COMPÓSITOS DE POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE E TORTA DE MAMONA Rodrigo R. Stork 1, Marisa C. G. Rocha 1 * 1* Universidade do Estado do Rio de Janeiro-UERJ, Campus Regional Instituto Politécnico, Nova Friburgo,RJmrocha@iprj., uerj.br O objetivo deste trabalho é avaliar a viabilidade da utilização da torta de mamona, subproduto do processo de produção do biodiesel, na indústria de termoplásticos. Para atingir este objetivo, compósitos de polietileno de baixa densidade (PEBD) foram processados em extrusora de rosca dupla co-rotacional utilizando torta de mamona como elemento de reforço. Diferentes teores de carga (5, 10, 20 e 30% p/p) foram adicionados à matriz polimérica. A processabilidade dos materiais foi avaliada através de determinações do índice de fluidez (ASTM D-1238). As propriedades mecânicas foram determinadas através de ensaios tradicionais de tração (ASTM D- 638), ensaios de flexão (ASTM D-790) e de resistência ao impacto (ASTM D-256). Os resultados obtidos demonstram que a adição da torta de mamona gera materiais com valores de Módulo de Young e propriedades em flexão maiores do que os apresentados pelo polímero puro. O aumento do teor de carga, entretanto, produz perdas significativas da resistência à tração e ao impacto. Palavras-chave: Compósitos; polietileno de baixa densidade; torta de mamona. Composites of low density polyethylene and castor presscake Composites of low density polyethylene (LDPE) were prepared by melt mixing in a co-rotating twin screw extruder. Castor presscake, a biodiesel process by-product, was used as a reinforcing filler. Different concentration of castor cake (5, 10, 20, 30 wt %) were added to the polymer matrix. Melt flow index of the materials was determined by using ASTM D-1238. Tensile, flexural and impact properties were measured by following standardized tests: ASTM D-638, ASTM D-790 and ASTM D-256, respectively. The results showed that the addition of the filler to the polymer matrix provoked an increase on the values of Young Modulus and on the flexural properties. However, the impact strength and the yield stress values tended to decrease with the increasing of the filler concentration. Introdução O Programa Nacional de Biodiesel, lançado pelo Presidente da República, em dezembro de 2004 autoriza o uso comercial do biodiesel em todo o território nacional e estabelece os percentuais da mistura do biodiesel ao diesel do petróleo, a forma de utilização e o regime tributário. Estabelece também uma diferenciação tributária por região de plantio, por oleaginosa e por categoria de produção. Cria também o selo combustível social e concede isenção total de tributos federais para o biodiesel produzido pela agricultura familiar. Em sua primeira etapa, o Programa prevê a mistura de biodiesel na proporção de até 2% ao diesel de petróleo (B2), para uso em veículos automotores, em todo o território nacional. O biodiesel poderá também ser empregado na geração de energia elétrica em comunidades isoladas. Em janeiro de 2005, as instalações da Unidade Experimental de Biodiesel I (UEB-01) da Petrobrás foram testadas com a produção da primeira batelada de biodiesel obtido a partir do óleo de mamona e etanol. O combustível atendeu às especificações da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) e foi testado em um veículo movido a diesel que rodou cerca
de 2000 L com o B2. Em junho de 2006, a unidade entrou em operação regular. Durante esta primeira etapa foram produzidos mais de 50000 litros de biodiesel, principalmente a partir de óleo de mamona e de misturas deste óleo com óleo de soja. A Unidade Experimental de Biodiesel II (UEB-02) utiliza tecnologia patenteada pela Petrobrás para produção de biodiesel a partir de grãos de oleaginosas. Até o momento a unidade produziu cerca de 60000 litros de biodiesel a partir da mamona que foram consumidos internamente. Nesse processo foram geradas 20 toneladas de torta de mamona e 12 toneladas de glicerina. Atualmente, a Petrobrás está construindo suas três primeiras usinas de produção industrial de biodiesel. O biodiesel será produzido a partir de vários óleos vegetais, gordura animal e óleos residuais. Com a criação do Programa Nacional de Biodiesel, a mamona surge, portanto, como uma das principais matérias primas, embora exista outras opções de grande importância econômica como a babaçu, o óleo de palma, a soja, dendê, amendoim e outras oleaginosas. É importante avaliar o potencial de aplicação de todos os subprodutos da cadeia produtiva do biodiesel da mamona, de forma a gerar uma receita adicional e facilitar a viabilização do sistema. Recentemente, um grande número de fibras vegetais vem sendo testada como elemento de reforço para matrizes termoplásticas, dentre as quais merecem destaque, as fibras da entrecasca da juta, linho, rami, cânhamo e as fibras originadas de folhas de sisal, abacaxi, palmas, entre outras. Devido, entretanto, a sua abundância, as madeiras de folhosas e coníferas se apresentam como fonte permanente e ininterrupta de elementos lignocelulósicos para a produção de compósitos. Sendo assim, fibras e farinhas de madeira têm sido empregadas como elementos de reforço ou simplesmente como carga em composições de materiais termoplásticos. A incompatibilidade entre as fibras hidrofílicas da madeira e as superfícies hidrofóbicas dos termoplásticos, entre outros, tem limitado o emprego destes materiais na indústria de polímeros. Embora praticamente não haja estudos publicados sobre a adição da torta de mamona em composições poliméricas, é interessante avaliar a viabilidade da utilização destes materiais como elemento de reforço em compósitos com matrizes termoplásticas. È interessante também devido a questões ambientais, utilizar cargas que possam acelerar a degradação das resinas poliméricas. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é avaliar o efeito da adição da torta de mamona nas propriedades do polietileno de baixa densidade.
