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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO COM PEAD
RECICLADO E PÓ DA CASCA DA SEMENTE DA PLANTA SOMBREIRO
(Clitoria fairchildiana)
Dissertação submetida à
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
como parte dos requisitos para a obtenção do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
ISABEL CAVALCANTI CABRAL
ORIENTADOR: PROF. DR. JOSÉ UBIRAGI DE LIMA MENDES
Natal, agosto de 2016
2
ISABEL CAVALCANTI CABRAL
OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO COM PEAD
RECICLADO E PÓ DA CASCA DA SEMENTE DA PLANTA SOMBREIRO
(Clitoria fairchildiana)
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica como requisito parcial à
obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. José Ubiragi de
Lima Mendes
NATAL, agosto de 2016
3
Catalogação da Publicação na Fonte Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Sistema de Bibliotecas
Biblioteca Central Zila Mamede / Setor de Informação e Referência
Cabral, Isabel Cavalcanti. Obtenção e caracterização de compósito com PEAD reciclado e pó da casca da semente da planta Sombreiro (Clitoria fairchildiana) / Isabel Cavalcanti Cabral. - 2016. 59 f. : il. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Natal, RN, 2016. Orientador: Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes. 1. Compósito polimérico - Dissertação. 2. Polietileno – Resíduo – Dissertação. 3. Sombreiro (Clitoria fairchildiana) - Dissertação. I. Mendes, Milva José Ubiragi de Lima. II. Título. RN/UF/BCZM CDU 620.1
4
5
“Descobrir consiste em olhar para o que todo mundo está vendo e pensar
uma coisa diferente”. (Roger Von Oech)
6
Dedico este trabalho aos meus Pais Damião e Maria Socorro e ao meu companheiro Oto Lima.
7
AGRADECIMENTOS
À Deus por me dar força, coragem e saúde em todos os dias de minha vida. Ao meu orientador Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes pelo incentivo
e orientação durante o decorrer do trabalho.
Aos meus pais Damião e Maria Socorro, meus irmãos, João e Hugo, por
sempre estarem ao meu lado, me apoiando e incentivando.
A Oto Lima, meu namorado, amigo e companheiro, minhas conquistas só
foram possíveis devido ao seu companheirismo e amor.
A todos os amigos e colegas do Laboratório de Mecânica dos Fluídos da
UFRN, pela ajuda e cooperação.
A todos os integrantes do Laboratório de Reologia e Processamento de
Polímeros da UFRN, em especial do Prof. Dr. Ito e a mestranda Thatiana, pela
colaboração para o desenvolvimento do trabalho.
Aos profissionais e alunos que trabalham diariamente nos laboratórios dos
Departamentos de Engenharia Mecânica (DEM) e Engenharia de Materiais
(DEMAT), pela disponibilidade para realizar os ensaios importantes para esta
pesquisa.
Aos membros da banca, pela atenção e orientação com a dissertação.
A Prof. Dr. Laura, do laboratório de ensaios mecânicos da UFCG, pela
colaboração na realização do ensaio de Impacto Izod.
A CAPES pela bolsa concedida e ao PPGEM por todo suporte financeiro
para o desenvolvimento da pesquisa.
Às empresas que fabricam móveis de material sintético em Natal, pela
doação do material.
À Universidade Federal do Rio Grande do Norte, por ceder os espaços,
equipamentos e profissionais necessário à realização deste trabalho.
Aos profissionais da Biblioteca Central Zila Mamede (BCZM), pela
dedicação e empenho em manter o local bom para estudo.
A todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização desta
pesquisa.
8
RESUMO
Atualmente vem crescendo a necessidade de aproveitamento dos
resíduos gerados pela população, como forma de criar materiais alternativos e
de baixo custo, contribuindo assim para preservação do meio ambiente e
aproveitamento dos recursos naturais. A fabricação de compósitos reforçados
com fibras vegetais e matriz polimérica, tem sido uma alternativa para as
indústrias que buscam o aproveitamento de resíduos. O objetivo do presente
trabalho foi desenvolver um compósito polimérico com rejeito de polietileno como
matriz e carga do pó da casca da semente da planta Sombreiro (Clitoria
fairchildiana) nas proporções de 2,5% e 5%, mostrando que polímeros pós
consumo podem ser novamente aproveitados. As misturas polímero/carga foram
produzidas através de uma extrusora, e em seguida os corpos de prova foram
moldados por injeção. Para caracterizar o compósito foram realizadas análises
térmicas, medida do índice de fluidez, determinação da densidade, ensaio de
dureza Shore D, resistência à tração, resistência ao impacto Izod, microscopia
eletrônica de varredura (MEV) e absorção de água. Para os resultados
reológicos, a viscosidade do compósito PE_rec A (Polietileno com adição de
2,5% de carga) diminuiu, já o PE_rec B (Polietileno com adição de 5% de carga)
aumentou. A massa especifica se manteve constante para todas as amostras e
concentrações. Como esperado a dureza do compósito foi proporcional ao
percentual de carga que foi acrescentado, já na resistência máxima a tração o
compósito PE_rec A obteve um valor 2,3% menor comparado ao PE_rec Puro,
o ensaio de impacto Izod mostrou que o compósito PE_rec A apresentou 444,30
J/m de energia absorvida durante o ensaio. Na análise por MEV foram
observados a presença de vazios na microestrutura do material e a falta de
adesão matriz/carga em algumas regiões do compósito polimérico. O ensaio de
absorção de água mostrou que para as duas concentrações de carga natural o
pó se mostrou não muito hidrofílico. Com isso os resultados obtidos mostraram
que o Polietileno reciclado pode ser processado novamente e o acréscimo de
carga ao compósito promoveu um ganho de economia de material sintético.
Palavras chave: Compósito polimérico, resíduo, polietileno e Clitoria
fairchildiana.
9
ABSTRACT
Currently it has increased the need for recovery of waste generated by
the population as a way to create alternative and low-cost materials, thus
contributing to preserving the environment and use of natural resources. The
manufacture of composites reinforced with natural fibers and polymer matrix, has
been an alternative for industries seeking the recovery of waste. The aim of this
study was to develop a polymeric composite tailings as polyethylene matrix and
load powder seed bark Sombreiro plant (Clitoria fairchildiana) in the proportions
of 2.5% and 5%, showing that post-consumer polymers can be again used.
Mixtures polymer / load were produced through an extruder, and then the
samples were injection molded. To characterize the composite were performed
thermal analysis, measurement of flow rate, density determination, hardness
testing Shore D, tensile strength, Izod impact strength, scanning electron
microscopy (SEM) and water absorption. For the rheological results, the viscosity
of the composite PE_rec (polyethylene with addition of 2.5% load) has decreased
since the PE_rec B (Polyethylene with addition of 5% load) has increased. The
bulk density was kept constant for all samples and concentrations. As expected
the hardness of the composite was proportional to the load percentage that has
been added since the maximum tensile strength the PE_rec The composite
obtained a 2.3% lower compared to PE_rec Pure, the Izod impact test showed
that the composite PE_rec The presented 444.30 J/m energy absorbed during
the test. In the analysis by SEM were observed the presence of voids in the
microstructure of the material and the lack of adhesion matrix / load in some
regions of the polymer composite. The water absorption test showed that for both
natural load concentrations powder proved not very hydrophilic. Thus the results
showed that the recycled polyethylene can be processed again and the
composite load increase promoted a gain of synthetic material economy.
Keywords: polymer composite, waste, polyethylene and Clitoria fairchildiana.
10
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Três representações da estrutura do polietileno: (a) modelo sólido
tridimensional, (b) modelo esquemático tridimensional e (c) modelo simples
bidimensional. ............................................................................................................. 20
Figura 2 - Ilustração dos diferentes tipos de compósitos. ............................................ 25
Figura 3 - (a) Casca da semente da Planta Clitoria fairchildiana; (b) Árvore Clitoria
fairchildiana. ............................................................................................................... 27
Figura 4 - Fluxograma dos processos para o desenvolvimento do trabalho. ............... 29
Figura 5 - Separação e limpeza do PE_rec. ................................................................ 30
Figura 6 - Moinho de facas usado para moer as fibras sintéticas (PE_rec). ................ 31
Figura 7 - Particulado de PE_rec após serem moídas. ............................................... 31
Figura 8 - (a) lavagem da casca com água destilada e (b) secagem da casca em estufa.
