INFLUÊNCIA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO VIRGEM/RECICLADO COM DIFERENTES TIPOS DE CARGAS REFORÇANTES

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1 INFLUÊNCIA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO VIRGEM/RECICLADO COM DIFERENTES TIPOS DE CARGAS REFORÇANTES Lidiane C. Costa 1 *, Alessandra L. Marinelli 1, Rubens E. dos Santos 1, Marcelo A. Chinelatto 1, Ricardo A. da Costa 2, J. Donato Ambrosio 1 * 1 Centro de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais; Rodovia Washington Luís Km 235 CEP São Carlos/SP; lidiane@ccdm.ufscar.br; alucas@ccdm.ufscar.br; rubens@ccdm.ufscar.br; mchinelatto@ccdm.ufscar.br; 2 Itatex, Campinas; racosta@itatex.com.br; donato@ccdm.ufscar.br Influence in the mechanical properties of composites of polypropylene natural/recycled with different types of reforced fillers In this work we studied mechanical properties of polypropylene composites reforced with three different mineral fillers (talc, mica and calcium carbonate) and fiber glass. The polymeric part of our material was obtained from recycled industrial wastes and it was used in fractions of 5 or 1%. In general, our studies showed an improvement of the mechanical properties of these materials, specially in the case of a composite made of 6% of mica and other formed by 1% of recycled resin. Introdução Poliolefinas normalmente possuem baixos valores de módulo de elasticidade e de flexão devido a sua estrutura macromolecular, o que, em diversas ocasiões, faz com que sejam inviáveis para aplicações estruturais. Mas devido a suas características de baixa densidade, baixo custo e facilidade de processamento, ou mesmo outras propriedades como resistência química, busca-se a incorporação de cargas reforçantes para aumentar a sua rigidez, com o intuito de manter as algumas características desejadas no compósito final. Alguns dos materiais mais utilizados para reforço mecânico de matrizes termoplásticas são as fibras de vidro (FV) e cargas minerais de reforço como talco (hidrosilicato de magnésio), mica (hidrosilicato de potássio, sódio e alumínio) e carbonato de cálcio (calcita). A incorporação de fibras e partículas sólidas de alto módulo e resistência, como cargas minerais de baixo custo em matrizes poliméricas, em geral, restringem a mobilidade das cadeias e a deformação sob carga mecânica. Isto gera a possibilidade de grandes alterações nas propriedades dos materiais caso sejam adicionadas cargas corretas em concentrações apropriadas, elevando propriedades mecânicas como módulo de flexão e elasticidade. Algumas vezes as cargas podem ter outras funções específicas como: retardamento de chama [1], nucleação heterogênea, cor, lubrificação e para alterar as propriedades térmicas e elétricas [2,3,4]. De forma geral, as principais vantagens na utilização de fibras e cargas reforçantes em termoplásticos podem ser resumidas da seguinte maneira: aumento substancial no módulo de elasticidade/rigidez do compósito; aumento expressivo na resistência mecânica (tração, flexão ou compressão) e às vezes nas propriedades de tenacidade/resistência ao impacto do compósito,

