CENTRO PAULA SOUZA
ETEC SALES GOMES
Técnico em Química
André Orci
Samuel Alexandre Moura
Talita Gaia Bernardes
COMPÓSITO FIBRAS VEGETAIS - PES (POLI(SUCCINATO DE
ETILENO)): produção de um compósito biodegradável
Tatuí
2015
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TCC Bambu apresentado na ETEC Sales Gomes em 2015., Teses (TCC) de Química Verde
TCC Bambu apresentado na ETEC Sales Gomes em 2015.
Tipologia: Teses (TCC)
2015
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CENTRO PAULA SOUZA
ETEC SALES GOMES
Técnico em Química
André Orci
Samuel Alexandre Moura
Talita Gaia Bernardes
COMPÓSITO FIBRAS VEGETAIS - PES (POLI(SUCCINATO DE
ETILENO)): produção de um compósito biodegradável
Tatuí
André Orci nº 03
Samuel Alexandre Moura nº 35
Talita Gaia Bernardes nº 36
COMPÓSITO FIBRAS VEGETAIS - PES (POLI(SUCCINATO DE
ETILENO)): produção de um compósito biodegradável
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso Técnico
em Química da ETEC Sales
Gomes, orientado pelos Prof(s).
Ângela Capelari Renzano e
Gilberto Aparecido Villares
Junior, como requisito parcial
para obtenção do título Técnico
em Química.
Tatuí
AGRADECIMENTOS
Aos nossos colegas de curso, que mesmo não estando diretamente ligados ao trabalho, sempre nos apoiaram, incentivando-nos todos os dias. Aos professores, em especial José Benedito Menezes (Benão) que nos ajudou a chegar em formas mais praticas de alcançar nossos objetivos. Aos nossos pais, que nos dão forças e todo apoio necessário para realização dos nossos sonhos e para não desistir ao longo de nossa trajetória. A nossos orientadores, Ângela Capelari Renzano e Gilberto Aparecido Villares Junior (Giba), por auxiliar em toda a formação do nosso Trabalho de Conclusão de Curso.
"Nada na vida deve ser temido, somente compreendido. Agora é hora de compreender mais para temer menos." (MARIA SKŁODOWSKA-CURIE)
Vegetable fibers - PBS (poly(ethylene succinate)) composite: production of a biodegradable composite André Orci: orci1996@gmail.com; Talita Gaia Bernardes: tali_gaia_98@hotmail.com ; Samuel Alexandre Moura: samucacerquilho@gmail.com ABSTRACT In this paper, we report the production of the composite PES (poly (ethylene succinate)) reinforced with vegetable fibers. After a methodical research aimed to determine the biological aspects of bamboo and Agave angustifolia , and chemical aspects (composition) and mechanical (tensile strength, Young's modulus and strain at rupture) of both phases separately as the composite itself, it has been proposed the methods of producing this material. Was studied the removal of the lignin present in the fibers by boiling in sodium hydroxide (NaOH) and finally 4% perform the shredding of the same. The PES matrix was made by polyesterification of the monomers succinic acid with ethylene glycol, which process is conducted in an open environment and a vacuum with heating and constant stirring, in the presence of antimony trioxide (Sb2O3) as catalyst. After solidification of the product, and after grinding, it will be mixed with the previously prepared fibers for homogenization. Then, the mixture was subjected to heating until complete consolidation occurs between matrix and reinforcement. Keywords: Composites. Vegetable fibers. PeS (poly(ethylene succinate)). Biodegradable.
SUMÁRIO
Em virtude disso, além do uso ornamental, ou até mesmo na fabricação de bebidas (do tronco basal
- INTRODUÇÃO....................................................................................................................................
- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................................................................
- 2.1. Compósitos....................................................................................................................................
- 2.2. Compósitos reforçados por fibras vegetais....................................................................................
- 2.3. O bambu........................................................................................................................................
- 2.3.1. O bambu e sua anatomia............................................................................................................
- 2.3.2. Fibras de bambu.........................................................................................................................