................................................................................................................................... 32
Figura 9 - Moinho de facas tipo Micro Moinho da SUPEROHM. ................................. 33
Figura 10 - Extrusora e Granuladora. .......................................................................... 35
Figura 11 - Injetora usada para fabricação dos corpos de prova. ................................ 36
Figura 12 - Dimensões do Corpo de prova de acordo com a Norma ASTM D638-01. 36
Figura 13 - Corpos de prova obtidos na moldagem por injeção. ................................. 37
Figura 14 - Equipamento utilizado para medir Índice de Fluidez (MFI). ....................... 38
Figura 15 - Corpos de prova submersos em água, em frasco de vidro para ensaio de
absorção de água. ...................................................................................................... 39
Figura 16 - Medidor de densidade. ............................................................................. 39
Figura 17 - Durômetro Shore D utilizado para medir a dureza do compósito polimérico
................................................................................................................................... 40
Figura 18 - Máquina universal de ensaios, utilizada para o ensaio de Tração. (corrigir no
sumário)...................................................................................................................... 41
Figura 19 - Termograma de TG e DSC para o pó da casca. ....................................... 43
Figura 20 - Termograma de TG e DSC para o PE_rec. .............................................. 44
Figura 21 - Gráfico Ensaio de dureza Shore. .............................................................. 48
Figura 22 - Gráfico da Resistência máxima a Tração em relação a quantidade de pó
adicionada ao compósito. ........................................................................................... 49
Figura 23 - Gráfico da porcentagem de deformação para cada concentração do
compósito. .................................................................................................................. 50
Figura 24 -. Gráfico do Ensaio de Impacto Izod. ......................................................... 51
Figura 25 - Fotomicrografia de MEV do Pó da casca com aumento de 50x. ............... 52
Figura 26 - Fotomicrografia de MEV do Pó da casca com aumento de 100x. ............. 53
Figura 27 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec Puro
criofraturada com aumento de 100x. ........................................................................... 53
Figura 28 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec +
2,5% de Pó criofraturada com aumento de 800x. ....................................................... 54
11
Figura 29 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec +
2,5% de Pó por tração com aumento de 200x. ........................................................... 54
Figura 30 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec +
5% de Pó criofraturada com aumento de 200x. .......................................................... 55
Figura 31 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec +
5% de Pó criofraturada com aumento de 200x. .......................................................... 55
Figura 32 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec +
5% de Pó por tração com aumento de 100x. .............................................................. 56
12
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação dos diversos tipos de polietileno normalizados segundo a
ASTM. ....................................................................................................................... 21
Tabela 2 - Propriedades térmicas, físicas, elétricas e mecânicas do PEAD. (DOAK,
1986) ......................................................................................................................... 22
Tabela 3 - Médias de índice de fluidez dos compósitos poliméricos. ......................... 45
Tabela 4 - Resultado do ensaio de absorção de água para 3 amostras diferentes com
concentração de 2,5% de pó no compósito. .............................................................. 46
Tabela 5 - Resultado do ensaio de absorção de água para 3 amostras diferentes com
concentração de 5% de pó no compósito. ................................................................. 47
Tabela 6 - Densidade dos Compósitos. ..................................................................... 47
Tabela 7 - Resultado de dureza dos compósitos obtido no processo de injeção. ....... 48
Tabela 8 - Propriedades Mecânicas do Ensaio de tração dos compósitos. ................ 49
Tabela 9 - Energia de Impacto Izod para os compósitos formulados. ........................ 51
13
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASTM Sociedade Americana para Ensaios e Materiais (American Society for Testing and Materials)
DSC Calorimetria diferencial de varredura
PE_rec Polietileno reciclado puro
PE_rec A Compósito de Polietileno reciclado com 2,5% de carga do Pó da casca da semente da Planta Sombreiro.
PE_rec B Compósito de Polietileno reciclado com 5% de carga do Pó da casca da semente da Planta Sombreiro.
PEAD Polietileno de alta densidade
PEBD Polietileno de baixa densidade
TGA Análise termogravimétrica
UFCG Universidade Federal de Campina Grande
UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte
14
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 16
1.1 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 18
1.1.1 Objetivo geral ............................................................................................................ 18
1.1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................. 18
2 REVISÃO DA LITERATURA .................................................................................... 19
2.1 POLÍMEROS ....................................................................................................................... 19
2.1.1 Polietileno .................................................................................................................. 19
2.1.2 Polietileno de Alta Densidade (PEAD ou HDPE) ....................................................... 21
2.2 COMPÓSITOS ..................................................................................................................... 23
2.2.1 Tipos de Compósitos ................................................................................................. 24
2.3 FIBRAS NATURAIS .............................................................................................................. 26
2.3.1 Clitoria Fairchildiana – Sombreiro ............................................................................ 27
2.4 MATERIAIS RECICLADOS .................................................................................................... 28
3 MATERIAIS E METÓDOS ....................................................................................... 29
3.1 MATERIAIS ......................................................................................................................... 29
3.1.1 Polietileno Reciclado ................................................................................................. 30
3.1.1.1 Separação e Limpeza do PE_rec .......................................................................... 30
3.1.1.2 Moagem do PE_rec ............................................................................................. 30
3.1.2 Casca .......................................................................................................................... 31
3.1.2.1 Lavagem e Secagem da Casca ............................................................................. 31
3.1.2.2 Moagem da Casca ............................................................................................... 32
3.2 MÉTODOS .................................................................................................................... 33
3.2.1 Características Térmicas ............................................................................................ 33
3.2.1.1 Análise termogravimétrica (TGA) ........................................................................ 33
3.2.1.2 Calorimetria diferencial de varredura (DSC) ....................................................... 34
3.2.2 Compósitos de PE_rec com pó da casca da semente da planta Clitoria fairchildiana
(Sombreiro) ......................................................................................................................... 34
3.2.2.1 Formulação dos compósitos ............................................................................... 34
3.2.2.1.1 Mistura por Extrusão .................................................................................... 34
3.2.2.2 Moldagem Por Injeção .................................................................................... 35
3.2.3 Características reológicas ....................................................................................... 37
3.2.3.1 Índice de Fluidez (MFI) ..................................................................................... 37
3.2.3.2. Ensaio de Absorção de Água .......................................................................... 38
3.2.4 Características Físicas ............................................................................................. 39
3.2.4.1 Determinação da massa específica ................................................................. 39
15
3.2.5 Características Mecânicas ...................................................................................... 40
3.2.5.1 Dureza Shore D ................................................................................................ 40
3.2.5.2 Resistência à Tração ........................................................................................ 40
3.2.5.3 Resistência ao impacto Izod, com entalhe. ..................................................... 41
3.2.7 Características Morfológicas .................................................................................. 42
3.2.7.1 Microscopia eletrônica de Varredura (MEV)................................................... 42
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................... 43
4.1 ANÁLISE TÉRMICA ............................................................................................................. 43
4.2 CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS (OU FÍSICO-QUÍMICAS) .................................................. 44
4.2.1 Índice de Fluidez......................................................................................................... 44
4.2.2 Ensaio de Absorção de Água ..................................................................................... 46
4.3 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ................................................................................................ 47
4.4. CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS ........................................................................................ 48
4.4.1 Dureza Shore D .......................................................................................................... 48
4.4.2 Ensaio de Resistência à Tração ................................................................................. 49
4.4.3. Ensaio de Impacto Izod com entalhe ....................................................................... 51
4.6 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS .................................................................................. 52
5 CONCLUSÕES ........................................................................................................ 57
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 58
16
1 INTRODUÇÃO
Nos últimos anos houve um aumento no desenvolvimento de novas
tecnologias que possibilitem a utilização de produtos com menor impacto
ambiental. A sustentabilidade ambiental é um objetivo a ser atingido (MANZINI
e VEZZOLI, 2008).
As novas tecnologias têm exigido, cada vez mais, materiais com
combinações incomuns de propriedades que não são atendidas pelas ligas
metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos convencionais. Diante disso,
combinações e faixas das propriedades de materiais foram e estão sendo
ampliadas através do desenvolvimento de materiais compósitos (CALLISTER
JR, 2008).
Compósito polimérico é a combinação entre dois ou mais materiais para
se obter um novo material com características especificas e propriedades únicas
(HARPER e EDWARD, 2003).
Segundo Casaril et al (2007), o emprego de materiais compósitos como
materiais de engenharia vem ganhando cada vez mais espaço em vários
segmentos da indústria, uma vez que estes possibilitam uma boa sinergia na
interação entre os diferentes componentes que o formam, dando como resultado
uma gama de propriedades inerentes ao material, e atribuições – econômicas,
ambientais, etc. – mais interessantes do que seus componentes individuais.
O polietileno é um dos polímeros de maior consumo e maior produção a
nível mundial. Com excelentes propriedades (facilidade de processamento e boa
resistência química), baixo custo, tem uma ampla variedade de aplicações, como
por exemplo: embalagens de alimentos, embalagens industriais, filmes, sacos,
tubos, usos agrícolas, fiação, automóvel (HARPER e EDWARD, 2003).
De acordo com Araújo (2003), as fibras naturais possuem baixo custo de
obtenção quando as mesmas são comparadas com fibras sintéticas, fácil
obtenção e baixa densidade, não tóxicas e podem ser incineradas.
