Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rua Bonfim 25, Bloco 5, Vila Amélia, , Nova Friburgo, RJ

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1 Avaliação do efeito da adição de óxido de nióbio nas propriedades do polipropileno Carlos Jorge Berçot 1, Marisa Cristina Guimarães Rocha 1 carlos_bercot@hotmail.com 1 Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rua Bonfim 25, Bloco 5, Vila Amélia, , Nova Friburgo, RJ Resumo O presente trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades de compósitos de polipropileno carregados com óxido de nióbio de forma a vislumbrar possíveis campos de aplicação para os materiais produzidos. Com essa finalidade, um concentrado de polipropileno com 15% de óxido de nióbio foi preparado em extrusora monorosca. A partir da diluição desse concentrado, compósitos carregados com 3%, 5% e 10% de carga foram processados em extrusora de rosca dupla. Para efeito de comparação, o polipropileno puro também foi submetido às mesmas condições de processamento da mistura. As propriedades mecânicas do polipropileno e dos compósitos obtidos foram avaliadas através de ensaios mecânicos de tração e impacto, segundo as normas ASTM D638 e ASTM D256 respectivamente. Considerável ganho de resistência mecânica, com o aumento do módulo de elasticidade e da tensão de escoamento foi observado ao se aumentar a concentração da carga, assim como um aumento no alongamento na ruptura, o que tornou o polímero mais dúctil. Palavras chave: polipropileno, óxido de nióbio, compósito. 9942

2 1-Introdução Compósitos poliméricos carregados com partículas inorgânicas, que de uma forma geral apresentam altas temperaturas de fusão, dureza elevada e bio-inércia têm despertado grande interesse dos centros de pesquisa e indústrias devido ao grande potencial de inovação tecnológica que essa combinação de materiais apresenta. Dentro desse contexto, estudos visando a obtenção de materiais com maior valor agregado a base de óxido de nióbio têm sido incentivados. O nióbio é um elemento químico encontrado em abundância nas fronteiras brasileiras e que apresenta um grande potencial econômico. O Brasil possui uma posição estratégia na sua extração, pois possui mais de 90% das reservas mundiais do elemento. Na forma metálica, as superligas de nióbio têm sido utilizadas na indústria de ponta e no segmento aeroespacial, entre outras diversas aplicações. [1] A indústria de compósitos tem mudado o seu foco na obtenção de materiais avançados para o desenvolvimento de materiais de engenharia. Nesse contexto, se torna relevante ampliar o campo de aplicações das matrizes termoplásticas, como polietileno e polipropileno de comodidade.[2] O presente trabalho buscou aliar todo o potencial econômico e tecnológico do nióbio ao polipropileno através da adição do óxido de nióbio como carga à matrizes de polipropileno, que é um material termoplástico que apresenta um conjunto de propriedades desejáveis, que o torna bastante utilizado a nível mundial. Além disso, o compósito pode ser aplicado em áreas biomédicas ao passo que o óxido de nióbio é um material bio-inerte. Atualmente um dos materiais mais utilizados nessas aplicações é a hidroxiapatita, por ser considerada um material que mais se assemelha à estrutura do osso humano.[3] Logo, existe a possibilidade também de se fabricar um híbrido para que a hidroxiapatita possa melhorar a bio-atividade do material e obter melhores desempenhos para implantes ortopédicos. 9943

3 2-Materiais e Métodos Materiais Os materiais utilizados foram basicamente o óxido de nióbio em pó fabricado pela Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), e o polipropileno em grânulos H-605, fornecido pela Braskem com índice de fluidez médio de 2,4 g/10min a C. Análise granulométrica A análise granulométrica do nióbio foi efetuada por ultrassom para a separação de aglomerados e utilizada água destilada como meio dispersante. O Equipamento utilizado foi o Back Scater fabricado pela Marvel Instruments. compósitos Determinação do índice de fluidez (MFI) do polipropileno e dos A determinação do índice de fluidez do polipropileno e dos compósitos polipropileno/óxido de nióbio foi efetuada utilizando o Plastômetro de Extrusão,.Modelo: MELT/FLOW/QUICK/INDEX fabricado pela CEAST, a 230 C e carga de 2,16 N de acordo com a norma ASTM D1238. Processamento dos compósitos de polipropileno (PP) carregados com óxido de nióbio) (Nb2O5) Após seleção das condições adequadas de processamento do polipropileno em extrusora monorosca AX Plásticos, modelo: AX30:32. L/D=32,.um concentrado de PP/Nb2O5 foi preparado com a concentração de 15%. O perfil de temperatura utilizado da zona de alimentação até a zona de dosagem foi de 180 C/190 C/200 C/210 C/220 C. O master foi diluído em extrusora de rosca dupla Leistritz,. modelo: ZSE18MAXX-40D possibilitando a obtenção das seguintes concentrações: PP 3%Nb2O5, PP 5%Nb2O5 e PP 9944

