EFEITO DO TAMANHO DE PARTÍCULAS DA CONCHA DE MOLUSCO NAS PROPRIEDADES TÉRMICAS E MECÂNICAS DO HDPE

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1 EFEITO DO TAMANHO DE PARTÍCULAS DA CONCHA DE MOLUSCO NAS PROPRIEDADES TÉRMICAS E MECÂNICAS DO HDPE Patrícia M. A. de Melo 1, Lucineide B. da Silva 1*, Amélia S. F. Santos 1, Severino J. G. Lima 2, Marcelo M. Ueki 3 1 Materials Engineering Department, UFPB, João Pessoa, Brazil, 2 Mechanical Engineering Department, UFPB, João Pessoa, Brazil, 3 Materials Engineering and Science Center (NUCEM), UFS, Sergipe, Brazil * Corresponding author (lucineide@ct.ufpb.br) Resumo A motivação para esse artigo é apresentar uma estratégia para reciclar conchas de moluscos. Com esse intuito, é investigada a influência do tamanho de partículas da concha nas propriedades térmicas e mecânicas do polietileno de alta densidade (PEAD). Inicialmente, as conchas foram moídas em moinho de disco e classificadas em duas granulometrias, usando peneiras de 200 e 325 mesh. Compósitos contendo 5% em peso de concha foram processados em uma extrusora. Uma amostra de PEAD puro também foi processada nas mesmas condições. Após esta etapa, corpos de prova dos compósitos e do PEAD puro foram moldados por injeção. A caracterização térmica foi realizada em um calorímetro diferencial exploratório(dsc) e a caracterização mecânica foi avaliada sob tração. A redução no tamanho das partículas da concha não alterou significativamente as propriedades investigadas dos compósitos de PEAD/pó de concha, contendo 5% em peso de concha portanto as propriedades do PEAD puro permaneceram praticamente inalteradas. Palavras Chaves: Pó de concha de molusco, HDPE, propriedades térmica e mecânica, compósito polimérico. 1.INTRODUÇÃO Com o crescimento das atividades de extração de moluscos no litoral Paraibano, ocorreu um aumento significativo de conchas de moluscos, causando impacto ambiental na região dedicada a essa atividade. Através desta situação vem à motivação para esse artigo, que é apresentar uma estratégia para reciclar conchas de moluscos por meio da preparação de compósitos poliméricos. 3004

2 Estudos recentes tem demonstrado que existe um alto teor de carbonato de cálcio em conchas de ostras, mexilhões e de mariscos. Por exemplo, nas conchas de mariscos foi realizado uma analise da sua composição química chegando a um resultado de 97% de carbonato de cálcio (CaCO 3 ) (Hamester 2012; Melo 2013). Observa-se que os carbonatos contribuem com mais da metade do consumo de cargas em polímeros. Dentre as razões para um elevado consumo deste tipo de carga cita-se: baixo custo, não abrasividade, não toxidade e pode ser uma carga clara, tornando a pigmentação facilitada. (RABELLO 2000; Hamester 2012). Na indústria de plásticos usa- se muitas partículas inorgânicas, pois as mesmas melhoram as propriedades mecânicas dos termoplásticos. Tem sido demonstrado que as propriedades dos materiais carregados dependem fortemente da forma e do tamanho da partícula, da presença de agregados, das características da superfície e do grau de dispersão das cargas na matriz polimérica(g.f. Moreira 2006). Na verdade, na maioria dos estudos de compósitos de polímeros semicristalinos com cargas de partículas rígidas ocorre uma diminuição significativa das propriedades mecânicas do polímero puro, mais dependendo do tamanho da partícula já existem estudos que mostram um aumento na resistência ao impacto(z. Bartczak1a 1997/1998). Considerando o PEAD um dos termoplásticos mais versáteis, de fácil processabilidade e baixo custo do mercado, assim como a alta disponibilidade regional do pó de concha de moluscos, propôs-se avaliar nesse trabalho a influência da incorporação do pó de concha de molusco nas propriedades mecânica e térmica do PEAD. Misturas de PEAD e do pó de concha em uma concentração de 5% em massa, com dois tipos de granulometrias do pó de 200 e 325 mesh foram processadas em uma extrusora mono rosca e moldadas por injeção. As caracterizações térmica e mecânica foram realizadas por calorimetria exploratória diferencial (DSC) e por teste sob tração, respectivamente. 3005

