4 Materiais e Métodos

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1 44 4 Materiais e Métodos Nesse capítulo estão apresentados os materiais e a metodologia de caracterização usada. Definido que o melhor material para fabricação da escova era o poliuretano derivado do óleo da mamona foram, primeiramente, realizados alguns testes com o objetivo de confirmar as proporções de pré-polímero e poliol indicadas pelo fabricante, bem como o tempo de trabalho e tempo de cura da resina. Como método da pesquisa, foi proposta a caracterização do material por análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA) e a determinação da cinética de absorção de água e de saliva artificial. Foi desenvolvido ainda um protótipo da escova em poliuretano derivado do óleo de mamona, com as mesmas dimensões e volume de uma escova modelo fabricada em polipropileno. Esse processo se deu através da obtenção de um molde da escova modelo, utilizando material de moldagem à base de silicone, tubo de PVC e fios de aço para sustentação. Em seguida, esse protótipo foi utilizado como corpo de prova em ensaios de tração, junto à escova convencional, com o objetivo de definir as respectivas resistências à tração e os módulos de elasticidade e estabelecer uma comparação entre eles. 4.1.Materiais Resina de Poliuretano derivado do Óleo de Mamona O principal material utilizado foi a resina de poliuretano derivado do óleo de mamona, fornecida pela empresa POLIVEG, sob a forma bicomponente, constando de um poliol (parte A) e um pré-polímero (parte B). Como já dito anteriormente, o poliol é sintetizado a partir do óleo de mamona, obtendo-se um poliéster trifuncional. O pré-polímero é sintetizado a partir do difenilmetano diisocianato (MDI) e pré-polimerizado com um poliol também derivado do óleo de mamona, permanecendo com um potencial de isocianato livre para posterior reação.

2 Características Gerais Segundo o fabricante, o POLIVEG 480 é um produto ecológico e sua resina é extraída de óleos vegetais. Foi desenvolvido para sistemas de impermeabilização de superfície de concreto, madeira e aço. Sendo sua maior utilização no setor de construção civil, este sistema tende a resistir a produtos corrosivos, líquidos em geral e à umidade. O POLIVEG 480 é também muito utilizado na injeção de peças rígidas, mais precisamente em máquinas de injeção bi-componente. É um líquido que é encontrado nas cores âmbar (parte A) e marrom escuro (parte B) Campos de Aplicação Os campos de aplicação indicados pelo fabricante são bastante variados e incluem: isolamento térmico em blocos ou placas, impermeabilização de reservatórios de água potável, de estação de tratamento de água (ETA), esgoto e efluentes (ETE), entre outros tipos de impermeabilização. A resina de PU derivado do óleo de mamona é também bastante utilizada para revestimentos de pisos industriais, de tanques de aço carbono e revestimento de madeiras em geral. Pode ser ainda aplicada como aglomerante para compósitos de fibras vegetais Modo de Utilização A proporção ideal indicada pelo fabricante é de uma parte de poliol para uma parte de pré-polímero. De acordo com os testes realizados na pesquisa, essa proporção mostrou-se satisfatória, sendo importante ressaltar que quanto maior a quantidade de pré-polímero, aparentemente menor é a flexibilidade do material depois da cura. Quanto ao preparo da superfície, indica-se que para um melhor desempenho do POLIVEG 480, a superfície do substrato deve estar nivelada, livre de qualquer contaminação (graxa, óleos e umidade) e deve apresentar boa aderência. O sistema de preparo ideal indicado pelo fabricante é a máquina de injeção bicomponente, já que a reação do produto é muito rápida, devido ao seu alto teor de hidroxila. Deve-se colocar cada parte em seu recipiente e através da pressão, o

