Desenvolvimento de plástico biodegradável a base de amido de milho e gelatina pelo processo de extrusão : avaliação das propriedades mecânicas, térmicas e de barreira

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sebio, Leonard
Data de Publicação: 2003
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1594562
Resumo: Orientador: Yoon Kil Chang
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spelling Desenvolvimento de plástico biodegradável a base de amido de milho e gelatina pelo processo de extrusão : avaliação das propriedades mecânicas, térmicas e de barreiraDevelopment of a biodegradable plastic base of cornstarch and gelatin by the process of extrusion: evaluation of mechanical properties, thermal and barrierProcesso de extrusãoAmidoGelatinaGlicerinaBiopolímeros - Propriedades térmicasExtrusionThermoplastic starchGelatinBiopolymers - Thermal propertiesBiodegradable plasticMechanicalBarrierOrientador: Yoon Kil ChangTese (doutorado)- Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Devido ao crescente acúmulo de lixo proveniente de plásticos sintéticos, agredindo o ecossistema, diferentes estratégias estão sendo seguidas com o intuito de procurar diminuir essa agressão através da prevenção, redução, reciclagem, valorização química dos materiais sintéticos e especialmente oo uso de polímeros biodegradáveis. O uso de amido como materiais termoplásticos é promissor devido principalmente à disponibilidade natural desse produto, que é extraído de uma fonte inesgotável de matérias-primas (cereais, raízes, tubérculos, etc.). No entanto, as blendas não são totalmente biodegradáveis. Nessa ótica a presente pesquisa envolveu o uso de processo de extrusão termoplástica de dupla rosca e uma matriz retangular apropriada para produzir materiais laminados termoplastificados biodegradáveis a base de amido e gelatina plastificados por glicerol e água susceptíveis de serem moldados na forma de descartáveis, etc. Foi empregada a metodologia de superfície de resposta (MSR) para estabelecer modelos matemáticos preditivos baseados em Modelo Central Composto Rotacional (CCDR), num planejamento fatorial completo 23 de 5 níveis e de 3 variáveis independentes, a saber as concentrações de gelatina (50,0; 100,0, 150,0 g/g base úmida), de glicerina (50,0, 100,0, 150,0 g/g) em 1000g da blenda e umidade (30, 35, 40 %). As respostas obtidas das combinações 2 a 2 dos 3 fatores foram avaliadas considerando as propriedades mecânicas de tração e de barreira dos laminados termoplásticos obtidos após extrusão, tais como: a Resistência Máxima à Tração, Percentagem de Alongamento, Elasticidade (Modulo de Young), Permeabilidade ao vapor de água e Índice de desintegração em meio aquoso. Foi em seguida, desenvolvida uma metodologia matemática de otimização de ensaios que permitiu a partir de uma fórmula de combinação de melhores respostas, escolher 6 ensaios principais entre os 18 do delineamento. Após escolher as amostras de melhores propriedades foram avaliadas as ropriedades fisico-químicas e morfológicas, a saber: Microscopia Eletrônica de varredura (MEV), Estimativa de Condições de Armazenamento, Absorção de Água, Difratometria de Raios-X e Índice de Cristalinidade Relativa. Para observar o comportamento térmico dos laminados, avaliou-se as seguintes propriedades térmicas: Condutividade Térmica, Análise Termogravimétrica (TGA), Análise Térmica Dinâmica Mecânica (TDMA) e Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC). As propriedades mecânicas foram principalmente influenciadas pelas concentrações de gelatina e de glicerol na avaliação dos laminados termoplásticos que apresentaram valor médio de resistência máxima à tração de 4,87 MPa; com valor máximo de 12,62 MPa; valor médio de porcentagem de alongamento de 46,46 % com máximo em 81,58% e valor médio de Módulo de Elasticidade de 160,70 MPa com máximo em 568,49 MPa. Quanto à permeabilidade ao vapor de água, apesar de ser influenciada exclusivamente pela concentração de glicerol, apresentou uma pequena variabilidade, pois o menor valor foi próximo do maior valor. Enquanto que o índice de desintegração em água foi dependente das concentrações de gelatina e do plastificante, onde foi observado que quanto menores ambas as concentrações, menor a desintegração. Avaliando o comportamento dos laminados em condições ambientais simuladas, verificou-se que alguns não sofreram alterações nas suas propriedades durante 25 dias de armazenamento a 65 e 75 % de UR. Os resultados de microscopia Eletrônica de Varredura indicaram que as diversas formulações empregadas em diferentes ensaios provocaram alterações na morfologia da matriz polimérica. As concentrações de gelatina e de glicerol influenciaram a cristalinidade dos laminados onde o laminado controle mostrou ser mais cristalino que os laminados dos ensaios formulados. O valor da condutividade térmica dos laminados revelou-se maior que o dos materiais sintéticos. Na degradação térmica, observou-se uma estabilidade até cerca de 230 oC quando iniciou-se a perda de massa observada através da termogravimetria, enquanto que as transições vítreas determinadas através de DMTA