Desenvolvimento de biocompósitos de polihidroxibutirato reforçados com fibras vegetais : avaliação da degradação e dos impactos ambientais no solo com o uso da ferramenta ACV

Abstract

O elevado consumo de polímeros tem trazido sérios problemas ambientais, à medida que potencializa o acúmulo de resíduos sólidos urbanos, normalmente em aterros sanitários ou ainda descartados em locais inadequados. Diante disso, passou a ser de grande interesse o desenvolvimento de materiais amigáveis ao meio ambiente, que possam contribuir para atenuar o problema. Desta forma, o desenvolvimento de novos materiais biodegradáveis tem sido estimulado pela sociedade. Compósitos poliméricos obtidos a partir de biopolímeros e reforçados com fibras vegetais podem contribuir com a redução de resíduos, devido a sua característica biodegradável, além de solucionar o problema do descarte de resíduos oriundos do agronegócio, como as fibras vegetais. Deste modo, o objetivo deste estudo foi desenvolver compósitos de matriz de PHB (Polihidroxibutirato), polímero biodegradável obtido a partir de recursos renováveis e sintetizado pela bactéria Rastonia eutropha, e reforça-lo com fibras de origem vegetal. O desenvolvimento dos compósitos foi determinado a partir da caracterização e melhoria das propriedades mecânicas, térmicas e morfológicas em relação a matriz pura. O estudo foi dividido em 3 etapas. Na etapa 1, foram desenvolvidos compósitos termoplásticos de PHB reforçado com fibra vegetal, esta etapa foi subdividida em três fases. Na fase 1 determinou-se a granulometria ótima de 250 µm em compósito PHB com 30% de pó da madeira de Itaúba (ITA). Na fase 2, foi determinado o teor ótimo de reforço ITA sendo selecionada a proporção mássica de 70/30, as quais obtiveram melhores propriedades mecânicas (tração e impacto), térmicas (TGA e DSC) e morfológicas (MEV). Na fase 3 foram testados os reforços ITA, casca de arroz (CA) e fibra de coco (FC). Foram então produzidos os compósitos PHB/ITA, PHB/CA e PHB/FC. Sendo os compósitos PHB/ITA e PHB/CA que apresentaram melhores propriedades. Sendo assim, na etapa 2 foi avaliado a biodegradação do polímero puro PHB e dos compósitos PHB/ITA e PHB/CA (70/30) formam enterrados em solo simulado ao solo de aterro sanitário, previamente preparado, concomitantemente com compósitos de matriz sintética de polipropileno (PP, PP/CA e PP/ITA), para efeito de comparação da degradação e da avaliação dos impactos ambientais. A degradação biótica foi caracterizada através das análises microbiológicas e identificaram gêneros como, Staphylococcus sp., Enterococcus sp. e Streptococcus sp. Na etapa 3 do estudo, foi realizada uma análise de ciclo de vida (ACV) com o intuito de comprovar os benefícios da substituição do produto sintético PP de origem fóssil pelo PHB, biodegradável, ao longo do ciclo de vida do produto. Este estudo determinou que o tempo de degradação desses materiais biodegradáveis foi de 10 meses, sendo o PHB/CA o compósito com maior perda de massa, com degradação de 95%. Por fim, o estudo comprovou que, a degradação do material desenvolvido não libera elementos tóxicos ao solo durante esse processo.

The high consumption of polymers has brought serious environmental problems, as it increases the accumulation of solid urban waste, usually in sanitary landfills or even disposed of in inappropriate places. In view of this, it has become of great interest to develop environmentally friendly materials that can contribute to alleviating the problem. Thus, the development of new biodegradable materials has been stimulated by society. Polymeric composites obtained from biopolymers and reinforced with vegetable fibers can contribute to the reduction of waste, due to its biodegradable characteristic, in addition to solving the problem of the disposal of residues from agribusiness, such as vegetable fibers. Thus, the objective of this study was to develop composites of PHB (Polyhydroxybutyrate) matrix, a biodegradable polymer obtained from renewable resources and synthesized by the bacterium Rastonia eutropha, and reinforcing it with fibers of plant origin. The development of composites was determined from the characterization and improvement of mechanical, thermal and morphological properties in relation to the pure matrix. The study was divided into 3 stages. In step 1, thermoplastic composites of PHB reinforced with vegetable fiber were developed, this step was subdivided into three phases. In phase 1, the optimum granulometry of 250 µm in PHB composite with 30% Itaúba wood powder (ITA) was determined. In phase 2, the optimum ITA reinforcement content was determined by selecting the mass ratio of 70/30, which obtained better mechanical (traction and impact), thermal (TGA and DSC) and morphological (SEM) properties. In phase 3, ITA, rice husk (CA) and coconut fiber (FC) reinforcements were tested. The composites PHB/ITA, PHB/CA and PHB/FC were then produced. The composites PHB/ITA and PHB/CA showed the best properties. Therefore, in step 2, the biodegradation of the pure PHB polymer and the composites PHB/ITA and PHB/CA (70/30) were evaluated buried in soil simulated to the previously prepared landfill soil, concomitantly with synthetic matrix composites. polypropylene (PP, PP/CA and PP/ITA), for the purpose of comparing degradation and assessing environmental impacts. Biotic degradation was characterized through microbiological analysis and identified genera such as Staphylococcus sp., Enterococcus sp. and Streptococcus sp. In step 3 of the study, a life cycle analysis (LCA) was carried out in order to prove the benefits of replacing the synthetic PP product of fossil origin with PHB, biodegradable, throughout the product's life cycle. This study determined that the degradation time of these biodegradable materials was 10 months, with PHB /CA being the composite with the highest mass loss, with 95% degradation. Finally, the study proved that the degradation of the developed material does not release toxic elements to the soil during this process.