UTILIZAÇÃO DE ARGILAS TRATADAS
SUPERFICIALMENTE EM COMPOSIÇÕES DE
ELASTÔMERO DE ETILENO-PROPILENO-DIENO
Regina C. C. de A. Cid1*, Djanira M. de R. Costa1, Marcia G. de Oliveira1, Marcelo H. Virgolino1,
Ariosvaldo A. B. Sobrinho2
1
Divisão de Processamento e Caracterização de Materiais do Instituto Nacional de Tecnologia – Av. Venezuela, 82
sala 106 – Centro – Rio de Janeiro – RJ – 20081-312 - [email protected]; [email protected];
[email protected] ; [email protected] ;
2
Depto. de Engenharia de Materiais da UFCG - Campina Grande - PB - [email protected]
Surface treated clays as fillers for ethylene-propylene-diene elastomer
Ethylene-propylene-diene elastomers (EPDM) are widely used in automotive and building sealing applications. Many
mineral fillers, including clays has been used to improve polymers performance, such as mechanical properties and
processing behavior, along with lower production costs.
This work deals with the preparation of composites of ethylene-propylene-diene elastomer and filossilicate type clays as
kaolin, mica and montmorillonite. The fillers were treated with quaternary ammonium salts, to evaluate the relation
between filler treatment and its dispersion within the elastomer matrix and the consequence of such procedure in
composite properties. It was found that treated mica and montmorillonite fillers presented better dispersion properties,
which accounts for better processing and toughening of compositions.
Introdução
Nanocompósitos poliméricos possuem um vasto
potencial em termos de aplicação, oferecendo um
número significativo de vantagens sobre compósitos
convencionais. Materiais compósitos normalmente
necessitam de um alto teor de carga inorgânica (10% a
50%), para apresentar propriedades otimizadas, tais
como resistência à tração, impacto, deflexão ao calor,
permeabilidade e resistência térmica. No caso de
nanocompósitos, o teor de carga a ser adicionado à
composição polimérica é bem inferior (em torno de
3,5%)1.
Dando continuidade ao trabalho do grupo2, pretendeuse neste trabalho realizar um estudo preliminar de
incorporação de argilas tratadas com sal orgânico de
amônio em EPDM de baixa viscosidade, de modo a se
obter compósitos com propriedades superiores aos
obtidos quando se utilizam métodos convencionais de
reforço da borracha. Uma das vantagens do EPDM é a
sua grande capacidade de incorporação de cargas
minerais. Argilas do tipo caulinita, mica e
montmorillonita receberam tratamento com sais
orgânicos de amônio quaternário, com o objetivo de se
obter interações em escala nanométrica entre carga
mineral e polímero.
Experimental
As composições de EPDM Keltan 21 (DSM do Brasil)
foram preparadas em rolo de mistura aberto, utilizando
sistema de vulcanização semi-eficiente. As cargas
minerais foram adicionadas na proporção de 8%, em
relação ao peso total de borracha. Foram preparadas
seis composições, sendo uma de referência (sem
carga), denominada M1. As cargas incorporadas foram
caulinita, com e sem tratamento com sal de amônio
quaternário (M2 e M3, respectivamente), mica, com e
sem tratamento (M4 e M5, respectivamente) e
montmorillonita tratada com o mesmo sal orgânico
(M6). O tratamento é feito incorporando-se a argila a
solução aquosa 10% de sal de amônio, sob agitação,
em procedimento descrito anteriormente.
O comportamento reológico das composições foi
analisado através do RPA 2000 (Rubber Processing
Analyser), da Alpha Technologies.
Resultados e Discussão
Composições não vulcanizadas
As Figuras 1 e 2 apresentam as curvas de viscosidade
complexa versus freqüência para as composições não
vulcanizadas. A baixas freqüências (até 15 cpm), a
viscosidade de M6 é superior, o que indicaria formação
de estrutura entre as partículas de montmorillonita. A
altas freqüências, ocorre “shear thinning”, com o
Anais do 7o Congresso Brasileiro de Polímeros
931
M1
M3
M5
n*(Pa-s)
1.5E+05
1.0E+05
M6
400
300
200
M2
M4
M6
0.1
1
10
100
1000
tempo (s)
Figura 5
– Relaxamento de tensão para as composições sem
carga(M1) e montmorillonita tratada(M6)
5.0E+04
0.0E+00
0
5
10
15
freqüência (cpm)
Figura 1 –
Viscosidade complexa versus baixa frequencia para
todas as composições.
