ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA BLENDA PC/ABS RECICLADO ADITIVADO COM RESÍDUO DE COMPÓSITO DE EPÓXI COM FIBRA DE CARBONO

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1 ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA BLENDA PC/ABS RECICLADO ADITIVADO COM RESÍDUO DE COMPÓSITO DE EPÓXI COM FIBRA DE CARBONO 2 P. C. S. Lima, 2 C. Lazareti, 2 E. W. de Souza, 1 B. C. Bonse 1 Centro Universitário da FEI, Departamento de Engenharia de Materiais, Av. Humberto de A.C. Branco, 3972, CEP , São Bernardo do Campo, SP, Brasil prebbonse@fei.edu.br 2 Faculdade SENAI de Tecnologia Ambiental RESUMO Estudaram-se as propriedades da blenda policarbonato/acrilonitrila-butadienoestireno (PC/ABS) reciclado com resíduos de compósito de epóxi com fibra de carbono. Foram comparadas três formulações distintas: PC/ABS reciclado puro, contendo 3% de resíduo e contendo 5% de resíduo. Os resíduos foram moídos, peneirados, misturados ao PC/ABS, e extrudados em uma extrusora dupla rosca. Para os ensaios mecânicos e térmicos foram injetados corpos de prova. Os ensaios mecânicos evidenciaram que a incorporação do resíduo resultou em aumento no módulo elástico, e quedas na resistência à tração, na deformação na ruptura e na resistência ao impacto, enquanto que a dureza foi pouco afetada. Os ensaios térmicos de deflexão ao calor - HDT e calorimetria exploratória diferencial DSC, mostraram, respectivamente que as temperaturas HDT e de transição vítrea foram pouco afetadas pela incorporação do resíduo nos teores investigados. Palavras-chave: PC/ABS, Compósito, Fibra de Carbono, Epóxi, Reciclagem INTRODUÇÃO Frequentemente, uma solução eficiente para desenvolver materiais plásticos para obter propriedades desejadas e especificas acontece por meio de blendas poliméricas. Um exemplo de sucesso é a blenda PC/ABS que combina a elevada resistência ao impacto e temperatura de deflexão térmica do PC, com a boa processabilidade e flexibilidade do ABS (1). A blenda ainda exibe um efeito sinérgico, resultando em excelente resistência ao impacto a baixas temperaturas, que é melhor 8271

2 que a resistência ao impacto de ABS ou PC sozinhos (2). Assim, a blenda PC/ABS é habitualmente usada em aplicações comerciais e industriais que precisam de materiais duros, porém leves, resistentes ao calor e facilmente processados, tais como nas indústrias automotiva, eletrônica e de telecomunicações. Alguns exemplos são capas para aparelhos portáteis, como telefones e lanternas, gabinetes para impressoras, monitores e teclados, e partes internas automotivas (3). Um papel muito importante para o bom desempenho dessa blenda são as fortes interações entre o acrilonitrila do ABS e os grupos carbonilas do PC (4), bem como a morfologia da blenda (5). Compósitos podem ser definidos com combinações de materiais que diferem em composição ou formato em macro escala. Os constituintes mantêm suas identidades no compósito, ou seja, eles não se dissolvem nem se fundem totalmente um no outro, embora atuem em conjunto. Normalmente, os componentes podem ser identificados fisicamente e exibem uma interface entre si (6). A maioria dos compósitos poliméricos estruturais consiste de resina termofixa epóxi reforçada com fibras de vidro, carbono ou poliaramida. Estão cada vez mais substituindo estruturas metálicas, por apresentar elevada razão entre resistência e densidade, resistência química, facilidade de processamento, entre outros. Das três fibras, a de vidro possui o menor custo enquanto de carbono é o mais caro. A fibra poliaramida possui a maior resistência à abrasão, e de carbono as maiores resistência à compressão, módulo elástico e condutividade elétrica (7). Um problema bastante grande dos compósitos termofixos é a impossibilidade de recicla-los pela reciclagem convencional por meio do reprocessamento no estado fundido, como acontece em polímeros termoplásticos. Embora existam operações comerciais para recuperar fibra de carbono a partir de resíduos de compósitos pela queima da matriz polimérica, entre outros (8), a maior parte acaba sendo descartada em aterros, mas se forem moídos e peneirados podem ser utilizados como cargas em novas aplicações, contribuindo para sustentabilidade, aumentando o ciclo de vida dos materiais, pois esses resíduos possuem propriedades que permitem a incorporação. Objetivou-se com esse estudo propor a reutilização de resíduos do compósito de resina epóxi com fibra de carbono como carga em blenda policarbonato/ acrilonitrila-butadieno-estireno reciclado. 8272

