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Introduo

Na ltima dcada o interesse no estudo de materiais auto-reforados tem crescido, principalmente pelo seu uso emdiversas aplicaes tais como implantes para fixao de fra-turas sseas[1,2] ou peas automotivas[3]. O termo auto-re-forado utilizado neste texto refere-se a uma amostra quepossua fibras orientadas em uma direo embebidas numamatriz, onde a matriz e a fibra so constitudas do mesmopolmero. Um dos mtodos mais utilizados para se produ-zir amostras auto-reforadas o die-drawing[4], onde aamostra puxada atravs de uma matriz aquecida (emtemperaturas abaixo do ponto de fuso (Tm) e acima da tem-peratura de transio vtrea (Tg)) com dimenses menoresque o original, como mostrado esquematicamente na Fi-gura 1. O auto-reforamento leva, na maioria dos casos, auma melhora das propriedades mecnicas se comparadoao material original[1,4].

A reometria capilar uma tcnica consagrada para aanlise reolgica de materiais polimricos sob altas taxasde cisalhamento[5], sendo muito utilizada para pesquisa edesenvolvimento de polmeros que sofram altas taxas decisalhamento nas etapas de processamento.

Neste trabalho reportado o desenvolvimento de um

Mdulo de Reometria Capilar eAuto-Reforamento de Baixo Custo

Augusto T. Morita, Mrio S. Toma, Marco-Aurelio De PaoliInstituto de Qumica, UNICAMP

Resumo: So reportados os testes realizados com dois mdulos capazes de realizar anlises de reometria capilar e tam-bm induzir a orientao molecular (tambm chamado como auto-reforamento) de polmeros, os quais foram projetadose montados neste laboratrio. Os mdulos so acoplados a uma Mquina Universal de Ensaios, a qual responsvelpela realizao dos ensaios, sendo o baixo custo o principal atrativo dos mdulos. Os resultados obtidos com o mdulo dereometria capilar foram comparados com os obtidos num remetro comercial e apresentaram boa concordncia. O auto-reforamento foi capaz de induzir a orientao molecular e levar a um aumento de aproximadamente 50% nas proprieda-des de flexo, se comparadas s amostras no reforadas.

Palavras-chave: Auto-reforamento, reometria capilar, reologia.

Low Cost Capillary Rheometer and Self-Reinforcement Module

Abstract: The results obtained with a capillary rheometer and die-drawing module, designed and assembled in our laboratory,are presented. The modules were connected to a universal stress-strain equipment, which is responsible for the movementsand the data acquisition. The results obtained with the capillary module, assembled in this work, were comparable tothose obtained with a commercial equipment. The low cost is one of the main advantages of the reported equipment. Thedie-drawing method was also capable of inducing a molecular orientation and enhancing the flexural properties of apolymer material in comparison to the non-reinforced sample.

Keywords: Die-drawing, self-reinforcement, capillary rheometer, rheology.

Autor para correspondncia: Marco-Aurelio De Paoli, Laboratrio de Polmeros Condutores e Reciclagem, Instituto de Qumica, UNICAMP, Caixa Postal6154, CEP:13084-971, Campinas, SP, Brasil. E-mail: [email protected].

mdulo de auto-reforamento, o qual pode ser facilmenteconvertido num mdulo de remetro capilar. Os mdulostm um baixo custo (aproximadamente R$ 1.500,00), de-

Figura 1. Desenho esquemtico mostrando o funcionamento da tcni-ca de auto-reforamento

Morita, A. T. et. al. - Mdulo de reometria capilar e auto-reforamento de baixo custo

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vendo ser acoplados a uma Mquina Universal de Ensaios,a qual responsvel por toda a movimentao e moni-toramento da fora durante o ensaio. Como a Mquina Uni-versal de Ensaios um equipamento freqentementeencontrado em laboratrios de materiais, estes mdulos de-vero encontrar grande aplicabilidade.

