PGMEC
PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESCOLA DE ENGENHARIA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Dissertação de Mestrado
INFLUÊNCIA DA TAXA DE
CARREGAMENTO NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO DO PEAD RECICLADO
LÍVIA JÚLIO PACHECO
ABRIL DE 2013
LÍVIA JÚLIO PACHECO
INFLUÊNCIA DA TAXA DE CARREGAMENTO NO
COMPORTAMENTO MECÂNICO DO PEAD RECICLADO
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa
Francisco
Eduardo
Mourão
Saboya de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica da UFF como parte dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em
Ciências em En genharia Mecânica
Orientador(es): Prof. João Marciano Laredo dos Reis, PhD
(PGMEC/UFF )
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
NITERÓI, 24 DE ABRIL DE 2013
INFLUÊNCIA DA TAXA DE CARREGAMENTO NO
COMPORTAMENTO MECÂNICO DO PEAD
RECICLADO
Esta dissertação é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos
Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores:
Prof. João Marciano Laredo dos Reis (PhD.)
Universidade Federal Fluminense – PGMEC/UFF
(Orientador)
Prof. Heraldo Silva da Costa Mattos (D.Sc.)
Universidade Federal Fluminense – PGMEC/UFF
Prof. Silvio Romero de Barros (D.Sc.)
Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca – CEFET/RJ
Aos Meus Pais
AGRADECIMENTOS
A Deus, pois sem Ele nada seria possível.
À minha família por ser o meu suporte e meus amigos pela compreensão e
ajuda.
Ao meu orientador, João Marciano Laredo dos Reis por ter me aceitado como
sua orientada. Por sua paciência, dedicação e seus ensinamentos que foram fundamentais
para a conclusão desta etapa do trabalho.
Ao Mestre Rafael Chianelli, por sua ajuda na confecção dos modelos
testados.
A Filipe Brandt que tanto amo, minha base, por seu apoio e compreensão que
foram primordiais para a conclusão de mais esta etapa.
A todos aqueles que, direta ou indiretamente, colaboraram para que este
trabalho conseguisse atingir os objetivos propostos.
Falar é dizer ao vento. Escrever é contar ao tempo
Pe. Antonio Francisco Bohn
RESUMO
A utilização de materiais poliméricos no cenário atual é devido às suas boas
propriedades mecânicas e substituir em alguns casos metais em determinadas aplicações.
Por se tratar de um material utilizado em larga escala, o seu descarte ocorre em grandes
volumes, por este motivo o estudo sobre a reutilização de materiais poliméricos tem
aumentado em proporção considerável, devido à preocupação ambiental e econômica, por
se tratar de um material com valor agregado. O trabalho apresentado, prima pelo estudo
do comportamento mecânico do PEAD (Polietileno de Alta Densidade) reciclado advindo
de recipientes de óleo lubrificante e aditivo para motores automotivos (embalagens
moldadas a sopro), picotados e moldados por compressão onde foi estudada
experimentalmente em função da taxa de carregamento. Através de ensaios específicos
são fornecidos dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Ao
considerar a velocidade de carregamento foi avaliado se as propriedades mecânicas do
polímero são afetadas. O PEAD reciclado foi testado à temperatura ambiente para
determinar suas propriedades de tração. O PEAD possui comportamento mecânico com
deformação não linear quando solicitado, alta sensibilidade a variações de velocidade de
deformação e de temperatura. Essas características fazem com que este material necessite
de um modelo específico para representar adequadamente a relação de tensão e
deformação, taxa de deformação, temperatura, etc. Logo, este trabalho visa desenvolver
um modelo matemático constitutivo que conjugue características viscoelásticas de forma
a permitir uma melhor compreensão do comportamento linear e não linear encontrado
nestes materiais específicos sob grandes deformações a diferentes velocidades de
deformação. Os resultados foram obtidos para os exemplos de tração uniaxial, onde foi
possível verificar a representatividade do típico comportamento de tensão e deformação
do PEAD estudado.
Palavras chaves: PEAD, Propriedades Mecânicas, Ensaio de Tração, Viscoelasticidade,
Modelo Matemático
ABSTRACT
The use of polymeric materials in the present scenario is due to their good
mechanical properties and in some cases replace metals in certain applications. Because it
is a material used in large scale, its disposal occurs in large volumes, therefore the study
on reuse of polymeric materials has increased in considerable proportion, due to
economic and environmental concerns, because it is a material with value. The work
displayed, priority the study of the mechanical behavior of HDPE (High-density
Polyethylene) recycled containers coming from lubricant oil and additive for automotive
engine (blow molded packaging), shredded and compression molded which was
experimentally studied as a function of the loading rate. Through specific test are
provided quantitative data of the mechanical characteristics of the materials. When
considering the download speed was rated if the mechanical properties of the polymer are
affected. HDPE recycled was tested ambient temperature to determine their tensile
properties HDPE has mechanical behavior with nonlinear deformation when required,
high sensitivity to speed variations of deformation and temperature. These characteristics
make this material requires a specific template to properly represent the relationship
between stress and strain, strain rate, temperature etc. Thus, this work aims to develop a
mathematical model that combines constitutive viscoelastic properties to enable a better
understanding of linear and nonlinear behavior found in these specific materials under
large deformations at different strain rates. The results were obtained for the uniaxial
tensile samples where it was possible to verify the representative of the typical behavior
of the stress and strain HDPE studied.
Keywords: PEAD, Mechanical Properties, Traction Test, Viscoelasticity, Mathematical
Model.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS....................................................................... I
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... III
LISTA DE TABELAS ..................................................................................................... V
LISTA DE SÍMBOLOS.................................................................................................. VI
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 19
1.1 APRESENTAÇÃO .................................................................................................. 19
1.2 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA .............................................................. 22
1.3 OBJETIVOS............................................................................................................. 23
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ...................................................................... 23
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 25
2.1 POLÍMEROS ........................................................................................................... 25
2.1.1 DEFINIÇÃO ............................................................................................................... 25
2.1.2 CLASSIFICAÇÃO ....................................................................................................... 26
2.1.2.1 Quanto à estrutura química: ............................................................................... 26
2.1.2.2 Quanto ao método de preparação: ...................................................................... 26
2.1.2.3 Quanto ao comportamento mecânico.................................................................. 27
2.1.2.4 Quanto ao desempenho mecânico ....................................................................... 27
2.1.3 Quanto à estrutura molecular ................................................................................ 28
2.1.4 Quanto ao comportamento térmico ........................................................................ 29
2.1.5 Propriedades dos polímeros .................................................................................... 30
2.1.5.1 Propriedades Mecânicas ...................................................................................... 30
2.1.5.2 Propriedades Térmicas ........................................................................................ 32
2.1.5.3 Propriedades Elétricas ......................................................................................... 34
2.1.5.4 Propriedades óticas .............................................................................................. 35
2.1.5.5 Outras propriedades físicas ................................................................................. 36
2.1.5.6 Propriedades químicas ......................................................................................... 36
2.1.5.7 Propriedades físico-químicas............................................................................... 38
2.2 POLIETILENO ........................................................................................................ 38
2.2.1 Obtenção do Polietileno .......................................................................................... 40
2.2.2 Classificação e Propriedades do Polietileno de Alta Densidade ........................... 40
2.2.3 Características do PEAD ........................................................................................ 40
2.2.4 Reciclagem do PEAD .............................................................................................. 41
2.2.6 Aplicações do PEAD reciclado das embalagens de óleo lubrificante ................... 42
3. MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 45
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS .................................................................................... 46
3.2 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS .......................................................................... 47
3.3 PREPARAÇÃO DOS MATERIAIS ........................................................................ 47
3.4 CONFORMAÇÃO DO TERMOPLÁSTICO ......................................................... 49
3.5
PRENSAGEM
E
CONFECÇÃO
DOS
CORPOS
DE
PROVA
–
PROCEDIMENTO ......................................................................................................... 49
3.6 ENSAIO MECÂNICO .............................................................................................. 50
3.6.1 Ensaio de tração do PEAD reciclado ..................................................................... 51
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E MODELO MATEMÁTICO .................... 56
4.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS...................................................................... 57
4.2 MODELO MATEMÁTICO .................................................................................... 61
5. CONCLUSÕES ........................................................................................................... 72
5.1 ANÁLISES CONCLUSIVAS ................................................................................... 72
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................... 73
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: ........................................................................ 75
APÊNDICE: ARTIGOS PUBLICADOS...................................................................... 80
i
Lista de Abreviaturas e Siglas
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ACV
Análise do Ciclo de Vida
ASTM D638
Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics
-CH2-
Polietileno
CH2=CH2
Eteno
CP
Corpo-de-prova
E
Módulo de Young
FIG.
Figura
HDPE
High-density polyethylene
InpeV
Instituto Nacional de Processamento de Embalagens Vazias
L
Região Elástica do Material
LAMCO
Laboratório de Materiais de Construção da UFF
LDPE
Low-density polyethylene
P
Tensão Proporcional
PE
Polietileno
PEAD
Polietileno Linear de Alta Densidade
PET
Politereftalato de etileno
PIB
Produto Interno Bruto
PP
Polipropileno
PS
Poliestireno
ii
PVC
Poli (Cloreto de Vinila)
SEPAN
Oficina Mecânica e Posto de Troca de Óleo Lubrificante
Sindicom
Sindicato Nacional das Empresas Distribuidoras de Combustíveis e de
Lubrificantes
Sindiplast
Sindicato da Indústria de Material Plástico do Estado de São Paulo
Tg
Temperatura de Transição Vítrea
Tm
Temperatura de Fusão Cristalina
UFF
Universidade Federal Fluminense
ε
Deformação
σ
Tensão
σB
Resistência à tração do Material
σE
Limite de Escoamento
σL
Limite de Elasticidade
σp
Limite de Proporcionalidade
σR
Tensão de Ruptura
iii
Lista de Figuras
Figura 1 - Comportamento Mecânico das Principais Classe de Polímeros ............... 31
Figura 2 - Elongação Máxima X Resistência Máxima de um Plástico Flexível ........ 32
Figura 3 – Modelos de Embalagens Plásticas de óleos lubrificantes. ......................... 43
Figura 4 - Embalagens de óleo lubrificante e aditivos automotivos. .......................... 46
Figura 5 - Vazamento do resíduo de óleo das embalagens de óleo lubrificante. ....... 48
Figura 6 - Material peletizado no Triturador Plastimax 5 cv. .................................... 48
Figura 7- Diagrama esquemático de moldagem por compressão. .............................. 49
Figura 8 - Massa nos moldes para prensagem por compressão ................................. 50
Figura 9- Tensão versus deformação para polímeros (a) frágeis, (b) plásticos, (c)
elastômeros. ..................................................................................................................... 52
Figura 10- Região elástica de um material. .................................................................. 53
Figura 11- Região plástica .............................................................................................. 53
Figura 12 - Máquina Universal de Ensaio SHIMADZU ............................................. 54
Figura 13 - Corpo de prova tipo I (dimensões em mm). Fonte: ASTM D 638 (08). . 55
Figura 14 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 0.5
mm/min ............................................................................................................................ 57
Figura 15 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 1
mm/min ............................................................................................................................ 58
Figura 16 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 5
mm/min ............................................................................................................................ 58
Figura 17 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 10
mm/min ............................................................................................................................ 59
Figura 18 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 50
mm/min ............................................................................................................................ 59
Figura 19 - Tensão Verdadeira versus Deformação Verdadeira para Diferentes
taxas de Deformação ....................................................................................................... 60
Figura 20 - Identificação Experimental da variável auxiliar D no ensaio de tração 65
iv
Figura 21- Identificação do e dos parâmetros da tensão verdadeira versus
deformação verdadeira ................................................................................................... 68
Figura 22 - Curvas de dano em testes de tração do PEAD reciclado a diferentes
taxas de deformação ....................................................................................................... 69
Figura 23 - Tensão Verdadeira X Deformação Verdade do PEAD reciclado para
diferentes taxas de deformação. Comparação com resultados experimentais .......... 70
v
Lista de Tabelas
Tabela 1. Características Principais do PEAD Puro ................................................... 40
Tabela 2. Parâmetros do Material ................................................................................ 67
vi
Lista de Símbolos
%
Porcentagem
á
Limite da taxa de deformação máxima
Limite da taxa de deformação mínima
ε
Taxa de deformação de engenharia
Limite da taxa de deformação
°C
Celsius
a
Constante Positiva do Material
a(
)
Valor máximo da tensão para uma dada taxa de deformação em função do
tempo
aε )
Valor máximo da tensão para uma dada taxa de deformação constante
A0
Alongamento prescrito
a1
Constantes positivas do material
a2
Constantes positivas do material
b
Constantes positivas do material
b(
)
Valor da tensão para uma dada taxa de deformação em função do tempo
bε )
Valor da tensão para uma dada taxa de deformação constante
c0
Constantes positivas do material
c1
Constantes positivas do material
c2
Constantes positivas do material
c3
Constantes positivas do material
cal/g°C
Caloria por grama grau Celsius
cv
Cavalo vapor
vii
D
Variável de Dano
d )
Derivada da tensão
d0
Constantes positivas do material
d1
Constantes positivas do material
Dcr
Variável de Dano Crítico
dσ(t)
Derivada da tensão verdadeira
Exp
Exponencial
F
Força
F(t)
Força de Alongamento em tempo conhecido
g/cm3
Gramas por centímetro cúbico
h
Hora
kN
Quilo Newton
L
Medida de comprimento
ln
Logarítimo neperiano
mm
Milímetro
mm/min
Milímetro por minuto
MPA
Mega Pascal
N
Número de ciclos
nm
Nanômetro
t
Tempo
v
Velocidade
∆L(t)
Alongamento fixado
∆ε
Variação de Deformação
viii
∆σ
Variação de Tensão
σ
Tensão de Projeto
Σ
Somatório
σ (t)
Tensão de Projeto Verdadeira
)
Valor máximo da tensão para uma dada taxa de deformação constante
)
Valor máximo da tensão para uma dada taxa de deformação constante
Tensão de engenharia
)
Tensão de Engenharia Verdadeira
Capítulo 1
Introdução
1.1
APRESENTAÇÃO
Desde a Antiguidade, o homem retira produtos da natureza para utilização na
construção civil, como o barro, areia, pedra, madeira, entre outros. Devido à oferta
insuficiente de recursos naturais, surge a necessidade de o homem modificar e criar novos
materiais para atender plenamente suas aspirações, dando origem aos produtos sintéticos,
como o plástico, que, desde a sua descoberta, no início do século XX, vem sendo
integrado a todos os estilos de vida, com o emprego variando de utensílios domésticos à
ciência sofisticada e aos instrumentos médico [4].
