Relatório da Prática 2 - RESMAT

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
 Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE BIOSSISTEMAS – FZEA/USP
 
ZEB0566 EAN - Resistência dos Materiais
Relatório da Prática 2
ENSAIO 1 - DETERMINAÇÃO DE FLUÊNCIA DE EMBALAGENS ALIMENTÍCIAS
GRUPO 1
 
 
Ana Flávia Giacondino S. L. Tatis	-11391018
Alice Zinneck Poça D'Água - 7133540
Beatriz Albuquerque de Oliveira - 11214037
Beatriz Satie Yamada - 11273301
Ramon Peres Brexó - 10800168
Maria Júlia B. de Moraes (PAE)
Prof. Dr. Holmer Savastano Junior
 Pirassununga - SP
Julho/2021
SUMÁRIO
OBJETIVO	3
FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS E CONCEITOS	3
MATERIAIS E MÉTODOS	5
RESULTADOS E DISCUSSÃO	5
CONCLUSÕES	10
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA	10
1. OBJETIVO
O objetivo desta prática foi comparar e avaliar o comportamento viscoelástico de fluência entre embalagens de materiais distintos e entre posições de ensaio, bem como relacionar a microestrutura e o comportamento de fluência desses materiais. Ademais, discutiu-se os fundamentos teóricos da viscoselasticidade mais adequados para descrever o comportamento dos filmes e a importância do teste de fluência para embalagens de produtos alimentícios.
2. FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS E CONCEITOS
2.1 Embalagem
O setor de embalagens para produtos alimentícios é o que mais cresce no mercado de embalagens plásticas. O objetivo principal da embalagem de um alimento é manter a qualidade e segurança do mesmo desde o momento em que o alimento é embalado até a comercialização e consumo. O polímero é um constituinte de embalagens para produtos alimentícios amplamente utilizado por conta de suas características favoráveis como a leveza, a durabilidade e a resistência ao vapor de água, gases e a deterioração microbiana (DAS; RANI; TRIPATHY, 2020). 
Entretanto, sua permeabilidade inerente a gases como oxigênio e dióxido de carbono leva a deterioração dos alimentos, em especial frutas e vegetais frescos, além disso seu descarte causa um impacto ambiental considerável em razão da sua resistência à biodegradação. A reciclagem de polímeros é eficiente, porém demanda um alto custo. Os produtos resultantes da reciclagem dos polímeros são aceitáveis para diversos usos, apesar de ter propriedades pobres (Mir et al., 2017). 
Os polímeros naturais biodegradáveis atendem a demanda a embalagens ecologicamente corretas e com boas propriedades mecânicas, além de serem mais baratos e derivados de matérias-primas renováveis, subprodutos agroindustriais e resíduos agrícolas (Li et al., 2015). De acordo com Sobral (2000), os principais biopolímeros usados na elaboração de biofilmes destinados ao uso em alimentos são constituídos de proteínas (como o filme de gelatina suína) e de polissacarídeos (como o filme de carboximetilcelulose - CMC). 
Durante o tempo de manuseio, armazenamento e transporte de alimentos, a embalagem pode perder resistência à tensão causada pelo peso do alimento até o momento em que ocorre seu colapso, ocasionando o dano do produto embalado que, na maioria das vezes, o torna inviável para venda. Esse fenômeno é denominado fluência, e seu teste é imprescindível para embalagens alimentícias dados os motivos supracitados (FADIJI; COETZEE; OPARA, 2019).
2.2 Fluência
Definido como a deformação progressiva em relação ao tempo em um sistema de carga constante, a fluência descreve o comportamento com taxa de deformação que varia com o tempo, como exposto na Figura 1 (Frossard, 2014).
 