3 46 material é transportado em mangueira, misturado em uma pistola e projetado de acordo com a necessidade do cliente. No entanto, caso este sistema não esteja disponível, opta-se pela manipulação da resina com o auxílio de um misturador elétrico e injeção manual, método utilizado nesta pesquisa. No estado fresco, o material deve ser aplicado a frio sem cortes ou emendas, à temperatura ambiente e não deve exalar odores. No estado endurecido, o material possui alta resistência a abrasão, permite a expansão e a contração do substrato e possui resistência à radiação ultravioleta Dados Técnicos Tabela 2 Propriedades da resina de poliuretano derivado do óleo de mamona, valores indicados pelo fabricante, (Dados técnicos POLIVEG 480). Propriedades Densidade Aspecto

4 Embalagem e Armazenamento Industrialmente, O POLIVEG 480 é fornecido em grandes quantidades e armazenado em bombonas e tambores ou em blocos. No caso desta pesquisa, foram adquiridos, aproximadamente, cinco litros do material, que se encontravam armazenados separadamente, parte A de parte B, em dez recipientes plásticos com capacidade máxima de meio litro cada, como mostra a Figura 22, com o objetivo de facilitar o manuseio e aplicação do material. Figura 22 Recipientes contendo, respectivamente, os dois componentes do PU derivado do óleo de mamona: poliol (parte A) e pré-polímero (parte B) Silicone para Moldagem O material utilizado na fabricação dos moldes para os corpos de prova utilizados nos ensaios químicos de análise de absorção de água e saliva artificial foi a borracha de silicone POLI 1 MX BRANCA fornecida pela FIBERCOM RIO. Para a fabricação do protótipo da escova, foi utilizada a borracha de silicone POLI 1 MX AZUL, mais resistente, fornecida pela mesma empresa. O material apresenta-se na forma bicomponente, Figura 23, contendo o silicone fluido em uma embalagem de 1 kg e o catalisador líquido em um recipiente de 30 gramas. A proporção indicada pelo fabricante é de 30 gotas de catalisador para cada 100 gramas de silicone.

5 48 Figura 23 Borracha de silicone POLI 1 MX AZUL e catalisador liquido Tubo de PVC Para a fabricação do molde da escova dental foi utilizado ainda um tubo de PVC com tampa, com o objetivo de comportar o material de moldagem e a escova, verticalmente. Inicialmente, o tubo apresentava 1 metro de comprimento e, com o objetivo de facilitar o procedimento, foi realizado um corte, deixando o tubo com, aproximadamente, 30 cm de altura, Figura 24. Figura 24 Tubo de PVC com tampa ao lado da escova modelo.

6 Escovas-Modelo Escovas dentais da marca Johnson & Johnson modelo REACH Essencial, 30 Pequena e Macia, Figura 25, foram utilizadas como escovas-modelo para a realização do protótipo da escova em PU derivado do óleo de mamona. Segundo a embalagem, a escova REACH tem o preço sugerido de R$ 1,99 e apresenta a seguinte composição: resinas termoplásticas, pigmentos e âncora metálica. Em geral, a resina termoplástica utilizada na fabricação de escovas dentais é à base de polipropileno. Nesta pesquisa, foram adquiridas, inicialmente, seis escovas desse modelo, sendo que uma foi utilizada como escova-modelo para ser moldada, três foram separadas para os ensaios de flexão engastado e duas escovas extra, para qualquer eventualidade. Optou-se pelo modelo REACH por conta de seu cabo ser de polipropileno e apresentar secção retangular, o que facilitaria a análise dos resultados do ensaio de tração, como mostram as Figuras 26 e 27. Figura 25 Escovas dentais modelo REACH em suas respectivas embalagens.

7 50 Figura 26 Vista frontal das escovas dentais, mostrando o cabo com secção retangular. Figura 27 Perspectiva das escovas dentais, mostrando o cabo com secção retangular.