3 2. EXPERIMENTAL Materiais Os materiais utilizados para este estudo foram o polietileno de alta densidade IA58 da Braskem, e o pó de concha de molusco como carga, fornecida pelo Prof. Dr. Ulisses Targino Bezerra do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba(IFPB). Preparação das conchas de moluscos: As conchas foram lavadas e secas ao sol por 24 horas e em seguida moídas em moinho de disco modelo da MARCONI, MA 700. A classificação granulométrica foi realizada logo após a moagem em peneira de #200 e #325 mesh da ABNT. Processamento do compósito Extrusão: A mistura do compósito foi realizada numa extrusora monorosca WORTEX, Modelo WEX 30, rosca com duplo filete e elemento de cisalhamento Maddock, com diâmetro de 30 mm, razão L/D igual a 34 e?. O material extrudado foi granulado em granulador Wortex Modelo WGE-30. A velocidade de rotação da rosca foi de 50 rpm e o perfil de temperatura foi de 170 C/180 C/190 C/180 C/180 C. Injeção: A moldagem dos corpos de prova foi realizada em uma injetora BATTENFELD modelo HM45/210. As condições de moldagem foram: velocidade de injeção 75cm/s, pressão de recalque 600bar, tempo de recalque 15s; e tempo de resfriamento de 30s.O perfil de temperatura utilizado foi de 170 C/180 C/190 C/190 C/ e a temperatura do molde foi mantida em 30 C. Antes da injeção, os materiais foram previamente secos em uma estufa de circulação de ar por duas horas a 60 C. Caracterização Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC): As curvas térmicas foram obtidas em um calorímetro da SHIMADZU, modelo DSC60. A massa das amostras foram de aproximadamente 6,0-6,8mg. Todas as amostras foram primeiro 3006

4 aquecidas até 200 C por 5 min para eliminar a história térmica. Depois, resfriadas até 30 C a 10 C/min e aquecidas novamente até 200 C na mesma taxa, sob fluxo de nitrogênio a 50mL.min-1. Ambas, a temperatura de cristalização (Tc) e a temperatura de fusão (Tm) das amostras foram determinadas no segundo aquecimento. O grau de cristalinidade (Xc) foi determinado usando a Eq1 por meio da entalpia de fusão: (1) Onde: Hm é a entalpia de fusão por unidade de massa da formulação de PEAD, Wf é a fração em massa do pó de concha na formulação de PEAD, H 100% é a entalpia por unidade de massa de um PEAD 100% cristalino, a qual é assumida 293J/g(R. Quijada 2001; CANEVAROLO 2007). Ensaio mecânico sob Tração: O ensaio mecânico sob tração foi realizado em uma máquina universal de ensaios da Shimadzu modelo AG-X 10KN, segundo a norma ASTMD 638. A velocidade de ensaio foi igual a 50mm/min, tendo sido testado no mínimo cinco corpos de prova para cada formulação. 3.RESULTADOS E DISCUSSÕES O grau de cristalinidade do PEAD puro e dos compósitos foi calculado conforme a equação 1 e os dados são mostrados na Tab. 1. Pode se observar que a adição de 5% do pó de concha no PEAD não influenciou o grau de cristalinidade, como também essa propriedade não foi influenciada pelo tamanho das partículas da concha. Tabela 1. Resultados experimentais da análise térmica DSC do PEAD extrudado, puro e do compósito de PEAD/5% de pó de concha nas duas granulometria de 200 e 325 mesh. AMOSTRA CALOR DE Xc(%) FUSÃO(J/g) PEAD puro 129,47 44,18 PEAD 5% ,6 PEAD 5% ,45 42,

5 Tensao max (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais As figuras 1 e 2 mostram os resultados da tensão máxima e deformação máxima do PEAD puro e dos compósitos com 5% de pó de concha, pode se observar na figura 1, que ocorreu uma diminuição na tensão do compósito de granulometria mais grosseira, uma redução em torno de 8%, provavelmente devido não ter ocorrido uma boa dispersão dessas partículas no compósito. A redução do tamanho da partícula não foi efetiva para aumentar a resistência a tração do PEAD com a adição do pó, no entanto também praticamente não causou alteração nessa propriedade do PEAD puro 95/5 #200 95/5 #325 Composiçao (%) Figura 1: Resultado da Tensão máxima do PEAD puro e dos compósitos com 5% de pó de concha nas duas granulometria. Para a figura 2 a deformação máxima do PEAD praticamente não sofreu a influencia da adição da carga, porém um pequeno aumento foi observado na composição com granulometria mais grosseira, um aumento em torno de 3,4% com relação ao PEAD puro. De um modo geral a adição da concha não alterou a resposta a deformação do PEAD com a tensão aplicada

