23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

Transcrição

1 REAPROVEITAMENTO DE REJEITO INDUSTRIAL DE ESPUMA FLEXÍVEL ATRAVÉS DA INCORPORAÇÃO EM MATRIZES TERMOPLÁSTICAS Juliana S. Menegassi, Patrícia S. Calvão Departamento Engenharia de Materiais, Centro Universitário da FEI (FEI), Av. Humberto de Alencar Castelo Branco, São Bernardo do Campo - SP, patycalvao@yahoo.com.br RESUMO Nesse estudo, foi feita a incorporação de um resíduo de espuma de melamina em duas matrizes distintas: polipropileno (PP) e poliamida (PA) nas concentrações de 2,5, 5 e 10% em massa. A espuma moída foi misturada às matrizes termoplásticas utilizando uma extrusora dupla rosca e em seguida foram injetados em corpos de prova de tração e impacto. A espuma teve efeito nucleante e tenacificante no PP, e efeito de carga rígida na PA (com altas concentrações de espuma). Foi observado um aumento na temperatura de degradação e de início de degradação dos compostos com matriz de PP, além de a taxa de degradação ser minimizada em comparação ao material puro. No caso da PA a espuma provocou uma antecipação na degradação, no entanto, a taxa de degradação também diminui com a presença da espuma. Os resultados do MEV indicam que a espuma de melamina apresentou pouca interação com o PP e boa compatibilidade com a matriz de PA. Palavras chave: Reciclagem; Espuma flexível; Espuma de melamina. INTRODUÇÃO A utilização de materiais poliméricos vem aumentando a cada dia, principalmente, devido à série de vantagens do uso desses materiais (comparado aos metais e cerâmicos) tais como: baixa densidade e facilidade de conformação, o que permite projetar produtos de alta complexidade com menor peso, implicando na redução de custo final (1). No entanto, os polímeros sintéticos levam um grande intervalo de tempo para se decompor quando descartados, gerando um grande volume de lixo e poluição. Nesse contexto, a reutilização e a realização da reciclagem dos materiais podem proporcionar a diminuição da quantidade de resíduos descartados, diminuindo os efeitos causados (2). 8224

2 A reciclagem mecânica pode ser feita de diversas maneiras, tais como: reprocessar o material, gerando o mesmo produto inicial; utilizar o material como matéria-prima para outro produto; ou utilizar o resíduo como aditivo para outro polímero ou material, produzindo um novo material. A escolha do método que será utilizado depende diretamente do tipo de material que está sendo reciclado, como por exemplo, materiais termoplásticos são facilmente reciclados porque conseguem ser amolecidos e remoldados, enquanto os materiais termofixos apresentam uma maior dificuldade, já que eles não podem ser amolecidos e remoldados. Assim, esses materiais normalmente são introduzidos como cargas em outros polímeros, gerando compósitos (2). Em particular as espumas, principalmente as flexíveis, apresentam grande dificuldade de serem reprocessadas e recicladas. Um dos maiores problemas na reciclagem da espuma está no fato de o processo ser pouco produtivo (dada a grande quantidade de ar nesses materiais) com alto custo de transporte, encarecendo o processo como um todo. No entanto, a maioria dessas espumas podem oferecer ótimas propriedades à matriz termoplástica se tornando interessante e desejada sua reciclagem. A espuma de melamina é um material polimérico flexível e de células abertas produzida a partir da resina termofixa conhecida como melamina. Essa espuma tem sido muito utilizada para isolamento térmico e acústico de ambientes e para área automotiva. Além das propriedades de isolamento, esse material apresenta resistência química e resistência a fungos e bactérias (3). A espuma de melamina utilizada no presente trabalho é o principal material utilizado pela empresa OWA Brasil, produtora de revestimentos acústicos. Uma vez que cada projeto desenvolvido pela empresa necessita desse material com dimensões variadas, são realizadas laminações e cortes nas espumas resultando na geração de um grande volume de resíduos, sendo descartados aproximadamente 50 m³/mês. Dessa forma, se faz necessário um estudo da reciclagem e/ou reutilização desse material, uma vez que o custo do material é elevado. No presente trabalho, optou-se por incorporar a espuma de melamina por meio de processamento termomecânico em duas matrizes termoplásticas de polaridades distintas: polipropileno (PP) e poliamida (PA), a fim de analisar se a espuma poderia agir como um aditivo nessas matrizes, conferindo propriedades interessantes. 8225