Figura 1. Comportamento de fluência: (esquerda) destaque para a manutenção da tensão constante e (direita) comportamento da deformação em função do tempo.
Fonte: Autoria própria. 
	Este comportamento é dependente do tempo de aplicação da carga, temperatura (no caso desta aula prática a temperatura não foi considerada como parâmetro de processamento), e as características intrínsecas do polímero analisado (Sobral, 2000; Li et al., 2015). Os modelos mais comuns para descrever o comportamento de fluência são os modelos de Kelvin (Equação 1) e Burgers (Equação 2):
Ɛ = σ0/E(1-e -t/λrel) Equação 1
Ɛ = σ0/E + σ0/E(1-e -t/λrel) + σ0t/ ηv Equação 2
	O modelo de Kelvin considera o modelo do comportamento elástico de uma mola em paralelo com um amortecedor. Este modelo representa o estágio inicial de fluência, não incorporando aspectos de relaxamento de tensão em um corpo viscoelástico. Já o modelo de Burgers incorpora outros aspectos do comportamento viscoelástico, sendo baseado em uma mola, um componente de Kelvin, e um amortecedor. Diante dessa maior complexidade, o modelo de Burgers é capaz de descrever o fluxo newtoniano - ε∞ (quando o material está submetido a uma tensão estática), deformação imediata - εSM, e o retardo da deformação elástica (εKV) (Li et al., 2015). 
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Primeiramente, ajustou-se a tira de filme ou da embalagem entre as garras do dispositivo de tração. Com o auxílio de um micrômetro, mediram-se as espessuras das embalagens alimentícias de estudo. Dessa maneira, o valor da espessura do filme de gelatina suína foi igual a 0,097 mm, enquanto o referente ao filme de CMC ou carboximetilcelulose foi igual a 0,112 mm.
Posteriormente, foram anotados os valores referentes ao comprimento e largura útil da tira, a qual foi alocada entre as garras do dispositivo de tração. Desse modo, adotaram-se o valor de 15 mm para largura e 80 mm para o comprimento útil. Em seguida, através da utilização de um texturômetro TA XT2i , como dispositivo de tração, aplicou-se uma força constante de 7N por 3 minutos, com isso, o resultado obtido foi a plotagem do gráfico Força x Deformação que possibilitou as respectivas aferições a respeito dos filmes de estudo.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com os dados fornecidos, associados aos filmes de gelatina suína e carboximetilcelulose (CMC), foi possível plotar gráficos de deslocamento e deformação específica ao longo do tempo e observar como se comportam os materiais quando aplicada uma tensão fixa (no caso, 7 N), ou seja, o comportamento viscoelástico de fluência desses dois materiais. Comparando-se os gráficos, é possível observar que o biofilme de CMC apresentou maior deformação ao longo do tempo do que o filme de gelatina suína quando submetidos a uma mesma tensão, evidenciando que o filme de gelatina suína é mais resistente à deformação.
Ao analisar o comportamento do material, pode-se observar a presença de um comportamento de um sólido viscoelástico, no qual há uma continuidade do aumento da deformação, enquanto a taxa de variação de deformação decresce com o tempo. Esse tipo de característica ocorre no modelo reológico de Kelvin, no qual a tensão é constante e há um aumento na deformação, a qual é registrada em função do tempo. A embalagem mais eficiente, isto é, com menor fluência, é a Filme CMC.
Para obtenção dos gráficos (figuras 3 e 5), em que são ilustradas as deformações dos materiais ao longo do tempo, foi realizado o cálculo da deformação () através da equação 3, no qual divide-se a tensão () pela espessura ().
				Equação 3
Figura 2. Gráfico de deslocamento em função do tempo - gelatina suína. 
Fonte: autoria própria.
Figura 3. Gráfico de deformação em função do tempo - gelatina suína. 
Fonte: autoria própria.
Figura 4. Gráfico de deslocamento em função do tempo - CMC. 
Fonte: autoria própria.
Figura 5. Gráfico de deformação em função do tempo - CMC. 
Fonte: autoria própria.
O comportamento de fluência está intimamente relacionado à composição do material, especialmente às características físico-químicas. Filmes de CMC são feitos de polímeros de celulose, que é um polissacarídeo formado por monômeros de glicose (carboidrato) que, naturalmente, confere rigidez e firmeza às plantas e é capaz de formar géis. Do ponto de vista químico, mais especificamente, a CMC consiste em uma longa e muito rígida molécula com carga negativa, devido a seus numerosos grupos carboxílicos ionizados, de modo que a repulsão eletrostáticafaz essas moléculas ficarem estendidas quando em solução. Essa característica atribui às soluções de CMC uma tendência a serem, ao mesmo tempo, altamente viscosas e estáveis (DAMODARAN; SRINIVASAN, 2019). 
Um estudo publicado no jornal Colloid and Polymer Science no ano de 2008, no qual foram analisadas as propriedades reológicas do CMC constatou através de testes de fluência, que as soluções de CMC exibem propriedade viscoelásticas que dependem da concentração de carboximetilcelulose no meio. Em concentrações de CMC abaixo de 2,5% as soluções exibem um comportamento viscoso dominante, enquanto que em concentrações acima de 2,5%, as soluções apresentam um comportamento elástico dominante (BENCHABANE; BEKKOUR, 2008). 
A gelatina suína, por sua vez, é um gel formado a partir da hidrólise do colágeno da pele de suínos e consequente rearranjo molecular dos oligopeptídeos e polipeptídeos resultantes e, assim, sua composição é predominantemente proteica. Em concentrações elevadas de proteínas ou em géis protéicos nos quais as interações proteína-proteína são numerosas e fortes, as proteínas apresentam um comportamento viscoelástico plástico. Este comportamento de viscosidade das proteínas é uma manifestação de complexas interações entre diversas variáveis, incluindo interações proteína-solvente, tamanho e forma da molécula (DAMODARAN; SRINIVASAN, 2019).
De acordo com Sobral (2000), as propriedades dos biopolímeros de proteínas geralmente apresentam melhores características mecânicas quando comparados com os biopolímeros de polissacarídeos. Esta afirmação é condizente com os dados obtidos nesta aula prática, visto que o filme de carboximetilcelulose (polissacarídeo) apresentou maior deformação em relação ao tempo de exposição à força do que o filme de gelatina suína (proteína). 
Os modelos de Kelvin e Burgers são os mais utilizados para explicar o comportamento de materiais sob uma tensão fixa, o modelo de Kelvin consiste na associação em paralelo da mola elástica de Hook com o pistão viscoso de Newton, esse modelo não considera o aspecto de relaxamento de tensão de um corpo viscoelástico, representando apenas o estágio inicial do comportamento de fluência do material. O modelo de Burgers consiste na união de uma mola com um elemento amortecedor e um elemento de Kelvin, sendo assim, o mesmo é capaz de descrever a deformação elástica imediata, a deformação elástica retardada e o fluxo newtoniano dos materiais submetidos a uma tensão estática (Li et al., 2015). 
O teste de fluência tem grande importância para a indústria de alimentos, pois confere dados relacionados ao ciclo de vida dos polímeros, indicando características de durabilidade e confiabilidade dos materiais empregados em embalagens (Li et al., 2015). Considerando os filmes empregados nesta aula prática, o teste de fluência corrobora para a avaliação da efetividade na incorporação ou aplicação de biopolímeros puros em embalagens destinadas à alimentos. Os dados deste tipo de teste visam certificar que as características mecânicas sejam iguais ou superiores se comparado com polímeros plásticos, garantindo resistência à carga conferida pelo alimento sem comprometer a proteção necessária para a preservação das características do conteúdo (Das, Rani, Tripathy, 2020).Em segundo plano, o teste de fluência para biopolímeros representa uma importante ferramenta para garantir a efetividade da substituição parcial ou total de polímeros poluentes, contribuindo para a sustentabilidade associada a toda cadeia de produção de alimentos (Das, Rani, Tripathy, 2020; MIR et al., 2017).
5. CONCLUSÕES
Essa prática possibilitou a comparação e avaliação do comportamento viscoelástico de fluência entre os materiais analisados e entre posições de ensaio, com auxílio da literatura científica relacionou-se a microestrutura e o comportamento de fluência dos diferentes materiais estudados. Além disso, foram examinados e discutidos os fundamentos teóricos da viscoelasticidade e os modelos mais adequados para descrever o comportamento das embalagens, assim como a importância do teste de fluência para embalagens de produtos alimentícios.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA
 
