ATUAÇÃO DO AGENTE COMPATIBILIZANTE EM SINERGIA AO ... · microscopia eletrônica as alterações causadas pelo uso conjunto dos aditivos. Portanto, neste trabalho busca-se estabilizar

ATUAÇÃO DO AGENTE COMPATIBILIZANTE EM SINERGIA

AO RETARDANTE DE CHAMA EM COMPOSTOS DE PP

R. G. Bringel¹, A. C. B. Ferreira¹, B. C. Bonse ¹, E. W. Souza. Rua Vitória Maria Médice Ramos, 330 – Assunção, S. B. do Campo – SP 09861-000

Faculdade de SENAI de Tecnologia Ambiental / SBC

RESUMO

O objetivo do estudo foi produzir por extrusão diferentes formulações de

compostos de polipropileno com retardante de chama, com e sem agente

compatibilizante, e identificar por ensaios físicos, mecânicos, térmicos e de

microscopia eletrônica as alterações causadas pelo uso conjunto dos aditivos,

visando à melhoria da resistência mecânica. Os principais resultados

mostraram que o retardante de chama diminuiu as propriedades mecânicas,

como resistência à tração, flexão e resistência ao impacto, além disso,

promove uma segunda etapa de degradação do composto com temperatura

inferior. Em contrapartida, quando o agente compatibilizante é utilizado em

sinergia ao retardante de chama as propriedades mecânicas são recuperadas,

tais como resistência à tração, flexão e impacto e interfere de forma menos

significativa na densidade e fluidez, além de alterar de maneira inexpressiva a

temperatura de degradação do composto. Por fim, os resultados apresentam

números que comprovam as interferências causadas nas estruturas.

Palavras-chave: Agente compatibilizante. Retardante de chama. Polipropileno.

INTRODUÇÃO

O presente trabalho tem como tema aditivação de polímeros, no qual o

objeto de pesquisa é o composto de polipropileno com retardante de chama.

Na atualidade o desenvolvimento de novos polímeros com diferentes

propriedades é complexo e custoso. Uma maneira versátil e mais barata de

alterar as propriedades dos compostos de polipropileno afetadas pelo uso de

retardantes de chama é a aditivação. O polipropileno (PP), um dos polímeros

mais consumidos, pode ser aditivado para obtenção de ampla faixa de

desempenho. Uma das propriedades que pode ser alterada, em função de sua

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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característica inflamável, é a resistência à queima. Porém, o PP aditivado com

retardantes de chama (comumente chamados de antichama) tem outras

propriedades modificadas, principalmente as mecânicas.

O objetivo do estudo foi produzir por extrusão diferentes formulações de

compostos de polipropileno com retardante de chama, com e sem agente

compatibilizante, e identificar por ensaios físicos, mecânicos, térmicos e de

microscopia eletrônica as alterações causadas pelo uso conjunto dos aditivos.

Portanto, neste trabalho busca-se estabilizar as propriedades dos compostos

de polipropileno afetadas pelo uso de aditivos retardantes de chama.

A metodologia utilizada para o presente estudo foi produzir por extrusora

dupla-rosca formulações de compostos de PP com retardante de chama, com e

sem agente compatibilizante e injetar corpos de prova para testes.

As principais referências utilizadas foram Rabello e De Paoli (2013),

Gallo e Agnelli (1998) e Rzayev (2011).

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

Para realização desse estudo utilizou-se como matriz polimérica o PP

copolímero heterofásico P440J, da SCG Chemicals. O retardante de chama

utilizado foi o T1420® fornecido pela empresa Aditive Plásticos, que é

basicamente um combinado de trióxido de antimônio (Sb2O3) em sinergia com

tetrabromo. O Agente compatibilizante Adibond®, também fornecido pela

Aditive plásticos, tem por base PP graftizado com anidrido maleico. As

diferentes formulações são encontradas na Tabela 1.

Tabela 1 – Formulações experimentais para os compostos de PP

Formulação PPCP Anti UV

(SL-L4248/01®) Antioxidante (M9037C®)

Antichama (T1420®)

Ag. Acopl. (Adibond®)

PP Virgem 100% - - - - PP RC 81,7% 2,0% 1% 15,3% - PP RC Ag2 79,7% 2,0% 1% 15,3% 2% PP RC Ag4 77,7% 2,0% 1% 15,3% 4%


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Métodos

Para obtenção das misturas extrudadas, utilizou-se a extrusora dupla-

rosca 20mm, Theysohn L/D40, situada no laboratório de desenvolvimento da

empresa Plásticos Novacor, com 5 zonas de aquecimentos e em todo o

processo a temperatura utilizada foi de 170 à 200°C.