Com o aumento da utilização dos materiais poliméricos no cenário atual, houve a
necessidade de uma destinação final para estes polímeros de acordo com as normas atuais
vigentes, levando em consideração preocupações ambientais relativas à sua destinação
final.
Entre os polímeros comercializados o polietileno é o que apresenta a estrutura
mais simples. Conferindo assim grande versatilidade em relação à variedade dos
19
processos de transformação. Este polímero foi descoberto na Grã-Bretanha em 1933 e
comercializado em 1939. Atualmente é um dos plásticos mais vendidos e reciclados no
mundo.
O Polietileno de Alta Densidade (PEAD) sendo um termoplástico é bastante
utilizado. Seu uso em escala industrial vem sendo empregado desde 1950 devido as suas
qualidades (durabilidade, estanqueidade química, térmica, resistência à corrosão e
ductibilidade). Do ponto de vista térmico não há restrição para a reciclagem do PEAD.
Ele vem se tornando um dos plásticos mais reciclados dentre os termoplásticos, devido às
suas propriedades mecânicas e à significativa disponibilidade nos resíduos sólidos
urbanos, cerca de 30% do total de resíduos plásticos rígidos [6].
Em tempo, CHIANELLI JUNIOR [6] enfatiza que a utilização do polietileno
reciclado na produção de embalagens e outros artefatos plásticos produzem os seguintes
benefícios:
•
Redução de 33% no consumo de energia;
•
Redução de 90% no consumo de água;
•
Redução de 66% na emissão de óxido de carbono;
•
Redução de 33% na emissão de dióxido de enxofre;
•
Redução de 50% na emissão de óxido nitroso.
O PEAD é encontrado nas embalagens de óleos lubrificantes automotivos, ao qual
tem como função evitar ou minimizar o desgaste de superfícies com movimentos
relativos. Na sua composição estão presentes, além das bases lubrificantes, os aditivos
que conferem ao produto propriedades adequadas para um bom desempenho. Estes
aditivos que compõem esse grupo têm funções detergentes/dispersantes, antioxidantes e
inibidoras de corrosão, entre outras. Quando se considera que esses produtos possuem
vida de prateleira “indeterminada” (conforme as informações que constam das
embalagens de mercado) em condições de estocagem apropriadas [28].
Com o crescimento da população mundial e consequentemente da sua frota
automobilística, o aumento do consumo de óleo lubrificante e aditivo automotivo produz
um acentuado e preocupante descarte de embalagens plásticas, oriundas de produtos não
degradáveis e altamente poluidores dos lençóis freáticos [6].
20
Ao serem descartadas pós-consumo, essas embalagens carregam consigo, resíduos
que escorrem nos aterros sanitários provocando um grande impacto ambiental. Nesses
aterros, os plásticos impedem as trocas líquidas e gasosas necessárias à decomposição das
matérias orgânicas.
Em tempo, a Lei Estadual no. 3369/00, específica do Rio de Janeiro, estipula que
todas as empresas que utilizam garrafas e embalagens plásticas na comercialização de
seus produtos são responsáveis pela destinação final ambientalmente adequada das
mesmas. Esta lei tem feito entidades como Petrobrás, Sindicom e InpEV (Instituto
Nacional de Processamento de Embalagens Vazias), entre outros, trabalharem na coleta
seletiva, educação ambiental, logística reversa e reciclagem nos setores de embalagens
plásticas para óleo lubrificante e agrotóxicos [28].
A produção de materiais oriundos de matérias-primas recicláveis e de fontes
renováveis constituem um importante passo para a sustentabilidade do planeta [6].
A partir deste princípio WASILKOSKI [36] em seu trabalho estuda o
comportamento mecânico dos materiais que é caracterizado pela resposta que estes
apresentam quando submetidos à taxa de carregamento.
A partir de certa tensão os materiais começam a se deformar plasticamente, ou
seja, ocorrem deformações permanentes que resultam de deslocamentos relativos entre
planos atômicos, os quais são de natureza irreversível uma vez cessada a solicitação.
Conforme, DALCIN [11] a tensão necessária para continuar a deformar aumenta
até um ponto máximo chamado de limite de resistência à tração na qual a tensão é a
máxima na curva tensão-deformação de engenharia. Isto corresponde à maior tensão que
o material pode resistir; se esta tensão for aplicada e mantida, o resultado será a fratura.
Toda a deformação até este ponto é uniforme na seção. No entanto, após este ponto,
começa a se formar uma estricção, na qual toda a deformação subsequente está confinada
e, é nesta região que ocorrerá ruptura. A tensão correspondente à fratura é chamada de
limite de ruptura.
Segundo VASSOLER [35], o comportamento mecânico dos materiais poliméricos
é, em geral, muito sensível a variações de velocidade de deformação e de temperatura.
Estes ainda possuem um comportamento com deformação não linear quando solicitados,
21
onde a não linearidade pode ser verificada seja em regime de deformações permanentes
como em regime de deformações não permanentes.
Neste trabalho o modelo constitutivo do material, deverá ser capaz de representar
a relação de tensão e deformação, taxa de deformação, etc. na faixa de análise.
Em tempo, estes modelos precisam de caracterização de parâmetros que o
alimentem e devem ser obtidos de forma experimental. A regra, em geral, diz que quanto
mais complexo o comportamento do material, mais sofisticado deve ser o modelo
constitutivo e, portanto, mais parâmetros constitutivos devem ser caracterizados [35].
Portanto, a base deste trabalho é buscar a resposta mecânica do PEAD reciclado
de embalagens de óleo lubrificante e aditivos, sendo analisadas experimentalmente,
comparando com valores encontrados na literatura para o PEAD virgem. A partir desta
análise será proposto um modelo matemático, para o estudo da viscoelasticidade do
material.
1.2
CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA
A concentração demográfica nas grandes cidades e o grande aumento do consumo
de bens geram uma enorme quantidade de resíduos de todo tipo, procedentes tanto das
residências como das atividades públicas e dos processos industriais. Todos esses
materiais recebem a denominação de lixo, e sua eliminação e possível reaproveitamento
são um desafio ainda a ser vencido pelas sociedades modernas [34].
É notado nas populações uma cultura predominante de exploração dos recursos
naturais do meio ambiente em nome de um modelo equivocado de desenvolvimento.
Conforme mencionado por TOREZANI [34], muito se tem discutido sobre as
melhores formas de tratar e eliminar o lixo -- industrial, comercial, doméstico, hospitalar,
nuclear etc. -- gerado pelo estilo de vida da sociedade contemporânea. É notado, que o
lixo é o espelho fiel da sociedade, sempre tão mais geradora de lixo quanto mais rica e
consumista. Qualquer tentativa de reduzir a quantidade de lixo ou alterar sua composição
pressupõe mudanças no comportamento social. Por sua vez, muitas entidades como
sindicatos e instituições veem formas de se reduzir a quantidade de lixo gerado.
22
Portanto, este trabalho foi desenvolvido buscando alternativas para a reciclagem
de embalagens plásticas de óleo lubrificante e aditivo pós-consumo, analisando seu
comportamento mecânico através de modelos constitutivos.
1.3
OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é o estudo do comportamento mecânico do Polietileno
de Alta Densidade (PEAD) reciclado oriundo das embalagens de óleo lubrificantes e
aditivos através de taxa de carregamento a temperatura ambiente.
A partir deste estudo, será desenvolvido leis constitutivas que conjugam
características viscoelásticas de forma a permitir e analisar o comportamento não linear
encontrado em materiais de polietileno de alta densidade reciclado sob grandes
deformações a diferentes velocidades de deformação.
1.4
ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
No primeiro capítulo é feita uma apresentação sobre os aspectos introdutórios
gerais do assunto abordado, centrando o estudo e fazendo uma exposição do problema, da
maneira como o mesmo é tratado e considerando o levantamento os objetivos que
nortearam o estudo e a metodologia utilizada.
Na sequência do trabalho são apresentados quatro capítulos organizados da
seguinte forma: O segundo capítulo refere-se à fundamentação teórica formada através
das informações encontradas na literatura. Esse capítulo aborda como tema à propriedade
dos polímeros, características do polietileno, conceitos de reciclagem do polietileno, tipos
de reciclagem, polímeros reciclados e considerações finais.
No terceiro capítulo, o estudo é apresentado de forma detalhada, mostrando os
materiais e métodos utilizados para análise.
No quarto capítulo são apresentados os resultados e discussões sobre o estudo e
apresentada a análise do modelo.
23
No quinto capítulo são apresentadas conclusões e recomendações gerais do
estudo e sugestões para trabalhos futuros.
No apêndice são apresentados os artigos publicados na revista Polymer Testing e
Conem – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica.
24
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
2.1 POLÍMEROS
2.1.1 Definição
A palavra polímero origina-se do grego poli (muitos) e mero (unidade de
repetição). Assim, um polímero é uma macromolécula composta por muitas (dezenas de
milhares) de unidades de repetição denominadas meros, ligados por ligação covalente. A
matéria-prima para a produção de um polímero é o monômero, isto é, uma molécula com
uma (mono) unidade de repetição [27,30].
25
2.1.2 Classificação
Um polímero é uma substância macromolecular constituída por unidades
estruturais repetitivas, unidas entre si por ligações covalentes. Em alguns casos, as
ligações conduzem a uma cadeia linear, com ou sem ramificações, e em outros, cadeias
ligadas entre si formando estruturas tridimensionais.
De acordo com SAMPAIO E HADDAD [30], dependendo do tipo de monômero
(estrutura química), do número médio de meros por cadeia e do tipo de ligação covalente,
poderemos dividir os polímeros em três grandes classes: Plásticos, Borrachas (ou
Elastômeros) e Fibras.
Em tempo, muitos polímeros são variações e/ou desenvolvimentos sobre
moléculas já conhecidas podendo ser divididos em quatro diferentes classificações: [30].
2.1.2.1 Quanto à estrutura química:
Em que são formadas longas cadeias de átomos com ligações covalentes. A
combinação de estrutura quase que ilimitada, o que permite obter inúmeros materiais
distintos [21].
2.1.2.2 Quanto ao método de preparação:
Os polímeros podem ser classificados pelo método de preparação:
Polímeros por Adição - formados a partir de um único monômero, através de uma
reação de adição. As substâncias usadas na geração de polímeros manifestam de forma
obrigatória uma ligação dupla entre os carbonos. Ao momento que ocorre a
polimerização, acontece a quebra da ligação π e também a geração de duas novas
ligações simples. Como polímeros de adição são citados: Polietileno, Polipropileno, PVC,
Isopor, Teflon, Buna etc.
Copolímeros - Os copolímeros são polímeros de adição resultantes da “soma” de
monômeros diferentes. Esses monômeros apresentam estruturas variadas, pois podem ser
de apenas dois, três ou mais tipos e pode haver também uma regularidade ou
irregularidade da cadeia molecular do copolímero.
26
Polímeros por Condensação - são gerados pela reação entre dois monômeros
diferentes através de uma reação de condensação. Nessa reação ocorre a eliminação de
outra molécula, geralmente a água. Nessa modalidade de polimerização, os monômeros
não necessitam demonstrar ligações duplas por meio dos carbonos, no entanto, é
extremamente necessária a presença de dois tipos de grupos funcionais distintos. Como
polímeros de condensação são citados: Amido e Celulose.
2.1.2.3 Quanto ao comportamento mecânico
O comportamento mecânico dos materiais é caracterizado pela resposta que estes
apresentam quando submetidos à tensão ou deformação. Para os polímeros a tensão e a
deformação não são relacionadas através de simples constantes de proporcionalidade,
como módulo de elasticidade. As respostas dos polímeros às solicitações mecânicas são
acentuadamente dependentes de fatores estruturais e de variáveis externas [35].
Para materiais de baixa massa molecular, o comportamento mecânico é descrito
em termos de dois tipos de material ideal: o sólido elástico e o líquido viscoso. O sólido
elástico retorna a sua forma inicial depois de removido o esforço, e a deformação do
líquido viscoso é irreversível na ausência de forças externas.
Os polímeros se caracterizam por apresentar um comportamento intermediário
entre o sólido elástico e o líquido viscoso, dependendo da temperatura e da escala de
tempo do experimento [36].
2.1.2.4 Quanto ao desempenho mecânico
Neste tipo de classificação os materiais poliméricos podem ser subdivididos em:
Termoplásticos convencionais (commodities): São polímeros de baixo custo,
baixo nível de exigência mecânica, alta produção, facilidade de processamento, etc. A
produção destes termoplásticos corresponde em torno de 70% da produção mundial de
polímeros. Ex: Poliolefinas (PE, LDPE, HDPE, PP, PS e o PVC).
27
Termoplásticos de uso industrial: Têm custo maior que os polímeros
convencionais, porém, com algumas propriedades um pouco superiores. Nesta classe
encontram-se os copolímeros, homopolímeros.
Termoplásticos de engenharia: São polímeros usados em situações onde são
exigidas resistência mecânica, tenacidade e estabilidade dimensional. São utilizados em
peças técnicas (engrenagens, componentes eletrônicos e automobilísticos, etc).
Termoplásticos de alta performance: São polímeros que resistem a
temperaturas de uso contínuo superiores a 150°C e caracterizados pela presença de
grande quantidade de anéis aromáticos na cadeia principal.
Para uma melhor compreensão da relação entre as características e o efeito sobre
o desempenho dos materiais compostos por polímeros faz-se necessário o estudo quanto à
estrutura molecular e quanto à sua resposta mecânica a temperaturas elevadas, ou seja, é
necessário saber como o comportamento térmico influência este material. Logo, têm-se
as seguintes correlações:
2.1.3 Quanto à estrutura molecular
Os polímeros podem ser classificados da seguinte maneira [30]:
Polímeros Lineares: as unidades mero estão unidas ponta a ponta em cadeias
únicas. São cadeias flexíveis em que podem existir grandes quantidades de ligações de
Van der Waals entre si. Ex: Polietileno, Cloreto de Polivinila, Poliestireno, Polimetil
Metacrilato, Nylon e Fluorocarbonos.
