Efeito da velocidade de extrusão nas propriedades mecânicas e dinâmico mecânicas de compósitos de PS/celulose

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1 Efeito da velocidade de extrusão nas propriedades mecânicas e dinâmico mecânicas de compósitos de PS/celulose M. Poletto 1 ; C.D. Zanrosso; J. Dettenborn; A. J. Zattera 1 1 Universidade de Caxias do Sul (UCS) Laboratório de Polímeros Rua Francisco Getúlio Vargas, CEP Caxias do Sul RS mpolett1@ucs.br Neste trabalho, compósitos de poliestireno reforçado por 10, 20 e 30% em massa de fibras de celulose foram desenvolvidos. Os compósitos foram processados em extrusora dupla-rosca co-rotante utilizando velocidade de processamento de 200 rpm e 400 rpm e posteriormente foram moldados por injeção. As propriedades mecânicas e dinâmico mecânicas foram avaliadas para verificar a influência da velocidade de processamento na dispersão das fibras. Os resultados demonstraram que a resistência à flexão foi entre 20-30% superior para os compósitos desenvolvidos a 400 rpm, enquanto que a resistência ao impacto para o compósito com 10% em massa de fibras foi 25% superior. As análises dinâmico mecânicas também mostraram um aumento do módulo de armazenamento para os compósitos processados a 400 rpm. O aumento no desempenho mecânico e dinâmico mecânico dos compósitos pode ser atribuído à maior dispersão da fibra na matriz provocado pela utilização de uma maior velocidade de processamento. Palavras-chave: compósitos, poliestireno, celulose, propriedades mecânicas, análise dinâmico mecânica. 2060

2 INTRODUÇÃO O uso de fibras naturais como reforço em polímeros termoplásticos é principalmente impulsionado por razões ecológicas e também por constituir uma alternativa ao uso de fibras de vidro devido às elevadas propriedades mecânicas que seu uso proporciona (1,2). Desta forma, fibras como juta, curauá, rami, sisal e fibras de celulose, ganham importância como reforço em polímeros devido ao seu reduzido custo, baixa densidade e também por diminuir o desgaste dos equipamentos utilizados no processamento. Além do mais, as fibras naturais são biodegradáveis e obtidas de fontes renováveis (1). Os compósitos desenvolvidos são materiais ambientalmente amigáveis e utilizam menor quantidade de materiais provenientes de fontes não renováveis (2). O potencial uso dos compósitos produzidos está focado na indústria automotiva e também em alguns setores da construção civil devido a razões ambientais (3). Contudo, a melhor utilização de materiais lignocelulósicos e celulósicos, provenientes de fontes renováveis, como carga reforçante em polímeros depende, porém de fatores como: razão de aspecto; fração volumétrica das fibras; adesão fibra-matriz e dispersão homogênea das fibras na matriz (1-3). Vários trabalhos na literatura investigam o efeito destes fatores nas propriedades mecânicas dos compósitos desenvolvidos. Mano et al. (1) prepararam compósitos de PP reforçados por 20% em massa de fibras de curauá e avaliaram o efeito da velocidade de rotação da rosca nas propriedades mecânicas dos compósitos e na dimensão das fibras utilizadas. Eles verificaram que o aumento na velocidade de rotação da rosca reduz o efeito de reforço das fibras. Bengtsson et al. (4) investigaram o efeito da adição de 40, 50 e 60% em massa de fibras de celulose em PP. Os autores verificaram aumento no módulo de elasticidade dos compósitos, com uma redução na resistência à tração, flexão e impacto com o aumento da adição das fibras. Segundo os autores, as fibras não foram bem dispersas na matriz, ocasionando redução das propriedades mecânicas avaliadas. Zhang e colaboradores (5) verificaram que o aumento da velocidade da rosca no momento da extrusão de compósitos de HDPE/fibras de madeira pode causar um aumento das propriedades mecânicas, no entanto, a velocidade da rosca deve ser controlada para evitar a degradação dos materiais processados. 2061

