Estudos da plastificação de amido com derivados do glicerol

Abstract

Este trabalho teve como objetivo a preparação e estudo de materiais biodegradáveis baseados em amido termoplástico, testando como plastificantes derivados do glicerol nomeadamente, poligliceróis e acilgliceróis. Quer o amido quer o glicerol e derivados são produtos de origem renovável, biodegradáveis, abundantes, biocompatíveis, e de relativo baixo custo. Para o estudo e caracterização destes materiais foram preparados amostras de TPS por duas metodologias, designadamente, solvent casting e melting mixing. A caraterização foi efetuada por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), análise por difração de raios-X (XDR), análise termogravimétrica (TGA), ensaios mecânicos de tração, determinação de ângulos de contacto com a água e testes de absorção de água. O trabalho realizado foi dividido em duas partes. Na primeira parte foi avaliado o uso dos poligliceróis como plastificantes. Os poligliceróis utilizados foram o diglicerol, o triglicerol e o tetraglicerol em proporção de 30% de massa seca. Para comparação com estes foi utilizado o glicerol como referência. Foram ainda ensaiadas diversas misturas binárias destes em proporção equivalente (15% de cada). O diglicerol plastificou o amido enquanto o triglicerol e tetraglicerol revelaram-se plastificantes ineficientes. Nos ensaios de tração registou-se que o diglicerol promoveu uma flexibilidade pouco melhor (a deformação máxima dos filmes de TPS aumentou 0,13 % e das amostras de TPS 5,9 %) enquanto a tensão máxima e o módulo de Young não demonstraram uma tendência constante face à amostra referência. O diglicerol favoreceu também uma estabilidade térmica também pouco mais elevada (temperatura máxima de decomposição térmica do amido aumentou até 8,3 °C) que a amostra referência. As amostras de TPS com a mistura de plastificantes diglicerol e glicerol (15% de cada) demonstraram valores para os parâmetros mecânicos e para a estabilidade térmica entre os obtidos para os TPS’s sem mistura. A natureza hidrofílica destes materiais foi avaliada e confirmada pela medição de ângulos de contacto com água: (o TPS plastificado com 30% de diglicerol apresentou um angulo de 57,1º, aproximado ao da amostra com 30% glicerol de 55,6º). Este facto foi confirmado neste trabalho pelos resultados dos ensaios de tração não coincidirem com o realmente observado, o TPS obtido com o diglicerol foi mais rígido e menos flexível. A higroscopicidade destes materiais torna-os muito sensíveis à água o que pode provocar alterações nas suas propriedades que podem inviabilizar a sua utilização. Assim, a segunda parte, teve como objetivo a redução do caracter hidrofílico destes materiais. Para tal foi testada a plastificação do amido com derivados acilados do glicerol (a monoacetina, a diacetina e a α- monopalmitina). Os materiais foram preparados e caracterizados usando as abordagens acima descritas. Na generalidade estes materiais não demonstraram alterações significativas das propriedades (propriedades mecânicas, ângulos de contacto com a água e percentagem absorção de água),face às das amostras referência, visto serem valores próximos e na mesma ordem de grandeza.

The main objective of this thesis was the preparation and study of biodegradable materials based on thermoplastic starch (TPS) by testing glycerol derived plasticizers (polyglycerols and acetyl glycerols). Both starch and glycerol and glycerol's derivatives are renewable, biodegradable, highly available, biocompatible and low cost. To study these materials samples of TPS were prepared following two methodologies, namely, solvent casting and melting mixing. Materials were characterized using the following techniques: scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XDR), thermogravimetric analysis (TGA), tensile tests, contact angle with water, and water absorption tests. The thesis was divided in two parts. In the first part polyglycerols were tested as plasticizers. Diglycerol, triglycerol and tetraglycerol were tested in 30% dry mass proportion, and glycerol was used as reference. These compounds were also tested in the same proportion (15 % each) in binary mixtures. Starch was plasticized by diglycerol, while triglycerol and tetraglycerol proved to be inefficient plasticizers. The diglycerol promoted slightly higher flexibility (increase of 0.13 % for samples of TPS prepared by solvent casting and 5.9 % for samples of TPS prepared by melting) and while maximum tensile and Young’s module didn't reveal a constant behavior comparing to the reference in the tensile test. The diglycerol, compared with reference, lead to a slightly higher thermal stability (starch's maximum thermal decomposition increased until 8.3 °C). However the results obtained in mechanical properties and thermal stability in this mixture revealed to have values between the materials prepared with only one of these plasticizers. The hydrophilic nature of these materials was evaluated and proved by measuring the contact angles with water. For the TPS with 30 % of diglycerol contact angles of 57.1°, close to the value of the sample with 30 % of glycerol (55.6°) were obtained. This fact could be confirmed by comparing the results of tensile tests with the really observed ones in this work, TPS with diglycerol was harder and less flexible. The higroscopic nature of these materials may cause changes in their properties which can be a problem in its use. The second part had the objective to reduce the hydrophilic character of TPS. The starch plasticization with acylglicerols (monoacetine, diacetine and α-monopalmitine) was tested. The materials were prepared and characterized using the procedures described above. In general these materials didn't present any significant changes in the main properties in comparison to the properties of the reference materials (tensile tests, contact angle with water and water absorption tests).