Oat hull fiber modification by reactive extrusion laminates for inclusion in starch / poly (butylene terephthalate co-adipate)

Como solução dos problemas relacionados ao despejo de plásticos tradicionais, considerados resistentes à degradação natural, tem-se buscado a substituição por polímeros biodegradáveis. O amido é considerado um polímero promissor para essa substituição, porém, para produzir materiais de embalagem com boas propriedades mecânicas e/ou de barreira à água é necessário a sua mistura com outros polímeros biodegradáveis (poliésteres) e, muitas vezes, o emprego de componentes de reforço, como fibras lignocelulósicas. Visando aumentar a compatibilidade com a matriz polimérica, as fibras podem ser modificadas. Este trabalho teve como objetivo produzir e caracterizar laminados de amido e poli (adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT), utilizando fibras de cascas de aveia modificadas como reforço. As fibras foram modificadas por extrusão reativa com 7 ou 20 % de peróxido de hidrogênio alcalino (PHA) e caracterizadas em relação às propriedades físico-químicas e estruturais. Os laminados foram produzidos por extrusão plana e diferentes modos de inclusão das fibras nos laminados foram testados. Os laminados foram caracterizados quanto à sua microestrutura, propriedades mecânicas, térmicas e de permeabilidade ao vapor de água (PVA). Tanto a extrusão como o PHA promoveram modificações nas fibras. Técnicas de FTIR e DRX revelaram diferenças entre as estruturas modificadas e não modificadas, comprovando a eficiência da extrusão reativa. Verificou-se maior estabilidade térmica das hemiceluloses e pectinas (temperatura de pico em 322 °C comparada a 316 °C para as cascas não tratadas) e diminuição na temperatura de degradação de celuloses e lignina (368 °C nas cascas sem tratamento para 354 °C, nas tratadas com PHA). Microestruturalmente, observou-se a remoção de compostos da superfície das fibras, resultando em uma morfologia mais aberta e com maior porosidade. A lavagem das amostras com apenas 10 volumes de água não promoveu alterações significativas nas propriedades, em relação às amostras não lavadas. Quando a maior concentração de PHA (20%) (FPHA20) foi aplicada, as cascas ficaram mais claras, com superfícies mais expostas. Diferentes processos de incorporação das fibras nos laminados, não apresentaram diferenças na microestrutura, porém, a incorporação das cascas diretamente no amido resultou em laminados mais resistentes e mais rígidos. Laminados produzidos com a adição de 10 g 100 g-1 de fibras (in natura e modificadas), mostraram-se mais opacos, mais escuros e mais amarelados que o controle (sem fibras). A adição de fibras in natura ou modificadas por extrusão ocasionou um aumento na resistência à ruptura (de 1,41 ± 0,09 Mpa para 1,95 ± 0,19 Mpa e 1,78 ± 0,15 Mpa, respectivamente), enquanto a adição de FPHA20 ocasionou aumento no alongamento, porém uma redução na resistência à ruptura para 0,43 ± 0,05 Mpa. Laminados com incorporação de fibras modificadas por PHA não diferiram da amostra controle em relação à PVA, enquanto que a inclusão de fibras in natura ou modificadas por extrusão promoveu a redução da PVA. Os resultados mostraram que extrusão reativa com PHA como reagente, é um método alternativo e eficaz quando comparado aos métodos convencionais, por ser rápido e não gerar efluentes. Ao mesmo tempo, verificou-se a possibilidade de aproveitamento da casca de aveia para uso como cargas em laminados com diferentes características e, consequentemente, diferentes aplicações.As a way to solve the problems related with the discard of traditional plastics, considered resistant to natural degradation, the replacement for biodegradable polymers have been sought. The starch is considered a promising polymer to this replacement, however, to produce packaging material with good mechanical properties and/or with water barrier is necessary its blend with other biodegradable polymers (polyester) and frequently the usage of strengthening components as lignocellulosic fibers. Again, aiming to improve the polymeric matrix compatibility, the fibers may be modified. The objective of this study was to produce and characterize starch/poly (adipate co-butylene terephthalate) (PBAT) sheets, using modified fiber of oat hulls as strengthening. The fibers were modified by reactive extrusion with 7 or 20% alkaline hydrogen peroxide (AHP) and characterized regarding to physical-chemical and structural properties. The sheets were produced by flat extrusion and different inclusion modes of fibers have been tested and sheets has been characterized as to their microstructure, mechanical properties, thermal and water vapor permeability (WVP). Both extrusion and alkaline hydrogen peroxide (AHP) promoted modification on fibers. The extrusion and AHP modification promoted changes in fibers. FTIR and XRD techniques demonstrates differences between modificated structures and non-modified, proving the efficacy of reactive extrusion. In the treated hulls with 7% AHP it was observed an increased thermal stability of hemicelluloses and pectins (peak temperature in 322 °C compared to 316 °C of the untreated hulls) and lower thermal stability of cellulose and lignin (368°C in the untreated oat hulls and 354°C in hulls treated with AHP). Microstructurally, one can observe the removal of surface compounds resulting in a more open morphology and greater porosity. The washing of samples with 10 volumes of water did not promote significantly alterations of the properties, in relation to the non-washed samples. When the higher concentration of AHP (20%) (FPHA20) was applied, the oats hulls became brighter and the surfaces more exposed. Different processes of incorporation of fibers showed no differences in sheets microstructure, however, incorporation directly on starch resulted in stronger and more rigid l products. Sheets produced with 10 g 100g-1 of fiber addition (raw and modified) was more opaque, darker and yellower than the control (without fibers). The addition of fiber, raw or modified by extrusion, caused an increase in tensile strength (1,41 ± 0,09 Mpa to 1,95 ± 0,19 Mpa and 1,78 ± 0,15 Mpa, respectively), while adding FPHA20 caused an increase in elongation, but a reduction in tensile strength to 0.43 ± 0.05 MPa. Sheets with fibers modified by AHP did not differ from control sample in WVP, while the inclusion of raw or modified by extrusion fibers promoted the reduction of WVP. The results showed that reactive extrusion using AHP as reagent can be an alternative and effective method to modify fibers, exhibing multiple advantages compared to conventional methods, including a lower processing time and the absence of effluents. At the same time, there is a possibility of using the oat hulls as fillers in sheets with different characteristics and hence different applications