AVALIAÇÃO DA TENSÃO INTERFACIAL DE PS E PMMA
EM PBT PELO MÉTODO DE RETRAÇÃO DE GOTAS.
Edson N. Ito1, Rosario E.S. Bretas2, Elias Hage Jr.2*
1
Programa de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da UFSCar – PPG-CEM, 2*Depto. de
Engenharia de Materiais da UFSCar - DEMa, Caixa Postal 676, 13560-905 São Carlos/SP.
1
[email protected]; 2 [email protected]; 2* [email protected]
Interfacial tension evaluation of PS and PMMA in PBT systems by ellipsoidal drops retraction method.
Measurement of interfacial tension of PS and PMMA in PBT was done using ellipsoidal drops retraction method. The
evaluation was done for three different PBT grades. The interfacial tension showed an increase as the PBT molecular
weight was higher. The measured values were similar to those calculated by harmonic average procedure. .
Introdução
Os principais métodos de medida de tensão interfacial
entre polímeros são: termodinâmicos (estáticos),
dinâmicos e oscilatórios de baixa amplitude; este
último, porém, é muito pouco utilizado em polímeros
[1]. Os métodos termodinâmicos requerem um longo
tempo de experimento por causa da alta viscosidade
dos polímeros, o que implica em riscos de degradação
térmica dos mesmos. Os métodos dinâmicos têm a
vantagem de serem mais rápidos e compensam fatores
como perturbação térmica [1]. Os principais métodos
dinâmicos são o de ruptura de filamentos (“breaking
thread”) e de retração de gotas; porém, o método
“breaking thread” é mais complexo do ponto de vista
experimental e em sistemas onde a razão de
viscosidade é maior que a unidade, este pode não
produzir resultados coerentes.[1]. No estado de
deformação tridimensional de uma gota pode ser
descrito por um tensor de segunda ordem S positivo
cujo autovalor representa o quadrado do semi-eixo de
uma elipsóide. A evolução deste tensor resulta da ação
da tensão interfacial e do arraste hidrodinâmico
exercido pelo movimento e pode ser descrito por um
modelo de evolução como o proposto por Maffettone e
colaboradores [2], dado como:
f
dS
− Ω ⋅ S + S ⋅ Ω = − 1 [S − g (S )I ] + f 2 (E ⋅ S + S ⋅ E )
τ
dt
é determinada a
do elipsóide. A tensão interfacial
partir da Equação (2). Neste trabalho, foi determinado
esta tensão interfacial no sistema composto de
poli(tereftalato de butileno), PBT e polímeros
poliestireno, PS, e poli(metacrilato de metila), PMMA,
utilizando o método da retração de gotas desenvolvido
por Mo e colaboradores [1] e o resultado comparado
com valores teóricos.
Experimental
Foram utilizados 3 tipos de PBT, chamados neste
trabalho de PBT 195, 325 e 315, respectivamente,
conhecido pelo nome comercial de Valox 195, 325F e
315, fornecidos pela GE Plastics South America, um
PS conhecido comercialmente como Polystyrol 168N
da Basf e um PMMA produzido Resarbrás e utilizado
para moldagem por injeção.
As amostras de PBT foram preparadas na forma de
filmes por prensagem a quente, na temperatura de
240°C, a partir de grânulos secos em estufa a vácuo
durante 12 h a 60°C. Os filamentos de PS e PMMA
foram preparados a partir dos grânulos na temperatura
de 240°C e estirados para produzir filamentos na
espessura de aproximadamente 80-120 m de diâmetro.
Estes filamentos foram colocados entre os filmes de
PBT O sanduíche foi depositado entre lamínulas de
vidro e o conjunto aquecido até a temperatura de
240°C numa placa quente THMS 600 da Linkan. A
região de aquecimento foi envolta em atmosfera de
nitrogênio para minimizar a degradação térmica dos
polímeros. A ruptura do filamento e retração da gota
foi acompanhada num microscópio de luz transmitida e
as imagens adquiridas por um programa de aquisição
de imagens Image-Pro Plus, com posterior cálculo da
razão de aspecto da gota. A viscosidade a taxa zero
( 0) foi obtida por reometria rotacional em placas
paralelas na temperatura de 240°C num reômetro
rotacional ARES da Rheometrics em atmosfera de
nitrogênio. Os valores de 0 foram obtidos nos tempos
(1)
onde: E é o tensor taxa de deformação e o tensor
vorticidade .Se E e são iguais a zero a Equação (1)
pode ser simplificada para:
(λ1 − λ2 ) = (λ1 − λ2 )0 exp⎛⎜ − f1 t ⎞⎟ = (λ1 − λ2 )0 ×
τ⎠
(2)
⎝
⎡ σ
⎤
40( p + 1)
exp ⎢−
t⎥
(
η
2
3)(19 p + 16) ⎦
R
p
+
⎣ m 0
onde: m é a viscosidade da matriz, R0 o raio da gota no
equilíbrio,
a tensão interfacial , p a razão de
viscosidades ( d/ m), 1 = L2 , 2 = B2, L e B são
respectivamente os valores de semi-eixo maior e menor
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equivalentes aos tempos de ensaio de ruptura e retração
das gotas.