2 dependendo do tipo de carga e matriz polimérica em questão; melhoria substancial na resistência à fluência, alterando às vezes levemente as características viscoelásticas da matriz polimérica; melhoria na resistência mecânica em longo prazo (durabilidade e resistência à fadiga), dependendo do tipo de reforço e da natureza das interações na interface polímero-reforço; aumento expressivo na temperatura de termo-distorção (HDT); aumento na estabilidade dimensional, redução da expansão térmica e encolhimento de moldados; modificação nas características reológicas, elétricas e de permeabilidade dos compósitos [5]. Termoplásticos com reforços fibro-particulados apresentam interesse especial para aplicações de engenharia. A combinação de reforço fibroso com cargas minerais pode ser empregada como uma solução para minimizar problemas como anisotropia mecânica, substituindo parte das fibras de alta razão de aspecto por carga mineral de baixa razão de aspecto e, assim, buscar um melhor equilíbrio entre custo, resistência e anisotropia mecânica em peças técnicas fabricadas de compósitos de termoplásticos reforçados com fibras [2,3]. As propriedades dos compósitos poliméricos dependem basicamente dos seguintes fatores: propriedades dos componentes individuais e composição; grau de interação entre as fases; razão de aspecto e porosidade da carga; grau de mistura entre os componentes. O grau de adesão entre as fases pode ser avaliado em um compósito moldado pela resistência à tensão (tração, por exemplo). Caso esta propriedade seja superior à do polímero puro, significa que a matriz polimérica transferiu parte das tensões para a fase dispersa. Esta transferência de tensões ocorre através da interface, e é resultado de deformação elástica longitudinal entre a carga e a matriz e do contato por fricção entre os componentes. De acordo com este entendimento, a interface assume papel decisivo nas propriedades mecânicas do material final, de modo que uma boa adesão resulta em boas propriedades mecânicas. Esta adesão está relacionada com as propriedades químicas das cargas, bem como com as conformações moleculares e constituição química da matriz e, caso não seja perfeita, surgirão inevitavelmente vazios na região interfacial, provocando a fragilização do material. A melhoria da adesão polímero/carga pode ser feita com tratamento superficial da mesma ou no caso de fibras através de uso de um compatibilizante interfacial polímero/fibra, onde a escolha adequada das características materiais do compatibilizante conduz ao desempenho mecânico superior do compósito. Em relação à razão de aspecto, a distribuição de transferência de tensões é mais eficiente quando a razão de aspecto é alta. Sendo assim, o reforço mais eficiente seria obtido, a princípio, com o uso de cargas fibrosas, seguido por escamas ou flocos e finalmente por partículas esféricas [4]. A mistura de material reciclado com termoplásticos reforçados com fibras de vidro e cargas minerais, cada vez mais ganha destaque para aplicações de engenharia, tal como nas indústrias

3 automobilística, elétrica-eletrônica, eletrodomésticos etc, devido à sua facilidade na conformação de peças de formato complexo, redução do custo e por apresentar bom desempenho mecânico sob condições de serviço em ambiente agressivo [3]. Conscientes de que a reciclagem de polímeros é uma alternativa viável para minimizar o impacto ambiental e sabendo que este tema vem se tornando cada vez mais importante, pois além dos interesses ambientais e econômicos, começam a surgir legislações cada vez mais rígidas no sentido de minimizar e/ou disciplinar o descarte de resíduos sólidos [6], a proposta deste trabalho é estender os conhecimentos de compósitos para o uso de material reciclado visando avaliar seu desempenho mecânico. Experimental Os compósitos de polipropileno foram preparados em uma extrusora dupla-rosca corrotacional ZSK-3 da Werber & Pfleiderer, com perfil de rosca apresentado na figura1. A tabela 1 apresenta as formulações dos compósitos estudadas neste trabalho. As condições de processamento foram mantidas sempre constantes, o perfil de temperatura utilizado foi 23/245/25/26/26/255 C. Figura 1: Perfil de rosca utilizado Os corpos de prova para a avaliação do desempenho mecânico foram moldados por injeção em uma injetora automática Arburg (modelo 37V/8). Foi realizado ensaio de flexão segundo norma ASTM D79- para determinação da resistência à flexão e do módulo de flexão, ensaio mecânico de tração segundo ASTM D638-3 para determinação da resistência à tração, alongamento na ruptura e módulo de elasticidade, determinação da resistência ao impacto Izod com entalhe a temperatura ambiente, segundo ASTM D256-2.