Experimental Polietileno de baixa densidade (TS 7028), MFI 2,16 Kg, 190 0 C) = 2,20 g/ 10 min foi cedido pela empresa Petroquímica Triunfo. A torta de mamona foi fornecida pela Embrapa. De forma a eliminar a ricina, este material foi previamente submetido à autoclave (Modelo Q209-21, QUIMIS), a temperatura de 120 0 C e pressão de 1,1 Kg/cm2 por um período de 30 minutos. Subsequentemente, a torta de mamona foi colocada em estufa onde permaneceu durante 12 horas. Após esta etapa, o material foi moído utilizando-se moinho de bolas (NGK do Brasil LTDA) em velocidade de 46 a 60 rpm e peneirado. As frações com tamanho de grãos menor ou igual a 0,25 mm foram utilizadas neste trabalho. Os compósitos LDPE/torta de mamona (100/0, 95/5, 90/10, 80/20 e 70/30) foram preparados em extrusora de rosca dupla (Extrusão Brasil, Modelo DRC 22 D, L/Ф = 36,4 mm e Ф = 22 mm) onde foram processados a 100 rpm. O perfil de temperatura adotado a partir da zona de alimentação até a zona de dosagem foi 90/150/160/165/170 0 C. A configuração dos parafusos utilizados é apresentada na Figura I. Figura I-Configuração dos parafusos utilizados As propriedades mecânicas em tração dos compósitos obtidos assim como as do polímero virgem foram determinadas em temperatura ambiente utilizando-se máquina de ensaios universal Shimadzu AG-I. O procedimento adotado foi baseado na norma ASTM D-638. A carga utilizada foi
de 5 KN e a velocidade de afastamento das garras foi igual a 10 mm/min. Os corpos de prova utilizados (Tipo V, ASTM D-638) foram preparados através de moldagem por injeção (Battenfeld, Modelo PL35/75) utilizando temperatura de 180 0 C e pressão de injeção de 80 bar. Os valores do módulo de elasticidade foram determinados através da tangente a 0,05% de deformação. Os ensaios em flexão foram realizados em máquina de ensaios universal Shimadzu AG-I a temperatura ambiente utilizando-se uma velocidade de 10 mm/min. O procedimento experimental adotado foi baseado na Norma ASTM D-790. Os corpos de prova foram preparados através da moldagem por injeção. A resistência ao impacto dos materiais produzidos foi determinada em máquina de ensaio de impacto para plásticos (Modelo 892, Tinus Olsen) utilizando procedimento descrito na Norma ASTM D-256. Uma média de 6 a 8 corpos de prova entalhados em V para ensaio tipo Izod foram ensaiados. A processabilidade dos compósitos foi avaliada através de determinações de índice de fluidez (MFI) efetuadas em plastômetro de extrusão padronizado de acordo com a Norma ASTM D- 1238. Resultados e Discussão A Tabela I apresenta os resultados da determinação do índice de fluidez do polietileno puro (PEBD) e dos compósitos PEBD/torta de mamona. Tabela I Índice de fluidez do PEBD e dos compósitos PEBD/torta de mamona PEBD (100%) (95/5%) (90/10%) (80/20%) (70/30%) MFI (g/10 min) 2,1 2,1 2,1 2,1 1,7 Desvio padrão 0,07 0,06 0,10 0,05 0,07 O valor do MFI do PEBD, 2,1 g/10 min, situa-se um pouco abaixo da faixa especificada pelo fabricante: 2,2 a 2,9 g /10 min. Com a adição de teores elevados de carga há uma redução do índice de fluidez dos compósitos. Este resultado talvez possa ser atribuído a maior viscosidade da torta de mamona.
