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BRUNA ELISA DA SILVA MENDONÇA

DETERMINAÇÃO DO TEOR DE COMONÔMERO EM POLIETILENO L INEAR DE

BAIXA DENSIDADE VIA FRACIONAMENTO ANALÍTICO POR CRI STALIZAÇÃO

CANOAS, 2013

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Trabalho de conclusão apresentado ao Curso de Química do Centro Universitário La Salle – Unilasalle, como exigência parcial para obtenção do grau de Bacharel em Química

Orientação: Prof.ª Dra. Tatiana Calvete

CANOAS, 2013

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Trabalho de conclusão apresentado ao Curso de Química do Centro Universitário La Salle – Unilasalle, como exigência parcial para obtenção do grau de Bacharel em Química

Aprovado pelo avaliador em 08 de julho de 2013

AVALIADOR:

___________________________________

Profª Dra. Tatiana Calvete

Unilasalle

4

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, por ter dado-me a vida.

Aos meus pais, pelo zelo, incentivo, dedicação, carinho, e pela forma amiga

como me guiaram pelos caminhos da vida. Sem vocês eu não seria eu. Amo-os

eternamente!

Ao meu irmão e demais familiares pelo entendimento de minha ausência em

diversos momentos ao longo dos últimos anos.

Ao meu esposo Felipe, meu maior amor, amigo, incentivador incansável, por

compartilhar as minhas angústias e dividir comigo essa vitória. Nada disso seria

possível sem tua presença.

Aos meus amigos pelo apoio e carinho.

Aos meus colegas da química e grandes amizades que construí nesta

jornada, principalmente a Valéria, Márcio, Aline, Danielli, Fabí Magnabosco,

Fabiana, Deivid, Thaís. Os levarei sempre em meu coração.

A empresa Braskem S.A, pela confiança ao longo destes oito anos, por ceder

o espaço aonde desenvolvi este trabalho em prol do meu desenvolvimento

profissional e acadêmico. Muito obrigada!

A todos meus colegas da Braskem, em especial ao Marco, Francisco, Ana

Moreira, Márcio, PC, Gersão, Daiane, Maila e Cheuza que foram exemplos de

paciência e amizade comigo durante todo o curso.

A minha orientadora, Tatiana Calvete, pela compreensão, conhecimento,

empenho, carinho, apoio e amizade construída ao longo deste semestre.

E a todos que de certa forma contribuíram para o meu crescimento o meu

muito obrigada!

5

“O ignorante afirma, o sábio duvida, o sensato reflete.”

(Aristóteles)

6

RESUMO

A demanda de análises para investigação da distribuição de composição química em

polímeros é crescente. Em decorrência disso, entender as relações sobre o efeito do

teor de comonômero em polietilenos de baixa densidade linear através

fracionamento analítico por cristalização (CRYSTAF) é um estudo essencial. Neste

trabalho, algumas amostras com variados teores dos comonômeros 1-buteno e 1-

hexeno foram avaliadas através dos parâmetros significativos que afetam o perfil de

CRYSTAF e, ao final, uma curva de calibração para determinação da relação entre o

teor de comonômero e a temperatura de cristalização foi construída.

Palavras-chave: polietileno de baixa densidade linear. Comonômero. Distribuição de

composição química. Fracionamento analítico por cristalização (CRYSTAF).

7

ABSTRACT

Growth analyzes to investigate the chemical composition distribution of polymer is

increased. As a result, understanding the relationship of the effect of comonomer

content for linear low density polyethylenes using analytical fractionating by

crystallization (CRYSTAF) is an essential study. In this work, samples with varying

levels of the comonomers 1-butene and 1-hexene were evaluated by the significant

parameters affecting the profile of the end CRYSTAF and a calibration curve for

determining the relationship between comonomer content and crystallization

temperature was built.

Keywords: polyethylene linear low density. Comonomer. Chemical composition distribution. Analytical fractionation by crystallization (CRYSTAF)

8

LISTA DE SIGLAS

∆Tc Variação da temperatura de cristalização

a-TREF Fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura

BBB Tríade 1-buteno

BBE Tríade 1-buteno, 1-buteno, eteno

BEB Tríade 1-buteno, eteno, 1-buteno

BEE Tríade 1-buteno, eteno, eteno

BHT Butil-hidroxi-tolueno

C2D2Cl4 Tetracloroetano deuterado

C4 1-buteno

C6 1-hexeno

C8 1-octeno

CCD Distribuição de composição química

CRYSTAF Fracionamento analítico por cristalização

EBB Tríade eteno, 1-buteno, 1-buteno

EBE Tríade eteno, 1-buteno, 1-buteno

EEB Tríade eteno, eteno, 1-buteno

EEE Tríade eteno

FR Fração

FTIR Espectroscopia de Absorção Vibracional na Região do

Infravermelho com Transformada de Fourier

IR Radiação infravermelha

LCB Long chain branching

Mw Peso molecular

NOE Overhauser nuclear

ODCB Orto-diclorobenzeno

PA Para análise

PE Polietileno

PEAD Polietileno de alta densidade

PEBD Polietileno de baixa densidade

PEBDL Polietileno de baixa densidade linear

PP Polipropileno

9

p-TREF Fracionamento preparativo por eluição de gradiente de

temperatura

RMN Espectroscopia de ressonância magnética nuclear

RMN13C Espectroscopia de ressonância magnética nuclear de carbono

13

SCB Cadeia de curta ramificação (short-chain branching)

SEC Cromatografia de exclusão por tamanho

SSF Fracionamento por sucessivas soluções

TCB 1,2,4-triclorobenzeno

10

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 11

1.1 Métodos para determinação do teor de comonômero em PEBDL .............. 16

1.2 Técnicas de fracionamento de polímeros ........ ............................................. 18

1.2.1 Fracionamento preparativo por eluição de gradiente de temperatura (p-

TREF).........................................................................................................................19

1.2.2 Fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura (a-

TREF).........................................................................................................................21

1.2.3 Fracionamento analítico por cristalização (CRYSTAF).....................................23

1.2.4 Aplicações do CRYSTAF..................................................................................34

2 OBJETIVO ........................................................................................................... 35

2.1 Objetivo geral ................................ .................................................................. 35

2.2 Objetivo específico ........................... .............................................................. 35

3 JUSTIFICATIVA ................................................................................................... 36

4 METODOLOGIA .................................................................................................. 37

4.1 Amostras ...................................... .................................................................... 37

4.2 Análise via fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura

(p-TREF) ................................................................................................................. 37

4.3 Análise de fracionamento analítico por cristali zação (CRYSTAF) .............. 38

4.4 Análise de ressonância magnética nuclear (RMN) ....................................... 39

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 40

6 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 64

7 OPORTUNIDADES FUTURAS ............................................................................ 65

REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 66

11

1 INTRODUÇÃO

Os polímeros estão muito presentes no dia a dia do ser humano, seja na

composição de objetos corriqueiros, como utensílios domésticos, lonas, filmes para

embalagens de alimentos ou em aplicações mais técnicas, como implantes

hospitalares, revestimento de cabos de sustentação, membranas de

impermeabilização do solo, bolsas de soro e componente automotivos (COUTINHO;

MELLO; MARIA, 2003).

O polietileno (PE) é uma classe de polímero semicristalino, mas flexível, cujas

propriedades são diretamente afetadas pela quantidade de fase amorfa (cadeias

desordenadas) ou cristalina (cadeias ordenadas). O PE é resultado da reação de

polimerização do etileno, sob condições de pressão e temperatura ideais, sendo sua

estrutura básica representada por –(CH2-CH2)‒n, onde n é o número de repetições

da unidade molecular (COUTINHO; MELLO; MARIA, 2003).

