EFEITO DO PROCESSAMENTO NO EXTRUDADO DE COMPÓSITOS DE TERMOPLÁSTICO COM PARTÍCULAS DE MADEIRA (WPC S)

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1 EFEITO DO PROCESSAMENTO NO EXTRUDADO DE COMPÓSITOS DE TERMOPLÁSTICO COM PARTÍCULAS DE MADEIRA (WPC S) COF Resumo: Dentre os métodos usados na fabricação de compósitos de matriz termoplástica tendo como fase dispersa partículas de madeira, o processo de extrusão é o mais largamente utilizado, em especial o uso de extrusora de rosca dupla corrotacional modular. Este tipo de equipamento permite variar a configuração da rosca, através da incorporação de diversos tipos de elementos, produzindo diferentes taxas de cisalhamento e tempo de residência o que pode promover diferentes níveis de mistura no polímero fundido. Neste trabalho usou-se uma extrusora desse tipo, variando os elementos de rosca, de forma a se obter três diferentes tipos de configurações, o que possibilitou a obtenção de diferentes acabamentos superficiais nos extrudados produzidos a partir de compósitos com matriz termoplástica tendo como fase dispersa partículas de madeira (WPC) e também compósitos híbridos, madeira e talco. Além do acabamento superficial foi possível avaliar a degradação sofrida pelos compósitos durante o processamento, através de valores de propriedades mecânicas destes, confrontando-as com as diferentes configurações de rosca. Concluiu-se que as configurações que proporcionaram maior tempo de residência promoveram extrudados com melhor acabamento superficial, porém apresentaram propriedades mecânicas levemente inferiores àquelas apresentadas pelas composições resultantes de configurações menos eficientes de mistura. Palavras-chave: processamento, propriedade mecânica, degradação, compósitos 1. INTRODUÇÃO Estudos mostram que o uso de partículas de madeira como carga em termoplásticos, em substituição aos tradicionalmente empregados tais como talco, carbonato de cálcio e outros proporcionam, além do aumento da rigidez, resistência mecânica e a diminuição na expansão térmica, traz vantagens perante a madeira como: resistência a rachaduras e ao empenamento, não requer pintura, não mancham, necessitam menor manutenção que as peças de madeira tradicional, principalmente no caso de peças para aplicação ao ar livre. Além, disso apresentam vantagens em termos sócio-econômicos e ambientais (menor consumo de energia, por se tratar de utilização de resíduo e, menores custos). Esta variação das propriedades está relacionada não somente à matéria prima, mas com a morfologia/microestrutura do produto final que acaba governando as propriedades e, por conseguinte, esta morfologia é fortemente influenciada pelas condições de processo (Fernandes et al. 2014; Sudár et al. 2014; Carvalho, 2006). Diante do exposto acima, para obtenção desses compósitos é importante que se compreenda a relação entre as características dos materiais envolvidos, o processamento e as propriedades desejadas no produto final. Ao se trabalhar com uma matriz polimérica e com uma fase dispersa uma carga lignocelulósica, deve-se atentar para vários fatores como degradação térmica, temperatura do processo, velocidade da rosca e composição da mistura O tipo de processamento que venha a ser utilizado na obtenção desses materiais deve atender aos critérios de desempenho do produto, custo e facilidade de fabricação. Dependendo da natureza do polímero, diferentes técnicas de processamento como moldagem em solução, polimerização in situ e processamento por massa fundida são discutidos em literatura. De forma que o processamento da massa fundida é o método preferencial para a produção de compósitos à base de matriz termoplástica e tem a maior relevância para aplicações industriais (Pegel et al. 2008) Nas operações de mistura e processamento reativo de polímeros, o uso de extrusoras com dupla rosca tornou-se importante nos últimos anos devido à operação ser contínua e à versatilidade em projetar o barril com posições de alimentação variadas e a rosca com diferentes elementos, com uma configuração específica para cada aplicação. A escolha de cada elemento que compõe a rosca deve estar relacionada com a sua função em promover melhor mistura dispersiva ou distributiva, cisalhamento, degasagem, capacidade de transporte e com o tempo de residência ((Aslanzadeh, Haghighat Kish, and Katbab 2010), et al., 2014; Mano, et al. 2010; Zhang et al. 2012). Diante disso, o objetivo deste trabalho foi analisar o efeito da configuração de rosca nas propriedades mecânicas e acabamento superficial de compósitos tradicionais de polipropileno com partículas de madeira e compósitos híbridos de polipropileno com partículas de madeira e talco. