Palavras-chave: Polipropileno, Elastômero termoplástico, Misturas, Propriedades mecânicas, Morfologia

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1 PROPRIEDADES MECÂNICAS E MORFOLOGIA DE MISTURAS DE POLIPROPILENO E ELASTÔMERO TERMOPLÁSTICO Carlos I. R. de Oliveira 1*, Diogo S. P. Monteiro 1, Marisa C. G. Rocha 1, Ana L. N. da Silva Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro IPRJ/UERJ, Nova Friburgo, RJ, carlosivan@iprj.uerj.br 2 - Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano, Universidade Federal do Rio de Janeiro IMA/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ Resumo: No presente trabalho, misturas de polipropileno (PP) e elastômero termoplástico do tipo SEBS foram preparadas em extrusora dupla rosca co-rotacional com o objetivo de avaliar a influência da adição do SEBS nas propriedades mecânicas do PP. O teor de SEBS presente nas misturas foi de 10, 15 e 20% (m/m). A morfologia das misturas foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura e mostrou que a fase do elastômero estava bem dispersa na matriz e sob a forma de domínios menores do que 1 µm. A presença da fase de SEBS levou a um aumento significativo da resistência ao impacto das misturas. Ensaios de resistência à tração também confirmaram o aumento da elasticidade do polipropileno com a incorporação do elastômero termoplástico. Palavras-chave: Polipropileno, Elastômero termoplástico, Misturas, Propriedades mecânicas, Morfologia Morphology and mechanical properties of polypropylene/thermoplastic elastomer blends Abstract: The aim of this study is to evaluate the effect of the thermoplastic elastomer (SEBS) concentration on the mechanical properties of polypropylene (PP). For this purpose, blends of PP and SEBS were prepared by melt mixing in a co-rotating twin-screw extruder. The SEBS content was 10, 15 and 20% (mass/mass). The morphology of the blends was evaluated by scanning electron microscopy. The micrographs showed the elastomeric phase was well dispersed in the matrix. The size of droplets (domains) was lesser than 1µm. The SEBS phase led to a significant increase in the impact resistance of the blends. Tensile strength tests also confirmed the addition of the thermoplastic elastomer causes an increase of the polypropylene elasticity. Keywords: Polypropylene, Termoplastic elastomer, Blends, Mechanical properties, Morphology Introdução O polipropileno (PP) é um dos mais importantes polímeros termoplásticos convencionais, devido principalmente as suas excelentes propriedades. Dentre essas propriedades, podemos destacar a sua boa processabilidade, elevada resistência química, boa estabilidade térmica, baixa densidade e baixo custo [1,2]. Apesar disso, sua baixa resistência ao impacto, proporcionada por sua elevada cristalinidade e alta temperatura de transição vítrea, limita muitas vezes a sua aplicação, principalmente em baixas temperaturas [1]. Nos últimos anos, o desenvolvimento de misturas polipropileno/elastômeros tem sido um dos métodos mais usados para aumentar a resistência ao impacto do PP [3-6]. Diferentes tipos de elastômeros vêm sendo usados como modificadores de impacto para o polipropileno, incluindo poliisobutileno, copolímeros de estireno-butadieno (SBR), copolímeros de etileno-propileno (EPR) e os terpolímeros de etileno-propileno-dieno (EPDM). No entanto, nos últimos anos, os elastômeros

