Estudo da incorporação de nanofibras de celulose em polietileno de baixa densidade

Abstract

O desenvolvimento de materiais provenientes de matérias-primas renováveis e de baixo impacto ambiental é de grande relevância atualmente. A celulose constitui a maior parte da parede celular de plantas e é o polímero renovável mais abundante no planeta. A nanocelulose, um material renovável, de baixa densidade, excelente desempenho mecânico e biocompatibilidade, ganhou considerável atenção como nanoreforço para matrizes poliméricas. O objetivo deste trabalho consiste na avaliação de um método simples e eficaz de incorporação de nanocelulose em matrizes poliméricas de modo a garantir sua dispersão e homogeneidade. As nanofibras de celulose foram obtidas pela desfibrilação de celulose branqueada de Eucalyptus sp. com água em moinho Masuko MKCA 6-2 e seguida de centrifugação para remoção da água excedente. Posteriormente, foram produzidos um master em homogeneizador termocinético tipo Drais 600C com 21% de nanofibras de celulose em uma matriz de polietileno de baixa densidade (PEBD). Este master foi moído e incorporado com PEBD de modo a obter concentrações de reforço de 0,5%, 1,0% e 2,0% (m/m) em extrusora de dupla rosca e peletizado. O material foi avaliado após a secagem por análises de índice de fluidez, calorimetria exploratória diferencial e termogravimetria. Os materiais foram injetados para produzir corpos de provas padronizados para ensaios de tração, impacto, flexão, temperatura de deflexão térmica, análise dinâmico-mecânica e microscopia eletrônica de varredura. Como resultados, não foram evidenciados pontos de aglomeração por microscopia de varredura. O índice de fluidez não mostrou redução significativa, não sendo necessário adicionar aditivos de fluxo para processamento. A cristalinidade e a estabilidade térmica aumentaram com a incorporação das nanofibras de celulose e a temperatura de deflexão térmica diminuiu. Nas propriedades mecânicas, não houveram em geral aumento significativo com a adição das nanofibras de celulose, embora o módulo de elasticidade em tração tenha aumentado 17%. O módulo de armazenamento foi mais elevado para o compósito com 2,0% de incorporação. No módulo de perda, todos os compósitos dissiparam menos energia que o material puro. A temperatura de transição vítrea não foi alterada significativamente. De modo geral, o processo de incorporação mostrou-se uma alternativa mais eficiente para a obtenção de compósitos de nanofibras de celulose em PEBD, não necessitando a secagem ou troca de solvente para sua fabricação, sem afetar suas propriedades originais.

The development of materials from renewable raw materials and with low environmental impact is of great relevance today. Cellulose makes up most of the plant cell wall and is the most abundant renewable polymer on the planet. Nanocellulose, a renewable material, of low density, excellent mechanical performance and biocompatibility, has gained considerable attention as a nanoreinforcement for polymeric matrices. The objective of this work is to evaluate a simple and effective method of incorporating nanocellulose in polymeric matrices in order to guarantee its dispersion and homogeneity. The cellulose nanofibers were obtained by defibrillating bleached cellulose from Eucalyptus sp. with water in a Masuko MKCA 6-2 mill and followed by centrifugation to remove excess water. Subsequently, a master was produced in a Drais 600C thermokinetic homogenizer with 21% cellulose nanofibers in a low density polyethylene (LDPE) matrix. This master was ground and incorporated with LDPE in order to obtain reinforcement concentrations of 0.5%, 1.0% and 2.0% (w / w) in a twin screw extruder and pelletized. The material was evaluated after drying by analysis of fluidity index, differential scanning calorimetry and thermogravimetry. The materials were injected to produce standardized specimens for tensile, impact, bending, thermal deflection temperature, dynamicmechanical analysis and scanning electron microscopy. As a result, no agglomeration points were detected by scanning microscopy. The fluidity index did not show a significant reduction, and it is not necessary to add flow additives for processing. Crystallinity and thermal stability increased with the incorporation of cellulose nanofibers and the thermal deflection temperature decreased. In mechanical properties, in general there was no significant increase with the addition of cellulose nanofibers, although the modulus of elasticity in tension has increased by 17%. The storage module was higher for the composite with 2.0% incorporation. In the loss module, all composites dissipate less energy than pure material. The glass transition temperature was not significantly changed. In general, the incorporation process proved to be a more efficient alternative for obtaining composites of cellulose nanofibers in LDPE, without requiring drying or solvent exchange for its manufacture, without affecting its original properties.