ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIETILENO UHMW ADITIVADO COM SÍLICA

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO POLIETILENO UHMW ADITIVADO COM SÍLICA Patrick Bade BATISTA 1 Flávio KIECKOW 2 RESUMO O desgaste de materiais que entram em contato com o arroz em casca é um problema para os fabricantes de colheitadeiras de arroz, produtores e indústrias de beneficiamento do produto no ciclo pós-colheita. Esta pesquisa estuda materiais alternativos mais resistentes ao desgaste e que diminuam os custos de manutenção na cadeia produtiva do arroz. O artigo apresenta o estudo realizado com o polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMW) como material alternativo para esta aplicação. Analisou-se a influência da sílica como aditivo na fabricação do polímero. No estudo utilizou-se três tipos de sílica. A caracterização foi realizada por meio de Difração por Raios X. A fabricação e usinagem das amostras foram produzidas pela empresa parceira, especializada na produção do polietileno UHMW. A determinação das propriedades mecânicas foi realizada no Laboratório de Materiais e Ensaios Mecânicos da URI Santo Ângelo. Consistiram de ensaios de abrasão, tração, impacto e dureza. Verificou-se que a resistência a abrasão é melhor no polímero UHMW aditivado. As amostras aditivadas tiveram o alongamento e a resistência ao impacto diminuídas. Palavras-chave: Polímero, aditivo, caracterização, desgaste. ABSTRACT Wear materials that come in contact with the paddy rice is a problem for rice harvesters manufacturers, producers and product processing industries in post-harvest cycle. This research studies more resistant to wear and alternative materials that reduce maintenance costs in the production of rice chain. The paper presents the study of the Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMW) as an alternative material for this application. We analyzed the effect of silica as an additive in the manufacture of the polymer. In the study we used three types of silica. The characterization was carried out by means of Diffraction-Ray X. The manufacturing and machining of the samples were produced by the partner company specializing in the production of UHMW polyethylene. The determination of the mechanical properties was carried out in the Laboratory of Materials and Mechanical Testing of URI. They consisted of abrasion tests, tensile, impact and hardness. It was found that abrasion resistance is better in the UHMW polymer additive. The additivated samples had the elongation and impact resistance decreased. Key Words: Polymer, additive, characterization, wear. 1 Acadêmico de Engenharia Mecânica, Bolsista CNPq de Iniciação Cientifica, URI Campus de Santo Ângelo, patrick_bbx@hotmail.com 2 Professor Doutor, Engenharia Mecânica, Orientador, URI Campus de Santo Ângelo, fkieckow@urisan.tche.br Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 144

1. INTRODUÇÃO O desgaste em componentes mecânicos tem sido um dos maiores responsáveis por manutenções corretivas em máquinas e equipamentos utilizados no ciclo da produção do arroz, desde o plantio até o seu beneficiamento após a colheita. Em razão disso, o estudo de materiais adequados para esta aplicação é objeto de pesquisa por parte das empresas que atuam nesta área. Dentre os diversos materiais testados, tem-se usado, nos casos mais críticos, o aço inoxidável por apresentar um melhor desempenho. No entanto, essa é uma solução de elevado custo. O estudo de materiais alternativos que possam ser resistentes ao desgaste e que diminuam os custos envolvidos é o objeto desta pesquisa. O elemento abrasivo presente na casca do arroz e que é responsável pelo desgaste dos componentes mecânicos é a sílica (SiO 2 ). A propriedade que confere essa agressividade abrasiva da sílica é a sua elevada