e DSC foram dependentes dos componentes das formulações dos ensaios e do tempo de armazenamentoAbstract: Due to the increasing accumulation of synthetic plastic rubbish, damaging the ecosystem, various strategies are being followed aimed at decreasing this aggression by way of prevention, reduction, recycling and chemical valorization of the synthetic materials, and especially by the use of biodegradable polymers. The use of starch to make thermoplastic materials is promising, due principally to the natural availability of the product, which is extracted from an endless stock of raw materials (cereals, roots, tubers etc.). However, the blends are not completely biodegradable. Thus this research involved the use of twin screw thermoplastic extrusion with an appropriate rectangular matrix, to produce biodegradable thermoplastic laminated materials based on starch and gelatin and plastified by glycerol and water, capable of being molded into the form of discardable products etc.. Response Surface Methodology (RSM) was used to establish predictive mathematical models based on the Central Compound rotational Design (CCRD) in a 23 complete factorial plan with 5 levels and 3 independent variables, these being the gelatin (50.0; 100.0; 150.0 g/g, wet basis) and glycerin (50.0; 100.0; 150.0 g/g, wet basis) concentrations in 1000g of mix, and the moisture content (30, 35, 40%). The responses obtained to the 2 x 2 combinations of the three factors were evaluated, considering the barrier and strain mechanical properties of the thermoplastic laminates obtained after extrusion, such as: Maximum resistance to strain, Percentage of stretching, Elasticity (Young's modulus), Water vapor permeability and the disintegration index in an aqueous medium. Mathematical methodology to optimize the trials was then developed which allowed one to choose the 6 main trials from the total of 18 from the design using a combination formula of best responses. After choosing those samples showing the best properties, the physical, chemical e morphological properties were evaluated using the following techniques: scanning electron microscopy (SEM), an estimate of the storage conditions, water absorption, X-ray diffraction and relative crystallinity index. The following thermal properties were evaluated in order to observe the thermal behavior of the laminates: Thermal Conductivity, Thermogravimetric analysis (TGA), Thermal Dynamic Mechanical analysis (TDMA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). The mechanical properties of the thermoplastic laminates were mostly influenced by the gelatin and glycerol concentrations, presenting a mean value for maximum resistance to strain of 4.87 MPa and a maximum value of 12.62 MPa; a mean value for % stretching of 46.46% with a maximum of 81.58% and a mean value for the Young's Modulus of 160.70 Mpa with a maximum of 568.49 MPa. With respect to water vapor permeability, despite being influenced exclusively by the glycerol concentration, this presented only slight variation, with the smallest value being similar to the largest value, whilst the disintegration index in water was dependant on both the gelatin and plastifier concentrations and the smaller the concentrations of these two concentrations, the smaller the disintegration. An evaluation of the behavior of the laminates under simulated environmental conditions, showed that some of them presented no alterations in their properties during 25 days of storage at 65 and 75% RH. The SEM results indicated that several of the various formulations used in the different trials caused alterations in the morphology of the polymeric matrix. The concentrations of gelatin and glycerol influenced the crystallinity of the laminates, the control laminate being more crystalline than those formulated in the trials. The Thermal Conductivity of the laminates was shown to be greater than that of the synthetic materials. For thermal degradation, stability was observed at about 230°C, point at which the materials started to loose mass as observed by the Thermogravimetric analysis, whilst the vitreous transitions determined by TDMA and DSC were dependant on the components of the trial formulations and storage timeDoutoradoDoutor em Tecnologia de Alimentos[s.n.]Chang, Yoon Kil, 1952-Chang, Yoon Kil, 1952-Anjos, Carlos Alberto RodriguesFranco, Celia Maria L.Grosso, Carlos Raimundo FerreiraCollares-Queiroz, Fernanda PaulaHubinger, Miriam DupasEl-Dash, Ahmed AtiaUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia de AlimentosPrograma de Pós-Graduação em Tecnologia de AlimentosUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASSebio, Leonard20032003-03-10T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf209p. : il.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1594562SEBIO, Leonard. Desenvolvimento de plástico biodegradável a base de amido de milho e gelatina pelo processo de extrusão: avaliação das propriedades mecânicas, térmicas e de barreira. 2003. 209p. Tese (doutorado)- Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1594562. 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