Materiais descartados, de alta qualidade, despertam cada vez mais
interesse para a reciclagem. Os resíduos plásticos de embalagens alimentícias,
assim como peças descartadas de grandes dimensões, provenientes da
indústria automotiva, são exemplos desses materiais (MARTINS, SUAREZ e
MANO, 1999).
17
A reciclagem é um conjunto de técnicas que tem por finalidade aproveitar
os resíduos ou detritos e reutilizá-los em seus respectivos ciclos de produção
que por alguma razão, foram rejeitados. Reciclagem de plásticos significa
recuperar e voltar a transformar plástico pós-consumido para posterior utilização
em novas aplicações (SANTOS, AGNELLI e MANRICH, 2010).
Nesse contexto, os compósitos poliméricos reforçados com fibras
naturais têm recebido especial atenção devido às vantagens das fibras naturais
quando comparadas às fibras sintéticas, tais como: são provenientes de fontes
renováveis, possuem baixa densidade e baixo custo, não são tóxicas, podem ser
incineradas, são biodegradáveis e, principalmente, por serem consideradas
sustentáveis (GUIMARÂES et al, 2009).
Afirmaram Mattoso et al (2010), sendo uma fonte renovável, reciclável,
biodegradável e de baixo custo, o uso de recursos vegetais para a produção de
compósitos poliméricos consiste numa alternativa de grande importância
tecnológica. Para países com forte economia agrícola como o Brasil, o uso de
fibras naturais como matéria-prima para a indústria de polímeros reforçados é
uma forma importante de ampliar as possibilidades de explorar suas fontes de
matérias-primas naturais com agregação de valor.
A quantidade de lixo descartado produzido durante a fabricação de
móveis utilizando fibras sintéticas de material polimérico (polietileno) prejudica o
meio ambiente. Em média são produzidos 5 kg de lixo de materiais plásticos
pelas lojas que fabricam móveis utilizando fibras sintéticas. O polietileno é um
polímero termoplástico, o que permite a reutilização e criação de um novo
material que pode ser novamente utilizado na fabricação e confecção de novos
móveis, entre outras aplicações na engenharia. Portanto, seu reaproveitamento
significa uma economia de material e uma solução para diminuir os resíduos que
contribuem para aumentar os impactos ambientais.
A proposta do presente trabalho se insere no reaproveitamento de
polímeros pós-consumo, pela obtenção e caracterização de um compósito
produzido a partir de um polímero reciclado (polietileno) com a adição do Pó da
casca da semente da Planta Sombreiro. A casca da semente da planta
Sombreiro possui boa resistência e absorve pouca umidade. Tais características
contribuem para reduzir a quantidade de polímero necessária para confecção de
diversos materiais descartados que podem ser novamente reprocessados para
18
fabricação de móveis, e podendo ser aplicados em outros ramos da engenharia,
trazendo economia de material sintético e diminuindo os danos causados ao
meio ambiente.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
O presente trabalho objetivou o desenvolvimento de compósitos com
Polietileno reciclado (PE_rec) com o pó da casca da semente da Planta
Sombreiro (Clitoria fairchildiana), e sua caracterização através de análises
térmicas, morfológicas, reológicas e mecânicas, para o aproveitamento do rejeito
polimérico.
1.1.2 Objetivos Específicos
Caracterização estrutural e morfológica do pó da casca da semente de
Clitoria fairchildiana;
Formular compósitos com duas porcentagens do Pó da casca;
Avaliar o efeito da adição do Pó da casca nas propriedades mecânicas,
reológicas e morfológicas dos compósitos produzidos;
Analisar a interface matriz/fibra, e correlacionar com suas propriedades
mecânicas.
19
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 POLÍMEROS
O termo mero significa unidade. Neste contexto, mero refere-se a um
grupo unitário de átomos ou moléculas, o qual define um arranjo característico
de um polímero. Um polímero pode, então, ser considerado um material
resultante da combinação de vários meros ou unidades repetitivas. (ASKELAND,
PHULÉ e PRADEEP, 2011).
A massa molecular média de um polímero é a média da soma das
massas moleculares de cada macromolécula. A maioria dos polímeros, sólidos
ou líquidos, possui carbono como base; contudo, também podem ser
inorgânicos, como os silicones baseados na estrutura de Si-O (ASKELAND,
PHULÉ e PRADEEP, 2011).
Os polímeros são materiais que podem conter aditivos, tais como fibras,
cargas, pigmentos, entre outros, que podem melhorar ainda mais suas
propriedades (convencionais ou de engenharia) e materiais termorrígidos ou
termofixos (ASKELAND, PHULÉ e PRADEEP, 2011).
Os termoplásticos são polímeros que amolecem (e eventualmente se
liquefazem) quando são aquecidos e endurecem quando resfriados – processos
que são totalmente reversíveis e podem ser repetidos. A degradação irreversível
ocorre quando a temperatura de um polímero termoplástico fundido é aumentada
excessivamente. Adicionalmente, os termoplásticos são relativamente macios.
(CALLISTER JR, 2008).
Exemplos de polímeros termoplásticos comuns incluem polietileno,
poliestireno, poli (etileno tereftalato) e cloreto de polivinila (CALLISTER JR,
2008)
2.1.1 Polietileno
De acordo com Doak (1986), polietileno é um polímero parcialmente
cristalino, flexível, cujas propriedades são acentuadamente influenciadas pela
quantidade relativa das fases amorfa e cristalina. As menores unidades
cristalinas, lamelas, são planares e consistem de cadeias perpendiculares ao
20
plano da cadeia principal e dobradas em zig-zag, para cada 5 a 15 nm, embora
haja defeitos que são poucos frequentes. A Figura 1 representa a estrutura do
Polietileno com suas cadeias.
Figura 1 - Três representações da estrutura do polietileno: (a) modelo sólido
tridimensional, (b) modelo esquemático tridimensional e (c) modelo simples
bidimensional.
Fonte: ASKELAND (2011).
Os polietilenos são inertes face à maioria dos produtos químicos
comuns, devido à sua natureza parafínica, seu alto peso molecular e sua
estrutura parcialmente cristalina. Em temperatura abaixo de 60 °C, são
parcialmente solúveis em todos os solventes. Entretanto, dois fenômenos podem
ser observados: (1) Interação com solventes, sofrendo inchamento, dissolução
parcial, aparecimento de cor ou, com o tempo, completa degradação do material;
e (2) interação com agentes tensoativos, resultando na redução da resistência
mecânica do material por efeito de tenso-fissuramento superficial (COUTINHO,
MELLO e MARIA, 2003).
Segundo Coutinho, Mello e Maria (2003), em condições normais, os
polímeros etilênicos não são tóxicos, podendo inclusive ser usados em contato
21
com produtos alimentícios e farmacêuticos, no entanto certos aditivos podem ser
agressivos. No passado, o polietileno era classificado pela sua massa específica
e pelo tipo de processo usado em sua fabricação. Atualmente, os polietilenos
são mais apropriadamente descritos como polietilenos ramificados ou
polietilenos lineares. A Tabela 1 traz a classificação do Polietileno de acordo com
sua massa especifica, para o presente trabalho foi utilizado o Polietileno de alta
densidade.
Tabela 1 - Classificação dos diversos tipos de polietileno normalizados segundo a ASTM.
Tipo Massa específica (g/cm3)
I – Baixa densidade 0,910 a 0,925
II – Média densidade 0,926 a 0,940
III – Alta densidade 0,941 a 0,959
IV – Alta densidade (ultra alto PM) Maiores que 0,960
Fonte: ASTM, 1989
A população brasileira movimentou, em 2012, um total de 2320 milhões
de toneladas de polietileno (corresponde a 36% do total de termoplásticos
consumidos no país), em suas diversas variações, o que indica que cada
brasileiro foi responsável por consumir 11,2 kg de polietileno, principalmente
através de embalagens (RESO, 2015).
No setor de embalagens flexíveis o PEAD presenta um consumo total de
26% (um total de 262 mil toneladas por ano) do consumo total de PEAD no Brasil
(RESO, 2015).
2.1.2 Polietileno de Alta Densidade (PEAD ou HDPE)
O polietileno linear é altamente cristalino (acima de 90%), pois apresenta
um baixo teor de ramificações. Esse polímero contém menos que uma cadeia
lateral por 200 átomos de carbono da cadeia principal. Sua temperatura de fusão
cristalina é aproximadamente 132 °C e sua massa especifica está entre 0,95 e
0,97 g/cm3. O peso molecular numérico médio fica na faixa de 50.000 a 250.000.
As características mecânicas e elétricas do Polietileno de alta densidade
são apresentadas na Tabela 2. Enquanto as propriedades elétricas são pouco
22
afetadas pela massa específica e pelo peso molecular do polímero, as
propriedades mecânicas sofrem uma forte influência do peso molecular, do teor
de ramificações, da estrutura morfológica e da orientação (COUTINHO, 2003).
