Degradação termomecânica do polietileno de baixa densidade

O objetivo deste atrigo é demonstrar a influência da degradação mecânica no reprocessamento da resina e também da degradação térmica por meio de alterações de temperaturas de cada zona de aquecimento, tendo como importante fator o cisalhamento gerado pela rosca plastificadora com taxas de compressão de 3:1, na degradação termomecânica do material, onde o esforço mecânico é aplicado simultaneamente ao aquecimento.

A degradação de polímeros por esforço mecânico, ou por aplicação de uma tensão mecânica, é uma questão com sentido bastante amplo, pois compreende desde fenômenos de fratura, o processamento, até as modificações químicas induzidas pela tensão mecânica ou por cisalhamento.

Entre todos os elementos da máquina injetora, a rosca cumpre um importante papel pelo fato de transportar, plastificar, comprimir e homogeneizar o polímero. Devido ao movimento e consequente cisalhamento sobre o material, faz com que a rosca possa produzir cerca de 80% da energia térmica e mecânica necessária para transformação dos polímeros. Outra parte da energia térmica é obtida das resistências elétricas, devido ao fato de os polímeros terem baixa condutividade térmica e alta viscosidade no estado plástico. É necessário que a plastificação do polímero se dê por trabalho mecânico, pois, para fundir ou amolecer pelo sistema de aquecimento, via resistências elétricas ou outro mecanismo de condução de calor, seriam necessários tempos de residência muito longos para a tarefa. Portanto, a rosca que realiza múltiplas funções deve apresentar características e durabilidade de tal maneira que sua geometria promova máxima eficiência. Na zona de alimentação, o material proveniente do funil normalmente está em temperatura baixa e na forma de grãos ou pó. Nesse estado, possui baixa densidade aparente e, por isso, o material deve ser comprimido ao longo da rosca para compensar tal efeito, bem como para manter os níveis de cisalhamento adequados. Dependendo do processo envolvido e do polímero que está sendo processado, a rosca plastificadora deve possuir uma taxa de compressão específica.

A hipótese levantada, nessas questões, é que o atrito causado no reprocessamento nas máquinas injetoras, quando a rosca não é específica, causa um aumento do cisalhamento da cadeia molecular dos polímeros a ela submetida, tendo como resultado final um produto de baixa qualidade mecânica.

PROCESSO DE INJEÇÃO

A injeção de polímeros é um processo muito utilizado para a produção de peças técnicas ou simples, sendo que o polímero é submetido a pressões e temperaturas elevadas para que possa ser moldado, recebendo a forma do produto desejado. Para a realização do processo, sequencias básicas são necessárias.

Dosagem: Nessa operação parâmetros como curso (carga), velocidade e contrapressão são requisitos importantes a serem determinados, bem como outros recursos disponíveis quando oferecidos para uma adequação melhor ao processamento.

Injeção: Na fase de preenchimento, parâmetros de pressão, velocidade e tempos são importantes para o perfeito controle dimensional, visual e de resistência mecânica do produto.

Resfriamento e Extração: Fase determinante para o ciclo de moldagem, bem como qualidade do produto moldado. Requer conhecimentos técnicos para extração no tempo e temperatura adequados, evitando defeitos como as marcas de extração, empenamentos e contrações elevadas.

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Figura 01 – Processo de injeção. tronicarts 3D-animation

Porém, as dificuldades do processo de injeção são consequências de uma série de defeitos e deficiências na produção de peças que exigem a aplicação desta técnica. As causas desses problemas estão relacionadas com os principais parâmetros para o funcionamento das máquinas injetoras e com a falta de literatura para auxiliar os operadores quando ocorrem estes tipos de problemas, uma vez que alguns defeitos são causados pela falta de conhecimento relacionado ao cisalhamento, resultando na degradação e perdas de resistência na aplicação do produto, principalmente se este for reforçado com fibra de vidro. Tendo em vista essa informação, o processo de transformação de materiais poliméricos passa a ter maior facilidade na confecção de peças técnicas e mais complexas, aumentando a produtividade.

ESTUDO DE CASO

Abordaremos a degradação termomecânica do Polietileno de Baixa Densidade EI-1630, com o qual foram preparadas seis amostras para verificação das alterações de propriedades. Serão apresentados os resultados práticos do desenvolvimento deste trabalho por meio das variações de processamento de injeção em corpos de prova e de ensaio realizados.

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CONDIÇÕES DE PROCESSAMENTO

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ENSAIOS REALIZADOS

Os ensaios realizados neste estudo são: Resistência à Tração, DSC (Calorimetria Diferencial de Varredura) e Tempo de Indução Oxidativa (OIT), por métodos normalizados.

ENSAIOS DE TRAÇÃO

O ensaio de Resistência à Tração (ASTM D 638-10) foi realizado em corpos de prova injetados, do tipo IV. A velocidade de ensaio utilizada foi de 50 mm/min. Trata-se de ensaio para verificação das propriedades mecânicas dos materiais poliméricos. Foi realizado em máquina universal de ensaio, modelo EMIC DL 3000. Os resultados serão apresentados a seguir em forma de tabela (Tabela 1) e em gráficos (Gráfico 1 e Gráfico 2).

