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Encontro Nacional de Materiais e Estruturas CompósitasECMEC2010A. J. M. Ferreira (Editor) © FEUP, Porto, 2010 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MISTURAS DE PLA/PHA N.C. Loureiro*†, J.L.Esteves*J.C. Viana‡ * MIT-Portugal Program – Engineering Design and Advance Manufacturing focus areaDesignStudio, Departamento de Engenharia Mecânica, Faculdade de Engenharia (DeMec – FEUP)Universidade do PortoRua Dr. Roberto Frias, s/n, 4200-465 Porto, Portugale-mail:
[email protected],
[email protected] † Centro de Investigação e Desenvolvimento do ISPGaya (CID_ISPGaya)Instituto Superior Politécnico Gaya (ISPGaya)Av. dos Descobrimentos, 333, 4400-103 V.N. Gaia, Portugale-mail:
[email protected] ‡ MIT-Portugal Program – Engineering Design and Advance Manufacturing focus areaDepartamento de Engenharia de Polimeros (DEP-UMinho)Universidade do MinhoCampus de Azurém, 4800-048 Guimarães, Portugale-mail:
[email protected] Palavras - Chave: Polímeros biodegradáveis; Blendings; Caracterização Mecânica; PLA;PHA; Resumo. A indústria mundial de componentes interiores de portas para a Industria Automóvel encontra-se constantemente a optimizar a relação preço/qualidade para se manter competitiva no mercado. Ultimamente, com a crescente importância dos materiais obtidosatravés de fontes renováveis, e a biodegradabilidade do material no fim-de-vida do produtoimpulsionam uma viragem nos materiais para aplicações na indústria automóvel. Uma das possibilidades é a utilização de polímeros obtidos a partir de fontes naturais renováveis ebiodegradáveis - como por exemplo o Polilactato (PLA) e o poli(hidroxialcanoato) (PHA) -em lugar dos polímeros de srcem petrolífera – p.e., Polipropileno (PP), Polietileno (PE) ou Acrilo-Butano-Estireno (ABS). Dado que a indústria necessita de uma boa relação preço/qualidade, e que essa qualidade setraduz inicialmente pelo cumprimento dos requisitos de serviço, torna-se necessárioencontrar alternativas que satisfaçam os requisitos técnicos, como por ex: temperatura deserviço, propriedades mecânicas, estabilidade dimensional, aspecto estético, entre outras. Douniverso dos polímeros biodegradáveis e de srcem natural, o PHA é aquele que apresentamelhores propriedades prevendo-se ser capaz de cumprir esses requisitos. No entanto, edevido ao seu actual elevado preço, a solução não é economicamente viável. Sendonecessário baixar o preço do polímero final para que a eco-solução se torne competitiva.Uma das possíveis soluções é a mistura com polímeros biodegradáveis mais baratos, como o PLA. Por outro lado, o PH tenacidade. Neste artigo iremos estudar fim de podermos concluir quserviço, nos apresenta um me 1 INTRODUÇÃO A substituição de componereciclagem e reutilização dediminuição no consumo de psubstituição contribui para ufabricantes encontram-se a icompósitos) para a fabricaçintegrava um compósito de jbio-fibras têm invadido o meencostos dos bancos, painéis, Figura Actualmente, só nos Estadorecorrendo aos bio-compósitpolipropileno ou poliéster. Nocontinuando assim a produçimperativo, para se obter umarenovável.Do universo dos polímeros bimelhores propriedades No enté economicamente viável, sensolução se torne competitiva. .C. Loureiro, J.L. Esteves and J.C. Viana 2 A pode também reforçar o PLA, conferincomportamento mecânico de várias mistul o rácio PLA/PHA que, preenchendo os reor custo, ou uma melhor relação qualidade tes automóveis por compósitos de fibraspeças em veículos que se destinam ao atróleo e da emissão de gases de estufa. Istoma melhor qualidade de vida. Alertadoscorporar cada vez mais compósitos de fi ão de partes do automóvel. Em 1996 ota nos painéis das portas e na última décadcado automóvel europeu, desde painéis dealas, etc. 1: Paineis de Porta (cortesia Simoldes Plasticos ) s Unidos, mais de 1,5 milhões de veículs de juta, linho e cânhamo com matrizeentanto o polipropileno e o poliéster são deão dependente desse produto não renovávsolução sustentável, o recurso a matrizes poldegradáveis e de srcem natural, o PHA é aanto, e devido ao elevado preço actual do Pdo necessário baixar o preço do polímero fisolução pode passar por uma mistura de P do-lhe uma maior ras de PLA/PHA auisitos mínimos de preço. naturais, aliado àate, levam a umaquer dizer que estaara este factor osbras naturais (eco-Mercedes Class-Ea os compósitos deortas passando poros são produzidostermoplásticas deivados do petróleo,el. Torna-se assimiméricas de srcemuele que apresentaA, tal solução nãonal para que a eco-A e PHA. Sendo o primeiro bastante mais baratomais barata que somente o Pnecessárias para a função pret O PLA é um polímero derivinsere na classe dos termopláde bionmassa com elevado teda pureza da sua estrutura mPara um PLA amorfo, a tempserviço. Para um PLA semi-cr230 ºC) são factores importanpoliéster produzido tambémfermentação bacteriana. Apreuma Tg que pode variar encomposição química (mashidroxivalerato, HV).Por outro lado, não nos podeserviço. Uma vez que umtemperaturas na ordem dos 6será necessário cumprir. 