ÁREA
Química de Materiais
Autores
de Lima Martins, M. (UFERSA) ; Verlanger Rocha Gomes, (UFPB) ; Henrique de Lima Leite, R. (UFERSA) ; Klebson Gomes dos Santos, F. (UFERSA) ; Maria Mendes Aroucha, E. (UFERSA) ; Jonathan de Sousa Cunha Nascimento, F. (UFERSA) ; Carina Maia Bezerra, M. (UFERSA) ; Yara Tenório Soares, M. (UFERSA)
RESUMO
O propósito deste trabalho foi avaliar, utilizando um planejamento de mistura simplex-centroide, a influência dos componentes amido de milho, cera de carnaúba e fibra da folha da coroa do abacaxi nos biocompósitos produzidos pelo método de moldagem. Os valores médios das densidades dos biocompósitos obtidos variaram entre 1,0320 g/cm³ e 1,1457 g/cm³. O aumento na concentração do biopolímero de amido de milho resultou em um aumento na densidade, enquanto que o aumento da concentração dos outros componentes resultou em uma redução na densidade dos biocompósitos.
Palavras Chaves
Planejamento de mistura; Amido de milho; Cera de carnaúba
Introdução
O consumo consciente e o reuso de produtos são atitudes cada vez mais necessárias frente ao rápido crescimento populacional e ao esgotamento natural dos recursos. Em contrapartida a elevada demanda de material plástico por parte dos consumidores exerce entrave na preservação dos recursos ambientais, devido sua atual produção requerer subproduto a base de combustível fóssil. O uso do plástico cresceu de forma exponencial sendo a maior parte produzida destinada à confecção de embalagens, especialmente alimentícias, que representam um grande impasse na redução de resíduos sólidos (MOHAMMADHOSSEINI et al., 2020). Nesse cenário surgem os biopolímeros, materiais de cadeia polimérica biodegradáveis. Na natureza é possível apontar diversas variedades de subprodutos com origem vegetal e animal que podem ser utilizados para sintetizar biopolímeros. Polissacarídeos como quitosana, celulose e amido, têm potencial como matéria prima para a criação de materiais biodegradáveis. O amido tem se destacado devido suas promissoras características. Ele está abundantemente presente na natureza, é totalmente biodegradável e possui renovação anual. Apresenta baixo custo, é atóxico, biocompatível e possui capacidade de ser processado com equipamentos convencionais de processamento de plástico (JIANG et al., 2020; CHENG et al., 2021). Caracterizando assim o amido como uma boa alternativa em substituição aos polímeros sintéticos. Em contrapartida o amido oferece forte hidrofilicidade devido à presença de elevada quantidade de grupos hidroxila hidrofílicos. Esses grupos tornam o amido suscetível a erosões por umidade e a deterioração de suas propriedades estruturais, resultando em alta fragilidade e baixa resistência mecânica (WANG et al., 2020). Devido a isso são acrescentadas fibras vegetais para melhoria das propriedades mecânicas. A adição de fibras a matriz polimérica gera um novo material nomeado de biocompósito. As fibras possuem baixo custo, densidade e peso, são de natureza ecológica e oferecem menos riscos à saúde que os reforços sintéticos. Bem como, oferecem vantagens no âmbito econômico, ambiental e sustentável (VIGNESHWARAN et al., 2020). Diversas pesquisas direcionadas a melhoria das propriedades mecânicas adicionando fibra podem ser encontradas na literatura (GOMES et al., 2019; DEHOUCHE et al., 2020; HAZRATI et al., 2021; HASSAN et al., 2022; ZHANG et al., 2023). A fibra da coroa do abacaxi é uma fibra lignocelulósica constituída de 83 % celulose e 12 % lignina. Dentre suas diversas propriedades podemos destacar a densidade aparente de 1,44 g/cm3 e sua superioridade no quesito propriedades mecânicas frente as demais (ARMYNAH et al., 2022). Como melhoria da alta fragilidade é comum o uso de plastificantes que ajudam a melhorar a mobilidade molecular. Esse aditivo, quando utilizado, ocupa o espaço intermolecular entre as cadeias biopoliméricas, resultando em uma diminuição na dureza e na tensão de deformação refletindo num aumento da plasticidade (PAUDEL et al., 2023). Também são acrescentados lipídeos para melhorar a resistência dos biocompósitos a absorção de água. Essa contribuição é referente ao caráter hidrofóbico intrínseco aos lipídeos. Podemos encontrar diversas fontes de lipídeos que são amplamente aplicados em compósitos, dentre eles podemos citar a cera de carnaúba, a cera de abelha e a parafina (GOMES et al., 2019; MANIVANNAN et al., 2021; PATIL et al., 2022). Além disso, biocompósitos com baixa densidade são mais atraentes principalmente na etapa de produção do material. Inúmeras pesquisas destacam a promissora condição de baixa densidade nos biomateriais (HIDALGO-SALAZAR et al., 2018; HONG et al., 2021). O trabalho foi realizado no Laboratório de Tecnologia de Alimentos (LTA) e no Laboratório de Processos Químicos (LPQ), do Centro de Engenharias, da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). Foram confeccionados nove biocompósitos, com variações na proporção do amido de milho, fibra da coroa do abacaxi e cera de carnaúba tipo I, com o objetivo de avaliar a densidade aparente do material agregado.