Os polietilenos são divididos em vários tipos: polietileno de alta densidade

(PEAD), polietileno de baixa densidade (PEBD), polietileno de baixa densidade

linear (PEBDL), polietileno de média densidade (PEMD) e polietileno de ultra alto

peso molecular (PEUAPM), (COUTINHO; MELLO; MARIA, 2003). A Figura 1

representa essas estruturas.

12

Figura 1 Representação esquemática de alguns tipos de polietilenos

Fonte: Silva, 2008.

O PEBDL possui estrutura intermediária entre PEBD e PEAD, apresentando

ramificações de comprimento constante, mas com teores variados. Essas

ramificações são de cadeia curta, tanto no PEBDL como no PEBD, porém, de

origem bem distintas. No PEBD as ramificações são oriundas do processo de

polimerização via radical livre ou por reações de transferência de hidrogênio,

enquanto que, no PEBDL, as ramificações são introduzidas na cadeia por meio de

copolimerização de uma α-olefina, utilizando catalisadores de metais de transição

(COUTINHO; MELLO; MARIA, 2003).

No PEBDL as reações são catalisadas por metais de transição a baixas

pressões e temperaturas, e a propagação ocorre pela inserção do monômero na

ligação entre o metal de transição e o átomo de carbono. A distribuição de

ramificações é controlada pelas condições de processo e, também, muito

significativamente, pelo tipo de catalisador utilizado (QUENTAL; HANAMOTO;

FELISBERTI, 2005).

Os catalisadores utilizados na produção de PEBDL são do tipo Ziegler-Natta ou

metaloceno (QUENTAL; HANAMOTO; FELISBERTI, 2005). Os primeiros

apresentam sítios ativos com diferentes reatividades (multissítios) originando

produtos com ampla distribuição de massa molecular, teor e distribuição de

comonômero ao longo da cadeia polimérica. Na Figura 2 é apresentada uma

representação esquemática da atuação do catalisador Ziegler-Natta no PEBDL. As

pesquisas com catalisadores Ziegler-Natta têm objetivado, principalmente, a redução

13

destes multissítios e a mistura desse catalisador com outros (QUENTAL;

HANAMOTO; FELISBERTI, 2005).

Figura 2 - Atuação do catalisador Ziegler-Natta no PEBDL

Fonte: Silva, 2008.

Os catalisadores metalocênicos, por sua vez, apresentam um único sítio de

coordenação bem definido por metais de transição do tipo titânio, zircônio e háfnio,

e, por consequência, originam um polímero com estreita distribuição de massa

molar, alto teor de comonômero incorporado e distribuição homogênea ao longo da

cadeia polimérica. Dessa forma, estatisticamente, não há diferenças inter e

intramoleculares entre as cadeias, o que pode ser verificado na Figura 3 (QUENTAL;


14

Figura 3 - Representação esquemática da atuação do catalisador metalocênico no

PEBDL

Fonte: Silva, 2008.

Segundo Quental (2005), o desenvolvimento dos catalisadores metalocênicos

é considerado a mais importante tecnologia desde a descoberta dos sistemas

Ziegler-Natta. Os metalocenos oferecem algumas vantagens significativas de

processo: são mais econômicos e mais eficientes, ou seja, são mais ativos e mais

específicos, produzindo, assim, polímeros com características especiais. A

superioridade dos metalocenos está associada a sua capacidade de atuação no

controle da microestrutura do polímero obtido, em especial, com relação à

distribuição de peso molecular, ao tamanho das ramificações, e à incorporação de

comonômero (Figura 4). Quando são empregados catalisadores metalocênicos

pode-se observar a incorporação alta e uniforme de comonômero, o que melhora as

propriedades ópticas do produto final.

15

Figura 4 - Comparação entre a distribuição de peso molecular de polietileno

produzido por catalisadores metalocênicos e Ziegler-Natta

Fonte: Quental, 2005.

O PEBDL é um copolímero de etileno com uma α-olefina (como, por exemplo,

propeno, 1-buteno, 1-hexeno, ou 1-octeno). A microestrutura desse polímero

depende diretamente do tipo e da distribuição do comonômero utilizado, do teor de

ramificações e do peso molecular. Esses parâmetros contribuem para modificações

das propriedades físicas e mecânicas do polímero, uma vez que influenciam a

cristalinidade e morfologia semicristalina. As propriedades dos filmes de PEBDL são

atribuídas a sua linearidade e cristalinidade, o que, por sua vez, depende do tipo de

catalisador utilizado (COUTINHO; MELLO; MARIA, 2003).Desse modo, além da

caracterização do catalisador determinar o teor de comonômeros em PEBDL, a

escolha do tipo e sua utilização, são de suma importância quando se deseja

produzir um material que apresente boas características de brilho, flexibilidade,

soldabilidade e barreira ao oxigênio.

16

1.1 Métodos para determinação do teor de comonômero em PEBDL

Os métodos utilizados para determinar o teor de comonômero em PEBDL

estão muito bem estabelecidos na literatura, destacando-se a espectroscopia de

ressonância magnética nuclear de carbono 13 (RMN13C) e a espectroscopia

vibracional de infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) (QUENTAL;


A RMN13C é um método absoluto, que não requer calibração, e permite que se

determine a concentração de comonômero em porcentagem molar e/ou

porcentagem mássica, além do número de ramificações por 1000 carbonos

(CH3/1000 C) (QUENTAL; HANAMOTO; FELISBERTI, 2005).

A alta sensibilidade que a técnica de RMN 13C apresenta para determinar

sequências unitárias de repetição no polímero confere uma alta capacidade de

determinação de estruturas, permitindo, além da identificação do comonômero, a

quantificação do mesmo em amostras poliméricas através da aplicação da Teoria de

Randall (RANDALL, 1989), que descreve como se determinar a concentração de

comonômero em percentual molar e em percentual mássico, além do número de

ramificações por 1000 átomos de carbonos (CH3/1000C).

Além do tipo e da concentração do comonômero presente na cadeia, a técnica

de RMN permite que se analise a distribuição das sequências na cadeia polimérica.

Essa é uma informação relevante, uma vez que, por exemplo, num copolímero a

distribuição dos comonômeros na polimerização pode gerar diferentes distribuições

de sequências. Nos equipamentos mais comumente utilizados, pode-se obter

facilmente a resolução de tríades. Assim, para um determinado tipo de carbono,

como, por exemplo, o metino, existem seis possíveis tríades, resultando em seis

tipos de ressonâncias diferentes no espectro de RMN 13C. Na Figura 5 é

apresentada uma representação esquemática das tríades de ressonância.

17

Figura 5 - Representação esquemática das tríades de ressonância

Fonte: Santana, 2009.

Como nessa técnica não é realizada a calibração, dois parâmetros devem ser

muito bem definidos: o tempo de relaxação spin-rede (T1) e o efeito overhauser

nuclear (NOE). Esse último é definido como a mudança na área do sinal proveniente

de um núcleo causada pela saturação do sinal de um segundo núcleo. Essa

alteração resulta da transferência de polarização entre núcleos acoplados

dipolarmente via mecanismos de relaxação spin-rede (QUENTAL; HANAMOTO;

FELISBERTI, 2005).

O efeito NOE em polietilenos é constante para todos os carbonos do polímero.

O tempo de espera (delay) entre cada pulso da análise de RMN 13C deve ser de, no

mínimo, cinco vezes o tempo T1 para que ocorra a relaxação de 99% dos carbonos.

Em uma ramificação, o grupo metila possui maior T1, o qual aumenta

proporcionalmente com o tamanho da ramificação, alcançando valores da ordem de

8 a 10 segundos. Portanto, para uma análise quantitativa das ramificações de um

polímero, um tempo de espera de, no mínimo, 50 segundos seria necessário,

tornando a análise muito demorada e deixando de ser conveniente. Do mesmo

modo, o longo tempo de análise, associado à alta temperatura, pode acarretar a

degradação do polímero. Cabe salientar que o custo das análises espectroscópicas

18

de ressonância magnética nuclear é alto, quando comparado com a espectroscopia

vibracional de infravermelho. Essa última tem sido amplamente utilizada para

análises de comonômeros, como consequência direta da sua simplicidade, rapidez e

baixo custo (QUENTAL; HANAMOTO; FELISBERTI, 2005).

