PROPRIEDADES MECÂNICAS E TERMOMECÂNICAS DE BLENDAS POLIETILENO VERDE… · 2017. 6. 20. · PROPRIEDADES MECÂNICAS E TERMOMECÂNICAS DE BLENDAS POLIETILENO VERDE/POLI(Ɛ-CAPROLACTONA)

PROPRIEDADES MECÂNICAS E TERMOMECÂNICAS DE BLENDAS

POLIETILENO VERDE/POLI(Ɛ-CAPROLACTONA)

E.S.B. Ferreira1*, E.B. Bezerra1, D.C. França1, D.D.S. Morais1, E.M. Araújo1, R.M.R. Wellen 2

1 Universidade Federal de Campina Grande – UFCG,Campina Grande –PB

2Universidade Federal da Paraíba – UFPB, João Pessoa – PB *E-mail de correspondência: [email protected]

RESUMO

O estudo de blendas poliméricas envolvendo um material de base biológica e

um polímero biodegradável surge como uma alternativa viável no processo de

desenvolvimento de materiais ecologicamente corretos. Esse trabalho se

propôs a produzir uma mistura de um polímero obtido de base biológica e um

polímero biodegradável (polietileno verde/policaprolactona), PE Verde/PCL. As

blendas foram caracterizadas por ensaio mecânico de tração e impacto, e por

temperatura de deflexão térmica (HDT). Os resultados de tração evidenciaram

que a blenda PE Verde/PCL (90/10) apresentou melhores propriedades

mecânicas que as demais blendas. Já os resultados de resistência ao impacto

ilustraram que o aumento da concentração de PCL aumentou a resistência ao

impacto em relação ao PE Verde puro. A partir da análise da HDT foi verificado

que conforme se aumenta a quantidade de PCL nas blendas, o valor de HDT

decresce quando comparado com o valor obtido para o PE Verde puro.

Palavras-chaves: blendas, PE Verde, PCL, propriedades mecânicas.

INTRODUÇÃO

Os materiais poliméricos convencionais, produzidos a partir do petróleo,

geralmente apresentam elevada resistência à degradação e quando

descartados de maneira inadequada podem contribuir para a intensificação de

diversos problemas ambientais. Tal fato tem impulsionado o desenvolvimento

dos polímeros de base biológica e dos polímeros biodegradáveis,assim como

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

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mailto:[email protected]

também a misturas desses materiais para a produção de blendas poliméricas,

apresentando-se como uma solução prática e economicamente viável (1).

Blendas são misturas físicas de dois ou mais polímeros e/ou copolímeros,

podendo ou não ter ligações químicas entre eles (2). As blendas poliméricas

constituem uma alternativa para a melhoria do desempenho dos plásticos de

engenharia disponíveis no mercado, uma vez que proporcionam um fator muito

importante na relação custo/benefício, alterando as propriedades físicas e/ou

químicas dos materiais poliméricos para uma ampla utilização de (3,4).

O polietileno verde, PE Verde, é um polímero de base biológica que se

origina do etanol extraído da cana de açúcar. Ele possui todas as

características do polietileno petroquímico (temperatura de fusão Tf= 130-

135°C e temperatura de transição vítrea Tg=-120 °C), é reciclável, além de

remover da atmosfera 2,15 toneladas de gás carbônico para cada tonelada de

PE produzida (5,6). No entanto, deve-se salientar que o polietileno verde

produzido pela Braskem não é polímero biodegradável.

A poli(ε-caprolactona) (PCL) é um polímero termoplástico biodegradável,

derivado do petróleo. Embora não seja produzido a partir de materiais naturais

renováveis, é completamente biodegradável, sendo um polímero que possui

inúmeras aplicações (7). Este polímero possui boas propriedades mecânicas,

sendo biocompatível, biodegradável e apresenta facilidade em formar blendas

com outros polímeros. Apesar das suas propriedades promissoras, possui uma

baixa temperatura de fusão (Tf= 50-60°C), contudo, devido à sua baixa

temperatura de transição vítrea (Tg=-60 ºC) e habilidade para aumentar a

mobilidade molecular, a PCL tem sido usada como um plastificante polimérico

(8,9).

