AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO DE BAQUELITE SOBRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIPROPILENO

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1 AVALIAÇÃO DO EFEITO DA INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO DE BAQUELITE SOBRE AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIPROPILENO André. P. Cavalcante, Leonardo B. Canto* Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano - IMA, Rio de Janeiro-RJ lbcanto@ima.ufrj.br O objetivo deste estudo é avaliar o efeito da incorporação de resíduo de baquelite sobre as propriedades mecânicas do polipropileno (PP). Compósitos de PP com 10, 15 e 20% em massa de resíduo de baquelite foram preparados por extrusão em rosca dupla co-rotacional. Em seguida, os materiais extrusados foram moldados por injeção na forma de corpos de prova para ensaios mecânicos. Ensaios de resistência à tração e à flexão foram realizados, segundo norma ASTM. Propriedades mecânicas obtidas dos ensaios foram analisadas com base nas propriedades do PP puro. Os compósitos apresentaram incrementos no módulo sob flexão e decréscimos na resistência à tração. Esses resultados serão mais bem interpretados por meio de análises posteriores a cerca das propriedades térmicas e morfológicas dos compósitos. Palavras-chave: polipropileno, baquelite, compósito. Effect of addition of Bakelite residue on Polypropylene mechanical properties The aim of this study is evaluate the effect of addition of bakelite residue on polypropylene (PP) mechanical properties. Composites of PP with 10, 15 and 20 wt% of bakelite residue were processed in co-rotating twin-screw extruder. Extrudates were injection molded as standard bars for mechanical tests. Tensile, flexural and impact tests were performed according to ASTM. Mechanical properties were collected and compared to that of neat PP. Composites showed superior flexural modulus and inferior tensile strength, as compared to neat PP. These results should be still elucidated with further thermal and morphological analyses. Keywords: polypropylene, bakelite, composite. Introdução O baquelite é um material polimérico termorrígido produzido sob pressão e temperatura a partir de uma mistura de resina fenólica (polimerização do fenol e do formaildéido), serragem de madeira, negro de fumo e outros aditivos. A combinação de propriedades tais como boa estabilidade dimensional, elevada dureza, rigidez, resistência ao desgaste e ao calor, baixa densidade, aliados ao baixo custo de fabricação, torna este material uma importante alternativa para a substituição de outros materiais em diversos segmentos da indústria, conquistando estrategicamente o lugar do metal, cerâmica e madeira. Uma importante característica a ser destacada na indústria de transformação do baquelite em artefatos é a facilidade de moldagem que esta resina possui, necessitando de equipamentos de transformação com baixa complexidade de construção mecânica, utilizando até mesmo uma prensa manual.

2 Apesar da vasta difusão deste material em produtos e processos ao longo de um século, por se tratar de um material insolúvel e infusível, os resíduos gerados na fabricação de artefatos moldados não são aproveitados. Nenhum mecanismo que viesse apresentar eficiência para seu reaproveitamento ou mesmo sua decomposição após o processo de transformação foi desenvolvido. Hoje em dia, ainda é possível ver sem dificuldade que os artefatos rejeitados e resíduos da indústria de transformação, juntamente com os descartados pela sociedade de consumo permanecem com o mesmo destino da época de descoberta deste material: a deposição em aterros. Visando propor uma solução para o problema ambiental causado pelo descarte dos resíduos de baquelite, procurou-se utilizá-los como carga em composições termoplásticas com polipropileno (PP), produzidas a partir de processo de extrusão em dupla rosca, visando à obtenção de um novo material compósito que viabilizasse a produção de artefatos com características especiais, fabricados por moldagem por injeção. O polipropileno (PP) foi escolhido em função de apresentar excelente combinação de propriedades para produção de artigos moldados por injeção, em relação aos demais polímeros termoplásticos comerciais. Destacam-se suas propriedades mecânicas e químicas combinadas com boa fluidez para preenchimento das cavidades no processo de moldagem por injeção, além da facilidade de se incorporar aditivos especiais. 1,2 O mercado possui grande oferta deste polímero, o que garante uma boa relação de custo e propriedades. Espera-se assim que a transformação por injeção utilizando este compósito venha ser uma alternativa para que artefatos da indústria automobilística, elétrica, eletrônica, construção civil dentre outras venham agregar as funcionalidades destes dois materiais. É uma investida pretensiosa em se obter um material compósito com as vantagens já conhecidas e estabelecidas presentes nos artefatos elaborados com o PP e a baquelite, individualmente. Neste estudo, PP e baquelite em diferentes composições foram extrusados em condição controlada e, em seguida, os compósitos extrusados foram moldados para injeção na forma de corpos de prova padronizados para ensaios de tração e flexão. As propriedades mecânicas dos compósitos obtidas dos ensaios foram analisadas com base nas propriedades do PP puro. Experimental Materiais O polipropileno (PP) utilizado é um homopolímero isotático comercial fornecido pela Suzano Petroquímica sob código SM6100. Possui MFI de 11 g/10 min. O resíduo de baquelite foi adquirido na forma de rebarbas originárias de processo de compressão e cura de peças técnicas.