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais Na produção dos compósitos foi usado como matriz um polipropileno (PP) copolímero, fornecido pela Braskem S.A de código EP440L com índice de fluidez (MFI) de 6g/10min (medido a 230 C sob carregamento de 2,16 kg). Como fase dispersa foi usada partículas de madeira de eucalipto, proveniente de reflorestamento, com tamanho de

2 partícula variando entre 512 e725 microns fornecidas pela CM Ventulori, Lauro de Freitas / BA e como agente de acoplamento fui usado um polipropileno funcionalizado com 1,0% do maleico anidrido (PP-g-MA), fabricado pela Atofina. Para algumas composições também fui usado uma carga mineral particulada do tipo talco fornecido pela Magnesita S.A, sob o código talmag-pr2. Na Tabela 1 estão dispostas as composições estudadas, bem como nome de cada formulações relacionando-as com cada configuração de rosca utilizada para sua produção. Tabela 1: Formulações estudadas e sua relação com cada configuração de rosca usada na sua produção. Formulações Partículas de madeira (%) Agente de acoplamento(%) Talco (%) Configuração de rosca F Rosca 1 F Rosca 2 F Rosca 3 F Rosca 1 F Rosca 2 F Rosca Métodos Preparação dos compósitos e confecção dos corpos de prova Os compósitos foram preparados em uma extrusor de dupla rosca, modular, corrotational, com diâmetro de rosca de 30 mm e L/D = 40 da marca IMACON. Todos os componentes (PP, talco, agente de acoplamento e partículas de madeira) foram pré-misturados e alimentados no alimentador principal. Na produção destes compósitos foram usada três diferentes configurações de rosca e os extrudados resultantes de cada configuração foram avaliados visualmente. Ao corpos de prova foram moldados pelo processo de injeção de acordo com a norma ISO Variações do preocesso de fabricação dos compósitos Na produção dos compósitos foram usados três diferentes configurações de rosca mantendo constante a velocidade da mesma em 200 rpm. As diferentes configurações de rosca diferem entre si no número, ângulo dos discos e comprimento dos blocos de amassamento (kneading block) presentes na rosca. Foram mantidas constantes a presensa de duas zonas de mistura, uma antes da saída de gases, com comprimento de 8D e, outra após degasagem com comprimento de 7D. De forma a se ter uma rosca com configuração geral como mostrada na Tabela 2: Tabela 2: Configuração geral da rosca. Tipos de Transporte e kneading block Transporte (zona kneading block Transporte (zona elementos Alimentação (Zona de mistura 1) de degasagem) (Zona de mistura 2) de descarga) Comprimento 11,7D 8D 5D 7D 9,3D A Erro! Fonte de referência não encontrada. mostra imagens das zonas de mistura da rosca que foram alteradas dando origem às configurações utilizadas neste estudo, quais sejam: a) Configuração de rosca 1 (Erro! Fonte de referência não encontrada.a): representa uma rosca de baixa intensidade de cisalhamento contendo, em ambas as zonas de mistura, apenas elementos de amassamento (kneading block) com comprimento de 30mm e ângulo de 45. b) Configuração de rosca 2 (Erro! Fonte de referência não encontrada.b): representa uma rosca de alta intensidade de cisalhamento contendo, em ambas as zonas de mistura, elementos de amassamento (kneading block) com ângulo de 45 e comprimento de 30mm e 15mm e elementos de amassamento (kneading block) com ângulo de 90 e comprimento de 30mm. c) Configuração de rosca 3 (Erro! Fonte de referência não encontrada.c): representa uma rosca de alta intensidade de cisalhamento contendo, em ambas as zonas de mistura, elementos de amassamento (kneading block) com comprimento de 30mm e ângulo de 45 e 90.

