ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO COM WOLLASTONITA EM COMPARAÇÃO AO TALCO

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1 ANÁLISE DAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO COM WOLLASTONITA EM COMPARAÇÃO AO TALCO L. J. SANTOS 1, E. C. D. NUNES 1, N. A. SAITO 2 1 Faculdade SENAI de Tecnologia Ambiental 2 Escola SENAI Mario Amato Rua Maria Vitória Médici Ramos, 330 Bairro Assunção São Bernardo do Campo. CEP jsleandrosantos@gmail.com, edilene.nunes@sp.senai.br RESUMO Este trabalho analisou o comportamento da wollastonita em PP comparado ao talco uma das cargas minerais mais utilizadas atualmente em polímeros. Os teores de ambas as cargas foram 10, 20 e 30% em polipropileno. As formulações foram produzidas em extrusora dupla-rosca co-rotante, com relação L/D de 30. Foram injetados corpos de prova para ensaios de tração, dureza e impacto. As amostras foram analisadas por MEV. As formulações com wollastonita mostraram-se mais dúcteis do que as formulações com talco, que se mostraram mais tenazes. Os módulos elásticos das formulações com talco foram superiores às apresentadas pelos compósitos com wollastonita. As micrografias mostraram adesão entre as partículas de wollastonita e de talco com a matriz polimérica, comprovando a acoplagem, o que possibilitou a transferência de energia da matriz para as cargas, aumentando as propriedades de impacto. Desse modo, é viável a utilização da carga mineral wollastonita como reforço em compósitos poliméricos. Palavras-chave: Polipropileno, wollastonita, talco, compósito. INTRODUÇÃO O polipropileno é o polímero commodity mais consumido no Brasil e no mundo, sendo que foi responsável por 19,4% das 6,59 milhões de toneladas de transformados plásticos em (1) As principais aplicações são filmes de embalagens de alimentos, ráfia, sacolas, fraldas, seringas, material hospitalar esterilizável, para-choques, brinquedos e caixas de uso industrial. (2,3) O PP é 8381

2 amplamente utilizado devido às suas excelentes propriedades, como as resistências elétrica e mecânica a altas temperaturas, excelente resistência à fadiga por flexão, fácil coloração e moldagem e baixa absorção de umidade. (3,4) A constante busca por novos produtos tem intensificado as pesquisas de materiais com cargas minerais que se iniciou nos anos 60 devido à crise do petróleo, em que os materiais poliméricos atingiram preços exorbitantes e para reduzir custos, os fabricantes de peças adotaram o uso de cargas minerais de baixo custo como aditivo em plásticos e borrachas com fins não reforçantes. (5) Atualmente, a onda de substituição de metal por plástico na indústria automotiva começou a tomar novas direções. Uma tendência forte no momento é a substituição de um polímero por outros polímeros. Polipropileno carregado com talco, por exemplo, está entrando no lugar de blendas PC/ABS na tampa de portaluvas. A conquista foi possível devido ao aprimoramento das propriedades do composto, antes usado nessa mesma aplicação, mas apenas em carros populares. Outro exemplo é um composto de PP que usa menor teor de carga, também talco, utilizado para injetar a carenagem de um caminhão a fim de deixar a peça 10% mais leve, mantendo as mesmas características de contração e resistência ao impacto. Esse atributo, inclusive, vai ao encontro do viés de redução de peso e consequente menor consumo de combustível na indústria de automóveis. (6) Em busca de outros materiais que possam ser adicionados ao PP como cargas e que tenham comportamento similar ao do talco, mineral mais utilizado em PP, o uso de compósitos de PP com outras cargas tem sido amplamente estudado. A adição de carga à matriz polimérica pode provocar uma alteração na cristalinidade e na capacidade de compactação e ordenamento das cadeias poliméricas o que não ocorre nas cadeias do polímero puro. Algumas cargas podem atuar como agentes nucleantes que favorecem a nucleação heterogênea do polímero por meio da redução da energia crítica para a nucleação estável, sendo que se acredita que uma maior molhabilidade em relação ao polímero pode favorecer a nucleação. (5) No entanto, algumas partículas podem causar crescimento epitaxial 1 do esferulito a partir da carga, ou seja, promover a transcristalinidade. A transcristalinidade é iniciada por cisalhamento ou outras propriedades superficiais. A porção transcristalina do PP difere em algumas propriedades da forma esferulítica 1 Epitaxial: Processo de crescimento de cristal, em que as camadas depositadas acompanham a orientação do cristal de substrato (MICHAELIS, 2009). 8382