- 2.4. Agave angustifolia
- viabilidade econômica do uso das fibras desta planta.......................................................................... do A. angustifólia é extraído o Menezcal) nos últimos anos surgiram estudos que exploram a
- 2.5. Matrizes poliméricas termoplásticas.............................................................................................
- 2.6. PES – Poli(succinato de etileno).....................................................................................................
- OBJETIVOS........................................................................................................................................
- 3.1. Objetivos gerais.............................................................................................................................
- 3.2. Objetivos específicos.....................................................................................................................
- METODOLOGIA.................................................................................................................................
- tuldoides ).............................................................................................................................................. 4.1. Obtenção das fibras do bambu comum ( Bambusa vulgaris ) e bambu taquara ( Bambusa
- 4.1.1. Produção de cavacos..................................................................................................................
- 4.1.2. Desfibramento............................................................................................................................
- 4.1.3. Secagem das fibras.....................................................................................................................
- 4.2. Obtenção das fibras de Agave angustifolia
- 4.3. Síntese do poli(succinato de etileno) (PES)....................................................................................
- 4.3.1. Sistema aberto............................................................................................................................
- 4.3.2. Sistema a vácuo..........................................................................................................................
- 4.4. Produção do compósito PES – Fibras vegetais...............................................................................
- RESULTADOS.....................................................................................................................................
- 5.1. Obtenção das fibras vegetais.........................................................................................................
- 5.2. Síntese do poli(succinato de etileno) (PES)....................................................................................
- 5.3. Compósito PES – Fibras vegetais...................................................................................................
1. INTRODUÇÃO
A tendência de desenvolver alguma matéria alternativa para a produção de produtos muito usuais no desenvolvimento humano, vem proporcionando inúmeras descobertas que comprovam a viabilidade da utilização de matérias primas secundárias. A designação "plástico" origina-se do grego plassein e exprime a característica dos materiais quanto a moldabilidade, ou seja, capacidade de mudar o seu estado físico. O primeiro acontecimento que levou à descoberta dos plásticos foi o desenvolvimento do sistema de vulcanização, por Charles Goodyear, em 1839 , adicionando enxofre à borracha bruta. A borracha tornava-se mais resistente ao calor. Mas voltando para a realidade o plástico usual (produzido a partir do craqueamento do petróleo ou polimerização) é totalmente agressivo, tanto na produção(no caso do craqueamento do petróleo), quanto no seu descarte. Voltando a uma linha de materiais alternativos, pode se considerar a fibra do bambu como um material muito promisso, pois sua composição química é constituída por celulose e uma fibra muito rígida, alimentando a probabilidade da produção de plástico por essa matéria não usual (em parâmetros industriais).
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Compósitos O crescimento vertiginoso que ocorreu nas mais diversas áreas da engenharia nos últimos 60 anos, seja no campo aeronáutico, aeroespacial, automobilístico, construção civil, bioengenharia, entre outros, só foi possível graças ao desenvolvimento de uma nova classe de materiais: os chamados compósitos. Compósitos são materiais multifásicos elaborados a partir da mistura de dois ou mais componentes, que quando agregados irão proporcionar ao produto final, propriedades que não apresentariam se separados, no chamado princípio de ação combinada. (CALLISTER, 2010; NETO & PARDINI, 2006). Ainda que o advento dos compósitos precursores dos atuais tenha início na segunda metade do século XX, a utilização destes pelo homem remonta às primeiras civilizações, existindo registros arqueológicos de edificações localizadas na Calábria, Itália, datadas do fim do período neolítico, construídas a partir da lama reforçada com ramos vegetais trançados (pau-a-pique), sistema ainda usado em algumas regiões menos desenvolvidas do mundo. Indo mais além, pode-se traçar uma relação com os seres vivos, considerando os caules, músculos, ossos e outras estruturas como exemplos de compósitos naturais. (SHAFFER, 1993; NETO & PARDINI, 2006). Normalmente, compósitos são fabricados com apenas duas fases: a matriz e outra chamada de fase dispersa ou reforço. Matriz é o nome que recebe a fase aglutinante do compósito, que fornece à fase dispersa sustentação, proteção contra fatores externos, além de promover a distribuição do esforço mecânico aplicado sobre o material. Pode ser constituída por materiais poliméricos, cerâmicos ou metálicos. A escolha desta fase depende além destas propriedades e do custo do processamento, de uma avaliação do impacto ambiental que causará partido da extração de suas matérias primas, passando pela fabricação e indo até o seu futuro descarte. (CALLISTER, 2010) A fase dispersa ou reforço pode ser formada por partículas, fibras ou estruturais, sendo estes materiais o quesito usado pela maioria dos autores para classificar os compósitos. (CALLISTER, 2010; NETO & PARDINI, 2006).