Para injeção dos corpos de prova de tração, flexão, inflamabilidade e

impacto, foi utilizada a máquina Battenfeld HB 200/45. A temperatura e a

velocidade da injeção interferem diretamente nas propriedades dos corpos de

prova. Por conta dessa interferência, utilizou-se faixa de temperatura entre 180

°C e 210 °C, em contrapartida, alta velocidade de injeção, para maior

cisalhamento e, consequentemente, melhor homogeneização.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Quanto ao ensaio de DSC, os termogramas de aquecimento e

resfriamento foram obtidos pela técnica a temperatura de fusão (Tm) e a

temperatura de cristalização (Tc), ΔH de fusão e grau de cristalinidade (Xc), por

sua vez, foi obtido a partir da seguinte relação:

Xc = Δ Hmx 100 → ω x ΔHm°

Onde, ΔHm° é o valor da entalpia de fusão da amostra 100% cristalina

(teórico) de 207 J/g, conforme orientação encontrada em Polymer Heats of

Fusion (BLANE, 1972). Assumiu-se valor estimado 80% de PP e 20% de fase

elastomérica no PP usado.

Tabela 2 – Resultados de DSC do PP Virgem e demais formulações

Formulação PPCP Fração de PP (ω)

Temperatura de fusão (1º

Ciclo) ºC

ΔHfusão (1º

Ciclo) J/g

Temperatura de

cristalização ºC

Teor de Cristalinidade

Xc (%)

PP Virgem 100% 0,80 165,1 116,9 116,1 70,6%

PP RC 81,7% 0,6536 164,8 76,26 120,1 56,4%

PP RC Ag 2 79,7% 0,6376 163,2 87,13 123,2 66,0%

PP RC Ag 4 77,7% 0,6216 164,2 86,3 121,2 67,1%

Por meio da análise da Tabela 2, observa-se que a incorporação dos

aditivos no PP virgem resulta em uma pequena queda da temperatura de


8655

fusão, sendo a diferença maior no composto com o retardante de chama e 2%

de agente compatibilizante.Observa-se também que o ΔHfusão do 1º ciclo foi

bastante afetado pela incorporação dos aditivos, e consequentemente a

cristalização. Já que o PP Virgem possui maior temperatura, sendo 33% maior

em relação ao composto PP RC. Analisando-se a Tabela 2, nota-se que a Tc

do PP Virgem é menor quando comparada com os demais compostos, isso se

deve a lenta formação de cristalitos. Por outro lado, pode-se dizer que o

retardante de chama e o agente compatibilizante agem como agente nucleante

para o PP, acelerando sua formação de cristalitos e aumentando a Tc do

composto.

Figura 1 – Micrografias com ampliação de 2000x

As imagens encontradas a partir do MEV seguem em ampliações de

2.000x (Figura 1). Observa-se que quando se faz uso de retardante de chama

há a incidência de microfibras na estrutura do composto, o que pode causar

fraturas nos compostos.

PP Virgem PP RC

PP RC Ag2 PP RC Ag4


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A análise dos resultados obtidos a partir do ensaio de TGA mostra que

há mais de uma etapa de degradação nos compostos que fazem a utilização

do retardante de chama, conforme é verificado na tabela 3. Uma das

temperaturas de degradação encontrada é resultante da instabilidade térmica

do material retardante de chama, enquanto que o valor mais alto pode-se

encontrar a temperatura de degradação do polipropileno.

Tabela 3 – Termogravimetria do PP Virgem e demais formulações

Formulação Temperatura de degradação (ºC)

Perda de massa (%/ºC)

PP Virgem 446 3,00

PP RC 296e 436 0,25 e 1,75

PP RC Ag2 294e 436 0,25 e 1,75

PP RC Ag4 298 e 443 0,25 e 2,1

Os resultados dos ensaios de tração podem ser observados na Tabela

4, bem como nos Gráficos 2, 3 e 4. Observa-se que a resistência à tração do

PP Virgem sofre queda de aproximadamente 5% ao incorporar retardante de

chama (PP RC). Observa-se também que a incorporação de agente

ompatibilizante no PP RC resulta em um pequeno aumento da resistência à

tração (PP RC Ag2 e PP RC Ag4).

