Obtenção de compósitos termomoldados a partir da torta de mamona plastificada com glicerol, derivado do processo de transesterificação de óleos e gorduras

Abstract

Resumo: Este trabalho teve por finalidade a utilização de co-produtos como a torta de mamona, a glicerina e fibra de bagaço de cana-de-açúcar, com o intuito de desenvolver compósitos, otimizando as suas propriedades mecânicas. Os compósitos à base de torta de mamona foram plastificados com a glicerina e reforçados com o material lignocelulósico/protéico da própria torta ou de alguma fonte externa, como o bagaço de cana de açúcar, resíduo da produção de etanol combustível. A identificação das melhores condições de processamento dos compósitos foi selecionada como sendo: temperatura entre 110-130ºC, tempo de cozimento rápido e rápido resfriamento do produto à temperatura de 30ºC. Observou-se que o moinho de almofariz era a melhor opção para a homogeneização dos materiais, a fração volumétrica otimizada de fibras foi de 5-15% e diâmetro da malha de peneira com limite superior de 0,25 mm. Em seguida, foi elaborado um planejamento fatorial 23, composto por três variáveis (composição, carga aplicada e temperatura) avaliadas em dois níveis. Asrespostas analisadas (módulo de elasticidade e resistência à tração) permitiram identificar os efeitos das variáveis nas características do produto final. Os compósitos foram caracterizados através de métodos físicos de análises e submetidos à avaliação de desempenho. A variável composição é significativa no processo mostrando uma variação tanto no módulo quanto na resistência dos experimentos realizados. A presença do maior volume de fibras levou a um aumento no valor no módulo elástico dos compósitos obtidos, evidenciando menor flexibilidade e maior resistência. Com relação aos compósitos com teores de fibras de 5%, estes apresentaram menor resistência, porém os corpos de prova se apresentaram com maior flexibilidade e com boa resistência mecânica. Tal fato revela o aproveitamento desses resíduos para usos convencionais como painéis, compensados em geral e outras finalidades de acordo com cada formulação do planejamento fatorial. A análise através de MEV demonstrou que a maior temperatura induz à menor absorção de umidade dos compósitos processados podendo impermeabilizar melhor às estruturas químicas do amido e das proteínas juntamente com o reforço das fibras do bagaço de cana. O aumento do teor de fibras ocasionou um aumento no incremento de água devido ao caráter polar dos polissacarídeos presentes nas fibras aumentando essa absorção, porém essa característica não impede o manuseio à temperatura ambiente. A análise de TGA demonstrou que o aumento de fibras de 5% para 15% na mesma carga e temperatura, sugere um aumento significativo na estabilidade térmica do compósito, possivelmente, ocorre um aumento na resistência às reações de degradação térmica dos componentes presentes – hemicelulose, celulose e lignina – totalizando cerca de 65% de fibras do bagaço e da torta de mamona. O aumento da temperatura na mesma proporção de fibras revelou maior estabilidade térmica dos compósitos, pela maior facilidade de adesão entre a matriz e o reforço dificultando o rompimento dos grupos químicos. O produto final terá uma grande vantagem sobre outros materiais estruturais, pois pode ser moldado em formas complexas e facilmente adaptáveis aos processos atualmente utilizados, além de ser composto de resíduos industriais de baixo valor agregado.

Abstract: This study aims at the use of by-products such as castor bean cake, glycerin and sugarcane bagasse fiber, with the objective to develop composites and optimizing their mechanical properties. The composites based on castor bean cake were plasticized with the glycerin, bio-product of the production of ethanol fuel and reinforced with lignocellulosic materials (including the fibers from castor bean cakeor of an external source like sugarcane bagasse). The best conditions to process the composites were identified as: 110-130ºC (temperature), with faster time of heating and cooling of the thermo-molded composite to 30oC temperature. It was observed that ball milling was the best option to obtain homogeneous distribution of the fibers, the volumetric fraction of 5 to 15% and the best diameter of the sieve of 0.25 mm. A 23factorial design was followed with 3 variables (composition, applied load and temperature), which were evaluated in two distinct stages. The analyzed results (elastic modulus and ultimate tensile strength) enabled to identify the effects of the variables in the characteristics of the final product. The composites were characterized through physical methods of analysis and subjected to the performance evaluation. The variable "composition" was meaningful in the process evidencing a variation in the modulus as well as in thetensile strength. The presence of fibers in higher percentages led to increased elastic modulus, evidencing lower flexibility and higher mechanical resistance. Composites with 5% of fiber exhibited lower resistance, however, the tested samples showed higher flexibility and good mechanical resistance. This fact suggests that composites based on such wastes can be used as conventional panels, boards in general and other usages based on each formulation of the factorial design. SEM analysis revealed that higher temperatures leads to lower moisture absorption of the processed composites enabling better impermeability of the starch and protein structures along with the sugarcane bagasse fibers. Increasing the fiber content led to increase of water content due to the polar character of the polysaccharides present in the fibers; this feature does not preclude handling at 30ºC temperature. TGA analysis revealed that increase of fibers content from 5% to 15% at the same load and temperature suggest a significant increase in the composite thermal stability, responses of the present components - hemicellulose, cellulose and lignin – which add up to 65% of the sugarcane bagasse and castor bean. The increase of the temperature on the composites with the same proportion of fiber reveals a higher thermal stability due to higher adhesion between the matrix and the reinforcement, hindering breaking of chemical groups. The final product will have advantages over other structural materials once it can be molded in to complex shapes, in addition to ease of adaptability to currently used processes as well as utilization of low-value industrial wastes.