MONITORAMENTO EM TEMPO REAL DA MORFOLOGIA DURANTE A EXTRUSÃO DE POLÍMEROS ATRAVÉS DO ESPALHAMENTO DE LUZ LASER
DE BAIXO ÂNGULO
1Carlos A. Cáceres, 2Sebastião V. Canevarolo
1 Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, UFSCar
e-mail: carlmat@yahoo.com. 2 Departamento de Engenharia de Materiais, USFCar .
Rodovia Washington Luiz Km 235, São Carlos/SP, Brasil.
RESUMO
A morfologia de blendas e compostos poliméricos é normalmente analisada por microscopia o que normalmente dispende tempo para a preparação da amostra bem como acrescenta artifícios na analise. Por outro lado se a medida fosse feita em tempo real durante o processo de extrusão esta seria muito mais rápida e evitaria a necessidade da preparação de amostras. Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento de um detector de Espalhamento de Luz Laser de Baixo Ângulo (LALLS) instalado na saída da extrusora o qual permite monitorar em tempo real a morfologia de blendas e compósitos poliméricos. O detector mostrou sensibilidade à concentração da segunda fase e à variação da morfologia em função das condições de processamento. Espera-se que esta nova técnica de monitoramento em tempo real permita a redução do custo e tempo na analise durante a produção de blendas e compósitos poliméricos.
Palavras chaves: Extrusão, espalhamento de luz, blendas e compósitos.
INTRODUÇÃO
As blendas poliméricas, compósitos e nanocompósitos poliméricos são materiais produzidos usualmente pelo processo de extrusão através da mistura do polímero matriz junto com material da segunda fase. Uma boa dispersão e distribuição da segunda fase são importantes para garantir uma melhora nas propriedades finais do produto, portanto é necessário que durante o processo de extrusão se gere as condições mais apropriados para obter o produto desejado. Uma redução do tamanho de partícula garante melhoras nas propriedades mecânicas do material em quanto que aglomerados de partículas ou tamanhos grosseiros de partículas são sempre indesejáveis.
As técnicas como são a microscopia óptica ou eletrônica são usualmente utilizadas para analisar o tamanho de partícula das misturas poliméricas, este procedimento demanda muito tempo, pois alem da coleta e preparação das amostras é necessário de artifícios para sua analise e também de softwares
apropriados. Recentemente têm sido desenvolvidas pesquisas para analisar em tempo real a morfologia de misturas poliméricas através de técnicas de espalhamento de luz (1-6) dentro destas técnicas podemos destacar a técnica de espalhamento de luz laser de baixo ângulo (4-6).
Mewis e colaboradores(4) através da combinação dos dados de espalhamento de luz de baixo ângulo (SALS) e modelos apropriados de difração da luz mostraram que esta técnica é viável para poder caracterizar a morfologia formada durante o fluxo das blendas poliméricas e em particular o processo de alongamento das partículas da segunda fase e subseqüente quebra.
Lellinger e colaboradores(5) estudaram a morfologia da blenda SAN/PPMA via espalhamento de luz de baixo ângulo para poder observar a cinética da formação da segunda fase de forma in line. O detector óptico utilizado foi acoplado em uma matriz tipo fenda instalado na saída de uma extrusora. Os autores mostraram que o espalhamento de luz de baixo ângulo é um método útil para observar a morfologia das blendas poliméricas e suas mudanças em tempo real.
Schlatter e colaboradores(6) desenvolveram um equipamento de
espalhamento de luz de baixo ângulo para estudar a morfologia das blendas PS/PP, PA6/EBA e PA6/REBA de forma on line durante o processo de extrusão. Os resultados mostraram que a intensidade de espalhamento de luz permite obter informação sobre a distribuição de tamanho de partícula e por meio da anisotropia do padrão de espalhamento também permite analisar a relaxação e alongamento das partículas da segunda fase. O equipamento também se mostrou sensível a morfologia da blenda reativa e não reativa gerando diferentes padrões de espalhamento de luz. As analises foram comparadas com os resultados de microscopia de eletrônica de varredura e os autores mostraram que o equipamento permite obter informação sobre o desenvolvimento da morfologia durante o processo de extrusão.
Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento de um equipamento de espalhamento de luz laser de baixo ângulo (LALLS) para o monitoramento em tempo real (In line) durante o processo de extrusão de blendas e nanocompósitos poliméricos. O detector LALLS foi instalado na saída de uma extrusora dupla rosca W&P modelo ZSK-30.