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TABELA 1 – Ensaio de Tração

Neste ensaio de resistência à tração, podemos observar as variações das propriedades mecânicas em relação às variáveis de processamento que acabam ocasionando a degradação termomecânica do polímero analisado, devido à temperatura e ao cisalhamento.

ENSAIO DE CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VAREDURA

O ensaio de Calorimetria Diferencial de Varredura, também conhecido como análise térmica de DSC, (ASTM D 3418-08), é utilizado para determinação das temperaturas de transição e entalpias de fusão dos polímeros. O equipamento utilizado foi um DSC Seiko Modelo Exstar 6000.

Este ensaio foi realizadas somente em duas amostras, selecionadas para a verificação da possível variação das propriedades térmicas do polímero em condições diferentes de processamento. As amostras analisadas estão descritas abaixo, assim como os parâmetros de ensaio:

Amostra 1 – PEBD virgem, em condições normais de processamento

A amostra foi retirada do corpo de prova injetado, sendo posteriormente preparada para a realização do ensaio utilizando 8,5 mg do material. O ensaio foi iniciado na temperatura de 23ºC com uma taxa de aquecimento de 10ºC/min até atingir a temperatura de 180ºC em atmosfera inerte de nitrogênio (N2). Ao final do ensaio, obteve-se uma temperatura de fusão cristalina (Tm) de 103,8ºC e uma entalpia de fusão de 23,7429 mJ/mg.

Amostra 6 – PEBD, 3º reprocessamento

A amostra foi retirada do corpo de prova injetado, sendo posteriormente preparada para a realização do ensaio utilizando 8,5 mg do material. Os parâmetros utilizados foram os mesmos descritos acima. Ao final do ensaio, obteve-se uma temperatura de fusão cristalina de 103,8ºC e uma entalpia de fusão de 23,0251 mJ/mg.

RESULTADOS

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CONCLUSÕES

Neste ensaio de DSC, observou-se uma pequena variação da entalpia de fusão, o que caracteriza uma variação no grau de cristalinidade do polímero.

ENSAIO DE TEMPO DE INDUÇÃO OXIDATIVA

O ensaio de Tempo de Indução Oxidativa – OIT (ASTM D 3895-07) é um método para determinação do tempo de indução oxidativa de materiais poliméricos por DSC. O equipamento utilizado neste ensaio é o mesmo do apresentado nas figuras acima. É aplicado a resinas poliolefínicas que estão em uma forma totalmente estabilizada.

Neste estudo, as amostras analisadas não foram estabilizadas previamente com aditivos antioxidantes, a fim de determinar as características de degradação do polímero.

Este ensaio também foi realizado somente em duas amostras, escolhidas para a verificação da possível variação das propriedades térmicas do polímero em condições diferentes de processamento. As amostras analisadas estão descritas abaixo, assim como os parâmetros de ensaio:

Amostra 1 – PEBD virgem, em condições normais de processamento

A amostra foi retirada do corpo de prova injetado, sendo posteriormente preparada para a realização do ensaio utilizando 8,3 mg do material em cápsula de alumínio aberta. O ensaio iniciou-se na temperatura de 23ºC com uma taxa de aquecimento de 20ºC/min até atingir a temperatura de 200ºC em atmosfera inerte de nitrogênio (N2). Posteriormente, a atmosfera foi substituída por oxigênio (atmosfera oxidativa), com vazão de 50 cm³/min conforme descrito na norma. E a amostra manteve-se nesta temperatura de 200ºC por um período de isoterma de 60 minutos em equipamento DSC Seiko 6200. Ao final do ensaio, obteve-se um tempo indução oxidativa igual a 4,2 minutos.

Amostra 6 – PEBD, 3º reprocessamento

A amostra foi retirada do corpo de prova injetado, sendo posteriormente preparada para a realização do ensaio utilizando 8,7 mg do material em cápsula de alumínio aberta. Sendo que os parâmetros utilizados foram os mesmos descritos acima. Ao final do ensaio obteve-se um tempo indução oxidativa igual a 2,5 minutos.

RESULTADOS

Neste ensaio de OIT, observou-se uma redução do tempo de indução oxidativa para a amostra 6, sendo que esta foi reprocessada 3 vezes, partindo do material virgem e utilizando-se do cisalhamento no processo de injeção. Apesar de a Amostra 1 apresentar também um tempo pequeno de indução oxidativa, este tempo foi maior, pois o material foi processado em condições normais de transformação e o material analisado não estava estabilizado com aditivos antioxidantes.

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Sandro Taveira

CONCLUSÕES

Portanto, podemos concluir que havendo qualquer alteração nas propriedades reológicas de processamento, seja ela térmica ou mecânica, ocorrem degradações na estrutura química do polímero e essas degradações puderam ser evidenciadas por meio dos ensaios realizados.

O AUTOR

Sandro Taveira é técnico em plásticos pelo Senai Mario Amato, tecnólogo em produção com ênfase em plásticos pela Fatec-ZL, e pós-graduado em Engenharia de Polímeros pelas Faculdades Oswaldo Cruz. Atua há 23 anos no setor de transformação de resinas, dos quais 19 anos como instrutor de treinamento na Escola LF, especializada na formação de profissionais para a indústria de transformação plástica pelos processos de injeção, sopro e extrusão.

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