Fratura de peças poliméricas com fibra de vidro: quais as causas e como evitá-la?

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Os compósitos poliméricos feitos com a adição de fibra de vidro são responsáveis por aprimorar as propriedades termomecânicas de alguns produtos. Contudo, ocasionalmente, estes materiais ainda assim sofrem fraturas. Mas então quais as causas deste tipo de falha?

A formação de um compósito polimérico através da adição de materiais é um processo bastante utilizado por diversos tipos de indústrias na fabricação de seus produtos. As fibras de vidro são uma das principais cargas inorgânicas reforçativas e são incorporadas com o objetivo de incrementar algumas propriedades mecânicas e termomecânicas, como maior rigidez e resistência à fluência.

Figura: Imagem ilustrativa das fibras de vidro utilizadas como cargas de reforço.

Figura: Imagem ilustrativa das fibras de vidro utilizadas como cargas de reforço.

Quais os principais fatores que podem contribuir para a fratura de peças plásticas com fibra de vidro?

Orientação das fibras

A orientação das fibras dentro da matriz é um dos fatores que garantem propriedades mecânicas elevadas para algumas aplicações. Porém, por conta da anisotropia, fibras orientadas perpendicularmente à solicitação mecânica de tração ou flexão apresentam um desempenho menor.

Adesão das fibras à matriz polimérica

O sucesso da incorporação de fibras em matrizes poliméricas estã muito relacionado à existência de uma interface fibra/matriz de qualidade. Tal interface garante uma boa adesão entre a parte inorgânica (fibras) e orgânica (matriz polimérica), que é um importante requisito para que haja transferência de tensões da matriz para a fibra. Dessa forma, uma baixa adesão entre fibra e matriz faz com que as tensões não sejam transferidas totalmente da matriz para as fibras, não gerando o efeito de reforço esperado.

Tamanho das Fibras

As fibras aumentam a resistência de um material polimérico através de mecanismos de transferência de tensões. Um dos fatores preponderantes para uma fibra poder atuar como reforço é o seu comprimento. Para que ocorra uma transferência de tensões adequada, a fibra deve possuir um certo comprimento mínimo ou crítico, a partir do qual a fibra deixa de ser um concentrador de tensões e passa a reforçar o material polimérico. Por este motivo, toda atenção é necessária durante o processamento para que não ocorra quebra das fibras, e as mesmas não tenham seu desempenho comprometido ou mesmo passem a atuar como concentradores de tensão.

Teor de Fibras

O teor adequado de fibras de vidro incorporadas em um material polimérico depende das propriedades finais que se deseja alcançar no produto, do tipo de matriz polimérica e tipo de processo de moldagem a ser utilizado.

Por exemplo, baixos teores de fibras podem não ser suficientes para que se alcance as propriedades desejadas em alguns produtos. Por outro lado, um excesso de fibras pode tornar o material extremamente rígido e quebradiço.

Distribuição irregular das Fibras

O processo de mistura das fibras de vidro junto à matriz polimérica é um passo muito importante no desenvolvimento de compósitos. O mais adequado é que haja uma distribuição regular. Caso esta distribuição seja irregular, é possível que regiões tenham um teor maior de fibras do que outras, deixando o produto com propriedades irregulares ao longo da peça, de forma que essas heterogeneidades podem propiciar uma falha.

Como evitar este tipo de problema?

O primeiro passo para resolução deste tipo de problema é identificar a principal causa da falha. Existem diversos tipos de ensaios que podem ser utilizados para investigar as causas raízes deste tipo de problema. Dentre eles, temos:

Termogravimetria (TGA): Este é um dos principais ensaios utilizados para determinar o teor de cargas inorgânicas presentes em matrizes poliméricas. Trata-se de uma análise termoanalítica que mensura as variações de massa em relação ao aumento de temperatura. Através deste ensaio é possível determinar o teor de fibras de vidro (em massa) incorporadas em um compósito.

