ANISOTROPIA MECÂNICA EM MOLDADOS POR INJEÇÃO
DE COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO COM REFORÇO
HÍBRIDO DE FIBRA DE VIDRO E TALCO.
Carlos A. de Oliveira1*, José A. de Sousa2
1Magnesita S.A., Pça Louis Ensch 240, 32210-050 Contagem/MG – amauri.oliveira@magnesita.com.br; 2Universidade
Federal de São Carlos
Mechanical Anisotropy in Injection Moulded Hybrid Composites of Polypropylene/Glass Fibers/Talc
Short glass fibers (GF) contribute towards a high mechanical reinforcement of thermoplastic matrices, however, at the cost of pronounced mechanical anisotropy and warpage problems in injection moulded products. On the other hand, talc (T) filler, although less efficient than GF in its reinforcement effect due to the lower aspect ratio of its lamellar particles, is considered to be much less anisotropic and is know to show good interaction in polypropylene (PP) composites. Tensile tests were carried out on test specimen moulded directly for the purpose and 3-point bending flexural tests were performed on rectangular bars cut in longitudinal and transverse directions from the moulded plaques for flexural modulus anisotropy (EL/ET) determination. The use of the mineral talc as reinforcement element was shown efficient,
generating improve in all the studied properties and the hybridization of the proposed systems almost generated small losses in the properties studied with great reduction in mechanical anisotropy in the modulus in 3-point bending flexural tests.
INTRODUÇÃO
Fibras de vidro curtas com elevada razão de aspecto (L/D) são chamados de elementos reforçantes, em vista da elevada rigidez e resistência mecânica de curta e longa duração que promovem nos compósitos termoplásticos. Além disso, podem produzir peças com uma maior resistência ao impacto (em certas circunstâncias de solicitação mecânica e orientação, pois absorvem energia no arrancamento e desacoplamento parcial das fibras) e uma maior temperatura de distorção térmica. As fibras de vidro curtas são um dos tipos de reforços mais amplamente empregados em termoplásticos para melhorar suas propriedades mecânicas.
Por outro lado, a presença de fibras também contribui para uma elevada anisotropia de propriedades físicas e mecânicas, sendo que um dos mais severos e prejudiciais efeitos desta anisotropia é o empenamento da peça, ocasionado por contrações diferenciais durante o resfriamento. Essa anisotropia deve-se a orientação que as fibras adquirem na direção do fluxo preferencial de preenchimento do molde durante o processo de moldagem por injeção e do conseqüente congelamento dessa orientação preferencial das fibras dentro do material quando este se solidifica.
O talco é um mineral funcional amplamente utilizado em compósitos de polipropileno (PP), que apresenta estrutura lamelar, superfície hidrofóbica e boa compatibilidade com a matriz polimérica alterando a estado de orientação das lamelas e aumentando com isso o grau de
cristalinidade, a rigidez, a temperatura de distorção térmica, a resistência à fluência e a fadiga mecânica e contribuem ainda para redução no encolhimento de moldados. Como vantagens adicionais da utilização do talco, pode-se citar o seu efeito nucleante no PP que leva a um aumento na temperatura de cristalização e conseqüente redução do tempo ciclo de moldagem por injeção, a sua fácil processabilidade, reduzida ação abrasiva nos equipamentos de processamento e, principalmente, obtenção de um material com baixa anisotropia de propriedades.
A combinação ou hibridização destes dois reforços visa exatamente a redução da anisotropia de propriedades, reduzindo com isso os problemas de processamento associados a ele além do custo total do produto. Essa redução da anisotropia em moldados por injeção ocorre devido à substituição de um reforço de elevada razão de aspecto (fibra) por uma partícula de baixa razão de aspecto (talco) que devido ao seu formato lamelar, se orientam de maneira mais sutil que as fibras, contribuindo para uma redução no grau de orientação preferencial do reforço, em relação aos compósitos com somente reforços fibrosos.
