preparaÇÃo e caracterizaÇÃo para misturas À base de

PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO PARA MISTURAS À BASE DE

POLIESTIRENO (PS) / POLIESTIRENO DE ALTO IMPACTO (HIPS) PARA

APLICAÇÃO NA ÁREA DE EXTRUSÃO-SOPRO

K. M. de Almeida1, A. L. Nazareth1, A. M. F. de Sousa2

1. Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano, Universidade Federal

do Rio de Janeiro – UFRJ, Prédio do Bloco J - CT, Ilha do Fundão, Rio de Janeiro –

RJ, Brasil, 21941-598

2. Departamento de Processos Químicos, Instituto de Química, Universidade

do Estado do Rio de Janeiro - UERJ

e-mail: [email protected]

RESUMO

O poliestireno (PS) é um dos principais polímeros usados na indústria de

transformação de plásticos; entretanto, este material apresenta elevada rigidez, o

que torna-o um material frágil, com dificuldade para ser usado no processamento por

sopro. Como alternativa, cada vez mais os elastômeros têm sido empregados como

modificadores de impacto, com o objetivo de aumentar a sua capacidade de

absorção de energia. Pensando nisso, diferentes misturas contendo poliestireno

cristal (PS)/ poliestireno de alto impacto (HIPS) com potencial de serem moldados

por extrusão-sopro foram avaliadas para aplicação no setor de embalagens. As

misturas foram preparadas em uma extrusora TeckTril de rosca dupla e

caracterizadas através das análises de índice de fluidez (MFI), microscopia de

varredura (SEM) e cromatografia de permeação em gel (GPC). Os resultados,

baseados em um planejamento de misturas do tipo Simplex-Centroid mostraram que

o aumento do teor do componente PS2 (GPPS 585) provoca uma diminuição da

fluidez do sistema. Estes resultados sinalizam que as misturas apresentam potencial

de aplicação na moldagem por sopro. Além disso, as micrografias SEM mostraram

uma boa homogeneização entre os componentes da mistura.

Palavras-chave: poliestireno, HIPS, índice de fluidez, extrusão-sopro.

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

8623

INTRODUÇÃO

A incorporação de uma segunda fase elastomérica em uma matriz vítrea de um

polímero tem como principal objetivo o aumento de sua tenacidade, ou seja, de sua

capacidade de absorção de energia. O poliestireno (PS), à temperatura ambiente, é

um polímero vítreo e apresenta baixa absorção de energia sob impacto. A utilização

de borracha no processo de polimerização do estireno leva à obtenção de uma

mistura polimérica in situ, com domínios discretos de fase borrachosa dispersos em

uma matriz contínua de PS (2).

Esse processo leva à incorporação de um componente amorfo flexível na

matriz rígida do PS. O polímero produzido, poliestireno de alto impacto (HIPS), tem

como característica sua elevada resistência ao impacto, quando comparada a do

PS. Tal característica deve-se aos seguintes fatores: (i) grau de ligações cruzadas;

(ii) interação química entre os domínios do PS e da borracha, levando ao aumento

da adesão interfacial PS/ borracha; (iii) presença de oclusões da fase contínua de

PS no interior das partículas de borracha, gerando uma morfologia com propriedade

de elevada tenacidade (1).

A moldagem por sopro é um processo onde o ar é soprado dentro de um tubo

de termoplástico aquecido (chamado de pré-forma ou parison) para que ele se

conforme à forma de um molde frio. Este processo é uma técnica intermediária de

processamento, ou seja, ela não é realizada de forma isolada, uma vez que o

artefato deve ser fornecido previamente por extrusão ou injeção. Existem três tipos

comuns de moldagem por sopro: extrusão-sopro, injeção-sopro e estiramento por

sopro (3).

Para avaliar o potencial de um material para processamento por moldagem por

sopro é necessária a realização de uma caracterização da estrutura molecular do

material, além do estudo sobre o seu comportamento de escoamento. Sendo assim,

o presente trabalho teve por objetivo a preparação de misturas à base de diferentes

grades de PS e HIPS, a partir de um planejamento experimental do tipo Simplex-

Centroid.


8624

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

A Tabela 1 mostra as propriedades dos diferentes grades de PS cristal e HIPS

usados no presente estudo.

Tabela 1 – Índice de fluidez dos grades de PS cristal e HIPS

Material GPPS 535 GPPS 585 HIPS 870

Índice de

Fluidez

(g/ 10 min)

5,0 1,6 4,0

Mn x 10-3

(g/mol) 99000 140000 114000

Mw x 10-3

(g/mol) 288000 358000 222000

Metodologia

As resinas puras e as misturas foram secas em estufa a vácuo à 60 ºC, durante

48 horas e processadas em extrusora dupla rosca TeckTril, L/D 36 e D= 20mm. O

perfil de temperatura do barril foi fixado em

90/160/170/180/185/190/195/200/205/210 ºC, a velocidade da rosca foi de 600 rpm e

a velocidade do alimentador 15 rpm. O perfil da rosca é apresentado na Figura 1.

