Nome do Projeto
Espumas poliméricas utilizando materias-primas sustentáveis
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/09/2020 - 02/08/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
Em um mundo em busca de produtos de baixo dano ambiental, a correta exploração de recursos biológicos está se tornando uma necessidade. Utilizar fontes de matérias-primas sustentáveis para elaboração de materiais que se encaixem em conceitos de biorrefinaria, bioeconomia e economia circular direcionam esforços para áreas estratégicas, como engenharias e ciências agrárias. Um exemplo, seriam matérias-primas de recursos lignocelulósicos, como de florestas e plantas agriculturáveis, em grande abundância no Brasil. Desses materiais, podemos destacar a celulose, hemicelulose, lignina e diferentes extrativos, que podem ser utilizados para obtenção de diferentes materiais. Neste contexto, o presente projeto de pesquisa visará a elaboração de espumas, rígidas e flexíveis, a partir de matérias-primas sustentáveis. As propriedades tecnológicas do material serão otimizadas para finalidades de isolamento térmicos e acústicos, adsorção e absorção de líquidos, resistência térmica e a fogo e demais propriedades específicas de interesse. Acredita-se que com a metodologia implementada, será possível a obtenção de espumas naturais, de fonte sustentável e renovável, resistente a fogo e sem emissão de toxicantes quando exposta à calor, promovendo o aumento do valor agregado da cadeia produtiva de cada material inicial.

Objetivo Geral

Elaborar espumas rígidas e flexíveis sustentáveis e naturais de matérias-primas lignocelulósicas.