Tabela 2 - Propriedades térmicas, físicas, elétricas e mecânicas do PEAD.
Propriedades Altamente linear Baixo grau de ramificações
Densidade, g/cm3
0,962 – 0,968 0,950 – 0,960
Índice de refração
1,54 1,53
Temperatura de fusão, °C
128 - 135 125 - 132
Temperatura de fragilidade, °C
-140 - -70 -140 - -70
Condutividade térmica, W/(m.K)
0,46 – 0,52 0,42 – 0,44
Calor de combustão, kJ/g
46,0 46,0
Constante dielétrica à 1 MHz
2,3 – 2,4 2,2 – 2,4
Resistividade superficial, Ω
1015 1015
Resistividade volumétrica, Ω.m
1017 - 1018 1017 - 1018
Resistência dielétrica, kV/mm
45 - 55 45 - 55
Ponto de escoamento, Mpa
28 - 40 25 - 35
Módulo de tração, Mpa
900 - 1200 800 - 900
Resistência à Tração, Mpa
25 - 45 20 - 40
Alongamento, %
No ponto de escoamento
5 - 8 10 - 12
No ponto de ruptura
50 - 900 50 - 1200
Dureza
Brinell, Mpa
60 - 70 50 - 60
Rockwell
R55, D60 – D70
Resistência ao cisalhamento, Mpa
20 - 38 20 - 36
Fonte: DOAK (1986)
Um aumento no teor de ramificações reduz a cristalinidade e é
acompanhado por variações significativas das características mecânicas, uma
vez que causa um aumento no alongamento na ruptura e uma redução da
resistência à tração.
23
O PEAD é utilizado em diferentes segmentos da indústria de
transformação de plásticos, abrangendo os processos de moldagem por sopro,
extrusão e moldagem por injeção. Para o presente trabalho foi escolhido o
processo de mistura matriz/carga por extrusão e em seguida moldagem dos
corpos de prova por injeção.
De acordo com o Catálogo de Produtos da Petroquímica (2000), pelo
processo de injeção, o PEAD é utilizado para a confecção de baldes e bacias,
bandejas para pintura, banheiras infantis, brinquedos, conta-gotas para bebidas,
jarros d’água, potes para alimentos, assento sanitários, bandeja, tampas para
garrafas e potes, engradados, bóias para raias de piscinas, caixa d’água, entre
outros.
2.2 COMPÓSITOS
Os compósitos estão entre os materiais mais antigos utilizados pelo
homem. Nos tempos primitivos, o homem descobriu empiricamente que quando
dois ou mais materiais de natureza diferente eram utilizados em conjunto se
obtinha um novo material, cujo desempenho muitas vezes pode ser superior e,
por vezes, muito diferente dos componentes que lhe haviam dado origem. Foi
assim que os antigos arquitetos egípcios desenvolveram compósitos utilizando
tijolos de argila misturados com palha, material que apresentava um significativo
aumento de resistência à abrasão em comparação aos tijolos feitos somente de
argila. A metodologia utilizada pelos egípcios é similar a que hoje se pratica com
os plásticos reforçados com fibra de vidro (FINKLER, 2005).
Um compósito pode ser considerado como qualquer material multifásico
que exibe uma proporção significativa de das propriedades de ambas as fases
que o constituem, de modo tal que é obtida uma melhor combinação de
propriedades. (CALLISTER JR, 2008).
No projeto de materiais compósitos, os cientistas e os engenheiros
combinam de uma maneira engenhosa vários metais, cerâmicas e polímeros,
para produzir uma nova geração de materiais extraordinários. A maioria dos
compósitos foi criada para melhorar combinações de caraterísticas mecânicas,
tais como a rigidez, a tenacidade e as resistências às condições do ambiente e
a temperaturas elevadas. (CALLISTER JR, 2008).
24
Os compósitos com matriz polimérica consistem em um polímero como
a matriz, com fibras ou partículas como a fase dispersa. Esses materiais são
usados na maior diversidade de aplicações dos compósitos, assim como nas
maiores quantidades, como consequência de suas propriedades à temperatura
ambiente, da facilidade de fabricação e do custo (CALLISTER JR, 2008).
O uso de fibras naturais como reforço para termoplásticos tem
despertado interesse crescente, principalmente para termoplásticos reciclados,
devido ao baixo custo, utilização de recursos naturais brasileiros disponíveis,
além de contribuir para a diminuição da geração de resíduos (MARCONCINI et
al, 2008)
Fibras vegetais sendo usadas como elemento de reforço em compósitos
poliméricos é interessante, pois essas provêm de fontes renováveis, são mais
leves e custam menos do que as fibras sintéticas; não são tóxicas; são pouco
abrasivas aos equipamentos de processo e não poluem o ambiente. Os
compósitos reforçados com essas fibras podem ser usados em telhados de
casas populares, painéis e partes de carros, placas para indústria eletrônica,
mesas e divisórias para escritórios, orelhões, bancadas para laboratórios,
tanques e armazenamento, entre outros. (NETO, CARVALHO e ARAÚJO,
2007).
De acordo com NDLOVU (2013), estudou o comportamento mecânico
de compósitos de polietileno de alta densidade com fibras de madeira e obteve
valores de módulos de tração entre 0,08 GPa para o polímero virgem, até 0,4
Gpa, para compósitos com 30% de fibras de madeira. O autor afirma que tais
valores podem ter correlação com a baixa interação fibra/matriz, todavia essa
situação pode ser melhorada com o uso de compatibilizantes.
2.2.1 Tipos de Compósitos
Os compósitos podem ser classificados em três categorias como carga
(particulado, com fibra e laminar) em função da forma dos materiais empregados.
O fluxograma representa os diferentes tipos de compósitos de acordo com a
forma da carga adicionada (Figura 2).
25
Figura 2 - Um esquema de classificação para os vários tipos de compósitos.
Fonte: CALLISTER JR (2008).
Para o trabalho foi escolhido o compósito polimérico reforçado com
partículas, as quais foram obtidas através do uso de um moinho de facas, onde
a casaca da semente da planta Sombreiro foi triturada para obtenção do pó.
Os compósitos particulados contêm grandes ou pequenas quantidades
de partículas grossas que não impedem o deslizamento de discordâncias de
forma eficaz. Estes compósitos são projetados visando à obtenção de
combinações incomuns de propriedades, além de aumentar a resistência
mecânica (ASKELAND, PHULÉ e PRADEEP, 2011).
Segundo Askeland, Phulé e Pradeep (2011), a massa específica de um
compósito particulado é calculada segundo a equação 1.
𝜌𝑐 = ∑(𝑓𝑖 . 𝜌𝑖) = 𝑓1𝜌1 + 𝑓2𝜌2 + ⋯ + 𝑓𝑛𝜌𝑛 (1)
Onde:
𝜌𝑐 é a massa específica do compósito [g/cm3];
𝜌1, 𝜌2, … 𝜌𝑛 são as massas específicas de cada constituinte no compósito
[g/cm3];
𝑓1, 𝑓2, … , 𝑓𝑛 são as frações volumétricas de cada constituinte.
Certas propriedades de um compósito particulado dependem somente
das quantidades relativas e das propriedades dos constituintes individuais. A
regra das misturas pode predizer precisamente essas propriedades
(ASKELAND, PHULÉ e PRADEEP, 2011).
26
Os objetivos de projeto dos compósitos reforçados com fibra incluem,
com frequência, alta resistência e/ou rigidez em relação ao peso (CALLISTER
JR, 2008).
Vários tipos de materiais de reforço são empregados. A palha (ou fibras
de vegetais como bambu) tem sido utilizada para reforçar tijolos de argila por
séculos. Barras de reforço de aço são introduzidas em estruturas de concreto.
Fibras de vidro em uma matriz polimérica produzem um compósito popularmente
conhecido como “fibra de vidro” e largamente empregado em veículos e
aplicações em aeronaves (ASKELAND, PHULÉ e PRADEEP, 2011).
Um compósito laminado é composto por lâminas ou painéis
bidimensionais que possuem uma direção preferencial de alta resistência, tal
como encontrado nas madeiras e nos polímeros reforçados com fibras contínuas
e alinhadas. Compósito laminado possui uma resistência relativamente alta em
várias direções no plano bidimensional; no entanto, a resistência em qualquer
direção é, obviamente, menor do que ela seria caso todas as fibras estivessem
orientadas naquela direção (CALLISTER JR, 2008).
2.3 FIBRAS NATURAIS
As fibras podem ser classificadas de três maneiras diferentes, sendo
elas: fibras naturais, fibras artificiais e fibras sintéticas (STAEL, 1997).
