ESTUDO DA INCORPORAÇÃO DE FIBRAS DE POLI(TEREFTALATO DE ETILENO) RECICLADO NO POLIPROPILENO EM RELAÇÃO ÀS PROPRIEDADES MECÂNICAS

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1 ESTUDO DA INCORPORAÇÃO DE FIBRAS DE POLI(TEREFTALATO DE ETILENO) RECICLADO NO POLIPROPILENO EM RELAÇÃO ÀS PROPRIEDADES MECÂNICAS Palova Santos 1, Sérgio Henrique Pezzin 2 1 Sociedade Educacional de Santa Catarina (SOCIESC), Escola Técnica Tupy, Joinville/SC, Brasil, / Fone (0xx47) , Fax (0xx47) ; palova@sociesc.com.br; 2 Depart. de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), Joinville/SC, Brasil, / Fone (0xx47) , Fax (0xx47) ; dcb2shp@fej.udesc.br Abstract We present an experimental study of the incorporation of fibers of recycled poly(ethylene terephtalate) PET in polypropylene. Composites of PP/PET with 3, 5 and 7% of PET fibers (m/v) were prepared by monoscrew extrusion followed by injection moulding and the mechanical behavior was estimated by the measurement of the tensile strength, the Izod impact strength and the surface hardness (Shore D). The morphology was determined by scanning electron microscopy (SEM), showing good dispersion of the fibers but no interaction between the polymer phases. It was observed that the incorporation of recycled-pet fibers in PP is an efficient way to recycle PET, increasing significantly the mechanical properties of polypropilene. Key-words: polypropilene, poly(ethylene terephtalate), recycling 1. INTRODUÇÃO Devido às propriedades e facilidades de processamento dos materiais plásticos comparados com outros materiais como o vidro, a madeira e os metais, vem aumentando de maneira acelerada a aplicação dos plásticos no mercado. Com isso, a quantidade de resíduos urbanos e industriais referentes aos materiais plásticos vem crescendo. Dentre estes, o poli(tereftalato de etileno), PET, é um dos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55901

2 materiais que mais vem crescendo no mercado nos últimos anos e apesar de ser um dos plásticos mais reciclados na atualidade, a quantidade não reciclada desta resina é ainda elevada 1,2. O PET é um termoplástico de engenharia, com grande emprego nas indústrias de embalagens para envase como garrafas de refrigerantes e de óleo de soja além das empresas do setor têxtil. Por ser um material que se encontra em grandes quantidades na forma de garrafas pós-consumo e devido ao grande problema de sua decomposição pela natureza, vem-se desenvolvendo trabalhos de utilização para o PET reciclado. O maior mercado para o PET pós-consumo no Brasil é a produção de fibras para a fabricação de cordas (multifilamento), fios de costura (monofilamento), cerdas de vassouras e escovas de limpeza domiciliar. Outra parte é destinada à moldagem de autopeças, lâminas para termoformadores à vácuo (manequins plásticos), garrafas de detergentes, mantas não tecidas, carpetes e enchimentos de travesseiros 2,3. Sua reciclagem, além de desviar lixo plástico dos aterros, utiliza apenas 30% da energia necessária para a produção da resina virgem, e o material tem a vantagem de poder ser reciclado várias vezes sem prejudicar a qualidade do produto final 2. Na Tabela 1 são apresentados dados sobre o consumo e reciclagem de PET no Brasil, de 1994 a Estudos vêm sendo realizados com o intuito de misturar o PET reciclado com outros materiais poliméricos, como por exemplo o polietileno e poliestireno 4,5. Misturas de PET com polipropileno são raras e podem ser compatibilizadas com polipropileno funcionalizado, PPf 8, 9. Neste trabalho buscou-se estudar a incorporação de fibras de PET reciclado em um material polimérico que tivesse grande emprego na industria de transformação de plásticos, e que aceitasse materiais plásticos como reforço. Assim, o polipropileno (PP) foi o material escolhido, que devido ao equilíbrio entre custo/benefício é empregado em inúmeras aplicações, inclusive quando reforçado com fibra de vidro ou talco 6,7. A incorporação de fibras de PET reciclada no PP sem um tratamento superficial na fibra ou auxílio de um agente compatibilizante para a fibra/polímero, foi a proposta para esta primeira etapa do trabalho, onde estudou-se apenas o comportamento dos processos e a quantidade máxima possível desta incorporação. 2. PARTE EXPERIMENTAL Para este estudo utilizou-se o polipropileno (Prolen VM K) da Polibrasil Resinas S.A. e fibras de poli(tereftalato de etileno) (PET) reciclado doados pela empresa Fibrasca Joinville SC. A CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55902