Experimental

Os dois mdulos (reometria capilar e auto-reforamento)foram projetados e desenvolvidos nas oficinas do Institutode Qumica de UNICAMP, sendo apresentada a seguir umabreve descrio dos mesmos. Ambos devem ser acopladosnuma Mquina Universal de Ensaios (para este trabalho uti-lizou-se a EMIC DL 2000), a qual responsvel pela reali-zao dos ensaios.

Foi utilizado na construo um tubo de ao inoxidvel semcostura. Na extremidade do tubo foi instalada a matriz de aoinoxidvel. Foram preparadas diversas matrizes, tanto paraas anlises de reometria capilar quanto para os ensaios deauto-reforamento. O sistema aquecido por duas resistnci-as eltricas, sendo uma resistncia tubular micro-escapsulada(RESIST, 220 V, 300 W) para aquecer o tubo de ao e umaresistncia em forma de coleira para aquecer a matriz (RESIST,220 V, 60 W). Cada resistncia controlada por umcontrolador de temperatura micro-processado (Therma TH2031-201-000), fazendo com que o desvio da temperatura sejapequeno (< 0,3 C). O sistema sustentado por placas de ao,as quais so posicionadas e niveladas com roscas sem fim eporcas. A Figura 2 mostra o mdulo de reometria capilar mon-tado na Mquina Universal de Ensaios.

No modo de reometria capilar, um pisto de ao inoxid-vel acoplado clula de carga e a trave da Mquina Uni-versal de Ensaios realiza um movimento descendente. Parautilizar o mdulo de auto-reforamento, basta somente viraro tubo de ao inox de forma que a matriz metlica fique noalto do mdulo. Um mandril foi acoplado a clula de carga,sendo capaz de segurar a ponta da amostra. Com um movi-mento ascendente da trave da Mquina Universal de Ensai-os, o material forado a fluir pela matriz metlica,induzindo assim o auto-reforamento da amostra.

Mdulo de rMdulo de rMdulo de rMdulo de rMdulo de reometria capilareometria capilareometria capilareometria capilareometria capilar

No mdulo de reometria capilar o pisto se move a umavelocidade fixa pr-determinada, correspondendo aplica-o de uma taxa de cisalhamento constante (aparente). A for-a necessria para fazer com que o polmero flua atravsdo capilar monitorada. Aps o fluxo polimrico atingir oestado estacionrio (correspondendo ao momento na qual afora se estabiliza) a tenso de cisalhamento (aparente) cal-culada. Neste momento o ensaio interrompido e a fora retirada para permitir a recuperao do material. Aps algunssegundos o ensaio reiniciado com uma nova velocidade dedescida do pisto, o que corresponde aplicao de uma novataxa de cisalhamento. A tenso de cisalhamento (w), taxa decisalhamento ( ) e a viscosidade () aparente podem sercalculadas a partir das equaes (1a), (1b) e (1c) respectiva-mente[5], onde P a queda de presso ao longo do capilar,Rc e Lc so respectivamente o raio e comprimento do capilare Q a vazo do capilar.

(1a)

(1b)

(1c)

Foram realizados ensaios de reometria capilar compolipropileno (PP) fornecido pela Braskem (grade H-306) etrs matrizes (dimetro do capilar = 1mm, L/R=10, 20 e 30).Todas as anlises foram realizadas a 200 C. As correesde Bagley e Rabinowitch foram aplicadas aos dados obti-dos[5]. Os dados corrigidos foram ento comparados aos obti-dos num remetro capilar Instron 4467 (DEMA-UFSCar),onde somente uma matriz foi utilizada (L/R=65) e somente acorreo de Rabinowitch foi aplicada aos resultados obtidos.Aps a aplicao das correes foi possvel determinar a ten-so de cisalhamento real, a taxa de cisalhamento real e a vis-cosidade real. As anlises foram realizadas em duplicata eos dados apresentados representam a mdia dos ensaios.

Mdulo de autoMdulo de autoMdulo de autoMdulo de autoMdulo de auto----- rrrrreforamentoeforamentoeforamentoeforamentoeforamento

Foram realizados anlises com o mdulo de auto-reforamento com poliestireno (PS) fornecido pela PiramidalFigura 2. Mdulo de Reometria capilar



Termoplsticos, possundo Mn = 33.000, Mw/Mn=4,9 e MFI= 2,3 g (10-1 min).