3 MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Os materiais utilizados para o desenvolvimento dessa pesquisa foram: a) Espuma de melamina doada pela empresa OWA Brasil, constituindo um resíduo da empresa. A espuma foi cortada inicialmente com auxílio de uma tesoura em pedaços menores para então ser processada. b) Polipropileno (Braskem H503) com índice de Fluidez de 4g/10 min e densidade de 0,905 g/cm 3. c) Poliamida - 6; (Mazzaferro), com viscosidade relativa de 2,68 e densidade de 1,14 g.cm 3. Métodos Inicialmente a espuma foi prensada (presa mecânica) sem controle de pressão, em temperatura ambiente por aproximadamente 20 a 40 segundos, para a compactação e retirada do ar contido no interior do material. Após essa etapa, o material foi submetido a um moinho de facas, utilizando uma peneira com orifícios de 1,5 mm de diâmetro. Em seguida a espuma foi misturada ao PP e a PA nas proporções de 2,5, 5 e 10% em massa por tamboreamento manual. As matrizes termoplásticas puras e os compostos PP/Espuma e PA/espuma foram processados utilizando uma extrusora, dupla rosca corrotacional, da marca ThermoScientific modelo PolyLab OS PTW6. Com base nos resultados obtidos nos ensaios térmicos e testes previamente realizados foram determinadas as melhores condições de processamento. Essas estão apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 - Condições de extrusão para os compostos extrudados Composto Alimentação (%) Rotação( 1/min) Temperatura ( C) ** PP/Espuma PA/Espuma 3, (**) Para todas as zonas das roscas. Após a extrusão os materiais foram granulados e injetados em corpos de prova de tração e impacto utilizando uma injetora Battenfeld, modelo HM 60/50 (velocidade de injeção de 20cm/s, temperatura do molde de 70 o C, pressão de injeção de 700bar para o PP e 900bar para o PA). 8226

4 Para o estudo comportamento mecânico dos compostos foram feitos ensaios de tração (ASTM D638 utilizando uma máquina universal Instron 5567, com célula de carga de 30 kn, a 50 mm/min) e impacto Charpy (ASTM D256 utilizando um equipamento Instron CEAST 950 com martelo de 5,4 J e amostras entalhadas). Análises térmicas foram realizadas através de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e termogravimetria (TGA). Os ensaios de DSC (DSC Q20 - TA instruments a 10 C/min e atmosfera de nitrogênio) foram feitos com aproximadamente 10 mg de material do centro do corpo de prova de impacto de cada amostra. Para o cálculo de cristalinidade foram utilizados os valores de entalpia de fusão do material 100% cristalino de H 0 de 209 J/g, para o PP e H 0 de 190 J/g para o PA. O ensaio de TGA (SDT Q600 V TA instruments a 10 C/min e atmosfera de nitrogênio) foi feito com aproximadamente 20 mg de material retirado do centro de corpos de prova de impacto. O ensaio de retardância de chama foi feito segundo a norma UL 94 utilizado o corpo de prova de impacto (comprimento de 150 mm). Os ensaios foram conduzidos no laboratório disponível na Aditive Plásticos. As superfícies de fratura dos corpos de prova de impacto foram metalizadas com ouro e analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) (Oxford Instruments CamScan 3200 LV) com a utilização de elétrons secundários e uma voltagem de 20 kv. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 2 apresenta os resultados de tempo de queima e taxa de queima obtido através do ensaio de retardância de chama para os compostos de PP e PA com diferentes concentrações de espuma de melamina (E). Pode ser visto que para baixas concentrações de espuma, a taxa de queima do PP aumentou, revelando que a espuma acelerou a degradação do PP. No entanto, a adição de 10% de espuma na resina proporciona uma desaceleração da combustão do material, porque ocorreu um aumento significante no tempo de queima em relação ao termoplástico puro e também uma diminuição na taxa de queima. Além disso, foi notado que para os compostos com PP o gotejamento diminuiu muito. Esse resultado é muito relevante quando falamos de poliolefinas, já que esses materiais apresentam alto índice de gotejamento. Normalmente, essa diminuição no gotejamento é apenas alcançada com a utilização do aditivo 8227