Pela técnica FTIR, atribui-se a banda de absorbância em torno de 1377 cm-1

como referência para a determinação de comonômeros. A frequência de absorção

dos grupamentos metila é, em alguns casos, dependente da cristalinidade e do tipo

de comonômero do polímero base (QUENTAL; HANAMOTO; FELISBERTI, 2005).

Pela análise do espectro de FTIR é possível determinar o teor de comonômero

aliando-se dois métodos. O mais utilizado depende de um padrão bem definido

obtido através da análise de RMN 13C. Esse método fornece o teor de comonômero,

o número de CH3 por mil átomos de carbono e relaciona a intensidade da banda em

1377 cm-1 com o teor de comonômero. Para utilizá-lo, além da necessidade de se

utilizar um padrão bem definido, é preciso normalizar o espectro de infravermelho,

utilizando-se uma segunda banda como referência, a partir de uma mesma linha de

base. O segundo método adota o grupo –CH2‒ como padrão interno, e sua resposta

depende da densidade do material (QUENTAL; HANAMOTO; FELISBERTI, 2005).

1.2 Técnicas de fracionamento de polímeros

A caracterização microestrutural dos polímeros é capaz de traduzir informações

essenciais para o bom entendimento do mecanismo de polimerização e, além disso,

permite a correlação com uma série de características moleculares e mecânicas

importantes de serem conhecidas quando se trabalha com pesquisa em polímeros

(SILVA, 2008).

A distribuição de composição química (CCD), que descreve a distribuição e a

fração de comonômero nos polímeros, é, certamente, a mais importante distribuição

microestrutural de copolímeros, e tem influência significativa nas propriedades dos

produtos (SOARES et al., 2003).

As técnicas de fracionamento de polímeros separam o polímero em diferentes

frações, baseando-se na diferença de cristalinidade dos segmentos da cadeia

polimérica, devido à composição química variável (LORDÊLO, 2010). As mais

consolidadas são aquelas em que a separação ocorre por fracionamento em

solvente, gradiente de temperatura e cristalização. No fracionamento em solvente, o

19

principio de separação é governado pelo grau de solubilidade de cada espécie

individual do polímero. Essa separação é feita em etapas, utilizando perfis

controlados de temperatura que permitem o fracionamento do polímero de acordo

com as diferenças de solubilidade entre as espécies, as quais estão relacionadas

diretamente com o efeito da massa molar e/ou distribuição dos comonômeros sobre

a cristalinidade do polímero (SOARES et al., 2003).

As técnicas de fracionamento de polímeros mais amplamente utilizadas são:

fracionamento preparativo por eluição de gradiente de temperatura (p-TREF),

fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura (a-TREF) e

fracionamento analítico por cristalização (CRYSTAF) (MONRABAL, 2006).

1.2.1 Fracionamento preparativo por eluição de gradiente de temperatura (p-TREF)

A técnica fracionamento preparativo por eluição de gradiente de temperatura

(p-TREF) é muito eficiente para estudar a heterogeneidade da composição do

polímero. Esse fracionamento tem como base a diferença de solubilidade entre duas

moléculas, o que depende diretamente da distribuição de composição química

(CCD), da maneira como o comonômero foi incorporado a cadeia, e do comprimento

das sequências cristalizáveis. Esse é o procedimento de fracionamento baseado na

relação entre a cristalização e a temperatura, e pode ser dividido em duas etapas:

cristalização e eluição (LORDÊLO, 2010). Nessa técnica, a amostra é previamente

cristalizada e, em seguida, as frações são obtidas através da programação de um

perfil de temperatura de aquecimento em etapas para obtenção dos cortes

pretendidos (MONRABAL, 2006). Em cada etapa de temperatura uma parte do

polímero cristalizado será dissolvida e o restante permanecerá precipitado. A parte

dissolvida será filtrada, recolhida e corresponderá a cada fração de corte de

temperatura. Um percentual de recuperação entre 85 e 105% é considerado um

valor aceitável ao final desse tipo de fracionamento polimérico (MONRABAL, 2006).

Em resumo, de acordo com Silva (2008) a análise de p-TREF poder ser

dividida em três etapas:

a) etapa 1 - cristalização: o polímero presente na solução diluída é

submetido a um lento abaixamento de temperatura fazendo com que

as frações mais cristalinas cristalizem antes das menos cristalinas.

20

b) etapa 2 - eluição: usando um solvente adequado, (em geral xileno, TCB

ou ODCB) elui-se as frações já cristalizadas sob temperaturas

crescentes.

c) etapa 3 - precipitação e recuperação: as frações são precipitadas

adicionando-se uma solução de metanol e acetona, filtradas e secas

em estufa, originando o gráfico apresentado na Figura 6 .

Na Figura 6 é apresentada a representação esquemática do mecanismo de

separação da técnica de p-TREF envolvendo as etapas de cristalização e eluição.

Figura 6 - Mecanismo de separação do p-TREF: cristalização e eluição

Fonte: Silva, 2008.

Na figura 7 é apresentado um gráfico de colunas que fornece a distribuição de

recuperação das frações de um PEBDL com o comonômero 1-hexeno. O eixo

vertical representa o percentual mássico recuperado e o eixo horizontal a

temperatura em que cada fração foi eluída.

21

Figura 7 - Distribuição de recuperação das frações

Fonte: Silva, 2008.

O p-TREF é o método mais empregado na composição de fracionamento, uma

vez que o processo é mais previsível, com base na análise de a-TREF ou CRYSTAF

preliminar da amostra a ser fracionada (MONRABAL, 2006).

1.2.2 Fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura (a-TREF)

Através do Fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura (a-

TREF), primeiramente, a amostra de polímero é dissolvida em um solvente

adequado à alta temperatura e introduzida em uma coluna contendo um substrato

inerte, como sílica ou tiras de aço. A temperatura é, então, reduzida em etapas

lentas numa taxa de resfriamento constante. Essa etapa força as cadeias

poliméricas a cristalizarem ordenadamente, das mais as menos cristalinas, dos

baixos aos altos teores de comonômeros. A etapa de cristalização é a mais

importante na a-TREF, pois a maior parte do fracionamento do polímero ocorre

durante esse período (MONRABAL, 2006).

Na etapa de eluição, um solvente puro, em geral o 1,2,4-triclorobenzeno, passa

através da coluna enquanto ocorre o aquecimento. À medida que a temperatura de

22

dissolução do polímero é alcançada, as camadas externas voltam para o vaso de

solvente na ordem inversa a que foram precipitadas e, então, são analisadas.

Em relação aos resultados, um caso interessante na análise de blendas de

polipropileno (PP) homopolímero, feito com catalisador metalocênico, em uma

mistura com pequena quantidade de PEBDL, é que a técnica a-TREF não é capaz

de promover a separação dos dois materiais, enquanto que através da análise

CRYSTAF isso é possível.

Essa diferença de separação para algumas amostra pode ser melhor

evidenciada através da Figura 8 que retrata o perfil de cristalização via a-TREF para

a blenda de um polipropileno homopolímero, produzido com catalisador

metalocênico, combinado com um polietileno de baixa densidade linear. Na figura 9

é representado o perfil de cristalização da mesma amostra, obtido através de

CRYSTAF. Os resultados demonstram que nem sempre a substituição da técnica

CRYSTAF pela a-TREF pode ser feita de maneira adequada (MONRABAL;

HIERRO, 2010).

Figura 8 - Análise a-TREF de blenda de PP homopolímero + PEBDL

Fonte: Monrabal; Hierro, 2010.

