ESTUDO COMPARATIVO DA ADERÊNCIA DE DIFERENTES ADESIVOS EPOXÍDICOS. INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO COM ÁGUA DESTILADA.

Transcrição

1 ESTUDO COMPARATIVO DA ADERÊNCIA DE DIFERENTES ADESIVOS EPOXÍDICOS. INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO COM ÁGUA DESTILADA. Filiberto González Garcia 1,2*, Maik A. Pires Lopes 2, Francisco C. Rodrigues Junior 2, Eduardo M. Sampaio 2 1,2* Departamento de Física e Química, Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)/Campus prof. José Rodrigues Seabra. Ave. BPS n o Bairro Pinheirinho, CEP , Itajubá. Minas Gerais - fili@unifei.edu.br; 2 Instituto Politécnico UERJ maikmecanica@gmail.com; 2 Instituto Politécnico UERJ franciscorodriguesjr@hotmail.com; 2 Instituto Politécnico UERJ esampaio@iprj.uerj.br Comparative study on the adherence of different epoxy adhesives. Effect of distilled water. The adherence of different epoxy adhesive have been evaluated in terms of the lap shear strength and impact resistance using steel adherents. Its durability in water environments at ambient temperature and 80 C has also been analyzed. Introdução O desenvolvimento de adesivos suficientemente eficientes no que concerne ao reparo de dutos de aço utilizados para o transporte de petróleo e gás natural é de significante importância para a indústria petrolífera. Um fator de vital importância para o estudo de durabilidade das uniões adesivas esta relacionado à presença de água e seu efeito nas propriedades mecânicas tanto das uniões quanto do adesivo propriamente. Este trabalho baseou-se na pesquisa de quatro adesivos epoxídicos do tipo bicomponentes que podem ser utilizados à temperatura ambiente. Os adesivos pesquisados consistem em resina epoxídica com diferentes endurecedores do tipo amina alifática. Os adesivos selecionados são utilizados como adesivos modelo com o objetivo de conhecer a durabilidade das uniões de aço carbono à ação da água para alcançar reparos mais duradouros. Foi estudado o efeito da água destilada na aderência ao cisalhamento e a resistência ao impacto dos adesivos epoxídicos à temperatura ambiente e a 80 C. Experimental Materiais Resina epoxídica do tipo éter diglicidílico do Bisfenol - A (DGEBA), foi desidratada a vácuo a 80 C até desaparecimento das bolhas. Diferentes endurecedores à base de aminas alifáticas foram utilizados como endurecedores: trietilenotetramina, (TETA, técnica), N-2- aminoetilpiperazina (AEP, 99,0 % ACROS USA), isoforondiamina (IPD, 99,0% ACROS USA) e piperidina (Pip, 99,5 %, Aldrich) os que foram usados como recebidos. A Tabela I apresenta as estruturas químicas e algumas propriedades dos monômeros utilizados.