5 conhecido como anti dripping (aditivos que minimizam o gotejamento), já que os mais comuns não minimizam esse efeito da resina de polipropileno. Tabela 2 - Retardância de Chama para os compostos de PP Composição Tempo de Queima (s) Taxa de Queima (mm/s) PPpuro 223,4 ± 5,4 20,2 PP + 2,5%E 146,0 ± 12,5 30 PP + 5%E 143,2 ± 18,7 33,1 PP + 10%E 317,6 ± 19,0 14,1 PApuro * * PA + 2,5%E * * PA + 5%E 293,8 ± 8,2 15,3 PA + 10%E 290 ± 4,0 15,5 No caso da poliamida, observa-se que a incorporação da espuma proporciona uma maior taxa de queima, uma vez que a resina pura já apresentou a propriedade de retardância de chama, ou seja, a queima foi interrompida sozinha. A adição de 2,5% de espuma não alterou esse comportamento. No entanto, a partir da composição de PA+5%E os corpos de prova passam a sofrer a queima. A tabela 3 estão apresenta os resultados obtidos nos ensaios de tração realizados para as amostras dos compostos de PP e PA com diferentes concentrações em massa de espuma de melamina (E). Tabela 3 - Resultados obtidos nos ensaios de tração para os compostos Composição Módulo à 0,3% Deformaçã Tensão Tenacidade (MPa) o (%) Máxima (MPa) (J/mm²) PPpuro 1909,8± 180,9 22,6± 2,8 38,2 ± 0,1 0,36 ± 0,02 PP + 2,5%E 1997,2± 186,4 20,9± 3,2 34,2 ± 0,3 0,35 ± 0,07 PP + 5,0% E 2085,3± 207,4 34,7± 10,0 32,3 ± 0,4 0,54 ± 0,16 PP + 10,0% E 2383,4± 301,4 53,1± 7,1 30,7 ± 0,2 0,73 ± 0,08 PApuro 1667,4± 21,9 >> ,2 ± 1,0 - PA + 2,5% E 1390,4 ± 144,5 152 ± 24 48,3 ± 0,6 3,69 ± 0,99 PA + 5,0% E 1367,3 ± 41,7 251 ± 10 49,2 ± 0,6 5,69 ± 0,12 PA + 10,0% E 1920,4 ± 13,11 88 ± 10 52,7 ± 0,1 2,05 ± 0,22 Observa-se que a incorporação da espuma de melamina no polipropileno não proporciona alterações significativas no módulo de elasticidade em 0,3% de deformação em relação a matriz pura. No entanto, ocorreu um aumento na deformação plástica e a tenacidade. O aumento dessas duas últimas propriedades 8228