3 MATERIAIS E MÉTODOS Materiais O PC/ABS reciclado moído foi doado, em formato de grânulos, por uma empresa do ramo de reciclagem, localizada na região do ABC (SP), e era oriundo de peças refugadas dos processos de injeção e extrusão. Os resíduos de resina epóxi contendo fibra de carbono eram oriundos do processo de fabricação de peça marítimas. Métodos Por tratar de resíduo de material reciclado, tornou-se necessária confirmar a identidade do mesmo, o que foi feito pela técnica de espectroscopia no infravermelho. Para tanto foi feito um filme fino em papel alumínio sobre chapa quente entre 250 e 300 C, o qual foi analisado, no modo de transmissão, em um espectrofotômetro de infravermelho Nicolet 6700 da Charis Technologies, usando modo transmissão com 32 varreduras e resolução 4. Após a identificação dos materiais foram incorporados os resíduos de resina epóxi no PC/ABS a teores de 3% e 5% em massa. Para diminuir o tamanho das fibras do resíduo foi utilizado um moinho da marca Maysi Mp20 de baixa rotação. Depois foi realizado o peneiramento em duas peneiras de gramatura diferente para obter o menor tamanho de fibra possível. Os materiais foram então pré-misturados em um tambor rotativo, e em seguida extrudados em extrusora de dupla rosca sob pressão de 29 bar, com perfil de temperatura de 201, 236, 244, 241, 248, 254, 246, 266, 232 e 230 C. Corpos de prova para testes mecânicos e térmicos foram injetados em injetora MiniJet MJ35. Antes da injeção o PC/ABS reciclado foi seco em estufa por quatro horas a 90 C. Os ensaios de tração foram realizados em equipamento Kratos, modelo KE10000MP, segundo a norma ASTM D 638, usando uma velocidade de 50 mm/min e célula de carga de kgf. Utilizaram-se cinco corpos de prova para cada formulação. Os ensaios de impacto Charpy foram realizados em equipamento de marca Zwick, modelo 5101, seguindo a norma ASTM D 256, pêndulo de 7,5 J. Utilizaram-se dez corpos de prova para cada formulação. Os ensaios de dureza 8273

4 foram feitos respeitando a norma ASTM D 2240, em equipamento da marca Zwick, modelo 1201, foram feitas cinco medições instantâneas e após 15 segundos para cada formulação. Para a realização do ensaio de HDT foi utilizado o equipamento Microtest 4201 D. Os ensaios de temperatura de deflexão ao calor foram realizados respeitando a norma ASTM D648, usando uma tensão de deflexão de 1,82 MPa a uma taxa de aquecimento de 4 C/min. Foram realizados dois ensaios para cada formulação. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados de FTIR, que foram publicados em outro trabalho (9), revelaram que de fato o material reciclado trata-se da blenda PC/ABS, possibilitada pela interpretação das bandas presentes nos espectros e a comparação com o banco de dados disponível no equipamento. Os resultados dos ensaios mecânicos de tração, impacto e dureza são apresentados na figura 1. Observa-se que com a incorporação do resíduo do epóxi+fibra de carbono, que é uma carga rígida, na blenda PC/ABS, que é uma matriz dúctil, há um aumento no módulo elástico do composto final. Isso é esperado, pois sabe se que a rigidez ou o módulo de Young pode ser prontamente aumentado pela adição de micro ou nanopartículas que possuem rigidez maior do que a matriz polimérica (10). Observa-se na figura 1b uma redução na resistência à tração (RT) à medida que o resíduo é incorporado, o que pode indicar falta de adesão entre o resíduo e a matriz. Sabe-se que a RT depende fortemente da transferência de esforços entre as partículas e a matriz. Para partículas bem aderidas, a tensão aplicada pode ser efetivamente transferida para as partículas da matriz, melhorando a RT. Porém, para micropartículas mal aderidas, ocorre uma redução na resistência com a adição das partículas (10). Quanto à deformação na ruptura, a incorporação do resíduo resultou em uma redução bastante grande na ductilidade da matriz. Além da restrição imposta na mobilidade das cadeias pela carga rígida, tem-se a falta de adesão entre a carga e a matriz, evidenciada pela redução na RT, gerando concentradores de tensão, levando a falhas prematuras durante o estiramento. Esse mesmo fato pode levar a uma diminuição da resistência ao impacto (RI), conforme observado na figura 1d. 8274

5 Segundo Rabello (11), em geral, cargas rígidas em matrizes dúcteis reduzem a tenacidade do material, enquanto que em matrizes frágeis pode aumentar a RI. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 1 - Propriedades mecânicas do PC/ABS contendo diferentes teores de resíduo. 8275