dureza, bem superior a do aço. O teor de sílica na casca do arroz in natura fica na ordem de 22%, (POUEY, 2006). Segundo os fabricantes de máquinas agrícolas, componentes feitos de aço comum (ferro-carbono) as vezes não chegam a completar uma safra, necessitando de troca de componentes devido ao desgaste, ou seja, não colhem mais do que 60 mil sacas. O uso de aço inox aumenta a vida dos componentes críticos das máquinas agrícolas. Em trabalho anterior (SANTOS, BATISTA e KIECKOW, 2014), foram realizados estudos com o Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMW) como material alternativo. Esse material apresentou bom desempenho nos testes de desgaste abrasivo em lama de areia, segundo a Norma ABNT NBR 14922, demonstrando um índice de abrasão (IA) de 26 %. Esse índice representa uma resistência ao desgaste de 74% maior em relação ao aço SAE 1020, que é usado como referência no teste. Levando em consideração o resultado positivo e que o material estava em sua composição química natural, deu-se continuidade a pesquisa com o objetivo de buscar um melhor desempenho desse material por meio do acréscimo de aditivos em sua composição química. Foram avaliadas as propriedades mecânicas do polímero aditivado em comparação com o natural (sem aditivo). Como existem diferentes tipos de sílica, na sua estrutura, em função do processo de obtenção, optou-se por também avaliar essa variável. Foram utilizadas três tipos de sílica. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 UHMW ou PEUAPM O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM) ou (UHMW - Ultra High Molecular Weight) é um polímero semicristalino, de poucas ramificações, com número de insaturações de aproximadamente zero, com densidade média em torno de 0,930 g/cm 3, branco e opaco, com uma temperatura de transição vítrea entre -100 C e -125 C e uma temperatura de fusão de 135 C, com uma cristalinidade em torno de 45% em geral (WIEBECK; HARADA, 2005). A alta massa molar do UHMW confere a ele propriedades de destaque como a alta resistência a abrasão, impacto e também baixo coeficiente de atrito, tornando-o auto lubrificante (COUTINHO; MELLO; MARIA apud GALDINO, 2014, p.18). A massa molar elevada proporciona uma alta viscosidade no estado fundido, com índice de fluidez próximo a zero, sendo impossível processá-lo pelos métodos convencionais de injeção, sopro ou extrusão, pois estes iriam romper as longas cadeias moleculares que caracterizam a excelência nas propriedades desses materiais (ALBUQUERQUE, 1990). Os métodos de fabricação são os de compressão por termoprensagem, ou extrusão por pistão, através dos quais são obtidos chapas, blocos, e tarugos Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 145

semiacabados para posterior acabamento por usinagem (WIEBECK; HARADA, 2005). 2.2. Aditivos e suas funções Apesar de apresentarem boas propriedades, os plásticos raramente são usados puros. O uso de aditivos, substâncias capazes de alterar as propriedades do plástico, é amplamente praticado, pois, além de facilitar o processamento de maneira geral, ainda ajuda a baixar o custo final do produto. A mistura de um plástico e um aditivo é chamada de composto ou matériaprima modificada. Pode-se comprar a matéria-prima (o plástico) já aditivada ou pode-se fazer a mistura dos aditivos na fábrica através de misturadores. Alguns aditivos mais importantes estão descritos a seguir. Estabilizantes de luz ultravioleta (anti-uv): este aditivo faz com que o produto plástico tenha maior resistência contra raios UV. Antioxidantes: são usados para atenuar a degradação dos plásticos submetidos a elevadas temperaturas e para estabilizar o processo. Antiestáticos: servem para dissipar cargas estáticas. Na condição de isolantes térmicos, os plásticos não dissipam cargas estáticas. Contudo, no processo