Desenvolvimento de compósitos biodegradáveis à base de amido de mandioca e cinza da casca de arroz revestidos com os polímeros biodegradáveis PLA e PBAT

Abstract

Espumas biodegradáveis à base de amido apresentam capacidade de substituir plásticos não-biodegradáveis derivados de fontes fósseis no desenvolvimento de embalagens. Porém, compostos de amido apresentam baixa resistência mecânica e elevada afinidade pela água. Essas propriedades podem ser aprimoradas a partir da adição de plastificante e agentes de reforço na mistura base, pela modificação do amido ou por meio da aplicação de um revestimento polimérico. A cinza da casca de arroz é um resíduo gerado na combustão da casca de arroz que possui elevada concentração de sílica e, por isso, possui grande potencial para utilização como agente de reforço. Este trabalho tem como objetivo desenvolver compósitos biodegradáveis à base de amido de mandioca incorporados com diferentes teores de cinza da casca de arroz (20 %, 40 %, 50 % e 60 %) por meio da expansão térmica, sem e com revestimento de PLA (poli (ácido láctico)) e de PBAT (poli (butileno adipato co-tereftalato)). As amostras foram caracterizadas com o intuito de avaliar a influência do resíduo e do revestimento polimérico nas propriedades físicas, químicas, morfológicas e mecânicas dos materiais produzidos. A adição da cinza de 20 a 50 % levou à produção de compósitos com maior estabilidade térmica, maior densidade, maior taxa de biodegradação e menor capacidade de absorção de água. As espumas incorporadas de cinza também apresentaram poros menores em sua estrutura interna, em comparação com a espuma controle sem cinza. A tensão de ruptura em relação à flexão aumentou nas espumas contendo de 20 – 40 % de cinza e decresceu nas composições com maiores concentrações de cinza em relação à espuma controle sem cinza. Com base nos resultados obtidos, a espuma com 40 % foi escolhida para a etapa de revestimento. O revestimento polimérico foi realizado por imersão dos compósitos em soluções formadas pelos polímeros PLA e PBAT dissolvidos em clorofórmio ou em lactato de etila (solvente biodegradável) na concentração de 5 % (m/v). As espumas revestidas apresentaram diminuição de até 90 % na absorção de água em relação à espuma sem revestimento. A menor capacidade de absorção de água foi obtida com o revestimento de PLA em clorofórmio. As propriedades mecânicas dos compósitos revestidos foram influenciadas pela escolha do solvente de dissolução, visto que melhoras significativas nas tensões de ruptura e módulo de Young foram observadas ao utilizar clorofórmio, diferente das amostras com solvente biodegradável que tiveram diminuição na resistência mecânica. Sendo assim, com base nos resultados obtidos, conclui-se que a cinza da casca de arroz é um bom material para aplicação como agente de reforço para espumas biodegradáveis à base de amido. Além disso, o revestimento polimérico, nas composições estudadas, se mostrou eficaz na diminuição da afinidade do compósito com a água. O par polímero-solvente que se mostrou mais eficiente no revestimento foi o PLA dissolvido em clorofórmio; ao utilizar o revestimento com PBAT dissolvido em clorofórmio ou ambos os polímeros com lactato de etila, os resultados foram inferiores.

Biodegradable starch-based foams can be used to replace non-biodegradable petrochemical plastics in packaging development. However, starch-based materials possess poor mechanical properties and low water-resistance. This can be improved by the addition of plasticizers and fillers in bulk composition, starch modification and by application of polymer coatings. The rice husk ash is a rice husk burning waste with high silica content and therefore, has a great potential to serve as filler in starch-based materials. The present work aims to develop biodegradable starch-based foams, using rice husk ash as a filler, produced by thermal expansion and coated with PLA (polylactic acid) and PBAT (poly(butylene-adipate-co-terephthalate)). The composites were characterized to determine the effect of both rice husk ash content and polymer coating on physical, morphologic and mechanical properties of the designed foams. The addition of 20 – 50 % of ash content improved thermal stability, density and biodegradation of starch-based foams and decreased water absorption capacity. Filled starch-based foams also exhibited smaller pores in internal structure. Compared to foams without ash filler, the addition of 20 – 40 % ash increased the flexural tensile strength and the addition of more than 50 % dropped the mechanical resistance. Based on these results, foams with 40 % ash content were chosen to have polymer coating application. The polymer coating was performed by dipping the chosen foams into 5 % (w/v) polymer solutions composed of polymers PLA or PBAT dissolved in chloroform or ethyl lactate (green solvent). Polymer coating significantly reduces water absorption capacity of coated foams compared with uncoated foam. The lower water absorption was obtained with PLA in chloroform coating. The mechanical properties were affected by solvent choice, since coated foams which chloroform was used as solvent have better flexural tensile strength and modulus, whilst coated foams which ethyl lactate was the solvent used decreased mechanical resistance compared to uncoated foams. Hence, based on results obtained, rice husk ash can be a great material for filler applications in biodegradable starch-based foams. Furthermore, polymer coating, with any polymer solution composition, improve water resistance of starch-based composites. PLA in chloroform coating seems to be more effective than PBAT coating or any coating using ethyl lactate as solvent.