Microscopia Óptica: A microscopia óptica avalia a presença e a morfologia de aditivos e cargas nos polímeros através da interação com a luz. A partir deste ensaio é possível determinar o comprimento das fibras e muitas vezes avaliar como as fibras estão dispersas na matriz.

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV): Já este tipo de microscopia utiliza a detecção da interação de um feixe de elétrons com a estrutura para gerar imagens com um grande aumento sema perda de nitidez. Através das imagens geradas é possível analisar a morfologia da microestrutura e obter informações muito relevantes sobre orientação, dispersão e distribuição, e adesão entre fibras e matriz polimérica.

A Afinko realiza todos os ensaios listados com o objetivo de investigar este tipo de problema em compósitos de fibra de vidros com matriz polimérica. Caso tenha interesse, entre já em contato pelo e-mail: contato@afinkopolimeros.com.br

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Compósitos Com Reforço: o que é um bom reforço?

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Compósitos de Polímero com Fibra de Vidro é um dos mais utilizados na indústria.

Texto adaptado de Júlia Florez – Pesquisadora da Afinko Soluções em Polímeros.

As propriedades mecânicas dos polímeros podem ser modificadas através da adição de cargas minerais e/ou reforços, pela tenacificação do polímero e incorporação de aditivos. Um destes aditivos pode ser o plastificante que falamos neste texto aqui.

No texto de hoje vamos falar sobre reforços. A adição de reforço numa matriz polimérica constitui na criação de um compósito de matriz polimérica. Em linhas gerais, materiais compósitos possuem propriedades vantajosas, como maior rigidez e resistência à tração, em relação aos polímeros sem reforço, ampliando sua gama de aplicações.

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Dentre os diversos aspectos, os reforços se diferenciam das cargas por apresentar razão de aspecto ((L/D) onde L representa o comprimento da partícula e D o diâmetro ou largura da mesma) superior a 1. Os reforços, por sua vez, geralmente, têm formato fibrilar.

O que é necessário para ser um bom reforço para compósitos?

Existem quatro requisitos para que as fibras sejam efetivas no aumento de propriedade mecânica, são elas:

  • Tamanho do reforço: As fibras aumentam a resistência do material através da transferência de tensões. Portanto, para que a tensão seja eficientemente transferida à fibra ela deve possuir um certo cumprimento mínimo ou crítico, a partir do qual a fibra passa de ser um concentrador de tensão a aportar um suporte mecânico ao material.
  • Concentração crítica: Quando a fibra está presente em baixas concentrações não há transferência de tensões significativas que aumentem a resistência do material. Ainda, as fibras limitam, num certo grau, a deformação da matriz, impedindo que a matriz aporte 100% da sua resistência à tração. A combinação destes dois fenômenos leva à diminuição da resistência à tração quando a fibra se encontra presente em baixas concentrações.
Gráfico Tensão x Deformação de Fibras, Compósitos e Matriz.

Gráfico Tensão x Deformação de Fibras, Compósitos e Matriz. Fonte: Afinko Soluções em Polímeros

  • Adesão interfacial: A interface pode ser considerada como o “coração” do compósito. Se falhar pode levar o compósito à falha catastrófica. A importância da interface reside na transferência de esforços da matriz às fibras, que ocorre através dela.
  • Orientação: Devido à anisotropia das fibras, a orientação delas é um fator que tem forte influência na resistência mecânica do compósito final. Fibras orientadas paralelamente à solicitação mecânica, sob tração, apresentam o melhor desempenho. Porém, as fibras orientadas na direção perpendicular exibem o pior desempenho. Na prática, os processamentos industriais, como por exemplo injeção, extrusão, entre outros, não levam a uma orientação total das fibras. Com isso, são obtidas propriedades intermediárias, que não correspondem às orientações absolutas de 0° e/ou 90°.

Porém, por que as fibras de vidro são mais utilizadas?

Além do exposto acima, as fibras de vidro apresentam preços competitivos, disponibilidade, boa manipulação, facilidade de processamento, elevada relação propriedade/custo e uma elevada resistência mecânica. Fazendo com que seja o reforço mais utilizado.

