INFLUÊNCIA DO TEOR DE PEAD NAS PROPRIEDADES TERMOMECÂNICAS DE BLENDAS TERNÁRIAS POLIOLEFÍNICAS

Transcrição

1 INFLUÊNCIA DO TEOR DE PEAD NAS PROPRIEDADES TERMOMECÂNICAS DE BLENDAS TERNÁRIAS POLIOLEFÍNICAS Souza, R. R.¹; Ferreira, R. L. R.¹; Fagundes, E. C. M.¹; Santana, R. M. C.² R. Bútia, Cohab, 15, Sapucaia do Sul RS. ¹IFSUL Campus de Sapucaia do Sul, RS ²Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS RESUMO Materiais com propriedades específicas são tema de inúmeros estudos. As blendas poliméricas geram materiais com diferentes aplicações, pois a mistura mecânica de dois ou mais polímeros possibilita combinar características de cada componente. Esta pesquisa objetiva avaliar a influência da adição de diferentes teores de PEAD nas propriedades termomecânicas de filmes produzidos em processo por compressão térmica em blendas ternárias. Para a composição das blendas utilizou-se: PELB, PEBD e PEAD, processados numa prensa térmica com composições mássicas distintas de aproximadamente PELBD/PEBD/PEAD: 71/24/5 e 60/20/20. A caracterização dos filmes ocorreu por ensaios de tração e de calorimetria exploratória diferencial (DSC). Os resultados obtidos pelo desempenho mecânico mostram a influência do teor de PEAD no aumento da resistência mecânica dos filmes, enquanto o ensaio térmico avaliou o grau de cristalinidade das blendas. Palavras-Chave: PEAD; PELBD; PEBD; blendas poliméricas. INTRODUÇÃO O polietileno, PE, é obtido através da polimerização do etileno. Devido à sua alta produção mundial, possui baixo custo, tendo sua maior aplicação a produção de filmes (1). Neste trabalho foram utilizados três tipos de polietilenos: polietileno de alta densidade (PEAD), polietileno de baixa densidade (PEBD) e o polietileno linear de baixa densidade (PELBD). Para relatar suas propriedades devem-se analisar suas estruturas químicas. A figura 1 apresenta (2-6) um esquema simplificado das estruturas dos diferentes polietilenos. A presença de ramificações na estrutura molecular influencia a densidade e o grau de cristalinidade do polímero impactando em suas propriedades físicas e mecânicas. 7027

2 (a) (b) (c) Figura 1. Esquema de diferentes polietilenos: (a)pead, (b) PEBD, (c) PELBD (6). O PEAD não possui em sua estrutura química quantidades significativas de ramificações, exibindo uma cadeia linear, o que permite um elevado grau de cristalinidade, por não ter segmentos que impeçam sua organização, portanto tem um bom empacotamento das cadeias. Um melhor empacotamento de cadeias promove uma alta densidade e uma rigidez elevada. A densidade do PEAD está entre 0,94 a 0,97g/cm³. Devido a sua resistência mecânica e à corrosão, este polímero é utilizado em diversas aplicações, como: sistemas para contenção de líquidos, filmes aplicados para sacolas de sustentação de carga, engradados entre outras aplicações. A estrutura molecular da resina do PEBD contém concentrações expressivas de ramificações, as quais impedem um elevado grau de cristalinidade. Deste modo o PEBD tem como propriedade uma maior flexibilidade mecânica se comparada com o PEAD e também possui uma densidade relativamente baixa, entre 0,91 e 0,94 g/cm³. Estas propriedades propiciam que este polietileno seja adequado no processamento de filme tubular, aplicado principalmente na produção de embalagens. A estrutura do PELBD, de forma simplificada, pode ser relacionada como uma junção da presença da linearidade de cadeias do PEAD com as ramificações do PEBD em menor extensão. Este tipo de polietileno apresentará quantidades de ramificações que lhe permitirão ser mais flexíveis que o PEAD e mais rígido que o PEBD. As presenças de ramificações prejudicam o empacotamento das cadeias, que irá reduzir o nível de cristalinidade, ficando a densidade deste polímero entre 0,90 e 0,94g/cm³. 7028