4 Tabela 1: Formulação dos compósitos. Materiais (%) Formulações PP PP virgem reciclado Mica Talco CaCO 3 FV Resultados e Discussão A formulação 1 (5% PPvirgem / 5%PPreciclado) não apresenta nenhum tipo de carga, então é a referência para saber se houve melhoria ou não nas propriedades com adição de cargas. As figuras 2, 3, 4 e 5 apresentam os efeitos de reforço sobre as propriedades mecânicas para os compósitos estudados. A figura 2 apresenta os resultados obtidos no ensaio de flexão, as figuras 3 e 4 ensaio de tração e a figura 5 os resultados do ensaio de impacto Izod com entalhe. Em uma análise comparativa destes resultados podemos perceber a influência de cada tipo carga, presença de resina virgem, presença e porcentagem de FV. Os valores obtidos apresentam a eficiência ou não de reforçamento em termos de melhoria ou perda nas propriedades do polipropileno reforçado em relação à resina não reforçada. Analisando os dados apresentados nas figuras 2, 3, 4 e 5 observa-se que o polipropileno (termoplástico cristalino), de uma forma geral apresenta melhorias nas propriedades de módulo de flexão, resistência à flexão e módulo de elasticidade. A melhoria no módulo de flexão chega a 3,53 vezes, a resistência à flexão aproximadamente 2 vezes e o módulo de elasticidade 4,3 vezes maiores em relação à referência, dependendo da composição. Também fica claro, de uma forma geral, o menor efeito de reforçamento atribuído às cargas minerais quando comparados com as mesmas na presença de fibra de vidro, para teores de reforço equivalentes

5 (4%). Já quando a mica está presente em porcentagem superior (6%) há um ganho muito acentuado nas propriedades comparado aos compostos com FV, o que traz vantagens em relação ao custo, uma vez que a mica custa aproximadamente 5 vezes menos que a FV. As principais limitações nas propriedades estão na acentuada queda de tenacidade e ductilidade do PP com a presença destes reforços, o que reflete no alongamento na ruptura (exceto composto 5) e na resistência ao impacto, apesar de alguns destes compósitos apresentarem melhoria nesse ensaio, provavelmente pela presença de FV que possui um módulo de rigidez mais elevado em relação às cargas minerais. Outros resultados interessantes foram as propriedades obtidas nos compostos, onde utilizou-se apenas resina reciclada (1, 11 e 12). Nota-se que em alguns casos as propriedades são superiores quando comparados com as mesmas formulações com a presença de resina virgem. 5 7 Módulo de Flexão (GPa) Resistência a Flexão (MPa) Compósitos Figura 2: Módulo de flexão e Resistência à Flexão dos compósitos estudados

6 Módulo de Elasticidade (GPa) Limite de Resistência à Tração (MPa) Compósitos Figura 3: Módulo de elasticidade e Limite de Resistência à Tração dos compósitos estudados Alongamento na Ruptura (%) Compósito Figura 4: Alongamento na Ruptura (tração) dos compósitos estudados 5 Resistência ao Impacto Izod (kj/m 2 ) Compósito Figura 5: Resistência ao Impacto Izod, com entalhe, dos compósitos estudados

7 Conclusões Os compostos fibro-particulados em geral apresentam comportamento superior nas propriedades mecânicas que os materiais carregados apenas com carga mineral, exceto a formulação que apresenta 6% de mica (4) que chegou a valores comparáveis aos dos compostos reforçados também com FV. Os compostos com mica/fv e talco/fv apresentam um melhor sinergismo em relação ao CaCO 3. A incorporação de cargas minerais e/ou FV em polipropileno eleva os módulos de flexão e elasticidade em até 3,53 e 4,3 vezes, respectivamente. Dentre os compósitos estudados a mica em concentração elevada mostrou-se como uma alternativa bastante promissora uma vez que apresenta boas propriedades mecânicas e custo bastante baixo quando comparados com sistemas fibroparticulados e/ou compatibilizados. A FV contribui para valores maiores de resistência e módulo. O resultado com polímero somente reciclado induz a pensar que com a utilização de material reciclado de aparas industriais e um maior refinamento no estudo, pode-se ter propriedades bastante satisfatórias com a utilização de 1% de resina reciclada. Agradecimentos Os autores agradecem a Suzano Petroquímica, Itatex e Vetrotex pelo fornecimento dos materiais. Referências Bibliográficas 1. J. Razak; H. Akil; H. Ong J. Thermoplastic Composite Materials 27, 2, C. P. Morelli, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de São Carlos, J. A. Sousa Plástico Moderno, 26, M. Rabello, Aditivação de Polímeros, Artliber, São Paulo, J. A. Sousa; J. S. Cintra, Apostila do Curso de Aperfeiçoamento em Tecnologia de Plásticos, Universidade Federal de São Carlos, M. A. Spinacé; M. A. De Paoli Química Nova 25, 28, 65.