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  • http://dx.doi.org/10.1590/0104-1428.2288

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    Polmeros, 27(nmero especial), 91-98, 2017 91

    Nanocompsitos de polietileno/argila bentontica com propriedades antichama

    Polyethylene/bentonite clay nanocomposite with flame retardant properties

    Sara Verusca de Oliveira1, Edcleide Maria Arajo1*, Celeste Margarida Correia Pereira2 e Amanda Melissa Damio Leite1

    1Unidade Acadmica de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande UFCG, Campina Grande, PB, Brasil

    2Instituto de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial INEGI, Universidade do Porto UP, Porto, Portugal

    *edcleide.araujo@ufcg.edu.br

    Resumo

    Nesta pesquisa, nanocompsitos de polietileno de alta densidade (PEAD) com argila montmorilonita (MMT) e argila organoflica (OMMT) foram preparados pelo mtodo de intercalao por fuso, com o objetivo de examinar o efeito antichama do material obtido. Para fins de comparao, utilizou-se um produto comercial retardante de chama (RCP) na matriz de PEAD. O polietileno enxertado com anidrido maleico (PE-g-MA) foi utilizado como um compatibilizante dos sistemas. O PEAD e seus sistemas foram avaliados por difrao de raios-X (DRX), inflamabilidade (UL94HB, ndice de oxignio (LOI) e calorimetria de cone). Os difratogramas de raios-X ilustraram que provavelmente ocorreu intercalao e/ou esfoliao parcial, com a formao de nanocompsito e/ou microcompsito. Os resultados obtidos para o ndice de oxignio mostraram que tanto o PEAD como seus sistemas apresentaram propriedades retardantes de chama. Por meio dos ensaios de inflamabilidade horizontal, verificou-se que a presena de 1% de argila MMT reduziu em 25% a inflamabilidade de PEAD e, por calorimetria de cone foi visto que a argila OMMT com percentagem de 3, 6 e 9% atuou reduzindo tambm a inflamabilidade dos nanocompsitos.

    Palavras-chave: nanocompsitos, PEAD, antichama, argila organoflica, calormetro de cone.

    Abstract

    In this research, nanocomposites of high density polyethylene (HDPE) with montmorillonite clay (MMT) and organoclay (OMMT) were prepared by melt intercalation, in order to examine the flame retardant effect of the obtained material. For comparison, a commercial flame retardant product (FRP) was used in the PE matrix. Grafted polyethylene with maleic anhydride (PE-g-MA) was used as a compatibilizer of the systems. HDPE and its systems were evaluated by: X-ray diffraction (XRD), and flammability (UL94HB, oxygen index (LOI) and Cone Calorimetry). The XRD patterns illustrated that probably partial intercalation and exfoliation occurred with the formation of nanocomposite and/or microcomposite. The results obtained for the oxygen index revealed that HDPE and its systems presented flame retardant properties. Through horizontal flammability tests, it was found that the presence of 1% MMT clay reduced 25% of the flammability of HDPE. By Cone Calorimetry was found that the OMMT clay with percentage of 3, 6 and 9% acted reducing the flammability of nanocomposites.

    Keywords: nanocomposite, HDPE, flame retardant, organoclay, cone calorimetry.

    1. Introduo

    Os nanocompsitos polimricos so uma classe de materiais hbridos compostos de uma matriz polimrica orgnica na qual contm quantidades relativamente pequenas (tipicamente < 10%) de nanopartculas inorgnicas dispersas[1-3]. Diferentes tipos de cargas em dimenses nanomtricas tm sido utilizada para preparar

    nanocompsitos sendo: grafite, argila, slica, nanotubos de carbono entre outras[3,4].

    A primeira demonstrao prtica das vantagens dos nanocompsitos contendo camadas de silicatos dispersas individual e uniformemente em uma matriz polimrica foi feita por pesquisadores da Toyota do Japo usando Nylon-6[5,6].

  • Oliveira, S. V., Arajo, E. M., Pereira, C. M. C., & Leite, A. M. D.

    Polmeros, 27(nmero especial), 91-98, 201792

    Eles obtiveram Nylon-6 atravs da polimerizao intercalativa da -caprolactama, resultando em nanocompsitos esfoliados com um aumento significativo do mdulo de Young e da tenso de ruptura, mesmo com pouca carga de argila.

    Uma das vantagens dos nanocompsitos polimricos em relao aos compsitos convencionais que os nanocompsitos podem apresentar propriedades mecnicas e trmicas similares ou superiores aos compsitos convencionais mesmo utilizando uma quantidade baixa de argila. O sucesso na obteno de tal desempenho consiste na habilidade em esfoliar e dispersar, individualmente, as camadas de silicato, com alto fator de forma, dentro da matriz polimrica[7].

    Nanocompsitos polimricos utilizados para aplicao de materiais retardantes de chama vm sendo estudados atualmente e um dos maiores obstculos o desenvolvimento de nanocompsitos com propriedades antichama capazes de aumentar a resistncia fsico-qumica[2].