Segundo Mano e Mendes (1999), as fibras industriais, naturais e
sintéticas, representam uma vasta proporção do total de polímeros consumidos
no mundo; à medida que aumenta a população crescem paralelamente as
necessidades básicas de alimentação, vestuário e habitação. Assim, as fibras
abastecem um mercado de demanda garantida e de exigências de qualidade
crescentes.
Para Stael (1997), a utilização de fibras naturais, como material de
reforço pelo homem, já existe há muito tempo. A utilização desses materiais,
inicialmente de maneira empírica e intuitiva, deu origem à nova área de ciência
e engenharia de materiais com características tecnológicas e econômicas bem
definidas. A forma fibrosa apresentada pela celulose e suas características
estruturais proporcionam a esse material requisitos necessários para diversas
aplicações na área de engenharia.
27
De acordo com Razera (2006), as fibras vegetais podem ser extraídas
de diferentes partes da planta: do caule (juta, malva, bagaço de cana, bambu);
folha (sisal, bananeira, abacaxi, curauá); do fruto (algodão, coco verde e
maduro); do tronco (madeira) e outros. Devido a isto, elas diferem
consideravelmente umas das outras, mas possui em comum o fato de serem
constituídas basicamente por três componentes: celulose, lignina e poliose,
também conhecidas como hemicelulose.
2.3.1 Clitoria Fairchildiana – Sombreiro (WIKIPÉDIA, 2016).
Para o presente trabalho foi escolhida a casca da semente da planta
popularmente conhecida como Sombreiro, como mostrado na Figura 3, seu
nome científico é Clitoria fairchildiana, ela foi descoberta por R.A. Howard, é da
família das Fabaceaes e sua origem é Brasileira. Sua distribuição geográfica no
Brasil é de maior concentração na região Norte, Nordeste e Centro-Oeste
(WIKIPÉDIA, 2016).
A madeira dessa árvore pode ser usada na construção civil como
divisórias internas, forros, para confecção de brinquedos e caixotaria. A árvore
proporciona ótima sombra e tem ótimo potencial paisagístico, excelente para
arborização rural e urbana de parques jardins, estradas, dentre outros. É
indicada para regeneração de áreas degradadas. Pode ser utilizada também
como adubo verde, pois é capaz de nodular e fixar nitrogênio.
Figura 3 - Casca da semente da Planta Sombreiro;
Fonte: Sementes do Xingu (2016)
28
2.4 MATERIAIS RECICLADOS
O lixo, rejeito industrial ou doméstico, tem sido uma constante
preocupação da sociedade contemporânea para a preservação do meio
ambiente. Esse se constitui de uma carga de diferentes substâncias cuja
biodegradabilidade varia dependendo da composição e da origem. O lixo
doméstico, constituído em grande parte pelo descarte de embalagens plásticas
pode ser considerado um grande vilão neste contexto; o plástico é leve, ocupa
grande volume e a separação em seus constituintes é difícil (BLEDZKI e
NOWACZEK, 1993).
Strapasson (2004) afirmou que, os produtos fabricados de materiais
reciclados são na maioria das vezes, mais baratos. Portanto, se faz necessário
um nível de conhecimento aprofundado dos materiais reciclados para que se
encontrem aplicações úteis e apropriadas de modo que os mesmos possam
substituir, parcialmente ou integralmente, os polímeros virgens
De acordo Lima e Souza (2008), a reciclagem do Polietileno começou a
ser realizada pelas próprias indústrias para o reaproveitamento de suas perdas
de produção, por meio da reciclagem primária ou pré-consumo de resíduos
plásticos industriais, os quais são limpos e de fácil identificação, não
contaminados por partículas ou substâncias estranhas.
Estes resíduos são convertidos por meio de tecnologias convencionais
de processamento de produtos com características e desempenhos equivalentes
às daqueles produtos fabricados a partir de resinas virgens. Estes materiais já
processados novamente são utilizados em quase todos os setores da economia,
tais como: construção civil, agrícola, de calçados, móveis, alimentos, têxtil, lazer,
entre outros. E atualmente estão em ascensão, visto que possuem
características de um material de alta qualidade e resistência (Lima e Souza,
2008).
Estima-se que são retirados do meio ambiente por ano
aproximadamente 805 mil toneladas de resíduos pós-consumo, que dão origem
a mais de 725 mil toneladas de matérias plásticos reciclados no Brasil
(ABIPLAST, 2015)
29
3 MATERIAIS E METÓDOS
Neste tópico é apresentado o fluxograma (Figura 4) que resume o
processo de aquisição, fabricação e caracterização dos compósitos.
Figura 4 - Fluxograma dos processos para o desenvolvimento do trabalho.
3.1 MATERIAIS
Para a formulação do compósito do presente trabalho foram utilizados
resíduos de polietileno como matriz, os quais foram adquiridos nas lojas que
fabricam móveis com fibras sintéticas deste polímero. Como carga para o
compósito foram utilizadas as cascas da semente da planta Sombreiro.
Coletadas não chão próximo as plantas de alguns canteiros da UFRN.
30
3.1.1 Polietileno Reciclado
O polietileno reciclado foi cedido por fabricas de móveis da cidade de
Natal. A aquisição deste material foi através do resíduo da fibra sintética
constituída por polietileno aditivado de corante. A fibra do polietileno é usada na
fabricação de móveis, gerando muitas sobras (resíduo de PE) durante a
obtenção desses produtos .
3.1.1.1 Separação e Limpeza do PE_rec
Inicialmente foi feito a separação do PE_rec, pois para fabricação dos
móveis utilizam diversas colorações de fibra sintética. No presente trabalho
optou-se pela seleção da fibra sintética de coloração marrom, com padronização.
A Figura 5 mostra a fibra sintética de PE_rec, durante o processo de limpeza.
Após feito a separação das fibras, foi feito a lavagem e limpeza das mesmas
para eliminar possíveis sujidades.
Figura 5 - Separação e limpeza do PE_rec.
3.1.1.2 Moagem do PE_rec
Após a lavagem e secagem, as fibras sintéticas foram moídas em um
moinho de facas do tipo forrageira, apresentado na Figura 6, disponível no
Laboratório de Reologia e Processamento de Polímeros da UFRN. Depois da
etapa de moagem, o material adquiriu formato de partículas, como mostra a
Figura 7.
31
Figura 6 - Moinho de facas usado para moer as fibras sintéticas (PE_rec).
Figura 7 - Particulado de PE_rec após serem moídas.
Esses procedimentos foram necessários para que o PE_rec se tornasse
adequado ao seu processamento em extrusora juntamente com a carga para
formar o compósito.
3.1.2 Casca
3.1.2.1 Lavagem e Secagem da Casca
Para garantir que as cascas da semente da Planta Sombreiro
estivessem livres de abrasivos e impurezas, elas foram lavadas com água
32
destilada e em seguida foram colocadas numa estufa para secar a 60 °C por 24
horas, conforme mostra a Figura 8. A lavagem e secagem da casca foram
realizadas no Laboratório de Mecânica dos Fluídos da UFRN.
A lavagem das cascas com água destilada também é útil para melhorar
a adesão pó/matriz no processo de extrusão, por remover partículas abrasivas.
Figura 8 - (a) lavagem das cascas com água destilada e (b) secagem das cascas em estufa.
3.1.2.2 Moagem da Casca
A pós a secagem da casca, foi realizado o processo de moagem das
mesmas no Laboratório de Reologia e Processamento de Polímeros da UFRN.
A casca foi moída em dois moinhos: inicialmente foi utilizado um moinho de facas
do tipo maior, apresentado na Figura 6, para triturar a casca e deixá-la no
tamanho de partículas; em seguida utilizou-se um moinho de facas tipo Micro
Moinho da SUPEROHM, apresentado na Figura 9.
(a) (b)
33
Figura 9 - Moinho de facas tipo Micro Moinho da SUPEROHM.
Foi realizada a segunda moagem para que o compósito ficasse com
matriz polimérica e carga de pó da casca da semente melhorando suas
características mecânicas, devido a adesão pó/matriz ser maior. O pó resultante
da moagem dessas cascas apresentou tamanho de partícula com
aproximadamente 0,9 mm.
3.2 MÉTODOS
3.2.1 Características Térmicas
Para obter as características térmicas do PE_rec e do pó da casa da
semente da planta Sombreiro foram utilizadas técnicas termoanalíticas que
possibilitam a análise das temperaturas de degradação, das temperaturas de
fusão e porcentagem de cristalinidade.
3.2.1.1 Análise termogravimétrica (TGA)
TGA é definida como um processo que envolve a medida de variação
continua de massa de uma amostra em função da temperatura ou tempo a uma
temperatura constante (modo isotérmico) (LUCAS, SOARES e MONTEIRO,
2001).
34
Essa técnica é utilizada para a determinação das temperaturas de
degradação dos componentes do material.
