AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TERMOMECÂNICAS DE BLENDAS DE POLIESTIRENO/ POLI(Ɛ-CAPROLACTONA) A. Mélo * RESUMO

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1 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TERMOMECÂNICAS DE BLENDAS DE POLIESTIRENO/ POLI(Ɛ-CAPROLACTONA) 1* D. D. S. Morais, 1 D. C. França, 1 E. B. Bezerra, 2 A. D. Oliveira,, 1 E. M. Araújo, 1 T. J. A. Mélo * 1 Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais - UAEMa/UFCG. Avenida Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, Campina Grande - PB. * dayannediniz@hotmail.com 2 Departamento de Engenharia de Materiais DEMa/UFSCar RESUMO Nos últimos anos, um esforço considerável tem sido dedicado ao desenvolvimento de polímeros que apresentem baixo custo de produção e que possam ser degradados por microorganismos, bactérias e fungos. Como resultado, o uso de polímeros biodegradáveis em misturas poliméricas tem se tornado uma solução atraente para os problemas de acumulação de resíduos plásticos no meio ambiente. Blendas poliméricas de poliestireno/poli(ɛ-caprolactona) (PS/PCL) foram extrusadas e injetadas com incrementos de 25% (m/m) de PCL na matriz de PS. As propriedades mecânicas obtidas por tração mostraram que adição e o aumento no teor de PCL ao poliestireno, diminuiu o módulo de elasticidade e tensão máxima, sem, no entanto, aumentar significativamente o alongamento até a ruptura das blendas. A resistência ao impacto das misturas não aumentou significativamente. A HDT das blendas diminuiu proporcionalmente ao aumento da PCL. Os resultados indicaram que as blendas PS/PCL são imiscíveis e incompatíveis, sugerindo a necessidade de um compatibilizante. Palavras-Chave: blendas, poliestireno, poli(ɛ-caprolactona), propriedades mecânicas. INTRODUÇÃO Os materiais poliméricos convencionais a cada dia são mais comuns em nosso cotidiano e, muitas de suas propriedades, como a durabilidade, a versatilidade e o baixo peso, podem ser fatores significativos para o alcance do desenvolvimento sustentável. Entretanto, apesar das inúmeras aplicações desses materiais, em sua maioria eles não são biodegradáveis, o que tem provocado uma crescente quantidade de resíduos sólidos descartados indevidamente no meio ambiente (1,2). A substituição mesmo que em partes, dos polímeros convencionais por polímeros biodegradáveis, como por exemplo, na forma de blendas, têm possibilitado a mistura de materiais de naturezas diferentes, o que garante a sua aplicabilidade, melhoria nas propriedades mecânicas e biodegradabilidade (3,4). 7068

2 Os polímeros biodegradáveis são materiais em que a degradação resulta primariamente da ação de microrganismos de decorrência natural tais como: bactérias, fungos e algas. Dependendo das condições de degradação aeróbia (ou anaeróbica) e do meio, o polímero é decomposto em água, compostos inorgânicos, dióxido de carbono e/ou metano e biomassa (2). O poliestireno (PS) é um polímero termoplástico, facilmente sintetizado, processado e reciclado. É relativamente resistente à degradação, entretanto, possui baixa resistência ao impacto. Para certas aplicações o poliestireno necessita ser tenacificado (5). Já a Poli(ɛ-caprolactona) (PCL) é um poliéster biodegradável que possui características específicas, tais como, baixo ponto de fusão, baixa resistência mecânica e capacidade para a formação de um vasto leque de misturas, tanto compatíveis quanto incompatíveis, o torna a PCL um dos componentes preferidos em estudos teóricos e fundamentais de blendas (2,5,6). Portanto, o objetivo deste trabalho é estudar as propriedades mecânicas e termomecânicas de blendas de poliestireno/poli(ɛ-caprolactona) visando melhorar o seu desempenho. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Foram utilizados o Poliestireno cristal PS 145D de I.F= 17 g/10 min (200 C/ 5 Kg), densidade=1,04 g/cm 3, fornecido pela Unigel S.A. A Poli(ɛ-caprolactona) PCL, CAPA 6500, I.F= 7 g/10 min (160 C/ 2,16 Kg), fabricada pela Perstorp Winning Fórmulas. As composições foram processadas com incrementos de 25% (m/m) de PCL na matriz de PS, ou seja, composições 75/25 e 50/50 PS/PCL, respectivamente, em uma extrusora dupla rosca corrotacional Coperion ZSK 18K com perfil de temperatura de 180 C 200 C, velocidade da rosca a 250 rpm e taxa de alimentação de 4kg/h. O material foi granulado e seco em estufa à vácuo durante 24h. As blendas obtidas por extrusão foram moldadas por injeção em uma injetora Fluidmec, modelo H3040. Caracterizações O ensaio de tração foi realizado numa máquina universal de ensaios EMIC DL 2000 de acordo com a norma ASTM D