4 10%Nb2O5. A velocidade de rotação dos parafusos utilizada foi de 500rpm e o pefil de temperatura adotado foi de 200/210/190/190/190/190/200/220/220/230 C. A velocidade de dosagem foi de 5Kg/h ( dosador gravimetrico). Determinação das propriedades mecânicas em tração e impacto do PP e dos compósitos PP/Nb2O5 As propriedades mecânicas de tração do PP e dos compósitos PP/Nb2O5 foram determinadas utilizando a Máquina de Ensaios Universais. Fabricada por: SHIMADZU, modelo: Autograph AG-X plus 100KN com célula de carga de 5kN e velocidade de estiramento de 20 mm/min. Os ensaios foram realizados de acordo com a Norma ASTM D-638 Corpos de prova tipo 1 foram utilizados e obtidos através de moldagem por injeção. Já as propriedades de impacto foram obtidas segundo a norma ASTM D-256 com o ensaio do tipo Izod. A máquina utilizada foi a INSTRON, modelo:ceast E os corpos de prova também sofreram moldagem por injeção. A injetora utilizada foi fabricada por Arburg, modelo: Allrounder 270S, e trabalhou nas seguintes condições: -Temperatura: 210/200/190/180/170 C -Volume dosificado para o corpo de prova de tração: 28cm³ -Volume dosificado para o corpo de prova de impacto: 23cm³ -Volume de comutação: 3cm³ -Vazão: 15 cm³/s -Pressão de injeção: 1000 bar -Pressão de recalque: 450 bar -Tempo de recalque: 2 segundos -Tempo de resfriamento: 30 segundos 9945

5 3-Resultados e Discussões Os resultados da análise granulométrica do óxido de nióbio são apresentados na Fig. 1. Figura1: Granulometria Fonte: O autor. É observado neste gráfico que as partículas de óxido de nióbio apresentam uma distribuição larga de tamanhos de partículas que se estende de 0,2 até 150 micrometros. O óxido obteve três picos na distribuição granulométrica em 0,6; 3 e 25 micrometros. Foi aferido também que 10% das partículas possuíram diâmetro menor que 0,53 µm, 50% com o diâmetro inferior a 8,39 µm e 90% inferior a 46,98 µm. Algumas medidas de índice de fluidez foram colhidas nas seguintes condições de processamento, mostrados na Tab.1: Tabela 1: MFI Amostras MFI médio Desvio Padrão (g/10min) PP puro antes do processamento 2,397 0,01 PP processado a 50 Rpm 3,373 0,04 PP processado a 69 Rpm 2,900 0,10 PP processado a 100 Rpm 3,250 0,31 PP 5% óxido de nióbio 2,797 0,09 Fonte: O autor. 9946

6 Pode ser observado que a melhor condição de processamento obtida foi com a velocidade de 69 Rpm. Com a adição de óxido de nióbio pode ser notado que o índice de fuidez diminuiu, ou seja, a carga pode ter gerado um aumento de viscosidade no polímero fundido. Os valores médios obtidos através do ensaio de tração são apresentados na Tab. 2: Tabela 2: Ensaio de Tração Amostras Módulo de Elasticidade MPa Tensão de Escoamento MPa Deformação no Escoamento % Deformação na Ruptura % PP Puro 624,322 22,5286 3, ,0259 Desv.Padrão 28,59 0,32 0,08 2,44 PP 3%Nb2O5 658,429 22,9768 3, ,953 Desv.Padrão 5,03 0,07 0,02 41,27 PP 5%Nb2O5 670,147 23,0792 3, ,448 Desv.Padrão 8,41 0,10 0,02 34,77 PP 10%Nb2O5 695,424 23,1988 3, ,6756 Desv.Padrão 9,25 0,10 0,03 27,02 Fonte: O autor. A partir desses dados pode ser observado que o módulo de elasticidade apresenta um aumento gradativo com o aumento das concentrações de óxido de nióbio. Esse efeito enrijecedor era esperado devido ao fato do óxido de nióbio ser uma carga rígida que diminui a mobilidade das cadeias poliméricas Outra particularidade a ser salientada se refere aos dados de deformação na ruptura obtidos. Esse parâmetro se comportou em relação a adição de carga de forma bastante interessante. Com a adição de 3% de carga houve um aumento substancial do alongamento na ruptura, em torno de 100%. Com a adição de 5% e 10% de nióbio, uma redução do alongamento na ruptura foi observado progressivamente com a adição de teores crescentes de carga. Acredita-se que em baixas concentrações o óxido pode atuar como um plastificante separando as cadeias, conforme, vai se adicionando mais óxido o efeito de reforço vai se tornando mais evidente e promove a redução do alongamento na ruptura do material. 9947