Em vários trabalhos publicados sobre compósitos híbridos fibro-particulados [1,2], constata-se a preocupação dos autores em apenas mostrar os benefícios da redução na anisotropia mecânica e ganhos em termos econômicos alcançados quando reforços fibrosos e minerais são combinados numa mesma matriz polimérica, sem entretanto, esclarecer os mecanismos de hibridização que efetivamente contribuem para verificada redução na anisotropia mecânica dos compósitos
Neste sentido, o presente trabalho teve como objetivo verificar a influência da hibridização do reforço fibro-particulado de FV com talco em diversas composições de compósitos de PP na (i) anisotropia do módulo elástico de flexão, em placas moldadas por injeção e (ii) nas propriedades mecânicas de tração destes compósitos híbridos em relação aos compósitos referência com somente FV ou talco.
Experimental Materiais Utilizados
Foi utilizado um polipropileno homopolímero isotático (MFI = 20g/10 min e ρ =
0,905g/cm3) na forma de “pellet”, fabricado pela Polibrasil (Susano Petroquímica) - VM 6100K.
Como elementos reforçantes foram utilizados: fibra de vidro tipo E, na forma picada “chopped strand”, pré-tratada com agente de acoplagem, fabricada pelo Vetrotex do Brasil sob o código 968 (Lf = 4,5mm e d = 13 µm e ρ = 2,52g/cm3) e um talco ultra-fino, produzido em um moinho de jatos
Preparação das composições
A preparação dos compósitos de polipropileno com FV e talco foi feita em uma extrusora dupla-rosca co-rotacional, interpenetrante, modelo ZSK-30, da Werner-Pfleiderer, localizada no Laboratório de Processamento de Polímeros no DEMa (UFSCar). O trabalho de preparação dos compósitos foi dividido em duas etapas: preparação de concentrado com 40% em peso de talco (melhorar mistura dispersiva e distributiva do reforço na matriz) em um perfil de rosca altamente cisalhante e uma segunda etapa de diluição dos talcos e preparação dos compósitos com FV e híbridos de FV e talco.
As composições preparadas podem ser vistas nas tabelas 1.
Tabela 1 – Compósitos de referência de PP com reforço de talco e FV e reforço híbrido de FV+T.
Concentração Total Carga (% peso) Compósitos Referenciais Talco (T) Compósitos Referenciais Fibra de Vidro (FV) Compósitos Híbridos (FV+Talco) 10 10T 10 FV --- --- --- 20 20T 20 FV 10FV10T --- --- 30 30T 30 FV 10FV20T 20FV10T --- 40 40T 40 FV 10FV30T 20FV20T 30FV10T 50 --- --- --- 20FV30T ---
Preparação dos corpos de prova
Para o ensaio de tração, foram injetados corpos de prova diretamente no formato especificado pelas normas que descrevem estes ensaios ASTM D 638M-96.
Como um dos objetivos do trabalho era a determinação da anisotropia mecânica no módulo elástico medida pelo ensaio de flexão 3 pontos, corpos de prova no formato especificado pela norma ASTM D 790-96a foram usinados a partir de placas retangulares nas direções longitudinal e transversal ao fluxo de preenchimento da cavidade (ambos concêntricos).
Figura 1 – Usinagem dos corpos de prova para ensaios de flexão em três pontos a partir das placas
previamente injetadas.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Comportamento mecânico sob tração
As figuras 2 e 3 mostram os valores da resistência em tração e módulo elástico em função da fração volumétrica total da carga utilizada. Analisando-se a figura 6, vemos o comportamento da propriedade resistência à tração (RT) dos compósitos de PP, em função da fração volumétrica total de reforços. O valores dos compósitos referenciais de talco e FV, se ajustam em uma reta e uma curva , respectivamente. No caso das FV, este comportamento advêm da influência de queda na razão de aspecto (l/d) da FV com aumento no teor de reforço, enquanto nos compósitos com talco não existe uma redução na razão de aspecto das lamelas.