3 O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito da velocidade de extrusão nas propriedades mecânicas e dinâmico mecânicas de compósitos de poliestireno reforçado por fibras de celulose. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais O poliestireno cristal utilizado, grade N1921, proveniente da empresa Innova S.A., possui índice de fluidez de 20g/10min (200ºC, 5 kg). A celulose branqueada na forma de placas, oriunda da madeira de Pinus taeda, foi fornecida pela empresa Cambará S/A (Cambará, RS, Brasil). Métodos A celulose foi moída em um moinho de facas Marconi modelo MA 580, e após separação granulométrica utilizando peneiras, o comprimento das fibras utilizado para a produção dos compósitos foi de 0,053-0,42 mm. As fibras de celulose foram secas em estufa por 24h a 70 C antes de serem utilizadas para o desenvolvimento dos compósitos. Os compósitos foram preparados em uma extrusora duplarrosca, modelo MH- COR LAB, com diâmetro de rosca de 20 mm. Foram utilizadas duas velocidades de rotação da rosca, 200 rpm e 400 rpm. Os teores de incorporação de fibras de celulose foram de 10, 20 e 30% em massa. O perfil de temperatura utilizado nas zonas de aquecimento 1 a 9 foram, 100 C, 160 C, 175 C, 185 C, 190 C, 170 C, 180 C, 185 C e 190 C. Após o processo de extrusão, os compósitos foram secos em estufa a 80 C por 24h. Os compósitos foram então injetados em injetora HIMACO modelo , a temperatura de C, utilizando molde aquecido a 60 C ± 2 C. Caracterização dos compósitos Os ensaios de resistência à flexão foram realizados de acordo com a ASTM D790 em uma máquina de ensaios universal EMIC DL 2000, com velocidade de 2062

4 Resistência a flexão (MPa) Módulo em flexão (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais ensaio de 1,5 mm/min. Os ensaios de resistência ao impacto IZOD utilizando equipamento CEAST modelo Resil 25, em corpos de prova sem entalhe, com martelo de 1J, de acordo com a ASTM D256. Um reômetro Anton Paar Physica modelo MCR 101 foi utilizado para a realização da análise dinâmico mecânica. Os corpos de prova injetados com dimensões de 50 mm x 12,7 mm x 3,5 mm foram utilizados. O comportamento dinâmico mecânico foi avaliado entre 23 C e 120 C, utilizando taxa de aquecimento de 3 C/min, com frequência de 1 Hz e amplitude máxima de deformação de 0,1%. RESULTADOS E DISCUSSÃO A velocidade de 400 rpm proporcionou maior dispersão das fibras de celulose, rompendo as ligações hidrogênio formadas entre as fibras (6), devido ao maior cisalhamento do material na extrusora, aumentando com isso a molhabilidade das fibras pela matriz. Desta forma, a transferência de esforços da matriz para a fibra é melhorada e assim, a resistência à flexão e o módulo de flexão aumentam, quando comparados aos compósitos processados a 200 rpm, conforme pode ser observado na Fig. 1. (a) Teor de celulose (%) 200rpm 400rpm (b) rpm 400rpm Teor de celulose (%) Figura 1: Resistência à flexão (a) e módulo em flexão (b) dos compósitos com diferentes teores de celulose. Os resultados demonstraram que a resistência à flexão foi entre 20-30% superior para os compósitos desenvolvidos a 400 rpm, quando comparados aqueles processados a 200 rpm. Os compósitos processados a 400 rpm também apresentaram maior resistência ao impacto que aqueles processados a 200 rpm, 2063

5 E' (Pa) E' (Pa) Resistência ao impacto (J/m) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais conforme observado na Fig. 2. A melhora na dispersão das fibras, na velocidade de 400 rpm, proporciona maior absorção de energia no momento do impacto, já que as fibras desemaranhadas não atuam concentrando o esforço (4) rpm 400rpm Teor de celulose (%) Figura 2: Resistência ao impacto dos compósitos com diferentes teores de celulose. O módulo de armazenamento é uma medida da energia mecânica que o material é capaz de armazenar (7,8). A variação do módulo de armazenamento com a temperatura para as amostras processadas a 200 rpm e 400 rpm está mostrada na Fig. 3. Percebe-se o aumento provocado no módulo de armazenamento da matriz com a incorporação das fibras de celulose, atribuído ao aumento da rigidez do compósito, imposto pelo efeito de reforço da fibra natural (7) PS200 10C200 20C200 30C PS400 10C400 20C400 30C x10 9 2x x x x x x x (a) Temperatura ( C) (b) Temperatura ( C) Figura 3: Variação do módulo de armazenamento com a temperatura para amostras processadas a 200 rpm (a) e 400 rpm (b). A efetividade do reforço sobre módulo de armazenamento dos compósitos pode ser representada pelo coeficiente C, expresso conforme Eq. (A) (7,8) : 2064

