Síntese e caracterização de um compósito polimérico biodegradável utilizando poli(ácido lático) e borra de café

Abstract

A substituição dos polímeros sintéticos convencionais por polímeros biodegradáveis tem sido pesquisada por ser uma alternativa para reduzir impactos ambientais. A utilização de biopolímeros também se mostra promissora por minimizar a dependência de derivados do petróleo. Entre esses materiais sustentáveis, destaca-se o poli(ácido lático) (PLA) que, além de ser proveniente de recursos renováveis, é biodegradável. O café é a segunda bebida mais consumida no mundo e gera grande quantidade de borra, posteriormente descartada em aterros sanitários. Entretanto, a borra de café (BC) é um composto natural com grande potencial para a fabricação de compósitos, pois é constituída de diversas substâncias que lhe conferem propriedades funcionais, como a celulose e lignina. Com foco na produção sustentável, este trabalho objetivou produzir e caracterizar materiais compósitos biodegradáveis de PLA e BC, utilizando a técnica de evaporação de solvente. Foram produzidos compósitos utilizando PLA como matriz e a BC como reforço nas concentrações de 5%, 10%, 15% e 20%. Foram determinadas as propriedades físico-químicas, térmicas, mecânicas e morfológicas dos compósitos produzidos. Em relação à densidade, os compósitos produzidos exibiram uma diminuição com a crescente adição das cargas de BC, ficando muito próximos aos valores estimados teoricamente. Já a absorção de água dos compósitos foi proporcional à quantidade de reforço incorporado à matriz polimérica, devido a maior absorção de umidade por cargas naturais como a BC, que aceleram a biodegradação do material. A análise visual realizada após o ensaio de absorção mostrou mudanças na coloração e na forma das amostras. A análise por FTIR mostrou que após a adição das cargas, houve introdução bem-sucedida da BC na matriz do polímero. Os resultados de análise térmica mostraram que a inclusão da BC provocou uma redução média de 8 oC nos valores da Tg, sugerindo ação plastificante das partículas nas cadeias do PLA. A Tcc diminuiu em 13%, demonstrando que a BC atuou como agente nucleante durante o resfriamento do material. A Tm não foi alterada, mas houve o aparecimento de duplo pico endotérmico, evidenciando a coexistência de duas estruturas cristalinas do PLA. Os ensaios mecânicos mostraram que o aumento do conteúdo de partículas de BC tornou as amostras mais frágeis e rígidas que o material puro. A análise por MEV mostrou que a morfologia da superfície foi alterada com a adição da BC. Já a análise da seção transversal mostrou a presença de grandes espaços vazios e que a BC estava distribuída de forma desigual na matriz. Os resultados demonstraram que o material desenvolvido pode ser utilizado como um importante aliado na redução dos impactos ambientais decorrentes da produção e descarte de plásticos, principalmente daqueles que possuem curto ciclo de vida, como embalagens de cosméticos e de alimentos, entre outros. Considerando que este compósito reaproveita resíduos sólidos como carga, contém matriz sintetizada a partir de fontes renováveis e é biodegradável, pode-se concluir que está perfeitamente alinhado ao conceito de desenvolvimento sustentável.

Abstract: The replacement of conventional synthetic polymers by biodegradable polymers has been researched as an alternative to reduce environmental impacts. The adoption of bio-based polymers is also promising, since it minimizes the dependency on petroleum derivatives. The poly (lactic acid) (PLA) stands out among these sustainable materials. Besides being from renewable resources, it is also biodegradable. Coffee is the second most consumed beverage in the world and generates large amounts of waste, which will later be discarded in landfills. However, spent coffee ground (SCG) is a natural by-product presenting a high potential for composites manufacturing, since it is composed by particles which yield functional properties, such as cellulose and lignin. This essay aimed to produce and characterize biodegradable composite materials of PLA and SCG focusing on sustainable production, applying the solvent casting technique. Composites were produced using PLA as matrix and SCG as reinforcement, in concentrations of 5%, 10%, 15% and 20%. Composites showed a decrease in the density, increasing the concentration of SCG, being very close to the theoretically estimated values. The water absorption of the composites was proportional to the amount of residue incorporated in the polymeric matrix, due to the greater moisture absorption by SCG. SCG is a natural load which accelerates the biodegradation of the material. A visual analysis carried out after the absorption test revealed changes in colour and shape. FTIR analysis showed that after adding fillers, SCG was successfully introduced into the polymer matrix. The thermal analysis results showed that adding SCG caused an average reduction of 8 ºC in the Tg values, suggesting the plasticizing action of the particles in the PLA chains. The Tcc decreased 13%, showing that SCG acted as a nucleating agent during the material's cooling. The Tm was not altered, but there was the appearance of a double endothermic peak, showing the coexistence of two crystal structures of PLA. Mechanical tests showed that increasing the content of SCG, led to samples more brittle and stiffer than the pure material. SEM analysis showed that the surface morphology was altered with the addition of SCG. The cross-sectional analysis showed the presence of large empty spaces and unevenly SCG distributed within the matrix. The results demonstrated that the developed material can be used as an important ally in the reduction of environmental impacts resulting from the production and disposal of plastics, especially those presenting a short life cycle, such as packaging for cosmetics and food, among others. Considering that this composite reuses solid waste as a filler, it contains a matrix synthesized from renewable sources and is biodegradable. It can be concluded that it is perfectly aligned with the concept of sustainable development.