6 foi muito significante, chegando a atingir um incremento, respectivamente, de 230% e 102% em relação à resina termoplástica pura. No entanto, a resistência à tração diminui conforme é adicionada a espuma na matriz, atingindo uma diminuição de 19% de resistência em comparação ao PP puro. Os resultados de tração parecem indicar que a espuma teve um efeito tenacificante no PP. A poliamida utilizada apresenta uma grande capacidade de deformar, no entanto, não foi possível determinar o alongamento total obtido pelos corpos de prova, uma vez que após alongar 250%, em relação ao seu tamanho inicial, o material desprendia da garra do equipamento, impossibilitando mensurar com precisão. Em decorrência disso, não foi possível calcular exatamente o valor da tenacidade do material. A rigidez dos compostos de PA é menor para as composições PA + 2,5%E e PA+5%E e, maior para a de PA+10%E em relação a resina pura. Já a deformação máxima e a tenacidade são menores para as composições PA+2,5%E e PA+10%E, enquanto para PA+5%E se torna maior em relação a poliamida 6 pura. A tensão máxima aumentou com o aumento da concentração de espuma na resina termoplástica, atingindo um aumento de até 9% em relação ao PA 6 puro. Os resultados do ensaio de impacto evidenciaram que a adição da espuma não tem influência significativa na resistência ao impacto das resinas termoplásticas. No caso do PP a resistência ao impacto média dos compostos foi de 4kJ/m 2, enquanto para a PA esse valor médio foi de 8,5 kj/m 2 para todas as composições. As tabelas 4 e 5 apresentam os resultados obtidos por DSC para os compostos de PP e PA respectivamente com diferentes concentrações de espuma (E). Tabela 4 - Resultados obtidos no ensaio de DSC para os compostos Composição Tfusão ( C) H (J/g) %C PPpuro 168,6 95,0 45% PP + 2,5%E 168,7 96,6 47% PP + 5%E 171,7 108,1 54% PP + 10%E 170,9 93,11 49% Pode ser visto que a adição de espuma no PP não alterou significativamente a temperatura de fusão da matriz. Observa-se também que a incorporação da 8229

7 espuma resultou em um aumento da cristalinidade do PP. Neste caso, a espuma parece ter tido efeito de nucleante no PP. Essa hipótese corrobora com os resultados observados no ensaio de tração. Caso a espuma tenha efeito nucleante, ela pode ter aumentado à quantidade de cristais pequenos, uma vez que ocorre um aumento na deformação. Tabela 5 - Resultados obtidos no ensaio de DSC para os compostos de poliamida. Composição Tfusão 1 ( C) H 1 (J/g) %C1 Tfusão 2 ( C) H 2 (J/g) %C2 PApuro 214,4 55,1 23% 223,3 29,4 12% PA + 2,5%E 218,6 96,6 41% PA + 5%E 217,4 48,2 21% 226,1 27,3 12% PA + 10%E 215,4 47,8 22% 227,3 33,3 15% A poliamida apresentou dois picos relativos à fusão no ensaio de DSC. No entanto, o composto de PA+2,5%E apresentou apenas uma temperatura de fusão e entalpia de fusão, pois a curva obtida evidenciou dois picos muito próximos, dificultando mensurar os dois diferentes valores. Segundo PAUL (4) esse comportamento de duplo pico de fusão ocorre, pois na poliamida é possível a existência de duas fases cristalinas diferentes: fase α e fase γ. Para o cálculo de cristalinidade foram utilizados os valores de H o para as fases α e γ de 241 J/g e 239 J/g, respsctivamente. Na tabela 5 os dados referenciados como 1 são os valores obtidos para a fase γ, já que é a fase em que ocorre em menor temperatura de cristalização., enquanto os dados referenciados como 2 estão relacionados com a fase α. Para determinação da entalpia de fusão das composições com duplo pico de fusão, foi analisada a área de cada pico (cuja soma não representa a área total dos dois picos). De maneira geral, observa-se que a adição de espuma não modificou significativamente a cristalinidade da matriz de poliamida. A presença de diferentes fases nos compostos de poliamida pode explicar as variações observadas no comportamento mecânico de acordo com a concentração de espuma no composto. No entanto, a determinação exata dessas proporções é difícil de mensurar. A tabela 8 apresenta os resultados obtidos no ensaio de TGA para os compostos com PP e com PA. Tdeg. 1 corresponde à temperatura de degradação da espuma e a Tdeg. 2 da matriz polimérica. 8230