3 de cristalização, sendo que esta possui alta rigidez e baixa deformabilidade, o que favorece a iniciação e propagação de trincas. Partículas de forma anisotrópica, podem aumentar significativamente a fase transcristalina e, com isso, mudar drasticamente as propriedades do compósito, reduzindo as propriedades mecânicas. (7) A partir disso, este trabalho analisou as propriedades dos compósitos de PP com wollastonita. Enquanto o talco é um filossilicato de magnésio hidratado (argilomineral) monoclínico do tipo 2:1, que tem em sua composição química óxido de magnésio, dióxido de silício e água (3MgO4.SiO2.H2O), (8,9) a wollastonita é um metassilicato de cálcio com composição teórica de 48% de óxido de cálcio e 52% de dióxido de silício (CaSiO3) que pode conter impurezas como Al, Na, Fe, Mg, Mn e K, que promovem a alteração da coloração deste mineral. (10,11) MATERIAIS E MÉTODOS Foi utilizado o polipropileno random da empresa Natpet (IF = 25 g/10 min); a wollastonita fornecida pela empresa Endeka Ceramics; o talco da Magnesita, código Talmag-PR-2 ( aparente = 0,35 g/cm 3 ) doado pela empresa Additive; o agente de acoplagem da Polyram, tipo Bondyram 1001 (IF = 100g/10min, = 0,90 g/cm 3 ), que é um PP graftizado com anidrido maleico e óleo de soja epoxidado da empresa Inbra. Foram preparados compósitos de polipropileno com as cargas rígidas nos teores de 10, 20 e 30%, tanto de wollastonita quanto de talco em uma extrusora dupla-rosca co-rotante, de relação L/D de 30 para homogeneização e granulação. As formulações preparadas constam da Tabela 1. Tabela 1 Teores dos componentes utilizados em cada compósito Formulação Polipropileno Wollastonita Talco Agente de Umectante (%) (%) (%) acoplagem (%) (%) PP puro PP 10W 88,5 10-1,0 0,5 PP 20W 77,0 20-2,0 1,0 PP 30W 65,5 30-3,0 1,5 PP 10T 88,5-10 1,0 0,5 PP 20T 77,0-20 2,0 1,0 PP 30T 65,5-30 3,0 1,5 8383

4 Posteriormente, os grânulos obtidos foram injetados em uma injetora com diâmetro de rosca de 25 mm e relação L/D de 20, para confecção de corpos de prova de tração e impacto Izod com entalhe. Os mesmos foram caracterizados utilizando-se as normas ASTM D 638 e ASTM D 256, respectivamente. Foi realizado também o ensaio de fluidez segundo a ASTM D RESULTADOS E DISCUSSÕES Fluidez Os resultados para os ensaios de fluidez para as amostras de PP puro, com os diferentes teores de wollastonita e talco (10, 20 e 30% para as duas cargas) são mostrados na Figura 1. Nota-se que a formulação com 10% de wollastonita teve um aumento de 8% em comparação ao PP puro, enquanto que para os teores de 20 e 30% houve a diminuição da fluidez (15,8% e 11,5%, respectivamente) provavelmente devido à estrutura acicular desta carga diminuir a mobilidade das cadeias moleculares e, portanto, dificultar o fluxo para teores mais altos. Já para o talco, todas as formulações tiveram um aumento no índice de fluidez comparadas à matriz pura, pois a estrutura lamelar do talco facilita o fluxo do fundido, já que durante o processamento pode ocorrer a delaminação do talco pelo cisalhamento. Figura 1 Índice de fluidez (g/10 min) para o PP puro e os compósitos de PP com wollastonita e talco Impacto A tenacidade à fratura e a resistência ao impacto de compósitos poliméricos pode ser definida como sendo a energia absorvida ou dissipada durante a propagação de uma trinca. Esta energia advém do trabalho necessário para o desacoplamento da interface carga-matriz, da deformação da interface e da matriz e, 8384

