BR102020011635A2 - Compósito híbrido de matriz polimérica e método de processamento - Google Patents
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Abstract
compósito híbrido de matriz polimérica e método de processamento. é descrito um compósito híbrido de matriz polimérica contendo entre 10,0 a 45,0% p/p de fibra celulósica com até 3,0 mm de comprimento e umidade máxima de 5,0%; entre 5,0 a 40,0% p/p de fibra sintética com até 4,0 mm de comprimento e aditivos compatibilizantes, ditos constituintes homogeneizados diretamente na extrusora dupla rosca, onde cada fibra de reforço ingressa por um alimentador específico, de forma a ser ajustada a temperatura e o cisalhamento a que são submetidas as fibras de reforço, garantindo a adequada dispersão da fibra para o encapsulamento pela matriz polimérica, otimizando as interações interfaciais e a perfeita homogeneização.
Description
[01] A presente patente de invenção descreve um compósito híbrido de matriz polimérica e o respectivo método de processamento dos constituintes do compósito híbrido de matriz polimérica, no qual o processamento e a homogeneização dos constituintes – fibra celulósica, fibra sintética, polímero e aditivos – é realizado diretamente na extrusora dupla rosca, onde cada fibra de reforço ingressa por um alimentador específico, de forma a ser ajustada a temperatura e o cisalhamento a que são submetidas as fibras de reforço, garantindo a adequada dispersão da fibra para o encapsulamento pela matriz polimérica, otimizando as interações interfaciais e a perfeita homogeneização dos componentes da formulação.
[02] A norma ASTM D3878 (2007) define materiais compósitos como aqueles formados pela combinação de dois ou mais materiais, insolúveis entre si, em que a combinação desses materiais forma um material útil com propriedades diferentes das encontradas nos componentes isolados.
[03] Os compósitos possuem dois ou mais constituintes fisicamente distintos numa escala microscópica, separados por uma interface. A matriz é o constituinte contínuo. O segundo constituinte disperso na matriz é citado como uma fase de reforço que atua, de forma geral, aprimorando as propriedades mecânicas da matriz (MATTHEWS, F.L.; RAWLINGS, R.D. Composite materials: engineering and Science. Londres: Chapman & Hall, 470p.).
[04] A qualidade da interface entre a matriz e o reforço é um fator de grande importância no desempenho mecânico do compósito, uma vez que a interface é a responsável pela transferência de carga entre a matriz e o reforço. Para que ocorra interação entre componentes de naturezas químicas diferentes e de quaisquer dimensões ou formas, é essencial a existência de uma área de contato comum entre elas (MANO, E. B. Polímeros como materiais de engenharia. 1ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2000. 197 p.).
[05] Com a eminente preocupação em reduzir os impactos ambientais, porém sem perder os ganhos em propriedades almejadas, as fibras vegetais estão sendo comumente utilizadas como reforços em compósitos. No Brasil, existe uma grande variedade de fibras vegetais com diferentes propriedades químicas, físicas e mecânicas (Marinelli, A. L., Monteiro, M. R. e Ambrósio, J. D., 2008, “Desenvolvimento de compósitos poliméricos com fibras vegetais naturais da biodiversidade: uma contribuição para a sustentabilidade amazônica ” Polímero: Ciência e Tecnologia, vol.18, n° 2, pp. 92 – 99.). Os compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais se mostram como uma área de grande interesse na indústria, surgindo a partir da década de 1990, proporcionado pelas exigências oriundas das autoridades públicas quanto ao uso e descarte final das fibras sintéticas e resinas oriundas do petróleo, seguido principalmente da conscientização dos consumidores quanto à finitude dos recursos naturais do planeta (SILVA, R. V. Compósito de resina poliuretano derivada de óleo de mamona e fibras vegetais. São Carlos: UFSCar, 2003. 157 p. Tese (doutorado) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, São Paulo, 2003).