23

Figura 9 - Análise CRYSTAF de blenda de PP homopolímero + PEBDL

Fonte: Monrabal; Hierro, 2010.

O a-TREF pode ser combinado com outras técnicas de fracionamento, tais

como a cromatografia de exclusão por tamanho (SEC) ou o fracionamento por

sucessivas soluções (SSF). Essas combinações de fracionamentos são capazes de

trazer informações valiosas sobre a microestrutura da cadeia polimérica

(MONRABAL, 2006) como peso molecular e distribuição de peso molecular.

1.2.3 Fracionamento analítico por cristalização (CRYSTAF)

Através do fracionamento analítico por cristalização (CRYSTAF) é possível

fracionar as cadeias poliméricas de acordo com a sua cristalinidade em soluções

diluídas. Durante a cristalização, a concentração de polímero em solução é medida

em função da temperatura de cristalização, gerando um perfil de concentração

acumulativo. A derivada desse perfil é proporcional à fração de polímero cristalizado

em cada intervalo de temperatura e representa a distribuição de cadeias cristalinas

na amostra (MONRABAL, 2006).

A medida de concentração da solução por CRYSTAF é realizada através de

um detector de infravermelho (IR) capaz de efetuar a medida no comprimento de

onda das ligações C-H presentes na amostra em solução (MONRABAL, 2006).

24

O perfil de cristalização gerado no CRYSTAF associado a uma curva de

calibração apropriada pode ser usado para estimar a distribuição de composição

química (CCD), também chamada de distribuição de ramificação de cadeia curta ou

short-chain branch distribution (SCB). A CCD de um copolímero descreve a

distribuição de fração de comonômero em cada cadeia, refletindo a heterogeneidade

do polímero, conforme exemplo apresentado nas figuras 10 e 11 (Anantawaraskul;

SOARES; WOOD-ADAMS, 2005). A figura 10 apresenta um típico gráfico da análise

de CRYSTAF que relaciona temperatura de cristalização no eixo horizontal com a

derivada da massa por derivada da temperatura no eixo vertical.

Figura 10 ‒ Perfil acumulativo e de distribuição de ramificação de cadeia curta de

uma resina de polietileno linear de baixa densidade

Fonte: Silva, 2008.

Na figura 11 é demonstrado o perfil de distribuição de composição química de

um PEBDL via CRYSTAF, evidenciando a característica de cada fração eluída.

Quanto menos ramificações na cadeia, maior é a sua regularidade, e maior será a

temperatura de cristalização. Por sua vez, as cadeias mais ramificadas, que são

mais modificadas, apresentam uma irregularidade muito grande, o que diminui,

consideravelmente, a sua temperatura de cristalização.

25

Figura 11 ‒ Distribuição de composição química de um típico polietileno linear de

baixa densidade produzido com catalisador Ziegler-Natta refletindo a composição

heterogênea desse copolímero

Fonte: Silva, 2008.

A versão comercial do equipamento CRYSTAF possui cinco vasos de

cristalização localizados dentro de um forno de aquecimento com temperatura

programável, podendo ser usados simultaneamente na análise de até cinco

amostras diferentes. Esses vasos são feitos de aço inoxidável e possuem sistemas

de agitação independentes. São conectados a uma linha de nitrogênio, uma linha de

descarte, e uma linha de amostragem conectada ao detector IR, que é usado para

medir a concentração da solução em função da temperatura de cristalização.

26

Figura 12 ‒ Diagrama esquemático da parte interna do equipamento de

Fracionamento analítico por cristalização

Fonte: Silva, 2008

O polímero inserido num dos vasos do equipamento é dissolvido em um

solvente adequado até sua completa dissolução. Para as análises de poliolefinas,

em geral, os solventes mais utilizados são o 1,2,4-triclorobenzeno ou orto-

diclorobenzeno. Soluções diluídas, na faixa de 0,1 a 0,5 mg.mL-1, são as mais

recomendadas, visando minimizar os efeitos das interações cadeia-cadeia e

cocristalização. Porém, soluções muito diluídas (com concentrações inferiores a 0,1

mg.mL-1) podem gerar resultados com baixa resolução, ou seja, com uma relação

sinal ruído muito baixa, prejudicando as determinações quantitativas

(Anantawaraskul; SOARES; WOOD-ADAMS, 2005).

De acordo com Anantawaraskul (2005) o CRYSTAF foi desenvolvido como

uma técnica alternativa ao a-TREF, e, embora ambas as técnicas sejam baseadas

em mecanismos similares de fracionamento e expressem resultados comparáveis, a

operação do a-TREF tende a ser mais demorada, porque envolve duas etapas de

fracionamento, a cristalização e a eluição.

O CRYSTAF também pode ser comparado com a técnica de calorimetria

diferencial exploratória (DSC). Essa comparação merece atenção, porque se deve

levar em conta o fato das medições de entalpia de cristalização do polímero fundido

serem efeitos diretos do emaranhamento das cadeias, da cristalização secundária, e

da cocristalização, diferentemente do que acontece nas técnicas em solução

(CRYSTAF e a-TREF) (MONRABAL, 2006). Além da limitação relativa ao fato da

27

entalpia de fusão, medida por DSC, ser uma função da cristalinidade e do histórico

térmico da resina, dificultando a extração de informações quantitativas (MONRABAL,

2006).

Alguns efeitos na microestrutura, tais: peso molecular, teor de comonômero,

tipo de comonômero, taxa de resfriamento e cristalização, que serão abordados

individualmente ao longo deste trabalho, têm grande potencial de impacto na

cristalização das cadeias, podendo influenciar o processo de fracionamento pelo

CRYSTAF (SOARES et al., 2003).

1.2.3.1 Efeito do peso molecular (Mw)

O peso molecular do polímero pode afetar a cristalização de duas maneiras: i)

dificultar o movimento de cadeia de uma molécula de alto peso, pois o raio

hidrodinâmico e coeficiente de fricção aumentam; ii) afetar o processo de

cristalização, uma vez que está relacionado diretamente com o comprimento da

sequência de monômeros na cadeia (SOARES et al., 2003).

Perfis de CRYSTAF de resinas de PEBDL são reportados na Figura 13. A

temperatura de cristalização se torna independente do comprimento da cadeia para

amostras com alto peso molecular. É possível verificar que o perfil de CRYSTAF se

torna mais estreito à medida que todas as cadeias cristalizam, aproximadamente, na

mesma temperatura. Em contrapartida, para amostras de baixo peso molecular, o

perfil de CRYSTAF é alargado, já que a temperatura de cristalização das cadeias

menores da amostra é afetada pelo seu comprimento (Anantawaraskul; SOARES;

WOOD-ADAMS, 2005).

28

Figura 13 ‒ Efeito do peso molecular no perfil de CRYSTAF

Fonte: Anantawaraskul; Soares; Wood-Adams, 2005.

Essas considerações têm duas significativas implicações. Em primeiro lugar,

os perfis CRYSTAF são influenciados pela distribuição de peso molecular, quando

amostras com baixo peso molecular são consideradas. Conforme apresentado na

Figura 13, a temperatura do pico de CRYSTAF não é afetada significativamente pelo

aumento do peso molecular, exceto quando amostras com médias de peso

molecular muito baixo forem analisadas (Anantawaraskul; SOARES; WOOD-

ADAMS, 2005). Segundo Soares et al., (2003) esse é um resultado positivo, uma

vez que somente as temperaturas do ápice do pico do CRYSTAF são utilizadas para

traçar as curvas de calibração do teor de comonômero. Em segundo lugar, se a

amostra contiver cadeias com pesos moleculares muito baixos, seu perfil CRYSTAF

pode ser significativamente alargado. Se esse fator for negligenciado durante a

interpretação dos dados e atribuído a uma maior fração de comonômero, o teor

estimado será muito mais alto do que o teor real. Esse, não é, necessariamente,

considerado um defeito da técnica, uma vez que erros experimentais de ±1°C

costumam ser considerados. Essas características permitem a construção de curvas

de calibração que relacionam o teor de comonômero com a posição do sinal, já que

são independentes do peso molecular para a maioria dos polímeros comerciais.