3 As matérias-primas foram secadas a 80 o C por 12 horas em estufa com circulação de ar previamente a cada etapa de processamento dos materiais. Moagem do resíduo de baquelite O resíduo de baquelite foi moído em moinho de bolas. A granulometria final do resíduo após o processo de moagem foi avaliada em classificador granulométrico com peneiras vibratórias. Extrusão dos materiais Foram preparadas quatro composições diferentes dos materiais: PP puro e PP com 10%, 15% e 20% em massa de resíduo de baquelite moído. O processamento dos compósitos PP/baquelite foi efetuado em extrusora dupla-rosca co-rotacional interpenetrante marca TECK TRILL, modelo DCT20, com diâmetro de roscas de 20 mm e razão entre comprimento e diâmetro das roscas (L/D) de 36. A extrusora possui um barril com 9 segmentos com aquecimento independentes e controle de temperatura no cabeçote. O perfil das roscas foi projetado com dois blocos de misturadores (kneading blocks) com elementos de 45 o, entre zonas com elementos de condução. O primeiro bloco de misturadores foi posicionado nos 3 e 4 o segmentos do barril para fundir o PP enquanto que o segundo foi posicionado no 7 o segmento de barril, com a função de homogeneizar o resíduo de bakelite ao PP. A alimentação dos materiais ocorreu no 1 o segmento do barril por dosador volumétrico. As extrusões ocorreram a temperatura do barril e cabeçote de 200 o C, rotação das roscas de 300 rpm e vazão de 7 kg/h, com torque médio da máquina em 45%. Moldagem dos corpos de prova por injeção Após extrusão e granulação, os compósitos PP/baquelite foram moldados por injeção para a obtenção de corpos de prova tipo I, conforme norma ASTM D638. Para tanto, foi utilizada uma máquina injetora ARBURG Allrounder 270S , nas seguintes condições: perfil de temperaturas do cilindro (do funil para o bico) de o C, temperatura do molde de 50 o C, velocidade de injeção de 50 cm 3 /s, comutação para recalque por volume (90%), pressão de recalque de 200 bar por 7 segundos e tempo de resfriamento de 30 segundos. Os corpos de prova moldados foram acondicionados por 48 horas a 23 o C e 50% de umidade relativa previamente à realização dos ensaios mecânicos. Ensaios mecânicos de tração e flexão Os ensaios mecânicos sob tração unidirecional e sob flexão em três pontos foram realizados em uma máquina de ensaios universais EMIC DL3000, com célula de carga com capacidade máxima de 10 kn, em condições de acordo com as normas ASTM D638 e D790, respectivamente. Os

4 ensaios de tração foram realizados a velocidade da travessa de 50 mm/min e os ensaios de flexão a velocidade da travessa de 1 mm/min (taxa de deformação de 0,01 mm/mm/minuto). Para cada composição ensaiada, foram testados cinco corpos de prova, assumindo como resultado o valor médio obtido de cada análise, juntamente com o desvio padrão das medidas. Resultados e Discussão Na Figura 1 é apresentada a distribuição de tamanhos das partículas de baquelite após o processo de moagem. Observa-se uma granulometria com tamanhos submicrométricos, com uma população média entre 212 e 850 µm Frequência (%) d > > d > > d > > d > 150 d < 150 Tamanho de partícula (µm) Figura 1 Distribuição de tamanhos de partículas do resíduo de baquelite moído. Na Figura 2 são apresentados os resultados do módulo sob flexão dos compósitos. Verifica-se um aumento desta propriedade com adição de quantidades crescentes de baquelite, conferindo rigidez ao PP.

5 Módulo sob flexão (MPa) % Baquelite Figura 2 Módulo sob flexão dos compósitos em função do percentual em massa de resíduo baquelite incorporada ao PP. Os valores da resistência à tração dos compósitos são apresentados na Figura 3. Observam-se decréscimos desta propriedade pela adição do resíduo de baquelite ao PP Resistência à tração (MPa) % Baquelite Figura 3 Resistência à tração dos compósitos em função do percentual em massa de resíduo baquelite incorporada ao PP. Na Tabela I são listados os ganhos e as perdas relativas das propriedades do PP com a adição do resíduo de baquelite. É interessante notar que, para cada composição do compósito, o percentual de ganho da propriedade módulo é praticamente equivalente à perda da propriedade resistência à tração. Ou seja, com a adição de baquelite, observa-se um balanço de propriedades mecânicas com relação às do PP puro. Este resultado é bastante atraente uma vez que aponta para a possibilidade de adição de até 20% em massa de resíduo de baquelite ao PP com manutenção do desempenho deste polímero.

6 Tabela I Alteração percentual relativa de propriedades mecânicas sob flexão e tração do PP em função da incorporação de resíduo de bakelite. 10% de baquelite 15% de baquelite 20% de baquelite Módulo sob flexão + 18% + 19% + 28% Resistência à tração 15% 20% 30% Conclusões Novos compósitos com matriz de polipropileno (PP) contendo 10, 15 e 20% em massa de resíduo de baquelite incorporado foram preparados por extrusão em rosca dupla co-rotacional seguido de moldagem por injeção na forma de corpos de prova para ensaios mecânicos de tração e flexão. Com relação ao PP puro, os compósitos apresentaram incrementos no módulo sob flexão e decréscimos na resistência à tração. Essas propriedades serão mais bem elucidadas e corroboradas quando analisadas em conjunto com outras informações futuras a respeito de propriedades térmicas e da morfologia final dos compósitos. Agradecimentos Aos alunos Lilian G. Carreira e Marcus V. Novello pelo auxílio nos ensaios mecânicos. Referências Bibliográficas 1. G. K. Harutun, Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites, Marcel Dekker, New York, V. Vittoria, Handbook of Polymer Science and Technology: Performance of Plastic and Elastomers Properties of Isotatic Polypropylene, Marcel Dekker, New York, 1899.