2 termoplásticos (TPES) passaram a ser uma opção interessante à substituição dos elastômeros convencionais, tornando possível a obtenção de materiais com características diferenciadas, uma vez que os TPES combinam as características de processamento dos termoplásticos com as propriedades mecânicas da borracha. No presente trabalho, o uso do copolímero em bloco de estireno-b-etileno-co-butileno-b-estireno (SEBS) como modificador de propriedade do polipropileno foi avaliado. O teor de SEBS presente nas misturas foi de 10, 15 e 20% (m/m). As diferentes misturas foram processadas em extrusora dupla rosca e caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), ensaios de resistência à tração e resistência ao impacto. Experimental Materiais O polipropileno (PP H501HC), com índice de fluidez (230ºC/2,16 kg) de 3,5 g/10 min, foi fornecido pela BRASKEM; o elastômero termoplástico SEBS (Kraton G1657) foi fornecido pela Kraton Polymers do Brasil S.A. (Paulínia, SP); o tetrahidrofurano (THF) foi fornecido pela Vetec Química Fina Ltda (Rio de Janeiro, RJ). Processamento das misturas PP/SEBS O PP puro e as misturas PP/SEBS foram processados em extrusora dupla rosca co-rotacional Leistritz ZSE 18 Maxx com perfil de temperatura de 200/210/190/190/190/190/200/220/220/230 C. A velocidade de rotação das roscas durante o processamento foi mantida em 500 rpm. A dosagem do material na zona de alimentação foi de 5 kg/h. As misturas foram processadas com três diferentes teores de elastômero termoplástico (SEBS): 10, 15 e 20% (m/m). Microscopia eletrônica de varredura A morfologia da superfície de fratura das misturas foi avaliada em um microscópio eletrônico de varredura HITACHI, modelo TM3000, utilizando-se uma voltagem de aceleração de 15 kv. A superfície das amostras foi recoberta por uma fina camada de ouro em um metalizador. Obtenção de corpos de prova para ensaios mecânicos Corpos de prova para a realização de ensaios de resistência à tração e resistência ao impacto foram obtidos por meio de moldagem por injeção em injetora Injetora Arburg, modelo Allrounder 270 S ( ), com um perfil de temperatura de 210/200/190/180/170 C, pressão de injeção de 800 bar e velocidade de injeção de 30 cm 3 /s. O tempo de resfriamento foi de 30 segundos. Resistência ao impacto Izod Os ensaios de resistência ao impacto Izod foram realizados de acordo com a norma ASTM D256 em máquina tipo pêndulo CEAST Os corpos de prova foram obtidos por injeção, entalhados e submetidos ao teste de impacto do tipo Izod, empregando-se martelo com energia máxima de 2,75 J. Avaliação das propriedades mecânicas de tração Ensaios de tração das diferentes amostras foram realizados em Máquina Universal de Ensaios Shimadzu AG-X Plus, equipada com garras para tração com distância de 50 mm e célula de carga de 5 kn. A velocidade de afastamento das garras foi de 30 mm/min. Os ensaios foram realizados de acordo com a norma ASTM D638, com corpos de prova do tipo I.

3 Resultados e Discussão Microscopia eletrônica de varredura A Fig. 1 mostra as micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) para as misturas PP/SEBS, após extração da fase de SEBS. É possível observar nas micrografias através dos espaços vazios, a posição anteriormente ocupada pelos domínios elastoméricos. As micrografias foram obtidas com um aumento de vezes. As micrografias mostram que a fase de SEBS se encontra bem dispersa na matriz de polipropileno, sob a forma de domínios esféricos com diâmetros muito menores do que 1 µm. O tamanho dos domínios aumenta muito pouco com a concentração de SEBS. Coalescência da fase dispersa não é observada nas micrografias. As misturas com 15 e 20% (m/m) de teor de SEBS apresentaram uma distribuição bem mais homogênea na matriz de PP, possivelmente devido à maior concentração da fase elastomérica. Figura 1: Micrografias obtidas por MEV para as diferentes misturas obtidas por extrusão: PP/SEBS 90:10% (a), PP/SEBS 85:15% (b) e PP/SEBS 80:20% (m/m) (c) Resistência ao impacto Izod A resistência ao impacto de um determinado polímero é comumente aumentada com a adição de elastômero, entretanto, os resultados podem variar significativamente de acordo com a quantidade de elastômero e a morfologia final das misturas. A Fig. 2 apresenta os resultados da resistência ao impacto Izod do polipropileno e das misturas PP/SEBS. Os ensaios foram realizados a temperatura ambiente (23ºC). A resistência ao impacto do