29

1.2.3.2 Efeito do teor de comonômero

A fração de comonômero na cadeia do copolímero é o fator que mais afeta a

cristalização da cadeia e, consequentemente, a temperatura de cristalização. Isso

acontece, porque o comonômero atua como um defeito na cadeia, interrompendo a

sua regularidade e diminuindo intensamente a cristalização (ANANTAWARASKUL;

SOARES; WOOD-ADAMS, 2005).

Anantawaraskul (2005) investigou o efeito do teor de comonômero no perfil de

CRYSTAF usando uma amostra de copolímero eteno/1-hexeno com diferentes

teores de comonômero e pesos moleculares médios muito semelhantes, de forma a

minimizar qualquer interferência do efeito do peso molecular no experimento.

Conforme era esperado, a temperatura associada ao pico com maior amplitude no

CRYSTAF foi fortemente afetada pelo teor de comonômero na cadeia. Além disso, o

perfil CRYSTAF se tornou mais largo com o aumento do teor de comonômero na

cadeia.

À medida que o teor de comonômero aumenta na cadeia polimérica, a

temperatura de cristalização do copolímero diminui (Figura 14). Essa relação pode

ser explicada pelo fato da composição da cadeia alterar os parâmetros de interação

termodinâmicos do copolímero. Os resultados também reforçam outro efeito

significativo do comonômero comentado anteriormente: o alargamento do pico

CRYSTAF à medida que aumenta o teor de comonômero.

30

Figura 14 ‒ Efeito do teor de comonômero no perfil de CRYSTAF

Fonte: Anantawaraskul; Soares; Wood-Adams, 2005

1.2.3.3 Efeito do tipo de comonômero

O efeito do tipo de comonômero pode ser estudado usando copolímeros de

propeno e eteno com diferentes variedades de comonômeros (como, por exemplo,

1-octeno, 1-deceno, 1-tetradeceno, e 1-octadeceno). É possível evidenciar que, para

esse conjunto de amostras, não somente o perfil de cristalização do CRYSTAF, mas

também, as temperaturas de fusão e de cristalização, determinadas através do DSC

são independentes do tipo de comonômero, e, em contraponto, dependem

diretamente do teor de comonômero presente na amostra (ANANTAWARASKUL;

SOARES; WOOD-ADAMS, 2005).

Outros estudos que compararam amostras de copolímeros de eteno/1-buteno e

eteno/1-octeno demonstraram diferença significativa na temperatura de cristalização

CRYSTAF para um mesmo teor de comonômero (Anantawaraskul; SOARES;

WOOD-ADAMS, 2005).

Anantawaraskul (2005), através de intensa investigação, definiu que a

temperatura de cristalização do CRYSTAF é independente do comonômero para

amostras maiores que 1-octeno (1-deceno, 1-tetradeceno, e 1-octadeceno), mas

depende do tipo de comonômero para amostras menores (1-buteno, 1-hexeno e 1-

31

octeno). Esse efeito pode ser explicado porque copolímeros com comonômeros

menores do que o 1-octeno podem ser parcialmente incorporados à formação de

cristalitos (quanto menor o comonômero, maior é o grau de inclusão nos cristais) e

isso irá, consequentemente, diminuir a temperatura de cristalização para uma menor

faixa.

1.2.3.4 Efeito da cocristalização

Em uma blenda feita de polímeros com diferentes temperaturas de

cristalização, o efeito de cocristalização é mínimo, e não apresenta efeito

significativo no perfil de CRYSTAF. No entanto, a cocristalização pode ser

significativa quando os componentes da blenda apresentam grau de cristalização

semelhante. Nesse caso, a cocristalização tem efeito tão crítico que pode haver

distorção no perfil CRYSTAF promovendo uma interpretação enganosa

(ANANTAWARASKUL; SOARES; WOOD-ADAMS, 2005).

Dois fatores regem a cocristalização no CRYSTAF: a taxa de resfriamento e a

similaridade de grau de cristalização. Taxas de resfriamento elevadas induzem a

cocristalização e distorcem o perfil de CRYSTAF, mesmo para taxas tipicamente

aplicadas, como de 0,1°C. Por sua vez, a similaridade de grau de cristalização pode

ser monitorada através da diferença de temperatura entre os picos apresentados no

CRYSTAF para os componentes da blenda (∆Tc). Similaridades de grau de

cristalização são indicadas por um ∆Tc pequeno que induz significativamente a

cocristalização durante a análise (ANANTAWARASKUL; SOARES; WOOD-ADAMS,

2005).

32

Figura 15 ‒ Similaridade de grau de cristalização induzindo a cocristalização na

análise CRYSTAF

Fonte: Anantawaraskul; Soares; Wood-Adams, 2005

De acordo com Anantawaraskul (2005), na Figura 15 pode-se observar como

variações no ∆Tc mudam significativamente o comportamento de cocristalização de

um polímero. Nesse exemplo, ∆Tc baixo, de 4,9°C, induz fortemente a

cocristalizaçao durante a análise.

1.2.3.5 Efeito da taxa de resfriamento

Preferencialmente, é recomendado o uso do CRYSTAF quando o

fracionamento das cadeias, de acordo com a temperatura de cristalização, está

termodinamicamente em equilíbrio, buscando eliminar qualquer efeito da cinética de

cristalização. Na prática, essa condição não é atendida, porque, para isso, seria

necessário trabalhar com longos tempos de análise tornando a análise inviável

(ANANTAWARASKUL; SOARES; WOOD-ADAMS, 2005).

A Figura 16 demonstra o efeito da taxa de resfriamento durante a análise de

uma blenda trimodal de copolímero etileno/1-hexeno. Fica evidente que o uso de

33

taxas mais baixas, em torno de 0,05°C.min-1 e 0,02°C.min-1, acarreta maior

resolução para a análise, sendo possível identificar os três picos máximos de

cristalização, que não são percebidos quando se utiliza taxas mais altas como

0,5°C.min-1 (ANANTAWARASKUL; SOARES; WOOD-ADAMS, 2005).

Figura 16 ‒ Efeito da taxa de resfriamento na cocristalização durante a análise de

CRYSTAF

Fonte: Anantawaraskul; Soares; Wood-Adams, 2005.

A taxa de resfriamento, mesmo baixa, tem efeito crítico no pico CRYSTAF. A

taxa tipicamente usada, de 0,1°C.min-1, está, de fato, bem longe do equilíbrio

termodinâmico. No entanto, esse efeito pode ser desconsiderado quando se deseja

comparar resinas com diferentes CCDs ou medir o teor de comonômero em

copolímeros onde se usa uma taxa fixa de 0,1°C.min-1 (Anantawaraskul; SOARES;

WOOD-ADAMS, 2005).

34

1.2.4 Aplicações do CRYSTAF

Uma das maiores aplicações da análise CRYSTAF é a avaliação da CCD de

copolímeros semicristalinos, especificamente os PEBDL. A CCD química do

copolímero pode ser obtida a partir do perfil CRYSTAF e de uma curva de

calibração, que relacione o teor de comonômero e a temperatura de cristalização.

Para análises de rotina, uma curva de calibração também pode fornecer uma rápida

estimativa do teor de comonômero a partir do pico do CRYSTAF. Evidentemente,

devido aos efeitos cinéticos e de cocristalização, descritos anteriormente, em geral

somente uma aproximação da real CCD é possível através da técnica CRYSTAF ou

a-TREF.

35

2 OBJETIVO

2.1 Objetivo geral

Construir uma curva de calibração para os comonômeros mais amplamente

utilizados na empresa Braskem S.A., de tal forma que seja possível aliar as

informações da CCD e do perfil de cristalização do polímero com a incorporação de

comonômero ao longo da cadeia polimérica.