3 (a) (b) (c) Figura 1. Parte da rosca com variação de número e tipo de elementos dando as configuraçãos: (a) Configuração de rosca 1, (b)configuração de rosca 2 e (c)configuração de rosca 3, 2.3. Caracterização Inspeção visual Após a produção dos compósitos, pelo processo de extrusão, os espaquetes resultantes deste processo foram resfriados em água à temperatura ambiente e posteriormente cortados. Os mesmos foram inspecionados visualmente e fotografados como forma de se avaliar macroscopicamente o acabamento superficial destes. Propriedades mecânicas As propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, tensão na força máxima e tensão de escoamento) foram medidas através do ensaio de tração realizado em uma máquina de ensaio universal do tipo Emic, modelo DL 2000 operando a uma velocidade de 5mm/min. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Inspeção visual As imagens obtidas dos extrudados resultantes dos compósitos, sem a presença do talco, com as diferentes configurações de rosca (rosca 1, rosca 2 e rosca 3) estão mostrados na Figura 2 (a), (b) e (c), respectivamente. Para todas as composições foi possível formar extrudados com propriedades possíveis de serem puxados até o picotador. Porém, observa-se que o extrudado obtido fazendo uso da rosca 1 (Figura 2 (a)) apresentou uma superfície com elevada rugosidade, aparentando má dispersão das partículas de madeira na matriz e ainda marcas características de defeito de extrusão. Por outro lado, a aparência superficial dos extrudados obtidos fazendo uso das outras duas configurações de rosca (Figura 2 (b) e (c)) apresentou-se com menor rugosidade e elevado brilho, indicando boa aderência e mistura mais homogênea, minimizado o defeito de extrusão mostrando-se com melhor acabamento superficial em relação ao extrudado referente à configuração de rosca 1 (Zhang et al. 2012).

4 Isso mostra que o desenho da rosca é um parâmetro fundamental na obtenção de propriedades desejadas no produto final. Este resultado está de acordo com a literatura (Villmow, Kretzschmar, and Pötschke 2010; Zhang et al. 2012) onde é mostrado que um desenho da rosca contendo regiões de mistura composta por elementos especiais (kneading block, por exemplo), em substituição a elementos de transporte, são capazes de promover uma maior distribuição e dispersão das cargas com tempos de residência mais longos. Assim, é possível se obter melhores propriedades em especial acabamento superficial dos extrudados. Vale lembrar que este parâmetro é independente da velocidade de rotação da rosca. (a) (b) (c) Figura 2. Imagens dos extrudados do compósito sem talco resultantes das configurações de rosca: (a) extrudados da configuração de rosca 1, (b) extrudados da configuração de rosca 2 e (c) extrudados da configuração de rosca 3. Propriedades mecânicas As propriedades mecânicas avaliadas neste estudo foram: tensão na ruptura, tensão no escoamento e módulo de elasticidade. Valores de tensão no escoamento dos compósitos produzidos com PP e partículas de madeira com e sem a presença de 15% talco, obtidos a partir das diferentes configurações de rosca estão mostrados na Figura 3. Para esses compósitos, pode-se verificar que a mudança na configuração da rosca não apresentou influência significativa nesta propriedade, apresentando apenas uma leve queda desta, para o compósito produzido com a rosca de configuração 3. Sendo esta a rosca de configuração mais agressiva, a qual promove maior cisalhamento e consequente uma dispersão mais uniforme da fase dispersa, porém, a mesma pode ter promovido alguma degradação térmica durante o processamento o que levou a esta pequena diminuição na tensão no escoamento para esta composição (Bi and Jiang 2009; Mano et al. 2010; Zhang et al. 2012). Ainda é possível observar nessa figura que, como esperado, as composições contendo talco apresentaram um valor levemente maior que aquelas que não tinham esta carga na composição e que a mudança na configuração da rosca não apresentou variação significativa, indicando que a presença do talco pode ter atuado como protetor minimizando a degradação térmica durante o processamento e atuando de forma sinérgica com as partículas de madeira (Singh, Mohanty, and Misra 2010). Figura 3. Tensão no escoamento dos compósitos resultantes das diferentes configurações de rosca. De maneira semelhante com o ocorrido com a tenção no escoamento, mostrado anteriormente, pode-se observar, analisando isoladamente os dois compósitos, que a mudança na configuração de rosca apresentou pouca influência nos valores de tensão na ruptura (Figura 4) e os compósitos contendo a presença do talco se mostraram com