Justificativa

Espumas rígidas ou flexíveis, dentro de suas muitas variações, são utilizadas em diversos segmentos de mercado, como isolamentos térmicos e acústicos na construção civil, em ambientes decorativos, em setores de absorção e adsorção química, indústria alimentícia, farmacêutica e médica. Na maioria dos casos, as espumas utilizadas são de poliuretano, poliestireno e outros polímeros plásticos, devido sua versatilidade de aplicações e elevadas propriedades, como: baixa densidade, boa resistência mecânica e facilidade de processamento (LUCKMANN, 2005). Entretanto, espumas de poliuretano, na grande maioria, são materiais sintéticos altamente inflamáveis, que quando expostos ao fogo emitem gases tóxicos, como monóxido de carbono e cianeto de hidrogênio e uma alta emissão de fumaça (CIECIERSKA et al., 2015; SANCHEZ, 2017). Incêndios causados pela queima de poliuretanos não é algo raro em nosso país. O incêndio mais conhecido foi a tragédia na Boate Kiss, em Santa Maria – RS, no ano de 2013, o qual a queima das espumas sintéticas causou a morte de centenas de pessoas por asfixia.
Objetivando solucionar esse problema, podemos dizer que existem três fatores sobre os quais o engenheiro de materiais detém controle e que afetam no custo de um produto (espumas), a) o projeto, b) os materiais a serem utilizados e c) as técnicas de fabricação. Esses fatores estão inter-relacionados no sentido de que o projeto do componente pode afetar em qual material será utilizado, o que consequentemente influenciará na técnica a ser adotada na sua confecção (CALLISTER, 2006). Neste contexto, a utilização de materiais reciclados ou matérias-primas de fontes mais rapidamente renováveis pode ser feita com adaptações de projetos e das técnicas de fabricação. Atualmente, o que vimos mundialmente são imposições feitas por organizações ambientais para que sejam adotadas técnicas sustentáveis, utilizando matérias-primas renováveis para que o planeta consiga manter o seu ciclo natural.
Dessa forma, propomos e justificamos nesse projeto, a elaboração de espumas rígidas e flexíveis utilizando matérias-primas de plantas lignocelulósicas, a celulose, hemicelulose, lignina e extrativos. Celulose é o biopolímero mais abundante na terra, sua produção estimada em aproximadamente 1011 toneladas por ano. A utilização da celulose como fonte para novos materiais está aumentando e atraindo a atenção de muitos pesquisadores com o passar dos anos (DOUGLASS et al., 2016). Inserida no cenário do meio ambiente e da sustentabilidade de elaboração de novos produtos, a celulose e, mais especificamente, a celulose fibrilada ou nanofibrilada (CNF) pode desempenhar um extraordinário papel (VALLE-DELGADO et al., 2016). De maneira geral, as CNFs são muito resistentes, possuem baixa densidade (1,6 g/cm3), são versáteis quimicamente e biodegradáveis (LUNDAHL et al., 2017) e podem desempenhar o papel de agentes de ligações em materiais tri dimensionais. A lignina a mais abundante biomolécula polifenólica encontrada no mundo, presente em partes lenhosas de árvores e outras plantas vasculares. Durante a polpação e a produção de biocombustível, a lignina é removida como um material indesejado. A valorização eficiente da lignina tem sido prejudicada por sua estrutura química complexa e variável, parcialmente decorrente de reações químicas durante esses processos de polpação e pré-tratamento de biomassa. Entretanto, a partir do desenvolvimento de ténicas de purificação, a lignina vem ganhando espaço no mercado de novos materiais sustentáveis. Na perspectiva da utilização de extrativos, as espumas fenólicas podem ser confeccionadas utilizando como matéria-prima principal o tanino, que é encontrado em diversas espécies florestais em cascas, frutos, madeira e folhas (BEHRENS et al., 2003), localizando-se nas células vivas em combinações complexas (COSTA, 2002). O tanino define-se como qualquer composto fenólico com números suficientes de grupos hidroxilo ou outros grupos similares, de peso molecular suficientemente elevado, com possibilidade de formação de complexos estáveis com proteínas, alcaloides, aldeídos, fenóis e outras macromoléculas como polissacarídeos, sob condições ácidas e alcalinas (JORGE et al., 2001; PIZZI, 2008; TONDI e PIZZI, 2009). Os taninos podem ser divididos em hidrolisáveis e condensados, distribuindo-se em padrões diferenciados. Os grupos hidrolisáveis apresentam-se em pequena quantidade, com comportamento químico similar aos fenóis simples, como ácidos gálicos e elágicos, ésteres de açúcar como glicose e estruturas mais complexas (PIZZI, 2008). Possuem também baixa reatividade com formaldeído, limitada produção e baixo caráter nucleofílico (PIZZI, 1983). Os taninos condensados estão distribuídos em toda a natureza, considerados mais importantes do ponto de vista econômico (JORGE et al., 2001) e são o segundo fenólico natural mais abundante na natureza, atrás apenas da lignina (BOGUN, 2007).
Neste contexto, com ideias visando adequação em sistemas de biorrefinaria, bioeconomia e economia circular, tentaremos a fabricação de espumas a partir de matérias-primas lignocelulosicas, direcionadas a diversos setores industriais.

Metodologia

Matéria prima
Para confecção das espumas rígidas serão utilizadas matéria-prima a partir de árvores; celulose, lignina, tanino e também reagentes químicos. O tanino utilizado será doado pela indústria TANAC®, situada no município de Montenegro – RS. Os reagentes químicos necessários para confecção das espumas (álcool furfurílico (98%), éter dietílico (99,5%), formaldeído (37%) e ácido p-toluenosulfônico (65%) e sulfúrico (32%)) e para realização de análises serão comprados junto a Sigma – Brasil e G.Gotuzzo – Pelotas. Já os demais materiais serão obtidos em parcerias a serem firmadas com Universidades e empresas privadas.