Quando analisa-se o comportamento dos compósito híbridos, percebe-se que todos os valores da propriedade encontram-se entre os valores dos compósitos referências, como era esperado. Nota-se ainda uma tendência para os compósitos de referência e híbridos com mesmo teor fixo de FV e crescente de talco (10FV, 10FV10T, 10FV20T, etc.). Estes valores de RT se ajustam em retas que apresentam uma inclinação positiva para os compósitos híbridos com 10% de FV e negativa para os compósitos com 20%FV e 30%FV.
Ao adicionar talco a uma concentração fixa de FV, altera-se basicamente três variáveis: aumento no grau de cristalinidade, na viscosidade da matriz de PP e no grau de quebra das fibras de vidro. Para baixas concentrações de FV (10%) o aumento na propriedade deve-se a adição do talco, pois este aumenta a viscosidade do sistema e aumenta a cristalinidade da matriz de PP, conforme verificado nos compósitos de polipropileno referência reforçados com talco apenas. Sabe-se que o aumento na viscosidade gerado pela adição do talco é baixo, portanto, tem-se pouca quebra da FV, um pequeno efeito positivo na propriedade advindo do aumento da orientação de um teor reduzido das FV, aumento no grau de cristalinidade da matriz polimérica e aumento no grau de orientação das lamelas de talco. Estas observações foram comprovadas através de técnicas de caracterização como WAXD (difração raios-x de alto ângulo), MEV (microscopia eletrônica de varredura) e MO
(microscopia ótica) que foram realizadas, mas devido ao grande volume de resultados não estão apresentados neste trabalho. Quando aumentamos o teor fixo de FV para 20% e adicionamos teores crescentes de talco neste compósito híbrido, percebe-se que existe uma depreciação na resistência à tração. Aparentemente, este efeito depreciativo tende a aumentar ainda mais quando a concentração fixa de FV aumenta para 30%. Esta queda acentuada na RT dos compósitos híbridos com aumento no teor de talco à concentração fixa de FV pode ser atribuída à predominância dos efeitos crescentes de quebra da FV, devido ao aumento da viscosidade do sistema e a uma maior interação (colisão) entre as fibras e as partículas de talco que conduz a uma desorientação das fibras de vidro em concentrações mais elevadas do reforço híbrido fibro-particulado, fazendo que o efeito de reforçamento seja reduzido.
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 σtra ç ã o
Fração Volumétrica Total da Carga
T FV 10FV10T 10FV20T 10FV30T 20FV10T 20FV20T 20FV30T 30FV10T PP
Figura 2 – Resistência à tração em função da fração volumétrica total de reforço dos diversos
compósitos de PP
.
A figura 3 apresenta os resultados do módulo elástico em tração (ET) em função da fração volumétrica total de reforço. Observando-se o comportamento dos compósitos referenciais de talco,
percebe-se que os valores obtidos para o ET se ajustam de forma linear, enquanto o comportamento
dos compósitos referenciais com FV, por outro lado, fogem pouco desta linearidade para altas concentrações de FV. A partir dos dados da determinação do comprimento médio das FV, que foi realizada mas não será apresentado aqui, sabe-se que ao aumentar a concentração de reforço na matriz polimérica, tem-se uma redução no comprimento médio e redução na polidispersividade (maior quantidade de fibras pequenas). Esse efeito é advindo do aumento da viscosidade do sistema e da maior interação fibra-fibra, fundido-fibra.
Ao hibridizar os reforços no compósito híbrido, percebemos que a adição de talco em teores fixos de FV gera três efeitos no compósito: aumento no grau de cristalinidade, redução de l/d e
aumento da orientação da FV. O fato de o módulo elástico (E) sempre aumentar com teores crescentes de carga pode ser explicado, pois o seu valor é determinado a baixos níveis de deformação, quando existe a transferência de tensão derivada das tensões térmicas entre reforço-matriz. Portanto, esse aumento deve-se a maior orientação das FV e do provável aumento no grau de cristalinidade na presença do talco. Por outro lado, o ajuste não-linear da curva para os compósitos com teor fixo de 20% de FV pode ser explicado pela provável redução na razão de aspecto da FV com o aumento na viscosidade do compósito com a concentração de talco.