8 Metodologia Moldagem da Escova-Modelo Para a fabricação do protótipo da escova, desenvolveu-se, inicialmente, um molde de silicone através da moldagem de uma escova-modelo. Assim sendo, a partir da cópia fiel da escova de polipropileno, foi possível obter a escova de poliuretano derivado do óleo de mamona com dimensões idênticas, o que facilitou a comparação de ambas. Os processos de moldagem e fabricação do protótipo foram realizados no Laboratório de Compósitos da PUC-Rio, à temperatura ambiente. Primeiramente foram removidas as cerdas da escova-modelo, para que estas, fabricadas em nylon, não fossem moldadas. As cerdas de escovas dentais são inseridas através de uma maquina específica, após a fabricação do cabo e da cabeça. Neste caso, a intenção inicial do projeto é manter as cerdas em nylon e substituir apenas o polipropileno do cabo e da cabeça pelo PU derivado do óleo de mamona. Após a remoção das cerdas, Figura 28, foram aplicados alguns fios de metal na extremidade do cabo da escova-modelo, com o objetivo de sustentá-la dentro do recipiente de moldagem, para não alterar a copia negativa. Um tubo de PVC com tampa foi utilizado como recipiente de moldagem, a fim de comportar a borracha de silicone e a escova-modelo. O tubo foi posicionado verticalmente, com a tampa em sua parte inferior, impedindo o vazamento do silicone. A escovamodelo foi inserida com a parte da cabeça para baixo e os fios de metal foram apoiados na extremidade superior do tubo, equilibrando e posicionando corretamente a escova. Com os materiais separados e posicionados, Figura 29, iniciou-se a preparação do silicone. Os dois componentes (silicone fluido e catalisador) foram misturados manualmente, utilizando espátula de metal em um recipiente de borracha. Após a mistura, o material de moldagem foi inserido no tubo, contendo a escova. Aguardou-se, aproximadamente 60 minutos, até a presa total da borracha de silicone, para que a escova-modelo pudesse ser removida, obtendo-se o molde com a cópia negativa, Figura 30. Contudo, para remover a escova, foi preciso realizar um corte na lateral do molde. Antes disso, o tubo de PVC que estava envolvendo o molde também foi

9 52 removido. O procedimento foi realizado cuidadosamente, evitando qualquer alteração na cópia negativa que pudesse atrapalhar na fabricação do protótipo. Figura 28 Escova com cerdas comparada com a escova-modelo sem as cerdas. Figura 29 Materiais preparados para iniciar o procedimento de moldagem.

10 53 Figura 30 Vista superior do molde pronto, visualização da cópia negativa Protótipo da Escova Após a obtenção do molde, pode-se iniciar a fase de fabricação do protótipo da escova em PU derivado do óleo de mamona. Inicialmente, foram propostos alguns testes variando a proporção dos componentes poliol e prépolímero, até chegar-se a proporção ideal para o desenvolvimento do protótipo da escova. Isso ocorreu pois havia uma divergência entre as informações propostas pelo fabricante, pelo fornecedor e dados obtidos na literatura utilizando a mesma resina (Costa, 2007). Quando utilizou-se a proporção de duas partes de poliol para uma parte de pré-polímero, obteve-se um cabo de escova muito flexível e indesejável para a prática de escovação. Quando essa proporção foi invertida, utilizando uma parte de poliol para duas partes de pré-polímero, obteve-se um cabo muito resistente, que fraturou com facilidade, pois não apresentava a flexibilidade desejada. Portanto, o protótipo final foi fabricado na proporção de uma parte de poliol para uma parte de pré-polímero. Os componentes foram separados em dois recipientes diferentes, para que a proporção de 1:1 pudesse ser definida com precisão, Figuras 31a e 31b. Em seguida, ambos foram vertidos em outro recipiente, Figura 31c, e misturados inicialmente com uma espátula plástica, para depois serem levados ao misturador elétrico, Figura 31d. Após a mistura homogênea, verteu-se, cuidadosamente, o

11 54 líquido no molde, para evitar a formação de bolhas internas e garantir que o molde fosse completamente preenchido, Figuras 32a e 32b. Segundo o fabricante, o tempo de cura da resina é de, aproximadamente, 24 horas. Portanto, depois desse período, removeu-se inicialmente o tubo de PVC que envolvia o molde, Figura 32c, para que a escova pudesse ser então removida do molde, Figuras 33a e 33b. Após a remoção esperou-se mais 48 horas para manusear a escova, garantindo a cura total da resina e a obtenção do primeiro protótipo, Figura 33c. Figura 31a e 31b Recipientes contendo, respectivamente, pré-polímero e poliol na proporção de 1:1. Figura 31c e 31d Poliol e pré-polímero, respectivamente, sendo vertidos no mesmo recipiente plástico.