Material e métodos
Os biocompósitos foram confeccionados utilizando amido de milho (Unilever, Garanhuns-BR), cera de carnaúba tipo I (Agrocera, Russas-BR), fibra da coroa do abacaxi (Mossoró-BR), glicerol (Dinâmica Química Contemporânea, São Paulo-BR) e Tween 80 (Vetec Química Fina, Duque de Caxias-BR). Foram utilizados pseudocomponentes, onde o amido (A) é composto por com 80% de amido e 20% de glicerol, a cera (C) por 75% de cera e 25% de Tween 80 e a fibra (F) por 100% de pó da folha da coroa do abacaxi. O planejamento de mistura simplex-centroide foi utilizado e as composições podem ser observadas na Tabela 1. As folhas da coroa do abacaxi foram secas em uma estufa TE-394/1 da TECNAL a 80°C por 120 horas. Após a secagem o material passou em um moinho tipo Willey SL – 31 da SOLAB, o pó foi peneirado em um agitador de peneiras LUCA-04/01 da Lucadema. A separação ocorreu por meio de esquema de peneiras onde o material usado foi o que ficou retido entre 16 e 60 Mesh, ou seja, de 0,250 a 1,000 mm. Utilizou-se o método de casting para a produção dos biocompósitos, com 35% de massa seca. Os materiais foram pesados com auxílio de uma balança analítica de precisão digital (AY220 da Marte) com resolução de 0,0001g. O amido, o glicerol e a água destilada foram misturados em banho térmico a uma temperatura de aproximadamente 90°C sob agitação constante em um agitador magnético com aquecimento LUCA-0851 da Lucadema, até a gelatinização. Em agitação constante a cera e o Tween 80 foram misturados em outro agitador magnético com aquecimento, a 90°C, até formar uma emulsão, na qual o amido gelatinizado foi adicionado em pequenas quantidades até a completa homogeneização. O pó folha da coroa do abacaxi foi incorporado, aos poucos, a esta mistura até a homogeneização. Posteriormente, as misturas foram prensadas em moldes com 235 mm de comprimento e 135 mm de largura e, após desmoldadas, levadas para secagem em estufa com renovação de ar por 72 horas a 60ºC. Quando secos os biocompósitos foram marcados e cortados obtendo cinco exemplares. As medições foram executadas com um micrômetro analógico da EDA com resolução de 0,01mm. Mediu-se a espessura e a largura dos corpos de prova em cinco pontos, sendo considerado a média. Utilizou-se a equação 1 para o cálculo da densidade aparente. Densidade aparente (g/cm³) = Massa/Volume (Eq. 1) Foi realizado um ajuste através de um modelo de regressão linear descrito na Equação 2. O delineamento foi composto por sete ensaios com duas repetições no ponto ternário. Y = ∑_(i=1)^q〖α_i x_i 〗 = 1 (Eq. 2) Onde Y é a variável dependente, α refere-se aos coeficientes de regressão e x são as variáveis independentes associadas ao amido, cera e fibra. Foi utilizado o software Statistica® 12.5 (StatSoft, Inc., USA) para a análise estatística dos dados com a plotagem dos gráficos de superfície de resposta, análise de variância (ANOVA) e teste F para verificar se os modelos eram estatisticamente significativos com p<0,05.
Resultado e discussão
Na Tabela 1 é possível observar os valores médios da densidade dos
biocompósitos,
bem como a composição dos pseudocomponentes e seus valores codificados.
A superfície de resposta gerada pode ser observada na Figura 1, ela foi gerada
para verificar o comportamento da densidade dos biocompósitos em função da
composição.
