UTILIZAÇÃO DE FILITOS COMO CARGA EM PLASTISOL DE PVC

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1 UTILIZAÇÃO DE FILITOS COMO CARGA EM PLASTISOL DE PVC S.M. Toffoli, T.S. Valera, A. Yoshiga, A.P. Ribeiro, F.R. Valenzuela-Diaz Laboratório de Matérias Primas Particuladas e Sólidos Não-Metálicos - LMPSol Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da USP Av. Prof. Lineu Prestes, São Paulo, SP toffoli@usp.br Resumo Filitos são rochas minerais constituídas tipicamente por micas (50-80%) e por proporções variáveis de quartzo e feldspatos. São rochas de fácil extração, sendo abundantes no estado de São Paulo. Por ser um material de baixo custo, inerte, e de freqüentemente apresentar colorações claras, pode ser usado como carga mineral para a fabricação industrial de diversas composições poliméricas. Neste trabalho é apresentada a caracterização de um filito branco da região de Itapeva, estado de São Paulo (distribuição granulométrica, difração de raios-x e área específica BET), o qual foi então empregado como carga (teores de 15, 30 e 50% em peso) na fabricação de um plastisol de PVC. As propriedades mecânicas do plastisol - resistência à tração e alongamento - foram medidas e comparadas com as propriedades obtidas para plastisóis com os mesmos teores de adição de carbonato de cálcio, carga usualmente empregada para esse fim. Adicionalmente, foi verificado também o comportamento dessas duas cargas, quando as massas preparadas foram submetidas ao processo de rotomoldagem. Palavras-chave: plastisol, PVC, filito Abstract Phyllites are mineral rocks composed typically by micas (50-80%) and by variable amounts of quartz and feldspars. They are of easy extraction, and are abundant in the State of São Paulo, Brazil. Being a unexpensive, inert, and frequently light colored material, it can be used as a mineral filler in the fabrication of a number of polymer composites. In this paper it is presented the characterization of a white phyllite from the Itapeva region, São Paulo State (particle size distribution, X-ray diffraction, and specific surface area), which was used as a filler in the fabrication of a PVC plastisol, at 15, 30, and 50 wt% filler levels. The mechanical properties of the plastisol - tensile strength and elongation - were measured and compared to the ones for plastisols employing calcium carbonate, the usual filler for this type of material. Adittionally, the behaviors of the two fillers were verified when the plastisol formulations were submitted to the process of fabrication called rotomolding. Key-words: plastisol, PVC, phyllite CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49701

2 Introdução Os Filitos são rochas metamórficas de baixo-grau, compostas principalmente por minerais de argila e quartzo finamente granulados. Os filitos brancos, objeto deste estudo, apresentam-se geralmente com coloração esbranquiçada a esverdeada clara. Estruturalmente, mostram-se finamente laminados. Mineralogicamente, compõem-se de argilominerais do grupo dos filossilicatos tais como ilita, sericita, mica, caulinita e quartzo 1. Quimicamente, podem ser descritos simplesmente como silicatos hidratados de alumínio e potássio. Geológica e estratigraficamente os filitos se associam a quartzitos e rochas calcárias (dolomitos e calcários calcíticos). Os filitos brancos são especialmente abundantes na região de Itapeva, sul do Estado de São Paulo. Suas ocorrências distribuem-se pelos municípios de Itapeva, Nova Campina, Bom Sucesso de Itararé, Barra do Chapéu, Capão Bonito, Ribeirão Branco e Guapiara. O filito, largamente empregado na forma bruta na produção de massas cerâmicas, pode, após algumas etapas de beneficiamento, adquirir propriedades de interesse para o uso do material como carga mineral em outros setores industriais, onde teria maior valor agregado. Plastisol é o nome que recebe a "suspensão plástica" constituída basicamente por uma mistura de resina de PVC, poli(cloreto de vinila), em pó, dispersa em um ou mais plastificantes. Na formulação do plastisol pode-se adicionar cargas inorgânicas, as quais além de reduzir o custo do produto final, podem reforçar suas características de aderência quando aplicadas a uma superfície 2-5. O objetivo deste trabalho foi o de investigar as propriedade de plastisóis de PVC que empregaram como carga mineral o filito branco, ao invés do carbonato de cálcio, carga usualmente empregada para esse fim. Inicialmente será apresentada a caracterização do filito em pó por difração de raios-x, distribuição granulométrica por dispersão de laser e área específica BET. Em seguida, serão apresentados os resultados comparativos das propriedades mecânicas - alongamento e resistência mecânica à tração - para plastisóis formulados com filito e com carbonato de cálcio, além dessas propriedades para o plastisol de PVC sem cargas, para fins comparativos. Estudaram-se os teores de 15, 30 e 50%, em peso, de carga no plastisol. Adicionalmente, com o objetivo de se verificar a processabilidade desses materiais, esses mesmos três tipos de formulações (PVC puro, com filito e com carbonato de cálcio) foram submetidas ao processo de rotomoldagem, de modo a produzir-se esferas. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49702