A Afinko Soluções em Polímeros realiza ensaios que permite observar a adesão da fibra de vidro. Tem algum polímero ou material que deseja verificar isso?

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Polímeros Bioabsorvíveis: o que são e como ensaiá-los

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Se você já teve alguma ferida, machucado ou corte que foi suturado com fios que se dissolvem naturalmente com o tempo? Eles eram polímeros bioabsorvíveis!

O que são?!

Os polímeros bioabsorvíveis são aqueles que são absorvíveis pelo corpo sem causar danos à saúde.

É errado dizer que são biopolímeros pois segundo a definição da IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemists), um biopolímero é um polímero produzido por organismos vivos, incluindo proteínas, polissacarídeos e ácidos nucleicos (DNA e RNA). Dessa forma, materiais que são produzidos sinteticamente a partir de monômeros naturais são classificados como “Materiais Biobaseados”.

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Falamos sobre Biopolímeros, Plástico Verde e Materiais Biobaseados aqui

São muito utilizados na medicina

Os polímeros bioabsorvíveis mais conhecidos são Poliácido Lático (PLA), Poliácido Glicol (PGA), Policaprolactona (PCL) e seus copolímeros. Eles possuem a capacidade de serem absorvidos pelo corpo humano sem causar prejuízos aos tecidos, tornando-os materiais ideais para uso em implantes, por exemplo. Neste caso, estes materiais atendem requisitos como:

  • Biocompatibilidade
  • Alta massa molar
  • Resistência Mecânica
  • Capacidade de entregar o medicamento, por exemplo, no lugar em que o implante se localiza
  • Processo de degradação previsível e taxa de reabsorção no corpo

Com isso, a estabilidade e durabilidade desses materiais passam a ser cruciais. A degradação precisa acontecer de forma controlada pois este é, literalmente, um caso de vida ou morte. Devemos lembrar que estes polímeros bioabsorvíveis estarão em um ambiente com variação de temperatura, umidade e pH, constantemente. Dessa forma, projetar e desenvolver estes polímeros é extremamente complicado e necessita de muita pesquisa e desenvolvimento do produto.

Implantes Bioabsorvíveis

Figura: Implantes Bioabsorvíveis

Alguns ensaios podem prever a degradação

Aqui na Afinko Soluções em Polímeros realizamos alguns ensaios que permitem analisar a degradação do material. Alguns exemplos de ensaios são:

  • Titulação Karl Fischer: Permite identificar a umidade presente no material. A umidade pode acelerar a degradação do polímero bioabsorvível no corpo.
  • Índice de Fluidez (MFI): O índice de fluidez pode ser entendido como uma avaliação indireta da massa molar do polímero, pois quanto maior o índice de fluidez, menor é a viscosidade do polímero e consequentemente menor sua massa molar.
  • Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massas (GC-MS): permite a separação de misturas complexas de compostos voláteis e termoestáveis, e a detecção por MS permite a identificação de compostos em quantidades de partes por bilhão (ppb) através da observação da massa e fragmentação das moléculas. É utilizada para avaliar o perfil químico de misturas e amostras complexas, para identificar aditivos, monômeros, solventes e impurezas residuais.
  • Espectroscopia no Infravermelho (FTIR): O ensaio de FTIR é utilizado na caraterização e identificação de grupamentos químicos de materiais orgânicos e inorgânicos e permite avaliar diversas características como: identificar materiais desconhecidos e contaminações, determinar o índice de oxidação, avaliar degradação, quantificar alguns compostos, avaliar misturas de materiais, etc.

 

A Afinko Soluções em Polímeros pode auxiliar no desenvolvimento destes materiais. Realizamos todas as análises mencionadas acima e muitas outras. Entre em contato conosco para que possamos entender o projeto e ajudar a desenvolvê-lo.
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Lignina – Um biopolímero subestimado com diversas aplicações

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Das 70 milhões de toneladas de lignina produzidas pelo processo de polpação, apenas 2% tem uso em alto valor agregado.

