Influência de aditivos de fontes naturais em materiais compósitos de PEAD pós-consumo reforçado com fibras de curauá

Abstract

O crescente interesse no uso de recursos naturais e renováveis no desenvolvimento de novos materiais tem impulsionado pesquisas sobre compósitos reforçados com fibras vegetais. No entanto, a eficácia desses compósitos é frequentemente limitada pela fraca adesão interfacial entre as fibras e a matriz polimérica, devido à incompatibilidade química entre seus grupos funcionais. Para mitigar esse problema, tratamentos químicos são comumente empregados, embora muitos envolvam o uso de substâncias tóxicas, gerando riscos ambientais e à saúde humana. Diante desse cenário, este estudo investigou a influência de aditivos de fontes naturais como agentes de acoplamento (AA) e de fluxo (AF) em compósitos de matriz polimérica, utilizando polietileno de alta densidade pós-consumo (PEADpc) como matriz e fibras de curauá (FC) como reforço. Foram avaliados, como aditivos, o polietileno graftizado com anidrido maleico (PEgAM), ácido cítrico (AC), ácido málico (AMá), ácido mirístico (AMi), ácido tartárico (AT), resina colofônia (RC), lignina de eucalipto (LE) e lignina de pinus (LP). O estudo foi conduzido em três etapas: (I) caracterização das fibras de curauá in natura (FCn), lavadas (FCl) e lavadas e penteadas (FClp); (II) análise de aditivos (3%) nas propriedades térmicas, reológicas e mecânicas dos compósitos; e (III) determinação da concentração mais adequada de aditivos (1%, 3% e 5%) para otimização das propriedades dos compósitos. As amostras foram caracterizadas por TGA, DSC, FTIR, DRX, FRX, MFI, ensaios mecânicos (tração, flexão e impacto), MEV e absorção de água. Os resultados indicaram que os tratamentos de limpeza superficial das fibras foram eficazes na remoção de impurezas, preservando sua integridade estrutural. Na Etapa II, verificou-se que a incorporação de FC (30%) resultou em melhorias significativas nas propriedades mecânicas do compósito PEADpc/FC em relação à matriz de PEADpc, com aumento de 198,05% no módulo à tração, 125,67% na resistência à tração na ruptura, 183,06% no módulo à flexão e 76,37% na resistência à flexão, porém uma redução de 83,78% na resistência ao impacto. Por sua vez, a adição de aditivos naturais mostrou-se uma alternativa promissora, promovendo estabilidade térmica, melhorias nas propriedades mecânicas e redução na absorção de água. Por fim, na Etapa III, a adição de aditivos nas concentrações de 1% e 3% proporcionaram o melhor equilíbrio entre as propriedades. Dentre os aditivos testados, o RC destacou-se por apresentar comportamento similar ao PEgAM, com vantagens reológicas adicionais, evidenciando seu potencial como alternativa viável e mais sustentável ao AA convencional.

The growing interest in using natural and renewable resources to develop new materials has driven research on natural fiber-reinforced polymer composites. However, the effectiveness of these composites is often limited by poor interfacial adhesion between the fibers and the polymer matrix, primarily due to chemical incompatibility between their functional groups. Chemical treatments are commonly applied to mitigate this issue, although many involve using toxic substances, posing environmental and human health risks. In this context, this study investigated the influence of natural-source additives as coupling agents (CA) and flow agents (FA) on polymer matrix composites, using post-consumer high-density polyethylene (HDPEpc) as the matrix and curaua fibers (CF) as reinforcement. Maleic anhydride grafted polyethylene (MAPE), citric acid (CiA), malic acid (MaA), myristic acid (MyA), tartaric acid (TA), colophony resin (CR), eucalyptus lignin (EL), and pine lignin (PL) were evaluated as additives. The study was conducted in three stages: (I) characterization of curauá fibers in their natural state (CFn), washed (CFw), and washed and combed (CFwc); (II) analysis of the influence of additives (3 wt.%) on the thermal, rheological, and mechanical properties of the composites; and (III) determination of the most suitable additive concentration (1 wt.%, 3 wt.%, and 5 wt.%) for optimizing the composite properties. The samples were characterized by TGA, DSC, FTIR, XRD, XRF, MFI, mechanical tests (tensile, flexural, and impact), SEM, and water absorption analysis. The results indicated that the surface cleaning treatments applied to the fibers were effective in removing impurities while preserving their structural integrity. In Stage II, it was verified that the incorporation of CF (30 wt.%) resulted in significant improvements in the mechanical properties of the HDPEpc/CF composite compared to the pure HDPEpc matrix, with increases of 198.05% in tensile modulus, 125.67% in tensile strength at break, 183.06% in flexural modulus, and 76.37% in flexural strength; however, a reduction of 83.78% in impact strength was observed. In turn, adding natural-source additives proved to be a promising alternative, promoting thermal stability, enhancements in mechanical properties, and a reduction in water absorption. Finally, in Stage III, adding additives at concentrations of 1 wt.% and 3 wt.% provided the best balance among the evaluated properties. Among the tested additives, CR exhibited behavior similar to PEgMA, with additional rheological advantages, highlighting its potential as a viable and more sustainable alternative to conventional CA.