Desenvolvimento de nanocompósitos de polietileno linear de baixa densidade e óxido de grafeno reduzido para a indústria de rotomoldagem

Abstract

Este estudo teve como objetivo o desenvolvimento de nanocompósitos de Polietileno Linear de Baixa Densidade (PELBD) incorporando óxido de grafeno reduzido (rGO) e agente compatibilizante (PP-g-MA), com foco em aplicações na indústria de rotomoldagem. O PELBD é o polímero mais empregado nesse processo, conferindo flexibilidade e resistência ao impacto às peças. No entanto, suas características intrínsecas podem limitar certas aplicações, o que impulsiona a busca por melhorias de desempenho através da incorporação de nanopartículas para a obtenção de nanocompósitos. Sendo assim, este trabalho foi executado em duas etapas: na primeira foram preparadas formulações, com diferentes concentrações de rGO e PP-g-MA, pelo processo de extrusão. As amostras obtidas foram moldadas por injeção e submetidas a análises mecânicas (flexão e impacto), térmicas (TGA e DSC), morfológicas (MEV) e reológicas. O objetivo dessa fase foi identificar a composição que apresentasse o melhor equilíbrio entre desempenho mecânico, estabilidade térmica e qualidade da dispersão do rGO. Dentre as composições analisadas, a amostra contendo 0,05% de rGO e 0,05% de PP-gMA (PELBD/0,05rGO/0,05PP-g-MA) apresentou desempenho superior quando comparada as outras formulações. A estabilidade térmica aumentou em 26 e 19 °C para as temperaturas de 10% e 50% de perda de massa (T10% e T50%), respectivamente. Com relação ao ensaio de flexão foi observado um aumento de 8,7% na tensão de flexão e 20% no módulo elástico em comparação ao PELBD puro. Estes resultados foram atribuídos a dispersão mais homogênea das partículas de rGO, na presença do PP-g-MA, conforme observado nas análises de MEV. A partir desses resultados, iniciou-se a etapa 2, em que as amostras previamente extrusadas (PELBD e PELBD/0,05rGO/0,05PP-g-MA) foram micronizadas, e após processadas por rotomoldagem, sendo os corpos de prova obtidos por corte a laser, a partir das peças produzidas. Os corpos de prova foram caracterizados por resistência ao impacto por queda de dardo (-40 °C), ensaios de flexão, DMA e MEV. No teste de impacto por queda de dardo, a amostra PELBD/0,05rGO/0,05PP-g-MA não apresentou fratura quando da aplicação de uma energia de 20 J.mm-1, enquanto que amostra de PELBD puro apresentou fratura frágil. Mesmo com o aumento da energia de teste para 27,1 J.mm-1, os corpos de prova do nanocompósito apresentaram caráter predominantemente dúctil. Este aumento na tenacidade ficou evidenciado pelas micrografias de MEV, em razão da presença de estruturas fibrosas nas regiões de fratura. Sendo assim, de acordo com os resultados observados, a adição de rGO em presença do agente compatibilizante, mesmo em pequenas concentrações (0,05%) apresenta potencial de aplicação na indústria de rotomoldagem possibilitando a ampliação de sua área de aplicação.

This study aimed to develop Linear Low-Density Polyethylene (LLDPE) nanocomposites incorporating reduced graphene oxide (rGO) and a compatibilizing agent (PP-g-MA), with a focus on applications in the rotomolding industry. LLDPE is the most widely used polymer in this process, providing flexibility and impact resistance to the parts. However, its intrinsic characteristics can limit certain applications, which drives the search for performance improvements through the incorporation of nanoparticles to obtain nanocomposites. Therefore, this work was carried out in two stages: in the first, formulations with different concentrations of rGO and PP-g-MA were prepared by the extrusion process. The obtained samples were injection molded and characterized by mechanical (flexural and impact), thermal (TGA and DSC), morphological (SEM), and rheological analyses. The objective of this step was to identify the composition that presented the best balance between mechanical performance, thermal stability, and the quality of the rGO dispersion. Among the analyzed compositions, the sample containing 0.05% of rGO and 0.05% of PP-g-MA (LLDPE/0.05rGO/0.05PP-g-MA) showed overall performance when compared to the other formulations. The thermal stability increased by 26 and 19 °C for the temperatures of 10% and 50% mass loss (T10% and T50%), respectively. Flexural strength and elastic modulus improved 8.7% and 20% compared to pure LLDPE. These results were attributed to the more homogeneous dispersion of the rGO particles in the presence of PP-g-MA, as observed in the SEM analyses. From these results, a second stage was initiated, in which the previously extruded samples (LLDPE and LLDPE/0.05rGO/0.05PP-g-MA) were micronized, and then processed by rotomolding, with the test specimens obtained by laser cutting from the produced parts. The specimens were characterized by dart drop impact resistance (-40 °C), flexural tests, DMA, and SEM. In the dart drop impact test, the LLDPE/0.05rGO/0.05PP-g-MA sample showed no failure when an energy of 20 J.mm-1 was applied, whereas the neat LLDPE sample showed brittle failure. Even with the increase of the test energy to 27.1 J.mm-1, the nanocomposite specimens showed a predominantly ductile fracture. This increase in toughness was evidenced by the SEM micrographs, due to the presence of fibrous structures in the fracture regions. Therefore, according to the observed results, the addition of rGO in the presence of the compatibilizing agent, even in small concentrations (0.05%), has potential for application in the rotomolding industry, enabling the expansion of its application area.