2.2 Objetivos específicos

1. Confirmar a relação de linearidade existente entre a temperatura de

cristalização em solução e o teor de comonômero em amostras de PEBDL

através da análise de CRYSTAF.

2 Fracionar as amostras de PEBDL para construção de uma curva de

determinação do teor de comonômeros através de CRYSTAF.

36

3 JUSTIFICATIVA

Em geral, determina-se comonômeros em polímeros através da análise de

FTIR, porque, essa técnica apresenta rapidez e baixo custo. No entanto, ela acaba

sendo, limitada quando se deseja aliar as informações de teor de comonômero com

o perfil de cristalização da amostra (CCD).

Como alternativa, tem-se a espectroscopia de RMN 13C, a mais completa e

precisa de todas as técnicas. Ela é capaz de determinar, além do teor de

comonômero, o tipo de comonômero e a forma de inserção do mesmo na cadeia

polimérica, e é absoluta, isentando a necessidade de curva de calibração ou da

utilização de padrões. A espectroscopia de RMN, entretanto, é uma técnica de custo

considerável, elevado tempo de análise e interpretação de resultados, se tornando

inviável para uso na rotina de um laboratório industrial.

A análise de CRYSTAF, por sua vez, é capaz de fornecer um perfil de

cristalização do polímero diretamente dependente do teor de comonômero presente

em sua cadeia, quando se deseja avaliar, de forma profunda e estruturada, a CCD

de um polímero. A técnica não é tradicionalmente empregada na indústria

polimérica, porque sua aplicação se restringe às poliolefinas, mas, quando se deseja

investigar os materiais existentes no mercado, seus sistemas catalíticos e/ou

desenvolver novas alternativas diferenciadas, a análise CRYSTAF se torna

indispensável.

Observando as vantagens da análise de CRYSTAF frente às demais formas de

determinações de comonômero (minimização dos efeitos diretos do emaranhamento

das cadeias, cristalização secundária e cocristalização, eliminação da influência

exercida pelo histórico térmico da resina e união das informações de cristalização da

cadeia com teor de comonômero) aliadas à estratégia de desenvolvimento de

mercado de PEBDL da Braskem, elegeu-se como indispensável explorar os

resultados de determinação de teor de comonômero que a técnica de CRYSTAF

pode oferecer.

37

4 METODOLOGIA

Neste capítulo serão descritas as amostras empregadas e apresentados os

reagentes e técnicas analíticas utilizados.

4.1 Amostras

De acordo com Anantawaraskul (2005), a construção da curva de calibração do

teor de comonômero pode ser realizada de duas formas distintas: a partir da

obtenção das amostras por síntese polimérica em reatores de bancada, ou por

fracionamento de uma amostra por p-TREF gerando diversas frações com diferentes

teores de comonômero, sendo esta última, a escolhida para o desenvolvimento

deste trabalho.

Para composição das curvas de calibração de comonômero foram

selecionadas duas amostras de PEBDL, fornecidas pela empresa Braskem S.A.,

contendo comonômeros de 1-buteno (C4) e 1-hexeno (C6). Devido ao sigilo

industrial, as amostras tiveram sua nomenclatura alterada, sendo aqui denominadas

PEC04 e PEC06, onde PE se refere à PEBDL, e, a letra C e a numeração fazem

referência ao tipo de comonômero de cada resina. A amostra na sua forma original,

antes de ser fracionada, foi denominada pré-fracionada. Após o fracionamento, as

amostras foram referenciadas com a sigla FR, que significa fração.

4.2 Análise por fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura (p-TREF)

O fracionamento analítico por eluição de gradiente de temperatura (p-TREF) foi

realizado em um equipamento modelo PREP mc2 do fabricante Polymer Char.

Cerca de 2 gramas de amostra, na forma de filme polimérico, foram inseridos no

vaso de aço inox, juntamente com 100 mL de xileno PA contendo 0,1% de

antioxidante BHT.

Duas amostras foram fracionadas através das etapas de dissolução,

estabilização e cristalização, conforme a seguinte programação definida no

CRYSTAF para a amostra pré-fracionada:

38

a) a solução foi aquecida a 130 ºC por 60 minutos, e depois resfriada até

30 ºC a uma taxa de 0,1 ºC.min-1. Na etapa de eluição, a solução foi

aquecida até a temperatura em que se desejava precipitar a fração

(temperatura de corte). Foram aguardados 40 minutos até a

estabilização e, com adição de mais 50 mL de xileno, foi realizada a

eluição da fração para o frasco coletor. Em seguida, foram adicionados

mais 100 mL de xileno e a solução foi novamente aquecida para dar

seguimento à programação de fracionamento. Esse procedimento se

repetiu até que todas as frações desejadas fossem obtidas.

b) ao final da coleta as amostras oriundas do p-TREF foram precipitadas

com uma solução de metanol/acetona 2:1, filtradas a vácuo com

membrana de teflon, e secas em estufa à 90 ºC.

O tempo total de fracionamento no p-TREF foi de cinco dias por amostra, e,

ao todo, foram coletadas dezenove frações.

4.3 Análise por fracionamento analítico por cristal ização (CRYSTAF)

Para dar continuidade ao estudo, as frações obtidas pela técnica de p-TREF

foram analisadas por CRYSTAF. A análise foi realizada em um equipamento modelo

CRYSTAF 200+ do fabricante Polymer Char. Foi monitorada a concentração do

polímero em solução, que decresce em função da temperatura, usando um detector

de infravermelho em linha, gerando um gráfico normalizado de concentração de

polímero versus temperatura.

Para análise, foram pesados, aproximadamente, 25 mg de amostra, na forma

de filme polimérico, que foram inseridos no vaso de análise, juntamente com 30 mL

de 1,2,4-triclorobenzeno. Essa mistura foi aquecida à 160 ºC, e mantida nessa

temperatura por uma hora para estabilização. Após esse período, a temperatura foi

reduzida à 100 ºC e mantida por mais uma hora estabilizando. A seguir, o

resfriamento foi realizado sob uma taxa de 0,2 ºC.min-1 até atingir 30 ºC. Durante o

resfriamento da solução alíquotas da amostra foram eluídas, filtradas e analisadas

pelo detector de infravermelho, de forma que o resultado final foi uma média de 36

leituras.

A análise teve uma duração, aproximada, de 12 horas, numa taxa de

resfriamento de 0,2 ºC.min-1.

39

4.4 Análise espectroscópica de ressonância magnétic a nuclear (RMN)

Os espectros de carbono (RMN 13C) das frações foram adquiridos no

espectrômetro Varian WB de 400 MHz utilizando uma sonda de 5 mm de detecção

direta. Os experimentos foram a 120 °C, num tempo de aquisição de 1,2 segundos,

período entre pulsos de 10 segundos e ângulo de pulso de 74°. A amostra foi

preparada com 50 mg do polímero dissolvida em 0,8 mL de ODCB e 0,2 mL de

tetracloroetano-d2.

A obtenção do teor de comonômero incorporada à cadeia do PEBDL foi

realizada utilizando os cálculos estabelecidos através da Teoria de Randall (Randall,

1989).

40

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

O perfil de programação de cada fracionamento no p-TREF foi construído

baseado no perfil CRYSTAF da respectiva amostra pré-fracionada conforme

apresentado na Figura 17. Na figura observa-se um perfil de cristalização bastante

diferenciado entre as duas amostras, o que indica que a amostra PEC04, por ter

temperatura de cristalização menor, apresenta maior número de cadeias ramificadas

em relação à amostra PEC06. A amostra PEC06 possui um máximo de cristalização

próximo a 77 ºC e é mais cristalina quando comparada à amostra PEC04.

