Avaliação do intemperismo natural em plásticos pós-consumo reciclados

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Química Verde

Autores

Gomes, N.F. (UNIVERSIDADE FEEVALE) ; Flach, M.V. (UNIVERSIDADE FEEVALE) ; Vuorio, T. (HAMK HÄME UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES) ; Jahno, V.D. (UNIVERSIDADE FEEVALE)

Resumo

O intemperismo natural se refere à exposição ambiental de materiais cujo intuito é verificar o nível de degradação perante a radiação, a temperatura, a umidade e a sazonalidade. Portanto, o objetivo do estudo foi submeter às condições ambientais um material com EVA e 7% de plásticos pós-consumo, avaliando o efeito das intempéries na sua degradação natural. A metodologia contou com a preparação de amostras e a exposição natural das mesmas em painéis localizados em dois ambientes, isto é, na Universidade Feevale (Brasil) e na Universidade HAMK (Finlândia). Por fim, antes e depois de um período de exposição natural as amostras foram caracterizadas por MEV, MO, IV. Os resultados evidenciaram que a degradação foi mais acentuada nas amostras expostas na Feevale em comparação às expostas na Hamk.

Palavras chaves

Degradação; Intemperismo; Plásticos pós-consumo

Introdução

O intemperismo tem sido observado por cientistas como um aspecto destrutivo natural que prepondera a deterioração de rochas e monumentos históricos. Este fenômeno é precursor no sentido de que favorece a modificação de características mecânicas, físicas e químicas das pedras. As condições climáticas do local de exposição serão determinantes para a especificação de quais processos de fato irão ocorrer. Além disso, a crescente poluição atmosférica tem causado a degradação de materiais de maneira acelerada devido à ação antrópica não sustentável (REYS et al., 2008; HEIDARI et al., 2017). É válido ressaltar que durante a fabricação, o processamento e a aplicação que os artefatos poliméricos estão sujeitos a diversas formas de intemperismos provocados por essas reações. Dependendo da situação, os materiais podem ser expostos de maneira mais branda ou drástica, o que influenciará no nível de envelhecimento ambiental (PAOLI, 2008). Muitas vezes, alguns autores usam erroneamente o termo “resistência natural”, pois se restringem à ação de microrganismos, porém na verdade apenas a biodegradação leva à fragmentação, deterioração e decomposição por fatores bióticos (PASTORE et al., 2007; LUCAS et al., 2008). O intemperismo é causado por fatores abióticos, resultando em modificações físicas e químicas responsáveis pela alteração da estrutura microscópica dos materiais. A técnica pode ser feita por exposição natural ou artificial. Assim, o intemperismo natural se caracteriza pela exposição de amostras o ar livre; em prateleiras para observação, sendo submetidas à variação de temperatura, umidade, luz solar e radiação ultravioleta. Contudo, pode haver alterações na intensidade destes parâmetros devido ao local de exposição, à época do ano e o horário do dia a serem avaliados. Essas variáveis são difíceis de serem obtidas novamente, sendo frequentemente irreprodutíveis (RABELLO et al., 2006; PAOLI, 2008; SINGH et al., 2008; GAUNTNER et al., 2017). O envelhecimento pode ser identificado visualmente (mudança de tingimento, coloração e aparecimento de fissuras) ou conforme as propriedades mecânicas do material (força de tração e resistência ao impacto) (ANDRADY et al., 1995; RABELLO et al., 2006; REYS et al., 2008). Tendo em vista a degradação natural a que muitos produtos de uso cotidiano sofrem, o objetivo deste trabalho foi submeter às condições ambientais um material composto por 7% de plásticos pós-consumo e 93% de matriz polimérica de EVA (etileno-acetato de vinila) em ambientes naturais disponibilizados em duas Universidades diferentes, isto é, na Universidade Feevale (Brasil) e na HAMK Häme University of Applied Sciences (Finlândia), que possuem climas diferentes.