de transformação do plástico, essas cargas são frequentemente geradas (devido ao atrito decorrente do processo), ficando retidas na superfície da peça sem terem como se dissipar. As cargas estáticas podem causar acúmulo de pó no produto, distúrbios de processos, dificuldades de impressão, queima de componentes sensíveis, riscos de descargas em operadores e riscos de acidentes (explosão). Esses aditivos atuam de duas maneiras: formando uma película do agente aditivo em toda a superfície da peça, que transfere toda a carga estática para umidade do ar, e como lubrificante, reduzindo o atrito durante o processamento. Retardantes de chama: servem para interromper ou retardar o processo de combustão. Aromatizantes: conferem odor aos artigos plásticos. Pigmentos: servem para conferir cor aos plásticos. Lubrificantes ou auxiliares de fluxo: utilizados para auxílio de processamento dos plásticos, melhoram as propriedades de escoamento e reduzem a aderência do material fundido às superfícies metálicas das máquinas de moldagem. Cargas: aditivos que reduzem o custo e/ou melhoram alguma propriedade final ou de processamento do material. As mais usadas são: Carbonato de cálcio, Sílica, Caulim, Talco, Fibra de vidro e Fibra de carbono, entre outras. Reforços com fibras de vidro, minerais e de carbono são empregados no sentido de melhorar significativamente as propriedades mecânicas e térmicas dos termoplásticos. Os custos mais elevados desses compostos são normalmente compensados pela melhoria de seu desempenho. Os Termoplásticos também podem ser lubrificados internamente, com uma variedade de sistemas, a fim de melhorar sua resistência ao desgaste. As resinas PTFE e os silicones, separadamente, ou em combinações, fornecem a mais elevada melhoria no que se refere as características de desgastes. Os lubrificantes podem ser utilizados isoladamente ou em conjunto com reforços de fibras de vidro ou carbono. O nível ótimo de enchimento lubrificante varia na dependência do tipo de enchimento e de resina. No UHMW é adicionado o silicone para melhorar a resistência ao desgaste. 2.3. A casca do arroz e suas cinzas A casca do arroz é um revestimento ou capa protetora formada durante o crescimento do Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 146

grão que possui baixa densidade e elevado volume. É um material fibroso, cujos maiores constituintes são celulose (50 %), lignina (30 %) e resíduos inorgânicos (20 %). O resíduo inorgânico contém, em média, 95 a 98 %, em peso, de sílica, na forma amorfa hidratada, perfazendo 13 a 29 % do total da casca (HOUSTON apud POUEY, 2006, p.9). Em média encontra-se percentuais de 22 % de SiO 2, 74 % de material orgânico e água, e em torno de 4 % de outros elementos constituintes como Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO, MgO e MnO 2. A lignina e a celulose são removidas durante a queima da casca (PATEL et al apud POUEY, 2006, p.9). A sílica residual (produto da queima) pode apresentar-se amorfa ou com diferentes fases em sua microestrutura. Segundo Isaia (2010, p. 333) existem três formas cristalinas polimórficas principais da sílica: quartzo, cristobalita e tridimita. Essa estrutura depende da temperatura de queima e é influenciada diretamente pelo processo de queima utilizado (leito fluidizado, grelha, suspensão, etc.). 3. OBJETIVOS De modo geral, a pesquisa se propõe a analisar a influência da sílica no UHMW e o seu impacto sobre as propriedades mecânicas desse material. Como objetivos específicos, pode-se elencar: Utilizar como aditivo as sílicas denominadas de S1, S2 e S3; Caracterizar as sílicas por meio de DRX; Determinar as principais propriedades mecânicas do UHMW aditivado e natural por meio de ensaios de abrasão, tração e impacto. 