5 também, do atrito na extração da fibra embutida na matriz. Assim, pode-se inferir que um melhor molhamento/ adesão interfacial carga-polímero contribuem para maior dissipação da energia de fratura decorrente do trabalho de desacoplamento interfacial e da extração das partículas de carga da matriz. Desse modo, analisandose os resultados de impacto para todas as formulações estudadas (Figura 2), verifica-se que houve um aumento na resistência ao impacto comparado ao polímero puro, o que comprova a ação de reforço tanto do talco quanto da wollastonita no PP. Pode-se inferir que a matriz polimérica transferiu parte das tensões para a fase dispersa aumentando a energia necessária para a ruptura dos respectivos corpos de prova sob impacto. Figura 2 Resultados de resistência ao impacto Izod (J/m) para o PP puro e os compósitos de PP com wollastonita e talco. Resistência à tração Os alongamentos em tração para os compósitos estudados estão na Figuras 3. Figura 1 Resultados do alongamento (%) para o PP puro e os compósitos de PP com wollastonita e talco. 8385

6 Comparando os compósitos contendo wollastonita e talco com o PP puro, nota-se que há uma diminuição no alongamento para os dois tipos de carga adicionados. Isto pode ser explicado pelo fato de que com a adição de carga rígida há uma diminuição na cristalinidade das cadeias poliméricas comparadas a encontrada no polímero puro, com isso a deformação antes da ruptura é inferior para os compósitos. Com relação ao módulo elástico, todos os compósitos apresentaram uma redução comparado ao PP puro (Figura 4). Figura 4 Resultados do módulo de elasticidade (MPa) para PP puro e os compósitos de PP com wollastonita e talco. O compósito PP10W apresentou uma diminuição de 45% comparado ao PP puro, enquanto que para o PP20W a diminuição foi de 42% e para a PP30W a redução foi de 32%. Pode-se inferir a partir destes resultados que houve uma diminuição na tensão necessária para deformar elasticamente as cadeias dos compósitos comparada às cadeias da matriz pura, devido a menor interação intermolecular das cadeias nos compósitos. Quanto aos compósitos com talco, também ocorreu a diminuição, mas esta foi menor do que para a wollastonita; para o compósito PP10T a redução foi de 32%, para o PP20T foi de 27% e para PP30T houve uma diminuição de 20%. Estes resultados confirmam a interferência da forma das cargas nas propriedades mecânicas dos compósitos como discutido na literatura (5,7). Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) As superfícies fraturadas após o ensaio de impacto das amostras de PP com wollastonita estão na Figura

7 As setas vermelhas (Figura 5a) destacam a deformação das cadeias da matriz polimérica e o círculo, a região que teve um aumento de 2000X (Figura 5b). Estas micrografias comprovam a adesão entre matriz e carga mineral. a) b) c) d) e) f) Figura 5 Microscopia eletrônica dos compósitos: a) PP10W com 500X; b) PP10W com 2.000X; c) PP20W com 500X; d) PP20W com 2.000X; e) PP30W com 500X; f) PP30W com 2.000X. Em destaque com círculo na Figura 5c pode-se perceber que as partículas de wollastonita estão bem distribuídas na matriz polimérica. A área destacada com círculo vermelho da Figura 5c está aumentada em 2.000X na Figura 5d e mostra uma partícula acicular de wollastonita dobrada após a quebra, o que provavelmente ocorreu como forma de dispersão de energia durante o ensaio de impacto. Na Figura 5e, a superfície do compósito PP30W foi analisada e mostra a boa distribuição das partículas da carga na matriz polimérica, já que não são encontrados aglomerados de partículas. No destaque circular da Figura 5e é possível notar a fratura da carga, região que foi aumentada 2000X na Figura 5f para evidenciar a partícula de carga fraturada pelo impacto e comprovar a boa adesão 8387

8 matriz/partícula, pois não há indícios de partículas terem sido sacadas da matriz polimérica. A Figura 6 mostra as micrografias dos compósitos de PP com talco. A Figura 6a mostra a superfície irregular do compósito PP10T causada pelo ensaio de impacto com aumento de 500X, comprovando a distribuição e dispersão das lâminas de talco, além da adesão entre matriz e carga mineral. A Figura 6b mostra o aumento de 2.000X, tendo em destaque (setas vermelhas) partículas delaminadas. a) b) c) d) e) f) Figura 6 Microscopia eletrônica dos compósitos de PP com talco: a) PP10T com 500X; b) PP10T com 2.000X; c) PP20T com 500X; d) PP20T com 2.000X; e) PP30T com 500X; f) PP30T com 2.000X. A micrografia da Figura 6c aumentada 500X destaca a boa dispersão das partículas de talco na matriz polimérica. Na Figura 6d com aumento de 2000X visualiza-se o quanto estão dispersas as partículas de talco e a irregularidade da superfície causada pela propagação da fratura, onde se mostra que parte de algumas partículas de carga foram esfoliadas ou rompidas, mas não sacadas da matriz como indicam as setas vermelhas. Em destaque na imagem 6e com círculo 8388