5 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação melhor performance em relação ao WPC convencional, corroborando com as demais propriedades onde o talco vem atuando com sinergimos com as partículas de madeira (Singh, Mohanty, and Misra 2010). Figura 4. Tensão na ruptura dos compósitos resultantes das diferentes configurações de rosca O efeito do desenho da rosca no módulo elástico dos WPC s, contendo ou não a presença do talco, está mostrado na Figura 5. Fica evidenciado nesta figura que o tipo de configuração de rosca influenciou de maneira semelhante no módulo apresentado por todos os compósitos, isto é, a mudança do desenho da rosca promoveu variação pouco significativa desta propriedade, Lembrando que o maior valor desta propriedade para os compósitos híbridos em relação ao compósito contendo apenas madeira já era esperado, pois esta propriedade sofre influência mais significativo com aumento do teor e tipo de carga (mais rígida que a matriz, como é o caso do talco) que de outros fatores como presença ou não de agente de adesão interfacial, condições de processamento e outros (Singh, Mohanty, and Misra 2010; Sudár et al. 2014) Figura 5. Módulo elástico dos compósitos resultantes das diferentes configurações de rosca. 4. CONCLUSÕES Nos compósitos estudados não houve relação direta entre o acabamento superficial e propriedades mecânicas. O maior tempo de residência promovido pelo uso da configuração de rosca 2 e 3 têm como consequência uma leve degradação nas propriedades mecânicas do compósito levando a uma pequena redução das mesmas, porém estas configurações promoveram uma melhoria considerável no acabamento superficial quando comparado às composições produzidas com a configuração de rosca 1. Conclui-se ainda que o talco atuou de forma significativa nas propriedades dos WPC s. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FINEP - Financiadora de Estudos e Projetos, ao SENAI DR BA e à CM Venturoli, Lauro de Freitas / BA.

6 6. REFERÊNCIAS Aslanzadeh, S., M. Haghighat Kish, and a. a. Katbab Effects of Melt Processing Conditions on Photo-Oxidation of PP/PPgMA/OMMT Composites. Polymer Degradation and Stability 95(9): Bi, Chao, and Bo Jiang Study of Residence Time Distribution in a Reciprocating Single-Screw Pin-Barrel Extruder. Journal of Materials Processing Technology 209: Fernandes, Emanuel M., Vitor M. Correlo, João F. Mano, and Rui L. Reis Polypropylene-Based Cork-Polymer Composites: Processing Parameters and Properties. Composites Part B: Engineering 66: Mano, B., J. R. Araújo, M. a S Spinacé, and M. a. De Paoli Polyolefin Composites with Curaua Fibres: Effect of the Processing Conditions on Mechanical Properties, Morphology and Fibres Dimensions. Composites Science and Technology 70(1): Pegel, Sven et al Dispersion, Agglomeration, and Network Formation of Multiwalled Carbon Nanotubes in Polycarbonate Melts. Polymer 49(4): (January 28, 2015). Singh, Sanjeev, Amar K. Mohanty, and Manju Misra Hybrid Bio-Composite from Talc, Wood Fiber and Bioplastic: Fabrication and Characterization. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 41(2): (January 5, 2015). Sudár, András et al Wood Fiber Reinforced Multicomponent, Multiphase PP Composites : Structure, Properties, Failure Mechanism. Composites Science and Technology 103: Villmow, Tobias, Bernd Kretzschmar, and Petra Pötschke Influence of Screw Configuration, Residence Time, and Specific Mechanical Energy in Twin-Screw Extrusion of Polycaprolactone/multi-Walled Carbon Nanotube Composites. Composites Science and Technology 70(14): Zhang, Zhen Xiu, Changyun Gao, Zhen Xiang Xin, and Jin Kuk Kim Effects of Extruder Parameters and Silica on Physico-Mechanical and Foaming Properties of PP/wood-Fiber Composites. Composites Part B: Engineering 43(4):