2 MOLDAÇÃO POR Para a produção destas peças(CIM - compouding injectionduplo fuso) e posteriormente ido molde (Figura 2). Figura 2:.C. Loureiro, J.L. Esteves and J.C. Viana 3que o segundo, a mistura dos dois conduzA sozinho e ao mesmo tempo com as caracndida.do do Ácido Lácteo, sendo um poliester bisticos. Tem srcem em fontes naturais, atraor de amido (p.e, o milho, batata, cana de alecular o PLA pode ser semi-cristalino ouratura de transição vítrea (T g ), limita a temistalino, a T g de aprox. 58 ºC e a temperaturtes a ter em conta em serviço. Por sua vez opartir de fontes renováveis, desta vez, nãentando-se com uma estrutura semi-cristalinre -5 a 10 ºC e T m entre 120 a 180ºC,a molecular e copolimerização comos esquecer que um dos principais requisitopainel interior da porta de um automó-70 ºC (quando expostos ao sol), será este OMPOSIÇÃO-INJECÇÃO foi utilizado o processo de moldação por cmoulding) que permite, fazer a composiçãonjectar o fundido multifásico (através de um Esquema do funcionamento do CIM (cortesia PIEP uma mistura finalerísticas mecânicasodegradável que sevés da fermentaçãoúcar) Dependendototalmente amorfo.eratura máxima dede fusão (T m : 130-PHA é também umvegetais, mas pora, o PHA apresentaependendo da suadiferentes % deé a temperatura devel poderá atingirvalor de HDT quemposição-injecção(numa extrusora depistão) para dentro ) N.C. Loureiro, J.L. Esteves and J.C. Viana 4O equipamento de CIM usado encontra-se no PIEP (Pólo de Inovação em Engenharia dosPolímeros). Figura 3: Equipamento CIM instalado no PIEP 3 TRABALHO EXPERIMENTAL Para podermos ter uma eco-solução para este painel, iremos desenvolver um materialcompósito biodegradável. Para tal a matriz será uma mistura PLA/PHA que será reforçadacom fibras de linho. O PLA usado é o INGEO TM 3801X da Natureworks LLC e o PHA é oPHI002 da NaturePlast, com as propriedades na Tabela 1. PLA PHADensidade 1,33 1,25±0,05T m 160 – 170 ºC 145 – 155 ºCTemperatura de degradação --- 200 ºCTensão de rotura 25,9 MPa 35 MPaAlongamento na rotura 8,1 % 2 %Modulo de Elasticidade 2980 MPa 2950 MPaHDT A (1,8MPa) 65 ºC 72,5 ºC Tabela 1: Propriedades mecânicas e fisicas do PLA e do PHA usados (dados do fabricante) Uma vez que pretendemos uma mistura PLA/PHA com baixo custo e propriedades N.C. Loureiro, J.L. Esteves and J.C. Viana 5mecânicas aceitaveis, iremos identificar que percentagem de incorporação de PHAprecisamos para que a mistura atinja as propriedades pertendidas. Serão produzidosprovetes com vários racios PLA/PHA, nomeadamente: PLA PHA100 080 2060 400 100 Tabela 2: Composições a serem moldadas. Aplicando a regra das misturas podemos prever as seguintes propriedades para asvárias misturas, através da lei de misturas: PLA/PHA Densidade T m Tensão deroturaAlongamentona RoturaMódulo deElasticidadeHDT A(1,8 MPa)100/0 1,33 165 ºC 25,9 MPa 8,1 % 2980 MPa 65,0 ºC80/20 1,31 162 ºC 27,7 MPa 6,9 % 2974 MPa 66,5 ºC60/40 1,30 159 ºC 29,5 MPa 5,7 % 2968 MPa 68,0 ºC0/100 1,25 150 ºC 35,0 MPa 2,0 % 2950 MPa 72,5 ºCTabela 4: Previsão propriedades mecânicas Dado que para estas previsões não estão contabilizados os efeitos da imiscibilidade ecompatibilidade entre os polímeros, a adesão entre os materiais, as dimensões das fasesdispersas e inversões de fase, entre outros aspectos, a aplicabilidade da lei de misturas terá deser validada experimentalmente. Outros modelos de previsão mais adequados poderão seradoptados (p.e., Cohen and Ishai model e Kerner–Uemura–Takayanagi model para previsãodo módulo de elasticidade; modelos Nicolais–Narkis e Bela–Pukanszky para a tensão àcedência e deformação).A morfologia dos provetes injectados será caracterizada por microscopia óptica e electrónica,e por calorimetria diferencial de varrimento, DSC. A densidade das misturas será avaliada. Acaracterização mecânica das várias misturas será realizada por:- Ensaios de tracção (segundo a norma ISO 572)- Ensaios de flexão (segundo a norma ISO 14752)- Ensaios de impacto Charpy (segundo a norma ISO 179)- Ensaios de HDT (segundo a norma ISO 75)Uma vez validados os modelos mais adequados, os rácios PLA/PHA que permitam obter asmelhores propriedades serão seleccionados. As composições PLA/PHA mais adequadas aos
