PROPRIEDADES DINÂMICO-MECÂNICAS DE ELASTÔMEROS TERMOPLÁSTICOS A BASE DE PÓ DE PNEU RECICLADO

Transcrição

1 PROPRIEDADES DINÂMICO-MECÂNICAS DE ELASTÔMEROS TERMOPLÁSTICOS A BASE DE PÓ DE PNEU RECICLADO Maria Elena Leyva 1*, Márcia G. Oliveira 2, Marisa C. G. Rocha 3, Maria Madalena C. Forte 4 1 Depto. Física - Química, Instituto de Ciências Exatas da UNIFEI, CEP , Itajubá/MG mariae@unifei.edu.br; 2 Divisão de Processamento e Caracterização de Materiais - Instituto Nacional de Tecnologia (DPCM-INT) marciago@int.gov.br; 3 Instituto Politécnico da UERJ - mrocha@iprj.uerj.br ; 4 UFRGS DEMAT mmcforte@ufrgs.br Dynamic Mechanical Properties of Thermoplastic Elastomers Based on Recycled Ground Tire Rubber The blend of ground tire rubber (GTR), ethylene and 1-octene copolymer (POE) with different octylene content (Engage 83, 81, 848) and linear low density polyethylene (LLDPE) was performed by melt-mixing in a corotating twin-screw extruder. The dynamic mechanical results revealed that higher values of elastic modulus were obtained by the addition of GTR, as a function of its rigidity. However, the partial substitution of GTR by POE decreased these values as a consequence of POE elastomeric characteristics. Finally, the tensile properties were considerable improved by adding only 5% of POE to LLDPE/PBP 5/45 blends., suggesting that POE act as a compatibilizer and can actually improve the dispersion of GRT in LLDPE matrix.. Introdução Os elastômeros termoplásticos (TPE) constituem uma nova família de materiais, caracterizados por conjugar as vantagens dos materiais termoplásticos e elastoméricos. Assim, os TPEs apresentam propriedades mecânicas comuns aos elastômeros, além de serem processados e reprocessados com a mesma facilidade que os polímeros termoplásticos (1). TPEs preparados a partir da incorporação de resíduos de elastômeros proveniente de pneus em polímeros termoplásticos podem exibir propriedades semelhantes aos TPEs comercializados e preparados a partir da vulcanização dinâmica do elastômero virgem disperso na matriz termoplástica (2). No entanto, a incorporação de pó de pneu (PBP) em polímeros termoplásticos tem freqüentemente resultado em materiais com propriedades mecânicas insatisfatórias, em função da separação de fases durante a mistura e da fraca interação interfacial entre as partículas de PBP e a matriz termoplástica. Para solucionar este problema alguns métodos têm sido desenvolvidos, dentre os quais se destacam: desvulcanização parcial da borracha de pneu, adição de elastômero virgem e compatibilização reativa (2). Este trabalho tem por objetivo avaliar as propriedades dinâmico-mecânicas de um material com características de elastômero termoplástico constituído pelo polietileno linear de baixa densidade () e pó de pneu (PBP). Para melhorar as propriedades mecânicas da mistura /PBP foram adicionados diferentes grades do copolímero de etileno e 1-octeno (POE). Experimental