Tabela 4 – Propriedades Tração do PP Virgem e demais formulações

Formulação Resistência à tração (MPa)

Alongamento (%) Módulo de

elasticidade (MPa)

Média Desvio Média Desvio Média Desvio PP Virgem 26,7 1,2 364,7 13,32 635,9 13,3

PP RC 25,5 0,8 445,3 76,8 726,3 181,2 PP RC Ag2 27,2 1,06 461,7 87,1 843,1 285,6 PP RC Ag4 26,9 0,5 449,1 87,6 1004,5 195,4

Portanto, o retardante de chama diminui a resistência à tração que é

recuperada ao incorporar agente compatibilizante. Esse comportamento de

perda se deve ao fato de não haver adesão adequada entre esse aditivo e a

matriz. Com a adição do agente compatibilizante melhora-se a adesão entre as

duas fases e, consequentemente, ocorre uma recuperação das propriedades.


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Gráfico 2 – Resistência à tração do PP Virgem e demais formulações

Gráfico 3 – Alongamento

Gráfico 4 – Módulo de Elasticidade

Os resultados e gráfico de alongamento apresentam a influência no

aumento de deformação do polímero quando aditivado por ambos os aditivos.

O aumento é gradativo dentre as formulações e apresenta maior alongamento

quando o agente compatibilizante é utilizado em maior concentração, PP RC

Ag4, onde o aumento foi de 37%.

Os resultados dos ensaios de resistência à flexão podem ser observados

na Tabela 5, bem como nos Gráficos 5 e 6.


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Gráfico 5 – Resistência à Flexão

Gráfico 6 – Módulo de

Flexão

Os resultados de resistência à flexão seguem uma tendência similar aos

resultados de resistência à tração, discutidos anteriormente, ou seja, o

composto PP RC, apresenta redução quando comparado ao PP Virgem. Mas

nos compostos PP RC Ag2 e PP RC Ag4 a resistência à flexão é aumentada,

atingindo valores bastante próximos ao PP Virgem.

Observa-se que o módulo de flexão também segue a mesma tendência

do módulo de tração, onde o composto que faz uso dos estabilizantes e do

retardante de chama, PP RC, tem seu módulo de flexão afetado. Contudo, na

presença do agente compatibilizante a propriedade de módulo de flexão é

recuperada, como observado nas amostras PP RC Ag2 e PP RC Ag4.

A resistência ao impacto das amostras de PP Virgem e as demais

formulações são discutidas a partir da Tabela 6 e no Gráfico 7.

Tabela 6 – Resistência ao impacto

Formulação Resistência ao Impacto (J/m)

Média Desvio PP Virgem 108,3 10,12 PP RC 84,7 8,26 PP RC Ag2 93,2 6,29 PP Ag2 112,3 7,36 PP RC Ag4 89,5 5,38 PP Ag4 104,4 5,60


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Gráfico 7 – Resistência ao Impacto

Conforme apresentado no Gráfico 7, comparando-se os compostos que

contém retardante de chama, PP RC, PP RC Ag2 e PP RC Ag4, têm-se que a

propriedade de resistência ao impacto reduzida quando comparadas com o PP

Virgem. PP RC sofre maior perda de propriedade, em contrapartida, as

amostras nas quais há uso do agente compatibilizante apresentam melhor

resistência. O PP RC Ag2 obteve maior resistência que o PP RC Ag4, o que

mostra que o compatibilizante age, de certo modo, como um modificador de

impacto. Com isso pode-se concluir que o aumento da resistência ao impacto

não é proporcional ao aumento do uso do agente compatibilizante, ou seja,

possivelmente existe um teor ótimo de agente compatibilizante para melhorar a

resistência ao impacto. Apesar de a cristalinidade determinar maior

miscibilidade molecular pelo uso do agente compatibilizante, o fato

preponderante que se percebe é a menor concentração de tensões.

Os ensaios de inflamabilidade foram realizados com base na norma UL

94, em corpos de prova com média de 3,2 mm de espessura.

Observou-se nesse ensaio que todas as formulações que possuem 15%

de retardante de chama em sua estrutura (PP RC, PP RC Ag2, PP RC Ag4), na

primeira aplicação de chama de 10 segundos, há apenas poucos

gotejamentos. Já na segunda aplicação de chama de 10 segundos, o

gotejamento é maior, porém, as gotas já caem apagadas de modo a não

causar a ignição do algodão e terminando por alcançar classificação V0.

Entretanto, no caso do PP virgem observou-se que este apresenta queima

autossustentável, tornando-o não classificável em norma UL-94.


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CONCLUSÃO

O objetivo de avaliar a influência da presença do agente compatibilizante

em compostos de PP com retardante de chama foi alcançado considerando a

sequência metodológica utilizada, podendo-se obter resultados conclusivos em

vários aspectos.