Polímeros Ramificados: cadeias de ramificações laterais encontram-se
conectadas às cadeias principais, sendo consideradas parte das mesmas, sendo que a
compactação da cadeia é reduzida, resultando em polímeros de baixa densidade.
Polímeros lineares também podem ser ramificados.
Polímeros com Ligações Cruzadas: cadeias lineares adjacentes ligadas umas às
outras, em várias posições por ligações covalentes. Estas ligações, não reversíveis, são
obtidas durante a síntese do polímero a altas temperaturas e são encontradas em muitos
dos materiais elásticos com características de borracha.
28
Polímeros em Rede: unidades de mero com três ligações covalentes ativas,
formando redes tridimensionais. Polímeros com muitas ligações cruzadas podem ser
caracterizados como polímeros em rede e possuem propriedades mecânicas e térmicas
distintas. Ex: Materiais de base epóxi e fenolformaldeído.
Homopolímeros: quando todas as unidades repetidas dentro da cadeia
constituem-se do mesmo tipo de mero.
Copolímeros: quando as unidades repetidas dentro da cadeia constituem-se de
dois ou mais tipos de meros diferentes.
2.1.4 Quanto ao comportamento térmico
Os polímeros podem ser classificados de acordo com seu comportamento
mecânico em duas classes [30]:
Polímeros Termoplásticos: Sob efeito de temperatura e pressão, amolecem
assumindo a forma do molde. Nova alteração de temperatura e pressão reinicia o
processo, sendo, portanto, recicláveis. Em nível molecular, à medida que a temperatura é
elevada, as forças de ligação secundárias são diminuídas (devido ao aumento do
movimento molecular), de modo tal que o movimento relativo de cadeias adjacentes é
facilitado quando uma tensão é aplicada. Os termoplásticos são relativamente moles e
dúcteis e compõem-se da maioria dos polímeros lineares e aqueles que possuem algumas
estruturas ramificadas com cadeias flexíveis. Ex: PE, PP, PVC, etc.
Polímeros Termofixos: Ou termorrígidos, sob efeito de temperatura e pressão,
amolecem assumindo a forma do molde. Nova alteração de temperatura e pressão não faz
efeito algum, tornando-os materiais insolúveis, infusíveis e não recicláveis. Durante o
tratamento térmico inicial, ligações cruzadas covalentes são formadas entre cadeias
moleculares adjacentes; essas ligações prendem as cadeias entre si para resistir aos
movimentos vibracionais e rotacionais da cadeia a temperaturas elevadas, sendo que o
rompimento destas ligações só ocorrerá sob temperatura muito elevadas. Os polímeros
termofixos são geralmente mais duros e frágeis do que os termoplásticos, e possuem
melhor estabilidade dimensional. Ex: Baquelite (resina de fenol-formaldeído), epóxi
(araldite), algumas resinas de poliéster, etc.
29
2.1.5 Propriedades dos polímeros
2.1.5.1 Propriedades Mecânicas
O comportamento mecânico de um polímero, ou seja, sua deformação e as
características de escoamento são de extrema importância para a determinação da
funcionalidade do produto final [2].
A observação do que acontece com o polímero quando se aplica uma tensão para
alongá-lo (deformação) até o ponto de ruptura é chamado de propriedades de tensãodeformação.
O comportamento mecânico de um polímero pode ser caracterizado
principalmente por quatro grandezas de grande importância:
Módulo de Young (E): resistência à deformação
Resistência máxima: tensão requerida para romper o corpo de prova
Alongamento máximo: alongamento até a ruptura do corpo de prova
Alongamento estático: elasticidade reversível do corpo de prova.
Dentre as grandezas mencionadas existem subgrupos distintos conforme Figura 1.
Os plásticos formam um grupo de materiais que têm propriedades mecânicas
situadas entre as fibras e os elastômeros. Pode-se subdividi-los em dois grupos: Rígidos e
Flexíveis.
a. Plásticos Rígidos
Polímero que se caracterizam pela alta resistência mecânica à deformação sendo
amorfos, de cadeias muito rígidas obtidas por meio de intensa reticulação. Ex.: Fenolformaldeído; uréia-formaldeído.
30
b. Plásticos Flexíveis
Polímero que apresentam graus de cristalinidade de moderado a alto, que lhes
confere resistência à tração e alongamentos que produzem altos módulos. Ex.:
polietileno.
O alongamento máximo e a resistência máxima para um polímero flexível é
apresentado na figura 2.
σ
ε
Figura 1 - Comportamento Mecânico das Principais Classe de Polímeros
Adaptado: CAIRES [2]
31
σ
∆
∆
∆
E=∆
ε
Figura 2 - Elongação Máxima X Resistência Máxima de um Plástico Flexível
Adaptado: CAIRES [2]
2.1.5.2 Propriedades Térmicas
Conforme mencionado por CAIRES [2], as propriedades térmicas dos polímeros
são observadas quando a energia térmica, ou calor, é fornecido ou removido do material;
estes são maus condutores de calor. A capacidade de transferir/conduzir calor é medida
pela condutividade e pela difusibilidade térmicas. A capacidade de armazenar calor é
avaliada pelo calor específico. As alterações de dimensão devido às mudanças de
temperatura são estimadas através da expansão térmica.
As modificações observadas nos materiais quando sujeitos a variações de
temperatura são de grande importância e incluem a temperatura de fusão cristalina Tm e
de transição vítrea Tg.
32
a. Calor Específico
É a quantidade de energia térmica requerida para elevar de 1°C a unidade de
massa do material. Os metais apresentam valores muito baixos (menores que 0,1 cal/g°C)
enquanto os plásticos variam de 0,2 a 0,5.
b. Condutividade térmica
Mede a quantidade de calor transferido, na unidade de tempo, por unidade de área,
através de espessura unitária, sendo 1°C a diferença de temperatura entre as faces.
Expressa as características de o material ser bom ou mau condutor de calor.
c. Expansão térmica
É a propriedade que mede o volume adicional necessário a acomodar os átomos e
moléculas que vibram mais rápido em função do aquecimento. É avaliada pelo
coeficiente de dilatação térmica linear. Este valor é muito mais elevado nos polímeros.
d. Temperatura de fusão cristalina (Tm)
É o valor médio da faixa de temperatura em que durante o aquecimento,
desaparecem as regiões cristalinas. Neste ponto a energia do sistema é suficiente para
vencer as forças intermoleculares secundarias entre as cadeias de fase cristalina, mudando
do estado borrachoso para estado viscoso (fluido).
Este fenômeno só ocorre na fase cristalina, portanto, só tem sentido de ser
aplicada em polímeros semicristalinos. É uma mudança termodinâmica de primeira
ordem.
Experimentalmente determinam-se essas duas temperaturas de transição,
acompanhando-se a variação do volume específico (mede o volume total ocupado pelas
cadeias poliméricas). Esse aumento é esperado de forma que seja linear com a
33
temperatura, a não ser que ocorra alguma modificação na mobilidade do sistema, o que
implicaria um mecanismo diferente.
e. Temperatura de transição vítrea (Tg)
É o valor médio da faixa de temperatura que durante o aquecimento de um
polímero, de uma temperatura muito baixa para valores mais altos, permite que as cadeias
poliméricas de fase amorfa adquiram mobilidade (conformação). Abaixo de Tg o
polímero não tem energia interna suficiente para permitir o deslocamento de uma cadeia
com relação à outra (estado vítreo).
Na temperatura de transição vítrea ocorre uma transição termodinâmica de
segunda ordem (variáveis secundárias). Algumas propriedades mudam com Tg:
•
Módulo de elasticidade
•
Coeficiente de expansão
•
Índice de refração
•
Calor específico, etc.
2.1.5.3 Propriedades Elétricas
Como os polímeros são maus condutores de calor, também são maus condutores
elétricos. A maioria das propriedades elétricas destes isolantes é função da temperatura,
fato extremamente importante em sistemas elétricos que devem operar em altas
temperaturas. As principais características elétricas de materiais poliméricos são [2]:
a. Rigidez dielétrica
Índica o grau em que o material é isolante. É medida pela tensão elétrica que o
material pode suportar antes de perder as propriedades de isolante. A falha é observada
em função da excessiva passagem de corrente elétrica, ocorrendo reações químicas, que
acarretam na formação de gases, degradando o material sólido e destruindo o isolamento
elétrico.
34
b. Resistividade volumétrica
É a resistência de materiais isolantes à passagem da corrente elétrica entre as faces
de uma unidade cúbica (volumétrica) para um determinado material em uma dada
temperatura, os polímeros de forma geral oferecem alta resistência, semelhante a algumas
cerâmicas.
c. Constante dielétrica
É uma característica relacionada à energia eletrostática que o material pode
armazenar. Os polímeros possuem baixas constantes dielétricas, geralmente bem menores
que o vidro e cerâmicas.
2.1.5.4 Propriedades óticas
As propriedades óticas dos polímeros podem informar sobre a estrutura e
ordenação moleculares, bem como sobre a existência de tensões ou regiões sob
deformação [2];
As principais propriedades óticas relacionadas a materiais poliméricos são:
a. Transparência
A transparência à luz visível é apresentada por polímeros amorfos ou com baixo
grau de cristalinidade, quantitativamente expressos pela transmitância, que é a razão entre
a quantidade de luz que atravessa o meio e a quantidade de luz que incide paralelamente à
superfície. Nos polímeros este valor pode alcançar 92%, para plásticos comuns.
b. Índice de refração
É a razão entre a velocidade da radiação eletromagnética no vácuo e a velocidade
no meio em estudo, determinando-se a diminuição da velocidade da luz quando passa do
35
vácuo para o meio transparente e oticamente isotrópico. A maioria dos polímeros tem
índice de refração na faixa de 1,45-1,60, sendo exceções o PET (1,7) e a borracha natural
(1,2).
2.1.5.5 Outras propriedades físicas
Ainda existem outras propriedades físicas de polímeros que não se enquadram nos
grupos anteriores citadas a seguir [2]:
a. Densidade
Os materiais poliméricos são todos relativamente leves, com sua densidade
variando entre 0,9 e 1,5 g/cm3. A presença de halogênios determina maiores densidades;
A densidade de um material reflete a sua estrutura química e sua organização
molecular, desta forma, as regiões cristalinas são mais compactadas enquanto as amorfas
são mais volumosas.
b. Estabilidade dimensional
É uma importante propriedade para aplicações técnicas, quando um polímero é
altamente cristalino, a sua estabilidade também é elevada, pela dificuldade de destruição
das regiões ordenadas, que resultam da coesão molecular.
2.1.5.6 Propriedades químicas
Dentre as propriedades químicas mais importantes do material polimérico,
diretamente ligadas às suas aplicações, estão à resistência à oxidação, ao calor, às
radiações ultravioleta, à água, ácidos e bases, a solventes e a reagentes [2].
36
a. Resistência à oxidação
Esta resistência é mais encontrada nas macromoléculas saturadas (contém apenas
ligações simples), como é o caso das poliolefinas. Nos polímeros insaturados (apresentam
duplas ligações), a oxidação pode ocorrer através dessas insaturações, rompendo as
cadeias, e consequentemente, reduzindo a resistência mecânica do material. A presença
de carbono terciário na cadeia baixa a resistência à oxidação.
b. Resistência à degradação térmica
A exposição de polímeros ao calor em presença de ar causa a sua maior
degradação, dependendo da estrutura do polímero, envolve reações químicas bastante
complexas. Estas reações são causadas pela formação de radicais livres na molécula, com
intervenção geralmente do oxigênio, através da ruptura das ligações covalentes em
moléculas insaturadas, ou nas cadeias contendo átomos de carbono terciário.
Os polímeros clorados são muito sensíveis à degradação térmica durante o
processo, devido à fácil ruptura das ligações carbono-cloro.
c. Resistência às radiações ultravioleta
Os polímeros de estrutura insaturada apresentam baixa resistência às radiações
ultravioleta, que são absorvidas, gerando facilmente radicais livres, quando expostos à luz
solar. Eventualmente ocorre modificação das propriedades mecânicas pelo enrijecimento
do material pela formação de ligações cruzadas.
d. Resistência à água, ácidos e bases
É avaliada pela absorção de umidade, que aumenta as dimensões da peça, o que
prejudica a aplicação em trabalhos de precisão. A absorção é mais fácil quando a
37
molécula do polímero apresenta grupos capazes de formar pontes de hidrogênio, por
exemplo, peças de poliamidas (náilon), celulose, madeira.
O contato com ácidos em geral, pode causar a parcial destruição das moléculas
poliméricas, se houver nelas grupos sensíveis à reação com ácidos, por exemplo, as
resinas melamínicas e produtos celulósicos, as soluções alcalinas, em maior ou menor
concentração, são bastante agressivas a polímeros cuja estrutura apresentam grupos
carboxila, hidroxila, e éster. Assim, as resinas fenólicas e epoxídicas, bem como
poliésteres insaturados são facilmente atacados por produtos alcalinos.
2.1.5.7 Propriedades físico-químicas
Em tempo CAIRES [2], descreve que a permeabilidade de materiais poliméricos a
gases e vapores é uma propriedade importante para a aplicação em embalagens.
A permeação de moléculas pequenas através de polímeros se dá nas regiões
amorfas, onde as cadeias poliméricas estão mais afastadas. A presença de domínios
cristalinos diminui bastante a permeabilidade.
2.2 POLIETILENO
O polietileno foi sintetizado pela primeira vez pelo químico alemão Hans Von
Pechmann, que, acidentalmente, o preparou em 1898 enquanto aquecia diazometano.
Quando seus colegas Eugen Bamberger e Friedrich Tschirner caracterizaram a substância
gasosa e branca criada, descobriram grandes cadeias compostas por -CH2- e o
denominaram "polietileno" [33].
Em 27 de Março de 1933, o polietileno foi sintetizado tal como o conhecemos
atualmente, por Reginald Gibson e Eric Fawcett, na Inglaterra. Isto foi possível
aplicando-se uma pressão de cerca de 1400 bar e uma temperatura de 170°C, onde foi
obtido o material de alta viscosidade e cor esbranquiçada que se conhece atualmente.
