Tratamento superficial de fibra de coco e aplicação em materiais compósitos como reforço do polipropileno

Abstract

As fibras naturais apresentam boas propriedades mecânicas, considerável biodegradabilidade e baixo custo em relação às fibras sintéticas, e ainda provêm derecursos renováveis. Por outro lado, a compatibilidade entre fibras naturais hidrofílicas emateriais poliméricos sintéticos hidrofóbicos é um desafio na aplicação desses materiaiscompósitos. Deste modo, o principal objetivo deste trabalho foi testar alguns tratamentossuperficiais sobre a fibra de coco antes de aplicar como reforço do polipropileno.Inicialmente, as fibras de coco foram submetidas à caracterização química por meio dahidrólise ácida, determinação de teor de extrativos e umidade. Três procedimentosdiferentes foram aplicados no tratamento da superfície das fibras de coco: 1) tratamentocom água quente a 80°C; 2) solução de NaOH 2% (m/v); e 3) sequência com água quente a80°C, solução de extran 20% (v/v), solução de acetona/água (1:1, v/v) e solução de NaOH10% (m/v). A eficiência da modificação química foi avaliada pelas análises de FTIR(espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier) e MEV (microscopiaeletrônica de varredura). Depois da modificação química, os compósitos de polipropilenoreforçados com 10 e 20% de fibras de coco foram obtidos por meio de um misturadortermocinético. O tempo de mistura para a preparação do compósito (fibra e matriz) foimedido. Além disso, a influência do teor de fibras modificadas nos compósitos foiestudada por análises térmicas (TGA – análise termogravimétrica e DSC – calorimetriaexploratória diferencial). A composição química da fibra de coco em massa foi de 28,0%de celulose, 19,8% de hemicelulose, 41,1% de lignina, 1,33% de cinzas e 8,6% deextrativos. O tempo de mistura para a preparação dos compósitos com 10% em massa defibra foi em média de 171 s e para 20% em massa de fibra foi de 1065 s. O tempo demistura elevado pode causar quebra excessiva e degradação térmica das fibras, afetando aspropriedades dos compósitos. A análise de FTIR identificou claramente nos espectros, umaredução do pico em 1730 cm-1 com as sequências de tratamento. Esta banda écorrespondente à macromolécula de hemicelulose. Entretanto, a caracterização por MEVmostrou que o tratamento químico mudou a morfologia das fibras. As curvastermogravimétricas (TG) mostraram que a inserção das fibras provocou uma diminuição daestabilidade térmica dos compósitos de 20% m/m. Já, as curvas DSC revelaram que oprocesso de cristalização do PP foi favorecido pela inserção das fibras. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The natural fibers have good mechanical properties, considerably biodegradability, andlow cost in respect to synthetic fibers and still provide from renewable resources.Moreover, the compatibility between hydrophilic natural fibers and synthetic hydrophobicpolymeric materials is a challenge at the application of these composite materials. Thus,the main objective of this study was to test some superficial treatments on coconut fiberbefore applying as reinforcement of polypropylene. Initially, the coconut fibers weresubmitted to chemical characterization by acid hydrolysis, determination of extractives andmoisture content. Three different procedures of surface modification were applied tococonut fibers: 1) treatment with hot water at 80 °C; 2) NaOH 2% (w/v) solution; and 3)sequence with hot water 80°C, extran 20% (v/v) solution; acetone/water (1:1, v/v) solutionand NaOH 10% (w/v) solution. The chemical modification efficiency was verified byFTIR analysis (Fourier transformer infrared spectroscopy) and MEV (scanning electronmicroscopy). After the chemical modification, polypropylene composites reinforced with10 and 20% of coconut fibers were obtained by a thermokinetic mixer. The mixing time forthe preparation of the composite (fiber and matrix) was measured. Furthermore, theinfluence of modified fibers content in the composites was studied by thermal analysis(TGA – thermogravimetric analysis and DSC – differential scanning calorimetry). Thechemical composition of coconut fiber mass was 28,0% of cellulose, 19,8% ofhemicellulose, 41,1% of lignin, 1,33% of ash and 8,6% of extractives. The mixing time forpreparation of composites with 10% by weight of fibers reaches to 171 s and for 20% byweight, 1065 s. The elevated time expended to mixing could cause excessive breakdownand thermal degradation of the fibers, affecting the composites properties. The FTIRspectra analysis clearly identified a reduction of the band in 1730 cm-1 with the chemicaltreatment sequences. This band corresponds to hemicellulose macromolecule. However,the SEM characterization showed that the chemical treatment changed the morphology ofthe fibers. The thermogravimetric curves showed that the insertion of the fibers caused adecrease in thermal stability of the composite with 20% (w/w). Already the DSC curvesshowed that the crystallization process of the PP was favored by the insertion of the fibers.