temperatura de consolidação no interior da matriz não deve exceder os 200ºC, variabilidade das propriedades mecânicas, possuem geometria complexa e não uniforme, além do que a fonte de matéria prima é suscetível as variações climáticas e condições do solo. A resistência mecânica das fibras vegetais também é notadamente menor que os reforços convencionais, porém é preciso levar em conta que a utilização destes materiais não tem como maior objetivo proporcionar esta característica ao produto final, sendo usada meramente para fornecer um reforço biodegradável e de baixo custo. (NETO & PARDINI, 2006). 2.3. O bambu 2.3.1. O bambu e sua anatomia O bambu é uma gramínea de comportamento perene que geralmente se mostra formada por colmos lignificados e portanto com muita resistência. É pertencente à família Poaceae, a qual conta com um numero que varia, segundo alguns autores, de 1200 (CORTÉS, 2004) à 1600 (HIDALGO-LÓPEZ, 2003) espécies espalhadas pelo mundo, sendo portanto considerada uma das plantas mais adaptáveis disponíveis. Distribui-se pelo planeta na faixa que vai desde os 46° de latitude norte e 47° de latitude sul, sendo que as maiores culturas se localizam na Ásia (China, Japão, Índia, Coréia), África e América Latina. No Brasil, as espécies mais comuns de bambu são Bambusa vulgaris var. vittata, Bambusa tuldoides, Dendrocalamus giganteus, todas originárias do continente asiático e trazidas por colonizadores portugueses e mais tarde, no século XIX, pelos imigrantes orientais, principalmente japoneses. Dentre estas três espécies listadas, a Bambusa vulgaris é a que vem sendo mais explorada comercialmente em virtude de sua abundância (CORTÉS, 2004; MOREIRA, 2012). Todas as famílias acima listadas pertencem ao grupo dos bambus entouceirantes. Estes bambus, que se desenvolve mais facilmente no clima tropical, são dotados de rizomas sólidos com raízes que os fixam ao solo em sua parte inferior e possuem formato curto e grosso, podendo ser denominado portanto de paquimorfos (do grego, páchos: espessura; morphos: forma). Nas laterais de cada rizoma estão localizadas as gemas, estruturas responsáveis por dar origem a novos
rizomas, o que acontece com periodicidade anual, formando assim uma rede concêntrica, ou touceira. Na extremidade do rizoma ocorre o brotamento do colmo, parte do bambu que é vista acima do solo e fornece sustentação aos ramos e folhas além de realizar a fotossíntese e promover o transporte de seiva bruta e elaborada para todas as regiões da planta. Estas tarefas são desempenhadas por uma rede de células envoltas em feixes vasculares formados por fibras lignocelulósicas que conferem ao colmo a sua rigidez. (SILVA, 2005) Por ter uma estrutura relativamente simples, o bambu pode apresentar uma velocidade de crescimento notável, podendo este valor chegar à alguns metros por dia, dependendo da espécie. Este comportamento é uma das vantagens que o bambu tem sobre as demais fontes de celulose utilizadas pela indústria. Outros aspectos em que esta planta se sobressai são descritos pela equipe da Fazenda Experimental da Ressacada pertencente ao Centro de Ciências Agrárias da UFSC (Universidade Federal de Santa Catarina) (2011): O replantio da cultura é dispensado por pelo menos 100 anos. Para outras fontes de celulose, como o pinus e o eucalipto, este período é reduzido para 15 e 7 anos respectivamente. No caso do replantio, este não se apresenta dispendioso, variando de R$ 1000,00 a R$ 2000,00 por hectare, valores rapidamente cobertos com a venda dos produtos; Enquanto o eucalipto leva 7 anos para se desenvolver e o pinus 15 ou mais, a colheita do bambu pode ser realizada bienalmente ou até mesmo anualmente; Produtividade (em ton/ha. ano) é semelhante ao do eucalipto e praticamente o dobro do obtido com o pinus; Clima do Brasil é propício para o desenvolvimento das espécies de interesse econômico. O bambu apresenta como desvantagem perante as fontes de celulose supracitadas, a considerável vulnerabilidade a algumas pragas, como o caruncho, atraído pelo alto teor de amido armazenado nas células parênquimas. Contudo é um problema facilmente resolvido durante o processo de extração das fibras.
densidade aparente (DA) e real (DR) respectivamente. Esta discrepância de valores ocorre pois a densidade aparente é afetada pelos espaços vazios encontrados na fibra, que possui um índice de porosidade aparente de 86,6%, enquanto a DR considera somente a densidade da fibra. Quanto a absorção máxima de água é de 423,53%, ponto de saturação obtido no decorrer de 1058 horas. As características mecânicas da fibra do bambu Bambusa vulgaris foram avaliadas por Rodríguez et al (2009), explanando as diferenças que esta pode apresentar em decorrência do tratamento ou forma pela qual é obtida. Para tanto foram usadas as seguintes amostras, submetidas à testes de limite de tração, coeficiente de Poisson e módulo de elasticidade: FBSNSCST: Fibra de bambu sem nó, sem casca, sem tratamento. FBSNSCCT: Fibra de bambu sem nó, sem casca, com o tratamento. FBCNSCST fibra de bambu com nó, sem casca, sem tratamento. FBCNSCCT: Fibra de bambu com nó, sem casca, com o tratamento. FBSNCCST: Fibra de bambu sem nó, com casca, sem tratamento. FBCNCCST: Fibra de bambu com nó, com casca, sem tratamento. As médias dos resultados obtidos neste trabalho são expostas na Tabela 2 em Anexo. 2.4. Agave angustifolia A Agave angustifolia por vezes denominada piteira-do-caribe ou agave da borda amarela, é uma planta da família Asparagaceae originária do México e América Central (mais especificamente Belize, Honduras, El Salvador, Guatemala e Nicarágua). Apresenta folhas longas afiladas e eretas com espinhos nas bordas, de coloração verde-claro ladeadas por listras branco creme. Cresce projetando suas folhas de uma tronco e vão adquirindo o aspecto de roseta, chegando ao comprimento médio de 1 m. Possui boa resistência aos mais diversos climas, preferindo o tropical ou até desertico, mas podendo ser aclimatada a climas mais frios. Tolera grandes períodos
de estiagem sem grandes cuidados, além de se proliferarem de forma fácil por meio de mudas ou estacas, que torna seu cultivo de simples realização de amplo emprego na decoração de residências. (Disponível em: http://edis.ifas.ufl.edu/fp021. Acesso em: 18 nov. 2015) Em virtude disso, além do uso ornamental, ou até mesmo na fabricação de bebidas (do tronco basal do A. angustifólia é extraído o Menezcal) nos últimos anos surgiram estudos que exploram a viabilidade econômica do uso das fibras desta planta. Rosli et al (2013) investigaram propriedades químicas e físicas da A. angustifólia , constatando a presença de altos teores de celulose (que variam de 67 a 97%), possuindo portanto um grande potencial para o uso em reforço de biocompósitos. 2.5. Matrizes poliméricas termoplásticas Termoplásticos é o nome dado à classe de polímeros que ao serem submetidos à um aumento de temperatura ou marginal de pressão sofrem mudanças em sua forma física, apresentando um amolecimento e tornando assim fluídos. Cessado o fornecimento de calor, o material voltará ao estado sólido. Esta característica confere a este polímero não somente a capacidade de ser moldado, mas também torna possível a realização deste processo tantas vezes quanto necessárias. (CANEVAROLO JUNIOR, 2006). Quimicamente, os termoplásticos são compostos detentores de alta massa molecular formados por cadeias poliméricas lineares ou ramificadas que se encontram entrelaçadas, característica que confere integridade física ao material e ao mesmo tempo o torna resistente à tensões. Segundo Canevarolo Júnior (2006), termoplásticos podem ser agrupados em quatro grupos distintos: Termoplásticos convencionais: São polímeros simples e de baixo custo, fabricados em grandes montantes para o uso em aplicações mais simples e que não demandam grande resistência mecânica. A fabricação de termoplásticos convencionais representa uma fatia de aproximadamente 90% de toda a produção