2 Materiais O polietileno linear de baixa densidade () utilizado foi à resina termoplástica FL-31, fornecida pela Politeno Brasil. O pó de pneu (PBP) com tamanho médio de partícula de 4 mesh foi fornecido pela empresa ArtGoma do Brasil Ltda. O polímero com características elastoméricas utilizado para melhorar as propriedades finais da mistura /PBP foi o copolímero de etileno e 1-octeno (POE), que também pertence família dos copolímeros etileno-α-olefina e contém ramificações curtas (6-carbonos). Neste trabalho foram utilizados 3 grades de POE com diferentes teores do co-monômero 1-octeno: Engage 848, 83, e 81 fornecidos pela Dow Elastomer. A Tabela I apresenta as principais características destes materiais. Em todas as misturas foi adicionado o agente antioxidante Irganox B215 fornecido pela Ciba Especialidades Químicas Ltda. Tabela I. Principais características dos polímeros utilizados no trabalho Material Propriedades Fornecedor MFI (g/1 min) ρ (g/cm 3 ) Tg ( C) Tm ( Tc ( C) σ (MPa) ε (%) 2,3, , 97 Grade FL-31 (Politeno Brazil) POE2 1,, ,8 66 Grade Engage 848 (Dow Elastomer) conteúdo de 1-octeno 2% POE3 1,, ,2 64 Grade Engage 83 (Dow Elastomer) conteúdo de 1-octeno 3% POE38 1,, ,7 81 Grade Engage 81 (Dow Elastomer) conteúdo de 1-octeno 38% Preparação das misturas As misturas foram preparadas em extrusora de dupla rosca co-rotacional interpenetrante, fabricada pela Extrusão Brasil, modelo DCR 2:36. Os materiais processados foram previamente secos a vácuo por 24 horas a 7 C. O PBP e os diferentes grades de POE foram misturados ao nas seguintes composições /PBP/POE 5//5, 5/25/25, 5/35/15, 5/45/5, 5/5/, tomando-se como base de cálculo o percentual em massa. A alimentação dos materiais foi realizada em uma única etapa na extrusora. O processo de extrusão foi realizado com perfil de temperatura de 6, 21, 225, 225, 22 C e rotação da rosca de 35 rpm. O material extrusado foi resfriado em banho de água e posteriormente granulado. As amostras úmidas foram secas durante 48 horas a 7 C. Caracterização mecânica Os corpos de prova utilizados para determinação da resistência à tração foram preparados por injeção a 2 C com pressão de 4 bar, com molde à temperatura ambiente. Os ensaios de tração foram realizados segundo norma ASTM D-638, utilizando máquina de ensaio EMIC modelo DL 2, com velocidade de separação de garras igual a 1 mm/min. As análises dinâmico-mecânicas foram realizadas em equipamento da TA Instruments modelo DMA

3 298. As amostras com dimensões de 35, x 12,35 x 3,2 mm foram analisadas na faixa de temperatura de -1 até 15 C, com taxa de aquecimento igual a 3 C/min e freqüência de 1 Hz. Resultados e Discussão O comportamento do módulo elástico (E ) ao longo da faixa de temperatura em função da adição do copolímero de etileno-1-octeno (POE) às misturas /PBP é apresentado na Figura 1. Na região compreendida entre -8ºC a -4ºC o exibe maior valor de módulo elástico quando comparado ao Engage 848 ou 83. O é um copolímero de etileno-1-buteno com ramificações etílicas curtas (2 carbonos), manifestando um comportamento típico de polímero termoplástico. Em contrapartida, o POE puro apresenta os menores valores de módulo elástico. Os copolímeros de etileno-1-octeno com teores de co-monômero superiores a 2% apresentam propriedades semelhantes aos materiais elastoméricos convencionais, devido à presença de ramificações longas e ao alto teor de 1-octeno incorporado (3). Com relação aos grades de Engage selecionados, 848 e 83, nota-se uma diferença nos valores de módulo elástico em temperaturas inferiores a ºC, que pode ser atribuída ao tipo ou teor de co-monômero, ou seja, o comprimento das ramificações e o teor de co-monômero determinam as propriedades do produto. Conforme descrito na Tabela I ambos os grades são copolímeros de etileno-1-octeno, diferindo apenas quanto ao teor de 1-octeno. O Engage 83 apresenta o maior teor de co-monômero incorporado, manifestando assim maior caráter elastomérico, como evidenciado na curva de DMA pelos menores valores de módulo elástico. A introdução do pó de pneu na matriz de acarreta um aumento nos valores de E, principalmente em temperaturas inferiores a -4ºC, em decorrência do aumento da rigidez do sistema, conferida pelo pó de pneu constituído por partículas inorgânicas e borracha reticulada (4). Tais valores são gradativamente reduzidos de acordo com a inserção do POE, independente do grade selecionado. Este comportamento condiz com o caráter elastomérico desse copolímero.

4 E' (MPa) Engage 848 /Engage 848 /Engage848/PBP 5/25/25 /Engage848/PBP 5/15/ (a) E' (MPa) Engage 83 /Engage83/PBP 5/25/25 /Engage83/PBP 5/15/ (b) Figura 1 Comportamento de E versus Temperatura para as composições contendo (a) Engage 848 e (b) Engage 83 à freqüência de 1 Hz. O comportamento do fator de amortecimento (tan δ) ao longo da faixa de temperatura em função da adição do copolímero de etileno-1-octeno (POE) às misturas /PBP é apresentado na Figura 2. Na faixa de temperatura estudada o apresenta duas relaxações, que podem ser chamadas de transições α e β. O pico α apresenta ponto máximo em torno de 8ºC e pode ser atribuído à fase cristalina. A relaxação β ocorre entre -4ºC e 2ºC, sendo associada às ramificações (5). O copolímero de etileno-1-octeno, Engage 848 e 83, também apresenta duas relaxações. Contudo, as intensidades das transições α e β são contrárias ao observado para o, o que é explicado pelas diferenças de tipo e teor de co-monômero. No caso da transição β o maior tamanho da cadeia de octeno acarreta um aumento da região interfacial entre os domínios cristalinos e amorfos do POE, intimamente relacionada com essa transição. Na mistura /POE 5/5 o pico α do se desloca para valores mais baixos, devido às características elastoméricas conferidas pelo POE. Todavia, a incorporação do pó de pneu

