ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À ABRASÃO DE POLIETILENOS DE ULTRA - ALTO PESO MOLECULAR (PEUAPM) COM ABRASÍMETRO DE QUEDA DE AREIA

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1 ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À ABRASÃO DE POLIETILENOS DE ULTRA - ALTO PESO MOLECULAR (PEUAPM) COM ABRASÍMETRO DE QUEDA DE AREIA Valmir R. Batista 1*, Humberto P. A. Filho 2, Humberto T. Cunha 3 1* Universidade Federal de Campina Grande - UFCG, Campus de Campina Grande, Campina Grande PB valmir5@yahoo.com.br 2 Centro de Tecnologia e Inovação CTI Braskem Unidade de Poliolefinas Camaçarí BA 3 Centro de Tecnologia e Inovação CTI Braskem Unidade de Poliolefinas Camaçarí - BA O Índice de Abrasão é uma propriedade de grande importância para os grades de PEUAPM (Polietileno de ultra alto peso molecular) devido as aplicações desses materiais. Dependendo do produto, este pode ser submetido a diversos tipos de desgaste. No CTI da PE-2 o equipamento disponível para realização deste ensaio utiliza a metodologia de ensaio Sand slurry (desgaste por rotação em um banho de lama de areia). Com o intuito de auxiliar na discussão sobre a comparação de desgaste por abrasão em determinadas aplicações foi adquirido pela PE-2 um abrasímetro modelo CSI-227 que utiliza a metodologia de ensaio Dry sand / Rubber wheel (queda de areia seca / roda de borracha). Esta se destaca também pelo fato de que demanda pouco tempo em relação aos outros equipamentos. Neste contexto foram feito vários teste, tendo com base a norma ASTM G65-04 para a validação de tal equipamento que serão discutidos no decorrer do relatório. Verificaram-se resultados mais coerentes quando se usa uma carga de 5 Lb além de uma boa correlação dos resultados entre os dois modelos de abrasímetro para os materiais ultra alto peso molecular. Palavras-chave: Resistência à abrasão, Abrasímetro, Queda de areia, PEUAPM, UHMWPE, ASTM G Study of abrasion properties of UHMWPE using Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus We have just acquired a new equipment to perform abrasion testing based on dry sand/rubber wheel that will help us to identify difference among several grades of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). The wear resistance property of UHMWPE is very important because it can define the final application of the material. In this work we have tested three grades of commercial UHMWPE produced by BRASKEM and made comparison with concurrent material. The procedure was based on the ASTM G65-04 using different conditions described on the paper. The results showed difference among grades of UHMWPE, as expected, when we have used the condition with 5 Lb. We also made comparison with sand/slurry equipment and we have obtained good correlation between these equipments. Keywords: Wear resistance, Dry sand/rubber wheel, UHMWPE, ASTM G Introdução O crescente desenvolvimento tecnológico e a competitividade do mercado estão exigindo cada vez mais materiais com melhor desempenho associado à leveza e baixo custo. Hoje em dia as indústrias concorrem não só com outras do mesmo ramo, mas também com as indústrias que fabricam outros tipos de materiais, por exemplo, as siderurgias ganham agora concorrentes como a indústria petroquímica devido ao fato de que as petroquímicas estão cada vez mais investindo em pesquisas que proporcionam o desenvolvimento de materiais poliméricos de alto desempenho que podem substituir os metais em várias aplicações. Bons exemplos disso são engrenagens de aço e próteses de liga de titânio em que suas matérias primas podem ser substituídas por polietileno de ultra-alto