BENCHABANE, A.; BEKKOUR, K. Rheological properties of carboxymethyl cellulose (CMC) solutions. Colloid Polym Sci, vol. 286, p. 1173–1180, 2008. 
DAMODARAN, S.; PARKIN, K. L. Química de Alimentos de Fennema [recurso eletrônico] / Srinivasan Damodaran, Kirk L. Parkin ; tradução Adriano Brandelli ... [et al.]. ; revisão técnica: Adriano Brandelli. – 5. ed. – Porto Alegre : Artmed, 2019.
DAS, S.; RANI, P.; TRIPATHY, P. P. Development and Characterization of Betel Nut Fiber Composite as a Food Packaging Material. Journal of Natural Fibers, p. 1-14, Jun. 2020. 
FADIJI, T.; COETZEE, C. J.; OPARA, U. L. Analysis of the creep behaviour of ventilated corrugated paperboard packaging for handling fresh produce — An experimental study. Food and Bioproducts Processing, v. 117, p. 126-137, Set. 2019.
FROSSARD, A. L. C. Solução do problema de propagação de ondas em barras viscoelásticas. Projeto de graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo. Vitória - ES, 2014.
LI, M. et al. Creep behavior of starch-based nanocomposite films with cellulose nanofibrils. Carbohydrate Polymers, v. 117, p. 957-963, Mar. 2015.
MIR, S. et al. Thermal, Rheological, Mechanical and Morphological Behavior of High Density Polyethylene and Carboxymethyl Cellulose Blend. J. Polym. Environ, v. 25, p. 1011–1020, 2017.
MIR, S., YASIN, T., SIDDIQI, H.M. et al. Thermal, Rheological, Mechanical and Morphological Behavior of High Density Polyethylene and Carboxymethyl Cellulose Blend. J. Polym Environ 25, 1011–1020 (2017). https://doi.org/10.1007/s10924-016-0880-6.
SOBRAL, P. J. A. Influência da espessura de biofilmes feitos à base de proteínas miofibrilares sobre suas propriedades funcionais. Pesquisa Agropecuária Brasileira [online]. 2000, v. 35, n. 6 [Acessado 1 Agosto 2021] , pp. 1251-1259. Disponível em: <https://doi.org/10.1590/S0100-204X2000000600022>. Epub 18 Set 2001. ISSN 1678-3921. https://doi.org/10.1590/S0100-204X2000000600022.
SWASTIKA DAS, POONAM RANI, P. P. TRIPATHY. Development and Characterization of Betel Nut Fiber Composite as a Food Packaging Material. Journal of Natural Fibers. (2020). DOI: 10.1080/15440478.2020.1761928
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