6 E' g compósito E' r C E' g matriz E' r (Equação A) onde E g e E r representam os valores do módulo de armazenamento na região vítrea e na região do platô elastomérico. Elevados valores de C indicam menor efetividade do reforço sobre o material (7,8). Os valores do módulo de armazenamento em 35 C e 120 C foram utilizados como E g e E r, respectivamente. A Tab. 1 apresenta os valores de efetividade do reforço. Tabela 1: Efetividade do reforço para os compósitos Amostra 200 rpm Parâmetro C Amostra 400 rpm Parâmetro C 10% Celulose 0,43 10% Celulose 0,38 20% Celulose 0,20 20% Celulose 0,19 30% Celulose 0,10 30% Celulose 0,11 Verifica-se que a gradual adição das fibras de celulose reduz o valor do parâmetro C tanto para os compósitos processados a 200 rpm quanto para aqueles processados a 400 rpm. De maneira geral, os menores valores de C foram obtidos para os compósitos processados a 400 rpm indicando que a maior velocidade de processamento contribui para a melhor dispersão da fibra e desta forma, torna o reforço mais efetivo, corroborando os resultados das propriedades mecânicas. CONCLUSÕES Os resultados demonstraram que os compósitos processados a 400 rpm apresentaram um aumento na resistência a flexão e ao impacto, quando comparados aos processados a 200 rpm. A maior velocidade de processamento proporciona uma melhor dispersão das fibras na matriz e provavelmente também ocasiona redução no comprimento das fibras, o que pode gerar aumento da área superficial das fibras aumentando a área de contato fibra matriz. No entanto, velocidades de processamento superiores a 400 rpm podem causar degradação tanto das fibras como da matriz devido ao aumento das forças de cisalhamento. 2065

7 AGRADECIMENTOS Os autores gentilmente agradecem a Cambará S/A pelas amostras de celulose. REFERÊNCIAS 1. MANO, B.; ARAÚJO, J.R.; SPINACÉ, M.A.S.; DE PAOLI, M.-A. Polyolefin composites with curaua fibers: effect of the processing conditions on mechanical properties, morphology and fibers dimensions. Composites Science and Technology, v. 70, p , POLETTO, M.; ZENI, M.; ZATTERA, A.J. Effects of wood flour addition and coupling agent content on mechanical properties of recycled polystyrene/wood flour composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, v. 25, p , SATYANARAYANA, K. G.; GUIMARÃES, J. L.; WYPYCH, F. Studies on lignocellulosic fibers of Brazil. Part I: Source, production, morphology, properties and applications. Composites Part A, v.38, p , BENGTSSON, M.; LE BAILLIF, M.; OKSMAN, K. Extrusion and mechanical properties of highly filled cellulose fibre-polypropylene composites. Composites Part A, v.38, p , ZHANG, J.; PARK, C. B.; RIZVI, G.; HUANG, H.; GUO, Q. Investigation on the uniformity of high-density polyethylene/wood fiber composites in a twin-screw extruder. Journal of Applied Polymer Science, v. 113, p , KIM, H-S.; LEE, B-H.; CHOI, S-W.; KIM, S.; KIM, H-J. The effect of types of maleic anhydride-grafted polypropylene (MAPP) on the interfacial adhesion properties of bio-flour-filled polypropylene composites. Composites Part A, v. 38, p ,

8 7. POLETTO, M.; ZENI, M.; ZATTERA, A.J. Dynamic mechanical analysis of recycled polystyrene composites reinforced with wood flour. Journal of Applied Polymer Science, v. 125, p , ORNAGHI Jr., H. L.; BOLNER, A. L. S.; FIORIO, R.; ZATTERA, A. J.; AMICO, S. C. Mechanical and dynamic mechanical analysis of hybrid composites molded by resin transfer molding. Journal of Applied Polymer Science, v. 118, p , Effect of screw speed on the mechanical and dynamic mechanical properties of PS/Cellulose composites ABSTRACT In this work, polystyrene composites reinforced with 10, 20 and 30 wt% of cellulose fibers were development. The composites were processed in a twin screw co-rotate extruder at 200 rpm and 400 rpm and then injection molded. The mechanical and dynamic mechanical properties were evaluated for verify the effect of screw speed on fiber dispersion. Results showed that flexural strength was 20-30% superior for composites processed at 400 rpm, while impact strength for composite with 10wt% of cellulose was 25% superior than the composite processed at 200 rpm. Dynamic mechanical analysis also demonstrated an increase on storage modulus for composites processed at 400 rpm. The increase in the properties evaluated may be attributed to the higher fiber dispersion using a higher screw speed. Key-words: composites, polystyrene, cellulose, mechanical properties, dynamic mechanical analysis. 2067