Devido a uma maior conscientização sobre os problemas socioambientais e econômicos associados à utilização desenfreada de materiais oriundos de matéria-prima petroquímica, um grande enfoque tem sido direcionado à identificação e utilização de recursos renováveis como substitutos. Diversos setores da indústria, não só de produtos feitos de polímeros, já buscam alternativas mais sustentáveis. Isso inclui toda a gama de processos, mas também abrange a obtenção de matérias primas mais interessantes, nesse sentido.

Como uma das formas mais acessíveis de carbono renovável, a biomassa lignocelulósica tem se apresentado e sido reconhecida como uma das matérias-primas mais promissoras para substituir fontes fósseis na obtenção de produtos de alto valor agregado. Dentre a diversa gama de produtos, temos como exemplo: combustíveis, químicos de plataforma, polímeros, entre outros.

A biomassa lignocelulósica possui três componentes principais: celulose, hemicelulose e lignina, em proporções variáveis de acordo com a espécie de planta. Os dois primeiros são polissacarídeos com estruturas e funções distintas e compõem entre 50-85% da massa. A lignina, sendo responsável por cerca de 15-30% da biomassa, é um heteropolímero reticulado e amorfo.

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Contém estrutura aromática com três monômeros fenilpropanoídicos (monolignóis) derivados do ácido cinâmico. Estes são conectados por ligações carbonos-carbono ou éter. As diferentes proporções de álcool cumarílico, coniferílico e sinapílico e das ligações produzidas entre eles determinam a estrutura final da macromolécula. Assim, existe uma enorme diversidade, o que torna a determinação da exata estrutura algo extremamente complicado. A figura apresenta os monômeros e uma estrutura parcial de lignina exemplificando os tipos de ligações possíveis dentro da estrutura.

Monômeros e Estrutura parcial de lignina

Figura: Monômeros e Estrutura parcial de lignina

 

Mais de 98% é queimado

A lignina é o segundo polímero natural mais abundante e é responsável por cerca de 30% da reserva de carbono na biosfera. Somado à isso, é uma das poucas, senão a única matéria-prima passível de escalonamento constituída de blocos de construção contendo unidades aromáticas, e mesmo assim, é altamente subutilizada. Estimativas apontam que dos 70 milhões de toneladas de lignina obtida nos processos de polpação, menos de 2% é isolada e utilizada em aplicações de alto valor agregado. Os outros 98% são queimados nas próprias usinas como combustível de baixo valor calórico.

Diversas possibilidades já foram estudadas para transformar as ligninas obtidas pelos processos industriais já existentes em produtos de valor agregado. Tentou-se a obtenção de lignosulfonatos para utilização como dispersantes e aditivos. Tentou-se também a obtenção de diversas moléculas pequenas como benzeno, xileno, cresol, fenol, vanilina, entre outros.

Além de monômeros capazes de serem introduzidos na síntese de diversas classes de polímeros como poliuretanas, poliésteres, poliamidas aromáticas e resinas epóxi e fenólicas. Entretanto, atualmente a grande maioria dos processos conhecidos demanda muita energia. Além disso, é necessário também reagentes e condições reacionais que não permitem a obtenção destas moléculas de maneira viável.

Observando estes pontos, a Afinko Soluções em Polímeros desenvolve atualmente projetos relacionados à possibilidade de utilização destas ligninas obtidas junto aos processos de polpação, sem a necessidade de transformação posterior, como parte integrante de biocompósitos poliméricos.

Isso permite o aproveitamento deste subproduto em uma aplicação mais nobre, e ao mesmo tempo incutindo diversos benefícios ao polímero como melhora em algumas propriedades mecânicas e térmicas, tornando-o mais ambientalmente amigável.

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Nossas referências e indicações:

Berstis, L. – Radical Nature of C-Lignin

Nonaka, H. – Selective conversion of hardwood lignin into syringyl methyl benzofuran using p-cresol

Shuai L. – Formaldehyde stabilization facilitates lignin monomer production during biomass depolymerization.

