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

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Jesus, Luiz Carlos Correia de
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: https://repositorio.unb.br/handle/10482/37881
Resumo: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.
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spelling Obtenção de compósitos de poliácido láctico (PLA) reforçados com celulose microfibrilada de curauá : propriedades mecânicas, térmicas, biodegradação e absorção de águaPolímeros naturaisCelulose microfibriladaPoliácido lácticoBiodegradaçãoFibras vegetaisTese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.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.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq); Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAP/DF) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The concern with the environment regarding the impact of polymers in nature has been increasing, reducing the consumption of these materials, as well as seeking innovative alternatives in order to reduce the effects of these impacts. Thus, natural fibers as well as natural polymers such as lactic acid polymers (PLA) have a great potential to replace synthetic polymers due to their low density, good mechanical properties and biodegradability. Cellulose fibers, which can be extracted from natural fibers, exhibit high modulus of elasticity and can be aggregated with natural polymers, thus producing composites with unique properties. Thus, the present study has the objective of replacing polypropylene (PP), a synthetic polymer widely used and of petroleum origin, with PLA composites reinforced with microfibrillated cellulose (CMF) of curauá fiber. Despite the excellent mechanical properties of PP, this polymer takes years to be degraded in the environment. To obtain the composites, the microfibrillated cellulose of curauá fiber was obtained from fibers pretreated with sodium chloride and sodium hydroxide using the mechanical defibrillation technique through the Mazuko mill. A complete characterization of CMF was performed by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetry and its derivative (TG-DTG), differential scanning calorimetry (DSC) and x-ray diffraction (XRD). Afterwards, the microfibrilade cellulose of curauá fiber was incorporated into the polymer matrix using the solvent exchange technique and subsequent solubilization of the polymers for the production of the composites by fusion (high concentration of microfibrillated cellulose). The mixture was ground in a knife mill and added to the polymer matrix to give 0.5% and 1.5% (m / m) CMF composites of PLA by means of twin-screw extrusion and subsequent injection to the preparation of test bodies for mechanical tests. Test specimens of PP and PLA were also obtained for comparison. The mechanical properties associated to the digital image correlation technique (DIC), thermal properties, biodegradation in simulated soil and water absorption will be evaluated in order to evaluate the effectiveness of the substitution. The materials were submitted to mechanical, thermal, dynamic-mechanical (DMA) and morphological tests. To evaluate the effect of biodegradation on simulated soil for 30 to 90 days and water absorption on the properties of the materials, these were characterized by TG-DTG, DSC, MEV, DMA and mechanical flexural test. Micrographs (MEV and MET) showed that the mechanical defibrillation of the microfibrillated cellulose was quite effective, resulting in microfibers with a diameter of 180 to 280 nm and 63.16% of crystallinity. The TG curves showed that the thermal stability of the microfibrillated cellulose was lower than the pretreated fiber and in natura and the DSC curves showed that the microfibrillated cellulose has a greater thermal degradation than the pre-traded and in natura fibers. Regarding the mechanical properties of the composites, they showed that the addition of microfibrillated cellulose caused the flexural strength, traction, impact and modulus to increase in relation to PLA and PP. The analysis of the Digital Image Correlation (DIC) showed that the material reinforced with 0.5% by mass of microfibrillated cellulose presented a higher homogeneity, fact also proven in SEM tests, in relation to dispersion of the load corroborating with the greater rigidity, maximum tension and coefficient of Poisson, in relation to PLA and PP. In relation to the thermal analyzes, these techniques allowed the evaluation of the temperature limit in which this material can be processed, as well as the influence of the CMF content on the natural matrix. The TGA curves showed that the composites have an intermediate thermal stability between cellulose fibers and PLA matrix and the DSC for the composites showed DSC curves with a thermal degradation similar to PLA, however lower than PP. The DMA curves showed an increase of the composite storage modulus with 0.5% of load in relation to PP and PLA. SEM analysis of PLA and composites allowed to evaluate PLA failure mechanisms, showing the reasonable transfer of tension between fiber and matrix before material rupture. The test of the material exposed in the simulated soil showed that the microfibrillated cellulose aided in the biodegradation of the composites, but delayed the biodegradation of the composite reinforced with 0.5% of microcellulose, a fact proven in the thermal, mechanical and morphological tests. From the results, with respect to the composites in comparison to the PP, these initially can replace the PP. However the issues of biodegradability and water absorption still have to be considered as a decision tool for choosing the best material.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)Programa de Pós-Graduação em Ciências MecânicasLuz, Sandra Maria daJesus, Luiz Carlos Correia de2020-05-27T10:45:46Z2020-05-27T10:45:46Z2020-05-272019-08-16info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfJESUS, Luiz Carlos Correia de. Obtenção de compósitos de poliácido láctico (PLA) reforçados com celulose microfibrilada de curauá: propriedades mecânicas, térmicas, biodegradação e absorção de água. 2019. xvii, 125 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas)—Universidade de Brasília, Brasília, 2019.https://repositorio.unb.br/handle/10482/37881A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-02-08T21:43:33Zoai:repositorio.unb.br:10482/37881Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-02-08T21:43:33Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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