[06] As fibras vegetais possuem propriedades que influenciam diretamente na montagem do compósito, como a porosidade e fibrosidade de sua estrutura e a matriz lamelar. As vantagens mais visíveis dos compósitos a base de fibras, quando comparadas a outros materiais sintéticos, são a capacidade de renovabilidade do insumo, biodegradabilidade, baixo custo, menor abrasividade no maquinário e provocar menor impacto ambiental (ALMEIDA JR, J. H. S.; ORNAGHI JR, H. L.; AMICO, S. C.; AMADO, F. D. R. Study of hybrid interlaminate curaua/glass composites. In: Materials and Design, v. 42, p. 111-117. Elsevier, 2012). Além de altas propriedades mecânicas específicas, baixa densidade, baixo consumo de energia e custo de produção. (PANNIRSELVAM, P. V. et al. Desenvolvimento de projeto para produção de fibra de coco com inovação de tecnologia limpa e geração de energia. Revista Analytica, São Paulo, n. 15, p. 56-61, mar. 2005):
[07] No entanto, os compósitos de matriz polimérico com fibras vegetais tem suas aplicações limitadas pelo seu baixo desempenho mecânico e alta absorção de umidade quando comparado aos compósitos com fibras sintéticas.
[08] Uma alternativa é associar fibras naturais e sintéticas, num processo denominado de hibridização. Convencionalmente, nos compósitos híbridos de matriz polimérica são associadas fibras vegetais e fibra de vidro, pois esta última apresenta uma relação favorável entre custo e desempenho mecânico. Além disso, pode atuar como barreira química prevenindo o contato das fibras naturais, naturalmente hidrofílicas, com a água.
[09] Bledzik e Gassan, ao estudar um compósito híbrido com fibra de vidro e fibra natural, constataram decréscimo da absorção de umidade e, por consequência, a dependência das propriedades mecânicas com a umidade foi também reduzida (BLEDZKI, A. K., GASSAN, J., “Composites reinforced with cellulose based fibres”, Progress in Polymer Science, v. 24, pp. 221-274, 1999).
[010] Diversos outros autores destacam melhoria das propriedades mecânicas, diminuição da absorção de umidade e resistência ao envelhecimento ambiental (devido a menor degradação das fibras sintéticas) dos compósitos híbridos em relação aos compósitos apenas com fibras naturais (MOE, M. T., LIAO, K., “Durability of bamboo-glass fiber reinforced polymer matrix hybrid composites”, Composite Science and Technology, v. 63, pp. 375-387, 2003.), (SREEKALA, M.S., “The mechanical performance of hybrid phenol-formalde-based composites reiforced with glass and oil palm fibers”, Composite Science and Technology, v. 62, pp. 239-253, 2002.), (SEENA, Y. A., “Comparison of the mechanical properties of phenol formaldehyde composites reinforced with banana fibres and glass fibres”, Composite Science and Technology, v. 62, pp.18571868, 2002.).
[011] O documento CN105647011 descreve um compósito que compreende entre 45-70 partes de resina de polipropileno, 10-20 partes de fibra de vidro, 5-15 partes de uma fibra natural, 1-5 partes de retardante de chamas, 3-8 partes de um agente de triagem ultravioleta, 2-6 partes de tiodipropionato de dilauril, 4-10 partes de fluoreto de cálcio, 5-12 partes de pó de talco e 1-4 partes de pó de folha de pinheiro.
[012] O documento US2003134085 descreve uma peça laminada que compreende um núcleo, camadas de fibra dispostas em ambos os lados do núcleo e impregnadas com uma resina de poliuretano e uma camada externa de qualidade de superfície Classe A em uma das camadas de fibra e, opcionalmente, uma camada decorativa na segunda camada de fibra. Os métodos de processamento que podem ser utilizados para produzir os artigos com as substâncias de reforço acima mencionadas são os processos NafpurTec, LFI-/FipurTec ou Interwet e processos de laminação. O material compósito é produzido a temperaturas de moldagem de 60-140° C. As camadas externas compreendem uma camada de fibras impregnadas com resina de poliuretano.
