Obtenção de filmes biodegradáveis de amido de mandioca reforçados com nanofibras de celulose de rami

Abstract

Resumo: Filmes biodegradáveis, produzidos a partir de biopolímeros, tem recebido grande interesse como alternativa às embalagens plásticas convencionais, devido, especialmente, a seu apelo ambiental. Neste estudo, avaliou-se a utilização de nanofibras de celulose de rami, espécie vegetal com características importantes de reforço, na produção de filmes biodegradáveis constituídos por amido de mandioca e glicerol. Esses filmes foram desenvolvidos empregando-se a técnica casting e um planejamento experimental Composto Central Rotacionado. Os filmes produzidos foram caracterizados quanto à espessura, elongação, resistência à tração, opacidade, cor, permeabilidade ao vapor de água e solubilidade. A fim de se avaliar o efeito da concentração dos componentes da matriz sobre essas propriedades, um modelo matemático foi ajustado aos dados experimentais e gráficos de superfície de resposta foram gerados. A influência da adição de nanofibras de rami sobre a cinética de sorção dos filmes também foi investigada, bem como seus efeitos na morfologia, interações químicas e comportamento térmico. A concentração de nanofibras de rami, em especial, apresentou efeito positivo nas propriedades mecânicas e de barreira, pois aumentou a resistência à tração em até 207,9%, e diminuiu a permeabilidade ao vapor de água e a solubilidade dos filmes em até 52,9% e 72,9%, respectivamente, em relação aos filmes sem reforço. Os modelos matemáticos para cada resposta estudada foram obtidos com ajuste confiável e satisfatório e valores de R² entre 0,806 e 0,926, à exceção do modelo ajustado para diferença de cor, que não apresentou efeitos preditivos. A incorporação de nanofibras de celulose de rami alterou a cinética de sorção de água dos filmes, provocando uma redução em sua velocidade e capacidade de absorção. Quanto à microestrutura, a adição de nanofibras tornou as superfícies mais rugosas e as seções transversais mais heterogêneas, porém não foram observadas descontinuidades. A interação química entre os componentes dos filmes também foi alterada pela presença das nanofibras e identificada pela redução das ligações de hidrogênio entre as moléculas de amido. Além disso, as nanofibras de celulose de rami alteraram a estabilidade térmica dos filmes e diminuíram a perda de massa ao final do evento de degradação. Os resultados apresentados neste estudo confirmam a obtenção de filmes biodegradáveis com propriedades mecânicas e de barreira melhoradas e com potencial para serem utilizados como embalagens ambientalmente amigáveis, reiterando o uso de nanofibras de celulose extraídas de rami como reforço aos filmes à base de amido.

Abstract: Biodegradable films produced from biopolymers have been receiving increasing interest as alternative for conventional plastics packages, especially for their environmental appeal. In this study, the use of cellulose nanofibers from ramie, a plant with important reinforcement characteristics, was investigated in the production of biodegradable films composed of cassava starch and glycerol. These films were prepared by casting method and applying a Central Composite Rotatable Design. The produced films were characterized by thickness, elongation at break, tensile strength, opacity, color, water vapor permeability and solubility. In order to evaluate the effect of each component of the matrix on these properties, experimental data were fitted to a mathematical model and surface plots were generated. The influence of nanofibers addition on the films sorption kinetics was also investigated, as well as its effects on microstructure, chemical interactions and thermal behavior. The concentration of nanofibers, especially, presented a positive effect on the mechanical and barrier properties, as it increased the tensile strength by 207.9%, and decreased the water vapor permeability and the solubility of the films by 52.9% and 72.9%, respectively, when compared to a film without reinforcement. The mathematical models for each studied response were obtained with a reliable and satisfactory fit, and R² values between 0.806 and 0.926, except for the model fitted to color, which did not have predictive effects. The incorporation of cellulose nanofibers changed the water sorption kinetics of the films, leading to a decrease in their velocity and absorption capacity. Regarding the films microstructure, the addition of nanofibers lead to rougher surfaces and more heterogeneous cross sections, however discontinuities were not observed. The chemical interaction between the components of the films was also changed by the presence of the nanofibers and identified by the reduction of hydrogen bonds between starch molecules. In addition, the cellulose nanofibers changed the thermal stability of the films and decreased the mass loss at the end of the degradation event. The results presented in this study confirm the obtainment of biodegradable films with improved mechanical and barrier properties and potential to be used as environmentally friendly packaging, reiterating the use of nanofibers extracted from ramie as a reinforcement agent to starch-based films.