DESENVOLVIMENTO DE NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS COM ARGILA BENTONÍTICA REGIONAL
Edcleide M. Araújo1*, Amanda M. D. Leite1, Renê A. da Paz1, Keila M. de Medeiros1, Renata Barbosa2, Josiane D. V. Barbosa3, Tomás J. A. de Melo1
1 *- Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais da UFCG, Av. AprígioVeloso, 882 Bodocongó, 58.429-900, Campina Grande/PB. [email protected]
3 – SENAI/CIMATEC, Salvador/BA
4 – Universidade Federal do Piauí, UFPI, Teresina/PI
Resumo: Nanocompósitos com argila bentonítica regional foram preparados por meio do processo de intercalação por fusão. As argilas foram estudadas sem modificação e modificadas com quatro sais quaternários de amônio. Foi evidenciado por difração de raios-X que os sais foram incorporados à estrutura da argila confirmando assim sua organofilização. Os nanocompósitos foram avaliados termomecanicamente e por meio de testes de inflamabilidade onde apresentaram propriedades significativamente melhoradas que os respectivos polímeros puros. O processo de biodegradação dos bionanocompósitos obtidos foi acelerado com a presença da argila. As membranas produzidas a partir dos nanocompósitos apresentaram potencial na separação água-óleo.
Palavras-chave: nanocompósitos, membranas, argila regional.
Development of polymer nanocomposites with regional bentonite clay
Abstract: Nanocomposites with regional bentonite clay were prepared by melt intercalation technique. The clays were studied without modification and modified with four quaternary ammonium salts. It was evidenced by X-ray diffraction that salts were incorporated into the clay structure thus confirming its organofilização. The nanocomposites were evaluated by means of thermal mechanic and flammability tests where presented properties significantly improved their pure polymers. The process of biodegradation of obtained bionanocompósitos was accelerated by the presence of clay.
The produced membranes from nanocomposites have potential in the oil-water separation.
Keywords: nanocomposites, membranes, regional clay.
Introdução
Com a demanda mundial crescente por novos materiais, os materiais nanoestruturados surgiram como uma alternativa para a síntese de novos polímeros com propriedades específicas [1-3]. Nos últimos anos os nanocompósitos poliméricos, compósitos onde o reforço exibe uma dimensão em escala nanométrica (10-9 m), têm atraído grande interesse tanto da indústria quanto do meio
aos polímeros virgens e aos compósitos convencionais, utilizando baixos teores de cargas (< 5% em peso). Algumas destas propriedades incluem elevado módulo, boa resistência mecânica, estabilidade térmica e dimensional, propriedades de barreira e retardância à chama ou inflamabilidade [5-8]. Os nanocompósitos estão sendo aplicados na indústria automobilística, de eletrodomésticos, embalagens, e equipamentos médicos, etc [4]. Recentemente, vários tipos de argilas como a bentonita, cujo argilomineral predominante é a montmorilonita, tem sido largamente utilizada como reforço na produção de nanocompósitos poliméricos [9-12]. As cargas minerais do tipo bentonita que são abundantes na região da Paraíba, vêm sendo também utilizadas em nanocompósitos, o que tem sido viável do ponto de vista tecnológico [13-30] e, com resultados bastante promissores para as aplicações estudadas. Segundo o Departamento Nacional de Produção Mineral – DNPM (2008), 25,3% das reservas de argilas bentoníticas do Brasil estão no município de Boa Vista/PB [31]. Além da vantagem dessa abundância de argilas esmectitas no Brasil, a transformação destas em argila organofílica para favorecer a compatibilidade com as matrizes poliméricas, por meio de tratamentos de superfície com sais quaternários de amônio, é um procedimento simples, tendo em vista que as argilas tratadas provenientes da Paraíba não são comercializadas para este fim. A justificativa para o desenvolvimento deste trabalho deve-se ao fato da abundância das argilas bentoníticas da América do Sul, encontrar-se em Boa Vista/PB e por isto abastecer todo o país com bentonitas para fluidos de perfuração. Somado a este fato, tem-se a oportunidade de utilização destas argilas em outras áreas como meio de preservação ambiental, oriunda da grande poluição causada pelo lixo plástico, já que a obtenção destes materiais nanocompósitos com propriedades específicas favorece a produção de um material também biodegradável. Além disso, é imprescindível observar que a utilização de cargas nanométricas presentes e beneficiadas na região de Campina Grande têm um importante apelo tecnológico e mercadológico. A melhoria nas propriedades dos nanocompósitos depende principalmente do grau de dispersão da argila na matriz polimérica. Os nanocompósitos podem ser preparados por:
polimerização in situ, intercalação a partir de uma solução polimérica, intercalação por fusão e tecnologia sol-gel. A intercalação por fusão é a mais utilizada devido a seu baixo custo, elevada produtividade, e compatibilidade com as técnicas de processamento convencionais, tais como:
extrusão e injeção.
Este trabalho tem por objetivo utilizar argilas bentoníticas regionais para a produção de nanocompósitos poliméricos e avaliar suas propriedades termomecânicas, de inflamabilidade, de biodegradação, morfológicas epermeabilidade.