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1. Caracterização das sílicas A identificação das fases presentes na sílica foi realizada por meio da técnica de difratometria de Raios X em um difratômetro da marca Rigaku, modelo MiniFlex 600. Para a identificação das fases no difratômetro foram realizadas varreduras de 10º por minuto e intervalo de medida na faixa de 3 a 90º. 4.2. Preparação dos polímeros O UHMW utilizado nesse trabalho foi produzido na forma de chapa pelo processo de extrusão RAM. As amostras produzidas continham na sua formulação o UHMW comercial UTEC-6540, silicone e três tipos de sílica, denominadas de S1, S2 e S3. 4.3. Testes mecânicos O teste de desgaste por abrasão foi efetuado conforme a norma ABNT NBR 14922, em máquina de ensaio projetada pela própria universidade. É um teste de alta taxa de desgaste, onde corpos-de-prova do material que se deseja avaliar e um de referência (aço SAE 1020) são postos a girar em um meio abrasivo composto de água e areia durante 24 horas. A perda de massa que os materiais sofrem durante o teste é convertida em perda volumétrica pelas densidades dos materiais, então calcula-se o índice de abrasão (IA), que é uma relação percentual da perda Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 147

volumétrica ocorrida no material que está sendo avaliado em comparação com o aço de referência. O teste de tração no polímero seguiu a norma ASTM D-638, onde o material é submetido a um esforço de tração até que ocorra a sua ruptura. A máquina utilizada foi a de ensaio de tração universal, modelo DL30.000 (300 kn), eletromecânica e microprocessada, da marca EMIC. Já o ensaio de impacto realizado foi o de Charpy em uma máquina RMW equipada com martelo de 300 joules, seguindo os parâmetros estabelecidos pela norma ASTM D-6110. Avaliase a tenacidade do material com entalhe. Os resultados são expressos em termos de energia cinética consumida pelo martelo durante o seu impacto no corpo de prova. 4.4. Preparação dos corpos de prova Os corpos de prova (CP s) para teste de abrasão, tração e impacto Charpy, foram obtidos a partir da usinagem das chapas de UHMW. A geometria de cada tipo de CP segue norma específica. As chapas de UHMW aditivadas com sílica apresentam coloração preta, pois nelas são acrescentadas também um corante para sua identificação. As chapas de UHMW natural são brancas. 4.4.1. Ensaio de abrasão Esses têm suas dimensões e geometria regidas pela norma ABNT NBR 14922 que servem tanto para o UHMW como para o aço padrão ABNT 1020 descrito pela norma. A Figura (1) mostra as imagens dos CP s de UHMW e seus respectivos corpos de prova padrão SAE 1020, posterior ao teste de abrasão. Figura 1: Corpos de prova de UHMW e aço SAE 1020 pós testes: a) UHMW Natural; b) UHMW aditivado com S1; c) UHMW aditivado com S2; d) UHMW aditivado com S3. 4.4.2. Ensaio de tração a) b) c) d) Esse teste mecânico utiliza CP s com geometria, dimensões e tolerâncias especificadas segundo a norma ASTM D-638. As dimensões dos CP s devem ser escolhidas de acordo com o comportamento mecânico do polímero a ser ensaiado, neste caso rígido ou semirrígido. A Figura (2) mostra os CP s após os ensaios de tração. Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 148

Figura 2: Imagem dos CP s ensaiados a tração: a) UHMW Natural; b) UHMW aditivado com S1; c) UHMW aditivado com S2; d) UHMW aditivado com S3. a) b) c) 4.4.3. Ensaio de impacto As dimensões das amostras seguiram a norma ASTM D-6110. Todas as amostras devem possuir um entalhe, cujo ângulo interno deve ser de 45 ± 1, com um raio de curvatura no ápice de 0,25 ± 0,05 milímetros. O pêndulo (martelo) deve impactar perpendicular à face oposta ao entalhe do CP. Na Figura (3) está a imagem dos corpos de prova após o teste Charpy. d) Figura 3: CP s de Charpy após o teste: a) UHMW Natural; b) UHMW aditivado com S1; c) UHMW aditivado com S2; d) UHMW aditivado com S3. a) b) c) d) Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 149

