USO DE DELINEAMENTO DE EXPERIMENTOS PARA AVALIAR
A MELHORIA NA QUALIDADE DE POLIETILENO AO SE
ADICIONAR NANOCARBONATO DE CÁLCIO
L. A. DALANESI1, F. M. C. GAMARRA2 e J. C. C. SANTANA1*
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Universidade Nove de Julho, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção
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Universidade Federal de Brasília, Campus Gama, Faculdade de Engenharia E-mail para contato: jccurvelo@uninove.br
RESUMO – Este trabalho visou melhorar a qualidade de compostos poliméricos de polietileno micronizado aplicando nano compostos de carbonato de cálcio. Para tanto, foi feito um planejamento fatorial 23, para avaliar os efeitos dos teores de nano carbonato, do ácido esteárico e do estearato de zinco sobre as seguintes respostas: o custo, o índice de fluidez, a resistência ao impacto, a força máxima, o limite de resistência, o limite de escoamento, a carga limite de escoamento, o alongamento, o alongamento na carga máxima e o módulo de elasticidade. Após a realização dos ensaios, observou-se através dos gráficos de Pareto que os fatores estudados só surtiram efeitos sobre a força máxima, resistência ao impacto e no alongamento na carga máxima foram as que mais surtiram efeitos, quando se variou os fatores. A análise de superfície de resposta mostrou todas as propriedades do polímero melhoram na seguinte condição: 0,659% de nano carbonato, 0,800% de estearato de zinco e 1,500% de ácido esteárico.
1. INTRODUÇÃO
Os estudos que têm foco na obtenção de materiais nanotecnológicos são baseados na manipulação da matéria numa escala atômica e molecular, lidando com estruturas com medidas entre 1 a 100 nm e se intensificaram nas últimas três décadas (ARAKI, 2007). Suas aplicações são as diversas, mas é mais evidente na área de materiais, principalmente dos poliméricos. O uso do nano compósitos se dá principalmente para a melhoria de uma ou mais propriedades do produto, como citado por Wang et al. (1997) e Kulikov et al. (2010) Amintowlieh et al. (2012).
A aplicação da nanotecnologia nas resinas termoplásticas, polímeros, conhecidos popularmente como plásticos é considerado uma importante área da nanotecnologia. Por exemplo, Eiras e Pessan (2009) estudaram a influência do nano composto de carbonato de cálcio de nas propriedades mecânicas de impacto e tração em um polipropileno e chegaram a conclusão que as propriedades de tração dependem da área de contato da superfície das nano partículas e da sua dispersão. Araújo et al. (2012) preparam filmes de nano compósitos de polipropileno (PP) contendo 1% em massa de argila bentonita modificada organicamente com tecnologia nacional.
Os filmes apresentaram melhores propriedades mecânicas indicando que esses filmes podem ser promissores para aplicação em embalagens. Braga et al. (2012) obtiveram um nano compósitos de elastômeros termoplásticos à base de PP/EPDM/argila organofílica. Os resultados mostraram melhoria nos valores de módulo e deformação na ruptura.
O nano carbonato na melhoria da qualidade de polímeros, tem sido empregado principalmente por dar estabilidade aos compostos obtidos, por causarem modificações em suas superfícies (SAHEBIAN et al., 2010; XIAOKUN et al., 2008). Entretanto, a quantidade a ser usada na composição dos produtos deve ser avaliada, antes de fazer a mistura do nano carbonato ao polímero (ZERBAJAD e SAJJADI, 2008). Assim, este trabalho visou melhorar a qualidade de compostos poliméricos de polietileno (PE) micronizado aplicando nano compostos de carbonato de cálcio. Para tanto, foi feito um planejamento fatorial 23, para avaliar os efeitos dos teores de nano carbonato, do ácido esteárico e do estearato de zinco sobre as seguintes respostas: o custo, o índice de fluidez, a resistência ao impacto, a força máxima, o limite de resistência, o limite de escoamento, a carga limite de escoamento, o alongamento, o alongamento na carga máxima e o módulo de elasticidade.
2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1. Delineamento do Experimento
Os compostos ensaiados foram obtidos a partir de uma massa de 3 kg, em uma extrusora dupla rosca co-rotante, com cilindro de 50 mm (IMACOM), a qual é usada como scale-up dos processos industriais. Todos os ensaios foram realizados em uma empresa da grande ABC, que permitiu o uso do ambiente e a divulgação dos dados, mas não a citação do seu nome. A massa do PE micronizado variou de acordo com a composição dos demais componentes misturados, mas sempre esteve acima dos 2,800 kg, sendo feita seis amostras para cada ensaio (LEFAS et al., 1998).
As composições de nano carbonato (Master Blaster nano, MB nano), ácido esteárico (Ac.
Estearico) e de estearato de zinco (Est. Zn) variaram de acordo com um planejamento
experimental do tipo 23, apresentado na Tabela 1 e, seus efeitos foram avaliados sobre as seguintes respostas: custo, índice de fluidez, resistência ao impacto, força máxima, limite de resistência, limite de escoamento, carga limite de escoamento, alongamento, alongamento na carga máxima e o módulo de elasticidade (BARROS NETO et al., 2007). As análises foram realizadas de acordo com os métodos apresentados nas normas ASTM (2000). Os Gráficos de Pareto foram usado para verificar as influências dos fatores sobre as resposta e a partir delas sugerir os modelos para gerar as superfícies de resposta (RSM) que fizeram a otimização do processo (COSTA et al., 2005). O Quadro 1 apresenta a tendência de ótimo para cada resposta, para facilitar a análise das figuras RSM.
As figuras usadas na análise de superfície de resposta e os gráficos de Pareto, bem como a análise de variância (ANOVA) dos modelos foram obtidos em um software Statistica 10® for Windows e as interpretação foram realizadas de acordo com Barros Neto et al. (2007).
Tabela 1 - Fatores e níveis para o delineamento de experimentos
Fator Níveis
- α -1 0 +1 + α
X1=MB Nano (%) 0,659 1 1,5 2 2,341
X2=Ác. Esteárico (%) 0,159 0,5 1 1,5 1,841 X3=Est. Zn (%) 0,127 0,4 0,8 1,2 1,47
Quadro 1 - Condição ótima para o delineamento de experimentos
Resposta Ótimo Resposta Ótimo
Custo (R$/kg) Mínimo Limite de Escoamento (MPa) Máximo
Índice de Fluidez (g/10min 190C) Mínimo Carga Lim. De Escoamento (N) Máximo
Impacto (J/m) Máximo Alongamento (%) Máximo
Força Máxima (N) Máximo Along. na Carga Máxima (%) Máximo
Limite de Resistência (MPa) Máximo Módulo de Elasticidade (MPa) Máximo
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1. Análise das Influências
As Figuras 1 a 5 mostram os efeitos dos fatores MB nano, ácido esteárico e estearato de zinco sobre as respostas, agrupadas duas a duas. A Figura 1.a mostra que todos os fatores influenciaram de forma linear nos custo da produção. A Figura 1.b demonstra que apenas o estearato de zinco teve uma leve influencia sobre o índice de fluidez do PE. Quando medido, este efeito foi equivalente a 3,48%, o que pode ser desprezado.
Como se nota a seguir, na Figura 2, os fatores não influenciaram na resistência PE ao impacto, mas o efeito combinado do ácido esteárico e do estearato de zinco influencia positivamente na sua forma máxima. A Figura 3 mostra que não há efeitos dos fatores sobre os limites de escoamento e de resistência do PE, mas a Figura 4 mostra que o efeito combinado do ácido esteárico e do estearato de zinco influencia positivamente no seu alongamento. Por fim, a Figura 5 demonstra que os fatores não modificaram as propriedades alongamento na carga máxima e o modulo de elasticidade do PE.
Figura 1. Efeitos sobre o: a) Custo da produção e o b) Índice de fluidez do material plástico.
Figura 2. Efeitos dos fatores sobre as respostas: a) Impacto e b) Força máxima.
Figura 4. Efeitos sobre a: a) Carga limite de escoamento e o b) Alongamento.
Figura 5. Efeitos sobre o: a) Alongamento na Carga Máxima e o b) Módulo de elasticidade.
3.2. Otimização por Análise das Superfícies de Resposta
Como a análise dos gráficos de Pareto indicou que apenas o custo possui influência de todos os fatores, o modelo completo e análise RSM foram realizados apenas para esta resposta. Para os demais, foram feitas RSM parciais, de acordo com as suas respectivas análises de Pareto. A Figura 6 refere-se à análise RSM para os efeitos dos fatores sobre o custo do produto.
Como se observa da Figura 6.a e 6.b, o custo diminui com a redução do teor de MB nano inserido no PE. A mesma interpretação é feita para o ácido esteárico, observando-se as Figuras 6.a e 6.c e para o estearato de zinco, observando-se as Figuras 6.b e 6.c. Embora ao se comparar o custo máximo com o custo mínimo, a diferença seja de R$ 0,12 por kg de PE, quando se multiplicamos pelas 100 toneladas de produção mensal o custo já aumentaria em 12 mil reais, então, o ideal é que as próximas condições ótimas aceitem valores mínimos de fatores.
Figura 6. Influências dos fatores: MB nano, ácido esteárico e estearato de zinco sobre os custo do produto.
Como a análise de Pareto para o alongamento do produto indicou que o MB nano não apresentou influência significativa sobre as respostas alongamento e a forma máxima, então, montou-se a Figura 7 que apresenta a superfície de resposta para avaliar as influências mútuas do ácido esteárico e do estearato de zinco sobre a porcentagem de alongamento e a força máxima do produto. Como se nota na Figura 7.a, existem duas condições de máximos para o alongamento, uma ao se combinar os maiores de ácido esteárico e estearato de zinco e outra ao combinar os dois em valores centrais. Observando-se a Figura 7.b, pode-se fazer a mesma analogia para a força máxima, com dois máximos um em valores altos dos fatores e outro combinando seus valores médios.
Figura 7. Influências mútuas do ácido esteárico e do estearato de zinco sobre: a) alongamento e b) força máxima.
Como a análise RSM para os custos indicou os valores mínimos para os fatores para se obter o menor custo do produto, assim, podem-se definir os valores médios de ácido esteárico e do estearato de zinco e o menor valor do MB nano, já que este não influenciou nos resultados. Desta forma, comparando-se com a Tabela 1, pode-se definir que a condição ótima deste processo é 0,659 % de nano carbonato (MB nano), 1,000% de ácido esteárico e 0,800% de estearato de zinco a um custo de aproximadamente 4,90 R$/kg de polietileno.
4. CONCLUSÕES
Análise dos gráficos de Pareto mostrou que os fatores só influenciaram em cinco das dez respostas. Os três fatores, só surtiram efeitos sobre os custos e o MB nano não surtiu efeito sobre as demais propriedades. O estearato de zinco teve leve uma influencia positiva no índice de fluidez, sendo que a força máxima e o alongamento na carga máxima foram os que mais sofreram efeitos da influência mútua do ácido esteárico e do estearato de zinco.
A análise RSM mostrou que no valor mínimo do nano carbonato e nos valores médios de ácido esteárico e do estearato de zinco se encontra a condição ótima do processo, definindo-a como sendo: 0,659 % de nano carbonato (MB nano), 1,000% de ácido esteárico e 0,800% de estearato de zinco, onde o custo polietileno ficou em 4,90 R$/kg.
O delineamento de experimentos permitiu aperfeiçoar as propriedades do polietileno de rotomoldagem definindo a percentagem de MB nano carbonato, ácido esteárico e do estearato de zinco para obtenção da condição ótima global do produto com o custo em condição mínima e com as propriedades em condições tidas como ótimas.
5. REFERÊNCIAS
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