7 Deve ser ressaltado, entretanto que em todas as concentrações de carga adicionadas ao PP, a deformação foi muito superior a apresentada polímero puro, mostrando que o Nb2O5 se comportou como um agente promotor de ductilidade, que foi observado até mesmo no modo de fratura, onde se observou que o PP puro obteve uma fratura frágil, ao passo que os polipropilenos com cargas sofreram uma fratura dúctil. A resiliência obteve poucas variações ao passo que módulo de elasticidade e a tensão de escoamento obtiveram um ligeiro aumento com o aumento das concentrações, mas a deformação na tensão de escoamento obteve um pequeno decréscimo com o também aumento das concentrações de Nb2O5, mostrando que o aumento de um associado ao decréscimo do outro deixou essa grandeza em valores médios sem grandes alterações. Vale ressaltar também que a tensão de escoamento obteve também um ligeiro aumento gradual com o aumento das concentrações de óxido. Deve ser ressaltado que após o final do regime elástico, o polímero apresentou um padrão de escoamento bastante diferente gerando grandes deformações e ductilizando o material. Esse fenômeno deverá ser analisado através de ensaios de microscopia eletrônica de varredura (MEV). A tabela e o gráfico a seguir mostram os resultados médios obtidos pelo ensaio de impacto e a barra de erro obtida pelo experimento respectivamente. Tabela 6: Impacto Composições Resistência ao Impacto Erro (J/m) PP puro 38,3 2,87 PP+3%Nb 40,0 3,16 PP+5%Nb 39,5 3,61 PP+10%Nb 39,5 4,13 Fonte: O autor. 9948

8 Gráfico 2: Ensaio de Impacto/ Barra de Erro. Fonte: O autor. Esses resultados seguem um padrão parecido com o observado nos resultados de alongamento na ruptura obtidos no ensaio de tração, e essa propriedade diz respeito à tenacidade que está extremamente ligada com a energia, que também é considerada no impacto, apesar de o ensaio de impacto ser um tipo de carga instantânea, completamente diferente da carga aplicada no ensaio de tração. Com isso, na primeira concentração de óxido de nióbio a absorção de energia teve um pico e depois caiu para concentrações superiores, mas todos se mantendo acima do PP puro, sendo que considerando a barra de erro os resultados estão bem próximos e em determinadas faixas eles se sobrepõe, logo, os resultados demonstram uma tendência a um aumento da resistência ao impacto com a adição de carga 9949

9 4-Conclusões Pode-se concluir que o compósito de polipropileno com óxido de nióbio obteve um bom comportamento mecânico. O módulo de elasticidade obteve um ligeiro aumento com as crescentes concentrações do óxido, assim como a sua tensão de escoamento. O ensaio de impacto não obteve grandes ganhos de energia absorvida, mas demonstra uma tendência de um aumento na concentração de 3 % Nb2O5 e uma queda suave para as concentrações superiores, mas todos se mantendo acima do PP puro. O resultado que obteve a maior disparidade do polipropileno puro foi a deformação na ruptura, aumentando demasiadamente para a concentração de 3% Nb2O5 e com uma ligeira queda para as concentrações de 5% Nb2O5 e outra para 10% Nb2O5. Mas vale ressaltar que a deformação no escoamento seguiu o padrão de adição de carga rígida, ou seja, a deformação diminuiu com o aumento das concentrações. Isso mostra que esse comportamento anômalo ocorre somente após a deformação plástica, para maiores conclusões mais estudos devem ser realizados. É importante enfatizar que o trabalho está em fase de desenvolvimento e muitos estudos ainda devem ser realizados. Dentre eles estão os ensaios térmicos, as microscopias, ensaios elétricos e de inflamabilidade. Além disso, um compósito híbrido também será testado com a adição de hidroxiapatita, com o foco na bio-atividade do material. Referências 1- OSMANDO F. Lopes, ELAINE C. Paris, Universidade Federal de São Carlos. Óxidos de nióbio: uma visão sobre a síntese do Nb2O5 e sua aplicação em fotocatálise heterogênea 2-Site acessado em: 06/05/ Arquivos/ conhecimento/bnset/polipr2a.pdf 3- YOUNESI M., BAHROLOLOOM M.E. Effect of temperature and pressure of hot pressing on the mechanical properties of PP-HÁ bio-composites, Materials and Design. 4- RABELLO Marcelo, Aditivação de Polímeros, Artliber Editora, 1 Edição. 9950

10 Effect of the addition of niobium oxide on polypropylene properties Abstract The aim of this work is to evaluate the properties of polypropylene composites filled with niobium oxide, in order to find a market segment for these new materials. For this purpose, a polypropylene concentrate with 15% of niobium oxide was prepared in a single screw extruder. A dilution was done and composites filled with 3%, 5% and 10% wt% of the filler were processed in a twin screw extruder. The virgin polypropylene was also subjected to the same mixing processing conditions. The mechanical properties of polypropylene and composites were evaluated by tensile and impact mechanical tests according to ASTM D638 and ASTM D256 respectively. Considerable gain in strength, with the increase of elastic modulus and yield stress was observed with increase of the filler content. The same effect was presented by the elongation at break. Therefore, materials with superior toughness were obtained. Keywords: polypropylene, niobium oxide, composite. 9951