Os valores de densidade dos biocompósitos foram ajustados com um modelo linear
(p < 0,05; R2 = 0,84), que pode ser observado na Figura 1, juntamente com a
superfície de resposta deste modelo.
É possível visualizar um aumento na densidade dos biocompósitos com o aumento da
concentração de XA, correspondente ao biopolímero de amido de milho, o que é
indicado pelo valor do coeficiente de regressão (o mais elevado) associado a
este componente (1,150). De igual modo, esse aumento é mostrado pelos valores
médios das densidades observados na Tabela 1 dos ensaios 3 (1,0320 g/cm³), 6
(1,0962 g/cm³) e 1 (1,1457 g/cm³), que apresentam, respectivamente, 50%, 65% e
80% do biopolímero em sua composição. Esse comportamento pode ser explicado pela
elevada densidade dos biopolímeros de amido que possui valores de densidade como
1,49 g/cm³ (IBRAHIM et al., 2020) e 1,730 g/cm³ (EDHIREJ et al., 2017), enquanto
que a densidade da cera de carnaúba é de 0,990 g/cm³ (GAO; FRITSCHING, 2010) e
a densidade da fibra da folha da coroa de abacaxi varia entre 0,8 g/cm³ e 1,6
g/cm³ (RAMESH; PALANIKUMAR; REDDY, 2017).
Com o aumento da concentração de XC, que corresponde à cera de carnaúba, há uma
redução na densidade dos biocompósitos, indicada pelo baixo coeficiente de
regressão associado a este componente (1,056), bem como pelos valores médios das
densidades dos ensaios 1 (1,1457 g/cm³), 4 (1,0826 g/cm³) e 2 (1,0595 g/cm³), os
quais têm em sua composição, respectivamente, 10%, 25% e 40% de cera de
carnaúba. Isso pode ser explicado pela menor densidade da cera de carnaúba
(0,990 g/cm³) com relação ao biopolímero de amido de milho (entre 1,49 g/cm³ e
1,730 g/cm³), assim como pela formação de vazios e aglomerados na matriz devido
à fraca interação entre a cera de carnaúba (hidrofóbica) e a matriz de amido
(hidrofílica) (GOMES et al., 2019).
Pode-se observar também uma redução na densidade dos biocompósitos com o aumento
da concentração de XF, correspondente à fibra da folha da coroa do abacaxi. Isso
é indicado pelo baixo valor (o menor) de seu coeficiente de regressão que é
1,039, assim como pelos valores médios das densidades dos ensaios 2 (1,0595
g/cm³), 5 (1,0338 g/cm³) e 3 (1,0320 g/cm³), que apresentam em sua composição,
respectivamente, 10%, 25% e 40% de fibra. Esse comportamento deve-se
possivelmente à menor densidade da fibra da folha da coroa de abacaxi (entre 0,8
g/cm³ e 1,6 g/cm³) em relação ao biopolímero de amido de milho (entre 1,49 g/cm³
e 1,730 g/cm³). Alguns trabalhos também observaram que, em elevadas
concentrações de fibras vegetais, os biocompósitos apresentaram uma redução na
densidade, em virtude da formação de vazios e aglomerados de fibra na matriz,
visto que o elevado percentual de reforço não permite um revestimento completo
pela matriz (EDHIREJ et al., 2017; SALEH et al., 2017; GOMES et al., 2019).
Os valores médios das densidades dos biocompósitos obtidos variaram entre 1,0320
g/cm³, referente ao ensaio 3 que apresenta uma maior concentração de fibra da
folha da coroa de abacaxi, e 1,1457 g/cm³ do ensaio 1 com uma maior concentração
do biopolímero de amido de milho. Os valores de densidade apresentados pelos
biocompósitos são elevados, especialmente pela boa compactação dos materiais
obtidos. Outros trabalhos de biocompósitos com matrizes biopoliméricas
reforçados com fibras vegetais apresentaram valores de densidade entre 1,15-1,17
g·cm-3 (PELISSARI et al., 2017), 0,434-0,670 g/cm³ (REZA; BEGUM; UDDIN, 2023) e
0,61 g/cm³ (MAHMUD; BELAL; GAFUR, 2023).
Fonte: Autoria própria (2023)
Fonte: Autoria própria (2023)
Conclusões
A partir dos resultados obtidos com o uso do planejamento de mistura simplex – centroide, é possível observar um aumento na densidade dos biocompósitos com o aumento na concentração do biopolímero de amido de milho, enquanto que o aumento da concentração da cera de carnaúba e da fibra da folha da coroa do abacaxi promoveu uma redução na densidade dos biocompósitos, visto que ambos possuem uma densidade menor que à do amido de milho. Os valores médios de densidade foram elevados em razão da boa compactação dos biocompósitos.