Neste sentido, o objetivo deste trabalho foi desenvolver blendas

poliméricas a partir de um polímero de base biológica (PE Verde) e um

polímero biodegradável (PCL), avaliando-se as propriedades mecânicas e

termomecânicas e, correlacionando com a composição, visando a melhoria

destas propriedades.


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MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

Polietileno de alta densidade (PEAD), I’m green® SHC7260, Braskem,

produzido a partir da cana-de-açúcar, foi utilizado como matriz polimérica. Com

conteúdo mínimo de carbono proveniente de fonte renovável de 94%,

densidade de 0,959 g/cm3 eIF = 7,2 g/10 min (190°C/2,16 kg).

Já como fase dispersa da blenda polimérica foi utilizada a Poli(ε-

caprolactona) (PCL), de nome comercial Capa® 6500, IF= 28 g/10min

(190°C/2,16kg), fabricada pela Perstorp Winning Fórmulas.

Métodos

As blendas polietileno/poli(ɛ-caprolactona) foram preparadas nas

seguintes proporções (% em peso), conforme a Tabela 1.

Tabela 1–Composições das blendas Bio-PE/PCL.

Composições PE Verde (%) PCL (%)

PE Verde 100 0

PE Verde/PCL 90 10

PE Verde/PCL 80 20

PE Verde/PCL 70 30

PCL 0 100

A mistura dos polímeros foi realizada em uma extrusora dupla rosca

corrotacional, interpenetrante, modular, com razão L/D de 40, modelo ZSK 18

mm, Werner-Pfleiderer, Coperion. Antes da mistura por extrusão, os materiais

foram pré-misturados a frio manualmente para promover uma maior

homogeneização. Para todas as misturas, foram utilizadas as seguintes

condições de processo: taxa de alimentação de 5 kg/h; velocidade das roscas

de 250 rpm; perfil de temperatura nas zonas da extrusora de 200°C em todas

as zonas. O material resultante foi granulado logo após sua extrusão e seco

em estufa a vácuo a 40°C por 24h.

A Figura 1 ilustra o perfil de rosca que foi utilizado para processamento

dos polímeros puros e das blendas poliméricas.


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Figura 1–Perfil de rosca da extrusora dupla rosca corrotacional Coperion

ZSK 18K.

O material extrusado foi moldado por injeção na forma de corpos de prova

de tração, impacto e HDT segundo as normas ASTM D638 (Tipo I), D256 e

D648, respectivamente. Para moldagem dos corpos de prova foi utilizada uma

injetora Arburg, Modelo Allrounder 207C Golden Edition, operando a 180°C,

com temperatura de molde de20°C. As blendas e o PE Verde foram

submetidos às mesmas condições operacionais do processo de injeção. Foi

empregada uma média de 10 corpos de prova para cada composição

investigada.

A Figura 2 ilustra a representação esquemática da sequência de

processamento do polietileno verde puro, da poli(ɛ-caprolactona) pura e das

blendas poliméricas.

Figura 2– Representação esquemática do processamento do polietileno verde,

blendas e poli (ɛ-caprolactona) pura.


8713

As blendas e os polímeros puros foram caracterizados por ensaio

mecânico de tração, impacto e temperatura de deflexão térmica (HDT).

Ensaio Mecânico de Tração

Os ensaios de tração foram realizados de acordo com a norma ASTM D

638 para determinar as propriedades mecânicas dos corpos de prova: módulo

de elasticidade, resistência à tração e alongamento até a ruptura. Os ensaios

foram realizados em um equipamento universal EMIC, modelo DL10000,

usando uma célula de carga de 200 kgf, a velocidade de deformação de 50

mm/min, operando em temperatura ambiente.

Ensaio de Resistência ao Impacto

Os ensaios de resistência ao impacto IZOD foram realizados em corpos

de prova entalhados, utilizando-se um equipamento do tipo Resil 5,5 da Ceast

e pêndulo de 2,75 J, de acordo com a norma ASTM D 256-97, em temperatura

ambiente. Os resultados foram obtidos a partir de uma média de 10 corpos de

prova para cada composição.