6 Quanto à dureza, observa-se um ligeiro aumento apenas para o teor de 5%. Provavelmente, pelos teores baixos utilizados, a superfície dos corpos de prova sofreu pouco efeito. Os resultados das propriedades mecânicas levam a concluir então que os resíduos, sem a utilização de um meio para aumentar a interação entre os mesmos e a matriz, funcionarão mais como carga de enchimento do que como carga de reforça. Tabela 1. Propriedades térmicas do composto final em função do teor de resíduo Teor de resíduo no PC/ABS (%m) HDT ( C) Tg ( C) 0 127,1 115, , ,5 115 A tabela 1 apresenta resultados obtidos por meio de HDT e DSC. Observa-se que nenhuma das propriedades térmicas estudadas foi afetada pela incorporação do resíduo do compósito de epóxi com fibra de carbono. Possivelmente, a sensibilidade desses ensaios não era suficiente para detectar as mudanças causadas na estrutura do composto com esses teores de resíduo, relativamente, baixos. CONCLUSÕES Foi possível incorporar em PC/ABS reciclado, com êxito, teores de até 5% em massa, de resíduos de compósito de epóxi contendo fibra de carbono, utilizando extrusora dupla rosca. A incorporação do resíduo resultou em aumento do módulo elástico do composto final, porém reduziu as resistências à tração e impacto, além da ductilidade, indicando falta de adesão entre as partículas do resíduo e a matriz. AGRADECIMENTOS Ao Centro Universitário FEI, à Faculdade SENAI de Tecnologia Ambiental, e à FAPESP pelo auxílio coletivo para participação de pesquisadores do Estado de SP no 23º CBECiMat. 8276

7 REFERENCIAIS 1. UTRACKI, L. A. Polymer Blends Handbook v1. Kluwer Academic Publishers, QUINTENS, D.; GROENINCKX, G.; GUEST, M.; AERTS, L. Phase Morphology characterization and ultimate mechanical properties of 60/40 PC/SAN blend: Influence of the acrylonitrile content of SAN. Polym. Eng. Sci., v.31, p , BALART R.; LÓPEZ, J.; GARCÍA, D; SALVADOR, M. D. Recycling of ABS and PC from electrical and electronic waste. Effect of miscibility and previous degradation on final performance of industrial blends. European Polymer Journal, v. 41, p , BÄRWINKEL, S.; SEIDEL, A.; HOBEIKA, S.; HUFEN, R.; MÖRL, M.; ALTSTÄDT, V. Morphology Formation in PC/ABS Blends during Thermal Processing and the Effect of the Viscosity Ratio of Blend Partners. Materials (Basel), v.9., p , MACOSKO.; C.W. Morphology development and control in immiscible polymer blends. Macromol. Symp., v.149, p , Department of Defense Handbook. Composite Materials Handbook Volume 2. Polymer Matrix Composites. Materials Properties, Comparison of Carbon Fiber, Kevlar (Aramid) and E Glass used in Composites for Boatbuilding Disponível em: < Acesso em: 24/08/ Yang, J; Liu, J.; Liu, W.; Wang J.; Tang T. Recycling of carbon fibre reinforced epoxy resin composites under various oxygen concentrations in nitrogen oxygen atmosphere. 9. Almeida, D. N.; Souza, E. W; Bonse, B. C. Estudo das Propriedades Mecânicas e Térmicas da Blenda PC/ABS com TPU Reciclados. In: 23 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, Foz de Iguaçu, PR, Fu, S-Y; Feng, X-Q; Lauke B.; Mai, Y-W. Effects of Particle Size, Particle/matrix Interface Adhesion and Particle Loading on Mechanical Properties of Particulate-polymer Composites. Composites Part B: Engineering v. 39, p , Marcelo Rabello - Aditivação de Polímeros. Artliber Editora Ltda,

8 STUDY OF THE PROPERTIES OF RECYCLED PC/ABS BLEND FILLED WITH CARBON FIBER REINFORCED EPOXY WASTE ABSTRACT The properties of recycled polycarbonate/acrylonitrile-butadiene-styrene (PC/ABS) blend containing carbon fiber reinforced epoxy composite waste were studied. Three different formulations were compared: neat recycled PC/ABS, containing 3 wt% waste and containing 5 wt% residue. The residues were ground, sifted, mixed into PC/ABS, and extruded in a twin screw extruder. Specimens were injection molded for mechanical and thermal tests. The mechanical tests showed that incorporation of the residue resulted in an increase in elastic modulus, and a decrease in tensile strength, elongation at break and impact strength, whereas hardness was little affected. The heat deflection thermal tests - HDT and differential scanning calorimetry - DSC, showed that the HDT and glass transition temperatures were little affected by the incorporation of the residue at the investigated contents Keywords: PC/ABS, Composite, Carbon Fiber, Epoxy, Recycling. 8278