Material e métodos

Os experimentos foram realizados no Laboratório de Tecnologia de Polímeros e em ambientes ao ar livre na Universidade Feevale (ambos fornecidos pelo Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Tecnologias Limpas, na cidade de Novo Hamburgo, Brasil) e em ambientes ao ar livre na HAMK Häme University of Applied Sciences (na cidade de Hämeenlinna, Finlândia). O projeto de pesquisa em que este estudo está inserido é denominado como “Educação ambiental em reciclagem de resíduos sólidos urbanos”, responsável também por todos os custos pertinentes. Inicialmente, foi determinado que o material a ser exposto naturalmente às intempéries seria um laminado polimérico composto por 7% de plásticos pós- consumo (polipropileno (PP), poliestireno (PS), politereftalato de etileno (PET)) e os restantes 93% de matriz polimérica (etileno-acetato de vinila (EVA)). Os resíduos que existentes neste material são provenientes do trabalho de coleta seletiva realizado pela Universidade Feevale, tendo sido produzido por meio do processamento por reciclagem mecânica. Este material foi caracterizado por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia Óptica (MO) e Espectroscopia por Absorção no Infravermelho (IV); visto que tais análises foram obtidas no Laboratório de Estudos Avançados em Materiais da Universidade Feevale. Em seguida, as normas ISO 877-1, ISO 877-2, ISO 877-3, ISO 9370 e ASTM G90 foram utilizadas como base para a consulta do padrão adequado de exposição natural que deve ser seguido para a avaliação do efeito do intemperismo em amostras. Assim sendo, foram preparados corpos-de-prova com o tamanho de 13 x 20 cm, tendo sido expostos em painéis tanto na Universidade Feevale como na Universidade Hamk. Os painéis apresentavam dois tipos de inclinações, isto é, em ângulo de 45° e 90°, uma vez que foram colocadas quatro amostras em cada inclinação, totalizando em 8 amostras expostas em cada Universidade. Ao final de 180 dias uma amostra representativa de cada tipo de inclinação foi retirada da Universidade Feevale e com 120 dias foi da Universidade Hamk (Feevale-45°, Feevale-90°, Hamk-45° e Hamk-90°). Portanto, com a finalidade de analisar o efeito das condições naturais, as mesmas amostras foram novamente caracterizadas por MEV, MO e IV. As outras amostras, no entanto, permanecerão expostas em ambos os ambientes para futuramente serem avaliadas mediante períodos de exposição mais longos.