Agradecimentos
Referências
CHENG, Hao; CHEN, Long; MCCLEMENTS, David Julian; YANG, Tianyi; ZHANG, Zipei; REN, Fei; MIAO, Ming; TIAN, Yaoqi; JIN, Zhengyu. Starch-based biodegradable packaging materials: a review of their preparation, characterization and diverse applications in the food industry. Trends In Food Science & Technology, [S.L.], v. 114, p. 70-82, ago. 2021. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.tifs.2021.05.017.
DEHOUCHE, Nadjet; IDRES, Celia; KACI, Mustapha; ZEMBOUAI, Idris; BRUZAUD, Stéphane. Effects of various surface treatments on Aloe Vera fibers used as reinforcement in poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBHHx) biocomposites. Polymer Degradation And Stability, [S.L.], v. 175, p. 109131, maio 2020. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2020.109131.
EDHIREJ, Ahmed; SAPUAN, S.M.; JAWAID, Mohammad; ZAHARI, Nur Ismarrubie. Cassava/sugar palm fiber reinforced cassava starch hybrid composites: physical, thermal and structural properties. International Journal Of Biological Macromolecules, [S.L.], v. 101, p. 75-83, ago. 2017. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.03.045.
GAO, S.; FRITSCHING, U. Study of binary in-flight melt droplet collisions. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, v. 41, p. 547-553, 2010.
GOMES, Áleft Verlanger Rocha et al. Influence of Composition on Mechanical Properties of Cassava Starch, Sisal Fiber and Carnauba Wax Biocomposites. Materials Research, [S.L.], v. 22, n. 1, p. 1-7, 2019. Fap UNIFESP (SciELO). http://dx.doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2018-0887.
HASSAN, Nur Adilah Abu; AHMAD, Sahrim; CHEN, Ruey Shan; NATARAJAN, Valliyappan David. Synergistically enhanced mechanical, combustion and acoustic properties of biopolymer composite foams reinforcement by kenaf fibre. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, [S.L.], v. 155, p. 106826, abr. 2022. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106826.
HAZRATI, K.Z.; SAPUAN, S.M.; ZUHRI, M.y.M.; JUMAIDIN, R.. Preparation and characterization of starch-based biocomposite films reinforced by Dioscorea hispida fibers. Journal Of Materials Research And Technology, [S.L.], v. 15, p. 1342-1355, nov. 2021. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.003.
HIDALGO-SALAZAR, Miguel A.; CORREA, Juan P.. Mechanical and thermal properties of biocomposites from nonwoven industrial Fique fiber mats with Epoxy Resin and Linear Low Density Polyethylene. Results In Physics, [S.L.], v. 8, p. 461-467, mar. 2018. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.rinp.2017.12.025.
HONG, Seo-Hwa; HWANG, Seok-Ho. Construction and foamability of lignin-reinforced low-density polyethylene biocomposites. Materials Today Communications, [S.L.], v. 28, p. 102696, set. 2021. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102696.
IBRAHIM, M.I.J.; SAPUAN, S.M.; ZAINUDIN, E.s.; ZUHRI, M.y.M.. Preparation and characterization of cornhusk/sugar palm fiber reinforced Cornstarch-based hybrid composites. Journal Of Materials Research And Technology, [S.L.], v. 9, n. 1, p. 200-211, jan. 2020. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.10.045.
JIANG, Tianyu; DUAN, Qingfei; ZHU, Jian; LIU, Hongsheng; YU, Long. Starch-based biodegradable materials: challenges and opportunities. Advanced Industrial And Engineering Polymer Research, [S.L.], v. 3, n. 1, p. 8-18, jan. 2020. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.aiepr.2019.11.003.
KARIMAH, Azizatul; RIDHO, Muhammad Rasyidur; MUNAWAR, Sasa Sofyan; ADI, Danang Sudarwoko; ISMADI; DAMAYANTI, Ratih; SUBIYANTO, Bambang; FATRIASARI, Widya; FUDHOLI, Ahmad. A review on natural fibers for development of eco-friendly bio-composite: characteristics, and utilizations. Journal Of Materials Research And Technology, [S.L.], v. 13, p. 2442-2458, jul. 2021. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.06.014.