Segundo COUTINHO et al.[9], o polietileno é um polímero parcialmente
cristalino, flexível, cujas propriedades são acentuadamente influenciadas pela quantidade
relativa das fases amorfa e cristalina. As menores unidades cristalinas, lamelas, são
38
planares e consistem de cadeias perpendiculares ao plano da cadeia principal e dobradas
em zig-zag para cada 5 a 15nm, embora haja defeitos que são pouco frequentes.
Devido à sua alta produção mundial, é também o mais barato, sendo um dos tipos
de plástico mais comum. É quimicamente inerte. Obtém-se pela polimerização do etileno
(de fórmula química CH2=CH2, e chamado de eteno pela IUPAC), de que deriva seu
nome.
Este polímero pode ser produzido por diferentes reações de polimerização, como
por exemplo, a polimerização por radicais livres, polimerização aniônica, polimerização
por coordenação de íons ou polimerização catiônica. Cada um destes mecanismos de
reação produz um tipo diferente de polietileno.
É um polímero de cadeia linear não ramificada, embora as ramificações sejam
comuns nos produtos comerciais. As cadeias de polietileno se rompem sob a temperatura
de transição vítrea Tg em regiões amorfas e semi-cristalinas.
Os polietilenos são inertes face à maioria dos produtos químicos comuns, devido à
sua natureza parafínica, seu alto peso molecular e sua estrutura parcialmente cristalina.
Em temperaturas abaixo de 60°C são parcialmente solúveis em todos os solventes [9].
Em tempo, COUTINHO et al.[9], relatam que interações com solventes, sofrendo
inchamento, dissolução parcial, aparecimento de cor ou, como tempo, completa a
degradação do material.
Interação com agentes tensoativos, resultando na redução da resistência mecânica
do material por efeito de tenso-fissuramento superficial.
Em condições normais, os polímeros etilênicos não são tóxicos, podendo
inclusive ser usados em contato com produtos alimentícios e farmacêuticos, no entanto
certos aditivos podem ser agressivos. No passado, o polietileno era classificado pela sua
densidade e pelo tipo de processo usado em sua fabricação. Atualmente, os polietilenos
são mais apropriadamente descritos como polietilenos ramificados e polietilenos lineares
[9].
39
2.2.1 Obtenção do Polietileno
O polietileno pode ser produzido por diversos mecanismos de reações de
polimerização. Cada um dos mecanismos de reações de polimerização produz um tipo
diferente de polietileno [6].
Geralmente o polietileno é obtido por meio da polimerização do monômero
gasoso etileno (CH2 = CH2) em reator, sob condições de temperatura e pressão
específicas.
A produção de um bom polietileno depende do catalizador. Alguns dos
catalizadores modernos incluem o de Ziegler Natta.
2.2.2 Classificação e Propriedades do Polietileno de Alta Densidade
Segundo sua classificação e propriedades o Polietileno de Alta Densidade é
resistente a altas temperaturas, alta resistência à tensão, compressão, tração, baixa
densidade em comparação com metais e outros materiais, impermeável; inerte (ao
conteúdo), baixa reatividade, atóxico e possui pouca estabilidade dimensional [6].
Por extrusão, é aplicado em isolamento de fios telefônicos, sacos para congelados,
revestimento de tubulações metálicas, polidutos, tubos para redes de saneamento e de
distribuição de gás, emissários de efluentes sanitários e químicos, dutos para mineração e
dragagem, barbantes de costura, redes para embalagem de frutas, fitas decorativas, sacos
para lixo e sacolas de supermercados.
2.2.3 Características do PEAD
De acordo com o especificado por CHIANELLI JUNIOR [6] as propriedades e
características peculiares ao Polietileno de Alta Densidade viabilizam a sua aplicação em
diversos setores da indústria. A tabela 1 apresenta as características principais do PEAD.
40
Tabela 1. Características Principais do PEAD Puro
Adaptado: CHIANELLI JUNIOR [6]
CARACTERÍSTICAS
VALORES
Grau de Cristalinidade
60-80%
Densidade
0,94 – 0,97g/cm3
Temperatura de Fusão
130-141°C
Alongamento na Ruptura (em placa)
860%
Tensão de Ruptura a Tração (em placa)
29 MPa
Módulo de Elasticidade à Tração (Módulo de
900 MPa
Young)
Tm
137°C
Tg
-120°C
2.2.4 Reciclagem do PEAD
A reciclagem do PEAD é basicamente coletar o lixo descartado e convertê-lo em
produto semelhante ao inicial. Os materiais são coletados, separados e processados para
serem usados como matéria-prima na manufatura de novos produtos [20].
Em tempo, LONTRA [20] aborda o estudo baseado em Análise do Ciclo de Vida
(ACV) de um produto relatando que a quantidade de energia gasta para obtê-lo a partir da
matéria-prima virgem são maiores que aquelas gastas para produzi-los com resíduos
reciclados. A reciclagem é mais econômica em aspectos de consumos de energia, água e
materiais acessórios utilizados diretamente na produção de um bem, quando comparada à
produção a partir da matéria-prima virgem. Com a reciclagem de plásticos economiza-se
até 88% de energia em comparação com a produção a partir do petróleo e preserva-se
esta fonte esgotável de matéria-prima.
41
O PEAD vem se tornando um dos plásticos mais reciclados dentre os
termoplásticos, devido às suas propriedades mecânicas e à significativa disponibilidade
nos resíduos sólidos urbanos, cerca de 30% do total de resíduos plásticos rígidos [6]. O
Brasil é um dos três principais países em volume de plásticos reprocessado por
reciclagem termomecânica.
O Polietileno de Alta densidade passa por reciclagem termomecânica para seu
reprocessamento. Neste tipo de reciclagem o plástico é transformado em grãos para
serem reaproveitados na fabricação de outros produtos, como sacos de lixo, solados,
pisos, conduítes, mangueiras, componentes de automóveis, fibras, embalagens não
alimentícias entre outros.
O processo de reciclagem termomecânica envolve: separação, moagem, lavagem,
a fusão, o corte e a granulação de resíduos plásticos. Em tempo, as peças plásticas devem
ser selecionadas em tipos diferentes de materiais antes do início do processo. Após a
seleção, o material selecionado é derretido e moldado em uma nova forma ou cortado em
pequenos grânulos (pellets) que serão posteriormente utilizados como matéria-prima para
praticamente qualquer finalidade, excluindo-se hospitalar e alimentar. Um dos problemas
da reciclagem de plásticos é ao fundir polímeros diferentes, eles não se misturarem
facilmente – como a água e o óleo. O PEAD, porém se mostra bastante estável após
diversos processamentos consecutivos [6].
2.2.6 Aplicações do PEAD reciclado das embalagens de óleo lubrificante
Em continuidade ao trabalho apresentado por CHIANELLI JUNIOR [6], a
dissertação aborda o estudo de modelo matemático sobre os materiais poliméricos
termoplásticos recicláveis, especialmente oriundos de embalagens de óleo lubrificante e
os aditivos automotivos, descartadas pós-consumo. O óleo lubrificante é acondicionado
em embalagens plásticas de vários volumes. Além do corpo da embalagem (PEAD), há a
tampa que é formada pelo polímero sintético polipropileno (PP), conforme Figura 3..
42
Figura 3 – Modelos de Embalagens Plásticas de óleos lubrificantes.
Fonte: www.mma.gov.br /www.ingrax.com.br [37,38]
Segundo pesquisa de CHIANELLI JUNIOR [6], dados fornecidos pelo Sindicom
e Sindiplast, a cada ano são produzidas cerca de 305 milhões de vários tipos de
embalagens de óleo lubrificante. Em termos de massa, temos cerca de 26.888 toneladas
de embalagens plásticas usadas geradas no Brasil. O destino dessas embalagens é fator de
extrema importância e preocupação. Há normas estabelecidas pelo Ministério do
Trabalho e pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) para o manuseio, a
coleta, o armazenamento temporário e o transporte dessas embalagens.
Em tempo é destacado que as embalagens plásticas de óleo lubrificante são, quase
sempre, descartadas em lixo comum, porque a presença de óleo residual dificulta o
processo de reciclagem convencional do plástico, causando deformidade e odor de óleo
queimado na peça final. Essas embalagens plásticas e baldes contendo resíduo de óleo
lubrificante são classificadas como classe I, por apresentarem características de toxidade
[6].
O descarte no lixo comum traz consequências danosas para o meio ambiente e a
saúde pública, uma vez que além da perda do PEAD, o descarte dessas embalagens a céu
aberto, possibilita a contaminação dos recursos hídricos, causada pelo óleo residual
contido nessas embalagens. O óleo lubrificante vazado das embalagens nos lixões
contamina o lençol freático e quando arrastado para as águas dos rios, lagos, lagoas e etc,
consome oxigênio no processo de biodegradação, e dificultando a passagem de luz,
compromete consideravelmente a sobrevivência das espécies aquáticas. Portanto, o
incentivo à coleta seletiva e a reciclagem ou reuso desse material traz inúmeros
43
benefícios à sociedade, como o aumento da vida útil dos aterros sanitários, a geração de
novos empregos, a economia de energia e de recursos naturais, entre outros.
44
Capítulo 3
Materiais e Métodos
Os ensaios descritos neste capítulo foram realizados no Laboratório de Ensaios
em Dutos (LED-UFF). As amostras dos materiais foram recebidas e preparadas no
Laboratório de Materiais de Construção da Universidade Federal Fluminense-LAMCO,
para a confecção dos corpos de prova (CP), e posterior ensaio dos mesmos, objetivando
determinar as propriedades mecânicas do PEAD reciclado puro.
As etapas dos experimentos são descritas conforme abaixo:
Etapa 1 – Obtenção da matéria-prima. Aquisição das embalagens de óleo
lubrificante.
Etapa 2 – Seleção dos Materiais - Limpeza das embalagens ( vazamento do óleo
residual, retirada dos rótulos e tampas para lavagem). Foram utilizadas para esta etapa
bandejas e espátulas para o auxílio da limpeza das embalagens.
Etapa 3 – Preparação dos Materiais – Corte das embalagens. Nesta etapa foram
utilizados para auxílio do corte das embalagens Tesoura e Triturador Plastimax 5cv.
Etapa 4 – Secagem – Instalação em bandejas. Para esta etapa do processo foram
utilizadas Bandejas de aço e Estufa de bancada Fabber Primar.
45
Etapa 5 – Pesagem – pesagem dos Materiais preparados. Nesta etapa do processo
foram utilizadas Balança eletrônica Marte AS 200C e recipientes plásticos.
Etapa 6 – Prensagem e modelagem – Prensagem e modelagem das peças
picotadas. Foram utilizadas nesta etapa Moldes Metálicos / Prensa térmica hidráulica
MA098/A até 15t.
Etapa 7 – Caracterização Física – Ensaio Mecânico de Tração, utilizando a
Máquina Universal de Ensaio SHIMADZU AG-X 100kN.
Etapa 8 – Análise dos Resultados – Interpretação dos resultados obtidos no
ensaio.
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS
Para a confecção dos corpos-de-prova foi utilizado como matéria-prima:
Polietileno de alta densidade (PEAD). Utilizou-se como matriz plástica, o polietileno de
alta densidade (PEAD), Figura 4, reciclado de embalagens de óleo lubrificante e aditivo
(embalagens moldadas a sopro) de diversas cores, fornecidas pela oficina mecânica e
posto de troca de óleo lubrificante SEPAN (Rua Dr. Paulo Cesar, n°, Santa Rosa, Niterói,
RJ).
Figura 4 - Embalagens de óleo lubrificante e aditivos automotivos.
Fonte: CHIANELLI JUNIOR [6]
46
3.2 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Para o evento de confecção dos materiais foram utilizados os seguintes equipamentos:
1.
Estufa de secagem / Fabber / Primar - Temperatura máxima de 300°C
2.
Moinho Triturador Plastimax 5 cavalo vapor (cv)
3.
Balança eletrônica Marte AS2000C
4.
Molde vazado de aço inox para confecção dos corpos de prova
5.
Prensa Marconi Hidráulica com aquecimento MA 098/A até 15 t
6.
Máquina Universal de Ensaio SHIMADZU modelo Autografh AG-X 100 kN
3.3 PREPARAÇÃO DOS MATERIAIS
As embalagens de polietileno de alta densidade (PEAD) descartadas foram
recebidas e dispostas de maneira a vazar por 24 h o resíduo de óleo, Figura 5, aderido em
suas paredes. Foi efetuado a lavagem dos frascos com água e detergente biodegradável
com a finalidade de se retirar o máximo possível do resquício de óleo que porventura
ainda estivesse aderido. Em seguida, deu-se prosseguimento ao corte das embalagens no
moinho triturador Plastimax 5cv, Figura 6, obtendo-se um material peletizado, que foi
imediatamente acondicionado em bandejas metálicas e seco em estufa a 90°C por um
período de 24 h.
47
Figura 5 - Vazamento do resíduo de óleo das embalagens de óleo lubrificante.
Fonte: CHIANELLI JUNIOR [6]
Figura 6 - Material peletizado no Triturador Plastimax 5 cv.
Fonte: CHIANELLI JUNIOR [6]
48
3.4 CONFORMAÇÃO DO TERMOPLÁSTICO
A técnica de moldagem aplicada para a conformação do Polietileno de Alta
Densidade (PEAD) foi à conformação por compressão onde o polímero é prensado contra
chapas metálicas aquecidas onde apenas uma parte é móvel conforme esquema a seguir:
Metade Superior
do Molde
Punção
Cavidade
Peça
Obtida
Metade
Inferior do
Molde
Pino de
ejecção
Figura 7- Diagrama esquemático de moldagem por compressão.
Fonte: PIRES e GONÇALVES [26]
Devido à natureza do Polietileno de Alta Densidade (PEAD) ser hidrofóbica não
houve a necessidade da secagem dos corpos-de-prova após conformação.
3.5 PRENSAGEM E CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
– PROCEDIMENTO
A prensagem e confecção do material picotado foram seguidas dos critérios: - O
equipamento utilizado foi uma Prensa Hidráulica Marconi MA 098/A de até 15 ton., com
aquecimento elétrico e ajuste independente de temperatura das placas inferior e superior,
bem como, controle da pressão aplicada. A temperatura dos pratos foi fixada em 170°C.
