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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.75.2014.tde-10122014-161805
Documento
Autor
Nome completo
Daniele Oliveira de Castro
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2014
Orientador
Banca examinadora
Frollini, Elisabete (Presidente)
Plepis, Ana Maria de Guzzi
Cavalheiro, Eder Tadeu Gomes
Chinelatto, Marcelo Aparecido
Gonçalves, Maria do Carmo
Título em português
Biocompósitos a partir de "polietileno verde", óleos vegetais, macro e nano fibras de curauá
Palavras-chave em português
biocompósitos
fibra de curauá
nanocristais de curauá
óleos vegetais
polietileno verde
Resumo em português
O polietileno de alta densidade utilizado neste trabalho foi obtido em escala industrial pela polimerização de eteno, gerado a partir do etanol de cana de açúcar. Este polímero é também chamado de biopolietileno (BPEAD), por ser preparado a partir de material oriundo de fonte natural. O BPEAD foi usado como matriz em compósitos reforçados por fibras de curauá em proporções em massa variando de 5 a 20%, 1 cm de comprimento. Óleo de mamona (CO), óleo de canola (CA), óleo de linhaça epoxidado (OLE) e óleo de soja epoxidado (OSE) foram usados na preparação dos compósitos (5, 10, 15 e 20%) visando atuação como agentes compatibilizantes, uma vez que o CO, CA, OLE e OSE têm cadeias hidrocarbônicas com afinidade pelo biopolietileno, e grupos hidroxilas com afinidades pelos grupos polares presentes nas fibras. Os compósitos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Termogravimetria (TG), Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) e propriedades mecânicas (impacto e flexão). Os resultados de impacto, flexão e DMA apresentados pelos compósitos mostraram que a incorporação dos óleos nas diferentes composições, principalmente CO, no geral levou a melhores propriedades quando comparados aos compósitos BPEAD/Fibra, indicando uma possível ação dos óleos como compatibilizante na interface fibra/matriz. O compósito BPEAD/15%CO/15%Fibra apresentou uma maior resistência ao impacto (280 J m-1) se comparado ao BPEAD (234 J m-1), indicando o efeito compatibilizante do CO. As propriedades de compósitos (BPEAD/5%CO, CA, OSE ou OLE/10%Fibra) reforçados com curauá (3mm), processados em misturador interno e termoprensados foram comparadas com aqueles processados por extrusão e moldados por injeção. A resistência ao impacto dos compósitos processados via extrusão BPEAD/CO (287 J m-1), CA (240 J m-1) ou OSE/Fibra (222 J m-1) foi maior quando comparada aos compósitos processados via misturador interno BPEAD/CO (114 J m-1), CA (123 J m-1) ou OSE/Fibra (110 J m-1). A análise de DMA também mostrou que o compósito BPEAD/5%CO/10%Fibra preparado por extrusão/injeção apresentou maior módulo de armazenamento (E´) a 30°C de 1660 MPa, enquanto que o compósito processado via misturador interno apresentou E´ de 1219 MPa. Comparando as propriedades mecânicas dos compósitos processados por extrusão/injeção com a dos processados por misturador interno Haake/termoprensagem, conclui-se que extrusão/injeção é um processo mais eficiente para a preparação de compósitos de fibras curtas. O presente estudo também avaliou o potencial de aplicação de nanocristais de celulose (NCC) em filmes baseados em BPEAD. NCCs foram obtidos a partir da hidrólise ácida da fibra de curauá, e foram utilizados (3, 6 e 9 %) na preparação de filmes de BPEAD, visando à obtenção de nanocompósitos. Os nanocompósitos reforçados com nanocristais de curauá foram processados por extrusão, também usando CO (3, 6 e 9%), visando avaliar a ação do mesmo como agente de dispersão de NCC na matriz apolar de BPEAD. A partir dos resultados obtidos para estes filmes, a porcentagem de NCC foi fixada em 3%, e 3% como porcentagem de óleo vegetal, por terem sido estas as condições que levaram ao melhor conjunto de resultados. Além de CO, OSE e OLE também foram usados e, além do processamento extrusão, extrusão/termoprensagem também foi considerado, a fim de comparar as propriedades obtidas nos dois processamentos. Os filmes foram caracterizados por calorimetria exploratória diferencial, termogravimetria, DMA, ensaio de