Figura 17 ‒ Análise de CRYSTAF das amostras pré-fracionamento

Fonte: Autoria própria, 2013

Os resultados de recuperação em massa de cada amostra estão ilustrados nas

Tabelas 1 e 2 e Figuras 18 e 19 e apresentam incerteza de ±0,0002g.

41

Tabela 1 ‒ Resultados provenientes da análise p-TREF da amostra PEC04

Fração Temperatura (ºC) Massa resíduo (g) % Mássico % Mássico

Normalizado

1 45 0,1697 7,08 8,1

2 55 0,0794 3,31 3,8

3 60 0,1396 5,82 6,7

4 65 0,0523 2,18 2,5

5 70 0,1913 7,98 9,1

6 75 0,0950 3,96 4,5

7 80 0,3182 13,27 15,2

8 85 0,3922 16,35 18,8

9 90 0,6534 27,25 31,2

Massa total (g) 2,0911 87,19 100,0


Na figura 18, é possível verificar que, até a temperatura de 75 °C, o percentual

mássico de amostra permaneceu abaixo de 10%, sofrendo acréscimo somente nas

frações acima de 85,°C, confirmando o CRYSTAF da respectiva amostra pré-

fracionada.

42

Figura 18 ‒ Gráfico de p-TREF da amostra PEC04


Tabela 2 ‒ Resultados determinado na análise p-TREF para a amostra PEC06


Normalizado

1 30 0,0254 1,21 1,2

2 45 0,0382 1,82 1,7

3 50 0,0438 2,09 2,0

4 55 0,1842 8,77 8,4

5 60 0,2452 11,67 11,2

6 65 0,8049 38,32 36,7

7 70 0,4052 19,29 18,5

8 80 0,2829 13,47 12,9

43

Tabela 3 ‒ Resultados determinado na análise p-TREF para a amostra PEC06


Normalizado

9 85 0,1258 5,99 5,7

10 90 0,0385 1,83 1,8

Massa total (g) 2,1941 104,45 100


No gráfico mostrado na figura 19, é possível verificar que o máximo percentual

mássico encontra-se na temperatura de 65 °C (36% massa) e todas as outras

frações apresentam percentual mássico inferior a 20%, o que confirma o CRYSTAF

da respectiva amostra pré-fracionada.

Figura 19 ‒ Gráfico de p-TREF da amostra PEC06


44

O total de recuperação das amostras na análise de p-TREF foi de 87,19% e

104,45%, para as amostras PEC04 e PEC06, respectivamente. Esses foram

considerados de acordo com a referência literária, que estabelece uma faixa entre

85% e 105% (MONRABAL, 2006).

Apesar de originar uma massa limitada de amostra o fracionamento realizado

no p-TREF foi considerado consistente, uma vez que as frações oriundas da análise

apresentaram uma boa separação na análise de CRYSTAF, sendo uma única fração

desprezada na montagem das curvas de calibração.

Em virtude de determinadas frações obtidas por p-TREF apresentarem massa

insuficiente para análise de CRYSTAF e RMN somente as mais consistentes foram

submetidas às análises.

Através da análise de RMN, cujo espectro é mostrado na figura 20, foi possível

verificar uma redução significativa nos sinais referentes às seguintes tríades EBE

(39 ppm), EBB (37 ppm), EBEB + BEBE (34 ppm), BEEE + EEEB (32 ppm), EBEB

(24 ppm), EBE (12 ppm) e EBB + BBE (11,5 ppm) ao longo da sequência de análise

de FR1 a FR9. De acordo com a Tabela 3, a partir da FR5, somente as sequências

de EEE, BEE + EEB e EBE foram encontradas, e houve predominância da presença

das frações com 1-buteno em menor proporção. Seguindo o mesmo raciocínio os

resultados de SCB/1000C também apresentaram um decréscimo no sentido da FR1

a FR9.

45

Figura 20 ‒ Espectros de RMN da amostra PEC04


46

Tabela 4 - Resultados de RMN 13C da amostra PEC04

Sequência Fração 1 Fração 3 Fração 5 Fração 7 Fraçã o 9

EEE 70,56 80,56 86,56 90,50 95,32

BEE+EEB 17,58 12,38 8,94 6,33 3,12

BEB 1,53 0,49 0,00 0,00 0,00

BBB 0,24 0,14 0,03 0,00 0,01

EBB+BBE 1,30 0,23 0,00 0,00 0,00

EBE 8,79 6,19 4,47 3,17 1,56

Teor

Comonômero

E(% mol) 89,68 93,43 95,50 96,83 98,43

B(% mol) 10,32 6,57 4,50 3,17 1,57

E(% w/w) 81,28 87,67 91,38 93,86 96,91

B(% w/w) 18,72 12,33 8,62 6,14 3,09

SCB/1000C 79,9 57,4 41,8 30,7 15,3


O CRYSTAF das frações foi executado seguindo a mesma programação de

temperatura descrita no item 4.3 da Metodologia. A análise das frações da amostra

PEC04 demonstra que com o aumento da temperatura, há uma redução no teor de

comonômero incorporado na cadeia.

47

Figura 21 ‒ Análise de CRYSTAF das frações da PEC04


Segundo a figura 22, para os resultados da análise de RMN 13C da amostra

PEC06 observou-se uma redução nos sinais referentes às seguintes tríades EHE

(38, 34, 23 e 14 ppm), EBB (37 ppm), EHH + HHE (35 ppm), e HEE + EEH (27 ppm).

De acordo com a Tabela 5, ao longo sequência de análise da FR4 a FR8 houve

predominância das frações com 1-hexeno em menor proporção sendo que as

sequências HEH, HHH e EHH + HHE não foram evidenciadas ou estiveram

presentes com concentração baixíssima em algumas frações.

Seguindo o mesmo raciocínio, os resultados de SCB/1000C também

apresentaram um decréscimo no sentido da FR4 a FR8.

48

Figura 22 - Espectros de RMN da amostra PEC06


49

Tabela 5 - Resultados de RMN13C da amostra PEC06

Sequência Fração 4 Fração 5 Fração 6 Fração 7 Fraçã o 8

EEE 80,63 83,28 85,48 88,21 90,39

HEE+EEH 12,23 10,54 9,64 7,36 6,34

HEH 0,00 0,35 0,00 0,00 0,00

HHH 0,00 0,00 0,07 0,00 0,11

EHH+HHE 1,03 0,55 0,00 0,75 0,00

EHE 6,11 5,27 4,82 3,68 3,17

Teor

Comonômero

E(% mol) 92,86 94,17 95,12 95,57 96,72

H(% mol) 7,14 5,83 4,88 4,43 3,28

E(% w/w) 81,25 84,35 86,65 87,79 90,78

H(% w/w) 18,75 15,65 13,35 12,21 9,22

SCB/1000C 28,1 25,40 21,2 18,0 15,3


Avaliando a figura 23, o CRYSTAF das frações da amostra PEC06, assim

como na amostra PEC04, demonstra que, com o aumento da temperatura há uma

redução no teor de comonômero incorporado a cadeia.

50

Figura 23 ‒ Análise de CRYSTAF das frações da PEC06


De posse dos resultados de fracionamento no CRYSTAF e do teor de

comonômero por RMN 13C, deu-se início a construção das curvas de calibração para

1-buteno e 1-hexeno. Partiu-se do ponto máximo de cristalização de cada amostra

utilizando a respectiva temperatura para criar uma relação de temperatura versus

concentração de comonômero, esta relação pode ser verificada na Tabela 6.

51

Tabela 6 ‒ Dados para construção da curva de calibração de 1-buteno

Amostra Temperatura (ºC) Concentração 1-buteno %mol FR1 42 10,32

FR3 48 6,57

FR5 57 4,50

FR7 68 3,17

FR9 78 1,57


A curva de calibração para 1-buteno foi construída, obtendo-se uma relação

linear e com coeficiente de correlação (R2) igual a 0,913. O valor de R2 = 0,913

indica uma forte correlação entre as variáveis: temperatura e concentração de

comonômero.