2 Tabela I Estrutura química dos monômeros utilizados. M Monômero Formula Fornecedor (g mol -1 ) Trietilenotetramina (TETA) H 2 N-(CH 2 -NH-(CH 2 -NH-(CH 2 -NH 2 Dow Química DEH 24 ~ 146 N-(2-Aminoetil)piperazina (AEP) HN N-(CH 2 -NH 2 ACROS (99.0%) 129 NH 2 Isophorondiamina (IPD) CH 3 ACROS (99+%) 170 CH 3 CH 3 CH 2 NH 2 Piperidina (Pip) HN Aldrich (99+%) 85 Éter diglicidílico do Bisfenol-A (DGEBA) CH 2 CHCH 2 O O CH3 Dow ~ 374 C OCH 2 CHCH 2 Química (187g eq -1 *) DER 331 CH3 O Métodos Os adesivos com trietilenotetramina, N-2-aminoetilpiperazina e isoforondiamina foram usados em proporções estequiométricas. Isto foi baseado na determinação quantitativa dos grupos funcionais 1,2. O programa de cura foi de 24 horas à temperatura ambiente, utilizando uma etapa de pós-cura que garante a conversão máxima dos sistemas 3. Para o sistema com piperidina foi utilizada uma concentração de 5 phr de piperidina (5 gramas por cada 100 gramas de resina). O programa de cura neste caso foi de 30 minutos a 60 ºC, e depois 16 horas a 120 ºC. As propriedades de aderência ao cisalhamento foram avaliadas em juntas de aço-aço (ASTM A36) através de ensaios de resistência mecânica usando juntas adesivas de cisalhamento simples segundo a norma ASTM D Antes da aplicação do adesivo, a superfície do substrato foi desengordurada e tratada mecanicamente. O tratamento mecânico consistiu no jateamento abrasivo seco utilizando granalha de perfil angular comercial de aço G40, via máquina de jateamento por sucção usando uma pressão no jato de 6,5 kg cm -2. A pressão de contacto aplicada nas juntas foi sempre a mesma o que assegurou obter uma espessura da camada adesiva uniforme (0,18 ± 0,02 mm). Os ensaios foram conduzidos numa máquina universal de ensaios (Shimadzu AG I 100 kn). Os ensaios foram conduzidos a 22 C e os valores reportados foram a media de 10 determinações. A resistência ao impacto Izod dos adesivos foi determinada segundo as

3 especificações da norma ASTM D 256 usando uma maquina universal de ensaios (Tinius Olsen, modelo 892) com velocidade de 3,46 m s -1. Os corpos de prova em todos os casos foram de 62,0 x 12,9 x 6,0 mm 2. Os ensaios foram realizados a 20 C, e a energia de impacto foi reportada em J m -1. Seis corpos foram fraturados para cada material. A temperatura de transição vítrea (Tg) dos adesivos após a etapa de pós-cura foi obtida a partir da calorimetria diferencial de varredura, utilizando o analisador térmico Perkin-Elmer DSC-7. Foi considerado Tg o ponto médio da transição na curva calorimétrica numa varredura dinâmica a 10 C min -1 em atmosfera de N 2. O tratamento com água das juntas consistiu em introduzir as juntas adesivas todas desde um início em água destilada à temperatura ambiente ou a 80 C e depois retirá-las a diferentes tempos. Antes de cada ensaio mecânico as juntas foram secas mecanicamente com pano de algodão. Resultados e Discussão Tensão na ruptura, MPa o C 14 TETA IPD AEP PIP 0 dia, 7 dias, 15 dias, 30 dias Figura I Resistência à ruptura dos adesivos com tratamento com água destilada a 80 C. Na Figura I são apresentados os resultados de resistência à ruptura das juntas adesivas produzidas com os adesivos depois do tratamento com água destilada a 80 C. Os comportamentos mecânicos observados são o resultado de diferentes estruturas de rede como conseqüência da utilização de diferentes estrutura química no agente de cura. Os valores para os adesivos com TETA e IPD sem tratamento são muito semelhantes e