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1. Caracterização da sílica Na Figura (4) estão apresentados os difratogramas das diferentes sílicas utilizadas nos CP s de UHMW. A figura compara os difratogramas da S1, S2 e S3. Figura 4: Difratogramas das sílicas utilizadas como aditivo. A difratometria indicou que a S2 (em vermelho) possui estrutura amorfa, pois não apresenta nenhum pico indicando uma fase cristalina. O difratograma da S1 (em azul), já apresenta um pequeno pico próximo aos 23º, o que indica a presença de uma pequena porção da fase cristalina tridimita. No difratograma da S3 (em verde) aparecem vários picos indicando a presença de fases cristalinas em maior quantidade, sendo o pico de maior intensidade identificado como cristobalita 98%. 5.2. Testes de abrasão Os resultados iniciais para os ensaios de abrasão estão apresentados no Tabela (1) e os finais, no Tabela (2). A variação de temperatura entre o início e o final dos ensaios permaneceram menores que 5º conforme preconiza a norma ABNT NBR 14922. Tabela 1: Dados iniciais dos testes de abrasão. Ensaio Amostra Massa Inicial (g) Densidade (g/cm³) Média Aritmética UHMW Natural 10,0723 0,95 1020 90,0240 7,86 Média UHMW S1 10,2035 0,95 Aritmética 1020 90,6067 7,86 Média UHMW S2 10,0928 0,95 Aritmética 1020 91,1179 7,86 Média UHMW S3 10,4155 0,95 Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 150

Aritmética 1020 89,1405 7,86 Tabela 2: Dados finais dos testes de abrasão. Ensaio Amostra Massa Final (g) Média UHMW 10,0053 Aritmética Natural 1020 87,5762 Média UHMW S1 10,2675 Aritmética 1020 88,2324 Média UHMW S2 10,0540 Aritmética 1020 89,2528 Média UHMW S3 10,3666 Aritmética 1020 86,8064 IA S (%) (%) 24,8 3,96 12,53 1,57 17,85 1,63 17,22 0,71 O índice de abrasão IA indica que a melhor resistência foi obtida pelo UHMW aditivado com a S1, com uma média de 12,53% e um desvio padrão S de 1,57%. Em relação ao UHMW natural, a amostra S1 teve um ganho médio de resistência ao desgaste de 49%. A S2 e S3 tiveram desempenho praticamente iguais na faixa de 17,5% de IA, com S3 apresentando um menor desvio padrão. Observa-se que o UHMW natural apresentou a maior dispersão dos resultados, em torno de 4% de desvio padrão. 5.3. Testes de tração Seguindo a norma ASTM D-638, os CP s tiveram sua espessura e largura mensuradas antes de cada procedimento de teste de tração. A velocidade no ensaio foi de 5 mm/min. A Tabela (3) apresenta os resultados dos testes. Tabela 3: Resultados dos testes de tração. Amostras Tensão máxima Média (MPa) Deformação Média (%) UHMW 14,82 308,84 Natural Desvio padrão 1,33 73,77 UHMW S2 16,00 219,28 Desvio padrão 0,74 33,80 UHMW S1 14,89 220,61 Desvio padrão 1,18 34,89 UHMW S3 16,07 251,35 Desvio padrão 0,37 57,39 Na resistência a tração indicada pela média da tensão máxima as amostras obtiveram valores muito próximos. Os materiais aditivados com S2 e S3 obtiveram um ganho na resistência, em torno de 8%, e apresentaram menor dispersão nos resultados indicado pelo desvio padrão. A tensão máxima do polímero aditivado por S1 não sofreu alteração comparado ao UHMW natural. Tratando-se do alongamento alcançado no comprimento útil, os resultados indicam que Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 151