Experimental
Os materiais utilizados nessa pesquisa foram: Poliamida 6 (PA6) com diferentes massas molares e Poliamida 66 (PA66), , fornecida em grânulos pela Rhodia/SP; Polietileno (PE), fornecido pela Braskem/BA; Poli(ácido lático – PLA), fornecido pela Cargill-Dow; Poli(butileno adipato co- tereftálico - PBAT), fornecido pela Basf/BA; argila bentonítica de nome comercial BRASGEL PA, fornecida pela Bentonit União Nordeste, localizada em Boa Vista/PB; Praepagen HY (Cloreto de alquil dimetil hidroxietil amônio), Praepagen WB (Cloreto de estearil dimetil alquil amônio), Dodigen (Cloreto de alquil dimetil benzil amônio), Genamin (Cloreto de hexadeciltrimetil amônio), fornecidos pelas Clariant/SP e Cetremide (Brometo de hexadeciltrimetil amônio), fornecido pela Vetec; Polybond 1009 (PE-g-AA) e Polybond 3009 (PE-g-MA), compatilibizantes polares fornecidos pela Crompton/SP.
Métodos
Organofilização da Argila
A organofilização da argila foi realizada segundo métodos utilizados e apresentados na literatura [13-30].
Preparação dos Nanocompósitos
Os nanocompósitos, com até 6 % em peso de argila, foram obtidos por fusão, em um misturador interno para formulações e concentrados e em uma extrusora de rosca dupla. As condições de processamento foram estudadas para cada matriz polimérica.
Caracterizações
As argilas foram caracterizadas estruturalmente. Os nanocompósitos obtidos foram avaliados por meio das propriedades: estruturais, termomecânicas, de inflamabilidade e de biodegradação. As membranas produzidas a partir dos nanocompósitos foram estudadas morfologicamente por MEV e por meio de sua permeabilidade.
Resultados e Discussão
Serão apresentados os resultados mais relevantes de alguns trabalhos.
Os resultados de DRX da argila Brasgel PA não modificada e modificada com os sais Cetremide®, Dodigen®, Genamin® e Praepagen® indicaram a intercalação dos íons de amônio, para todos os sais estudados, dentro das camadas de silicato com consequente expansão do espaçamento basal d001, isto é, a bentonita Brasgel PA utilizada apresentou deslocamentos do ângulo 2θ para ângulos
De maneira geral, para todos os sais quaternários de amônio estudados, os nanocompósitos com matriz de poliamida 6 e 66 exibiram uma estrutura com predominância de esfoliação. As demais matrizes poliméricas apresentaram estruturas parcialmente intercaladas. Estes resultados foram confirmados por DRX e MET.
Por meio da análise termomecânica foi visto que os nanocompósitos de poliamida 6 apresentaram uma HDT significativamente maior que o polímero puro. Por exemplo, a HDT da poliamida ficou na faixa de 96 ºC e à dos nanocompósitos com 3% de argila, na faixa de 123 ºC e com 5% de argila em torno de 174 ºC.
A inflamabilidade dos nanocompósitos de polietileno com argila organofílica regional avaliada no Calorímetro de Cone apresentou uma redução da taxa de perda ao calor (HRR) em torno de 30 % em relação à matriz polimérica pura. A literatura reporta reduções nessa propriedade (HRR) para os nanocompósitos de polietileno com argila organofílica entre 20 a 40%.
Um estudo de biodegradação foi realizado na blenda PLA/PBAT/argila modificada, muito embora sem avaliar as variáveis de controle como, umidade e pH. Em geral, foi possível verificar uma perda das propriedades físicas com o aumento do tempo de exposição das amostras. Foi possível ainda perceber que para algumas amostras dos bionanocompósitos produzidos, a argila possivelmente acelerou o processo de biodegradação das mesmas.
As fotomicrografias de MEV das membranas obtidas a partir dos nanocompósitos de PA6 apresentaram uma maior quantidade de poros e distribuição mais uniforme destes quando comparadas à membrana de PA6 pura. Foi visto também que a variação do teor de polímero influenciou na espessura da pele filtrante das membranas. A exposição do filme polimérico e a presença de argila provocaram modificações na membrana e na formação dos poros.
Para avaliar a permeabilidade das membranas de PA66/argila, medidas de fluxo foram realizadas com água destilada e emulsões de óleo em água, seguindo uma ordem crescente de concentração.
De maneira geral, o fluxo com água destilada nas membranas apresentou inicialmente uma diminuição e, em seguida, ao longo de 60 min, ocorreu uma estabilidade deste, devido a provavelmente uma compactação ou um inchamento ocorrido nas mesmas. Os testes de separação água-óleo para concentrações maiores de todas as membranas mostraram uma redução significativa da concentração de óleo no permeado, evidenciando-se assim, que estas membranas apresentam potencial para esta aplicação.
Conclusões
Nanocompósitos e membranas poliméricas foram obtidas utilizando as matrizes poliméricas de PA6, PA66, PE e PLA/PBAT com argila bentonítica regional. A morfologia dos nanocompósitos estudada por DRX e MET apresentou estruturas esfoliadas e/ou parcialmente esfoliadas e, intercaladas e/ou parcialmente intercaladas. De uma maneira geral, as propriedades termomecânicas e de inflamabilidade foram significativamente melhoradas com os nanocompósitos produzidos. Os bionanocompósitos obtidos evidenciaram que a argila acelerou o processo de biodegradação dos mesmos. As membranas apresentaram resultados promissores na separação água-óleo.
Agradecimentos
Ao CBPol, à Rhodia/SP, à Braskem/BA, à Basf/BA, à Bentonit União Nordeste, à Clariant/SP, à Crompton/SP, ao MCT/CNPq, à CAPES/PROCAD/NF, à CAPES/Pro-Engenharia, ao PRH- 25/ANP, pelo apoio financeiro.
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