49
Para cada quantidade de material picotado, foram realizadas duas prensagens em
moldes metálicos já no formato e dimensões dos corpos de prova segundo as normas
ASTM D 638, gerando cinco corpos de prova para o ensaio de Tração.
As misturas foram dispostas nos moldes no sentido longitudinal, conforme Figura
8 e colocadas na prensa com temperatura pré-ajustada em 170°C. Iniciou-se a prensagem
de maneira gradativa até que a temperatura estabilizasse em 170°C.
Figura 8 - Massa nos moldes para prensagem por compressão
Fonte: CHIANELLI JUNIOR [6]
A massa dos materiais foi obtida através dos cálculos do volume ocupado pelos
corpos de prova nos moldes confeccionados, segundo as normas ASTM.
3.6 ENSAIO MECÂNICO
Para o ensaio mecânico em um projeto de engenharia, é de suma importância o
conhecimento do comportamento do material empregado no projeto, isto é, suas
propriedades mecânicas, em diversas condições de uso. Estas condições de uso envolvem
uma gama de variáveis, tais como a temperatura, tipo de carga aplicada e sua frequência
de aplicação, desgaste, deformabilidade, atmosfera corrosiva, entre outros.
Para obter êxito, é imprescindível ter em mãos parâmetros de comportamento dos
materiais empregados. Tais parâmetros podem ser obtidos pelos ensaios mecânicos.
50
Apesar de existirem tabelas com os valores de propriedades dos materiais utilizados na
engenharia, é importante ter conhecimento da metodologia da execução dos ensaios, bem
como o que significa cada parâmetro para que este possa ser comparado.
3.6.1 Ensaio de tração do PEAD reciclado
O ensaio de tração consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em
um corpo de prova especifico até a ruptura. Trata-se de um ensaio amplamente utilizado
na indústria de componentes mecânicos, devido às vantagens de fornecer dados
quantitativos das características mecânicas dos materiais [11].
Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações
promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos
até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer
com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o
ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do material.
A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada
pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da
secção do corpo de prova, no caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se
dá na região mais estreita do material, a menos que um defeito interno no material, fora
dessa região, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece.
A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão dos
aparelhos de medida que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se conseguir uma
precisão maior na avaliação da tensão ao invés de detectar grandes variações de
deformação, causando maior imprecisão da avaliação da tensão. Mesmo no início do
ensaio, se esse não for bem conduzido, grandes erros podem ser cometidos, como por
exemplo, se o corpo de prova não estiver bem alinhado, os esforços assimétricos que
aparecerão levarão a falsas leituras das deformações para uma mesma carga aplicada.
Deve-se, portanto centrar bem o corpo de prova na máquina para que a carga seja
efetivamente aplicada na direção do seu eixo longitudinal [11].
51
A partir das medidas de cargas e os respectivos alongamentos, constrói-se a curva
tensão-deformação, como mostra a Figura 9, a qual mostra essa relação para diferentes
tipos de polímeros.
Figura 9- Tensão versus deformação para polímeros (a) frágeis, (b) plásticos, (c)
elastômeros.
Fonte: MENDES et al. [24]
Um material é dito ter comportamento elástico se, uma vez removido o esforço, as
dimensões retornam àquelas antes da aplicação do mesmo, isto é, não há deformações
permanentes. O trecho 0-L da Figura 10, é a região elástica do material, ou seja, o
comprimento retorna ao valor L0 se o ensaio for interrompido nessa região. A tensão
máxima na mesma é o limite de elasticidade σL do material. Dentro da região elástica, no
trecho 0P, a tensão é proporcional à deformação, isto é, o material obedece à lei de Hooke
[24].
52
Figura 10- Região elástica de um material.
Fonte: MENDES et al. [24]
Em tempo, MENDES et al. [22], a partir do ponto L têm-se o início da região
plástica ou escoamento do material, em que as deformações são permanentes. É usual
considerar início ou limite de escoamento σE a tensão que produz uma deformação
residual ε = 0,002 ou 0,2% (ponto E conforme Figura 11).
Depois do limite de escoamento há uma significativa redução da área da seção
transversal e a tensão real segue algo como a curva tracejada da Figura 11. Mas a
convenção é usar tensão aparente, em relação à área inicial.
Figura 11- Região plástica
Fonte: MENDES et al. [24]
53
Na região de B da Figura 11 tem-se a tensão máxima e, em R, a ruptura do corpo
de prova. A tensão σB é a tensão máxima, também denominada resistência à tração do
material. A tensão em R é a tensão de ruptura.
Para os ensaios de tração no PEAD, foi utilizado a Máquina de Ensaio modelo
SHIMADZU modelo Autografh AG-X, equipado com garras mecânicas e sistema ótico
(extensômetro de não contato) e célula de carga com capacidade máxima de até 100 kN,
com velocidade de 0,5mm/min, 1mm/min, 5mm/min, 10mm/min, e 50mm/min. Foram
utilizados para os testes 5 (cinco) corpos de prova, com dimensões de acordo com as da
norma ASTM D 638 (Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics) [1]. As
Figuras 12,13 a seguir mostram a máquina de ensaios e a dimensão dos corpos de prova.
Figura 12 - Máquina Universal de Ensaio SHIMADZU
54
Figura 13 - Corpo de prova tipo I (dimensões em mm). Fonte: ASTM D 638 (08).
Adaptado: CANDIAN, L.M., DIAS, A.A. [4]
55
Capítulo 4
Resultados Experimentais e Modelo Matemático
Neste capítulo mostram-se os resultados experimentais obtidos em laboratório e a
formulação proposta para o modelo viscoelástico unidimensional. Os parâmetros do
material que aparecem no modelo podem ser facilmente identificados a partir de apenas
três testes realizados à diferentes taxas de tensão. É notado que alguns autores como
LOULTCHEVA et al. [21] estudaram a influência do número de etapas de reciclagem na
estrutura e nas propriedades mecânicas e reológicas do PEAD. CRUZ E ZANIN [10]
estudaram a necessidade de re-estabilização durante o reprocessamento do PEAD. As
misturas de PEAD foram estudadas por JAVIERRE et al. [16] que estudaram o processo
reológico e por SÁNCHEZ-SOTO et al. [31] que estudaram as propriedades mecânicas.
Outros autores estudaram o PEAD reciclado como matrizes de compósitos e obtiveram
excelentes resultados [16,17]. Os testes de resistência realizados em diferentes taxas de
deformação são apresentados e correlacionados com as estimativas do modelo da
56
progressão de danos. As equações do modelo são obtidas dentro do contexto
termodinâmico descrito em trabalhos anteriores de COSTA MATTOS et al.[8,25].
4.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Os ensaios de tração mecânico em corpos de prova unidirecionais foram
realizados utilizando uma máquina universal de testes Shimadzu® AG-X com sensores
eletromecânicos para controle da tensão longitudinal na zona ativa do teste das amostras.
A partir dos testes realizados em laboratório foram utilizados 5 corpos de prova
para cada velocidade de ensaio à temperatura ambiente, no caso, 0,5mm/min;
1 mm/min, 5 mm/min, 10 mm/min e 50 mm/min, resultando em 25 corpos de prova
ensaiados. A partir dos dados obtidos nos ensaios foi gerado gráficos típicos de tensão
versus deformação representando os valores encontrados e em acordo com a norma da
ASTM. Abaixo seguem os gráficos representativos de todos os testes analisados.
Figura 14 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 0.5
mm/min
57
Figura 15 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 1
mm/min
Figura 16 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 5
mm/min
58
Figura 17 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 10
mm/min
Figura 18 – Gráfico Tensão versus Deformação a uma taxa de velocidade de 50
mm/min
59
Através da resposta gráfica demonstrada nas figuras anteriores, é apresentado
abaixo a média de tensão versus deformação de todas as taxas de velocidade que o
material estudado foi analisado.
analisado
Figura 19 - Tensão Verdadeira versus Deformação Verdadeira para Diferentes
taxas de Deformação
A partir da média encontrada graficamente foi proposta a formulação para o
modelo viscoelástico unidimensional capaz de realizar uma descrição fisicamente realista
da sensibilidade da taxa de deformação e danos observados em ensaios de tração,
tração que
pode ser usado em problemas de engenhari
engenhariaa propostos a partir do comportamento
mecânico à tração do Polietileno de Alta Densidade (PEAD), quando testados
testad
a
diferentes taxas de deformação.
As curvas mostram uma dependência significativa da taxa de deformação em
relação à força máxima e o módulo de elasticidade aumentando com o acréscimo da taxa
60
de deformação. A ductilidade diminui à medida que a taxa de deformação aumenta, a
níveis mais elevados de deformação são observados taxas menores de deformação.
A finalidade é demonstrar que através de equações matemáticas seria possível
exemplificar o comportamento do PEAD reciclado.
4.2 MODELO MATEMÁTICO
Para que fosse iniciado o modelo matemático a primeira análise foi com relação à
utilização de diferentes taxas de deformação/velocidades de deformação. Esta é definida
como a variação da deformação por unidade de tempo, conforme definido pela equação a
seguir:
ε =
(1)
A deformação não possui unidades, sendo normalmente expressa em porcentagem
ou em mm/mm, então a taxa de deformação possui como unidade s -1 .
É notado salientar que os ensaios foram realizados com cinco diferentes taxa de
deformação de engenharia prescritos para quantificar a dependência da taxa de
deformação. Essa taxa de deformação é prescrita através dos valores realizados
experimentalmente, a variação da deformação pela variação do tempo desde o início do
ensaio
até
o
final
do
mesmo.
Essa
variação
é
descrita
pelos
seguintes
resultados: ε 1 =7.25x 10-5 s-1,ε 2 =1.45x10-4 s -1; ε 3 =7.25x10-4 s -1 ;ε 4 =1.45x10-3 s -1 e
ε 5 =7.25x10-3 s -1 .
Conforme mencionado no Capítulo 3, foram testados amostras de PEAD reciclado
confeccionados de acordo com o procedimento da ASTM D 638(08) Standard Test
Method for Tensile Properties of Plastics [1], à temperatura ambiente para as seguintes
velocidades: 0,5mm/min, 1mm/min, 5mm/min, 10mm/min e 50mm/min. A partir dos
resultados dessas amostras em laboratório foram feitos comparação das curvas médias de
tensão deformação por modelagem matemática afim de exemplificar qual o
61
comportamento mecânico do material estudado e se a partir do momento que este é
reprocessado se o seu comportamento se assemelha a amostra virgem.
4.2.1 Definições e Notações Básicas
Considerando um ensaio de tração simples, no qual a amostra tem um medidor de
comprimento L e a seção transversal submetido a um alongamento prescrito '(
submetido a um alongamento fixado ∆L(t). A força necessária para impor tal
alongamento em um dado instante t é conhecido F(t). A deformação de engenharia ε
assim chamada e a tensão de engenharia σ são classicamente definidas da seguinte
maneira:
) =
∆)
)
*
; ) =
+
)
(2)
,-
A deformação verdadeira e tensão verdadeira são definidas como:
= ln1 + ); = 1 + )
(3)
Das definições (2) e (3) é possível obter as seguintes relações:
= ln1 + ) ⇒ exp
) = expln1 + )) ⇒ = exp
) − 1 ⇒ =
exp
) ; ε =
(4)
67)
Logo, fez-se necessário o incremento de uma outra variável, uma auxiliar D,
chamada variável de dano, uma vez que ao incrementar os valores experimentais não era
possível achar uma razão ideal para a falha do material. É notado salientar que entendese por dano o processo físico de deterioração que acontece num material antes da falha e
que geralmente não é possível perceber [27].
62
No sentido mecânico para materiais sólidos, o dano é a criação e o crescimento de
micro-trincas e micro-cavidades, as quais são descontinuidades num meio considerado
como contínuo em grande escala [27].
A mecânica do dano é estudada por meio de variáveis mecânicas dos mecanismos
envolvidos na deterioração do material , quando este é submetido a carregamentos. Em
microescala, é a acumulação de micro-deformações na vizinhança de defeitos ou
interface na ruptura de ligação, ambos danificando o material [27].
Esta variável auxiliar no sentido termodinâmico é tal que:
•
0 ≤ D ≤ 1 supostamente relacionada com a perda de resistência
mecânica do sistema devido ao dano (isto é, descontinuidades
geométricas como microvazios, microfissuras induzidas por deformação
mecânica).
•
D=0 a barra é considerada "virgem". Estado não danificado.
D=1, é "quebradiça" (a barra não suporta mais o carregamento
mecânico).
É notado que os materiais poliméricos demonstram comportamento elástico no
escoamento e alguma forma de plasticidade a deformação irreversível, anisotropia1
induzida pelas deformações, dano por carregamento e crescimento de trincas sob cargas
estáticas ou dinâmicas. Esta é a principal razão que permite explicar suficientemente com
a mecânica do meio contínuo e a termodinâmica dos processos irreversíveis, modelam o
material sem detalhes referentes à complexidade de sua microestrutura física [27].
Todos os materiais são compostos por átomos que se juntam por ligações
resultantes das interações de campos eletromagnéticos. A elasticidade é diretamente
relacionada ao movimento relativo dos átomos. Quando há desligamento dos átomos é o
início do processo de dano [27].
O dano neste caso, acontece quando há ruptura de ligações que existem entre
longas cadeias moleculares, este mecanismo cria deformações plásticas. A elasticidade
influenciada pelo dano, a diminuição do número de ligações atômicas é responsável pelo
1
Anisotropia: Propriedade física que mostra valores diferentes em relação à direção [longitudinal ou
transversal] em que a medida é feita.
63
decréscimo da elasticidade com o aumento do dano. Este acoplamento, que acontece com
a deformação elástica e o dano do material é chamado de estado de acoplamento [27] .
A plasticidade é diretamente relacionada com o escorregamento. Nos polímeros
isso acontece devido ao reordenamento das moléculas poliméricas. Isto pode induzir
mudanças de volumes. A influência plástica do dano e deformação irreversível acontece
porque a área de resistência diminui assim como o número de ligações. O dano não é
diretamente influenciado pelo mecanismo de escorregamento, que não é um estado de
acoplamento. O acoplamento indireto para um incremento da tensão efetiva só na cinética
da equação constitutiva, este é chamado de acoplamento cinético [27].