Upton B.M. and Kasko A.M – Strategies for the Conversion of Lignin to High-Value Polymeric Materials: Review and Perspective

Bioplásticos: Entenda de uma vez por todas!

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Plásticos verdes, biopolímeros, bioplásticos, polímeros biodegradáveis e biobasedos… Entenda de uma vez por todas!

Tecnologias recentes têm sido direcionadas para a produção de materiais poliméricos menos agressivos ao meio ambiente. Hoje em dia o mercado de polímeros encontra uma situação de pleno crescimento, impulsionado pelas evoluções no mercado de “bioplásticos”. Todavia esta terminologia é um tanto quanto subjetiva, podendo ser interpretada muitas vezes de forma ambígua, sendo atrelada a duas classes de materiais com características distintas sendo:

  1.  Polímeros biodegradáveis;
  2.  Polímeros biobaseados, plásticos “verdes” ou mesmo bioplásticos.

Para garantir uma utilização correta destes termos, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) publicou uma recomendação de terminologias para a área, sendo as mais importantes para a compressão deste tema destacadas na tabela abaixo.

Tabela – Recomendação da IUPAC sobre terminologias relacionadas a polímeros e suas aplicações.

Termo

Significado

Macromolécula

Molécula de alta massa molar feita com múltiplas repetições de pequenas moléculas

Biomacromolécula

Macromoléculas produzidas por organismos vivos

Polímero

Substância composta de macromoléculas

Biopolímero

Substância composta de biomacromoléculas

Biopolímero Sintético

Cópia de um biopolímero, feita pelo homem por rotas abióticas

Polímero Artificial

Polímero feito pelo homem que não seja um biopolímero

Biomassa

Sistemas vivos e coleções de substâncias orgânicas produzidas por sistemas vivos, exploráveis como materiais aplicados

Polímero Biobaseado

Composto ou derivado, total ou em parte, de produtos biotecnológicos derivados de biomassa

Bioplástico

Polímero biobasedo que pode ser moldado em alguma parte do processo

Polímero Biodegradável

Polímero que pode ser degradado pela ação do ambiente, como ar, luz, calor ou micro-organismos

Polímeros Biodegradáveis

Os polímeros biodegradáveis podem ser produzidos a partir de monômeros derivados tanto da indústria petroquímica como de materiais renováveis. Porém, apresentam uma estrutura passível de biodegradação, que pode ocorrer de maneira abiótica através da exposição à luz, umidade, vento e calor. Além disso, também pode ocorrer por rotas bióticas por ação de enzimas e micro-organismos, ou ambas. Esses materiais possuem uma estrutura química que permite uma rápida assimilação do material pelo meio ambiente, minimizando o impacto causado pelo descarte de plásticos.

Quando exposto a agentes físicos e/ou comunidades microbianas de um determinado ambiente como, por exemplo, solo, lodo ou água, polímeros biodegradáveis e biopolímeros são biotransformados, podendo ser completamente mineralizados a CO2, H2O e outros compostos. Enzimas secretadas extracelularmente e/ou fenômenos como luz, calor e umidade atacam o esqueleto químico dos polímeros, levando a produtos de degradação de baixa massa molecular, que podem ser assimilados por células microbianas para serem usadas como fonte de carbono e energia.

Pode-se correlacionar a capacidade de biodegradação com a existência de certos grupos funcionais de maior labilidade frente a hidrólise. Assim, de uma maneira geral poliésteres, poliamidas, poliuretanas, polianidridos, poliacetais e polímero com substituintes polares podem ser susceptíveis a processos de degradação, em diferentes faixas de tempo.

Bioplásticos

Os polímeros biobaseados, bioplásticos ou ainda “plásticos verdes” são aqueles que apresentam estrutura química similar aos compostos derivados de petróleo. Porém a matéria-prima utilizada para a fabricação deste material é total ou parcialmente proveniente de fontes renováveis, sendo o principal substrato a biomassa derivada de resíduos agroindustriais. A biomassa oferece uma fonte de carbono proveniente da biosfera como uma alternativa para o carbono fossilizado.