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PP ET ra ç ã o ( G P a )
Fração Volumétrica Total da Carga
T FV 10FV10T 10FV20T 10FV30T 20FV10T 20FV20T 20FV30T 30FV10T
Figura 3 – Módulo elástico em tração em função da fração volumétrica total de reforço, dos
compósitos referenciais de PP com talco ou FV e híbridos de FV+talco.
Do que foi exposto até aqui, fica claro que a forma como as variáveis citadas acima atuam no ET em tração e na RT são diferentes. A RT é uma propriedade medida em grandes níveis de deformação, quando comparados com o E, e aqui o efeito da variação da razão de aspecto das FV tem muito mais relevância na obtenção da propriedade do que no E. Isso explica a melhora no E quando aumentamos o teor de talco em uma quantidade fixa de FV e a depreciação na RT para um mesmo compósito híbrido.
Comportamento mecânico sob flexão e anisotropia mecânica na rigidez
O módulo elástico em flexão obtido para os corpos de prova longitudinais foi designado (EL) enquanto o módulo elástico obtido para os corpos de prova transversais foi chamado de módulo elástico transversal (ET). Os resultados obtidos podem ser vistos na figura 4.
Comparando os resultados obtidos para os compósitos referenciais de PP com o talco, percebe-se que um bom efeito de reforçamento mecânico é obtido já em pequenas concentrações e
que ao aumentar a porcentagem em peso do reforço de 10 a 40% tem-se um aumento crescente no E em flexão.
Analisando agora os valores do módulo elástico em flexão para os compósitos com FV em relação ao PP controle, percebe-se que o compósito com 10% em peso de reforço, assim como o híbrido 10%FV10%T, apresenta módulo longitudinal menor que o transversal, alterando o comportamento apresentado pelo PP não reforçado. Possivelmente a introdução de baixas concentrações de fibras não foi suficiente para que estas se orientassem na direção de fluxo e gerassem com isso o reforço que era esperado.
P P r e f. --1 0 % T 2 0 % T 3 0 % T 4 0 % T --1 0 % F V 2 0 % F V 3 0 % F V 4 0 % F V --1 0 % F V 1 0 % T 1 0 % F V 2 0 % T 1 0 % F V 3 0 % T 2 0 % F V 1 0 % T 2 0 % F V 2 0 % T 2 0 % F V 3 0 % T 3 0 % F V 1 0 % T --0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 EF le x ã o ( G P a ) Longitudinal Transversal
Figura 4 – Módulo elástico em flexão longitudinal e transversal para os compósitos referenciais de
PP com talco ou FV e compósitos com reforço híbrido FV+T.
As composições com 10 e 20% em peso de FV apresentaram valores de módulos (tanto EL quanto ET) inferiores aos apresentados pelos compósitos de talco nas mesmas concentrações, não ocorrendo o mesmo para teores maiores de carga. Devido à elevada razão de aspecto da FV, percebe-se também que o módulo transversal sofre apenas aumentos discretos, enquanto o longitudinal não. Ao hibridizar os dois tipos de reforços na matriz de PP, percebemos que para uma concentração fixa em peso de FV e teores crescentes de talco, temos um aumento praticamente linear no E em flexão, tanto na direção longitudinal quanto na transversal. Os compósitos híbridos com concentração em peso de 20%FV20%T e 20%FV30%T apresentaram ótimos resultados, principalmente quando comparados os valores obtidos para o compósito com 40% em peso de FV. Esses bons resultados podem ser justificados pela ação nucleante do PP (medida por DSC –
calorimetria diferencial de varredura e WAXD) e da sua capacidade reforçante junto a matriz de polipropileno.