Temperatura de Deflexão Térmica (HDT)

A temperatura de deflexão térmica (HDT) foi obtida, conforme a norma

ASTM D 648, em um equipamento Ceast, modelo HDT 6 VICAT/N 6921.000,

com uma tensão de 455 kPa, taxa de aquecimento de 120 °C/h (método A). A

temperatura foi determinada após a amostra ter defletido 0,25 mm. Uma série

de três amostras foi ensaiada e a temperatura de deflexão térmica, com seu

respectivo desvio-padrão, reportados.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Ensaio Mecânico de Tração

A Tabela 2 apresenta os resultados das propriedades mecânicas obtidas

por meio do ensaio de tração do PE Verde, da PCL e das blendas PE

Verde/PCL.


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Tabela 2 – Ensaio mecânico sob tração do PE Verde, da PCL e das

blendas PE Verde/PCL.

Material Módulo de Elasticidade

(MPa)

Resistência à Tração

(MPa)

Alongamento na Ruptura

(%)

PE Verde 445,2 ± 20,3 22,9 ± 0,4 531,3 ± 26,6

PCL 172,4 ± 21,8 20,3 ± 0,3 Máximo

PE Verde/PCL (90/10) 467,6 ± 15,9 23,6 ± 0,3 252,5 ± 20,6

PE Verde/PCL (80/20) 465,4 ± 6,9 23,7 ± 0,3 Fibrilamento

PE Verde/PCL (70/30) 426,2 ± 6,6 23,3 ± 0,2 13,8 ± 0,9

A partir da Tabela 2, pode-se observar que o PE Verde apresenta um

elevado valor de alongamento na ruptura e um alto módulo de elasticidade.

Nota-se também que a PCL é um polímero dúctil com grandes deformações,

mas tem um módulo relativamente baixo, tornando-a incapaz de ser usada

quando a aplicação requer alta rigidez (10,11).

Analisando os resultados de resistência à tração do PE Verde, da PCL e

das blendas PE Verde/PCL observa-se que a adição da PCL ao PE Verde em

três concentrações de 10, 20 e 30% em peso promoveu um pequeno aumento

na resistência à tração. Já para os valores de alongamento à ruptura, observa-

se que a adição de diferentes teores de PCL promoveu uma diminuição

significativa na ductilidade do PE Verde. O pequeno aumento na resistência à

tração e a diminuição do alongamento na ruptura das blendas PE Verde/PCL

podem estar relacionados à imiscibilidade do PE Verde e da PCL.

Normalmente, tem-se sistema bifásico com uma interface fraca entre as fases,

promovendo pouca ou nenhuma interação entre os polímeros. Além disso, a

PCL pode estar atuando como um ponto de descontinuidade na matriz do PE

Verde. As blendas (80/20) apresentaram durante o ensaio sob tração o

fenômeno de fibrilamento, o que está relacionado à segregação de fases da

blenda (12,13).

Em relação ao módulo de elasticidade das blendas, observa-se que

menores teores de PCL ocasionaram um pequeno aumento no módulo de


8715

elasticidade das blendas PE Verde/PCL (90/10 e 80/20), ou seja, apesar da

PCL apresentar característica elastomérica, a adição de baixos teores de PCL

na matriz de PE Verde não tendeu a promover uma diminuição da sua rigidez.

Porém, quando a concentração foi de 30% em peso de PCL, nota-se um

pequeno declínio do módulo de elasticidade, indicando decréscimo na rigidez

do material, uma vez que a incorporação de maiores teores de um material

com característica elastomérica, tal como a PCL ao PE Verde tendeu a torná-lo

menos rígido. Esse declínio das propriedades mecânicas sob tração quando o

percentual de PCL é aumentado provavelmente ocorre em função da fraca

adesão entre a PCL e a matriz de PE Verde na blenda polimérica, formando

provavelmente um sistema bifásico, como dito anteriormente, indicando um

estado de incompatibilidade (14,15).

Ensaio de Resistência ao Impacto

A Figura 3 apresenta os resultados das propriedades mecânicas obtidas

por meio do ensaio de resistência ao impacto dos polímeros puros e das

blendas poliméricas.

Figura 3 – Resistência ao impacto dos polímeros puros e das blendas.