[013] O documento US2001018118 descreve um compósito termoplástico laminado que compreende: uma matriz de termoplástico reciclado compreendendo pelo menos um do grupo que consiste em polietileno, polipropileno, nylon, PET e borracha de estireno-butadieno; e uma pluralidade de fibras de alto módulo, as referidas fibras de alto módulo compreendendo pelo menos uma do grupo constituído por fibras de vidro, fibras naturais, fibras de carbono e fibras de aramida, cada uma das referidas fibras de alto módulo com um comprimento mínimo de aproximadamente (1/2) de uma polegada e um módulo mínimo de um milhão de psi.
[014] O documento WO2013103999 descreve uma formulação de composição de moldagem que inclui polipropileno, fibra de vidro e um substituto de polipropileno incluindo filme de transferência de moldagem de folha reciclada (filme SMC reciclado). O substituto de polipropileno está presente de 1 a 35 por cento em peso total e também pode incluir fibras celulósicas naturais ou pós.
[015] No entanto, em que pese o estado da técnica descrever compósitos híbridos de matriz polimérica com fibras naturais e sintéticas, convencionalmente os constituintes são homogeneizados no polímero, sendo em seguida processados em equipamentos convencionais de extrusão. No entanto, tendo em vista as características distintas dos reforços fibrosos naturais e sintéticos, a homogeneização dos constituintes do compósito requer condições específicas para cada elemento a fim de ser aumentada as condições de reforço alcançadas.
[016] No caso da extrusão, as condições de mistura necessárias para assegurar uma boa incorporação das fibras na matriz polimérica requerem a alimentação da fibra num estágio avançado da extrusora, com o polímero devidamente fundido, assim como suficiente trabalho de mistura dispersiva e distributiva visando promover debulhamento dos fios das fibras em filamentos individuais, molhamento da sua superfície pelo polímero para assegurar boa adesão interfacial, e dispersão homogênea da fibra na matriz, sem entretanto, levar à quebra excessiva no comprimento da fibra (Sekiya, T.; Nakamura, N.; Sugiyama M.; Hamada H.; Hamamoto A. & Hiragushi M. - “Study on Interfacial and Mechanical Properties in Glass Fiber Reinforced Polypropylene Injection Moldings”, in: “Design and cturing of Composites”, Proc. Joint Canada-Japan. Workshop on Composites, Kyoto, p. 265-268, Aug. (1996)), (Ramani, K.; Bank, D. & Kraemer, N. - Polym. Composites, 16 (3), p. 258-66 (1995).), (Andersen, P.G. - “Mixing Practice in Corotating Twin Screw Extruders”, in: “Mixing and Compounding of Polymers: Theory and Practice”, I. Manas–Zloczower & Z. Tadmor (Eds.), Hanser, New York, p. 679-705 (1994).).
[017] Dessa forma, é objeto da presente patente de invenção um compósito híbrido de matriz polimérica reforçado com fibras naturais e fibras sintéticas, em concentração e tamanho específico, adequado para o processamento do compósito em uma extrusora dupla-rosca, onde cada componente ingressa por um alimentador específico, de forma a ser ajustada a temperatura e o cisalhamento a que são submetidas as fibras de reforço, garantindo a adequada dispersão da fibra para o encapsulamento pela matriz polimérica, otimizando as interações interfaciais e a perfeita homogeneização dos componentes da formulação.
[018] A invenção descreve um método de processamento de um compósito híbrido de matriz polimérica que associa fibras sintéticas e vegetais através de um processo de extrusão, provendo um produto que atinge valores de performance mecânicas superiores aos compósitos com fibras minerais associado a características de sustentabilidade (material 100% reciclável), de menor peso quando comparado com compósitos poliméricos com fibra de vidro em sua composição e com redução do odor e da emissão de compostos orgânicos (VOC) quando comparado com os compósitos poliméricos com fibras vegetais.
[019] A invenção descreve um compósito híbrido de matriz polimérica de alto desempenho e, ao mesmo tempo, reciclável, provendo a obtenção de produtos extrusados para aplicação em múltiplos segmentos (ex. peças para interior de veículos, peças termo moldáveis para móveis, reforços para calçados, compostos para injeção e aplicações em outros mercados onde a resistência mecânica e térmica são essenciais, etc).