9 vermelho nota-se a adesão da matriz envolvendo a partícula de carga e a deformação da matriz. Outra região com aumento de 2.000X é apresentada na Figura 6f onde o círculo mostra a deformação e recuperação da matriz polimérica (em partes) e a seta aponta a eficácia da adesão onde houve a fratura de parte da carga, mas não ocorreu a extração da mesma. CONCLUSÃO As micrografias mostraram a excelente adesão entre as partículas de wollastonita e de talco com a matriz polimérica, comprovando a acoplagem, o que possibilitou a transferência de energia da matriz para as cargas, aumentando as propriedades de impacto dos compostos. As formulações com wollastonita e com talco se mostraram superiores à de PP puro demonstrando que tanto a forma acicular da wollastonita quanto a lamelar do talco são capazes de absorver maior quantidade de energia antes da ruptura, ou seja, apresentam maior tenacidade, comparadas ao PP puro. Com relação à tração, houve uma diminuição do módulo elástico para todos os compósitos, sendo que os módulos elásticos das formulações com talco foram superiores às apresentadas nas amostras com wollastonita. Desse modo, é viável a utilização deste mineral como reforço em compostos poliméricos que necessitam desta propriedade. AGRADECIMENTOS A Faculdade SENAI de Tecnologia Ambiental por permitir a realização deste estudo nas suas dependências. REFERÊNCIAS 1. ABIPLAST Perfil Disponível em: < 2016/perfil_2015.pdf>. Acesso em: 21 ago ABIPLAST/SINDIPLAST. Aplicações das principais resinas plásticas. Disponível em: < 86/Aplica%C3%A7%C3%B5es%20das%20principais%20resinas%20pl%C3%A1stic as.pdf>. Acesso em: 21 ago NUNES, E. C. D.; SANTOS, L. J. Termoplásticos: estruturas, propriedades e aplicações. 1. ed. São Paulo: Érica, BRYDSON, J. A. Plastics materials. 7. ed. Boston: Butterworth Heinemann,

10 5. RABELLO, M. Aditivação de polímeros. 1. ed. São Paulo: Artliber, Braskem News, 21 de outubro de Disponível em: < Acesso em: 20 ago DALPIAZ, G. Estudo do efeito de cargas minerais em compósitos poliméricos particulados em matriz de polipropileno. Tese (Doutorado em Engenharia) Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Disponível em: < /13882>. Acesso em: 08 maio CIULLO, P. A. Industrial mineral and their uses: A handbook & formulary. Westwood: Noyes Publication, Disponível em: < books/geochemie/industrial-minerals-and-their-uses.pdf>. Acesso em: 15 ago SANTOS, C. A. X. Caracterização de alguns talcos industriais brasileiros utilizados como carga em polipropileno f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Universidade de São Paulo. São Paulo, FERNANDES, A. A. Síntese de zeólitas e wollastonita a partir da cinza da casca do arroz F. Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear Materiais) Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. Universidade de São Paulo, São Paulo, CANADIAN WOLLASTONITE. Wollastonite properties. Kingston, Disponível em: < Properties.htm>. Acesso em: 19 ago ANALYSIS OF POLYPROPYLENE COMPOSITES REINFORCED WITH WOLLASTONITE IN COMPARISON WITH TALC ABSTRACT This study analysed the behavior of wollastonite in PP compared to talc one of the most mineral fillers currently used in polymers. The contents of both loads were 10, 20 and 30% in polypropylene. The composites were produced in a twin-screw corotating extruder with L / D ratio of 30 specimens were injected to tensile, hardness and impact. Samples were analysed by SEM. The composites with wollastonite were more ductile than the formulations with talc, which were more tenacious. The talc composites elastic modulus was higher than those displayed by wollastonite. The micrographs showed adhesion between particles of wollastonite and talc with the polymer matrix, proving the coupling, allowing the matrix energy transfer to the load, increasing the properties. Thus, it is feasible to use wollastonite filler as reinforcement in polymer composites. Keywords: Polypropylene, wollastonite, talc, composite. 8390