6 Deformaçao Max(%) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais puro 95/5 #200 95/5 #325 Composiçao (%) Figura 2 Resultado da Tensão máxima do PEAD puro e dos compósito com5% de pó de concha nas duas granulometria. 4.CONCLUSÃO Conforme apresentados nos resultados observou-se que não há uma melhoria expressiva nas propriedades do PEAD ao ser adicionado 5% do pó de conchas de moluscos na matriz polimérica, nas duas granulometrias avaliadas, principalmente nas propriedades mecânicas., Logo, como o uso dessa carga não altera as propriedades investigadas do PEAD puro, pode ser uma oportunidade promissora para o reaproveitamento destes resíduos. Portanto, a utilização do pó de concha em compósitos poliméricos com matriz de PEAD se constitui em uma forma potencial de geração de renda para a comunidade catadora dessas conchas, e consequentemente refletirá em uma diminuição no impacto ambiental causado pela deposição dos resíduos das conchas nos locais da atividade de extração de moluscos, especialmente nas regiões da costa Paraibana e de outros estados.tados. 5.AGRADECIMENTOS Agradeço ao Laboratório de Solidificação Rápida/UFPB/CT pelas análises, ao CNPq pelo suporte financeiro dado ao Projeto Universal /2010-0, a Capes pela bolsa de Estudos e ao Prof. Dr. Ulisses Targino Bezerra pelo fornecimento das conchas. 3009

7 6.REFERÊNCIAS CANEVAROLO, S. V. J. (2007). Técnicas de Caracterização de Polímeros. São Carlos- SP. G.F. Moreira, A. C. R. C., A.H.M Silva, M.C.G Rocha, M.G. Oliveira, F.M.B.Coutinho (2006). "Propriedades Mecanicas de nanocompositos de Polipropileno e Carbonato de Cálcio." Instituto Politecnico IPRJ/UERJ. Hamester, M. R. R. B., P. S.Becker, D. (2012). "Characterization of Calcium Carbonate Obtained from Oyster and Mussel Shells and Incorporation in Polypropylene." Mater. Res.-Ibero-am. J. Mater. 15(2): Melo, P. M. A (2013) "Compósitos Particulados de Polietileno de Alta Densidade e concha de molusco: efeito do teor e da granulometria" Dissertação de Mestrado do programa PPCEM - UFPB- PB R. Quijada, A. N., M. D. Pizzol, S. Liberman, A. A. Filho and G. B. Galland (2001). "Structural Evaluation of Copolymers of ethylene and 1- octadecene by using the temperature rising elution fractionation technique." Journal of Applied Polymer Science vol. 79: pp RABELLO, M. S. (2000). Aditivos de Polímeros. São Paulo. Shao-Yun Fu, X.-Q. F., Bernd Lauke, Yiu-Wing Mai (2008). "Effects of particle size, particle/matrix interface adhesion and particle loading on mechanical properties of particulate polymer composites." Elsevier Composites: Part B 39 p Ulisses Targino Bezerra, F. L. P. A., Lucineide Balbino Silva, Normando Perazzo Barbosa, Tiberio A. Passos e Daniella G. L. Cavalcante (2011). "Production of Filler Aggregate from Waste of Bivalves Molluscs Shells." Jornal of Civil Engineering and Architecture, Issn , USA Volume 5: pp Z. Bartczak1a, A. S. A., *, R.E. Cohena, M. Weinbergb (1997/1998). "Toughness mechanism in semi-crystalline polymer blends: II. Highdensity polyethylene toughened with calcium carbonate filler particles." Elsevier/Polymer: Polymer 40 (1999)

8 EFFECT OF PARTICLE SIZE OF MOLLUSKS SHELL IN THERMAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF HDPE Abstract The motivation of this paper is to present a shell recycling strategy. With this purpose, we investigated the influence of the particle size of the shell in thermal and mechanical properties of high density polyethylene (HDPE). Initially, the shells were ground in a disk mill and classified in two particle sizes using sieves of 200 and 325 mesh. Composites containing 5 wt% of the shell are processed in an extruder. A sample of pure HDPE was also processed under the same conditions. Afterwards, the composites and the neat HDPE were injection molded. The thermal and mechanical characterizations were carried out in a calorimeter exploratory differential (DSC) and mechanical tests in tension. The reduction in particle size of shell did not significantly alter the properties of the composites HDPE / shell powder containing 5 wt% of shell, and caused no decrease in the properties of the pure HDPE. Key-words: molllusks shell, HDPE, thermal properties, and mechanical properties 3011