Preparação das espumas rígidas de tanino
A espuma rígida padrão de tanino será preparada da seguinte forma: água destilada, álcool furfurílico, éter dietílico e formaldeído serão misturados em um Becker de 100ml. A mistura será homogeneizada e colocada em outro Becker com tanino, sendo novamente homogeneizada até a inserção de ácido catalisador (ácido p-toluenosulfônico). Serão testadas diferentes formulações para as espumas rígidas, com variação dos tipos de nanocelulose utilizadas. Essas nanoceluloses serão testadas substituindo o formaldeído da espuma tradicional, visando obter um agente de ligação e de reforço sustentável e de fontes renováveis. Serão testadas formulações com 0,01% a até 5% de nanocelulose nas espumas, todas em relação a massa seca, visto que esse material está normalmente disperso em uma suspensão aquosa.
A definição de quantos tratamentos ou diferentes espumas serão criadas dependerá da capacidade de formação do material. De qualquer maneira, os parâmetros a serem considerados serão espumas com tanino padrão de formaldeído, com diferentes nanoceluloses e concentrações, além de uma comparação final com espuma sintética de poliuretano. Além disso, serão elaboradas espumas de lignina e celulose, que serão confeccionadas utilizando parâmetros ótimos obtidos em testes laboratoriais. Brevemente, para fabricação inicial de espumas de nanocelulose (CNF), suspensões gelatinosas branca serão agitadas mecanicamente (IKA Ultraturrax®, modelo T25), à 10.000 RPM, durante 15 minutos. Variedades dos géis serão produzidos, com adição de alginato de sódio, extrativos florestais e outros aditivos de interesse. As misturas serão colocadas em recipientes plásticos, resfriadas e congeladas em freezer convencional (-22ºC), durante 24 horas. A água final será removida por liofilização durante 60-100 horas.

Caracterização morfológica
Para a caracterização morfológica das espumas será utilizado um microscópio de varredura eletrônica (MEV) Tescan, VEGA-3SBU, Czech Republic. Todas as amostras serão recobertas com ouro para melhorar a condutividade.

Espectroscopia no infravermelho (FT-IR)
Para verificar uma possível interação química entre os reagentes químicos nas espumas, será realizada a análise de espectroscopia no infravermelho por reflectância total atenuada utilizado um espectrofotômetro Nicolet Nexus 470. Serão realizadas 32 varreduras em transmitância com resolução de 4 cm-1 e leituras entre 4000 e 600 cm-1. Para cada teste, será realizado o alinhamento da lâmpada do equipamento e será coletado os espectros de fundo.

Análise termogravimétrica acoplada a espectroscopia de massas (TG-MS)
A emissão de produtos tóxicos como monóxido de carbono e gás cianídrico será medida qualitativamente por TG-MS em equipamento SDT Q600 conectado a um espectrômetro de massas (TA Instruments, New Castle, DE, USA). Padrões de cada composto de interesse a ser analisado serão validados no espectrômetro de massas. As espumas confeccionadas serão maceradas em frações menores, utilizando-se aproximadamente de 2 mg de amostra por espuma. O material será exposto a uma variação de temperatura entre 30 a 1000°C com taxa de aquecimento constante de 10°C/min sob fluxo de 20 ml/min em atmosfera de oxigênio, similar ao que ocorre em um incêndio. Além da perda de massa (TG) e a derivada da perda de massa pela temperatura (dw/dt), serão determinados os gases emitidos durante o processo de combustão por meio da corrente de íons em função do aumento da temperatura de exposição da espuma.

Resistência ao fogo
A resistência a fogo foi testada conforme metodologia de Tondi, Zhao, et al. (2009). Amostras de espumas com densidade semelhante e dimensões de 2 x 2 x 2 cm3 serão expostas durante 20s a chama azul (pelo menos 1200°C e 10 kW m2) em um bico de Bunsen. A chama será considerada extinta quando a espuma adquirir a coloração preta, similar a original. Durante o teste de exposição por 10 minutos, o peso das amostras será mensurado periodicamente e uma cinética de perda de massa será construída.

