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: [email protected]
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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
Re
sis
tên
cia
ao
im
pa
cto
(J/m
)
Composições
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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
Tem
pera
tura
(°C
)
Composições
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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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REFERÊNCIAS
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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.
Keywords: blends, Green PE, PCL, mechanical properties.
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