Figura 24 ‒ Curva de calibração PEC04


O mesmo procedimento foi realizado para as amostra de 1-hexeno, sendo que

a amostra correspondente a FR9 do CRYSTAF foi desprezada, uma vez que seu

resultado comprometeu a correta leitura do ápice do sinal, que ficou sobreposto ao

52

da amostra FR8. Obteve-se uma relação linear com coeficiente de correlação (R2)

igual a 0,981. O valor de 0,981 indica uma forte correlação entre as variáveis:

temperatura e concentração de comonômero.

Tabela 7 ‒ Dados para construção da curva de calibração de 1-hexeno

Amostra Temperatura (ºC) Concentração 1-hexeno %mol FR4 44 7,14

FR5 48 5,83

FR7 57 4,43

FR8 63 3,28


Figura 25 ‒ Curva de calibração PEC06


Visando uma melhoria na curva de calibração seria importante acrescentar

alguns pontos à curva através da análise de outras frações de 1-buteno e 1-hexeno.

Os resultados de RMN13C e CRYSTAF indicaram que o teor de comonômero

afeta a cristalização do polímero porque fragiliza a cadeia interrompendo a sua

regularidade e diminuindo a cristalização, comprovando o que havia sido descrito na

literatura (ANANTAWARASKUL; SOARES; WOOD-ADAMS, 2005).

53

Outro fato que foi observado foi a existência da relação linear e inversa que

existe entre a temperatura de cristalização e o teor de comonômero alterada pela

interação termodinâmica do polímero. Ou seja, à medida que o teor que

comonômero aumenta, a temperatura de cristalização diminui e se observa um

alargamento do pico de CRYSTAF. Essa relação é independente do tipo de

comonômero que se está analisando

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6 CONCLUSÃO

Alguns processos industriais de polimerização aliados ao uso de novos

sistemas catalíticos causam fortes impactos ao PEBDL comercial, das suas

características físicas como brilho, flexibilidade, soldabilidade às características

estruturais como propriedade de barreira a oxigênio. Por esse motivo, constituem-se

como ferramentas significativas o uso de técnicas analíticas capazes de determinar

a CCD polimérica.

O uso de técnicas como CRYSTAF, p-TREF, RMN e FTIR auxilia na

compreensão e controle das características, positivas e negativas, que se deseja

fornecer ao produto final. Um maior conhecimento a respeito dessas características

conduz a uma melhor estruturação no desenvolvimento de novos polímeros.

Através deste estudo foi possível avaliar a incorporação de comonômeros ao

longo da cadeia de PEBDL utilizando uma técnica que avalia o polímero em solução,

sendo assim capaz de minimizar, consideravelmente, os efeitos diretos do

emaranhamento das cadeias, cristalização secundária e cocristalização, além de

eliminar a influência exercida pelo histórico térmico da resina, o que dificulta a

extração de informações quantitativas. É importante salientar que quando se deseja

determinar essencialmente o teor de comonômero em PEBDL não é aconselhável

utilizar a determinação de teor de comonômero via CRYSTAF de maneira isolada,

deve-se aliá-la ao uso de outra técnica espectroscópica, FTIR ou RMN, para

especificação do produto.

Pontualmente, para a empresa, o desenvolvimento dessa metodologia foi um

passo importante e estratégico para avaliação das resinas próprias frente às resinas

disponíveis no mercado concorrente.

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7 OPORTUNIDADES FUTURAS

Como oportunidades futuras apresenta-se as seguintes propostas:

1. Continuação deste trabalho analisando mais amostras de PEBDL com os

mesmos tipos de comonômero a fim de incluir mais pontos na curva de

calibração e aumentar a confiabilidade e precisão da mesma.

2. Fracionamento de amostras com comonômeros de 1-octeno, gerando outra

curva de calibração.

3. Investigação da relação do resultados do CRYSTAF com a formação de

ramificação de cadeia longa (LCB) durante a reação polimérica.

4. E a avaliação das amostras por outras técnicas de fracionamento para

complementação do estudo.

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REFERÊNCIAS

ANANTAWARASKUL, Siripon; SOARES, João B. P.; WOOD-ADAMS, Paula M. Fractionation of Semicrystalline Polymers by Crystallization Analysis Fractionation and Temperature Rising Elution Fractionation. Polymer Analysis Polymer Theory, Berlin, p.5-15, 2005. C., Gabriel; D., Lilge. Comparison of different methods for the investigation of the short-chain branching distribution of LLDPE. Polymer , Alemanha, v. 42, p.297-303, 2001.

COUTINHO, Fernanda M. B.; MELLO, Ivana L.; MARIA, Luiz C. de Santa. Polietileno: principais tipos e aplicações. Polímeros: Ciência e Tecnologia , Rio de Janeiro, RJ, v. 13, n. 1, p.1-13, 2003.

KIM, Jung Dae; SOARES, João B.P. Copolymerization of ethylene and α-olefins with combined metallocene catalysts: mathematical modeling of polymerization with single metallocene catalysts. Journal Of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Waterloo, Canadá, p. 1417-1426, 2000.

LORDÊLO, Cheuza Frutuoso. Obtenção de padrões e de curva de calibração aplicadas na quantificação do grau de ramificação d e PEBDL por GPC-IR. 2010. 49 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Curso de Química, Universidade Luterana do Brasil, Canoas, 2010.

MONRABAL, Benjamin. Progress in olefin polymerization catalysts and polyolefin materials. Microestruture characterization of polyolefins . TREF and CRYSTAF. Paterna, Espanha: Elsevier B. V., 2006.

MONRABAL, Benjamin; HIERRO, Pilar Del. Characterization of polypropylene–polyethylene blends by temperature rising elution and crystallization analysis fractionation. Anal Bional Chem, [s.l], p. 1557-1561. July 2010.

PAREDES, Beatriz et al. Characterization of ethylene-1-hexene copolymers made with supported metallocene catalysts: influence of support type. Macromolecular Symposia , [s.l], n. 257, p.103-111, 2007.

QUENTAL, Antonio C.; HANAMOTO, Lilian S. and FELISBERTI, Maria I.. Caracterização de polietilenos lineares de baixa d ensidade I.: determinação do teor de ramificação por métodos espectroscópicos . Polímeros [online], vol.15, n.4, p. 274-280, 2005

RANDALL, James C. A review of high resolution liquid 13 carbon nuclear magnetic resonance characterizations of ethylene-based polymers. Baytown Polymers Center Exxon Chemical Company, Baytown, Texas, v. 29, n. 2, p.201-317, 1989.

SANTANA, Ruth. Material de apoio à disciplina de Análise Instrumental Aplicada a Polímeros. UFRGS, 2009. Disponível em: <http://chasqueweb.ufrgs.br/~ruth.santana/analise_instrumental/aula7d.html>. Acesso em: 28 de jun. 2013.

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SILVA FILHO, Adilson Arli da. Caracterização e comportamento das espécies ativas presentes em um catalisador ziegler-natta he terogênico na polimerização de a-olefinas. 2006. 148 f. Tese (Doutorado) - Curso de Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2006. Disponível em: <http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/8066/000566814.pdf?sequence=1>. Acesso em: 02 maio 2013.

SILVA, Marco Antônio da. Síntese, determinação da microestrutura e relação com as propriedades dos terpolímeros de etileno-pro pileno-1-penteno. 2008. 138 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Química, Departamento de Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2008.

SOARES, João B. P. et al. Effect of molecular weight and average comonomer content on the crystallization analysis fractionation (CRYSTAF) of ethylene α-olefin copolymers. Polymer , [s.l], v. 44, p.2393-2401, 2003.

bruna elisa da silva mendonÇa determinaÇÃo do teor de ... · o polietileno (pe) é uma classe de...

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