EXPERIMENTAL
O processamento das misturas poliméricas foi realizado em uma extrusora dupla rosca da marca W&P modelo ZSK-30. Uma matriz tipo fenda instalada na saída da extrusora foi utilizada para permitir acoplar o detector LALLS. A Fig. 1 mostra um esquema da montagem do detector óptico. O sistema de detecção é constituído por um cone refrigerado que sustenta a placa de detecção constituída
por 64 fotocélulas. Foi utilizada uma fonte de luz laser de He-Ne com .
Entre outros acessórios do hardware podemos mencionar a caixa de controle de voltagem, placa de aquisição de dados e um computador portátil para o processamento de dados. O sistema de detecção também permitir realizar o acoplamento de uma câmera tipo Webcam para poder obter as imagem dos padrões de espalhamento.
(a) (b) (c)
Figura 1 Esquema de operação do detector óptico LALLS (a). Acoplamento de uma
câmera Webcam para obter as imagens de espalhamento de luz (b). Foto do detector óptico LALLS acoplado na saída da extrusora dupla rosca W&P.
ANALISE DAS AMOSTRAS
As misturas de PP/PS e PP/MMT foram utilizadas para mostrar a potencialidade de poder caracterizar a morfologia em tempo real durante o processo de extrusão por meio da técnica de espalhamento de luz laser de baixo ângulo. O material de fluxo durante o processamento foi um polipropileno (fornecido pela BRASKEM S. A.) com índice de fluidez igual a 10 g/10min (ASTM D-1238) e densidade igual a 0,905 g/cm3. No processamento da mistura PP/PS foi utilizado um poliestireno (fornecido pela BASF S. A.) com índice de fluidez igual a 1,5 g/10 min e densidade igual a 1,04 g/cm3. Para o processamento da mistura PP/MMT foi
Morfologia da mistura polimérica PP/PS
Durante o processamento do polipropileno a uma temperatura de 200oC
adicionou-se um pellet de poliestireno com um peso de 0,05mg. A Fig. 2 mostra as mudanças no padrão de espalhamento de luz obtidos através da câmera Webcam durante o processo de extrusão no estado transiente da blenda PP/PS. Os resultados mostram que o padrão de espalhamento muda durante a passagem das partículas da segunda fase, os padrões observados são relacionados à concentração e forma das partículas geradas durante o processo de extrusao. O padrão de espalhamento no tempo ta correspondente ao fluxo do polipropileno antes
de começar a passagem das partículas da segunda fase, após um tempo (tb) com o
inicio da passagem das partículas observou-se uma mudança no padrão de espalhamento alcançando um maximo na intensidade de espalhamento de luz (tc) e
logo retorna ao seu padrão inicial após a passagem de todas as partículas. De
acordo com a literatura(5) podemos dizer que os padrões de espalhamento
observados no tempo tb em nossos resultados são produzidos pela mistura de
partículas levemente elipsoidais em conjunto com partículas de forma alongada
próximas as paredes do canal da fenda. No tempo tc o padrão de espalhamento
pode ser relacionado a uma maior concentração de partículas de forma alongada e no tempo td o padrão pode ser relacionado a partículas de forma circular e elipsoidal.
Estes resultados mostram que a concentração e tempo de residência das partículas da segunda fase influenciam na morfologia final da blenda polimérica.
DTR ta (Fluxo PP) tb (Fluxo PP/PS) tc (Fluxo PP/PS) td (Fluxo PP/PS) te (Fluxo PP/PS) tf (Fluxo PP) Imagem de LALLS
Figura 2 Evolução das imagens de espalhamento durante a extrusão da blenda
PP/PS no estado transiente.
Morfologia da mistura polimérica PP/MMT
A Fig. 3 mostra as mudanças do padrão de espalhamento de luz obtido através da câmera Webcam durante o processamento de extrusão no estado
transiente da mistura PP/MMT (5% em peso). Os resultados mostraram que o padrão de espalhamento muda durante a passagem das partículas inorgânicas. Os padrões observados podem ser relacionados à concentração, forma e tamanho das partículas da argila MMT gerados durante o processo de extrusão. Estes resultados mostraram que a morfologia da mistura PP/MMT pode ser acompanhada pela técnica de LALLS em tempo real durante o processo de extrusão.