as amostras aditivadas tiveram essa propriedade diminuída, pois a maior deformação foi a do UHMW natural com 308,84%. A amostras aditivadas com S1 e S2 foram as mais prejudicadas, com redução de cerca de 29% na capacidade de alongamento, mas com menor dispersão nos resultados. O UHMW aditivado com a S3 foi um pouco melhor, com redução de 18% no alongamento. Contudo, a maior dispersão nos resultados continua sendo o do polímero sem aditivo. 5.4. Testes de impacto Charpy O ensaio foi realizado com martelo de 300 joules e os resultados estão na Tabela (4). Tabela 4: Resultados dos testes de charpy. Amostras Energia média absorvida (KJ/m²) UHMW Natural 316 Desvio Padrão 14,88 UHMW S1 253,19 Desvio Padrão 18,42 UHMW S2 272,08 Desvio Padrão 7,35 UHMW S3 266,04 Desvio Padrão 9,11. Tratando-se de resistência ao impacto o UHMW Natural obteve melhores resultados com média de 316 KJ/m² e um desvio padrão de 14,88 KJ/m². As amostras aditivadas tiveram a energia absorvida diminuída. O UHMW aditivado com a S1 apresentou a maior redução, 20%, apresentando um maior desvio padrão nos resultados. Comparando os resultados do ensaio de tração com os de impacto, percebe-se que há uma coerência entre eles, pois espera-se que quando o alongamento (ductilidade), é diminuído, também a tenacidade é diminuída, o que é observado na redução da energia absorvida pelas amostras aditivadas com sílica no ensaio Charpy. Foram realizados testes de dureza Shore (escala D) nos corpos de prova, segundo a norma ASTM D 2240-05. Todos os valores da média da dureza Shore ficaram próximos a 65, ou seja, a sílica, nas proporções que foi adicionada ao polímero, não chegou a modificar essa propriedade. 6. CONCLUSÃO De acordo com os resultados apresentados e discutidos, pode-se afirmar que: A adição de sílica no UHMW promove um aumento na resistência a abrasão do polímero. Foi possível melhorar o índice de abrasão (IA), em até 49,5 % em relação ao UHMW natural. O aditivo de sílica, nas proporções utilizadas, não modificou de forma significativa a resistência a tração do UHMW, mas houve tendência de melhorá-la. A capacidade de alongamento do polímero aditivado é reduzida com a adição de sílica. O aditivo de sílica no UHMW reduz a capacidade de absorção de energia desse material. Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 152

No geral, o polímero aditivado com sílica apresentou melhores resultados mecânicos para aplicações sujeitas ao desgaste. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALBUQUERQUE, Jorge Artur Cavalcanti. O Plástico na Prática. Ed. Sagra, Porto Alegre, RS, 1990. American Society for Testing and Materials. ASTM D-638: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. 2010. American Society for Testing and Materials. ASTM D-6110: Standard Test Method for Determining the Charpy Impact Resistance of Notched Specimens of Plastics. 2010. American Society for Testing and Materials. ASTM D2240-05: Standard Test Method for Rubber Property- Durometer Hardness. 2010. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR 14922: Semiacabados de UHMWrequisitos e métodos de ensaio. 2013. GALDINO, Gérson Vargas. Avaliação do efeito do reprocessamento do Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular sobre suas propriedades mecânicas, térmicas e morfológicas. 2014. Dissertação (Mestre em Engenharia e Tecnlogia de materiais). Faculdade de Engenharia da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, 2014. ISAIA, Geraldo Cechella(Org.). Materiais de Construção Civil e Princípios de Cinência e Engenharia dos Materiais. 2.ed. São Paulo: Arte Iterativa, 2010. MEHTA, P.Kumar; MONTEIRO, Paulo.I.M. Concreto Microestrutura Propriedades e Materiais. 3.ed. São Paulo: Arte Iterativa, 2008. POUEY, Maria Tereza Fernandes. Beneficiamento da cinza de casca de arroz residual com vistas à produção de cimento composto e/ou pozolânico. 2006.Tese (Doutor em Engenharia). Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2006. SANTOS, Jéssica Vargas; BATISTA, Patrick Bade; KIECKOW, Flávio. Comportamento do Polímero UHMW Aditivado com SiO 2, 21º CBECIMat, Cuiabá, MT, 2014. WIEBECK, Hélio; HARADA, Júlio. Plásticos de Engenharia Tecnologia e Aplicações. São Paulo: Artliber Editora, 2005. Vivências. Vol. 12, N.22: p. 144-153, Maio/2016 153