12 55 Figura 32a Componentes sendo misturados no misturador elétrico. Figura 32b Mistura homogênea sendo vertida, cuidadosamente, no molde. Figura 32c Tubo de PVC, que envolvia o molde, sendo removido após 24hrs.

13 56 Figura 33a e 33b Protótipo sendo, cuidadosamente, removido do molde, após 24 hrs. Figura 33c Protótipo após 48 horas, antes da fase de polimento. Devido ao corte realizado no molde para facilitar a remoção da escovamodelo, o protótipo apresentou algumas rebarbas na parte lateral do cabo. Dessa forma, foi preciso realizar um leve polimento na escova, utilizando lixas apenas na parte lateral e inferior do cabo. Após essa fase, obteve-se o protótipo final da escova, Figuras 34a, 34b e 34c.

14 57 Figura 34a e 34b Respectivamente, vista frontal e lateral do protótipo após o polimento. Figura 34c Protótipo final sendo manuseado por um usuário Cinética de absorção de água e saliva artificial Os ensaios de absorção de água e de saliva artificial foram baseados na norma ASTM D-570 referente à metodologia para testes de absorção de água em plásticos. Inicialmente, foram fabricados seis corpos de prova em PU derivado do óleo de mamona nas dimensões de 25,4 mm de largura, 76 mm de comprimento e 3,5 mm de espessura, Figura 35. Em seguida, dois recipientes com tampa foram preparados para armazenar separadamente água destilada e saliva artificial, Figura

15 Em cada recipiente foram dispostos três corpos de prova, de modo que eles permanecessem imersos no líquido e não entrassem em contato uns com os outros, nem com o fundo do recipiente. Para isso, os corpos de prova ficaram suspensos por elásticos, cujas extremidades foram fixadas às tampas dos recipientes, facilitando ainda a retirada do corpo de prova no momento da medição, Figuras 37 e 38. Com o objetivo de determinar a cinética de absorção de água e saliva artificial do poliuretano derivado de óleo de mamona, foi proposto um experimento, no qual três amostras (A 1, A 2, A 3 ) permaneceram imersas em um recipiente contendo água destilada e outras três (S 1, S 2, S 3 ), em um recipiente contendo saliva artificial durante três meses, tempo médio de utilização de uma escova dental proposto pela ADA. Nesse período, as amostras foram pesadas em intervalos variáveis, obtendo-se a variação de massa das amostras em função do tempo de imersão, o que permitiu, ao final do experimento, determinar a cinética de absorção de água e saliva artificial. Antes da medição, a amostra era retirada do elástico e secada superficialmente com uma folha de papel absorvente, Figura 39. Procurou-se realizar esse processo de maneira uniforme para evitar qualquer alteração de medida, conforme recomendado na norma ASTM D-570. As amostras foram pesadas em uma balança digital, Figura 40 e em seguida devolvidas ao recipiente de origem. Na primeira quinzena do experimento, as medições foram realizadas cinco vezes por semana. Na segunda quinzena, esse intervalo aumentou para duas vezes por semana. No segundo mês, foram realizadas medições a cada dez dias, passando depois para um intervalo de quinze dias até o final do experimento. Figura 35 Amostras de PU derivado de óleo de mamona para ensaios de absorção.

16 59 Figura 36 Dois recipientes contendo, respectivamente, água destilada e saliva artificial. Figura 37 Disposição das amostras A 1, A 2 e A 3 suspensas pelos elásticos. Figura 38 Disposição das amostras S 1, S 2 e S 3 suspensas pelos elásticos.