Para preparao dos tarugos foi utilizada uma extrusoramonorosca Rheomex 252 (dimetro de 19 mm, L/D = 25 etaxa de compresso 3:1) acoplada ao remetro de torqueRheocord 90 (fabricado pela Haake), com um perfil de roscacnico. A matriz da extrusora exibe um perfil circular, comdimetro de 6 mm. O perfil de temperatura utilizado foi 180,190, 195 e 200 C (a ltima temperatura corresponde tempe-ratura da matriz). O polmero fundido foi resfriado com jatosde ar comprimido e puxado com uma velocidade fixa atravsde um puxador automtico montado neste laboratrio.

Como a Tg do PS de aproximadamente 105 oC, foramrealizados ensaios de auto-reforamento nas temperaturas de115 e 120 C. Foram utilizadas duas velocidades deestiramento, 30 e 120 mm min-1. A matriz de auto-reforamento tem 4,0 mm de dimetro e 1,0 mm de compri-mento. As pontas dos tarugos foram previamente preparadascom uma lixa presa a uma micro-retfica para poderem serinseridas na matriz. Os ensaios foram iniciados pelo menos15 minutos aps o mdulo de auto-reforamento atingir a tem-peratura programada. Antes do incio do ensaio de auto-reforamento, esperou-se cerca de 5 minutos para que o tarugopudesse atingir o equilbrio trmico com o mdulo.

As propriedades mecnicas das amostras foram analisadasna prpria Mquina Universal de Ensaio EMIC, mas no modode flexo 3-pontas, onde a distncia entre os apoios foi de 30mm e a velocidade de anlise foi de 5 mm min-1. Pelo fatodas amostras possurem uma seo circular, a resistncia e omdulo foram calculados atravs das equaes (2a) e (2b)respectivamente, Fmax o mximo da fora na curva fora xdeslocamento vertical, L a distncia entre os suportes, d o dimetro da amostra e F/x a inclinao da seo elsti-ca da curva fora x deslocamento[6].

(2a)

(2b)

Resultados e Discusso

Mdulo de rMdulo de rMdulo de rMdulo de rMdulo de reometria capilareometria capilareometria capilareometria capilareometria capilar

A Figura 3 mostra os resultados obtidos para o PP com oremetro capilar montado neste trabalho e os resultados obti-dos no remetro Instron, podendo-se observar a boa concor-dncia dos resultados obtidos nos dois remetros. A pequenadiferena pode ser decorrente de uma pequena folga entre opisto e as paredes do reservatrio ou pelo fato das anlisesrealizadas no remetro capilar da Instron no terem sofrido acorreo de Bagley.

Mdulo de autoMdulo de autoMdulo de autoMdulo de autoMdulo de auto----- rrrrreforamentoeforamentoeforamentoeforamentoeforamento

A Figura 4 mostra a variao tpica da fora necessria para

puxar o tarugo de PS pela matriz metlica aquecida em fun-o do deslocamento durante a etapa de auto-reforamento dopoliestireno. Pode-se observar que ocorre um aumento na for-a, seguida por um plat, o que corresponde ao momento noqual o fluxo pela matriz entra num regime estacionrio.

O dimetro do extrudado era de 6 mm, enquanto que a matrizpossua um dimetro de 4 mm. interessante notar que, nascondies estudadas, as amostras auto-reforadas possuam umdimetro final de aproximadamente 2,7 mm, mostrando queas amostras passaram por um estiramento aps deixar as pare-des da matriz (tambm conhecido como estiramento livre),como mostrada esquematicamente na Figura 1.

