AVALIAÇÃO DO EFEITO DE MÚLTIPLAS EXTRUSÕES NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DE NANOCOMPÓSITO DE HIPS COM ARGILA

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1 AVALIAÇÃO DO EFEITO DE MÚLTIPLAS EXTRUSÕES NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DE NANOCOMPÓSITO DE HIPS COM ARGILA RESUMO M. A. B. S. Nunes (1); L. S. Galvão (2); E J. F. T. Luiz (3) ; Y. L. M. Bastos (3) e A. S. F. Santos (1) (1) Universidade Federal da Paraíba, Departamento de Engenharia de Materiais, João Pessoa, Brasil, (2) Instituto de Pesquisa Tecnológica, Centro de Química e Manufaturados, Laboratório de Análises Químicas, São Paulo, Brasil, (3) Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia de Materiais, Natal, Brasil. para contato: (1) mariobsnunes@gmail.com A reciclagem de plásticos contribui para a sociedade com benefícios econômicos e na minimização dos resíduos sólidos. Logo, a reciclabilidade de um material é um fator ambiental importante a ser ponderado no desenvolvimento de novos materiais, como é o caso dos nanocompósitos. Nesse trabalho, o HIPS puro e com 5% em massa de Closite 20A foram processados em até 4 ciclos de extrusão numa extrusora mono-rosca, possuindo elemento maddock de mistura. Alterações na temperatura de fusão e cristalização e no grau de cristalinidade do HIPS puro e do nanocompósito de HIPS com argila em função de múltiplos ciclos de extrusão foram avaliadas por calorimetria exploratória diferencial (DSC). Da mesma forma, alterações nas propriedades mecânicas do HIPS puro e do nanocompósitos foram determinadas por ensaio de resistência à tração. Comparativamente, obteve-se uma estimativa sobre as características de reprocessamento do polímero puro com relação ao nanocompósito de HIPS com argila. Palavras-chave: nanocompósito, reciclagem, HIPS, extrusão. INTRODUÇÃO O ciclo de vida de polímeros sintéticos, inclui tradicionalmente apenas uma etapa de utilização até que o produto seja descartado em aterros, o que leva ao desperdício energético e material. No cenário atual, em que a disponibilidade de matérias-primas está mais escassa, as questões ambientais tornam-se cruciais no processo de desenvolvimento do produto, principalmente no que tange a melhoria na recuperação do material descartado. (1) Como forma de possibilitar esse processo, a reciclagem mecânica tem se mostrado ambientalmente favorável por ser pouco poluente e ter baixo consumo energético. (2) 8070

2 Em geral, os materiais reciclados mostram perda de suas propriedades devido aos processos de degradação que ocorrem durante o processamento, o ciclo de vida e a reciclagem mecânica (3). A quantidade de degradação de um plástico reciclado pode variar de plástico para plástico, dependendo dentre outros fatores da história térmica de cada um, das características intrínsecas de sua estrutura química e da presença de impurezas. Neste cenário, entra o poliestireno de alto impacto (HIPS), como um bom candidato a reciclagem, pois apresenta-se praticamente inalterado após 30 ciclos de reprocessamento (4). Remili et. al. (2011) (5), avaliou o efeito de múltiplos ciclos de processamento nas estruturas e propriedades do nanocompósito de PS/Cloisita 15A (5% w/w) e PS puro através de uma série de 8 ciclos de extrusão. Os resultados mostraram que houveram mudanças na colocaração, tanto do PS puro quanto do nanocompósito sendo que este teve sua estrutura e propriedades mecânicas preservadas, devido a boa interação entre as lamelas da argila e o polímero. Visando a uma melhor compreensão dos mecanismos de degradação e posterior emprego do HIPS reciclado em aplicações de segundo mercado, foi realizada a caracterização termo-mecânica do HIPS puro e de nanocompósitos de HIPS com 5% m/m de argila organofílica (Cloisite 20A) até 4 ciclos de extrusão. As mudanças nas propriedades dos nanocompósitos de HIPS foram avaliadas através de calorimentria exploratória diferencial (DSC) e do ensaio de resistência à tração. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Foi utilizado poliestireno de alto impacto, styron 478, doado pela Unigel Química S.A., com índice de fluidez de 6 g/10min (200ºC, 5 Kg). A argila organofílica utilizada foi a Cloisite 20A, doada pela empresa Buntech Tecnologia em Insumos Ltda. 8071