3 Os corpos de prova foram entalhados em entalhador Ceast, com profundidade de 2,54 ± 0,1 mm, (norma ASTM D256) e submetidos ao ensaio de impacto Izod em um equipamento Ceast, modelo Resil 25. A temperatura de deflexão térmica (HDT) foi obtida conforme a norma ASTM D 648 em um equipamento Ceast, modelo HDT 6 VICAT P/N , pertencente a UFSCar, com uma tensão de 1800 KPa para o PS puro e suas blendas e 455 KPa para a PCL pura, taxa de aquecimento de 120 C/h, utilizando o óleo de silicone como meio de imersão. RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaio mecânico de tração As Figs. 1 a 3 apresentam as propriedades mecânicas obtidas do PS puro versus teor de PCL nas blendas. Observa-se para os poliestirenos puros, que os valores do módulo de elasticidade e alongamento até a ruptura representam valores característicos de polímeros frágeis e, com baixa deformação. Já a PCL pura apresentou baixo valor de módulo e um elevado valor de alongamento, não rompendo durante o ensaio. O ensaio foi interrompido devido ao equipamento alcançar o seu deslocamento máximo, correspondendo a um alongamento de > 418% para a PCL. Esse comportamento é característico de materiais com propriedades dúcteis a temperatura ambiente. Os resultados da PCL pura corroboram com estudos de Simões et al. (7). Com a adição e o aumento do teor de PCL aos poliestirenos, verifica-se que os valores do módulo de elasticidade e tensão máxima diminuíram consideravelmente, ficando mais próximos aos valores da PCL pura, Figs. 1 a 3, respectivamente. Já, os resultados de alongamento até a ruptura não aumentaram significativamente quando comparado a matriz polimérica de PS puro. Esse declínio das propriedades mecânicas em tração quando o percentual de PCL é aumentado ocorre em função da fraca adesão entre a PCL e a matriz de PS na blenda, indicando uma incompatibilidade (8). 7070

4 Tensão Máxima (MPa) Módulo de elasticidade (GPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0, Teor de PCL no PS (%) Fig. 1: Módulo de elasticidade versus teor de PCL no PS Teor de PCL no PS(%) Fig. 2: Tensão máxima versus teor de PCL no PS. 7071

5 Alongamento até a ruptura (%) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais ,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4, Teor de PCL no PS (%) Fig. 3: Alongamento até a ruptura versus teor de PCL no PS. Resistência ao impacto A Tab. 1 apresenta os valores para a resistência ao impacto do PS puro, blendas e PCL pura. É possível verificar para a PCL pura uma excelente resistência ao impacto, o que se deve ao seu comportamento dúctil. No entanto, observa-se que a adição, assim como também o aumento do teor da PCL nas blendas com a matriz de PS provocou um aumento pouco significativo na resistência ao impacto destas. Tab. 1: Resistência ao impacto para o PS puro, blendas e PCL pura. Composições Resistência ao impacto (J/m) PS 18,03 ± 0,82 PS/PCL (75/25) 18,92 ± 0,75 PS/PCL (50/50) 18,71 ± 1,09 PCL 239,0 ± 9,9 Em geral, os resultados de resistência ao impacto para as blendas não seguiram uma relação linear crescente entre os valores de PS e PCL. O que pode indicar a fraca adesão entre as fases e consequentemente, incompatibilidade entre os componentes da blenda. 7072