O ensaio termogravimétrico foi realizado no Laboratório de Análises
Térmicas do DEMAT. No instrumento da marca NETZSCH STA 449F3. Foram
analisados o pó da casca e o PE_rec.
As condições de ensaio foram: atmosfera de ar sintético, razão de
aquecimento de 10°C/min, para um intervalo de 25 °C até 600 °C, utilizando um
porta-amostra. Foram usadas seis amostras de cada material.
3.2.1.2 Calorimetria diferencial de varredura (DSC)
Quando uma substância sofre uma mudança física ou química, observa-
se uma variação correspondente na entalpia. A calorimetria diferencial de
varredura (DSC) é aplicada quando o processo for promovido por uma variação
controlada de temperatura.
Para este trabalho as curvas de DSC também foram obtidas pelo
equipamento usado no ensaio termogravimétrico.
3.2.2 Compósitos de PE_rec com pó da casca da semente da planta
Clitoria fairchildiana (Sombreiro)
3.2.2.1 Formulação dos compósitos
3.2.2.1.1 Mistura por Extrusão
Inicialmente o material foi pesado, e em seguida misturados em sacos
plásticos para se obter as formulações desejadas para produção dos
compósitos.
Para a realização da formulação dos compósitos foi utilizado uma
Extrusora dupla rosca, disponível no Laboratório de Reologia e Processamento
de Polímeros da UFRN. Foram obtidos o PE_rec puro e PE_rec A e PE_rec B.
As condições de operação do equipamento foram as seguintes:
Zona 1 de aquecimento, 90 °C;
Zona 2 operando a 120 °C;
Zona 3 e 4 operando a 140 °C;
35
Zona 5 operando a 150 °C;
Zona 6 operando a 160 °C;
Zona 7 e 8 operando a 170 °C;
Zona 9 ou cabeçote operando a 180 °C;
Alimentação do material a 40 rpm
Rosca da extrusora a 300 rpm.
Durante o processo de extrusão, uma granuladora foi acoplada a
extrusora, para granular o material, conforme Figura 10.
Figura 10 - Extrusora (à direita) e Granuladora (à esquerda).
3.2.2.2 Moldagem Por Injeção
O processo de moldagem dos corpos de prova por injeção foi realizado
no Laboratório de Reologia e Processamento de Polímeros da UFRN, em uma
Injetora da Arburg Allrounder, modelo 270V, apresentada na Figura 11. Os
corpos de prova moldados adquiriram as dimensões de acordo com a Norma
ASTM D638-01, como mostra a Figura 12. Inicialmente os compósitos
granulados foram secos em estufa a vácuo presente no mesmo laboratório, por
24 horas, a uma temperatura de 60 °C.
36
Figura 11 - Injetora usada para fabricação dos corpos de prova.
Figura 12 - Dimensões do Corpo de prova.
Fonte: Norma ASTM D638 (2001).
As condições de operação foram as seguintes:
Zona 1 de operação 180 °C;
Zona 2 de operação 190 °C;
Zona 3 de operação 200 °C;
Zona 4 de operação 210 °C;
Bico 200 °C;
Tempo de resfriamento de 50 s;
37
Temperatura do molde de 50 °C.
Foram feitas 15 amostras de cada composição, das quais foram
retirados os corpos de prova para cada tipo de ensaio mecânico:
15 amostras de PE_rec Puro;
15 amostras de PE_rec A;
15 amostras de PE_rec B.
A Figura 13 apresenta o corpo de prova que foi obtido durante a
moldagem por injeção.
Figura 13 - Corpo de prova (PE_rec Puro) obtidos na moldagem por injeção.
3.2.3 Características reológicas
3.2.3.1 Índice de Fluidez (MFI)
Índice de fluidez (MFI) é a medida da viscosidade de um polímero no seu
ponto de fusão e é determinado calculando-se a massa (em gramas) que passa
pela matriz em dez minutos (CANEVALORO, 2006).
O Índice de Fluidez dos compósitos poliméricos foi obtido através do
equipamento MELT Flow Modular Line da Ceast (Figura 14), disponível no
Laboratório de Reologia e Processamento de Polímeros da UFRN; e a norma
aplicada foi a ASTM D1238-04. Para as amostradas estudadas foram usadas as
seguintes condições de ensaio: temperatura do ensaio foi fixada em 190 °C, a
carga nominal foi de 5 kg e tempo de escoamento de 1 min. Foram realizadas
nove medidas para cada composição formulada (PE_rec Puro, PE_rec A e
PE_rec B), em seguida foi feita a média dos valores obtidos.
38
Figura 14 - Equipamento utilizado para medir aÍndice de Fluidez (MFI).
3.2.3.2. Ensaio de Absorção de Água
Para o ensaio de absorção de água os corpos de prova foram submersos
em água, conforme mostra a Figura 15. O ensaio foi realizado segundo a Norma
ASTM D570-98. O ensaio foi feito em temperatura ambiente no Laboratório de
Mecânica dos Fluidos da UFRN.
O ensaio foi realizado nas amostras de PE_rec A e PE_rec B. Foram
cortados três corpos de prova de cada formulação. Em seguida eles foram
pesados seco e depois colocados nos vidros com água destilada conforme
estabelece a norma supracitada. A pesagem do material foi feita depois de 24
horas e depois de 7 dias de submersão dos mesmos. A cada fase da pesagem
a água destilada do recipiente foi trocada.
39
Figura 15 - Corpos de prova submersos em água destilada, em frasco de vidro para
ensaio de absorção de água.
3.2.4 Características Físicas
3.2.4.1 Determinação da massa específica
O Ensaio de massa específica foi realizado no Laboratório de Mecânica
dos Fluídos, utilizando um medidor de massa específica, conforme ilustrado na
Figura 16. O ensaio consistiu em pesar o material seco e em seguida o material
submerso em água destilada, cuja massa especifica é conhecida.
Para este ensaio foram utilizados três corpos de prova de cada
formulação. Foram realizados cinco medições para cada corpo de prova e foi
Calculada a média dos valores obtidos.
Figura 16 - Medidor de densidade.
40
3.2.5 Características Mecânicas
3.2.5.1 Dureza Shore D
Os ensaios mecânicos de Dureza Shore foram realizados no Laboratório
do Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural da UFRN, utilizando
um durômetro Shore D. A faixa de ensaio esta compreendida entre 0-100 shore
D, com tolerância de ± 1%, pelo sistema Shore.
Cada ensaio foi realizado em três corpos de prova de cada formulação.
O procedimento de ensaio foi aplicado segundo a Norma ISO R 868 D, como
mostra a Figura 17.
Figura 17 - Durômetro Shore D utilizado para medir a dureza do compósito polimérico.
3.2.5.2 Resistência à Tração
Os ensaios de tração foram realizados no Laboratório de Metais e
Ensaios Mecânicos da UFRN, segundo a Norma ASTM D638-10 usando uma
máquina universal de ensaios, da marca Shimadzu, modelo AG-X 300 kN (Figura
18). As condições de ensaio aplicadas foram: velocidade de 50 mm/min, o corpo
de prova utilizado foi o tipo I, como observa-se na Figura 12. Cada ensaio contou
com cinco corpos de prova para cada formulação.
Através do ensaio foi possível determinar a resistência máxima a tração,
e o alongamento.
41
Figura 18 - Máquina universal de ensaios, utilizada para o ensaio de Tração.
3.2.5.3 Resistência ao impacto Izod, com entalhe.
O ensaio de Impacto Izod tem a finalidade de determinar a energia
cinética necessária para começar uma fratura e prossegui-la até o corpo de
prova romper.
Os ensaios de resistência ao impacto foram realizados conforme a
norma ASTM D 256, em um aparelho de impacto da marca Ceast modelo Resil
5.5, disponível no Laboratório de Ensaios Mecânicos da UFCG, operando com
martelo de 2,5 J. Antes do ensaio propriamente dito, foi feita uma calibração do
equipamento para medir a resistência do ar.
Para cada ensaio foram utilizados cinco corpos de prova de cada
formulação.
42
3.2.6 Características Morfológicas
3.2.6.1 Microscopia eletrônica de Varredura (MEV)
Através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) é possível fazer a
análise morfológica de materiais. O microscópio operou com feixe de elétrons
varrendo a superfície da amostra.
A análise por MEV foi realizado no Laboratório de Microscopia do
Departamento de Engenharia de Materiais da UFRN, usando um microscópio de
bancada da marca HITACHI modelo TM 3000 com amplificação de 15-30000x
operando em aceleração de voltagem de 5 e 15 kV com filamento de tungstênio.
Para análise do pó da casca da semente da planta Sombreiro e para os
compósitos foi utilizado a tensão de 15 kV. As amostras foram posicionadas no
porta amostra do MEV e em seguida colocadas sobre uma fita de carbono. O
tipo de detector utilizado foi o de elétrons livres.