[020] O compósito híbrido de matriz polimérica, objeto da presente patente de invenção, compreende uma matriz polimérica na qual é associada entre 10,0 a 45,0% p/p de fibra celulósica, entre 5,0 a 40,0% p/p de fibra sintética e aditivos compatibilizantes para promover a interface entre as fibras de reforço (sintéticas e naturais) e a matriz polimérica, a fim de potencializar as propriedades de desempenho do produto, otimizando a performance do produto final, sem perder a propriedade de reciclagem.
[021] A matriz polimérica é selecionada dentre polietileno (PE), polipropileno (PP), etil vinil acetato (EVA), poliester (PES) ou poliuretano termoplástico (TPU).
[022] A fibra celulósica apresenta comprimento das fibras de até 3 mm e umidade máxima de 5%, sendo preferentemente selecionada dentre fibras de madeira, cana, coco, juta e bambu.
[023] As fibras sintéticas são selecionadas dentre fibra de vidro, fibra de carbono ou fibra de aramida, apresentando comprimento de até 4 mm, agregando resistência térmica e mecânica consideravelmente maior para o produto onde será aplicado devido a este tipo de fibra ser mais rígida e estruturada do que a fibra natural.
[024] O comprimento das fibras incorporadas permite a possibilidade de dosagem nos alimentadores da extrusora, sem provocar aglomeração.
[025] O método de processamento do compósito híbrido de matriz polimérica compreende a incorporação da fibra celulósica e a incorporação da fibra sintética em um alimentador específico de uma extrusora de dupla-rosca. Desta forma, ao contrário dos compósitos do estado da técnica em que as cargas de reforço são misturadas à matriz polimérica anterior à extrusão, no método descrito na presente invenção as fibras de reforço são adicionadas aos alimentadores em concentração e tamanho específico, em virtude da geometria da rosca de transporte, garantindo a adequada dispersão da fibra para o encapsulamento pela matriz polimérica e ajuste de cisalhamento, de forma a otimizar as interações interfaciais, sendo o ajuste de cisalhamento realizado no momento da extrusão e não no momento da dosagem das fibras.
[026] Foram realizados ensaios mecânicos e térmicos com peças extrusadas utilizando o compósito A (45,0% p/p de fibra celulósica), compósito B (40,0% p/p de fibra celulósica e 10,0% p/p de fibra sintética), compósito C (30,0% p/p de fibra celulósica e 20,0% p/p de fibra sintética) e compósito D (20,0% p/p de fibra celulósica e 30,0% p/p de fibra sintética), sendo os resultados apresentados na Tabela 1.
[027] Tabela 1: ensaios mecânicos e térmicos 
[028] Testes de moldagem foram realizados com as placas extrusadas utilizando o compósito C, em equipamentos de moldagem tradicionais, tendo uma boa moldabilidade, apresentando resultado de conformação, cópia de formato e estabilidade dimensional bastante satisfatório.
Claims (4)
- COMPÓSITO HÍBRIDO DE MATRIZ POLIMÉRICA caracterizado por compreender uma matriz polimérica na qual é associada entre 10,0 a 45,0% p/p de fibra celulósica com até 3,0 mm de comprimento e umidade máxima de 5,0%; entre 5,0 a 40,0% p/p de fibra sintética com até 4,0 mm de comprimento e aditivos compatibilizantes.
- COMPÓSITO HÍBRIDO DE MATRIZ POLIMÉRICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da matriz polimérica ser selecionada dentre polietileno (PE), polipropileno (PP), etil vinil acetato (EVA), poliester (PES) ou poliuretano termoplástico (TPU).
- COMPÓSITO HÍBRIDO DE MATRIZ POLIMÉRICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fibra celulósica ser selecionada dentre fibras de madeira, cana, coco, juta e bambu.
- MÉTODO DE PROCESSAMENTO utilizando o compósito híbrido de matriz polimérica descrito na reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fibra celulósica e da fibra sintética serem adicionadas em alimentadores específicos de uma extrusora dupla-rosca e misturadas à matriz polimérica durante o processo de extrusão.
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