Resultado e discussão

O presente trabalho teve como base para a caracterização dos resultados o material polimérico laminado anteriormente mencionado, visto que as Figuras 1a e 1b se referem à morfologia das amostras antes da exposição natural com vista superficial e transversal, respectivamente. Pode-se perceber que o resíduo, sem a exposição às condições naturais, permanece disperso em toda a extensão da matriz polimérica, conforme Wassermann (2006) também observou em sua pesquisa. Segundo Paoli (2008), os componentes das blendas podem interagir de várias maneiras, sendo que as reações de degradação são dependentes entre si. É possível que um componente atue como supressor dos estados excitados do outro ou, também, faça o papel de sensibilizador fotoquímico de outro componente. Como a blenda em questão é imiscível, Paoli (2008) afirma que há contato entre os componentes apenas na interface, por isso durante os processos de degradação as interações químicas sempre acontecem nas interfaces. Assim, de uma fase para outra, é possível também que ocorra a migração de resquícios de degradação, fato que dependerá diretamente do coeficiente difusão que existe entre as espécies em questão. Ainda, pode ser transferida energia de um estado, vibracional ou eletrônico, de um grupo químico de um dos componentes para outro. Por outro lado, em blendas parcialmente miscíveis, as interações químicas decorrem mais efetivamente. Com relação aos resultados decorrentes do ensaio de intemperismo, é possível verificar nas Figuras 1c, 1d, 1e e 1f (micrografias das superfícies das amostras após o período de intemperismo) que o envelhecimento ambiental ao qual as amostras foram submetidas realmente iniciou um processo de degradação nas mesmas. De toda forma, Paoli (2008) e Gauntner (2017) indicam que testes de campo sempre serão mais satisfatórios às câmaras de envelhecimento artificiais porque se avalia a real condição que os artefatos polímeros possuem de suportar as variações climáticas. Assim, o tempo de 6 meses foi o suficiente para a identificação do início de modificações relevantes. Um fato certamente notado nas microscopias é que o ângulo de posicionamento ao sol afetou totalmente a morfologia devido ao posicionamento diferente dos corpos-de-prova, assim como Rabello et al. (2006) e Paoli (2008) também notaram. Na Figura 1a, como já mencionado, pode-se perceber que há resíduo disperso na matriz de EVA. Nas Figuras 1c e 1d, cuja exposição natural foi feita em placas inclinadas a 45°, verifica-se a presença de microestruturas adicionais no MEV e uma maior interferência de partículas no MO, respectivamente. Já nas Figuras 1e e 1f, cuja exposição foi realizada em placas inclinadas a 90°, a morfologia (Figura 1e) mostra com mais facilidade o fato de que os resíduos estão espalhados na matriz polimérica, ainda que a microscopia (Figura 1f) apresente também a existência de interferências de partículas, porém em menor quantidade em relação à inclinação de 45°. Em suma, uma maior incidência de luz por período de tempo foi verificada nas amostras expostas a 45° e, para as expostas no Campus da Feevale, Paoli (2008) certifica que o ângulo do trajeto do Sol é menor na direção Norte, por isso as amostras devem ser orientadas nesta direção. Logo, aquelas que foram posicionadas a 90° sofreram menor degradação fotoquímica. De acordo com Allan et al. (1995), a luz ultravioleta (UV) ainda contém as ondas mais enérgicas, apenar de constituir menos de 6% da energia total emitida pelo Sol. Por isso, a foto- oxidação em polímeros ocorre em função dos fótons do UV solar terem a energia necessária para quebrar as ligações químicas mais comuns destes materiais. A fim de aumentar a vida útil dos polímeros ao ar livre, uma alternativa apontada por Allan et al. (1995) é minimizar a degradação através de formulações prévias com estabilizadores de UV. Uma generalização feita por Gauntner (2017) evidencia que a degradação polimérica decorre de comprimentos de onda mais curtos, enquanto que o desbotamento e a mudança de cor decorrem de comprimentos de onda mais longos. O menor comprimento de onda incidente sobre a Terra, segundo o autor, é de aproximadamente 295 ƞm. Portanto, na literatura encontraram-se alguns valores de absorção de luz para polímeros utilizados neste estudo, isto é, o PET absorve radiação UV abaixo de ~340 nm (dado de Paoli, 2008) e o PP absorve radiação UV somente acima de ~250 nm (dado de Rabello et al., 2006). Isso significa que o PET está sujeito à fotodegradação, pois absorve luz ultravioleta do espectro do Sol; no entanto, é provável que o PP seja fotoestável em função de que não absorve radiação no espectro solar. Observando-se as imagens obtidas por MEV e MO da Figura 2 (micrografias das superfícies das amostras após o período de intemperismo), percebe-se que na Feevale (localizada em Novo Hamburgo - Brasil) as amostras sofreram maior degradação ambiental em comparação às amostras expostas na Hamk (localizada em Hämeenlinna – Finlândia), o que provavelmente se deve a fatores como a poluição atmosférica, à incidência solar e ao clima diversificado nos dois países. No Brasil, por exemplo, Paoli (2008) alega que as temperaturas podem variar de 5 °C até 40 °C, e a umidade relativa do ar pode variar de 20% (em período de seca, no Centro-Oeste) a 100% (em período de chuvas, na Amazônia). Já na Finlândia, conforme Parviainen et al. (2017), as condições climáticas são mais rigorosas, havendo uma temperatura média de 5,4 °C (na capital Helsinki) e 0,8 °C (ao norte do país); sendo que a precipitação é distribuída de maneira irregular e o país apresenta um clima muito úmido. Ainda assim, acredita-se que a poluição atmosférica no território brasileiro seja mais acentuada em relação ao finlandês, fato decorrente da formação de um perfil de intemperismo sobre os materiais, segundo Lima (2008). Dessa forma, analisando as Figuras 2b e 2d, verifica-se que as mesmas apresentam bem menos sujeira (interferência) em comparação às Figuras 1d e 1f. Em geral, os principais motivos que acentuam a poluição do ar citados por Martins et al. (2008) e Käfer et al. (2012), são as descargas provenientes das indústrias e a queima de combustíveis fósseis, em função da intensidade do tráfego veicular. O aumento da circulação de veículos automotores e o crescente avanço das indústrias têm ocasionado numa maior concentração de poluentes nas regiões onde a ação antrópica acarretou em um impacto ambiental negativo. Os poluentes mais frequentemente encontrados na atmosfera terrestre são os oxidantes fotoquímicos (tal como o ozônio), o dióxido de enxofre, o monóxido de carbono, os óxidos de nitrogênio, o nitrato de peroxiacetila, os materiais particulados e metais pesados. Por fim, a espectroscopia por infravermelho permitiu a identificação das principais bandas das amostras, tanto as que foram expostas na Feevale como na Finlândia. Verificou-se que não houve muita variabilidade quanto aos valores do espectro IV em comparação ao espectro da amostra que não foi submetida às condições ambientais; assim, comparando estes resultados com Prestes (2013), Zeck (2004), Ohara et al. (2010), Botan et al. (2010) e Carvalho et al (2007); pode-se atribuir a banda 725,4 cm-1 à ligação C-H do grupo aromático (presente no EVA, PET e PS), a banda 1104 cm-1 à ligação C-O do grupo funcional éster (presente no PET), a banda 1237,5 cm-1 à ligação C-O-C (presente no EVA e PET), a banda 1370,8 cm-1 às deformações angulares das ligações CH2 e CH3 (presentes no PP e PS), a banda 1732,3 cm-1 à ligação C=O (presentes no EVA e PET) e a banda 2851 cm-1 aos estiramentos dos grupos CH, CH2 e CH3 (presentes no PP e PS).