    Dentre os vrios tipos de nanocompsitos existentes, os nanocompsitos de polmeros e silicatos lamelares se destacam por suas propriedades mecnicas[8,9], sua resistncia ao calor[10] e oxidao, transparncia tica e biodegradabilidade. Alm disso, esses materiais apresentam baixa permeabilidade a gases[8], o que gera perspectiva de aplicao em pneus, embalagens de alimentos e de bebidas gaseificadas e outros artefatos polimricos nos quais essa propriedade importante.

    A inflamabilidade dos materiais uma propriedade muito importante. O entendimento dos processos de combusto, alm do comportamento especfico do polmero sob interesse, permite o desenvolvimento de alternativas tanto para a reduo de sua inflamabilidade quanto da supresso de fumaa produzida durante a combusto. Quando um polmero orgnico aquecido, ele vai progressivamente sofrendo modificaes, em princpio fsicas e depois qumicas, terminando por sofrer decomposio total em produtos volteis. Se o polmero tem aditivos minerais como caulim e dixido de titnio, a combusto total deixa cinzas, nas quais se encontram aqueles aditivos[11].

    O processo qumico da decomposio de nanocompsitos ocorre quando este aquecido, dependendo da temperatura e da taxa de aquecimento e da atmosfera. A forma como ocorre o processo piroltico depende das condies experimentais, das quais as mais importantes so a temperatura de aquecimento[12] e o tipo de polmero usado[13].

    O processo de pirlise normalmente ocorre na faixa de temperatura entre 500-800 C, dependendo do polmero, e em uma rpida taxa de aumento de temperatura. Na maioria dos casos, a pirlise de uma espcie molecular consiste em diversas reaes que ocorrem simultaneamente. Depois do primeiro passo da reao piroltica de um polmero, comum ocorrerem outras reaes subsequentes. Neste caso, o passo inicial da decomposio seguido por outras reaes pirolticas de molculas menores, provenientes do composto inicial. Posteriormente os produtos da pirlise provavelmente reagem entre si, gerando novos compostos[12].

    Para o PEAD, a pirlise do polietileno em atmosfera inerte inicia em aproximadamente 280 C e ocorre principalmente seguindo reaes de fragmentao e hidrogenao, a fragmentao se mostra predominante a temperatura abaixo de 600 C. Os hidrocarbonetos de 2 at 90 carbonos tm

    sido identificados em pirogramas. Trs tipos de molculas provenientes das reaes de fragmentao so as mais comuns, as quais so nomeadas como alcanos, alquenos e , dienos. Traos de hidrocarbonetos tambm podem ser formados durante a pirlise[14].

    O mecanismo de decomposio trmica do polietileno comea com uma ciso aleatria, continua com uma reao de propagao que gerar um novo radical polimrico e uma molcula menor e estvel e termina com a reao de terminao que tambm ir gerar uma molcula estvel, por exemplo, por desproporcionao com a gerao de um alcano e uma -olefina.

    A eliminao do etileno (o monmero) no energicamente favorecida, desta forma ela no ocorrer. Dienos so formados durante a pirlise com uma -olefina submetendo-se a clivagem, seguida por uma desproporcionao com a formao de um , dieno. Em altas temperaturas aproximadamente 700-800 C, traos de hidrocarbonetos aromticos policclicos so formados no processo de pirlise.[12]

    A decomposio de diversos tipos de polietileno com caractersticas diferentes, no mostram diferena significativa no processo de decomposio trmica, quando nenhum catalisador utilizado. No entanto na presena de catalisadores slidos cidos, considerveis diferenas na temperatura de decomposio so evidenciadas[12]. E a decomposio do polietileno gera diversos fragmentos moleculares. Para o polietileno de alta densidade (PEAD) aquecido a temperaturas entre 335 C e 450 C, os fragmentos moleculares incluem hidrocarbonetos saturados e hidrocarbonetos mono e di-insaturados provenientes de C2-C90. O aquecimento a temperatura mais baixas mostrou favorecer fragmentos moleculares maiores[12].

    Conforme a composio qumica do polmero, a decomposio trmica pode ser facilitada ou dificultada. Polmeros de fcil decomposio, como o nitrato de celulose, nem permitem a quantificao da propriedade, pela rapidez da combusto. Os polmeros termorrgidos, como as resinas fenlicas, apresentam maior dificuldade de combusto, e por isso so usados na confeco de peas para uso eltrico. Quando o polmero apresenta anis aromticos e ausncia de cadeias parafnicas h um auto-retardamento da sua inflamabilidade, sem manuteno da chama. A existncia de grupos ster favorece o desprendimento de CO2 por aquecimento, contribuindo tambm para o auto-retardamento da chama[11].

    Para nanocompsitos o mecanismo da retardncia a chama de polmero/argila baseado na formao de cinzas. As cinzas isolam a base do polmero do calor formando uma barreira e reduzindo o escape de gases volteis a partir da combusto do polmero. Embora ainda seja uma rea de desenvolvimento relativamente nova, os nanocompsitos de polmero/argila so altamente importantes como um novo sistema de retardantes de chama para polmeros com melhores propriedades. A combinao de argilas organoflicas com outros aditivos retardantes de chama, tais