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Qualquer material biológico que cresça e esteja disponível pode ser classificado como biomassa, incluindo plantações, árvores, subprodutos animais e humanos, resíduos industriais e qualquer outro material biológico com capacidade de ser reabastecido em um curto espaço de tempo. Este material passa por uma ou mais etapas de transformação para a obtenção de pequenas “moléculas de plataforma”, que podem ser inseridas em processos industriais existentes sem necessidade de modificação da rota.

O uso deste substrato como fonte de matéria-prima reduz a pegada de carbono e a emissão de gases nocivos, quando se considera que o material vegetal utilizado para obtenção do material de partida utilizou parte destes componentes, especialmente CO2, para seu desenvolvimento enquanto viva.

Entretanto, é importante salientar que uma vez produzido o polímero “verde”, eles apresentam os mesmos problemas relacionados com os polímeros petroquímicos convencionais no que tange a geração de resíduos e outros problemas. A própria definição de “biobaseado” (bio-based) da IUPAC ressalta que “um polímero biobaseado ou dispositivo polimérico não é necessariamente ambientalmente amigável, nem biocompatível, nem biodegradável, especialmente se possuir estrutura que remeta a polímeros baseados em petroquímicos”. Inclusive, o órgão recomenda a não utilização do termo bioplástico e sim o uso do termo biobaseado, uma vez que o nome bioplástico é uma terminologia enganosa pois sugere que qualquer polímero derivado de biomassa é ambientalmente amigável.

A figura abaixo ilustra as diferenças encontradas entre cada tipo de polímero, e seus principais representantes dentre os materiais conhecidos atualmente.

Diagrama para biopolímeros. Destaque para bioplásticos

Figura: Tipos de polímeros produzidos industrialmente

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O que são biocompósitos?

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Entenda o conceito de Biocompósitos, alguns exemplos e sua importância.

Biocompósitos são materiais constituídos por fases de origem natural, e, portanto, o seu desenvolvimento é primordial na redução dos impactos ambientais causados pelo intenso consumo de materiais sintéticos obtidos a partir de fontes fósseis, além de diminuir o acúmulo de resíduos naturais permitindo valorizar de forma sustentável a cadeia de produção agrícola e também na intenção de se reduzir custos de produção dos materiais plásticos.

As fibras naturais se dividem em fibras de origem animal, origem vegetal e origem mineral. O Brasil é um dos maiores produtores mundiais de grãos e outros produtos vegetais. Dessa forma, gera-se uma grande quantidade de resíduos provenientes da colheita ou de seu beneficiamento. As fibras vegetais com grande potencial de modificar os polímeros termoplásticos são: fibras de sisal, coco, juta, curauá, bagaço da cana de açúcar, soja, casca de arroz, madeira, etc.

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É importante destacar que as fibras e cargas de origem vegetal não possuem regularidade e padronização em sua qualidade, podendo promover diferentes níveis de modificação no polímero. O processamento desses biocompósitos é complexo devido à natureza higroscópica e hidrofílica das fibras naturais vegetais (lignocelulósicas), uma vez que a absorção de água causa vapores durante o processamento, promovendo porosidade (diminuição de propriedade mecânica), agravamento na degradação térmica do material celulósico e liberação de voláteis.

As principais vantagens das fibras ou cargas naturais nos biocompósitos são: disponibilidade ilimitada por serem provenientes de fontes renováveis; são menos abrasivas do que as fibras de vidro, gerando menor desgaste dos equipamentos; são menos agressivas ao meio ambiente; biocompósitos podem apresentar (dependendo do caso) aumento no módulo de elasticidade/rigidez; aumento na resistência mecânica (tração, flexão, compressão); aumento na temperatura de deflexão térmica (HDT), entre outras.

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