6 Temperatura de deflexão térmica (HDT) A Tab. 2 ilustra os valores de temperatura de deflexão térmica para o PS puro, blendas e PCL pura. Verifica-se que a adição da PCL ao poliestireno diminuiu a HDT do mesmo, ainda também se constata que a cada aumento de 25% de PCL nas blendas os valores de HDT diminuem na ordem de 10 C e, com 50% de PCL nas misturas temse uma diminuição acima de 20 C na temperatura, quando comparado ao poliestireno puro. Uma vez que a PCL é um polímero que apresenta alta flexibilidade, devido ao seu baixo valor de T g, observa-se um efeito plastificante da PCL no PS, tornando-o mais flexível e gerando com isso uma perda no comportamento avaliado por HDT. Tab. 2: Valores de HDT para o PS puro, blendas e PCL pura. Composições HDT ( C) PS145D 74,1 ± 0,9 PS/PCL (75/25) 65,6 ± 1,8 PS/PCL (50/50) 53,3 ± 0,06 PCL 41,5 ± 1,9 CONCLUSÕES Blendas de poliestireno/poli(ɛ-caprolactona) foram desenvolvidas e as propriedades mecânicas e termomecânicas das mesmas foram estudadas. A partir dos resultados obtidos pode-se concluir que blenda PS/PCL pode ser caracterizada como imiscível e incompatível, uma vez que os valores de suas propriedades mecânicas e termomecânicas foram em geral, inferiores a matriz de poliestireno puro, o que pode ter sido principalmente em função da fraca adesão entre o PS e a fase dispersa da PCL nas blendas. Portanto, torna-se necessária a ação de um compatibilizante que reduza a tensão superficial entre as fases poliméricas e, consequentemente, melhore a adesão interfacial. 7073

7 AGRADECIMENTOS Os autores ao Laboratório de Engenharia de Materiais/CCT/UFCG, Lab. Pol. Departamento de Engenharia de Materiais/UFSCar, a PPG-CEMat/UFCG e ao MCT/CNPq e CAPES pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS 1. MORACZEWSKI, K. Characterization of multi-injected poly(ε-caprolactone). Polymer Testing, v.33, p , KOLYBABA, M.; TABIL, L. G.; PANIGRAHI, S.; CRERAR, W. J.; POWELL, T.; WANG, B. Biodegradable polymers: Past, Present, and Future. ASAE, p CASARIN, S. A.; AGNELLI, J. A. M.; MALMONGE, S. M.; ROSÁRIO F. Blendas PHB/Copoliésteres Biodegradáveis Biodegradação em Solo. Polímeros: Ciência e Tecnologia, FRANCHETTI, S. M. M.; MARCONATO, J. C. Polímeros biodegradáveis Uma solução parcial para diminuir a quantidade dos resíduos plásticos. Química Nova, v.29, n.4, p , COUTINHO, F. M. B.; COSTA, M. P. M.; GUIMARAES, M. J. O. C.; SOARES, B. G. Estudo Comparativo de Diferentes Tipos de Polibutadieno na Tenacificação de Poliestireno. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.17, n.4, p , LABET, M.; THIELEMANS, W. Synthesis of polycaprolactone: a review. Chemical Society Reviews. v.38, p , SIMÕES C. L.; VIANA, J. C.; CUNHA, A. M. Mechanical Properties of Poly(ecaprolactone) and Poly(lactic acid) Blends. Journal of Applied Polymer Science, v. 112, p , FERREIRA, L. A. S.; PESSAN, L. A.; HAGE JÚNIOR, E. Comportamento mecânico e termo-mecânico de blendas poliméricas PBT/ABS. Polímeros: Ciência e Tecnologia. São Carlos, v.7, n.1, p.67-72,

8 EVALUATION OF MECHANICAL AND THERMO-MECHANICAL PROPERTIES OF POLYSTYRENE/POLYCAPROLACTONE BLENDS ABSTRACT In recent years, considerable effort has been devoted to developing polymers which have low production cost and which can be degraded by microorganisms, bacteria and fungi. Polystyrene/polycaprolactone blends were extruded and injected with increments of 25% (wt) PCL in the PS matrix. The tensile mechanical properties shows that the addition and increasing of PCL content in polystyrene to decreased the modulus and strength at break without, however, significantly increase the elongation at break of the blends. The impact strength of the blends has not increase significantly. The HDT of blends decreased with increasing of the PCL. Results indicate that the PS/PCL blends are immiscible and incompatible, suggesting the need for a compatibilizer. Keywords: blends, polystyrene, poly(caprolactone), mechanical properties. 7075