DTR ta (Fluxo PP) tb (Fluxo PP/MMT) tc (Fluxo PP/MMT td (Fluxo PP/MMT te (Fluxo PP/MMT tf (Fluxo PP) Imagem de LALLS
Figura 3 Evolução das imagens de espalhamento durante a extrusão da mistura
PP/MMT no estado transiente.
Intensidade de espalhamento de luz e a posição das fotocélulas do detector óptico LALLS.
Na Fig. 4 apresentamos uma superposição da imagem da intensidade do padrão de espalhamento de luz laser de baixo ângulo (tempo tc) obtido durante a
extrusão das misturas PP/PS e PP/MMT e a sua correlação com posição das 64 fotocélulas na placa de detecção do detector LALLS. Estes resultados mostraram que a construção do detector LALLS permitira fornecer informações da morfologia das partículas da segunda fase em tempo real assim como a quantificação do tamanho e forma da partícula. Futuramente avaliaremos a influência dos parâmetros do processo de extrusão na preparação de blendas, compósito e nanocompósitos poliméricos. (a) MD TD (b) MD TD
fotodetectores do detector LALLS e um padrão de espalhamento da mistura PP/MMT (b).
CONCLUSÕES
A potencialidade de poder caracterizar em tempo real a morfologia de blendas, compósitos e nanocompósitos poliméricos durante o processo de extrusão através da técnica de espalhamento de luz laser de baixo ângulo (LALLS) pode permitir solucionar problemas de forma rápida in situ. A morfologia gerada durante o processamento de blendas e nanocompósitos poliméricos produz diferentes padrões de espalhamento. O detector óptico LALLS, através do posicionamento de suas 64 fotocélulas, permitirá analisar a intensidade de luz espalhada e por meio de modelos matemáticos utilizando a teoria de Mie e Difração de Fraunhofer nos permitiram quantificar o tamanho e forma das partículas de segunda fase em tempo real. O equipamento futuramente será utilizado para avaliar a influência dos parâmetros de processamento na morfologia gerada durante a extrusão de blendas, compósitos e nanocompósitos poliméricos.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a CAPES pelo apoio financeiro (Projeto no 02681/09-9) e bolsa de estudos (C. A. C. C).
BIBLIOGRAFIA
1. MEETEN, G. H. Optical Properties of Polymers. New York: Elsevier Science Publishing, 1986.
2. XU, R. Particle Characterization: Light Scattering Methods. New York: Kluber Academic Publishers, 2002.
3. MELO, T. J. A.; CANEVAROLO, S. V. Determinação da Distribuição de Tempos de Residência em Tempo Real no Processamento Reativo de Blendas Poliméricas.
Polímeros Ciência e Tecnologia, v. 12, n. 4, p. 255-264, 1999.
4. MEWIS, J.; YANG, H.; VAN PUYVELDE, P.; MOLDENAERS, P.; WALKER, L. M. Small-Angle Light Scattering Study of Droplet break-up in Emulsions and Polymer Blends. Chemical Engineering Science, v. 53, n. 12, p. 2231-2239, 1998.
5. LELLINGER, D.; STEINHOFF, B.; ALIG, I. In line Monitoring of the Morphology of Polymer Blends during Extrusion using Small Angle Light Scattering. In: The
polymer processing society-21 and Annual meeting, 2005, Germany. Anais
Eletrônicos, Leipzig: Polymer Processing Society, 2005. 1CDRom.
6. SCHLATTER, G. SERRA, C.; BOUQUEY, R.; MULLER, R.; TERRISSE, J. Online light Scattering Measurements: a Method to Assess Morphology Development of Polymer Blends in a Twin-screw Extruder. Polymer Engineering and Science, v. 42, n. 10, p. 1965-1975, 2002.
IN LINE MONITORING OF THE MORPHOLOGY DURING POLYMER EXTRUSION USING LOW ANGLE LIGHT SCATTERING
ABSTRACT
The morphology of the polymeric blends and composites are usually analyzed by microscopy that usually spends time for the preparation of the sample as well as increases artifices for analyzes. On the other hand if the measure was made in line during extrusion process this would be much faster and would avoid the preparation of samples. In this work presented the development of the Low Angle Light Laser Scattering (LALLS) device installed in the exit of the extruder which allows monitoring the morphology of the polymeric mixtures. The device showed sensibility to the concentration of the second phase and the change of the morphology in function of the processing conditions. It is waited that this new technique in line allows the reduction of the cost and time for analyzes in the polymer blends and composites production.