As análises foram realizadas sobre as superfícies dos corpos de prova
obtidas por criofratura e fratura por tração.
43
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 ANÁLISE TÉRMICA
As curvas de TG e DSC para o pó da casca e o PE_rec são apresentados
nas Figuras 19 e 20 respectivamente. Através dessas curvas é possível verificar
a temperatura de degradação térmica e à perda de massa do material em cada
estágio. Essa análise foi importante para verificar as condições de temperaturas
aceitáveis para o processo de extrusão e injeção do material.
Figura 19 - Termograma de TG e DSC para o pó da casca.
De acordo com os dados, é possível observar que para o PE_rec (Figura
20) até a temperatura de 250 °C não houve perda de massa do material;
comportamento semelhante foi apresentado para o pó da casca, que começou
a ter perda de massa em aproximadamente 220 °C pela análise
termogravimétrica (TGA) realizada. Para temperaturas acima de 240 °C como
mostrado na Figura 19, o pó da casca começou a se degradar.
44
Figura 20 - Termograma de TG e DSC para o PE_rec.
Para a análise de calorimetria diferencial de varredura, a qual nos
forneceu o comportamento de entalpia (endotérmico e exotérmico) e a mudança
de fase do material, ambos os materiais se comportam de forma exotérmica. O
PE_rec apresentou mudança de fase nas temperaturas de 125 °C e 200 °C.
De acordo com Alvarez e Vázquez (2004), os componentes da fibra de
coco se degradam a certas faixas de temperatura, por exemplo, a hemicelulose
devido a sua natureza amorfa, se decompõe entre 200 a 260 °C, enquanto a
celulose se decompõe entre 240 a 360 °C, e a lignina, entre 280 a 360 °C.
Comportamento semelhante ocorrem no pó da casca da semente da
planta Clitoria Fairchildiana, na qual as temperaturas de degradação, perda de
massa dos constituintes da fibra, água, hemicelulose e celulose, são similares
ao descrito por Alvarez.
4.2 CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS (OU FÍSICO-QUÍMICAS)
4.2.1 Índice de Fluidez
A Tabela 3 mostra os resultados das medidas do índice de fluidez dos
compósitos processados.
45
Tabela 3 - Médias de índice de fluidez dos compósitos poliméricos.
Composição PE_rec Puro (g) PE_rec + 2,5% (g) PE_rec + 5 % (g)
Resultados
0,1352 0,1017 0,1204
0,1292 0,1072 0,1222
0,1303 0,1023 0,1207
0,1280 0,1042 0,1219
0,1325 0,1084 0,1202
0,1255 0,1116 0,1208
0,1287 0,1058 0,1219
Média 0,1299 0,10588 0,12101
MFI (g/10min) 1,2991 1,0588 1,2101
De acordo com Coutinho, Mello e Maria (2003), o índice de fluidez para
o polietileno de alta densidade virgem está entre 0,9 a 6 g/10min.
Os resultados mostram que houve uma redução do índice de fluidez dos
compósitos de PE_rec Puro, PE_rec A e PE_rec B, em relação ao polietileno de
alta densidade virgem. É possível notar que houve um comportamento
inesperado para o PE_rec B comparado com PE_rec A, portanto a redução do
MFI não foi de forma linear, de acordo com o acréscimo de carga para cada
formulação. O índice de fluidez diminui de acordo com a inserção de carga, isso
ocorre porque o reforço impede a mobilidade da cadeia polimérica, esse
comportamento pode estar relacionado à reticulação que ocorre em materiais
poliméricos.
De acordo com Canevaloro (2006), o MFI deve ser interpretado
cautelosamente, pois o método de análise está sujeito a várias falhas. Primeiro,
os valores são muito sensíveis a detalhes do procedimento de medida,
especialmente para polímeros de baixo MFI. Segundo, porque não se pode
esperar que os valores de MFI sejam verdadeiramente úteis na previsão das
condições de processabilidade reais, uma vez que muitos termoplásticos
comerciais são pseudoplásticos, ou seja, têm sua viscosidade diminuída com o
aumento da taxa de cisalhamento. Portanto esses materiais são processados
normalmente em taxas muito maiores do que aquelas durante a medida desta
propriedade.
Todavia, segundo Santos, Agnelli e Manrich (2010), o índice de fluidez
tem muita importância, pois o processamento desses materiais poliméricos são
46
feitos com ciclos rápidos de injeção, logo se o índice de fluidez diminui muito
haverá um aumento da concentração de carga no polímero, sendo necessário o
aumento da pressão de injeção para se obter um material sem defeitos de
fabricação, o que tornaria o processo mais lento e perigoso.
Para baixos valores no índice de fluidez, mais difícil será a obtenção de
uma mistura homogênea, o que contribui para a formação de agregados,
confirmando assim; a dificuldade do processamento por injeção para compósitos
com altos índices de cargas e baixos MFI.
O limite de processamento do material compósito estudado foi de 5% de
pó da casca. Com o aumento para 10% de pó da casca, o processo de extrusão
foi bastante dificultoso e portanto, inviável. Por isso não foram obtidos
compósitos com maiores concentrações de carga. Devido a vários fatores, entre
eles o fato de o próprio polietileno reciclado já ter passado por vários processos
de fusão, as características de processamento nas diferentes temperaturas do
processo de extrusão e injeção podem se modificar.
4.2.2 Ensaio de Absorção de Água
As Tabelas 4 e 5 mostram o resultado de absorção de água dos
compósitos de matriz polimérica com pó da casca.
Tabela 4 - Resultado do ensaio de absorção de água para 3 amostras diferentes com concentração de 2,5% de pó no compósito.
Concentração de 2,5% de Pó
Peso (g) Amostra 1 (g) Amostra 2 (g) Amostra 3 (g)
Seco 0,701 0,771 0,706
24 hrs Submerso 0,702 0,771 0,706
7 dias Submerso 0,711 0,779 0,715
47
Tabela 5 - Resultado do ensaio de absorção de água para 3 amostras diferentes com concentração de 5% de pó no compósito.
Concentração de 5% de Pó
Peso (g) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Seco 0,712 0,741 0,745
24 hrs Submerso 0,713 0,743 0,746
7 dias Submerso 0,715 0,743 0,747
De acordo com a análise dos resultados apresentados nas Tabelas 4 e
5, as amostras de compósito com 2,5% de concentração de carga apresentaram
uma porcentagem maior de absorção de água do que as amostras de compósito
com 5% de carga, contudo essa porcentagem não foi muito significativa.
Possivelmente as amostras do compósito com concentração de 5%
podem ter sido retiradas de uma região que não havia muita presença da carga,
devido a não homogeneidade do material dos corpos de prova.
4.3 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
Os resultados obtidos para o ensaio de massa específica estão
indicados na Tabela 6.
Tabela 6 - Massa especifica.
Materiais Massa específica (g/cm3)
PE_rec Puro 0,956
PE_rec A 0,962
PE_rec B 0,968
Segundo Coutinho, Mello e Maria (2003), a massa especifica para o
Polietileno de Alta densidade varia entre 0,955 a 0,970 g/cm3.
Este ensaio foi realizado a fim de verificar se a massa específica dos
compósitos iria variar muito tanto para o Polietileno reciclado como para o
polietileno reciclado mais a adição da carga. Como a quantidade de carga
adicionada ao compósito não foi muito alta, a massa especifica do material não
obteve variações significativas em relação do polietileno de alta densidade
virgem. Contudo, houve um aumento proporcional à adição de carga.
48
4.4. CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS
4.4.1 Dureza Shore D
Os resultados obtidos no ensaio de dureza shore D para as diferentes
composições dos compósitos formulados estão indicados na Tabela 7. Para
cada formulação foram realizados dez ensaios, seguidos pelo cálculo da média
dos valores obtidos.
Tabela 7 - Média de dureza dos compósitos obtidos no processo de injeção.
Composição Dureza shore D
PE_rec Puro 58 ± 2
PE_rec + 2,5% de Pó 60 ± 2
PE_rec + 5% de Pó 62 ± 2
Através da análise dos resultados é possível observar que houve um
aumento na dureza dos compósitos com o aumento da porcentagem de pó
acrescentado ao compósito. Tal comportamento é melhor observado na Figura
21.
Figura 21 - Gráfico Ensaio de dureza Shore D.
49
4.4.2 Ensaio de Resistência à Tração
A Tabela 8 apresenta os valores de resistência máxima à tração e
deformação máxima para as amostras PE_rec puro, PE_rec A e PE_rec B.
O ensaio de Resistência a tração foi realizado com o propósito de
observar o comportamento mecânico do material de acordo com a variação do
teor de pó adicionado ao compósito.
Tabela 8 - Propriedades Mecânicas do Ensaio de tração dos compósitos.