17 60 Figura 39 Secagem cuidadosa da amostra, utilizando uma folha de papel absorvente. Figura 40 Amostra sendo pesada na balança digital Análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA) A técnica de análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA) é amplamente utilizada para caracterização térmica de polímeros. Mediante a variação de temperatura, essa técnica permite a verificação das transições de fase, como por exemplo a transição vítrea, que é causada pela variação na mobilidade molecular das cadeias. Abaixo da temperatura de transição vítrea (T g ), o polímero não tem energia interna suficiente para permitir o deslocamento de uma cadeia com relação a outra por mudanças conformacionais (Cassu, 2005). O material está em

18 61 um estado vítreo, caracterizado por se apresentar duro, rígido e quebradiço, exibindo propriedades que se assemelham ao vidro. Acima da T g, o polímero é flexível, apresentando propriedades de borracha. Na temperatura de transição vítrea, ocorre uma relaxação (Cassu, 2005). A análise de DMTA é capaz de fornecer informações sobre o comportamento viscoelástico do sistema, desmembrando o módulo em duas componentes: contribuição elástica e viscosa. A variação em tan é atribuída à variação da dissipação de energia na forma de calor, a qual é resultante da fricção viscosa. O módulo de elasticidade E caracteriza a energia armazenada através da resposta ao estímulo aplicado; o módulo de perda E define a energia dissipada (Wasilkoski, 2006). Com o objetivo de caracterizar o PU derivado do óleo de mamona utilizado na fabricação do protótipo da escova e o polipropileno utilizado na fabricação da escova convencional, realizou-se a análise termodinâmico-mecânica nesses materiais. Para isso, foram usinadas três amostras de cada material, nas dimensões de 20mm de comprimento, 6mm de largura e 3mm de espessura. As amostras foram fabricadas no Instituto tecnológico da PUC-Rio (ITUC) e os ensaios de DMTA foram realizados no Laboratório de Análises Térmicas da Escola de Química da UFRJ. Cada amostra foi submetida a uma taxa de aquecimento de 3ºC/min, sob uma força estática de 330N, uma força dinâmica de 300N e a uma amplitude de 3,13m. As corridas referentes às amostras de polipropileno foram de uma temperatura inicial de 0ºC até 320ºC. Já as corridas referentes às amostras de PU derivado do óleo de mamona variaram de uma temperatura inicial de 0ºC até uma temperatura de 230ºC, abaixo da temperatura de degradação deste material Ensaio de Tração No ensaio de tração são determinadas as propriedades de resistência à tração uniaxial, módulo de elasticidade e alongamento, entre outras. A resistência à tração é avaliada pela carga aplicada ao material por unidade de área, no momento de ruptura. O alongamento representa o aumento percentual do comprimento da peça sob tração, no momento de ruptura. O módulo de elasticidade é medido pela razão entre a tensão e a deformação, dentro do regime

19 62 elástico, onde a deformação é totalmente reversível e proporcional à tensão. As normas ASTM D-638 e D-3039 descrevem o ensaio de tração (Silva, 2003). A metodologia utilizada para realizar os ensaios de tração seguiu os procedimentos recomendados pela norma ASTM D-630. Foram confeccionadas amostras de polipropileno e de PU derivado do óleo de mamona nas dimensões de 10,5 mm de largura, 8,2 mm de espessura e 40 mm de comprimento. As amostras foram retiradas de escovas convencionais de PP e do protótipo fabricado em resina de PU derivado do óleo de mamona. Os ensaios foram realizados no laboratório do IMA/UFRJ, na máquina de ensaio universal, modelo 5569 Instron, utilizando o software Bluehill para quantificar os resultados. Inicialmente, foi realizado um ensaio-teste para verificar a posição ideal das amostras nas garras da máquina. Em seguida, quatro amostras, duas de PP e duas de PU derivado do óleo de mamona, foram submetidas à tração. O objetivo principal foi analisar algumas propriedades mecânicas dos materiais, como a resistência à tração e o módulo de elasticidade, para em seguida estabelecer uma comparação entre os dois materiais.