M1
M3
M5
4.0E+04
n*(Pa-s)
M1
500
G(t)
decréscimo constante da viscosidade com o aumento
da taxa de cisalhamento, com orientação das partículas
de carga, fenômeno que se observa para todas as
composições.
3.0E+04
M2
M4
M6
2.0E+04
1.0E+04
0.0E+00
20
70
Os resultados de tan delta confirmam essa tendência e
estão apresentados na Figura 6. O comportamento das
composições em geral segue a mesma tendência,
porém valores absolutos de tan delta superiores para
M3, M5 e M6 em relação a M1, M2 e M4 indicam a
maior plasticidade daqueles compostos.
Após testes de envelhecimento no RPA, todas as
composições apresentaram valores absolutos de tan
delta superiores em relação às composições não
envelhecidas, sendo menor o efeito do envelhecimento
para as composições com cargas tratadas.
120 170 220 270 320 370 420 470
AE
0.25
freqüência (cpm)
DE
Figura 2 -
Viscosidade complexa versus média e alta frequencia
para todas as composições.
Composições após vulcanização
As Figuras 3 a 5 apresentam as curvas de relaxamento
de tensão das composições M1 a M6. Verifica-se que
as composições com cargas apresentam valores de
módulo elástico inferiores ao longo do tempo, em
relação à goma pura, com efeito mais acentuado para
as
composições
com
tratamento
orgânico,
notadamente, a mica. Corroborando os resultados
mecânicos obtidos para toda a série de compostos, a
montmorillonita apresenta maior queda de G em
relação à goma pura, evidenciando a predominância do
componente viscoso quando ocorre a dispersão
eficiente das lamelas de argila na matriz polimérica.
M1
G(t)
500
M2
M3
400
300
200
0.1
1
10
100
1000
tempo (s)
Figura 3 –Relaxamento
de tensão para as composições sem
carga(M1), com caulim sem tratamento(M2) e caulim tratado(M3)
M1
G(t)
500
M4
M5
400
300
200
0.1
1
10
100
1000
tempo (s)
Figura 4 –
Relaxamento de tensão para as composições sem
carga(M1), com mica sem tratamento(M4) e mica tratada(M5)
932
tan delta
0.2
0.15
0.1
0.05
0
M1
M2
M3
M4
M5
M6
Figura 6 – Tan delta para as composições M1 a M6, normais e
envelhecidas termicamente no RPA.
Conclusões
O tratamento de cargas argilosas com tensoativo
catiônico mostrou-se efetivo para dispersão em matriz
de elastômero EPDM de baixa viscosidade, adequado
para facilitar a inserção dos íons amônio de cadeia
alquila longa. Verificou-se melhor dispersão da carga
quando se utilizou mica e montmorillonita como carga,
intercaladas com composto orgânico, fato atestado por
valores de G menores do que para a goma pura, com
maior taxa de queda no caso da montmorillonita.
A utilização de cargas modificadas com íons orgânicos
de cadeia longa permitiu que se obtivessem compostos
com boas propriedades de processamento, utilizando
quantidades de carga bem inferiores do que o
convencional. Esta característica se alia à obtenção de
propriedades mecânicas satisfatórias, antecipadas pelo
teste de relaxamento de tensão e confirmadas
posteriormente pelas propriedades mecânicas3.
Agradecimentos
Os autores agradecem à DSM e à Brasgel pelo
fornecimento do EPDM e da montmorillonita tratada.
Referências Bibliográficas
1. Kornman, X., Synthesis and Characterization of
Thermoset-Clay
Nanocomposites,
Lulea
University of Technology, Suécia, 2000.
2. Cid, R.; Costa D.; Oliveira, M.Virgolino, M.,
Sobrinho, A.B., in Anais do 15o CBECIMAT,
Natal , 2002.
3. Cid, R.; Costa D.; Virgolino, M., in Anais do 15o
Congresso da ABM, Rio de Janeiro, 2003.
Anais do 7o Congresso Brasileiro de Polímeros
Anais do 7o Congresso Brasileiro de Polímeros
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