3 mistura foi realizada manualmente, desfibrilando e homogeneizando a fibra de PET no PP dentro do funil da extrusora monorosca Tigre (taxa de compressão H 60 e relação L/D = 25,6). Tabela 1: Produção, consumo e reciclagem de PET no Brasil (ton/ano) ANO Produção Consumo* Reciclagem %Reciclado/ %Reciclado/ Produção Consumo mil 80 mil 13 mil 18,8 16, mil 120 mil 18 mil 25,4 15, mil 150 mil 22 mil 21,0 14,7 1997** 170 mil 180 mil 27 mil 15,9 15,0 * Inclui importação de resina ** Previsão Fonte: CEMPRE e RECIPET As proporções de fibras de PET reciclada incorporadas no PP foram nas porcentagens de 3, 5 e 7 % em volume. O perfil de temperatura do cilindro de plastificação foi ajustado entre 106 e 160 ºC para as quatro zonas de aquecimento, com uma rotação média de 11,8 rpm, para todas as formulações. Para o processo de extrusão foram utilizados parâmetros de testes realizados anteriormente no polipropileno homopolímero puro e posteriormente extrudaram-se as demais misturas de PP com a fibra de PET. O material extrudado foi resfriado à temperatura ambiente sem forma definida, em seguida granulado em moinho de facas (Primotécnica) e peneirado em peneira de malha (0,4 mm) para homogeneização dos grãos. Para a obtenção dos corpos de prova para realização dos ensaios mecânicos utilizou-se o processo de injeção em máquina Injetora Sandretto de comando numérico computadorizado com força de fechamento de 65 ton, capacidade de injeção de 134g de polietileno de alta densidade e plastificação de 16,8 g/s, sendo a relação L/D = 20. Os parâmetros de injeção foram escolhidos com base nas recomendações do fornecedor do polipropileno. Os corpos de prova injetados, após acondicionamento segundo norma ASTM 618, foram submetidos aos ensaios de resistência à tração na Máquina Universal de Ensaios Kratos (norma ISO- 527), resistência ao impacto Izod na máquina Microtest (norma ISO 180), dureza superficial em Durômetro Shore D Woltest (norma ASTM D 2240) e Índice de Fluidez no plastômetro de extrusão CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55903

4 Microtest (norma ASTM 1238), sendo que para cada formulação foi separada 100 g de matéria-prima granulada para realização deste ensaio. Para analisar a eficiência da incorporação e a dispersão das fibras foram realizadas análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de superfícies de amostras fraturadas sob nitrogênio líquido. Foi realizada uma análise termogravimétrica (Perkin-Elmer) nas amostras de polipropileno pura e nas formulações com fibras de PET reciclada. Amostras com massa média de 5 mg foram aquecidas através de 25 a 600 ºC a taxas de aquecimento de 10 ºC/min. sob atmosfera de nitrogênio RESULTADOS E DISCUSSÃO Durante a preparação das formulações de polipropileno homopolímero com fibras de PET reciclado não foram observados problemas no processamento de extrusão para as composições estudadas (3, 5 e 7%). Quando aumentou-se a proporção de fibra de PET reciclada para 10% em volume de PP, observou-se a formação de anéis de fibra de PET ao redor da rosca da extrusora monorosca e a degradação do material durante a extrusão foi bastante significativa, notando-se a mudança brusca na coloração do compósito. Assim, para proporções de fibra de PET superiores a 10% em volume na matriz de PP seria necessário o emprego de uma extrusora dupla-rosca para que haja uma melhor dispersão da fibra na matriz além do auxílio de um compatibilizante para que a interação matriz-fibra seja maior. Durante o processo de injeção para a obtenção dos corpos de prova, não foi observado nenhuma alteração do material e nem dificuldades de processo. Os resultados obtidos no ensaio de resistência à tração das formulações de 3, 5 e 7% de fibra de PET reciclado no polipropileno e do PP puro são mostrados na Tabela 2. Observa-se que a incorporação de fibra de PET no PP não alterou significativamente a resistência à tração do PP pois apresentou um pequeno aumento de 3,7% para a formulação com 5% de fibra de PET, não sendo relevante. Tabela 02: Resistência à tração versus porcentagem de fibra de PET incorporada ao PP. Porcentagem de fibra de PET Média Resistência a Tração (Kgf/cm 2 ) , ,59 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55904

5 , ,25 A Figura 1 mostra os resultados obtidos da deformação específica na ruptura das formulações. Observou-se que com a incorporação das fibras de PET, a deformação teve uma queda bastante acentuada, em torno de 82% para a formulação de 3% de fibra de PET reciclado e manteve-se constante para as demais formulações. Deformação Específica na Ruptura (%) ,73 15,374 15,082 15, % Fibra de PET Figura 1: Deformação Específica na Ruptura vs. porcentagem de fibra de PET incorporada ao PP. Os resultados do ensaio de índice de fluidez estão mostrados na Figura 2 e pode-se verificar um decréscimo gradativo a medida em que aumentava-se a quantidade de fibra de PET ao PP. A maior redução foi obtida para a formulação de 7% de fibra com uma queda de 17,3%. Isto já era de se esperar, pois o PET não se fundiu durante o ensaio devido à diferença de temperatura; atuando como um reforço e reduzindo a fluidez do composto. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55905