PE Verde PCL PE (90/10) PE (80/20) PE (70/30)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Re

sis

tên

cia

ao

im

pa

cto

(J/m

)

Composições


8716

Verifica-se que adição de 10% de PCL não foi suficiente para atribuir ao

PE Verde uma maior resistência ao impacto, fato este que pode estar

relacionado ao baixo teor de PCL e ao fato de que o PE Verde e a PCL são

imiscíveis, e as blendas produzidas entre esses dois polímeros são

incompatíveis. Na Figura 3, observa-se que com o aumento de 20 e 30% da

concentração de PCL ocorreu um aumento da resistência ao impacto em

relação ao PE Verde puro. Provavelmente, em função da elevada elasticidade

da PCL, a mesma pode ter contribuído para aumentar a resistência ao impacto,

tenacificando a matriz polimérica, ou seja, o aumento do percentual superior a

20% de PCL tenderá a promover uma maior quantidade de regiões

elastoméricas, aumentando assim a resistência ao impacto do material (15,16).

Temperatura de Deflexão Térmica (HDT)

As características mais importantes no desempenho das blendas sob

deflexão térmica são a contribuição individual dos componentes e a morfologia

gerada pelas fases nas blendas (14,17).

A Figura 4 apresenta as temperaturas de deflexão térmica do PE Verde,

da PCL e das blendas binárias PE Verde/PCL (90/10, 80/20 e 70/30).

Figura 4 – Temperatura de Deflexão Térmica (HDT) para os polímeros puros e

as blendas.

PE Verde PCL PE (90/10) PE (80/20) PE (70/30)

0

10

20

30

40

50

60

70

Tem

pera

tura

(°C

)

Composições


8717

Verifica-se que o valor máximo da HDT foi de 66,8°C para o PE Verde e o

menor valor de 58,4°C para a blenda binária PE Verde/PCL 70/30 (% em

peso).

Por meio desse ensaio, observou-se que conforme se aumenta a

quantidade de PCL nas blendas, o valor de HDT decresce quando comparado

com o valor obtido para o PE Verde puro. Esse resultado de certa forma já era

esperado, uma vez que a PCL apresenta alta flexibilidade, em função da sua

estrutura e por consequência apresenta baixo valor de temperatura de

transição vítrea (Tg= -60ºC), gerando com isso uma perda no comportamento

avaliado por HDT (7).

Os valores observados das blendas na Figura 4 são interessantes do

ponto de vista tecnológico para aplicações industriais, uma vez que são valores

próximos aos do PE Verde, ou seja, sem perda significativa de HDT.

CONCLUSÕES

Blendas de PE Verde/PCL foram obtidas por de extrusão e moldadas por

injeção. Os resultados de tração evidenciaram que a blenda PE Verde/PCL

(90/10) apresentou maior módulo de elasticidade, resistência à tração e

alongamento na ruptura que as demais blendas com 20 e 30% de PCL. Para

os resultados de resistência ao impacto, verificou-se que a adição de 20 e 30%

de PCL atribuiu ao PE Verde uma maior resistência ao impacto. Entretanto,

10% de PCL não foi suficiente para promover uma maior resistência ao impacto

em relação ao PE Verde puro. Os valores de HDT decresceram com a adição

de PCL nas blendas quando comparados com o valor obtido para o PE Verde

puro.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Labmat (Laboratório de Engenharia de

Materiais/CCT/UFCG), ao PIBITI/CNPq-UFCG e ao MCTI/CNPq, pelo apoio

financeiro.


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REFERÊNCIAS

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MECHANICAL AND THERMOMECHANICAL PROPERTIES OF GREEN

POLYETHYLENE/POLY(Ɛ-CAPROLACTONE) BLENDS

ABSTRACT

The study of polymer blends involving a biobased material and a biodegradable

polymer emerges as a viable alternative in the development process of

environmentally friendly materials. This study aimed to produce a mixture of a

polymer obtained biobased and biodegradable polymer (green polyethylene/

polycaprolactone), Green PE/PCL. The blends were characterized by

mechanical tests of traction and impact, and temperature heat deflection (HDT).

The traction results showed that the blend Green PE/PCL (90/10) showed

better mechanical properties than other blends. Since the impact strength

results show that the increased concentration of PCL increased impact

resistance compared to pure Green PE. From the analysis of HDT was found

that as increases in the amount of PCL blend, HDT value decreases compared

with the value obtained for pure Green PE.

Keywords: blends, Green PE, PCL, mechanical properties.


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