3 Materiais e Métodos O filito branco empregado neste estudo foi obtido junto a um produtor dessa matériaprima situado no município de Itapeva, região sul do Estado de São Paulo. O material é fornecido na forma de pó fino e seco. A análise por difração de raios-x (DRX) do filito foi realizada em difratômetro Philips X'Pert MPD com radiação kα de cobre e velocidade de varredura de 1º(2θ)/min. A análise por dispersão de laser foi realizada em instrumento Malvern Mastersizer E, enquanto que a determinação da área específica pelo método BET (adsorção de nitrogênio gasoso) foi realizada em equipamento Micromeritics ASAP Os plastisóis forma formulados com resina PVC produzida pela Trikem (SP), empregando como plastificante o DOP (di-2-etil-hexil ftalato) fabricado pela Scandiflex do Brasil S.A. e estabilizante térmico Plastabil AT-15L10 cálcio/zinco (Inbra Inds. Químicas Ltda.). As formulações foram preparadas por agitação mecânica dos ingredientes e espalmadas em espalmadeira a frio de modo a obter-se lâmina de cerca de 1 mm de espessura. A lâmina obtida é então gelificada em estufa a 180 º C por 2 minutos. O plastisol assim espalmado foi cortado por estampagem para obtenção dos corpos de prova. Os teores de carga de 15, 30 e 50%, em peso, foram calculados baseando-se apenas no teor de sólidos (PVC em pó). Os ensaios de resistência mecânica à tração foram executados em máquina universal de testes Panambra Versat 500, baseando-se na norma ASTM 638-M e utilizando velocidade de carregamento de 50 mm/min. Resultados e Discussão A curva de difração de raios-x encontra-se na figura 1. Essa análise confirmou a presença das fases cristalinas quartzo (3,3Å), moscovita (9,9Å) e caulinita (7,1Å). A curva de distribuição granulométrica é dada à figura 2. O diâmetro médio das partículas e aglomerados do pó original é da ordem de 20 µm, e a curva revela a presença de uma certa quantidade de material coloidal (abaixo de 2 µm), confirmando que o material é de granulometria fina. Deve ser destacado que essa análise é realizada com o material em suspensão aquosa sob agitação, mas sem a presença de aditivos ou defloculantes, de maneira que alguma aglomeração das partículas do pó é sempre esperada. O ensaio de determinação de área específica pelo método de adsorção de nitrogênio (BET) indicou uma área específica total de 3,87 m 2 /g, sem a presença de microporosidade. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49703

4 Figura 1 - Curva de difração de raios-x do filito Figura 2 - Curva de distribuição granulométrica por dispersão de laser do filito CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49704

5 Os ensaios de resistência mecânica à tração dos filmes de plastisol puros, com filito como carga e com carbonato de cálcio como carga, são apresentados na tabela 1. Cada valor de resistência à tração ou alongamento dado na tabela, representa a média obtida para 5 corpos de prova. Graficamente, esses valores são apresentados nas figuras 3 e 4. Pode-se notar a gradativa diminuição da resistência à tração dos plastisóis quando o teor de carbonato de cálcio adicionado aumenta. Entretanto, ao empregar-se o filito como carga, o plastisol assim obtido apresenta um comportamento diferente. Para pequenos teores de adição de filito, até cerca de 20% em peso, a resistência à tração do plastisol obtido aumenta. Para adições maiores, porém, sua resistência à tração cai, caindo para valores menores inclusive àqueles conferidos pelo carbonato de cálcio para teores acima de aproximadamente 40%. O alongamento na ruptura dos corpos de prova dos plastisóis também é bastante alterado pela presença das cargas. A adição de filito ocasionou um aumento na deformação total dos plastisóis para todos os teores estudados. Por outro lado, a adição de carbonato de cálcio só provoca aumento no alongamento na ruptura quando presente em teores acima de aproximadamente 30% em peso. Teores menores do que isso causam redução no alongamento total do material. As curvas contínuas nos gráficos representam as curvas de tendência dadas pelos métodos dos mínimos quadrados. As curvas de tendência que mais se aproximam do comportamento experimental são representadas por polinômios do terceiro grau. Os coeficientes de correlação dessas curvas também são apresentados nos gráficos. Tabela 1 - Médias dos resultados obtidos nos ensaios de resistência à tração para as formulações de plastisol Porcentagem de carga, em peso (%) Resistência à Tração Carga: CaCO 3 Resistência à Tração Carga: Filito Alongamento com CaCO 3 (%) Alongamento com Filito (%) 0 6,9 6,9 310,6 310,6 15 5,0 7,7 229,1 445,6 30 4,1 5,6 328,6 431,4 50 3,9 3,1 520,5 411,1 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49705