tração, MEV e reologia. A análise de DMA mostrou que a presença de NCC leva a um material mais rígido, e o uso de óleos vegetais na preparação de filmes, levou a uma distribuição mais homogênea dos NCCs na matriz de BPEAD e a uma melhor adesão na interface, evidenciando o efeito compatibilizante dos óleos. As propriedades óticas dos nanocompósitos indicaram que a presença dos óleos levou a filmes menos opacos, para ambos os tipos de processamentos usados. Com relação aos diferentes processamentos usados na preparação dos filmes baseados em BPEAD, óleos e nanocristais, o melhor conjunto de resultados, com destaque para aqueles obtidos no ensaio de tração, foram resultantes do processamento via extrusão/termoprensagem, indicando que este processamento deve favorecer a dispersão de NCCs na matriz de BPEAD. Os resultados desse trabalho apontaram para boas perspectivas para o uso de nanocristais de celulose em filmes baseados em BPEAD (ou PEAD), utilizando óleos vegetais como compatibilizantes e também mostraram que é possível obter melhorias nas propriedades dos nanocompósitos através de processos mais adequados para a escala industrial, como a extrusão. No presente estudo, contribuiu-se para com o desenvolvimento de materiais que, dentre outras propriedades, na sua produção, utilização e substituição, ocorra menor emissão de CO2 para a atmosfera, comparativamente a outros materiais.
Título em inglês
Biocomposites from "green polyethylene", vegetable oils, macro and nano curaua fibers
Palavras-chave em inglês
biocomposites
curaua fiber
curaua nanocrystals
green polyethylene
vegetable oils
Resumo em inglês
The high-density polyethylene used in this work was obtained on an industrial scale by polymerization of ethylene derived from sugar cane ethanol. This polymer is also called biopolyethylene (HDBPE), as it is a material derived from a renewable resource. HDBPE was used as a polymer matrix in composites reinforced by curaua fibers containing 5, 10, 15 and 20 wt%, 1-cm long. Castor oil (CO), canola oil (CA), epoxidized linseed oil (ELO) and epoxidized soybean linseed oil (ESO) were used in the preparation of composites (5, 10, 15 e 20 wt%) aiming to act as a coupling agent, since CO, CA, ESO and ELO have hydrocarbon chains with affinity for polyethylene and hydroxyl groups that can interact with polar groups on the fibers. The composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetryc analysis (TG), dynamic mechanical analysis (DMA) and mechanical properties (flexural and impact strength). The results of impact, flexural strength and DMA presented by composites showed that the incorporation of oils in various compositions, particularly CO, in general has led to improved properties when compared to the composite HDBPE/Fiber, thus indicating a possible action of the oil as a compatibilizer in the fiber/matrix interface. The composite HDBPE/15%CO/15%Fiber had a higher impact strength (280 J m-1) compared to HDBPE (234 J m-1), indicating the compatibilizer effect of CO. The properties of composites (HDBPE/5%CO, CA, ESO or ELO/10%Fiber) reinforced with curaua (3mm) and prepared using an internal mixer (Haake) followed by thermopress molding were compared with those prepared by extrusion and was molded by injection. The properties of composites (HDBPE/5%CO, CA, ESO or ELO/10%Fiber) reinforced with curaua (3mm), prepared using an internal mixer (Haake) followed by thermopress molding were compared with those prepared by extrusion and molded by injection. The impact strength of composites processed via extrusion HDBPE/CO (287 J m-1), CA (240 J m-1) or OSE / fiber (222 J m-1) was higher when compared to composites processed via internal mixer HDBPE/CO (114 J m-1), CA (123 J m-1) or OSE/Fiber (110 J m-1). DMA analysis also showed that the composite HDBPE/5%CO/10%Fiber prepared by extrusion/injection showed higher storage modulus (E') at 30°C of 1660 MPa, while the composite processed by internal mixer presented an E' of 1219 MPa. Comparing the mechanical properties of the composites
 
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Data de Publicação
2015-01-13
 
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