2 peso molecular que é um material mais leve, de menor custo e com ótimas propriedades de abrasão, fricção e resistência mecânica. Apesar da crescente utilização de polímeros em aplicações que exigem boas propriedades de abrasão, o fenômeno de abrasão ainda é pouco entendido devido à escassez de estudos voltados a comparação de técnicas de ensaio de abrasão e mecanismos de abrasão. O desgaste abrasivo pode ocorrer ou se manifestar de várias formas, vários fatores podem estar por traz desse fenômeno, tais como a natureza físico-química dos diferentes materiais, superfícies e interfaces envolvidas, tais como polaridade e rugosidade e a possível presença de substâncias como lubrificantes ou matérias desconhecidas [1]. São vários os métodos de ensaios que medem o desgaste dos materiais em diversas condições de ensaio como mostra o estudo de alguns autores [2]. Por exemplo, se podem citar os ensaios: desgaste por rotação em um banho de lama de areia (Sand-slurry), queda de areia seca / roda de borracha (Dry sand / Rubber wheel), desgaste através da rotação de uma esfera de Carboneto de Tungstênio e um fluido abrasivo (Mico-scale Abrasive-wear Test) e desgaste através do contato com um disco de aço inoxidável em rotação (Pin-on-disc Test). No presente trabalho foram feitas comparações de resultados obtidos em diferentes abrasímetros, esses utilizam diferentes métodos de ensaios (Sand-slurry e Dry sand / Rubber wheel). Ambos os métodos de ensaio foram realizados de acordo com as recomendações das normas específicas para cada ensaio [3, 4]. O método de ensaio Dry sand / Rubber wheel abrange procedimentos laboratoriais para a determinação da resistência à abrasão de materiais metálicos, como por exemplo, na determinação da resistência ao desgaste abrasivo de revestimentos soldados em componentes utilizados na indústria sucroalcooleira [5]. No entanto esse procedimento vem sendo usado também para materiais poliméricos. Por essa razão que é interessante a comparação dos resultados desse método de ensaio com um método tradicional (Sand-slurry). Experimental O teste consiste na rotação de uma roda com superfície de borracha pressionando o corpo de prova e com um fluxo de areia entre a roda e o corpo de prova (Figura 1). Coleta-se a massa inicial e final e calcula-se a perda de massa, e então esse resultado é convertido em perda de volume devido a diferença de densidade entre os materiais. A Equação 1 foi utilizada para o cálculo do volume perdido de acordo com a norma ASTM G A Equação 2 foi utilizada para o cálculo do Índice de abrasão. Δm ΔV = 1000 d (1)

3 Onde ΔV é o volume perdido em (mm3), Δm é a perda de massa em (g) e d é a densidade do material testado em (g/cm 3 ). Δm IA = a 100 Δm r (2) Onde Δm a é a perda de massa em (g) da amotra e Δm r é a perda de massa em (g) da referência. Para a validação do abrasímetro CSI-227, tomou-se como base a Norma ASTM G65-04 para a realização dos testes utilizando o procedimento B que é o recomendado para materiais de média resistência à abrasão. Utilizou-se uma areia de especificação AFS 50/70 de acordo com a norma ASTM G Os materias testados foram Amostra A (M n 6x10 6 g/mol, d=0,926g/ cm 3 ), Amostra B (M n 3x10 6 g/mol, d=0,926g/ cm 3 ), Amostra C (M n 4x10 6 g/mol, d=0,926g/ cm 3 ), Amostra D (M n 5x10 5 g/mol, d=0,950g/cm 3 ). Os materiais das amostras A, B e D são de um fabricante diferente da material da Amostra C. As cargas utilizadas para os testes foram de 5, 10 e 15 libras respectivamente. De acordo com o procedimento B a frequência de rotação da roda de borracha é de 200 rpm e o número total de rotações é de 2000 rotações, totalizando 10 minutos de teste para cada amostra e manteve-se uma vazão de areia de 350 g / min, como recomenda a norma. Figura 1 Foto do Abrasímetro CSI-227 Resultados e Discussão As Tabelas 1 e 2 abaixo mostram os resultados obtidos durante os testes de validação do Abrasímetro CSI-227, com cargas de 5 e 10 libas respectivamente. Não foi possível obter resultados