de succinato de etileno, obtido através da reação de esterificação entre o ácido succinico e o etileno glicol. O ácido succinico (C 4 H 6 O 4 ) é um sólido cristalino incolor e solúvel em água. A maior parte da produção desta substancia é feita através da hidrogenação do ácido maleico ou pela fermentação de matérias primas renováveis, como a glicose da cana de açúcar. O etileno glicol (etano-1,2-diol) é um álcool com dois grupos hidroxila (OH) que se apresenta na forma de uma líquido incolor, inodoro, de consistência viscosa e sabor adocicado. É produzido através da reação do oxido de etileno com a água, processo catalisado por ácidos ou bases ou mesmo em pH neutro, sob alta temperaturas. Atualmente a obtenção do PES é feita de maneira análoga a síntese do poli(succinato de butileno) (PBS) ou seja, por meio esterificação direta do ácido succinico com um excesso de 1,4 butanodiol num processo dividido em duas partes. Na primeira etapa, sob temperaturas superiores , as hidroxilas localizadas nas extremidades do ácido se unirão aos hidrogênios ligados as hidroxilas do diol, levando à eliminação da água (polimerização de condensação) e a formação do oligômero do PES, o succinato de etileno glicol. O segundo estágio da produção é conduzido sob vácuo e na presença de catalisador, podendo ser um óxido de metálico ou organometálico. Nestas condições, toma parte a reação de transesterificação, dando origem ao polímero de alta massa molar poli(succinato de etileno) (PES). (OISHI, et al, 2006) (FERREIRA et al, 2014). Jacquel et al. (2011) investigaram quais os catalisadores mais eficientes para a síntese do poli(succinato de butlileno), que segue o mesmo mecanismo da produção do PES. Neste trabalho foram avaliados compostos organometálicos baseados em titânio (Ti), zinco (Zn), estanho (Sn), háfnio (Hf) e bismuto (Bi) e os óxidos metálicos de germânio (Ge) e antimônio (Sb). Os dados levantados mostram a efetividade de forma decrescente na seguinte configuração Ti≫Zr∼ Sn>Hf>Sb>Bi. A aplicação dos óxidos de germânio e antimônio se mostrou eficiente quando associados à hidroxiácidos (ácido lático ou ácido glicólico) desempenhando o papel de agente quelante. Quanto a sua biodegradabilidade, esta foi investigada por Tokiwa et al. (2009), onde constataram que o PES, ao contrario de outros poliésteres como o
poli(succinato de butileno) (PBS), não sofre o consumo de microorganismos em ambientes variados, necessitando de condições específicas, além destes microorganismos não estarem disponíveis de forma ampla. Alguns organismos isolados que que conseguem degradar o PES foram as bactérias Bacillus sp. TT96, encontrada no solo, e bactérias isoladas de meios aquáticos pertencentes as gêneros Bacillus e Paenibacillus , destacando entre estas a KT102, relacionada ao Bacillus pumilus e que conseguiu maior velocidade ao degradar o PES. Constataram por fim que cepas NKCM1003 pertencentes ao fungo Aspergillus clavatus foram capazes de consumir filmes de PES em uma velocidade de 21 μg/cm²/h.