Análise mecânica
Serão realizados ensaios de compressão das espumas. Para tanto, será utilizada uma máquina de ensaios universal (EMIC), equipada com uma célula de carga de 5000 N e uma velocidade de ensaio de 2.0 mm/min. Serão confeccionados corpos-de-prova com dimensões de 3 x 3 x 1,5 cm3, sendo a altura utilizada nos painéis isolantes de 2,5 cm. Tomando como base trabalhos anteriores (TONDI, ZHAO, et al., 2009), a resistência a compressão será tomada em 20% da deformação.

Resistência a produtos químicos
Serão realizados testes de resistência química a ácidos e bases médios. Espumas com dimensões de 3 x 3 x 1,5 cm3 serão colocados em um recipiente com 33% de H2SO4 e/ou 33% de NaOH durante 24 horas. Posteriormente, as amostras serão secas em papel toalha e levadas a estufa por 12 horas a 60°C (TONDI, ZHAO, et al., 2009). A resistência será quantificada pela diferença de massa após os testes. Dependendo dos resultados obtidos, poderá ser realizado outros ensaios de resistência a produtos químicos, utilizando reagentes como diclorometano, éter ou ácidos e bases mais fortes.

Absorção de líquidos
Será testada a absorção em diversos líquidos, como água, 1-butanol, éter e óleo de soja. Amostras com dimensões cúbicas de 2 x 2 x 2 cm3 serão imersas nos líquidos, sendo sua massa periodicamente mensurada para construção de uma cinética de absorção em água e também da derivada da absorção em água em relação ao tempo.

Demais caracterizações tecnológicas poderão ser adotadas pela equipe técnica das diferentes frentes de pesquisa desse projeto.

Indicadores, Metas e Resultados

Metas técnicas
Desenvolvimento de um grupo sólido de pesquisa entre as universidades e unidades participantes sobre temas de espumas sustentáveis e naturais de lignocelulósicos. Alcançar os objetivos listados da presente proposta, utilizando os princípios da sustentabilidade e utilização de recursos naturais para elaboração de novos materiais.

Metas científicas
Transmissão e troca de conhecimentos entre todos os docentes e discentes envolvidos no projeto a partir do desenvolvimento do trabalho, discussão e publicação de manuscritos científicos em periódicos, congressos e semelhantes ligados à área de química, materiais, florestal e madeireira.

Resultados esperados
O desenvolvimento de atividades de inovação tecnológicas no Brasil, principalmente quando baseadas em recursos naturais presentes em abundância, devem e necessitam ser incentivadas. A biodiversidade em relação a fontes de possíveis novas moléculas e compostos é imensa, que dependendo do nível de inovação empregado podem gerar novos materiais. Essa ideia encaixa-se nos conceitos de biorrefinaria e bioeconomia, em que se visa maximizar os lucros utilizando uma matéria-prima vegetal, com produtos e subprodutos com diferentes níveis de valor agregado.
A partir da nossa experiência, tentar-se-á elaborar espumas rígidas e flexíveis utilizando quase 100% de materiais orgânicos e sustentáveis, com matéria-prima abundante em nosso território. Acredita-se que pelo menos 10 artigos científicos poderão ser construídos a partir dos resultados da presente pesquisa. Além disso, a percepção dos resultados e variáveis respostas encontradas deverão levar ao candidato a elaboração de projetos vinculados a esse, podendo ser direcionados a formação de recursos humanos inicialmente de nível mestrado.
A partir do momento em que o estado da arte estiver bem discutido e comprovado pela equipe, o foco do projeto (s) mudará (rão) de curso e dar-se-á prioridade no desenvolvimento de tecnologias aplicáveis, pontualizando os parâmetros ótimos de tratamento para cada espuma. As metas se estenderão, dependendo do nível de inovação, para a geração de patentes nacionais e internacionais.


Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
AMANDA DANTAS DE OLIVEIRA3
ANDRÉ LUIZ MISSIO20
ARTHUR BEHENCK ARAMBURU
CRISTIANE WIENKE RAUBACH3
GABRIEL MONTEIRO CHOLANT
MATEUS MENEGHETTI FERRER1
RAFAEL DE AVILA DELUCIS11

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