4 coerentes utilizando carga de 15 libras, visto que, a severidade do atrito é tal que o material aquece a ponto de fundir. TABELA 1 Resultados de abrasão CARGA: 5,0 libras MATERIAL Massa Perdida Volume perdido (mg) (mm 3 ) Amostra A 55,8 60,2 Amostra B 61,4 66,3 Amostra C 65,3 70,5 Amostra D 72,4 76,2 TABELA 2 - Resultados de abrasão CARGA: 10,0 libras MATERIAL Massa Perdida Volume perdido (mg) (mm 3 ) Amostra A 72,2 78,0 Amostra B 72,3 78,1 Amostra C 91,2 98,5 Amostra D 140,7 148,1 A Figura 2 mostra o comparativo de resultados do novo abrasímetro CSI-227 com cargas de 5 e 10 libras respectivamente. Nesse gráfico, assim como nas tabelas 1 e 2, percebe-se uma melhor diferenciação entre os materiais da amostra A e B utilizando 5 libras como carga no ensaio. Quando se utiliza carga de 10 libras temos resultados praticamente iguais de volume perdido para esses materiais, ou seja, neste caso o ensaio perde a sensibilidade para diferenciá-los. No entanto para materiais de peso molecular mais baixo como na amostra D são mais bem evidenciados utilizando carga de 10 libras como mostra os valores de volume perdido na Tabela 2.

5 Volume perdido (mm3) ,1 98,5 78,0 78,1 60,2 70,5 76,2 66,3 Amostra A Amostra B Amostra C Amostra D 5 libras 10 libras Material Figura 2 Comparação dos resultados de abrasão em volume perdido. Na Figura 3 pode se comparar os resultados do abrasímetro modelo CSI-227 que utiliza a metodologia de queda de areia seca com o abrasímetro modelo OKS que utiliza a metodologia de desgaste por rotação em um banho de areia e água. Os resultados do abrasímetro modelo OKS são dados em termos de Índice de Abrasão, por isso todos os resultados foram convertidos em Índice de abrasão. Índice de abrasão Amostra A Amostra B Amostra C Amostra D 5 libras 10 libras Abrasímetro OKS Material Figura 3 Comparação dos resultados de abrasão dado em Índice de Abrasão. De acordo com os resultados do gráfico da Figura 3, existe uma tendência de os Índices de Abrasão para as resinas da amostra A, B e C seguirem o mesmo comportamento tanto no Abrasímetro OKS como no CSI-227 utilizando-se 5 libras de carga. Note que a perda de massa e portanto o Índice de abrasão para esses materiais não é proporcional ao Mn do polímero, por exemplo, a Amostra C tem Mn maior que a Amostra B, porém um desgaste por abrasão maior. Isso se deve ao fato que o material da Amostra C é de um fabricante diferente das outras amostras e portanto originados de tecnologias de produção distintas. Porém para as amostras A, B e D podemos dizer que o desgaste por abrasão é proporcional ao peso molecular.

6 Para a Amostra D foi observada uma grande diferença no Índice de abrasão entre as duas técnicas. Acredita-se que essa grande diferença está relacionada ao menor peso molecular da Amostra C em relação as outras amostras e a diferença no mecanismo de desgaste utilizado entre as duas técnicas. Ou seja, para materiais de menor peso molecular a técnica Sand slurry torna-se mais severa que a técnica Dry sand / Rubber Wheel. Conclusões De acordo com os testes feitos até então se pode concluir que: Os testes feitos com carga de 5 libras apresentam resultados mais satisfatórios, pois utilizando carga de 10 libras não é possível distinguir os materiais com peso molecular mais alto (amostra A e B). Além disso, o teste feito com carga de 5 libras proporciona uma vida útil da roda de borracha maior que com 10 libras de carga. Não é viável fazer o teste utilizando carga de 15 libras, pois a severidade do atrito é tal que o material aquece a ponto de fundir. Comparando os resultados dos dois abrasímetros percebe-se uma mesma tendência, resultados semelhantes quando utiliza-se uma carga de 5 libras. Agradecimentos A Braskem por ter cedido o Laboratório do Centro de Inovação e Tecnologia PE2 com todos os seus aparatos tecnológicos, além do fornecimento de todo o material para teste. Referências Bibliográficas 1. I.M. Hutchings, in Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, 2 nd ed., Arnold, London, J.F Visjager, Tese de Doutorado, Swiss Federal Institute of Technology Eidgenössische Technische Hochschule, ETH, Zürich, ASTM International, Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus, Designation G65-04, United States, ISO / DIS 15527, Plastics Compression-molded sheets of polyethylene (PE-UHMW, PE-HD) Requirements and test methods, R. Ribeiro; J. Gallego; V. A. Ventrelha, XXXI CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem

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