Preparação e caracterização de novos materiais compósitos baseados em fibras de celulose

Abstract

O objectivo deste trabalho consistiu no estudo das propriedades térmicas e mecânicas de materiais compósitos utilizando fibras de celulose, na forma de pasta kraft de Eucalyptus globulus branqueada, como elementos de reforço, e um polímero alifático biodegradável, o poli(sebacato de etileno) PSE, como matriz. Para promover a compatibilidade entre ambos os componentes, as fibras de celulose foram submetidas a uma modificação heterogénea controlada com derivados de ácidos gordos (cloretos de hexanoílo e dodecanoílo) de modo a aumentar o seu carácter hidrofóbico. A ocorrência da modificação química foi confirmada por Análise Elementar (EA), Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIRATR) e determinação de ângulos de contacto. A Análise Termogravimétrica (TGA) indicou que a esterificação com estes derivados de ácidos gordos incrementou o carácter hidrofóbico das fibras; porém, diminuiu a sua estabilidade térmica. Após modificação, a cristalinidade e morfologia das fibras foram preservadas em grande extensão, como confirmado por Difracção de Raios-X (XRD) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM), respectivamente. Materiais compósitos com 15 e 30% de fibras não modificadas e esterificadas foram preparados numa misturadora apropriada, processados por injecção e as suas propriedades térmicas, mecânicas e morfológicas avaliadas. A incorporação da fibra na matriz polimérica aumentou consideravelmente o módulo de elasticidade; contudo, surpreendentemente, os compósitos com fibras não modificadas revelaram melhores propriedades mecânicas. Este comportamento foi explicado pela formação de agregados de fibras que, possívelmente, contribuiu para este resultado inesperado. De facto, análises de TGA e SEM confirmam uma baixa dispersão e adesão interfacial na matriz. Pelo contrário, observou-se uma excelente compatibilidade fibra/matriz, no caso dos sistemas modificados. Estudos por Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC) e Termogravimetria (TGA) mostraram que a presença de fibras de celulose não afectou significativamente a cristalinidade e a decomposição térmica da matriz de PSE, respectivamente. Finalmente, estudos de absorção de água pelos diferentes materiais compósitos foram levados a cabo e demonstraram que, como esperado, as amostras modificadas apresentam menor afinidade pela água. Esta investigação permitiu mostrar que os compósitos PSE/fibras de celulose representam um exemplo interessante e viável de novos compósitos poliméricos biodegradáveis com boas propriedades mecânicas.

ABSTRACT: The aim of this work was to study the thermal and mechanical performance of composite materials using cellulose fibers, from Eucalyptus globulus bleached kraft pulp, as reinforcing fillers, and a biodegradable aliphatic polymer, polyethylene sebacate PSE, as matrix. To improve the compatibility between both components, the cellulose fibers were submitted to controlled heterogeneous modification with fatty acids derivates (hexanoyl and dodecanoyl chlorides) in order to increase the hydrofobicity of the biofibers. The occurrence of chemical modification was confirmed by Elemental Analysis (EA), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and contact angle measurements. The Thermogravimetric Analysis (TGA) indicated that the esterification with these fatty acids derivates enhanced the hydrophobic character of the fiber, but decreased their thermal stability. The cristallinity and morphology of the fiber was preserved to a great extent, after the modification, as confirmed by X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM), respectively. Composite materials with 15 and 30% of unmodified and esterified fibers were prepared in an appropriate mixer, processed by injection moulding and their thermal, mechanical and morphogical properties evaluated. The incorporation of fibers in the polymeric matrix increased considerably the tensile modulus; however, surprisingly, the composites with unmodified fibers showed better mechanical properties. This behaviour could only be explained by the formation of fiber aggregates that could contribute to this unexpected result. In fact, the TGA and SEM analysis confirmed the poor dispersion and interfacial adhesion to the matrix. Conversely, an excellent fiber/matrix compatibility was observed in the case of the esterified fibers. Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric Analysis (TGA) showed that the presence of cellulose fibers did not significantly affect the crystallinity or thermal decomposition of the PSE matrix, respectively. Finally, water up-take studies for the different composite specimens were carried out and showed, as expected, that the modified samples displayed the lowest water affinity. This investigation provided ample evidence that cellulose fibers/PSE-based composites represent a viable choice for biodegradable polymer composites with good overall performances.