Estudo sobre Cera de Abelha para Potencial Aplicação como Material de Mudança de Fase

Abstract

Beeswax is a natural product made of a complex mixture of several compounds, being most of them long chain hydrocarbons, such as alkanes, fatty acids and alcohols under the form of esthers and free fatty acids and alcohols.The work developed in this paper focused on characterizing the chemical composition of beeswax produced in Alto-Alentejo, using gas chromatography with a mass spectrometer detector, and measuring its thermal properties using differential scanning calorimetry (DSC), in order to evaluate its potential in developing a phase change material (PCM). For the same purpose, mixtures of beeswax with other materials were also analyzed.In the sample analyzed, the alkane present in the highest quantity were heptacosane, used as reference, and nonacosane (52,8%). Fatty acids, under the form of esthers, present in highest quantities were hexadecanoic acid, used as reference, and tetracosanoic (30,6%), while acids in their free form, present in highest quantities were teracosanoic and hexadecanoin (24,5% of the free tetracosanoic present).The beeswax thermal properties were studied, from ambient temperature till complete melt, and showed a large transition that goes from approximately 30ºC to 70ºC with a melting enthalpy of (166±7) kJ/kg-1, with the temperature peak at 65,2ºC. Even with a wide transition, the beeswax has some interesting properties for its use as a PCM, such as a low undercooling and a high melting enthalpy.In order to modify the beeswax thermal properties, transesterification of the esthers was undergone to form methil esthers. An increase in the melting interval was observed (+15ºC) and in the melting enthalpy of 12%, compared to the original beeswax, while the low undercooling was maintained.Beeswax mixtures with hydrogenated vegetable oil were also studied by DSC. The hydrogenation of virgin and used vegetable oils was successful. However, the oils and their mixtures with beeswax showed a thermal behavior that isn't ideal for use as a conventional PCM, due to the high undercooling and irreproducible behavior after crystallization of the liquid phase.Finally, beeswax mixtures with commercial paraffin (from a candle) with different proportions were also studied by DSC. These mixtures are promising for potential use as a PCM, showing a lower peak temperature (5ºC) and a higher melting enthalpy (12%), comparing to the original beeswax, was observed for 40% beeswax mixture (w/w).

A cera de abelha é um produto de origem natural que consiste numa mistura complexa de vários compostos, sendo na sua maioria hidrocarbonetos de cadeias longas, entre os quais alcanos, ésteres de ácidos e álcoois gordos, ácidos gordos e álcoois gordos na sua forma livre.O estudo desenvolvido neste trabalho experimental centrou-se na determinação da composição química de cera proveniente de uma produção do Alto-Alentejo por cromatografia gasosa com espetrómetro de massa acoplado, e na caraterização do comportamento térmico por calorimetria diferencial de varrimento, com vista à utilização como material de mudança de fase, PCM. Com este último objetivo efetuaram-se ainda estudos de misturas da cera com outros materiais.Na amostra de cera de abelha analisada, os alcanos presentes em maior quantidade foram o heptacosano, tomado como referência, e o nonacosano (52,8%). Os ácidos gordos, sob a forma de ésteres, presentes em maior quantidade foram o hexadecanóico, usado como referência, e o tetracosanóico (30,6%), enquanto que os ácidos gordos livres em maior quantidade foram o tetracosanóico e o hexadecanóico (24,5% da quantidade de tetracosanóico livre). A avaliação do comportamento térmico da cera, da temperatura ambiente até à fusão, mostrou uma transição que se estende de aproximadamente de 30ºC a 70ºC com entalpia ΔH = (166 ±7) J.g-1. Apesar da gama alargada de temperatura da transição, o valor da entalpia e o baixo sobrearrefecimento observado na cristalização são caraterísticas interessantes para uso como PCM.Para modificar o comportamento térmico da cera, foi efetuada uma transesterificação dos ésteres presentes a ésteres metílicos. Observou-se uma deslocação da gama de temperaturas onde a transição ocorre (+15ºC) e um aumento de entalpia de transição em relação à cera de 12%, mantendo-se um baixo sobrearrefecimento.Foram também analisadas por calorimetria diferencial de varrimento misturas de cera de abelha com óleo vegetal hidrogenado. Foi levado a cabo com sucesso a hidrogenação, quer de óleo vegetal virgem, quer de óleo vegetal utilizado. Porém, tanto os óleos alimentares como as suas misturas com cera, apresentam comportamento térmico que não é adequado à sua utilização como PCM convencional, devido ao sobrearrefecimento elevado e irreprodutibilidade do comportamento após a cristalização do fundido.Por fim, utilizou-se parafina adquirida comercialmente para preparar misturas com cera de abelha, em diferentes proporções e o comportamento destas misturas foi analisado por DSC. Estas misturas são promissoras para potenciais utilização como PCM uma vez que se observa, após otimização, uma diminuição da temperatura do pico da transição de 5ºC e um aumento máximo de 12% na entalpia em relação à cera original para a mistura com 40% de cera (m/m).