É validado para este caso o dano dúctil, que acontece simultaneamente com a
deformação plástica. Resultante da nucleação de cavidades devido à separação das
inclusões e o rearranjo seguindo seu crescimento e sua coalescência através do fenômeno
de instabilidade plástica. Como consequência, o grau de localização do dano dúctil é
comparável ao da deformação plástica [27].
O cálculo do dano é baseado na influência do dano sobre uma propriedade
mecânica do material, por exemplo a tensão do material por meio do estado de
acoplamento. Este método é analisado à partir dos ensaios dos corpos de prova
assumindo como uniforme e homogênio na seção de trabalho [27].
Logo, por definição, a variável de dano pode ser diretamente relacionada ao
fenômeno de amolecimento em um ensaio de tração e, portanto, pode ser obtido
experimentalmente. Para uma dada tensão, a variável de dano é definida conforme figura
a seguir:
1 − :)á = ⇒ : = 1 − <
=á>
?
64
(5)
Figura 20 - Identificação Experimental da variável auxiliar D no ensaio de tração
A σAáB é a tensão última ou a máxima tensão,, que é dependente da taxa de
deformação. A partir de definição (5)
( pode-se
se verificar que, durante um ensaio de tração,
D = 0 se a amostra é endurecida por deformação (encruamento) e 0 ≤ : ≤ 1 se a
amostra sofre tensão por amolecimento.
amolecimento
4.2.1 Modelagem
Considerando
nsiderando uma temperatura fixa e por engenharia reversa são propostos
equações para
ra a modelagem do teste de tração do PEAD reciclado através da taxa de
deformação variável:
= C1 − :
, )EFG)C1 − HIJ−K
)EL
65
(6)
Onde as funçõesDε , ε ), e aε ) são definidas como segue:
G) = G6 ln) + GM (7)
: , ) = )〈
− ∗ 〉M + )〈
− ∗ 〉
(8)
Sendo:
) = Q Q − M M + 6 + K
(9)
) = 6 − (
(10)
∗ ) = −
6
R )
ln0.02)
(11)
〈ε − ε∗ 〉 = maxTε − ε∗ ), 0U e a6 , aM , b, c6 , cM , cQ , d6 ed( são constantes positivas
do material. É importante ressaltar que ε = ε expε ). A equação (6) e as equações
auxiliares (7 -11) formam um conjunto completo de equações constitutivas.
Este modelo foi concebido para um determinado intervalo de taxas de deformação
≤ ≤ á . É difícil apresentar uma definição precisa do limite das taxas de
deformação e á . Na falta de uma definição física precisa, sugere-se adotar os
seguintes valores: =7.25x 10-5 s-1 e á =7.25x10-3 s -1 considerando a taxa de
deformação.
4.2.2
Identificação dos Parâmetros
Os valores de todas as 9 constantes do material a6 , aM , b, c( = b, c6 , cM , cQ , d6 , d(
que aparecem no modelo teórico podem ser identificados a partir de apenas três ensaios
de tração, com taxas de deformação constante de engenharia. Estes parâmetros são
obtidos em dois passos. No primeiro passo, os componentes iniciais da curva tensãodeformação em que a amostra exibe encruamento e por definição , a variável de dano é
66
zero, são usadas. No segundo passo, as parcelas das curvas de tensão-deformação em que
as amostras apresentam deformação por amolecimento são utilizadas conforme tabela 2.
Tabela 2. Parâmetros do Material
a1
a2(Mpa)
18.028
32.24
b
42.3
c1
98.853
c2
-3E+07
c3
2E+09
d0
1.71
d1
443.94
Na fase inicial do teste a uma taxa de deformação constante de engenharia a
amostra apresenta endurecimento por deformação (encruamento) e, portanto , por
definição a variável de dano é zero. A tensão verdadeira pode ser expressa por:
= FG)C1 − HIJ−K
)EL
(12)
É possível verificar a partir da equação (12) o seguinte:
limYZ- )=G)
(13)
Consequentemente, aε ) é o valor máximo da tensão σ para uma dada taxa de
deformação constante, conforme Figura 21.
67
Figura 21- Identificação do _` )e a` )dos parâmetros da tensão verdadeira versus
deformação verdadeira
A partir da equação (12)) pode ser verificado também que:
que
\
[ Y
]
\Y ^(
Y
= G)K)
(14)
Consequentemente se G)for conhecido, K) pode ser identificada
Consequentemente,
identificad a partir da
inclinação inicial da tensão verdadeira versus curva de deformação verdadeira, como
mostrado na figura 21. Os parâmetros G)e K)também
também podem ser identificados
usando uma técnica de mínimos quadrados.
68
Os valores dos parâmetros do modelo proposto a)e K) podem ser
determinados usando pelo menos dois ensaios de tração
ção com diferentes taxas de tensão
de engenharia,, assim , a primeira parte do modelo pode ser calculada. Quando a amostra
atingee a tensão máxima, começa a tensão de amolecimento e, por definição , o valor da
variável de dano é zero.
O dano em função da curva de deformação verdadeira pode ser obtida a partir da
tensão verdadeira versus curva de deformação verdadeira. A Figura 22 apresenta as
curvas de dano associados com aas dos ensaios de tração mostrados na Figura 19.
Figura 22 - Curvas de dano em testes de tração do PEAD reciclado a diferentes
taxas de deformação
A Figura 22 mostra que
que durante o ensaio normal de tração, o valor da variável de
dano aumenta lentamente, e para uma especificação de projeto , decidiu-se
decidiu quantificar o
valor máximo para a variável D=0,2. Nenhum material será projetado para trabalhar além
da força máxima e, portanto,
rtanto, decidiu-se
decidiu se modelar o comportamento do material até que
atingisse 20% do dano.
69
Tal valor da variável de dano pode ser adotad
adotada como limite de qualidade para
toda a seção de projeto. A Figura 23 mostra que os valores dos parâmetros de dano c) e
d) presentes na equação 8 podem ser determinadas a partir de três ensaios de tração
com diferentes taxas de deformação de engenharia.
Figura 23 - Tensão Verdadeira X Deformação Verdade do PEAD reciclado para
diferentes taxas de deformação. Comparação com resultados experimentais
Para determinar a precisão do modelo, as amostras dos resultados experimentais
foram cruzados com a matemática do mod
modelo.
A Figura 23,, apresenta a tensão experimental e teórica versus as curvas de
deformação verdadeira para diferentes taxas de deformação.
É notado que a Figura 23,, mostra que os resultados experimentais estão em
acordo com o prognóstico do modelo obtido usando estimativa dos parâmetros.
râmetros. Devido a
complexidade do material
material,, pequenas discrepâncias são observadas quando os resultados
experimentais são comparados com as previsões do modelo
modelo.
70
É importante salientar que, embora os resultados dos ensaios para cinco diferentes
taxas de deformação são apresentados, apenas 3 ensaios (0,5mm/min, 5mm/min,
50mm/min) são suficientes para prever o comportamento mecânico do PEAD reciclado.
71
Capítulo 5
Conclusões
5.1 ANÁLISES CONCLUSIVAS
Neste trabalho exploratório, a dependência da taxa de deformação do Polietileno
de Alta Densidade (PEAD) reciclado é proposta para o modelo viscoelástico
unidimensional capaz de realizar uma descrição física da sensibilidade da taxa de tensão
e danos observados em ensaios de tração.
A partir de ensaio de tração a velocidades de 0.5mm/min, 1mm/min, 5mm/min,
10mm/min, e 50mm/min a temperatura ambiente; foi observado que o PEAD reciclado
possui um comportamento dúctil, devido aos valores elevados de deformação e
alongamento antes da ruptura dos corpos de prova.
A estricção inicia-se quando a máxima tensão é atingida, e prolonga-se por toda
extensão da amostra, com seção reduzida devido ao alongamento gerado no decorrer do
teste. A tensão de ruptura como era de se esperar é superior a de escoamento.
72
Foi verificado que quanto menor a taxa de carregamento/velocidade do ensaio
aplicado, menor é a tensão do material, isso se deve ao fato de que as moléculas do
polímero se rearranjam fazendo com que os interstícios sejam preenchidos e
reacomodados.
O PEAD reciclado submetido a diferentes velocidades de deformação confirma
que a tensão do material decai devido inclusive a fatores internos do material, por
exemplo, seu rearranjo.
Assim que os testes eram aplicados foi proposto um modelo de dano simples
contínuo para descrever o comportamento à tração, para que fosse descrito os fenômenos
observados em laboratório. Foi analisado que a taxa de deformação influência
significativamente o módulo de elasticidade, à resistência a tração e a ductilidade do
material.
As equações do modelo proposto combinam matemática simplificada (que
permite a sua utilização em problemas de engenharia) com a capacidade de executar uma
descrição fisicamente realista de um comportamento mecânico complexo.
Foi utilizada uma formulação para obter o máximo de informação sobre as
propriedades macroscópicas do PEAD reciclado a partir de um conjunto mínimo de testes
laboratoriais, poupando tempo e custos experimentais. Foi observado que com apenas
três ensaios de tração, em temperatura ambiente, são suficientes para identificar os
parâmetros descritos na teoria. Os resultados do modelo proposto estão em boa
concordância com o resultado experimental para diferentes taxas de deformação.
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como sugestão para trabalhos futuros é recomendável a título de complementação
do estudo analisar o PEAD reciclado, oriundo das embalagens de óleo lubrificante /
aditivos automotivos do ponto de vista do material processado em extrusora monorrosca,
extrusora de rosca dupla e a moldagem dos corpos de prova através de injetora, para fazer
uma análise das propriedades mecânicas à partir do resultado final da moldagem por estes
métodos e não somente por compressão à quente.
73
Outra proposta para trabalhos futuros é a utilização de ensaios de tração a
velocidades estabelecidas em norma a diferentes temperaturas até próximo à temperatura
de fusão do material estudado, complementando assim a modelagem matemática.
74
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79
APÊNDICE: ARTIGOS PUBLICADOS
80
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Polymer Testing 32 (2013) 338–342
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Polymer Testing
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Property modelling
Tensile behavior of post-consumer recycled high-density polyethylene
at different strain rates
J.M.L. Reis*, L.J. Pacheco, H.S. da Costa Mattos
Theoretical and Applied Mechanics Laboratory – LMTA, Mechanical Engineering Post-Graduate Program – PGMEC, Universidade Federal Fluminense – UFF,
Rua Passo da Pátria, 156, 22630-011 Niteroi, RJ, Brazil
a r t i c l e i n f o
a b s t r a c t
Article history:
Received 5 October 2012
Accepted 12 November 2012
This paper describes a study of the tensile behavior of post-consumer recycled highdensity polyethylene (HDPE) tested at different strain rates. The main goals of this study
are to experimentally characterize recycled HDPE and to propose a one-dimensional
viscoelastic phenomenological model able to yield a physically realistic description of
strain rate sensitivity and damage observed in tensile tests that can be used in engineering
problems. The material parameters that appear in the model can be easily identified from
just three tests performed at different constant strain rates. The results of tensile tests
conducted at different prescribed strain rates are presented and compared to model
estimates of damage progression, and show good agreement.
! 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords:
High-density polyethylene
Tensile tests
Viscoelasticity
Continuum damage mechanics
1. Introduction
In recent decades, concern over the environment has
grown and has become a matter of extreme importance,
especially in the industrial world. Polymers are one of the
raw materials most commonly used by manufacturing
companies, especially for packaging. High-density polyethylene (HDPE) is one of the most commonly used plastics
worldwide. It is typically found in milk jugs, plastic bags and
refillable plastic bottles. Recycled HDPE is used to manufacture plastic wood (lumber), recycled plastic furniture,
lawn and garden products, buckets, crates, office products
and automobile parts. HDPE has several properties that
make it ideal as a packaging and manufacturing product. It is
stronger than standard polyethylene, acts as an effective
barrier against moisture and remains solid at room
temperature. It resists insects, rot and other chemicals. It is
easily recyclable and can be used repeatedly. Recycled HDPE
creates no harmful emissions during its production or during
its use by the consumer. In addition, HDPE leaks no toxic
chemicals into soil or water. Studies of the composition of
* Corresponding author. Tel.: þ55 21 26295588; fax: þ55 21 26295585.
E-mail address: [email protected] (J.M.L. Reis).
0142-9418/$ – see front matter ! 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.
http://dx.doi.org/10.1016/j.polymertesting.2012.11.007
urban solid waste in Brazil have indicated that HDPE
comprises approximately 30% of the total collected rigid
plastics, second only to poly(ethylene terephthalate), or PET,
at 60% [1]. Recycling contributes to a reduction in resource
consumption and pollution. Landfill disposal is currently the
main issue concerning the disposal of plastics. The lack of
proper management for municipal waste can result in
improper disposal and has contributed to clogging of sewage
systems and flooding, favoring the proliferation of disease
transmitters and generating serious environmental problems such as pollution of rivers, springs and landfills. The
very low degradability and high volume of HDPE cause
waste plastics to occupy vast spaces for long periods of time,
shortening the life of landfills. Therefore, the study of
municipal solid waste and its components and the technical
and economic feasibility of recycling are of fundamental
importance to society [2–4]. In the last decade, the ability to
recycle plastics has increased significantly [5–8]. As
a consequence, the possibility of using post-consumer HDPE
to manufacture new products is an issue of great current
interest that is being studied by many researchers. La Mantia
et al. [5] studied the influence of the number of recycling
steps on the structure and the mechanical and rheological
properties of HDPE, concluding that low residence time in
Author's personal copy
J.M.L. Reis et al. / Polymer Testing 32 (2013) 338–342
the extruder leads to almost unaltered properties. Cruz and
Zanin [6] studied the need for re-stabilization during HDPE
reprocessing. Blends of HDPE were studied by Fernandez
et al. [7], who analyzed the rheological process, and by
Sanchez-Soto et al. [8], who studied mechanical properties.
Others have studied recycled HDPE as matrix composites
and have demonstrated excellent results [4,9–12].
The use of recycled HDPE has become commonplace;
therefore, better understanding of the behavior of this
material is necessary. The purpose of this study is to
propose a one-dimensional phenomenological damage
model for describing the viscoelastic behavior of recycled
HDPE in tensile tests for different strain rates at room
temperature. The model equations combine enough
mathematical simplicity to allow their application to
engineering problems with the capability of describing
complex nonlinear mechanical behavior (irreversible
deformations, strain rate sensitivity and damage observed
in tensile tests performed at different strain rates). The
material constants that appear in the model can be easily
identified from just three stress-strain curves obtained at
different prescribed strain rates. The model equations can
be obtained within the thermodynamic context described
in previous work by da Costa Mattos et al. [13–15].