Os resultados dos ensaios de impacto são apresentados na Figura II Figura II Efeito da adição da torta de mamona na resistência ao impacto dos compósitos de mamona Não foi possível obter os resultados dos ensaios de impacto para o polietileno puro nem para o compósito contendo 5% de torta de mamona, uma vez que estes materiais não fraturaram nas condições experimentais utilizadas. A inspeção da Figura II mostra que a adição da carga provoca uma diminuição da resistência ao impacto do polietileno. Pode ser verificado que as propriedades de impacto se deterioram gradativamente com o aumento do teor de torta de mamona. É fato reconhecido que a dispersão de cargas na matriz polimérica pode ter um efeito significativo nas propriedades mecânicas dos materiais. A obtenção de uma dispersão satisfatória de cargas particuladas em matrizes termoplásticas é, em geral, um processo que envolve certo grau de dificuldade, devido à forte tendência que estas partículas apresentam de se aglomerar. A adesão interfacial entre a carga e o polímero é outro fator determinante das propriedades mecânicas. Neste estudo, o polímero utilizado encontrava-se na forma de pellets enquanto que a carga apresentavase na forma de pó. Sendo assim, a dispersão obtida pode ter sido prejudicada. Por outro lado, em concentrações maiores as cargas particuladas apresentam uma maior tendência à aglomeração, impedindo à obtenção de boas propriedades. Análises morfológicas devem ser efetuadas de forma a se obter informações sobre as microestruturas obtidas. A Tabela II apresenta os valores dos módulos de elasticidade em flexão do PEBD e dos compósitos PEBD/ torta de mamona.
Tabela II Módulo de flexão do PEBD e dos compósitos PEBD/ Torta de Mamona PEBD (100%) (95/5%) PEBD/ Torta (90/10%) PEBD/ Torta (80/20%) (70/30%) Módulo 136,1 158,9 174,5 197,6 259,9 Desvio padrão 6,7 8,4 4,3 13,9 9,1 Aumento em relação ao PEAD (%) 16,7 28,2 45,2 90,9 Os resultados mostram que há um aumento gradativo do módulo de flexão com o aumento da concentração da carga, indicando que a carga atua como elemento de reforço para o polímero. Pode ser verificado que com a adição de 30% de carga, há um aumento de aproximadamente 91% do módulo de flexão do PEBD. Os valores de resistência à flexão do PEBD e dos compósitos produzidos são apresentados na Tabela III Tabela III Resistência à flexão do PEBD e dos compósitos PEBD/ Torta de mamona PEBD (100%) (95/5%) (90/10%) (80/20%) (70/30%) Resistência à 8,9 9,5 9,7 9,7 9,6 flexão (MPa) Desvio padrão 0,3 0,2 0,2 0,6 0,2 Aumento em relação ao PEBD % 6,9 8,4 8,4 7,8 Figura III O efeito da adição da torta de mamona no Módulo de Young do PEBD é apresentado na Figura III- Efeito da adição da torta de mamona no Módulo de Young do PEBD
Pode ser visualizado que há um aumento do Módulo de Young à medida que os teores crescentes de torta de mamona foram adicionados ao PEBD. Com a adição de 30% de carga, houve um aumento de 32% do módulo elástico em tração do PEBD. O resultado anômalo obtido a 20% de carga talvez possa ser atribuído a fatores como: dispersão insatisfatória da carga, decréscimo do grau de cristalinidade do polímero devido à adição do polímero, tensões residuais não detectadas no corpo de prova, entre outras. na Tabela IV Os valores da resistência à tração do PEBD e dos compósitos produzidos são apresentados Tabela IV Resistência à tração do PEBD puro e dos compósitos de mamona PEBD (100%) (95/5%) (90/10%) (80/20%) (70/30%) Resistência à tração 13,4 12,2 11,2 9,3 8,3 (MPa) Desvio padrão 0,2 0,4 0,1 0,2 0,2 Redução em relação ao PEBD (%) 9,0 16,9 30,4 38,3 Pode ser verificado que a resistência à tração dos materiais processados com torta de mamona diminui consideravelmente à medida que a concentração de carga no compósito é aumentada. Estes resultados analisados em conjunto com os valores de Módulo de Young apresentados pelos materiais sugerem que o PEBD apresenta um comportamento similar ao apresentado pelos materiais duros e quebradiços a medida que teores crescentes de torta de mamona são adicionados ao PEBD. Conclusões Apesar de não ter sido possível determinar os valores da resistência ao impacto de todas as amostras, os dados obtidos mostram que a adição da torta de mamona, em geral provoca uma redução das propriedades de impacto. A carga atua como elemento de reforço para o PEBD. Há um aumento significativo do módulo de elasticidade em tração e em flexão dos materiais produzidos a medida que teores crescentes de carga são adicionados ao polímero. A resistência à tração dos compósitos diminui à medida que o teor de torta de mamona no compósito é aumentado.
A amostra com 5% de mamona deve ser analisada com maior profundidade, uma vez que parece apresentar boas propriedades de impacto, valor mais alto de Módulo de Young do que o do polímero puro e pouca queda da resistência à tração. Agradecimentos Os autores agradecem a FAPERJ pela bolsa de iniciação científica concedida a Rodrigo Ramada e ao CNPq pelo auxílio concedido para o desenvolvimento deste projeto. Agradecem também as empresas: Petroquímica Triunfo e Embrapa pela doação dos materiais. Referências Bibliográficas 1. R. R. Stork, Projeto de final de curso, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, 2009.