5 desloca este pico para valores mais altos, principalmente quando o Engage 848 está presente na mistura. A curva relativa à mistura revela que a Tg do pó de pneu, em torno de - 4ºC, aproxima-se bastante da transição β do Engage 83, mostrando que o maior caráter elastomérico deste copolímero facilita a incorporação do pó de pneu na matriz termoplástica, agindo como um agente compatibilizante eficaz. Evidentemente, há uma aproximação maior da faixa de transição vítrea do pó de pneu com a transição α do, especialmente na presença do copolímero Engage 83.,35,3,25,2 Engage 848 /Engage 848 /Engage848/PBP 5/25/25 /Engage848/PBP 5/15/35 Tan δ,15,1,5, (a),35,3,25 Engage 83 /Engage83/PBP 5/25/25 /Engage83/PBP 5/15/35,2 Tan δ,15,1,5, (b) Figura 2 Comportamento de Tanδ versus Temperatura para as composições contendo (a) Engage 848 e (b) Engage 83 à freqüência de 1 Hz.

6 A Figura 3 reúne os resultados encontrados para o ensaio de tração. É interessante notar que a substituição de 5% do PBP pelo POE (Engage 81, 848 e 83) melhora de forma notável as propriedades de resistência à tração. Além disso, cabe ressaltar que os melhores valores foram obtidos com a adição do Engage 83, confirmando as tendências observadas anteriormente nas propriedades dinâmico-mecânicas. Estes resultados sugerem que o copolímero de etileno-1-octeno (POE) atua como agente compatibilizante na mistura /PBP. Resistência à tração na ruptura (MPa) Deformação na ruptura (%) /Eng81/PBP 5/5/45 /Eng83/PBP 5/5/45 /Eng848/PBP 5/5/45 /PBP 5/5 Figura 3- Propriedades mecânicas das misturas /Engage/PBP 5/5/45 &. Conclusões O comportamento descrito pelas curvas da análise dinâmico mecânica demonstra que os copolímeros de etileno-1-octeno (POE) atuam como agentes compatibilizantes na mistura /PBP, observando-se um maior efeito compatibilizante para o grade Engage 83, que também possui maior caráter elastomérico. Os resultados das propriedades mecânicas permitem concluir que o reaproveitamento do pó de pneu (PBP) em composições de elastômeros termoplásticos, utilizando como matriz termoplástica, é viável e não compromete as propriedades do produto final, principalmente para aquelas contendo 45% de PBP. A adição dos diferentes grades de Engage favoreceu consideravelmente as propriedades mecânicas da mistura /PBP. Agradecimentos Os autores agradecem ao Programa de Desenvolvimento Cientifico Regional (DCR), Processo. No. E-26/ /25 & E-26/ /25, CNPQ e FAPERJ pelo auxílio financeiro

7 Referências Bibliográficas 1. Coran, A. Y. Thermoplastic Rubber-Plastic Blends. In: Bhowmick, A.K.; Stephens H. L. (Ed) Handbook of Elastomers. Marcel Dekker, INC., New York, Grigoryeva, O.P.; Fainleib, A.M.; Tolstov, A.L.; Starostenko, O.M.; Brostow, W. Thermoplastic Elastomers from rubber and recycled polyethylene: chemical reactions at interphases for property enhancement, EUA, Polymer International, vol. 53, p , Yano, A.; Akimoto, A. Metallocene-catalysed Polymers. In: Bendikt, G.; Goodall, B.L. (Ed) Materials, Properties, Processing, Processing and Markets. Plastic Design Library, New York, Kumar, C.R.; Fuhrmann, I; Kocsis, J.K. LDPE-based thermoplastic elastomer containing ground tire rubber with and without dynamic curing, Polymer Degradation and Stability, vol. 76, p , Starck, P. Dynamic mechanical thermal analysis on ziegler-natta and metallocene type ethylene copolymers, European Polymer Journal, vol. 33, p , 1997.