339
2.2. Methods
Mechanical tensile tests were performed using a
Shimadzu" AG-X universal testing machine with electromechanical sensors for the control of longitudinal strain in
the active zone of the test specimen. Tensile tests at five
different prescribed engineering strain rates were performed
to quantify the strain rate dependency: 3_ 1 ¼ 7:25$10%5 s%1 ,
%4 %1 _
3_ 2 ¼ 1:45$10
s , 3 3 ¼ 7:25$10%4 s%1 , 3_ 4 ¼ 1:45$10%3 s%1
and 3_ 5 ¼ 7:25$10%3 s%1 .
3. Results and discussion
3.1. Experiments
Fig. 2 presents the true stress vs. strain curves for
recycled HDPE obtained from the controlled strain tensile
tests at different constant engineering strain rates:
%5 %1 _
3_ 1 ¼ 7:25$10
s , 3 2 ¼ 1:45$10%4 s%1 , 3_ 3 ¼ 7:25$10%4 s%1 ,
%3
3_ 4 ¼ 1:45$10
s%1 and 3_ 5 ¼ 7:25$10%3 s%1 .
The curves display a significant strain rate dependency
in which the maximum strength and modulus of elasticity
increase as the strain rate increases. Ductility decreases as
the strain rate increases, and higher deformation levels are
observed for lower strain rates.
2. Material and methods
3.2. Basic definitions and notations
2.1. Materials
Recycled HDPE from post-consumer plastic motor oil
containers were obtained from SEPAN Services (Niterói, RJ,
BR). The containers were drained to eliminate any oil residue
and then washed with biodegradable soap. The containers
were dried at 90 " C for 3 hours and then shredded into pellets.
The shredded recycled HPDE was compression molded
in a steel frame according to ASTM D 638-08 [16]. Differential scanning calorimetry measurements (DSC F3-Maia
Netzsch") characterized the HDPE as having a melting
temperature of 137 " C and a specific density of 0.95 g/cm3.
Fig. 1 displays the recycled HDPE pellets in the steel mold
and the finished specimen.
Consider a simple tensile test in which the specimen has
a gauge length L and a cross section Ao and is subjected to
a prescribed elongation DL(t). The force necessary to
impose such an elongation at a given instant t is denoted
F(t). The so-called engineering strain 3 and the engineering
stress s are classically defined as follows:
3 ðtÞ
¼
DLðtÞ
L
; sðtÞ ¼
FðtÞ
Ao
(1)
The so-called true strain 3 t and true stress st are defined
as follows:
3t
¼ lnð1 þ 3 Þ; st ¼ sð1 þ 3 Þ
Fig. 1. Recycled HDPE tensile specimen mold and geometry.
(2)
Author's personal copy
340
J.M.L. Reis et al. / Polymer Testing 32 (2013) 338–342
exhibits strain hardening, and 0 < D ( 1 if the specimen
exhibits strain softening.
3.3. Modeling
Assuming a fixed temperature, the following equation is
proposed to model tensile tests of recycled HDPE at a variable strain rate:
st ¼ ½1 % Dð3 t ; 3_ Þ* ½að_3 Þ ½1 % expð%b 3 t Þ**
(5)
where the functions Dð3 t ; 3_ Þ and að_3 Þ are defined as follows:
Fig. 2. True stress vs. true strain experimental curves for different strain rates.
From definitions (1) and (2), it is possible to obtain the
following relations:
3t
að_3 Þ ¼ a1 lnð_3 Þ þ a2
(6)
#
#
+ $2
+$
Dð3 t ; 3_ Þ ¼ cð_3 Þ 3 t % 3 þdð_3 Þ 3 t % 3
(7)
cð_3 Þ ¼ c3 3_ 3 % c2 3_ 2 þ c1 3_ þ b
(8)
dð_3 Þ ¼ d1 3_ % do
(9)
with
¼ lnð1 þ 3 Þ0expð3 t Þ ¼ expðlnð1 þ 3 ÞÞ 03
¼ expð3 t Þ % 10_3 ¼ expð3 t Þ 3_ t ; 3_ t ¼
3_
ð1 þ 3 Þ
(3)
3
+
1
lnð0:02Þ
ð_3 Þ ¼ %
bð_3 Þ
+
In the phenomenological approach adopted in this study,
an auxiliary variable D, called the damage variable, is
introduced. This auxiliary variable can have values within
the range 0 ( D ( 1 and is presumed to be related to the
loss of mechanical strength of the system due to damage
(i.e., geometrical discontinuities such as microvoids and
microcracks induced by mechanical deformation). If D ¼ 0,
the bar is considered “virgin,” and if D ¼ 1, it is considered
“broken” (meaning that it can no longer support mechanical loading). By definition, the damage variable can be
directly related to the softening phenomenon in a tensile
test, and hence can be obtained experimentally. For a given
stress, the damage variable is defined as follows (see Fig. 3):
ð1 % DÞsmax ¼ s0D ¼ 1 %
!
s
smax
"
(4)
smax is the ultimate or maximum stress, which is
dependent on the strain rate. From definition (4), it can be
verified that during a tensile test, D ¼ 0 if the specimen
(10)
+
h3 % 3 i ¼ maxfð3 % 3 Þ; 0g, a1, a2, b, c1, c2, c3, d1 and do are
positive material constants. It is important to note that
3_ ¼ 3_ t expð3 t Þ. Equation (5) and auxiliary Equations (6)–(10)
form a complete set of constitutive equations.
This model is conceived for a given range of strain rates
3_ min ( 3_ ( 3_ max . It is difficult to present a precise definition
of the limiting strain rates 3_ min and 3_ max . In the absence of
a precise physical definition, it is suggested that a range
from 7.25 $ 10%5 s%1 to 7.25 $ 10%3 s%1 be considered for
the strain rate.
3.4. Parameter identification
The values of all 9 of the material constants (a1, a2, b, co,
c1, c2, c3, do and d1) that appear in the theoretical model can
be determined from just three tensile tests at constant
engineering strain rates. These parameters are obtained in
2 steps. In the first step, the initial parts of the stress-strain
curves, where the specimen exhibits strain hardening and,
by definition, the damage variable is zero, are used. In the
second step, the portions of the stress-strain curves where
the specimen exhibits strain softening are used. Table 1
In the initial part of the test at a constant engineering
strain rate, the specimen exhibits strain hardening; therefore, by definition, the damage variable is zero. The true
stress st can be expressed as follows:
(11)
st ¼ ½að_3 Þ ½1 % expð%b 3 t Þ**
It is possible to verify the following from Equation (11):
lim ðst Þ ¼ að_3 Þ
3t
(12)
¼0
Table 1
Material parameters.
a1
Fig. 3. Experimental identification of the auxiliary variable D in a tensile test.
a2 (MPa) b
1.8028 32.24
c1
c2
c3
do
d1
42.3 98,853 %3 $ 107 2 $ 109 1.71 443.94
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341
Fig. 6. Recycled HDPE true stress vs. true strain curves for different strain
rates. Comparison with experimental results.
Fig. 4. Identification of að_3 Þ and bð_3 Þ parameters from the true stress vs. true
strain curve.
Hence, að_3 Þ is the maximum value of the stress st for
a given constant strain rate, as shown in Fig. 4.
From Equation (11), the following can be verified:
%
dst %%
¼ að_3 Þbð_3 Þ
d3 t %3 t ¼0
(13)
Hence, if að_3 Þ is known, bð_3 Þ can be identified from the
initial slope of the true stress vs. true strain curve, as shown
in Fig. 4. The parameters að_3 Þ and bð_3 Þ can also be identified
using the least squares technique.
The values of the proposed model parameters að_3 Þ and
bð_3 Þ can be determined using at least two tensile tests with
different engineering strain rates; thus, the first part of the
model can be calculated. When the specimen reaches the
maximum stress, strain softening begins and, by definition,
the value of the damage variable is zero.
The damage vs. true strain curve can be obtained from the
true stress vs. true strain curve. Fig. 5 presents the damage
curves associated with the tensile tests shown in Fig. 2.
Fig. 5 shows that, during a typical tensile test, the value
of the damage variable increases slowly, and for a design
Fig. 5. Damage curves for tensile tests of recycled HDPE at different strain rates.
specification it was decided to quantify the maximum value
for the variable D ¼ 0.2. No such material will be designed
to work beyond its maximum strength; therefore, for this
case, it was decided to model the material behavior until it
reaches 20% damage. Such a damage variable value can be
adopted as a quality limit for any design part. Fig. 6 shows
that the values of the damage parameters cð_3 Þ and dð_3 Þ
presented in Equation (9) can be determined from three
tensile tests with different engineering strain rates.
To determine the accuracy of the model, samples of
experimental results were cross-checked with the mathematical model.
Fig. 6 presents the experimental and theoretical true
stress vs. true strain curves for different strain rates.
Clearly, Fig. 6 shows that the experimental results agree
well with the model predictions obtained using estimated
parameters. Due to the complexity of the material, small
discrepancies are observed when the experimental results
are compared to the model predictions. It is important to
emphasize that, although test results for 5 different strain
rates are presented, just 3 tests are sufficient to predict the
mechanical behavior of recycled HDPE.
4. Conclusions
In this study, the strain rate dependency of recycled
high-density polyethylene (HDPE) was analyzed. In addition, a simple continuum damage model is proposed to
describe the tensile behavior of HDPE. The strain rate
significantly influences the modulus of elasticity, tensile
strength and ductility of HDPE. The proposed model
equations combine mathematical simplicity that facilitates
their application to engineering problems with a physically
realistic description of the mechanical behavior of HDPE.
The intent of this study is to use this model formulation to
obtain the maximum amount of information possible about
the macroscopic properties of recycled HDPE from
a minimum number of laboratory tests, saving time and
experimental costs. Just three tensile tests at room
temperature are needed to determine the values of the
parameters of the model. The proposed model results agree
well with experimental results for different strain rates.
Author's personal copy
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J.M.L. Reis et al. / Polymer Testing 32 (2013) 338–342
Acknowledgements
The financial support of Rio de Janeiro State Funding,
FAPERJ, and the Research and Teaching National Council,
CNPq, is gratefully and acknowledged.
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INFLUÊNCIA DA TAXA DE CARREGAMENTO NO COMPORTAMENTO
MECÂNICO DO PEAD RECICLADO
Lívia Júlio Pacheco, [email protected]
João Marciano Laredo dos Reis, [email protected]
1
Universidade Federal Fluminense - UFF, Laboratório de Mecânica Teórica e Aplicada- LMTA, Programa de PósGraduação em Engenharia Mecânica- PGMEC, Rua Passo da Pátria,156 Bl E sala 216, Niterói, RJ, Brasil
Resumo: Neste trabalho, é buscado a resposta mecânica do PEAD reciclado a partir de recipientes de óleo
lubrificante e aditivo para motores automotivos (embalagens moldadas a sopro), picotados e moldados por
compressão onde foi estudada experimentalmente como função da taxa de carregamento. Através de ensaios
específicos pode-se fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Ao considerar a
velocidade de carregamento foi avaliado se as propriedades mecânicas do polimero são afetadas. O PEAD reciclado
foi testado a temperatura ambiente para determinar suas propriedades de tração. Os dados experiementais e as
técnicas apresentadas neste trabalho, norteiam o conhecimento sobre o comportamento mecânico do polímero
analisado, através dos valores encontrados na literatura para o PEAD puro. A partir dos dados encontrados têm-se
como objetivo para trabalhos futuros desenvolver um modelo matemático para analisar as propriedades viscoelasticas
e as deformações plásticas do material estudado .
Palavras-chave: PEAD, Propriedades Mecânicas, Testes Experimentais,Viscoelasticidade
1. INTRODUÇÃO
Com o aumento da utilização dos materiais poliméricos no cenário atual, houve a necessidade de uma destinação
final para estes polímeros de acordo com as normas atuais vigentes, levando em consideração preocupações ambientais
relativas à sua destinação final.
Entre os polímeros comercializados o polietileno é o que apresenta a estrutura mais simples. Conferindo assim
grande versatilidade em relação à variedade dos processos de transformação. Este polímero foi descoberto na GrãBretanha em 1933 e comercializado em 1939. Atualmente é um dos plásticos mais vendidos e reciclados no mundo.
Segundo Chianelli Jr. et al (2011) o Polietileno de Alta Densidade sendo um termoplástico é bastante utilizado. Seu
uso em escala industrial vem sendo empregado desde 1950 devido as suas qualidades (durabilidade, estanqueidade
química térmica, resistência à corrosão e ductibilidade). Do ponto de vista térmico não há restrição para a reciclagem do
PEAD. Ele vem se tornando um dos plásticos mais reciclados dentre os termoplásticos, devido às suas propriedades
mecânicas e à significativa disponibilidade nos resíduos sólidos urbanos, cerca de 30% do total de resíduos plásticos
rígidos.
Chianelli Jr. et al (2011) enfatiza em sua tese que a utilização do polietileno reciclado na produção de embalagens e
outros artefatos plásticos produzem os seguintes benefícios:
• Redução de 33% no consumo de energia;
• Redução de 90% no consumo de água;
• Redução de 66% na emissão de óxido de carbono;
• Redução de 33% na emissão de dióxido de enxofre;
• Redução de 50% na emissão de óxido nitroso.
Dos processos de reciclagem, o mais comum é o processo de reciclagem termo-mecânica que envolve a moagem, a
fusão, o corte e a granulação de resíduos plásticos. As peças plásticas são selecionadas em tipos diferentes de materiais
antes do início do processo. Por conseguinte o material é derretido e moldado em uma nova forma ou cortado em
pequenos grânulos (chamados de pellets) que serão posteriormente utilizados como matéria-prima para praticamente
qualquer finalidade, excluindo-se hospitalar e alimentar. Um dos problemas da reciclagem de plásticos é ao fundir
polímeros diferentes, eles não se misturarem facilmente – como a água e o óleo. O PEAD, porém se mostra bastante
estável após diversos processamentos consecutivos.