4 polipropileno virgem obtida foi de 22,5 J/m. Esse resultado está de acordo com o comportamento frágil do polímero. Os resultados também mostraram que a adição de SEBS e o aumento do seu teor provocam o aumento da resistência ao impacto do polipropileno. A composição com 10% de SEBS (Exp. 01) apresentou um aumento na resistência ao impacto em torno de duas vezes maior ao apresentado pelo PP puro, enquanto as misturas com 15 (Exp. 02) e 20% (Exp. 03) do elastômero termoplástico apresentaram aumentos em torno de 9 e 19 vezes respectivamente, quando comparadas ao valor apresentado pelo polipropileno. A morfologia das misturas é a principal responsável pelas boas propriedades de impacto do PP. Figura 2: Resistência ao impacto Izod do polipropileno (PP) e das diferentes misturas PP/SEBS Propriedades mecânicas de tração As propriedades mecânicas do polipropileno e das misturas PP/SEBS em tração: módulo de Young (módulo elástico, E), tensão máxima (σ m ) e alongamento na ruptura (Ԑ máx ) foram determinadas e são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1: Propriedades mecânicas de resistência à tração do polipropileno e das misturas PP/SEBS processadas em extrusora dupla rosca Experimento Módulo de Young (MPa) Tensão Máxima (MPa) Deformação na ruptura (%) PP 1321,17 ± 16,02 35,03 ± 0,13 27,27 ± 5,36 PP/SEBS 90/10% (Exp. 01) 1100,11 ± 5,03 30,32 ± 0,18 229,79 ± 33,98 PP/SEBS 85/15% (Exp. 02) 1000,24 ± 9,75 28,02 ± 0,30 354,37 ± 35,05 PP/SEBS 80/20% (Exp. 03) 918,39 ± 11,54 25,69 ± 0,31 257,51 ± 88,31 Pode ser visualizado, que o módulo de elasticidade das misturas diminui com o aumento do teor de SEBS, como já era previsto. Apesar disso, a queda no módulo de elasticidade não foi tão acentuada. Os dados mostram também que a adição de 10% de SEBS ao PP causa uma redução de apenas 17% do valor do módulo de Young. A adição de maiores teores do elastômero não altera de maneira significativa os valores do módulo. Esses resultados podem ser explicados pela natureza do elastômero utilizado no processo de preparação das misturas. O elastômero termoplástico SEBS apresenta uma estrutura em bloco com domínios rígidos de estireno, o que sugere que a perda de

5 rigidez das misturas produzidas possa ser minimizada. Utilizar o SEBS como agente tenacificante do polipropileno é um dos efeitos esperados pela estrutura do SEBS: blocos duros ligados a blocos macios. A resistência à tração das misturas diminui linearmente com o aumento do teor de elastômero. A mistura PP/SEBS 90:10% mostrou uma resistência à tração de 30,32 MPa, que é 13% mais baixa do que a resistência à tração do PP. A adição de 20% de SEBS diminui em 27% a resistência à tração da matriz termoplástica. Essa diminuição nos valores de tensão máxima também foi observada por Denac e colaboradores na avaliação das propriedades mecânicas de misturas PP/SEBS [7]. A Tabela 1 mostra que o alongamento na ruptura aumenta significativamente com a adição do elastômero termoplástico, o que indica um aumento da elasticidade da mistura. Apesar disso, a mistura PP/SEBS 80:20% apresentou um valor de alongamento na ruptura inferior ao obtido para a mistura processada com 15% de teor do elastômero termoplástico, o que não era esperado. A mistura obtida segundo o experimento 02 mostra um alongamento na ruptura de 354,37%, que é 13 vezes superior ao alongamento na ruptura do polipropileno virgem. Conclusões A adição do elastômero termoplástico SEBS à matriz de polipropileno modificou as propriedades do PP em função da morfologia das misturas PP/SEBS. Micrografias obtidas por MEV mostraram a fase de SEBS bem dispersa pela matriz de PP sob a forma de partículas com diâmetros menores do que 1 µm. A presença da fase elastomérica levou a um aumento significativo na resistência ao impacto das misturas. O aumento da elasticidade das misturas com a incorporação do elastômero também foi confirmada por meio de ensaios de resistência à tração. Agradecimentos Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e a Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ) pelo apoio financeiro, a BRASKEM e a Kraton Polymers do Brasil S.A. pela doação do polipropileno e do elastômero termoplástico. Referências Bibliográficas 1. N. Fanegas; M.A. Gómes; I. Jiménez; C. Marco; J.M. Garcia-Martínez; G. Ellis. Polymer Engineering and Science. 2008, X, D.M. Panaitescu; Z. Vuluga; C. Radovici; C. Nicolae. Polymer Testing. 2012, 31, F.O.M.S. Abreu; M.M.C. Forte; S.A. Liberman. Journal of Applied Polymer Science. 2005, 95, K.R.M. Ferreira; I.F. Leite; A.S. Sirqueira; C.M.O. Raposo; L.H. Carvalho; S.M.L. Silva. Polímeros. 2011, 21, H.M. Costa; V.D. Ramos; W.S. Silva; A.S. Sirqueira. Polímeros. 2012, 22, M.B. Mendienta-García; U. Páramo-García; N.P. Díaz-Zavala; J.G. Robledo-Muniz; J.L. Rivera-Armenta. Polímeros. 2013, 23, M. Denac; V. Musil; I. Smit. Composites: Part A. 2005, 36, 1282.