Figura 1 – Perfil de rosca da extrusora TeckTril usada nos experimentos.


8625

As composições das misturas (Tabela 2) foram estabelecidas a partir de um

planejamento do tipo Simplex- Centroid, como mostra a Figura 2.

Figura 2: Planejamento de misturas do tipo Simplex-Centroid

Tabela 2 – Composição das misturas PS/ HIPS

Experimento GPPS

535 GPPS

585 HIPS R870

M1 1 0 0

M2 0 1 0

M3 0 0 1

M4 0,5 0,5 0

M5 0,5 0 0,5

M6 0 0,5 0,5

M7 0,67 0,165 0,165

M8 0,165 0,67 0,165

M9 0,165 0,165 0,67

M10 (3x) 0,33 0,33 0,33

As variáveis de resposta definidas nesse trabalho foram: índice de fluidez (MFI)

e massas molares (Mn e Mw).

Legenda: A - HIPS R870 B - GPPS 535 C - GPPS 585


8626

Caracterização das resinas puras processadas e das misturas PS/ HIPS

O comportamento de escoamento das resinas foi avaliado através da análise

de índice de fluidez (MFI), em equipamento Dynisco, modelo LMI 40000, nas

condições de 200 ºC/ 5,0 kg, de acordo com a norma ASTM D1238.

Os valores de massas molares (Mn e Mw) foram determinados por

cromatografia de permeação em gel (GPC), na temperatura de 35 ºC e solvente

tetra-hidrofurano (THF). Os aspectos de cromatografia de exclusão de tamanho

foram registrados com um espalhamento de luz/ índice de refração/ viscosímetro

(Viscotek TDA 302) e um detector de absorção de UV (TSP, UV2000 a 260 nm de

comprimento de onda) para determinação on-line da massa molar absoluta de

polímeros. O índice de refração do PS em THF é 0,150 g/ mL. As amostras de

polímero foram dissolvidas em THF, a uma concentração de 1 mg/mL, e o volume

de injeção foi de 10 mL.

As micrografias eletrônicas de varredura (SEM) foram realizadas nas

superfícies de fratura dos materiais, previamente tingidas com tetróxido de ósmio e

metalizadas com carbono. As análises foram realizadas em equipamento Hitachi,

modelo TM 3030 Plus.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A tabela 3 mostra a matriz planejamento gerada no presente estudo. Tabela 3 – Matriz planejamento para as composições analisadas

Experimento Mn x10-3 (g/ mol)

Mw x 10-3 (g/ mol)

MFI (g/ 10 min)

M1 92000 273000 5,40 ± 0,59

M2 122000 342000 2,34 ± 0,39

M3 87000 190000 4,92 ± 0,47

M4 105000 308000 3,00 ± 0,60

M5 91000 238000 4,44 ± 0,33

M6 106000 283000 3,00 ± 0,42

M7 109000 280000 3,96 ± 0,54

M8 115000 303000 2,76 ± 0,54

M9 92000 238000 3,12 ± 0,89

M10 98000 268000 3,44 ± 0,61

M11 98000 274000 3,24 ± 0,54

M12 100000 275000 2,88 ± 0,78 Obs.: Experimentos M10, M11 e M12 – ponto central (triplicata)


8627

Os resultados foram analisados com o auxílio do software Statistica, versão

6.0.

As figuras 3 a 5 mostram as superfícies de contorno lineares e cúbica para as

propriedades MFI, Mn e Mw, respectivamente.

Figura 3: Gráfico de pareto e modelo cúbico das composições x MFI das misturas

Figura 4: Gráfico de pareto e modelo linear das composições x Mn das misturas


8628

Figura 5: Gráfico de pareto e modelo linear das composições x Mw das misturas

Analisando os modelos estatísticos obtidos, percebe-se que, à medida que o

componente PS2 (B) diminui, a fluidez do sistema aumenta (Figura 3). Como

também pode ser vista, a variação do MFI dá-se pelo modelo cúbico uma vez que

esse foi o modelo que melhor se adequou aos dados obtidos. Já pela análise do

gráfico de pareto, é visto que só existe efeito significativo estatístico dos polímeros

puros sobre o MFI.

Relacionando as massas molares (Mn e Mw) à variação das composições

(Figuras 4 e 5), percebe-se uma tendência de aumento dos valores de massa molar

com o aumento do componente PS2 (B), como era esperado, uma vez que quanto

maior o tamanho das cadeias, maior a viscosidade no meio reacional. A variação da

massa molar se dá pelo modelo linear e analisando o gráfico de pareto, é visto

também que só existe efeito significativo dos polímeros puros sobre a massa molar.