3 Blendas Poliméricas A busca por um material que contenha propriedades específicas a determinadas aplicações vem sendo tema de inúmeros estudos. Análises realizadas com blendas poliméricas mostram que estas podem gerar materiais com diferentes aplicações, pois a mistura física de dois ou mais polímeros possibilita combinar características específicas de cada componente. Uma das finalidades fundamentais da utilização de blendas poliméricas é alcançar melhorias no custo/desempenho de produtos plásticos comerciais e na obtenção de características específicas para determinada utilização (2,3). Estruturalmente, as blendas poliméricas são classificas de acordo com a interação dos componentes a nível molecular: sistema miscível e sistema imiscível. O primeiro abrange somente uma fase, já o segundo apresenta mais de uma fase. O sistema miscível tem baixa incidência em blendas poliméricas enquanto o sistema imiscível acontece na maioria das misturas entre polímeros. As blendas poliméricas podem também ser parcialmente miscíveis. Como relatado por Mano, E. B. (3) a miscibilidade é função de três parâmetros: sua compatibilidade, a proporção relativa em que se encontram, e as condições de temperatura e pressão a que estão submetidos. A miscibilidade pode ser melhorada pela adição de um terceiro componente, que atua como agente compatibilizante. A compatibilidade é um termo bastante utilizado, onde apesar de não haver miscibilidade entre os polímeros, a mistura destes proporciona boas propriedades. Desta forma é capaz de atender a aplicações de um produto, sendo bastante utilizado a nível industrial (3). O presente estudo objetiva avaliar e relatar a influência da adição de diferentes teores de PEAD nas propriedades mecânicas de filmes produzidos por compressão de blendas ternárias de polietilenos. EXPERIMENTAL Materiais Para a composição das blendas foram empregados os seguintes materiais: PELBD, PEBD e PEAD, todos cedidos pela Petroquímica Braskem. A matriz polimérica base utilizada é constituída de 75% PELBD e 25% de PEBD onde 7029

4 ocorreu a incorporação de um terceiro componente 5% e 20% de PEAD. Na Tabela 1, apresentam-se as respectivas composições das blendas ternárias. Tabela1. Matérias-primas e teores de composição das blendas ternárias (% m/m). Fonte: Autor Poliolefina Código F1 (%) F2 (%) PELBD LH 0820/30AF 71,25 60,00 PEBD TX ,75 20,00 PEAD GF ,00 20,00 Processamento As blendas foram misturadas mecanicamente e processadas em reômetro de torque Haake (câmara de mistura) com temperatura de 180ºC e velocidade de rotação dos rotores de 62 rpm. Após este processo, a massa fundida obtida foi reduzida a um tamanho menor em um moinho de facas. Lâminas de blendas ternárias, com diâmetro de aproximadamente 180mm e com espessura média de 200µm, foram obtidas em equipamento de compressão térmica, marca Marconi. A compressão foi feita na temperatura de 180ºC, mantidas por 8 minutos (sem pressão), para permitir o escoamento do material, e posteriormente submetidos por 8 minutos à pressão de 444kgf/cm². A seguir as placas da prensa foram resfriadas, na taxa de 15 ± 2ºC/min, diminuindo a temperatura da amostra até alcançar a temperatura ambiente. Os corpos de prova para o ensaio de tração foram cortados em estampadora e suas espessuras foram medidas com espessímetro, marca Mitutoyo, modelo NO Caracterização A caracterização mecânica dos filmes ocorreu por ensaio mecânico de tração, na máquina de ensaios universal INSTRON modelo 3367, de acordo com a norma ASTM D882 (7), célula de carga de 1kN e velocidade de ensaio de 500mm/min. Para cada amostragem foram ensaiadas em média 10 corpos de prova (8). As temperaturas e entalpias de fusão e cristalização, bem como o grau de cristalinidade das amostras foram avaliadas utilizando-se um calorímetro diferencial exploratório (DSC), marca Perkin Elmer, modelo Pyris 6. As amostras (aproximadamente 10mg) foram submetidas a uma taxa de aquecimento de 7030

5 10ºC/min em atmosfera inerte (N 2 ), em um intervalo de 20 a 200 C, conforme norma ASTM D (10). RESULTADOS E DISCUSSÕES Na Figura 2 são demonstradas as curvas médias do ensaio de tração das duas blendas avaliadas, a amostra F2: PELBD/PEBD/ PEAD (60/20/20) apresentou um ligeiro aumento do módulo elástico e resistência na tração ao longo da zona de escoamento plástico. Figura 2. Curvas de tração versus deformação das blendas ternárias de PEAD. Fonte: Autor A Tabela 2 exibe um resumo dos resultados do ensaio de tração. As amostras não romperam durante os testes, portanto, a tensão de ruptura não foi avaliada. A tensão e a deformação no escoamento das amostras possuíram valores similares. O módulo de elasticidade, foi considerado a variável de maior representatividade mecânica, indicando que a blenda F2 mostrou valor um pouco superior (305 MPa), em comparação com a formulação F1 (296 MPa). Também foi observada uma maior resistência a tração na zona de escoamento plástico, onde para uma deformação de 599,3% foi de aproximadamente 12,3 MPa, já na blenda F1 foi de 11 MPa. Tabela 2. Dados obtidos dos ensaios de tração das amostras. Fonte: Autor Amostras Módulo (MPa) Escoamento Tensão a deformação 599,3% Blenda PEAD (%m/m) Tensão (MPa) Deformação (%) Tensão (MPa) F ,0±21,3 11,27±0,60 10,50±2,13 10,97±0,51 F ,2±26,5 12,66±0,47 8,73±1,18 12,28±0,