3 Métodos Preparação e reprocessamento do nanocompósito HIPS/argila por múltiplas extrusões O HIPS puro e os nanocompósitos com 5 % em massa de argila foram processados em até 4 ciclos de extrusão, utilizando uma extrusora de rosca simples da AX Plásticos ( = 16 mm, L/D = 26 e 40 rpm) com elemento maddock de mistura entre a zona de compressão e a zona de controle da vazão. O perfil de temperatura utilizado foi: 190ºC, 200ºC e 210ºC. Antes de cada extrusão, o HIPS e a argila foram secos em estufa à vácuo por 16 horas à 50 ºC. As amostras foram codificadas de acordo com o título do grupo: HIPS 5%C20A e HIPS puro, seguido pela nomenclatura ciclo, referentes ao 1, 2, 3 e 4 ciclo de extrusão, respectivamente. Preparação de placas por prensagem à quente Foi utilizada uma prensa hidráulica com capacidade para 24kgf. Os grânulos foram secos em estufa à vácuo à 100 ºC por 2 horas, prensados por 1 minuto e 30 s à 200 o C, aplicando-se uma pressão de 5 ton. Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) A análise de DSC foi realizada em dois ciclos de aquecimento num equipamento da TA Instruments, modelo Q20. Foi utilizado 8 mg de amostra sob atmosfera de nitrogênio (50 cm 3.min -1 ), taxa de aquecimento de 10ºC.min -1, na faixa de temperatura de 30 a 200 ºC e com isoterma de 2 min à 200 ºC, seguida de resfriamento a 10 ºC/min -1 até 30ºC com isoterma de 2 min nessa temperatura e posterior, aquecimento até 200 o C a 10 ºC/min -1. A determinação da temperatura de transição vítrea foi realizada no segundo aquecimento. Resistência à Tração O ensaio de resistência à tração foi realizado utilizando uma máquina universal da Shimadzu, modelo AG-X 10kN, com base na norma ISO (1993). Os corpos de prova tipo 5B foram preparados por corte a laser, a partir das placas preparadas por prensagem à quente. A velocidade de ensaio utilizada foi de 1mm/min. Os resultados de resistência à tração representam a média e desvio 8072

4 Fluxo de Calor (mw) Fluxo de Calor (mw) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais padrão de no mínimo cinco corpos de prova. RESULTADOS Calorimetria Exploratória Diferencial As figuras 1a e 1b mostram as curvas de DSC das amostras de HIPS puro e dos nanocompósitos de HIPS/5%-C20A, respectivamente. A mesma temperatura de transição vítrea (101 ºC), correspondente à Tg da fase estireno, foi observada em todas as amostras, tanto do HIPS puro quanto do nanocompósito. Isso mostra que a quantidade de ciclos de reprocessamento utilizada, não afetou a Tg dos polímeros formados. Nos nanocompósitos, a adição da argila não interferiu na movimentação das cadeias do poliestireno. -0,2 HIPS Virgem HIPS P- E1 HIPS P- E2 HIPS P- E3 HIPS P- E4-0,2 HIPS virgem HIPS 5%-C20-E1 HIPS 5%-C20-E2 HIPS 5%-C20-E3 HIPS 5%-C20-E4-0,3-0,3-0, (a) Temperatura (ºC) -0, (b) Temperatura (ºC) Figura 1 Curvas de DSC do HIPS puro (a) e do HIPS - 5% m/m Cloisite 20A (b) após cada ciclo de extrusão. Resistência à tração Na Fig. 2 estão mostrados os valores médios de tensão máxima do HIPS puro e do HIPS com 5% de Cloisite 20A (C20A) após cada ciclo de extrusão. Pode-se perceber que praticamente não houve alteração no valor de tensão máxima do HIPS puro com o número de ciclos de extrusão. Apenas uma tendência de aumento no valor de tensão máxima foi observada para o 2º ciclo de extrusão (19,19 N/mm 2 ). 8073

