO), FTIR e força atômica nos Laboratório de Caracterização de Materiais e
CERTBIO, ambos da UFCG. As propriedades reológicas (índice de fluidez), mecânicas (ensaios em
tração, flexão e impacto, ensaios de dureza) e termomecânicas (deflexão térmica) são avaliadas em
amostras moldadas por compressão ou por injeção para estudar o desempenho dos materiais
preparados. Ensaios específicos (penetração, termoselagem) são conduzidos em filmes. A absorção
de água em amostras moldadas, e a permeabilidade ao vapor de água em filmes são também
técnicas utilizadas com frequência. Recentemente colocamos em funcionamento um permeâmetro
que nos permitirá avaliar a permeabilidade, difusividade e solubilidade de gases e vapores em
filmes. Finalmente temos conduzido ensaios de reprocessamento e envelhecimento acelerado para
avaliar a reciclabilidade e durabilidade dos sistemas investigados. Testes de biodegradação e
compostagem também são realizados em nossos laboratórios.
Conclusões
Os trabalhos desenvolvidos envolveram diferentes matrizes e fibras em diferentes formas (curtas,
longas, fios, tecidos tramados, tricotados, híbridos) e disposições (aleatória, orientada, seqüência de
empilhamento). Apesar de enorme variedade de estudos realizados, algumas afirmações gerais
podem ser feitas. Tal como esperado, as propriedades dos compósitos dependem do par
polímero/reforço e das interações entre os componentes do sistema. Propriedades nominais mais
elevadas são obtidas com matrizes e fibras com propriedades individuais superiores, porém, os
sistemas que relativamente mais se beneficiam pela incorporação das fibras vegetais são aqueles de
baixo módulo e resistência. O uso de agentes de acoplamento e modificadores de superfície
promove a adesão matriz/fibra vegetal. Porém, na nossa experiência, muitas vezes a secagem prévia
dos insumos é suficientemente eficiente. Do ponto de vista custo/benefício, o ganho adicional em
propriedades alcançado pela modificação superficial da fibra não é economicamente viável na
maioria dos casos. A hibridização de reforços provou ser uma forma viável e interessante de se
otimizar propriedades de sistemas compósitos já que se aliam diferentes características e
mecanismos de reforço. No caso dos sistemas com matrizes biodegradáveis, o principal problema é
a baixa estabilidade térmica durante o processamento. O uso de extensores de cadeia permite
minimizar esse problema, porém no reprocessamento a extensão de cadeia não é eficaz. A presença
de fibras vegetais não chega a comprometer fortemente a estabilidade térmica dos sistemas nem
tampouco a sua biodegradação.
Agradecimentos
Ao CNPQ, FAPESQ, MCT pelo apoio financeiro. À todas as indústrias que ao longo dos anos nos
apoiaram, em particular à Braskem, BUN, Cia Textil Castanhal, Brascorda, Corona, MAPA
Representações, Fibranatu, Florestas Brasileiras, PHB Industrial, BASF. Aos meus alunos e colegas
pelo apoio, dedicação e amizade e sem os quais esses trabalhos não teriam sido realizados.
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