A figura 5 apresenta os valores da anisotropia mecânica no módulo elástico em flexão (EL/ET). Quando este valor é igual a um, a anisotropia é nula. O PP referência apresenta uma anisotropia muito pequena e esta é resultado da orientação imposta pelo fluxo de preenchimento da cavidade do molde. Ao adicionarmos talco (reforço lamelar) ao PP, percebe-se que apesar do aumento na propriedade ter sido significativo, a anisotropia gerada é pequena e essa baixa anisotropia é resultado do formato lamelar das partículas de talco que apresentam baixo fator de forma no plano das lamelas e como visto em difração de raios-x quanto maior o teor de cargas mais essas lamelas estão orientadas paralelamente a superfície do moldado. O mesmo comportamento não aconteceu nos compósitos com FV onde temos um bom reforço porém com alta anisotropia, resultado direto do seu alto fator de forma.
Ao analisar o comportamento dos compósitos híbridos para uma concentração em peso fixa de FV e teores crescentes de talco, percebe-se que em baixas concentrações de FV (10%) ao adicionar talco a anisotropia aumenta quase de forma linear. O mesmo comportamento não se repete nos compósitos com 20% em peso de FV, onde a anisotropia praticamente permanece constante apesar do aumento na propriedade. Com isso os compósitos com 20FV20T e 20FV30T são tecnologicamente muito interessantes, pois apresentam valores absolutos do E em flexão maiores que os dos compósitos referenciais de FV com 30 e 40 % em peso e uma anisotropia inferior a ambos. P P r e f. --1 0 % T 2 0 % T 3 0 % T 4 0 % T --1 0 % F V 2 0 % F V 3 0 % F V 4 0 % F V --1 0 % F V 1 0 % T 1 0 % F V 2 0 % T 1 0 % F V 3 0 % T 2 0 % F V 1 0 % T 2 0 % F V 2 0 % T 2 0 % F V 3 0 % T 3 0 % F V 1 0 % T --0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 EL /E T
Figura 5 – Anisotropia mecânica no módulo elástico em flexão dos diversos compósitos de PP em
Conclusões
A utilização de talco em compósitos de PP gerou um produto com excelentes propriedades mecânicas, superiores aos encontrados tradicionalmente na literatura. Esse comportamento pôde ser obtido devido à forma de processamento, utilização de um talco com pureza química e tamanho e distribuição de tamanhos de partículas adequados. Como era de se esperar, os compósitos com FV (que possui maior razão de aspecto) apresentaram resultados absolutos nas propriedades mecânicas superiores a dos compósitos com talco, porem com uma alta anisotropia. A hibridização destes reforços (FV+T), mostrou que conhecendo-se as propriedades mecânicas dos compósitos referenciais, ou seja, dos compósitos de PP com talco e PP com FV, pode-se estimar com relativa precisão as propriedades dos compósitos híbridos. Ficou evidente também a boa redução na anisotropia associada a uma pequena perda no valor absoluto da propriedade do compósito híbrido (quando compara-se o compósito referência de FV, com o compósito com reforço híbrido mesmo teor em peso). O compósito híbrido 20%FV20%T mostrou ser um compósito tecnologicamente viável, devido a suas propriedades mecânicas apresentadas.
REFERÊNCIAS
1. HEWEL, M. and SUN, F. Combination of Glass Fibres and Minerals in Polyamides,
Makromol. Chem., Makromol. Symp., 1991, vol 50, p. 147-156.
2. BALOW, M.J. and FUCCELLA, D.C., Hybridization of Reinforcement to Optimize Part
Performance and Molding in Reinforced Thermoplastics, 37th Annual Conference Reinforced
Plastics/Composites Institute, The society of the Plastics Industry, 1992, session 18-E, p 1-4.
3. SOUSA, J. A.; FERRO, O. A.; & CINTRA, J. S. Fiber Orientation Effects on Mechanical Anisotropy in Injection Moulded Hybrid Composites of Polypropylene/Glass Fibers/Calcium Carbonate, Proceedings (CD-ROM) 18th Annual Meeting of Polymer Processing Society, PPS-18, Paper 495, 10 pg., Guimarães - Portugal, June (2002).
4. Harutun, G.K., Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites, Marcel Dekker,
New York 1999.
5. CHAWLA, K. K. Composite Materials: Science and Engineering, 2nd. ed. New York:
