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: eduardosbf95@gmail.com
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
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.
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.
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.
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.
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
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 R es is tên cia ao im pa ct o (J /m) Composições
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 T emp era tu ra (° C ) Composições
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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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.