De acordo com Reis, Queiroz e Garcia et al (2006) o PEAD é encontrado nas embalagens de óleos lubrificantes
automotivos, ao qual tem como função evitar ou minimizar o desgaste de superfícies com movimentos relativos. Na sua
VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 31 de julho a 03 de Agosto 2012, São Luis - Maranhão
composição estão presentes, além das bases lubrificantes, os aditivos que conferem ao produto propriedades adequadas
para um bom desempenho. Estes aditivos que compõem esse grupo têm funções detergentes/dispersantes, antioxidantes
e inibidoras de corrosão, entre outras. Quando se considera que esses produtos possuem vida-de-prateleira
“indeterminada” (conforme as informações que constam das embalagens de mercado) em condições de estocagem
apropriadas.
Chianelli Jr. et al (2011) ressalta que com o crescimento da população mundial e conseqüentemente da sua frota
automobilística, o aumento do consumo de óleo lubrificante e aditivo automotivo produz um acentuado e preocupante
descarte de embalagens plásticas, oriundas de produtos não degradáveis e altamente poluidores dos lençóis freáticos.
Ao serem descartadas pós-consumo, essas embalagens carregam consigo, resíduos que escorrem nos aterros
sanitários provocando um grande impacto ambiental. Nesses aterros, os plásticos impedem as trocas líquidas e gasosas
necessárias à decomposição das matérias orgânicas.
Chianelli Jr. et al (2011) destaca em sua pesquisa que de acordo com dados recentes fornecidos pelo Sindicom
(Sindicato Nacional das Empresas Distribuidoras de Combustíveis e de Lubrificantes) e Sindiplast (Sindicato da
Indústria de Material Plástico do Estado de São Paulo), a cada ano são produzidas cerca de 305 milhões de vários tipos
de embalagens de óleo lubrificante. Falando-se em termos de massa, temos cerca de 25.100 toneladas de embalagens
plásticas usadas geradas no Brasil. O destino dessas embalagens é fator de extrema importância e preocupação. Há
normas estabelecidas pelo Ministério do Trabalho e pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) para o
manuseio, a coleta, o armazenamento temporário e o transporte dessas embalagens.
Em tempo, segundo Reis, Queiroz e Garcia et al (2006) a Lei Estadual no. 3369/00, específica do Rio de Janeiro,
estipula um percentual de embalagens plásticas comercializadas que devem ser recicladas, o que tem feito entidades
como Petrobrás, Sindicon e InpEV (Instituto Nacional de Processamento de Embalagens Vazias), entre outros,
trabalharem na coleta seletiva, educação ambiental, logística reversa e reciclagem nos setores de embalagens plásticas
para óleo lubrificante e agrotóxicos.
Conforme mencionado por Wasilkoski et al (2006) em seu trabalho o comportamento mecânico dos materiais é
caracterizado pela resposta que estes apresentam quando submetidos a taxa de carregamento. Para os polímeros, a
tensão e a deformação não são relacionadas através de simples constantes de proporcionalidade, como o módulo de
elasticidade. As respostas dos polímeros às solicitações mecânicas são acentuadamente dependentes de fatores
estruturais e de variáveis externas.
Para materiais de baixa massa molecular, o comportamento mecânico é descrito em termos de dois tipos de material
ideal: o sólido elástico e o líquido viscoso. O sólido elástico retorna a sua forma inicial depois de removido o esforço, e
a deformação do líquido viscoso é irreversível na ausência de forças externas.
Wasilkoski et al (2006) ressalta que os polímeros se caracterizam por apresentar um comportamento intermediário
entre o sólido elástico e o líquido viscoso, dependendo da temperatura e da escala de tempo do experimento. Esta
característica é denominada viscoelasticidade.
É notado que a partir de certa tensão os materiais começam a se deformar plasticamente, ou seja, ocorrem
deformações permanentes que resultam de deslocamentos relativos entre planos atômicos, os quais são de natureza
irreversível uma vez cessada a solicitação. O ponto onde as deformações permanentes começam a se tornar significativa
é chamado de limite de ruptura.
Conforme, Dalcin et al (2007) a tensão necessária para continuar a deformar aumenta até um ponto máximo
chamado de limite de resistência à tração na qual a tensão é a máxima na curva tensão-deformação de engenharia. Isto
corresponde à maior tensão que o material pode resistir; se esta tensão for aplicada e mantida, o resultado será a fratura.
Toda a deformação até este ponto é uniforme na seção. No entanto, após este ponto, começa a se formar uma estricção,
na qual toda a deformação subseqüente está confinada e, é nesta região que ocorrerá ruptura. A tensão corresponde à
fratura é chamada de limite de ruptura.
Portanto, a base deste trabalho é buscar a resposta mecânica do PEAD reciclado de embalagens de óleo lubrificante
e aditivos, sendo analisadas experimentalmente como uma função da taxa de carga, comparado com valores
encontrados na literatura para o PEAD puro. A partir desta análise será proposto um modelo matemático, para estudo da
viscoelasticidade e a plasticidade do material.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
As amostras dos materiais foram recebidas e preparadas no Laboratório de Materiais de Construção da
Universidade Federal Fluminense-LAMCO, para a confecção dos corpos de prova (CP), e posterior ensaio dos mesmos,
objetivando determinar as propriedades mecânicas do PEAD reciclado, pelo tipo de processamento a compressão
térmica e análise desses valores com o PEAD puro segundo literatura ensaiados a partir da norma ASTM D 638.
As embalagens de polietileno de alta densidade (PEAD) descartadas foram recebidas e dispostas de maneira a vazar
por 24 h o resíduo de óleo, aderido em suas paredes. Após este procedimento, efetuou-se a lavagem dos frascos com
água e detergente biodegradável com a finalidade de se retirar o máximo possível do resquício de óleo que porventura
ainda estivesse aderido. Posteriormente, deu-se prosseguimento ao corte das embalagens no moinho triturador
Plastimax 5cv, obtendo-se um material peletizado, que foi imediatamente acondicionado em bandejas metálicas e seco
em estufa a 90°C por um período de 24 h. Os materiais foram pesados em balança eletrônica.
Foram realizadas duas prensagens em moldes metálicos já no formato e dimensões dos corpos de prova segundo as
normas ASTM D 638 (2008) gerando cinco corpos de prova para o ensaio de Tração.
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As misturas foram dispostas nos moldes no sentido longitudinal e colocadas na prensa com temperatura préajustada em 170°C. Iniciou-se a prensagem de maneira gradativa até que a temperatura estabilizasse em 170°C. A
massa dos materiais foi obtida através dos cálculos do volume ocupado pelos corpos de prova nos moldes
confeccionados, segundo as normas ASTM.
Os ensaios foram analisados em uma Máquina Universal de Ensaio SHIMADZU modelo Autografh AG-X 100 kN
equipado com garras mecânicas e sistema ótico (extensômetro de não contato), com velocidade de 0,5mm/min;
5mm/min e 50mm/min à temperatura ambiente. Foram utilizados para amostra 5 (cinco) corpos de prova do tipo I de
acordo com as da norma ASTM D 638 (2008). A seguir é apresentada figura (1) esquemática do perfil do corpo de
prova.
Figura 1. Corpo de prova tipo I (dimensões em mm). Fonte: ASTM D 638 (2008).
Adaptado: Candian, L.M., Dias, A.A. et al (2009)
3. RESULTDOS E DISCUSSÕES
Na tabela (1) são apresentados os dados do PEAD puro segundo literatura.
Tabela 1. Características Principais do PEAD Puro
Adaptado: Chinelli Jr. et al (2011)
CARACTERÍSTICAS
Grau de Cristalinidade
Densidade
Temperatura de Fusão
Alongamento na Ruptura (em placa)
Tensão de Ruptura a Tração (em placa)
Módulo de Elasticidade à Tração (Módulo de
Young)
Tm
Tg
VALORES
60-80%
0,94 – 0,97g/cm3
130-141°C
860%
29 MPa
900 Mpa
137°C
-120°C
Para o experimento foram utilizados 5 corpos de prova para cada velocidade de ensaio à temperatura ambiente, no
caso, 0,5mm/min; 5 mm/min e 50 mm/min, resultando em 15 corpos de prova ensaiados. A partir dos dados obtidos
nos ensaios foi gerado gráfico típico de tensão versus deformação representando os valores médios com os respectivos
desvios padrão exigidos pelas normas da ASTM. Abaixo segue na figura (2) segue gráfico representativo dos testes
avaliados.
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Figura 2. Comparação entre as curvas médias da tensão versus deformação no Ensaio de Tração a diferentes
taxas de carregamento e temperatura ambiente
Na tabela abaixo é apresentado o valor médio da tensão e o desvio padrão para as taxas de carregamento
representadas nos ensaios.
Tabela 2. Valores da Tensão Média à partir da taxa de carregamento.
Ε
0,5
5
50
σmáx (MPa)
12,96±0,68
15,3±2,37
20,3 ±0,96
De acordo com os resultados obtidos no ensaio de tração para o PEAD reciclado à temperatura ambiente e os
valores encontrados na literatura para o PEAD puro nota-se que o mesmo possui um comportamento dúctil, devido aos
valores elevados de deformação e alongamento antes da ruptura dos corpos de prova.
A estricção incia-se quando a máxima tensão é atingida, e prolonga-se por toda extensão da amostra, com seção
reduzida devido ao alongamento gerado no decorrer do teste. A tensão de ruptura como era de se esperar é superior a de
escoamento.
Em toda sua seção os corpos de prova apresentam um comportamento uniforme, mesmo alguns corpos de prova
apresentarem porosidade em sua estrutura, o que pode ser uma explicação para o valor do desvio padrão a 5 mm/min.
Os corpos de prova foram testados em acordo com a norma ASTM D638 (2008), deformando até o limite da estufa que
complementa o equipamento.
Nota-se que quanto menor é a taxa de carregamento/velocidade do ensaio aplicado, menor é a tensão do material,
isso se deve ao fato de que as moléculas do polímero se rearranjam fazendo com que os interstícios sejam preenchidos e
reacomodados.
Por fim, a partir dos resultados obtidos, será desenvolvimento em futuro próximo um modelo matemático para o
comportamento viscoelástico do material e analisado seu comportamento plástico. É notado que estes resultados são
pouco significativos para o tratamento das amostras, porém, estão sendo realizados mais ensaios à outras velocidades
para que se possa estabelecer a relação para o modelo ideal.
4. CONCLUSÃO
O PEAD reciclado possui um comportamento dúctil, quando submetido à tração, devido a este comportamento ele
apresenta semelhanças com o PEAD puro. O comportamento do material quando ensaiado à tração, apresenta
características típicas do material virgem, baixo módulo de elasticidade, baixa tensão de escoamento, porém elevada
elongação.
Os valores do desvio padrão da amostra para a velocidade de 5 mm/min foram as maiores devido a porosidade
apresenta no do material.
O módulo de elasticidade do material é pouco afetado pela taxa de carregamento no ensaio de tração.
Nota-se que quando o PEAD reciclado é submetido a diferentes velocidades de deformação conforme apresentado
na figura (2), confirma que a tensão do material decai devido inclusive a fatores internos do material, por exemplo, seu
rearranjo.
Finalmente, o comportamento do material será analisado para diferentes taxas de deformação para ser avaliado seu
comportamento. Ao final desta análise será apresentado um modelo matemático para o comportamento viscoelástico do
material.
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5. AGRADECIMENTOS
A Capes, CNPq pelo apoio financeiro.
Ao Mestre Rafael Chinelli Júnior por sua contribuição ao projeto.
6. REFERÊNCIAS
American Society For Testing And Materials, 2008, “D638-08: Standard Test Method for Tensile Properties of
Plastics”, West Conshohocken, PA, USA.
Candian, L.M.; Dias, A.A., 2009, “Estudo Do Polietileno De Alta Densidade Reciclado Para Uso Em Elementos
Estrutural”. Cadernos de Engenharia de Estruturas, São Carlos, Brasil, Vol. 11, n. 51, p. 1-16.
Chianelli JR., R., 2011,“Processamento de Material Compósito de PEAD Reciclado e Fibra de Sisal”, Dissertação
(Mestrado) – Universidade Federal Fluminense, Niterói, Brasil.
Dalcin, G.B., 2007, “Ensaios dos Materiais”. Curso Engenharia Industrial Mecânica, URI – Universidade Regional
Integrada do Alto Uruguai e das Missões, Santo Ângelo, Rio Grande do Sul, Brasil, p. 1-41.
Reis, A.P.C, Queiroz, G de C, Garcia, E.E.C.; Gonçalves, R.C., 2006, “Análise do Comportamento de Embalagens
Plásticas para Óleo Lubrificante Contendo PEAD Pós-Consumo em Relação ao Stress Cracking Ambiental” ,17°
CBECIMat – Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Foz do Iguaçu, Brasil. p. 8408-8419.
Wasilkoski, C. M., 2006, “Comportamento Mecânico Dos Materiais Poliméricos”, Dissertação (Doutorado) –
Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
Os trabalhos escritos em português ou espanhol devem incluir (após direitos autorais) título, os nomes dos autores e
afiliações, o resumo e as palavras chave, traduzidos para o inglês e a declaração a seguir, devidamente adaptada para o
número de autores.
LOAD RATE EFFECTS ON THE TENSILE PROPERTIES OF RECYCLED
HDPE
Lívia Júlio Pacheco, [email protected]
João Marciano Laredo dos Reis, [email protected]
1
Universidade Federal Fluminense – UFF – Theoretical and Applied Mechanics Laboratory – LMTA, Mechanical Engineering Post
Graduate Program – PGMEC – Rua Passo da Pátria, 156, Bl.E sala 216, Niterói, RJ, Brazil
Abstract. In this work is searched the mechanical response of recycled HDPE from containers lubricating oil additive
for automotive engines (blow molded packages) compression molded perforated where it was studied experimentally
as a function of loading rate. Through specific tests can provide quantitative data of the mechanical characteristics of
materials. When considering the speed of loading was assessed whether the mechanical properties of the polymer are
affected. The recycled HDPE was tested at room temperature to determine their tensile properties. The experimental
data and the techniques presented in this study, guide the knowledge of the mechanical behavior of the polymer
analyzed, thought the values found in literature for pure HDPE .Since the data found, the objective for future works is
to develop a mathematical model to analyze the viscoelastic properties and plastic deformation of the material studied.
Keywords: HDPE, Mechanicals Properties, Experimental Tests, Viscoelasticity