6 10 Resistência à Tração (MPa) Carbonato de cálcio R 2 = 0,9996 Filito R 2 = Porcentagem de carga, em peso (%) Figura 3 - Curvas de resistência à tração (R = coeficiente de correlação da curva de tendência) 600 Alongamento (%) Carbonato de Cálcio R 2 = 1 Filito R 2 = 0, Porcentagem de carga, em peso (%) Figura 4 - Curvas de alongamento na ruptura (R = coeficiente de correlação da curva de tendência) CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49706

7 Todas as formulações de plastisol preparadas foram submetidas também à rotomoldagem, processo de conformação a quente utilizada na fabricação de peças ocas tais como as necessárias na construção de brinquedos como bolas, cabeças de bonecas e outras. Os produtos foram rotomoldados em equipamento industrial. A figura 5 mostra exemplos das bolas obtidas por esse processo, comparando o produto obtido com o plastisol de PVC sem carga (canto superior esquerdo), com os produtos obtidos com carbonato de cálcio como carga, nos três teores estudados. A figura 6 mostra os produtos obtidos com filito empregado como carga, nos teores de 15 e 30% (parte superior da foto) sem a adição de pigmentos ou outros aditivos e mostra também os produtos obtidos com 15 e 50% de filito mas adicionados de pigmento para conferir coloração. O emprego do filito como carga não modificou as características de conformabilidade dos plastisóis e mostrou também boa compatibilidade com os pigmentos utilizados pelos fabricantes para rotomoldar peças. a) b) c) d) Figura 5 - Produtos obtidos por rotomoldagem dos plastisóis: a) plastisol sem carga; b) plastisol com 15% de carbonato de cálcio; c) plastisol com 30% de carbonato; d) plastisol com 50% de carbonato. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49707

8 a) b) c) d) Figura 6 - Produtos obtidos por rotomoldagem dos plastisóis: a) plastisol com 15% de filito; b) plastisol com 30% de filito; c) plastisol com 15% de filito e pigmento vermelho; d) plastisol com 50% de filito e pigmento vermelho. Conclusões Foi apresentada a caracterização mineralógica de um filito da região de Itapeva, SP, por difração de raios-x, bem como sua distribuição granulométrica e área específica BET. Foram preparados filmes de plastisol de PVC tanto sem carga, como contendo 15, 30 e 50%, em peso, de carga mineral. Foram utilizadas duas cargas minerais: carbonato de cálcio, carga usualmente empregada industrialmente, e o filito de Itapeva, bem mineral abundante e de baixo custo. O desempenho mecânico dos plastisóis contendo filito mostrou-se superior ao desempenho conferido pelo carbonato de cálcio, uma vez que a adição de filito melhora a resistência mecânica à tração do palstisol de PVC para teores de adição de até cerca de 20%, além de também aumentar o alongamento na ruptura do compósito para todas as composições estudadas. Peças obtidas por rotomoldagem foram fabricadas com os plastisóis preparados. Todas as composições estudadas mostraram-se adequadas a esse processo de fabricação. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49708

9 Agradecimentos Apoio FAPESP (projeto 1995/0544-0) e ao Engenheiro Eraldo Maluf e equipe do Laboratório de Produtos Têxteis (Divisão de Química) do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo I.P.T. Referências 1. Dana, J.D.Hurlbut, Jr., C.S. - Manual de Mineralogia - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro, Katz, H.S. e Milewski, J.V. - Handbook of fillers for plastics - Van Nostrand Reinhold, New York, Funari, A.C.; Wiebeck, H. e Akerman, J. - Influência de cargas minerais nas propriedades de escoamento de um plastisol (suspensão vinílica) - Anais do 38º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Blumenau, SC, 1994, p Wiebeck, H. et al - Influência de cargas minerais nas viscosidades, propriedades mecânicas e térmicas de um plastisol (suspensão vinílica) - Anais do 3º Congresso Brasileiro de Polímeros, Rio de Janeiro, RJ, 1995, p Wiebeck, H; Xavier, C. e Souza-Santos, P. - Influência do teor de caulim nas propriedades mecânicas do compósito caulim/poli(cloreto de vinila) - Anais do 39º Congresso Brasileiro de Cerâmica, Águas de Lindóia, SP, 1995, p CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49709