KOSSEVA, Maria R.. Sources, Characterization, and Composition of Food Industry Wastes. Food Industry Wastes, [S.L.], p. 37-60, 2013. Elsevier. http://dx.doi.org/10.1016/b978-0-12-391921-2.00003-2.
MAHMUD, M. A.; BELAL, S. A.; GAFUR, M. A. Development of a biocomposite material using sugarcane bagasse and modified starch for packaging purposes. Journal of Materials Research and Technology, v. 24, p. 1856-1874, 2023.
MANIVANNAN, K.; JAGANATHAN, G.; SITHIQUE, M. Aboobucker. Novel beeswax-chitosan/Zinc-hydroxyapatite biocomposite porous scaffolds: preparation and biological evaluation. Journal Of Science: Advanced Materials and Devices, [S.L.], v. 6, n. 2, p. 197-201, jun. 2021. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.jsamd.2021.01.001.
MOHAMMADHOSSEINI, Hossein et al. Waste metalized film food packaging as low cost and ecofriendly fibrous materials in the production of sustainable and green concrete composites. Journal of Cleaner Production, v. 258, p. 120726-120740, 2020.
PATIL, Sharmila; BHARIMALLA, A.K.; NADANATHANGAM, Vigneshwaran; DHAKANE-LAD, Jyoti; MAHAPATRA, Archana; JAGAJANANTHA, P.; SAXENA, Sujata. Nanocellulose reinforced corn starch-based biocomposite films: composite optimization, characterization and storage studies. Food Packaging And Shelf Life, [S.L.], v. 33, p. 100860, set. 2022. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.fpsl.2022.100860.
PAUDEL, Sandeep; REGMI, Sumi; JANASWAMY, Srinivas. Effect of glycerol and sorbitol on cellulose-based biodegradable films. Food Packaging And Shelf Life, [S.L.], v. 37, p. 101090, jun. 2023. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.fpsl.2023.101090.
PELISSARI, F. M.; MAHECHA, M. M. A.; SOBRAL, P. J. D. A.; MENEGALLI, F. C. Nanocomposites based on banana starch reinforced with cellulose nanofibers isolated from banana peels. Journal of Colloid and Interface Science, v. 505, p. 154-167, 2017.
RAMESH, M.; PALANIKUMAR, K.; REDDY, K. H. Plant fibre based bio-composites: Sustainable and renewable green materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 79, n. April 2016, p. 558–584, 2017.
REZA, Md Masum; BEGUM, Hosne Ara; UDDIN, Ahmed Jalal. Potentiality of sustainable corn starch-based biocomposites reinforced with cotton filter waste of spinning mill. Heliyon, [S.L.], v. 9, n. 5, p. 15697-15711, maio 2023. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e15697.
SALEH, M. A.; HARON, M. H. A.; SALEH, A. A.; FARAG, M. Fatigue behavior and life prediction of biodegradable composites of starch reinforced with date palm fibers. International Journal of Fatigue, [s. l.], v. 103, p. 216–222, 2017.
SIROHI, Ranjna; GAUR, Vivek Kumar; PANDEY, Ashutosh Kumar; SIM, Sang Jun; KUMAR, Sunil. Harnessing fruit waste for poly-3-hydroxybutyrate production: a review. Bioresource Technology, [S.L.], v. 326, p. 124734, abr. 2021. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2021.124734.
VIGNESHWARAN, S.; SUNDARAKANNAN, R.; JOHN, K.M.; JOHNSON, R. Deepak Joel; PRASATH, K. Arun; AJITH, S.; ARUMUGAPRABU, V.; UTHAYAKUMAR, M.. Recent advancement in the natural fiber polymer composites: a comprehensive review. Journal Of Cleaner Production, [S.L.], v. 277, p. 124109, dez. 2020. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124109.
WANG, Xiang; HUANG, Lixin; ZHANG, Caihong; DENG, Yejun; XIE, Pujun; LIU, Lujie; CHENG, Jiang. Research advances in chemical modifications of starch for hydrophobicity and its applications: a review. Carbohydrate Polymers, [S.L.], v. 240, p. 116292, jul. 2020. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116292.
ZHANG, Longjian; MO, Kim Hung; TAN, Tee How; YAP, Soon Poh; LEE, Foo Wei; LING, Tung-Chai. Synthesis and characterization of fiber-reinforced lightweight foamed phosphogypsum-based composite. Construction And Building Materials, [S.L.], v. 394, p. 132244, ago. 2023. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132244.