6 Na Figura 3 pode ser observado o comportamento térmico das blendas ternárias de acordo com o 2º aquecimento das amostras obtidas na análise de DSC, as do 1º aquecimento não serão relatadas por tratar-se de procedimento para apagar a história térmica dos materiais, não representativo para a análise. Figura 3. Curvas de fluxo de calor versus temperatura do 2º aquecimento das amostras. A figura 3 apresenta as blendas ternárias F1 e F2 com suas respectivas entalpias de fusão (ΔH f ) e temperatura de fusão (T f ). Observa-se um aumento do pico de fusão na blenda F2, o qual indica um aumento da cristalinidade da amostra, fato esperado pelo maior teor de PEAD nesta blenda. Este resultado pode ser quantificado pelo cálculo do percentual de cristalinidade (% Xc), onde utilizaram-se os valores de entalpia de fusão obtidos das curvas, relacionados aos valores das amostras 100% cristalinas, obtidos da literatura PEAD = 293J/g, PEBD = PELBD = 140J/g (9). Na Tabela 3 se encontram os dados obtidos através da analise de DSC, temperatura de fusão cristalina (Tf), variação de entalpia de fusão cristalina ( H f ), assim como %Xc calculado. Os resultados exibem aumento do grau cristalinidade da blenda F2, bem como uma maior entalpia de fusão. Tabela 3. Resultados obtidos das curvas de DSC do 2º aquecimento das blendas ternárias. Blenda T f - Temper. fusão (ºC) H f - Entalpia fusão (J/g) 2º aquecimento X C - % de cristalinidade F1 127,6 134,7 45,9% F2 129,6 145,5 49,6% 7032

7 A blenda ternária F1demonstrou uma curva endotérmica com pico de fusão definido a 127,6 C e percentual de cristalinidade de 46%. Enquanto, que a blenda F2 demonstrou um pico de fusão a 129,6 C e aproximadamente 50% de cristalinidade, resultado esperado, já que o PEAD é um polímero de maior cristalinidade e o aumento deste componente na blenda influenciará no acréscimo do percentual de cristalinidade. CONCLUSÕES Constatou-se, a partir dos resultados do ensaio mecânico de tração, um aumento no módulo de elasticidade para a blenda F2, que possui maior teor de PEAD, evidenciando a influência deste polímero na maior resistência mecânica a tração dos filmes. Este fato pode ser explicado, devido a este material ter uma boa resistência mecânica, incorporando assim sua propriedade na blenda ternária. Através do ensaio no DSC foi possível observar o comportamento de fusão cristalina das blendas poliolefínicas, bem como o grau de cristalinidade das amostras. Os dados mostraram que a composição F2 com 20% de PEAD apresentou respectivamente uma maior cristalinidade em comparação a F1, com 5% de PEAD, o que influencia em suas propriedades mecânicas, apresentando uma maior rigidez, fato que foi analisado pelos resultados obtidos pelo ensaio de tração. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPQ por conceder bolsa de iniciação científica e para todo núcleo profissional do IFSUL por seus apoios. REFERÊNCIAS 1. Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDS); (1997); Área de Operações Industriais Gerencia Setorial de Complexo Químico Relato Setorial Polietileno de Alta Densidade (PEAD). Disponível em:< quivos/conhecimento/relato/peadx.pdf> 2. Ferreira, R. L. R.; Rodrigues J. E. D.; Santana, R. M. C.; Estudo da Influência da Composição das Blendas de PEAD/PEBD na Estrutura e Propriedades de Filmes Tubulares; XX Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais CBECIMAT 2012; Joinville SC, Brasil; 2012; p , ISSN: X. 7033

8 3. Mano, Eloisa B.; Polímeros como materiais de engenharia; Sao Paulo: Edgard Blücher, c p. ISBN Callister, Willian D.; Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução; 7 Ed; Rio de Janeiro: LTC, White, James L; Choi, David D; Polyolefins : processing, structure development and properties; Munich: Hanser, Peacock, Andrew J.; Handbook of Polyethylene Structures, Properties and Applications; Marcel Dekker Inc.; 2000; ISBN: ASTM D882 12: Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting; Progelhof, R. C., Throne, J. L.; Polymer Engineering Principles: Properties, Process, Test for Design; Hanser: New York, Canevaloro Junior, Sebastiao Vicente (Edt.). Técnicas de caracterização de polímeros; Sao Paulo: Artliber, ASTM D : Standard Test Method for Transition Temperatures of Polymers By Differential Scanning Calorimetry; THE INFLUENCE OF DIFFERENT LEVELS OF PEAD IN TERMOMECHANIC PROPERTIES OF POLYOLEFINS TERNARY BLENDS ABSTRACT Materials with specific properties are a subject to a lot of studies. The polymeric blends can produce materials with different applications because the mechanic mixtures of two or more polymers allow to combination the characteristics of each element. This research has the objective to show the influence in the addiction of the different levels of HDPE on the thermo mechanic properties from produced films by thermal compression in the ternary blends. To the composition of the blends were used: (LDPE), (LLDPE) and HDPE, processed on a thermal press with different mass compositions of LLDPE/LDPE/HDPE: 71/24/5 and 60/20/20. The characterization was obtained by tensile test and differential scanning calorimetry (DSC). The results in the tests point out the HDPE influences on the increase of the mechanical resistance to traction on the films. Keywords: HDPE; LDPE; LLDPE; polymeric blends. 7034