8 Tabela 3 - Resultados obtidos no ensaio de TGA para os compostos. Composição Tdeg. 01 ( C) Tdeg. 02 ( C) Tonset ( C) Resíduo em 580 C (%) Taxa de Degradação (mg/s) PPpuro - 443,5 389,8 0,0% 5,6 PP + 2,5%E - 455,2 425,3 1,8% 2,0 PP + 5%E ,1 431,2 1,5% 1,8 PP + 10%E 376,7 456,3 427,7 2,4% 1,7 PApuro - 466,2 433,2 0,1% 3,3 PA + 2,5%E 216,6 446,9 421,3 2,1% 1,4 PA + 5%E 369,9 443,6 416,3 1,4% 1,2 PA + 10%E 370,1 439,9 400,6 2,0% 1,1 Observa-se que a adição de espuma na matriz de PA acarreta na diminuição na temperatura de degradação (Tdeg.2), na temperatura de início da degradação (Tonset) e, também na taxa de degradação do material, ou seja, a degradação iniciase mais rápido, porém perde uma menor massa em função do tempo, comparado com a resina pura. No caso da matriz de PP, a espuma proporciona pequena alteração na temperatura de degradação da matriz, no entanto, o início da degradação é tardio em relação à matriz, além de diminuir a taxa de degradação. A apresenta imagens de MEV dos compostos de PP e PA com 10% de espuma, feitas com um aumento maior para observar a interface entre as fases. Pode ser observado que a espuma não apresenta boa compatibilidade com o PP, uma vez que existe uma lacuna entre as duas fases. No caso da matriz de PA, a interação entre as fases, aparentemente, é superior, porque existem regiões onde a espuma está muito envolvida pela matriz. Esse comportamento pode explicar os resultados de TGA. Uma vez que a interação da espuma com a poliamida foi maior, a degradação térmica (e também a queima nos ensaios de retardância) foi acelerada. Por outro lado, a fraca interação da espuma com o PP pode ter dificultado a degradação térmica dessa resina. 8231

9 Figura 1. MEV da superfície de fratura dos compostos PP + 10%E PA + 10%E CONCLUSÃO Foi observado que a espuma de melamina teve efeito nucleante e tenacificante no polipropileno. Os compostos de poliamida apresentaram duas fases cristalinas distintas oriundas da diferença de taxa de resfriamento entre o centro e a superfície do corpo de prova no molde de injeção. A possível variação na proporção de cada uma dessas fases nas amostras pode explicar as variações observadas no comportamento mecânicos de acordo com a concentração de espuma. De maneira geral, adição de 10% de espuma teve um efeito de carga rígida na poliamida. Os compostos de espuma com PA apresentam uma menor temperatura de degradação e de início degradação em relação à matriz pura. No caso do PP o comportamento observado foi oposto. Análises de MEV mostram que a espuma apresenta baixa compatibilidade com o PP, mas boa interação com a matriz de PA. A partir da realização desse trabalho foi possível concluir que a espuma de melamina pode ser reciclada e reaproveitada uma vez que esse material pode atuar como tenacificante ou carga rígida nos termoplásticos. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao Centro Universitário FEI, pelos laboratórios; a empresa OWA Brasil pela doação das espumas; a empresa Aditive Plásticos pela realização dos ensaios de retardância a chama e a FAPESP pelo auxílio financeiro. 8232

10 REFERÊNCIAS (1) CANEVAROLO, S. V. Jr. Ciência dos Polímeros. 2. ed. São Paulo: Artliber, (2) ZANIN, M.; MANCINI, S.D. Resíduos plásticos e reciclagem: aspectos gerais e tecnologia. 2. São Carlos: Ed. EdUFSCar, (3) OWA Brasil. Especificações Técnicas do Material. Arquivo 173, (4) PAUL, D. R.; FORNES, T.D. Crystallization behavior of nylon 6 nanocomposities. Revista Polymer, v. 44. n.14. p