Considerando a densidade dos compostos com estabilizantes e

retardante de chama, observou-se aumento de aproximadamente 6%

comparando-se ao PP Virgem.

O índice de fluidez dos compostos de PP aumentou em função da

sinergia entre retardante de chama e agente compatibilizante, em teores

máximos mostraram aumento de aproximadamente 20%.

A microscopia eletrônica de varredura não pode confirmar se houve

molhamento suficiente do retardante de chama pela matriz PP, uma vez que a

estrutura desse aditivo não foi facilmente identificada pela técnica.

A propriedade de resistência à tração sofre diminuição quando se

compara PP Virgem ao composto que utiliza estabilizantes e retardante de

chama, porém essa propriedade é recuperada com a utilização de agente, de

forma a apresentar diferença inexpressiva de resistência quando comparada ao

PP Virgem.

A resistência à flexão sofre diminuição quando se compara PP Virgem à

formulação que utiliza estabilizantes e retardante de chama. Essa diminuição,

por sua vez, é recuperada quando se utiliza agente compatibilizante, porém a

utilização de 2% de agente compatibilizante apresenta melhor resultado

quando comparada com a utilização de 4%.

Comparando a resistência ao impacto do PP Virgem com a do composto

que utilizou apenas compatibilizantes e retardante de chama, conclui-se que o

retardante de chama é responsável pela queda considerável dessa propriedade

e que essa propriedade é recuperada quando há a utilização do agente

compatibilizante.

O DSC mostrou interferências nas temperaturas de cristalização, sendo

que o composto PP Ag2 o responsável pela maior temperatura de cristalização,

conclui-se então que o agente compatibilizante pode agir como agente

nucleante.


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A partir da análise termogravimétrica conclui-se que os compostos com

retardante de chama apresentam duas fases distintas de degradação e que o

aumento da utilização de agente compatibilizante inibe a diminuição da

temperatura de degradação da matriz polimérica.

Em relação ao ensaio de inflamabilidade conclui-se que a utilização do

retardante de chama em sinergia ao agente compatibilizante não interfere no

resultado de resistência à chama, apresentando resultados satisfatório se

similares.

Conclui-se que a utilização de agente compatibilizante é bastante

satisfatória quando em sinergia ao retardante de chama. E apresenta uma

tendência de melhores resultados com a utilização 2% de agente

compatibilizante, incitando a possibilidade de existência de quantidade ótima

de uso, já que o aumento da quantidade desse agente não é diretamente

proporcional ao aumento das propriedades obtidas.

Por fim, conclui-se que o agente compatibilizante é uma alternativa viável

nas aplicações em compostos de PP com retardante de chama e como

sugestões para trabalhos futuros, considerando o estudo, propõe-se:

Utilizar outros materiais retardantes de chama, não bromados, para

avaliar a sua influência nas propriedades mecânicas;

Utilizar diferentes quantidades de agente compatibilizante, a fim de

encontrar a quantidade ótima necessária para uso;

Realizar o estudo com PP homopolímero e analisar se as alterações são

maiores ou menores;

Realizar o trabalho com mistura dos aditivos de forma manual,

justamente para simular o processo que atualmente é muito utilizado na

indústria e comparar ao composto extrudado.

Utilizar um plástico de engenharia como matriz polimérica e avaliar se

essa sinergia entre aditivos irá implicar em alterações nas propriedades

mecânicas do composto.

AGRADECIMENTOS


8662

À empresa Aditive Plásticos Ltda pela doação de todos os produtos que

foram utilizados no estudo.

REFERÊNCIAS

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ABSTRACT

The aim was to produce different formulations of polypropylene compounds by

extrusion and characterize these compounds by testing scanning electron

microscopy, tensile strength, flexural strength, impact resistance, DSC, TGA

and flammability in order to identify changes caused by the use of flame


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retardant additive and coupling agent. The main results showed that the flame

retardant decreased mechanical properties such as traction, flexion and impact

resistance. Promote a second phase of compound degradation in a lower

temperature. In contrast, the coupling agent retrieves the mechanical

properties, such as traction, flexion and impact resistance and interferes

significantly less in density and fluidity, and promotes minimal change in

degradation temperature of the compound. Although the images obtained by

scanning electron microscope did not confirm whether there was an

improvement in wetting and interaction between phases, the results showed

numbers that prove the interference in the structures.

Keywords: Compatibilizing Agent. Flame Retardant. Polypropylene.


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