Biocompósitos de poli(ácido lático) com resíduo industrial de celulose e lignina kraft

Abstract

Resumo: O objetivo deste trabalho foi produzir biocompósitos a partir da mistura de diferentes proporções de poli(ácido lático) (PLA) e resíduo de celulose proveniente do lodo da indústria de celulose com adição de lignina Kraft como agente potencial compatibilizante. As características de cada material foram investigadas quanto à sua morfologia, aspectos químicos, físicos e térmicos. Os biocompósitos foram produzidos por meio da técnica de extrusão e os corpos de prova a partir da moldagem por injeção. Investigou-se a influência das diferentes proporções de resíduo de celulose e lignina Kraft nas propriedades físicas, mecânicas e térmicas dos biocompósitos, assim como, a qualidade da adesão entre o PLA e o resíduo de celulose. Além disso, redes neurais artificiais (RNA's) foram utilizadas no intuito de obter um modelo que possa prever com acurácia de suas propriedades a partir de dados de composição. Os principais resultados mostraram que a incorporação do resíduo de celulose resultou em uma diminuição da estabilidade térmica dos biocompósitos. O efeito contrário foi observado com a adição de lignina Kraft contribuindo para estabilizar e melhorar a resistência ao calor. A presença de carbonato de cálcio no resíduo de celulose afetou a sua capacidade de ação como reforço, reduzindo a resistência à tração, alongamento e módulo de ruptura. A incorporação do resíduo de celulose aumentou significativamente a absorção de água dos biocompósitos proporcionalmente à quantidade. Contudo, a adição de lignina Kraft apresentou ligeira redução na absorção de água, porém não significativa. Baixa ou ausência de adesão entre o resíduo de celulose e o PLA foi observada em biocompósitos sem adição de lignina. O resíduo de celulose e a lignina Kraft atuaram como agentes nucleantes em composições de maiores proporções, aumentando a cristalinidade dos biocompósitos. O resíduo de celulose contribuiu diretamente para o aumento da rugosidade superficial dos biocompósitos, resultando consequentemente em superfícies com maiores ângulos de contato. Em incorporações com maiores proporções de resíduo de celulose observou-se maior biodegradabilidade em perda de massa dos biocompósitos. De maneira geral, as propriedades dos biocompósitos foram impactadas negativamente com a incorporação de altas proporções de resíduo de celulose (30% e 40%) e lignina Kraft (5%). Contudo, em incorporações com baixas proporções mantiveram uma tendência estável para as propriedades e contribuíram com a melhoria da biodegradabilidade dos biocompósitos. Sendo assim, concluiu-se que o resíduo de celulose e a lignina Kraft apresentam potencial como carga de enchimento em biocompósitos, reduzindo os custos com PLA e gerando mais uma alternativa de destino aos resíduos e subprodutos das indústrias de celulose e papel. Além disso, pode-se produzir um material com maior valor agregado, com aplicabilidade em produtos leves e não estruturais, como materiais recipientes utilizados em viveiros florestais, consumidos pelas próprias indústrias fornecedoras da matéria-prima, por reflorestadoras e outras empresas de serviços florestais. RNA's demostraram bons resultados com alto nível de acurácia, apresentando valores de R2 acima de 0,95 e erros menores que 5%. Nas condições deste estudo, pode-se concluir que RNA's apresentam grande potencial na predição de propriedades de biocompósitos a partir de dados de formulação, podendo serem implementadas como ferramenta prática e rápida em projetos de desenvolvimento de biocompósitos. Palavras-chave: Biocompósitos. PLA. Resíduos da indústria de celulose e papel. Subprodutos. Produtos de maior valor agregado. Redes neurais artificiais.

Abstract: The aim of this work was to manufacture biocomposites from the mixture of different proportions of polylactic acid (PLA) and cellulose waste from pulp and paper mill sludge with the addition of Kraft lignin as a potential coupling agent. The characteristics of each material were investigated for its morphology, chemical, physical, and thermal aspects. The biocomposites were obtained by extrusion technique and the specimens by injection molding. The influence of different proportions of cellulose waste and Kraft lignin on the physical, mechanical and thermal properties of biocomposites was investigated, as well as the quality of adhesion between PLA and cellulose waste. In addition, artificial neural networks (ANN's) were used to obtain a model that can accurately predict their properties from composition data. The main results showed that the incorporation of cellulose waste resulted in a decrease in the thermal stability of the biocomposites. The opposite effect was observed with the addition of Kraft lignin, contributing to stabilize and improve heat resistance. The presence of calcium carbonate onto the cellulose waste affected its ability to act as reinforcement, reducing the tensile strength, elongation at break and modulus of rupture of the biocomposites. The incorporation of cellulose waste significantly increased the water absorption of the biocomposites in proportion to the quantity. The addition of Kraft lignin had the opposite effect, slightly preventing water absorption, but not significantly. Low or no adhesion between the cellulose waste and the PLA was observed in biocomposites without the addition of Kraft lignin. Cellulose waste and Kraft lignin acted as nucleating agents in compositions of greater proportions, increasing the crystallinity of biocomposites. The cellulose waste directly contributed to the increase in the surface roughness of the biocomposites, consequently resulting in surfaces with greater contact angles. In general, biocomposites with higher proportions of cellulose waste showed greater biodegradability in weight loss. In general, the properties of biocomposites were negatively impacted by the incorporation of high proportions of cellulose waste (30% and 40%) and Kraft lignin (5%). However, in incorporations with low proportions, they maintained a stable tendency for these properties and contributed to the improvement of the biodegradability of biocomposites. Thus, it is concluded that cellulose waste and Kraft lignin have potential as a filler in biocomposites, reducing PLA costs and generating a new alternative for waste and by-products from the pulp and paper industries. In addition, it is possible to produce a material with greater value-added, with applicability in light and non-structural products, such as container materials used in forest-tree nurseries, consumed by the raw material supplying industries themselves, by reforesters and other forest service companies. ANN's showed good results with a high level of accuracy, with R2 values above 0.95 and errors below 5%. In the conditions of this study, it can be concluded that ANN's show a great potential to predict properties of biocomposites from formulation data, which can be implemented as a practical and quick tool in biocomposites designs. Keywords: Biocomposites. PLA. Pulp and paper mill waste. By-products. Value-added products. Artificial Neural Networks.