4 correspondem a 16,6 ± 0,7 e 17,5 ± 0,4 MPa, respectivamente. Isto pode ser explicado pelo fato que estes endurecedores apresentarem temperaturas de transição vítrea relativamente elevadas (124 e 155 C, respectivamente), o que leva a estruturas de redes tridimensionais com relativa rigidez. Estas redes são originadas por um mecanismo de reação em etapas semelhante. Entretanto, para AEP e Pip aparece o mesmo comportamento nos valores de resistência à ruptura, mais os mecanismos de reação que originam estas redes são bem diferentes. Neste caso, os valores de resistência à ruptura são muito semelhantes e correspondem a 19,9 ± 0,5 e 20,0 ± 0,4 MPa, respectivamente. As temperaturas de transição vítrea destes polímeros termorrígidos são menores quando comparadas às de AEP e IPD, 110 C para AEP e 84 C para Pip, o que assegura redes com menor rigidez. Alem disto, para o caso do agente de cura AEP este apresenta uma combinação de estrutura lineal e cíclica que garante uma estrutura de rede com maior flexibilidade, e para o agente de cura piperidina o mecanismo de reação (homopolimerização) proporciona uma matriz termorrígida ainda com maior flexibilidade, devido à obtenção de uma menor densidade de reticulação. Estes fatores garantem maior adesão das juntas adesivas para os agentes de cura AEP e Pip. Os valores de resistência à ruptura no tempo de tratamento com água destilada a 80 C apresentam uma diminuição progressiva do valor inicial sem tratamento e chega a estabilizar-se após os 15 dias. Isto ocorre como conseqüência da absorção de água na camada adesiva que chega à saturação. No caso, do adesivo que utiliza piperidina ocorre a menor diminuição do valor de aderência, por exemplo, de um valor de 20,0 ± 0,4 MPa chega até um valor de 19,8 ± 0,5 MPa que corresponde a uma diminuição de um 1 %. Isto ocorre devido a que esta rede epoxídica é formada por mecanismo de homopolimerização e, portanto, apresenta baixa concentração de grupos hidroxila, e como conseqüência disto ocorre uma baixa absorção de água. Na Figura II são apresentados os resultados de energia de ruptura dos adesivos com tratamento com água destilada a 80 C. Observa-se a diminuição dos valores de energia de ruptura com o tempo de tratamento. Isto está relacionado também à absorção de água que provoca a plastificação do polímero termorrígido. Neste caso, também o adesivo que absorve menor quantidade de água é o adesivo que utiliza piperidina como agente de cura. Isto está relacionado à menor tendência de absorver água deste adesivo devido à menor concentração de grupos hidroxila.

5 Energia de Ruptura (Impacto - IZOD) (J m -1 ) Temperatura 80 o C 0 dias 7 dias 15 dias TETA AEP PIP IPD Figura II Energia de ruptura dos adesivos com tratamento com água a 80 C. Tensão na ruptura, MPa Temperatura ambiente (22 o C) 14 TETA IPD AEP 0dias, 7dias, 15dias, 30dias, 45dias, 60dias, 90dias, 150dias Figura III Resistência à ruptura dos adesivos com tratamento com água destilada à temperatura ambiente. O efeito dos adesivos após o tratamento com água destilada à temperatura ambiente foi posteriormente analisado. A Figura III apresenta os resultados de resistência à ruptura das juntas com os diferentes adesivos. Os valores de resistência à ruptura no tempo apresentam

6 uma diminuição progressiva do valor inicial sem tratamento e chega a estabilizar-se após os 45 dias de tratamento. Este resultado indica que a baixa temperatura a saturação de camada adesiva é alcançada em maior tempo. Conclusões Os adesivos apresentam uma diminuição progressiva na resistência à ruptura e na energia de fratura com o tratamento com água destilada tanto à temperatura ambiente quanto a 80 C. A saturação de água na camada adesiva ocorre após os 15 e 45 dias de tratamento a 80 C e a temperatura ambiente, respectivamente. O adesivo que apresenta menor tendência à absorção de água é o adesivo que utiliza piperidina como agente de cura. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio pelo Plano Nacional de Ciência e Tecnologia, Sector Petróleo e Gás Natural CT-PETRO, por meio do CNPq (CT-PETRO/CNPq) Proc. No /02-8. Referências Bibliográficas 1. F. González Garcia; P.M. Silva; B.G. Soares; J. Rieumont Polymer Testing 2007, 26, F. González Garcia; E. Miguez; B.G. Soares Polímeros: Ciência e Tecnologia 2005, 5, F. González Garcia; B.G. Soares; V.J.R.R. Pita; R. Sánchez,; J. Rieumont. Journal of Applied Polymer Science 2007, 106, 2047.