Dispersão de argilas em matrizes poliméricas: efeitos termomecânicos e compatibilização de misturas poliméricas

Abstract

Nanocompósitos preparados por adição de nanopartículas a matrizes poliméricas têm sido amplamente estudados, dado que permitem obter propriedades únicas. A extrusão é o método mais importante na prática industrial na preparação de nanocompósitos, sendo eficaz na obtenção de níveis elevados de dispersão das partículas à escala nanométrica em polimeros polares, através da variação das condições de processamento. No entanto, apesar do esforço de investigação sobre diversos aspetos na preparação de nanocompósitos, persistem dúvidas sobre as condições que permitem a dispersão acentuada de nanopartículas do tipo montmorilonita, argila natural ou modificada, em polímeros apolares. Por isso, este trabalho tem como objetivos principais encontrar condições ou indicadores que favoreçam a delaminação das argilas organofílicas no polipropileno, considerando os seus efeitos nos mecanismos de intercalação e exfoliação e aferir o papel das argilas como compatibilizador em misturas de polímeros. O trabalho envolveu a preparação de nanocompósitos de polímeros com argilas organofílicas comerciais, a argila Cloisite C15A e a C30B. Os polímeros utilizados foram o polipropileno (PP), a poliamida (PA6) e o PP modificado com anidrido maleico (PP-g-MA), como compatibilizador. Os dois tipos de nanocompósitos em estudo, PP/nanoargila e a mistura PA6/PP/nanoargila, foram preparados numa extrusora de duplo-fuso corrotativa. As amostras dos materiais recolhidas ao longo do cilindro e na fieira foram caracterizadas por técnicas fundamentais para os nanocompósitos, como sejam a difração de raio-X (XRD), a microscopia eletrónica de varrimento e de transmissão (SEM e TEM, respetivamente), a termogravimetria (TGA) e ensaios reológicos e mecânicos. Para o sistema PP/nanoargila obtiveram-se graus de dispersão mais elevados com a argila C15A do que com a C30B. A capacidade de exfoliar as lamelas da argila C15A na matriz de PP por extrusão melhorou com a utilização de perfis de fusos e velocidades de rotação que proporcionaram taxas de corte moderadas. Assim, o perfil de fusos mais intenso e a menor velocidade de rotação contribuíram para o aumento do grau de exfoliação das lamelas, assim como a temperatura de processamento mais baixa ou o débito mais elevado. A adição da argila C15A ou da C30B à mistura, PA6/PP ou PA6/PP/PP-g-MA, promoveu a adesão entre os polímeros e, consequentemente, a diminuição do tamanho das partículas da fase dispersa. Essencialmente, as lamelas da argila localizaram-se na interface dos polímeros imiscíveis. As argilas evidenciaram maior afinidade com a poliamida, atingindose níveis mais elevados de dispersão com a C30B. As argilas melhoraram as propriedades mecânicas, o módulo elástico e a tensão de cedência, da mistura PA6/PP e da mistura PA6/PP/PP-g-MA, em particular quando o grau de dispersão/exfoliação das lamelas foi mais acentuado. Os resultados demonstraram que a extrusão é um método eficaz de preparação de nanocompósitos PP/nanoargila e PA6/PP/nanoargila.

Nanocomposites prepared by adding nanoparticles to polymeric matrices have been widely studied since that unique properties can be obtained. High levels of dispersion of nano-scale particles in polar polymeric systems is achieved by extrusion varying the processing conditions making this technique the most used in industry. Despite several research efforts towards nanocomposites, numerous doubts remain about the conditions that allow the dispersion of nanoparticles such as montemorilonite, natural or modified clay in nonpolar polymers. Therefore, the main objective of this work is to study the processing conditions or find indicators which promote delamination of organoclay in polypropylene, considering its effects on the intercalation and exfoliation mechanisms, and to assess the role of clays as compatibilizer in polymer blends. This work involved the preparation of nanocomposites with commercial organoclays, Cloisite C15A and C30B. The polymers polypropylene (PP), polyamide (PA6) and PP modified with maleic anhydride (PP-gMA), as compatibilizer, were used. The nanocomposites studied, PP/nanoclay and PA6/PP/nanoclay, were prepared in a modular co-rotating twin screw extruder. Samples of materials were collected along screw and at die exit and characterized making use of fundamentals techniques such as X-ray diffraction (XRD), scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM, respectively), thermogravimetry (TGA) and rheological and mechanical tests. Higher degrees of dispersion were obtained in the PP/nanoclay system when using C15A clay than C30B. The ability to exfoliate the lamellae of clay C15A in the PP matrix by extrusion was improved with the use of screw profiles and screw speed which provided moderate shear rates. Thus, an increase in the degree of exfoliation was obtained with the most intense screw profile and lower screw speed, as well with lower processing barrel temperature or higher feed rate. The addition of C15A or C30B to the mixtures, PA6/PP or PA6/PP/PP-g-MA, promoted the adhesion between polymers, and consequently, a decrease in the particle size of the dispersed phase. Essentially the lamellae were found at the interface of the immiscible polymers. Higher affinity was obtained with polyamide reaching higher levels of dispersion with the C30B clay. The use of organoclays have improved the mechanical properties, elastic modulus and yield stress of the mixtures PA6/PP and PA6/PP/PP-g-MA, particularly when the degree of dispersion/exfoliation of the lamellae was more pronounced. The results revealed that extrusion is an effective method of preparation of nanocomposites PP/nanoclay and PA6/PP/nanoclay.