Composites of high density polyethylene reinforced with curaua fibers prepared by extrusion and injection molding

Orientador: Marco-Aurelio De PaoliDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuimicaResumo: As fibras naturais curtas usadas como reforço em matrizes poliméricas melhoram as propriedades mecânicas dos polímeros e podem substituir reforços inorgânicos obtidos de fontes não-renováveis como a fibra de vidro, com as vantagens adicionais de serem mais leves, menos abrasivas aos equipamentos de processamento e biodegradáveis. Na primeira etapa deste trabalho foram feitos testes para encontrar a melhor formulação e as condições ideais para se produzir compósitos de polietileno de alta densidade, PEAD, reforçados com fibras de Curauá. Para se determinar a melhor formulação foram variados: o teor de fibras no compósito, o teor e o tipo de agente de acoplamento e as condições de processamento (velocidade de rotação de rosca e perfis de temperatura durante a extrusão). A razão de aspecto e os parâmetros geométricos das fibras antes e após o processamento foram medidos através de microscopia óptica e tratados estatisticamente. A adesão entre as fases, na presença ou ausência de agente de acoplamento, foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura. Os compósitos e os materiais puros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho, por métodos térmicos (termogravimetria e calorimetria exploratória diferencial) e pela medidas das propriedades mecânicas de tração, flexão e impacto. A degradação e estabilização dos compósitos foram monitoradas através do envelhecimento ambiental e acelerado das amostras com e sem aditivos estabilizantes a fim de avaliar a durabilidade dos compósitos e o efeito dos aditivos em retardar a degradação dos compósitos e homopolímeros. Conclui-se que os compósitos de PEAD reforçados com fibra de curauá tem propriedades comparáveis aos compósitos de PEAD reforçados com fibra de vidro disponíveis no mercado.Abstract: Natural short fibers used as reinforcing agent in polymers improve their mechanical properties and may substitute inorganic reinforcing agents, produced from non renewable resources, like fiberglass, with the additional advantages of being lighter, less abrasive to the processing equipment and biodegradable. In the first part of this work the formulation and the processing conditions were studied in order to optimize the mechanical properties of the composite of high density polyethylene, HDPE, and curauá fibers. To determine the best formulation we tested: fiber content, type and content of coupling agent and processing conditions (screw rotation speed and temperature profile during extrusion). The aspect ratio and geometric parameters of the fibers before and after processing of the composites were determined by statistic treatment of the micrographies obtained by optical microscopy. The fiber/matrix phase adhesion, with and without coupling agent, was evaluated by scanning electron microscopy. The composites and the pure materials used for their preparation were characterized by fourier transform infrared spectroscopy, thermal methods (thermogravimetry and differential scanning calorimetry) and by measurement of the tensile, flexural and impact mechanical properties. The degradation and stabilization of the composites was monitored by environmental and accelerated aging tests of composite samples with and without stabilizing additives, to evaluate the durability of the composites and the effect of the additives. We conclude that HDPE composites reinforced with curauá fibers have properties comparable to commercially produced composites of HDPE reinforced with fiberglass.MestradoQuimica InorganicaMestre em Químic

Preparation of conducting vegetable biomicrofibers and application as antistatic agent in polyamide-6

Orientador: Marco-Aurelio De PaoliTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: Materiais antiestáticos têm aplicações tecnológicas muito diversificadas. Seu principal objetivo é dissipar a eletricidade estática que pode acumular em sua superfície reduzindo o risco de ocorrência de faíscas. Trabalhos anteriores mostraram que a fibra de Curauá atua como agente de reforço em matrizes termoplásticas, como polietileno, polipropileno e poliamida-6. Comprovada a eficiência da fibra de Curauá em promover o efeito de reforço em matrizes termoplásticas com vantagens em relação a outras fibras vegetais, buscou-se neste trabalho aliar propriedades elétricas às excelentes propriedades mecânicas destes compósitos recobrindo as fibras vegetais com um polímero condutor, a polianilina, PAni. Na primeira parte deste trabalho, os compósitos foram processados em uma mini-extrusora contra-rotatória utilizando baixo teor de FC-PAni (de 5 a 15 wt%). Além de promover condutividade elétrica, foi observado que as fibras modificadas aumentaram a eficácia do efeito de reforço das fibras de curauá na matriz poliamida-6 devido ao aumento da adesão interfacial entre a matriz e a fibra. Na segunda parte deste trabalho, foi desenvolvido o método de preparação em escala piloto da FC-PAni e as mesmas foram incorporadas à matriz polimérica (em teores de 5 até 30 wt%) em uma extrusora dupla-rosca co-rotante interpenetrante e os corpos de prova foram moldados por injeção. Os compósitos foram caracterizados por ensaios mecânicos, ensaios de índice de fluidez do fundido, condutividade elétrica e microscopia eletrônica de varredura. As propriedades eletroquímicas dos compósitos e da PAni pura foram investigadas por voltametria cíclica, enquanto que o estado de oxidação da PAni foi verificado por espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X e UV-visível. Os resultados obtidos mostraram que o recobrimento das fibras com a polianilina ocorreu de maneira uniforme e promoveu um aumento da interação entre as fibras e a poliamida-6 devido à hidrofilicidade de ambosAbstract: Antistatic materials have very diverse technological applications. Its main purpose is to dissipate static electricity that can accumulate on the surface of a polymer, reducing the risk of sparks. Previous studies have shown that Curauá fibers act as a reinforcing agent for thermoplastic matrices, such as polyethylene, polypropylene and polyamide-6. Proven efficiency of Curauá fibers in promoting the reinforcement effect, with advantages in relation to other vegetable fibers, the aim of this study is to combine the mechanical properties of these fibers with the electrical properties of the polyaniline, PAni. In the first part of this work, the composites were prepared in a counter-rotating mini-extruder using low content of CF-PAni (5 to 15 wt%). The addition of PAni coated curauá fibers to the polyamide-6 generated electrical conductivity and also improved the reinforcement effect of the fiber in the matrix due to the improvement of matrix-fiber interfacial adhesion. In the second part of this work, polyaniline was prepared and deposited on the surface of the fibers on a pilot plant scale and the composites were prepared by extrusion and injection molding (fiber content of 5 to 30 wt%) . The composites were characterized by electrical conductivity measurements using the four-probe method. The electrochemical properties and the doping degree of the PAni coated curauá fibers were evaluated by cyclic voltammetry and UV-vis spectroscopy. The effect of the PAni coating on the mechanical properties of the composites was evaluated by tensile, flexural and impact tests. The morphology was studied by scanning electron microscopy. The chemical interaction between polyaniline, polyamide-6 and curauá fibers was analyzed by infrared spectroscopy and X-ray Photoelectron Spectroscopy. The results showed that the polyaniline coating was uniform and increased the chemical interaction between the fibers and polyamide-6 due to the hydrophilicity of bothDoutoradoQuimica InorganicaDoutora em Ciência