As figuras 6, 7, 8 e 9 mostram as micrografias SEM das superfícies de fratura

dos materiais.


8629

Figura 6: Micrografias SEM dos experimentos com ampliação de 500 vezes. (a) M1; (b) M2; (c)

M3.

Figura 7: Micrografias SEM dos experimentos com ampliação de 500 vezes. (d) M4; (e) M5; (f)

M6.

Figura 8: Micrografias SEM dos experimentos com ampliação de 500 vezes. (g) M7; (h) M8; (i)

M9.


8630

Figura 9: Micrografias SEM dos experimentos com ampliação de 500 vezes. (j) M10; (k) M11;

(l) M12.

Já na avaliação das micrografias eletrônicas de varredura (SEM), foi observada

uma ausência de aglomerados de grânulos de HIPS, o que indicaria uma boa

dispersão do HIPS na matriz de PS. Os grânulos de HIPS eram uniformes, esféricos,

bem dispersos na matriz de PS e com dimensões maiores do que o diâmetro crítico,

o que melhora a resistência à fratura das blendas de HIPS/PS.

CONCLUSÕES

Através da análise de GPC, foi visto que o processamento na extrusora com o

perfil de temperatura escolhido não causou degradação expressiva dos materiais.

Com a análise de MFI percebeu-se um aumento na fluidez da mistura após o

processamento na extrusora, como era esperado

De uma forma geral, as misturas poliméricas possuem uma viscosidade mais

elevada do que a matriz polimérica por si só, sendo essa viscosidade tanto maior

quanto maior for o teor de PS2 (GPPS 585) na mistura. Este aumento da

viscosidade em relação à matriz polimérica é mais acentuado quando as partículas

esféricas de HIPS estão bem dispersas e possuem uma maior área específica e, por

isso, uma maior interação com o polímero.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer à Coordenação de Aperfeiçoamento de

Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro e à INNOVA S.A. pelas


8631

amostras de HIPS e PS. Os autores também gostariam de agradecer ao Centro de

Pesquisas e Desenvolvimento (CENPES) da PETROBRÁS pelo apoio durante a

caracterização por cromatografia de permeação em gel das misturas de polímero

testadas e ao Centro de Tecnologia Mineral (CETEM) pelo apoio durante a

realização das micrografias SEM.

REFERÊNCIAS

(1) BERRUEZO, M. et al. Preparation and characterization of polystyrene/starch

blends for packaging applications. Journal of plastic film and sheeting, v. 30, n. 2,

p.141-161, 8 out. 2013. SAGE Publications.

(2) GRASSI, V. G.; FORTE, M. M. C.; PIZZOL, M. F. Aspectos Morfológicos e

Relação Estrutura-Propriedades de Poliestireno de Alto Impacto. Polímeros, v. 11,

n. 3, p.158-168, set. 2001. FAPUNIFESP.

(3) JAMSHIDIAN, M. et al. Poly-Lactic Acid: Production, Applications,

Nanocomposites, and Release Studies. Comprehensive Reviews in Food Science

And Food Safety, v. 9, n. 5, p. 552-571, 2010. Wiley-Blackwell. Disponível em:

http://dx.doi.org/10.1111/j.1541-4337.2010.00126.x. Acesso em: 02 maio de 2016.

PREPARING AND CHARACTERIZATION OF POLYSTYRENE (PS)/ HIGH

IMPACT POLYSTYRENE (HIPS) MIXTURES FOR USE IN EXTRUSION-BLOWING

ABSTRACT

Polystyrene (PS) is one of the polymers used in plastics processing industry;

however, this material has high hardness, which makes it a fragile material, difficult to

be used in blow molding process. Alternatively, more elastomers have been used as

impact modifiers with the purpose of increasing its energy absorbing capacity.

Different mixtures containing polystyrene crystal (PS)/ high impact polystyrene

(HIPS) with potential to be used by extrusion blow molding were evaluated for use in

the packaging sector. The mixtures were prepared in a twin screw extruder TeckTril


8632

http://dx.doi.org/10.1111/j.1541-4337.2010.00126.x

and characterized using the melt flow index (MFI), scanning electron microscopy

(SEM) and gel permeation chromatography (GPC). The results, based on a Simplex-

Centroid mixture design, showed that the PS2 enhancing (GPPS 585) causes a

viscosity increase. These results indicate that the mixtures have potential application

in blow molding process. Besides, the SEM micrographs showed good

homogenization of the mixture components.

Key-words: polystyrene, HIPS, melt index, extrusion blow molding.


8633

preparaÇÃo e caracterizaÇÃo para misturas À base de

Documents