Aps a etapa de auto-reforamento, as amostras auto-refor-adas foram fraturadas a temperatura ambiente e observadasno microscpio eletrnico de varredura. A Figura 5 mostra aseo longitudinal tpica das amostras auto-reforadas. Pode-se notar a presena de fibras internas embebidas na matriz,as quais foram produzidas durante a etapa de auto-reforamento. A morfologia tpica das fraturas das amostrasno reforadas foi de uma superfcie lisa, sem a presena de

Figura 3. Resultados obtidos para o PP nos ensaios de reometria capilar ecomparao com o remetro Instron

Figura 4. Fora x deslocamento durante a etapa de auto-reforamento deuma amostra de PS medida pela Mquina Universal de Ensaios, utilizan-do o mdulo de auto-reforamento.


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fibras. Isso mostra que a etapa de auto-reforamento foi efe-tiva para produzir a fibrilao interna do material.

Foram realizados ensaios de flexo (3 pontas) antes e apso auto-reforamento. interessante notar que a amostra noreforada apresenta um comportamento frgil, tpico paraamostras de PS quando ensaiados a temperatura ambiente,enquanto a amostra auto-reforada passa a apresentar umcomportamento dctil, como pode ser visto na Figura 6.

Pode ser visto na Tabela 1 que a amostra auto-reforada

exibe um aumento de aproximadamente 50 % do mdulo deelasticidade e na resistncia a flexo em relao amostranoreforada. O aumento da velocidade de puxamento con-duz a um aumento nas propriedades mecnicas de flexo,provavelmente induzidas pelo maior alinhamento das cadei-as. O aumento da temperatura leva a uma pequena queda naspropriedades, provavelmente pelo fato da maior temperaturapermitir uma maior mobilidade das cadeias polimricas e auma maior recuperao do material.

Concluses

Este trabalho mostra o desenvolvimento de um mdulo quepode ser acoplado a Mquina Universal de Ensaios para a rea-lizao de ensaios de reometria capilar e de auto-reforamentode polmeros, tendo como principal atrativo seu baixo custo.

Os resultados das anlises de reometria capilar obtidoscom o remetro montado neste trabalho exibiram boa con-cordncia com os obtidos em um remetro capilar comercial.

O mdulo de auto-reforamento, montado neste trabalho,foi capaz de induzir a orientao molecular interna dopolmero, o que levou a uma melhora nas propriedades me-cnicas do material (aproximadamente 50% de aumento nomdulo e na resistncia a flexo). interessante notar que asamostras auto-reforadas de PS, que antes do reforamentoexibiam um comportamento frgil na fratura, passaram aexibir um comportamento dctil, podendo ser dobradas natemperatura ambiente sem romperem.

Agradecimentos

Os autores agradecem a FAPESP (99/12332-9, 02/09758-9)e a Bionnovation pelo apoio financeiro, a Piramidaltermoplsticos e a Braskem pela doao dos polmeros, aProfa. Rosrio Bretas (DEMA-UFSCar), o aluno CarlosScurachio (DEMA-UFSCar) pela realizao das anlises dereometria capilar e a Profa. Maria Isabel Felisberti (IQ-UNICAMP) pelas correes e informaes que enriquecerama discusso e a preparao deste artigo.

Referncias Bibliogrficas

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Figura 5. Micrografia obtida por MEV mostrando a morfologia tpica ob-servada em uma seo de uma amostra de PS (a) no reforado e (b) auto-reforado.

Figura 6. Curvas Tenso x Deformao especfica de uma amostra no-refor-ada e auto-reforada obtidas durante o ensaio de flexo (modo trs pontas).

Tabela 1. Mdulo de flexo (E) e Resistncia (R) das amostras de PS auto-reforadas e no-reforadas em funo da temperatura e da velocidadeutilizadas na etapa de auto-reforamento

arutarepmeT)C(

edadicoleVnim.mm( 1- )

E)aPG(

R)aPM(

adaroferoN 2,08,2 7,06,401

511 03 2,06,3 9,55,841

511 021 1,03,4 7,24,951

021 021 2,01,4 4,53,741



2. Ward, I. M. - Macromolecular Symposia, 195, p.293 (2003)

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Enviado: 05/10/04Reenviado: 29/12/04Aprovado: 06/01/05

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