6 Índice de Fluidez (g/10min) ,295 19,612 17,047 16, % Fibra de PET Figura 2: Índice de fluidez vs. porcentagem de fibra de PET incorporado ao PP. Para o ensaio de impacto Izod, os resultados obtidos encontram-se na Figura 3. A partir destes resultados pode-se observar que houve um aumento gradativo da resistência ao impacto para todas as proporções de fibra de PET adicionadas ao PP sendo que a variação máxima foi de 18,9% para o compósito com 7% de fibra. Tal fato pode ser atribuído à formação de aglomerados que atuam como pontos de amortecimento no interior da matriz conforme pode ser observado na Figura 4. Os aglomerados na forma arredondada, isentos de arestas e cantos vivos poderiam atuar como concentradores de tensão e consequentemente como propagadores de trincas na matriz, resultando nos acréscimos da tenacidade do composto. Resistência ao Impacto IZOD (J/m) ,15 37,87 31,85 33, % Fibra de PET Figura 3: Resistência ao Impacto Izod vs. porcentagem de fibra de PET incorporada ao PP. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55906

7 Observando as micrografias das Figuras 4, 5 (a e b) e 6, nota-se a presença de descontinuidades (vazios) entre matriz/fibra e fibra/fibra (Figura 5 b). Isso explica a baixa deformação observada na Figura 1, pois quando o material é submetido a um esforço axial, há a tendência do prolongamento desses vazios perpendicularmente ao esforço até a superfície do material. Figura 4: Micrografia obtida por MEV de PP com 7% de fibras de PET reciclado Magnificação: 500X. Não foram observadas alterações na dureza superficial dos compósitos PP - fibras de PET, para as formulações estudadas, quando comparadas a do PP puro. Isto pode ser atribuído a cobertura completa do polipropileno homopolímero na superfície dos corpos de prova. Caso o penetrador alcançasse uma profundidade maior, a ponto de atingir os aglomerados, possivelmente notar-se-ia um decréscimo da dureza. Figura 5: Micrografias obtidas por MEV de PP com 3% de Fibras de PET reciclado: (a) fibra de PET no PP e (b) interação da matriz de PP com fibra de PET reciclado. Magnificação: 500 X CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55907

8 Figura 6: Micrografias obtidas por MEV do PP com 5% de fibras de PET reciclado. Magnificação 500X Nos resultados termogravimétricos obtidos pelo TGA não foi observado nenhuma variação significativa de temperatura quando comparado o PP puro com as formulações de PP com fibra, acredita-se que isto deve-se a pequena quantidade de massa utilizada para a análise (5 mg), não possuindo fibras de PET nas formulações analisadas CONCLUSÃO A presença da fibra de PET reciclado na matriz de polipropileno homopolímero pode ser uma maneira eficaz de reciclagem do PET, além de melhorar significativamente as propriedades do polipropileno quando reforçado. Apesar da baixa quantidade de fibras de PET reciclado (7% em volume) incorporada ao polipropileno homopolímero, os resultados foram bastante satisfatórios, já que a matriz não possui afinidade com o reforço empregado, pois o primeiro possui cadeias com forças de atração de London e o segundo forças do tipo dipolo-dipolo. Com o intuito de melhorar a afinidade da matriz/reforço e aumentar a porcentagem de fibra de PET reciclada, sugere-se o emprego de agentes compatibilizantes, como o anidrido maleico, além do uso de extrusora dupla-rosca com alimentação de reforço para melhorar a homogeneização das fibras de PET na matriz. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55908

9 Nos resultados obtidos pela análise térmica gravimétrica (TGA) não foi constatada mudança na temperatura quando analisado PP puro e PP com fibras de PET reciclada. Acredita-se que não houve alteração devido a baixa quantidade de fibra na matriz polimérica. AGRADECIMENTOS A empresa Fibrasca Ltda, em especial ao Sr. Thomaz Siebje pela doação das fibras de PET reciclada, a SOCIESC/Escola Técnica Tupy por proporcionar a realização deste trabalho. E pelos colegas Clodoaldo Tollmainer, Edemir Andolfato, Geovani Salles, Guilherme Leu, que participaram da realização deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1) ARAUJO, R. G. e SANTOS, P.; Incorporação de Borracha Reciclada de Pneus em PVC Flexível para Emprego em Pisos e Solados, Revista do IST, vol.1, p 33-36; ) MARGOLIS. James M, Engineering Thermoplastic, Properties and Application, Princeton Polymer Laboratories, Plainsboro. New Jersey. 3) Associação Brasileira do PET; Home Page 4) PACHECO, E. B., et all; Mercado para Produtos Reciclados à Base de PET/HDPE/Ionômero, Polímeros: Ciência e Tecnologia, p ; out/dez ) TISIOURVAS, D., et all; A New Approach to Reclaimed PET Utilization. Advances in Polymer Technology, vol. 14, p ; ) MAA, C. T., et all; In situ Compatibilization of PET/PP blends throught reactive copolymers, Journal of Applied Polymer Science, vol. 49, p ; CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 55909

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