Micrografias: a)MEV-500x: sup. b)MEV-500x: corte c)MEV-500x: Feevale 45° d)MO-20,16x: Feevale 45° e)MEV-500x: Feevale 90° f)MO-20,16x: Feevale 90°


Micrografias: a) MEV-500x: Hamk 45° b) MO-20,16x: Hamk 45° c) MEV-500x: Hamk 90° d)MO-20,16x: Hamk 90°

Conclusões

Este estudo possibilitou traçar uma generalização sobre como as condições ambientais promovem o envelhecimento natural em polímeros, bem como a consideração de variados aspectos que influenciam a degradação destes materiais. O local de exposição e os ângulos de contato com a radiação (posicionamento ao Sol), por sua vez, foram os fatores mais determinantes quanto à obtenção dos resultados anteriormente discutidos. Dessa forma, a degradação ambiental foi observada na seguinte ordem crescente: Feevale-45° > Feevale-90° > Hamk-45° > Hamk-90°. A influência da poluição atmosférica teve total impacto também, pois se acredita que no Brasil, por ser um país ainda em desenvolvimento, tenha menor incentivo por parte do governo e do setor privado para o estímulo do desenvolvimento sustentável, o que na Finlândia é uma realidade mais acentuada. Sobretudo, sugere-se que alguns fatores sejam levados em consideração para a elaboração de trabalhos futuros, por exemplo, aumentar o tempo de exposição para o mínimo de 3 anos, a fim de que se possa analisar melhor a questão da mudança de estações (pois em apenas 6 meses o material não foi exposto a todas as mudanças sazonais). Ainda assim, sugere-se a realização de um estudo paralelo sobre a qualidade do ar, analisando também a intensidade média de luz solar incidente, a variação dos ventos, a variação dos ciclos de claro e escuro (dia e noite, respectivamente); para este último parâmetro é importante ressaltar que durante os períodos escuros as reações de degradação ambiental são mais lentas.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Feevale e à HAMK pela infraestrutura disponibilizada para a realização deste trabalho. Agradece-se a Capes pelo incentivo financeiro concebido

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