Resultados e Discussão
A Tabela 1 mostra os valores de viscosidade dos
polímeros utilizados neste estudo obtidos em taxas de
cisalhamento zero determinada
pelo modelo de
Carreau após diferentes tempos de permanência na
temperatura de ensaio em reômetro de placas paralelas
a 240oC.
Aplicando estes valores e da razão de viscosidade p na
Equação 2 é possível obter os valores da tensão
interfacial , conforme apresentado na Tabela 3.
Tabela 2– Razão de viscosidade no tempo de medidas de tensão
interfacial.
Tabela 1– Valores de viscosidade a taxa de cisalhamento zero dos
materiais utilizados obtidos a 240oC.
Tabela 3– Resultados experimentais e teóricos de tensão interfacial.
Observa-se uma queda de viscosidade ao longo do
tempo para os polímeros PS, PMMA e PBT 315. Esta
redução pode ser resultado do processo de degradação
térmica, mesmo em atmosfera não oxidante. O PBT
195 mostra um aumento na viscosidade ao longo do
tempo. Deve ser mencionado que este tipo de PBT
possui massa molar relativamente baixa, como
observado pela sua baixa viscosidade. O tratamento
térmico deste PBT em atmosfera livre de água pode
provocar reações de pós-condensação proporcionando
aumento na sua massa molar. A Tabela 2 apresenta as
respectivas razões de viscosidade (p) entre as amostras
analisadas.
O comportamento de instabilidade e quebra das fibrilas
de PS e de PMMA em uma matriz de PBT é mostrado
na Figura 1.
Os valores de obtidos experimentalmente mostram
um aumento com o aumento da viscosidade da matriz
de PBT. Cálculos teóricos efetuados a partir de
procedimento mostrado na literatura [3, 4], utilizando
média harmônica mostram valores próximos aos
experimentais para amostras de PBT com baixa massa
molar. A similaridade de valores é coerente pois os
cálculos teóricos são baseados em unidades
monoméricas.
Conclusões
Foi possível medir valores de tensão interfacial para
sistemas poliméricos constituídos de PS e PMMA em
PBT. Esses valores aumentam com o aumento da
massa molar de PBT.
Agradecimentos
Este trabalho foi financiado pelas agências CAPES,
FAPESP e PRONEX/FINEP/CNPq. Aproveitamos esta
oportunidade para agradecer as empresas GE Plastics
South América, BASF e Resarbrás pela doação dos
materiais.
Referências Bibliográficas
1. H. Mo, C. Zhou e W. Yu;, J. Non-Newtonian Fluid
Mechanics, vol. 91, p. 221-232, 2000.
2 P. L. Maffettone e M. Minale; J. Non-Newtonian
Fluid Mechanics, vol. 78, p. 227-241, 1998.
3 J. Brandrup e E. H. Immergut, Polymer Handbook,
cap. VI, 3a. ed., John Wiley & Sons, New York
1989.
4 D. W. van Krevelen, Properties of Polymers, Cap.
7 e 8, 3a. ed., Elsevier, Holanda, 1990.
5 Wu S., Polymer Interface and Adhesion, Marcel
Dekker, Inc., New York, 1982.
6 Ito, E.N.; Ueki, M.M.; Bretas, R.E.S.; Hage Jr., E.
in Polymer Processing Society 20th Annual
Meeting, Akron-Ohio, 2004.
Figura 1– Sequência de ruptura e retração das fibrilas
para os diferentes sistemas utilizados.
Após 15 ou 30 minutos de exposição das fibrilas a
240oC ocorre à ruptura e o conseqüente fenômeno de
retração das gotas. O acompanhamento da retração das
gotas de formato elipsoidal, através das medidas do
semi-eixo L e B, proporciona o cálculo de i.
Anais do 8o Congresso Brasileiro de Polímeros
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