5 Tensão Máxima (MPa) Tensão Máxima (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Já os nanocompósitos de HIPS com 5% m/m de Closite tiveram uma tendência de aumentar a tensão máxima com o aumento no número de ciclos de extrusão, subindo de 9,59 para 16,01 N/mm 2, do 1º para o 4º ciclo de extrusão. A maior quantidade de ciclos de extrusão, aliada a presença de argila, contribuiu para o aumento da viscosidade, o que induz o aumento de tensão da fase dispersa (argila), reduzindo o seu tamanho de partícula, i.e., favorecendo a esfoliação das lamelas da argila e/ou dispersão dos aglomerados. (7) Comparando-se o HIPS puro com seu nanocompósito reprocessado, pode-se notar que não houve uma melhoria nas propriedades mecânicas de tensão máxima e deslocamento, mas uma redução das mesmas. Esse comportamento é mais um indicativo da presença de aglomerados de argila na matriz polimérica. (8) 20 19,19 HIPS P HIPS 5%-C20 16, ,75 17, ,89 13,29 14, , (a) E1 E2 E3 E4 (b) E1 E2 E3 E4 Figura 2 Valores de tensão máxima do (a) HIPS puro e do HIPS 5% m/m Cloisite 20A, após cada ciclo de extrusão. CONCLUSÃO O objetivo deste trabalho foi investigar as variações térmicas e estruturais do HIPS puro e do nanocompósito de HIPS com 5% (m/m) de Cloisite 20A quando submetido a 4 ciclos de processamento, em uma extrusora de rosca simples. Os resultados mostraram que as transições vítreas tanto do HIPS puro quanto do nanocompósito, não foram afetadas pelos repetidos ciclos de processamento, permanecendo em 101 ºC. Os ensaios mecânicos de tração não mostraram alterações nos valores de tensão máxima das amostras de HIPS puro 8074

6 reprocessadas. Nos nanocompósitos de HIPS foi observado um aumento da tensão máxima com a elevação do número de ciclos de extrusão. Uma explicação para isso é a redução do tamanho de partícula da argila devido aos repetidos ciclos de processamento, o que favorece a dispersão dos aglomerados. Em contrapartida, não foi observada uma melhoria das propriedades do HIPS puro quando incorporado com argila. Este é um indicativo da presença de aglomerados de argila na matriz polimérica, que levam a uma redução das propriedades mecânicas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) VILAPLANA, F.; KARLSSON, S. Quality Concepts for the Improved Use of Recycled Polymeric Materials: A Review. Macromolecular Materials and Engineering, v. 293, n. 4, p , 14 abr (2) VILAPLANA, F.; RIBES-GREUS, A.; KARLSSON, S. Analytical strategies for the quality assessment of recycled high-impact polystyrene: A combination of thermal analysis, vibrational spectroscopy, and chromatography. Analytica Chimica Acta, Papers presented at the 3rd International Symposium on the Separation and Characterization of Natural and Synthetic Macromolecules SCM-3. v. 604, n. 1, p , 26 nov (3) VILAPLANA, F.; RIBES-GREUS, A.; KARLSSON, S. Degradation of recycled high-impact polystyrene. Simulation by reprocessing and thermooxidation. Polymer Degradation and Stability, v. 91, n. 9, p , set (4) Jonathan DeSousa, The Effects of Multiple Heat Histories on Mechanical Properties of High-Impact Polystyrene, SPE ANTEC Proceedings, Vol. III, 2002, p (5) REMILI, C. et al. The effects of reprocessing cycles on the structure and properties of polystyrene/cloisite15a nanocomposites. Polymer Degradation and Stability, v. 96, n. 8, p , ago (6) International Standard - ISO :1993 (E). Plastics - Determination of tensile properties - Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. (7) Mural, P. K. S. et al. Polypropylene/high impact polystyrene blend nanocomposites obtained from E-waste: evaluation of mechanical, thermal and morphological properties. International Journal of Plastics Technology, v. 15, n. 1, p , 1 jan (8) SINHA RAY, S. et al. Role of organically modified layered silicate as an active interfacial modifier in immiscible polystyrene/polypropylene blends. Polymer, v. 45, n. 25, p , nov

7 EVALUATION OF THE EFFECT OF MULTIPROCESSING IN MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF NANOCOMPOSITE HIPS WITH CLAY ABSTRACT Recycling of plastics contributes to society with economic benefits and minimization of solid waste. Therefore, the recyclability of a material is an important factor to be considered in the development of new materials environmental factor, such as nanocomposites. In this study, pure and 5 wt% Cloisite 20A HIPS were processed within four cycles of extrusion in a single screw extruder having Maddock mixing element. Changes in melting temperature and crystallization and degree of crystallinity of pure HIPS and HIPS with clay nanocomposite as a function of multiple extrusion cycles were evaluated by differential (DSC) scanning calorimetry. Likewise, changes in the mechanical properties of pure HIPS and the nanocomposites were determined by tensile testing. In comparison, there was obtained an estimate of the characteristics of the pure polymer reprocessing with respect to HIPS clay nanocomposite. Keywords: nanocomposite, recycling, HIPS extrusion. 8076