Composição Resistência Máxima a
Tração (MPa) - Média
Deformação máxima (%) -
Média
PE_rec puro 18,4585 ± 0,37 18,9875 ± 6,77
PE_rec + 2,5 % de pó 18,0507 ± 0,11 37,5498 ± 9,01
PE_rec + 5% de pó 18,4933 ± 0,51 16,2948 ± 11,01
A partir dos resultados apresentados na Tabela 6, para observar melhor
o comportamento do compósito para cada variação de concentração de
particulado foram elaborados dois gráficos, indicados pelas Figuras 22 e 23,
respectivamente, referentes à resistência máxima e deformação máxima.
Figura 22 - Gráfico da Resistência máxima a Tração em relação a quantidade de pó adicionada ao compósito.
Ao analisar a Figura 22, pode-se observar que houve uma redução da
resistência máxima para o compósito PE_rec A, ocorreu uma redução de
18,4585
18,0507
18,4933
17,8000
17,9000
18,0000
18,1000
18,2000
18,3000
18,4000
18,5000
18,6000
PE_rec Puro PE_rec + 2,5% de Pó PE_rec + 5% de Pó
Mp
a
Ensaio de Tração - Resistência Máxima
50
aproximadamente 2,3% de Resistência em relação ao PE_rec puro, isso pode
ter ocorrido devido a irregularidade do pó, que pode ter causado concentração
de tenção e, consequentemente, fragilidade. Mas a redução da resistência não
foi muito significativa devido a baixa concentração de carga presente no
compósito.
Já para o PE_rec B, a resistência máxima se manteve praticamente
equivalente a resistência máxima do PE_rec puro, isso ocorreu também devido
a baixa concentração de particulado.
Figura 23 - Gráfico da porcentagem de deformação para cada concentração do compósito.
De acordo com gráfico da Figura 23, a maior deformação ocorreu para
o PE_rec A, isso pode ser explicado pela maior concentração de vazios no
compósito, esperava-se que com a concentração de 5% de pó da casca
apresentaria uma deformação maior, mas o que pode ter ocorrido foi a fratura
em uma região de alta pureza, ou seja, com baixa presença de carga.
Provavelmente a não homogeneidade durante a confecção dos corpos de prova
pode ter contribuído para este resultado divergente.
18,9875
37,5498
16,2948
0,0000
5,0000
10,0000
15,0000
20,0000
25,0000
30,0000
35,0000
40,0000
PE_rec Puro PE_rec + 2,5% de Pó PE_rec + 5% de Pó
%
Ensaio de Tração - Deformação Máxima
51
4.4.3. Ensaio de Impacto Izod com entalhe
Os resultados obtidos nos ensaios de Resistência ao Impacto Izod com
entalhe realizados nos corpos de prova de PE_rec Puro, PE_rec A e PE_rec B
são apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 - Energia de Impacto Izod para os compósitos formulados.
Materiais Energia de Impacto Izod (J/m)
PE_rec Puro 386,04 ± 37,47
PE_rec A 444,30 ± 38,75
PE_rec B 375,97 ± 41,70
Com base nos resultados apresentados na Tabela 9, a variação da
energia de Impacto Izod com a quantidade de pó no compósito de PE_rec é
melhor verificada pelo gráfico da Figura 24.
Figura 24 - Gráfico do Ensaio de Impacto Izod.
De acordo com Araújo (2009), os mecanismos de fratura nos polímeros
são influenciados pelas propriedades físicas e químicas de tais materiais. Os
materiais poliméricos não possuem a mesma regularidade que os metais e
386,04 ±37,47
444,3±38,75
375,97±41,70
340
360
380
400
420
440
460
PE_rec Puro PE_rec + 2,5% de Pó PE_rec + 5% de Pó
J/m
Ensaio de Impacto Izod
52
cerâmicas, porém a presença e o grau de estruturas cristalinas e a interação
entre as cadeias influem nas propriedades mecânicas destes materiais.
Segundo Hage (2004), a resistência ao impacto de um material
polimérico é um parâmetro de altíssima importância sendo que os polímeros, na
maioria das aplicações, estão sujeitos à solicitações de impacto, ou seja,
solicitações extremas em um curto espaço de tempo.
4.6 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS
Amostras do pó da casca da semente da Clitoria fairchildiana utilizadas
nesse trabalho foram observadas por microscopia eletrônica de varredura, para
análise morfológica. Nas Figuras 25 e 26 observam-se as imagens do pó com
ampliação de 50 e 100 vezes, respectivamente.
Figura 25 - Fotomicrografia de MEV do Pó da casca com aumento de 50 vezes
53
Figura 26 - Fotomicrografia de MEV do Pó da casca com aumento de 100 vezes.
Através da análise das Figuras 25 e 26 é possível observar a morfologia
do pó e sua dimensão. Os grãos não possuem uma uniformidade em seus
tamanhos, constatando que o moinho de facas não é capaz de padronizar o
tamanho das partículas.
As Figuras 27 a 32 referem-se às imagens das amostras dos compósitos
com seção transversal obtidas por criofratura e fratura por tração.
Figura 27 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec Puro criofraturada com aumento de 100 vezes.
Observa-se na Figura 27 a superfície fraturada do polímero puro, através
da análise da imagem é possível observar a orientação do polietileno reciclado
(PE_rec puro).
54
Figura 28 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec + 2,5% de Pó criofraturada com aumento de 800 vezes.
Figura 29 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec + 2,5% de Pó por tração com aumento de 200 vezes.
As marcações de círculo branco nas Figuras 28 e 29 indicam a região
de presença da carga que foi adicionado ao compósito. Tanto na primeira
imagem (Figura 28) como na segunda (Figura 29), ambas com 2,5% de carga
adicionada ao compósito, pode-se observar que a matriz e a fase dispersa do pó
possuem vazios na região de interface polímero/carga. Isso pode ser devido a
não adesão do pó com o polímero, o que facilitou o deslocamento das partículas
durante a criofratura.
55
Figura 30 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec + 5% de Pó criofraturada com aumento de 200 vezes.
Figura 31 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec + 5% de Pó criofraturada com aumento de 200 vezes.
As Figuras 30 e 31 com aumento de 200 vezes, mostraram o compósito
com concentração de reforço de 5%. Ambos os corpos de prova foram
criofraturados para melhor observação da superfície do compósito. A Figura 30
mostra a presença de vazios, já na Figura 31 as setas apontam a região de
matriz/carga na qual pode-se observar a falta de adesão do pó com a matriz
polimérica.
56
Figura 32 - Fotomicrografia de MEV da superfície da fratura da amostra de PE_rec + 5% de Pó por tração com aumento de 100 vezes.
Na Figura 32 é possível observar a presença de reforço na região que
está destacada por círculo. Através desta imagem pode-se notar que houve uma
melhor adesão matriz/carga nessa região.
57
5 CONCLUSÕES
O reaproveitamento do polietileno se mostrou eficaz, e características
mecânicas boas foram alcançadas pelos compósitos formulados. Com isso
novos compósitos poderão ser confeccionados na indústria moveleira,
minimizando assim problemas ambientais causados pelos resíduos sintéticos.
As principais conclusões com relação aos resultados das análises
térmicas, mecânicas, reológicas, morfológicas e a absorção de água foram:
As temperaturas de degradação dos materiais eram compatíveis com a
temperatura necessária para o processo de extrusão, de acordo com os
resultados obtidos nas análises térmicas de TG e DSC;
O MFI para o PE_rec A foi maior do que para o compósito PE_rec B, isso
pode ter ocorrido devido a reticulação polimérica, o qual está relacionado
ao processo de ligação cruzada, ou seja, ligações entre moléculas
lineares produzindo polímeros tridimensionais com alta massa molar;
A massa especifica segundo Coutinho, Mello e Maria (2003) para o
Polietileno de alta densidade virgem é entre 0,955 a 0,970 g/cm3, valor
semelhante foi encontrado para os 3 compósitos, o PE_rec Puro, PE_rec
A e PE_rec B, que obtiveram valores de 0,956, 0,962 e 0,968
respectivamente, mostrando que não houve variação significativa entre as
massas específicas.
Através do ensaio de Dureza Shore D foi verificado que a dureza do
compósito aumentou com o aumento de carga como o esperado, ela
variou entre 58 para o PE_rec Puro até 62 para o PE_rec B;
Para a resistência a tração máxima, o PE_rec A obteve valor menor que
o PE_rec Puro. Pode ter ocorrido devido a uma maior concentração de
vazios.
O MEV mostrou que faltou uma maior adesão entre a matriz polimérica e
a carga (pó da casca da semente da Planta Sombreiro), uma solução seria
o uso de um compatibilizante.
Para o ensaio de absorção de água os compósitos com carga não
absorveram umidade, se mostrando eficazes para aplicações que tenham
contato com água.
58
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