Efeito do tamanho de partícula de carbonato de cálcio em poliamida 6:processamento, propriedades mecânicas e térmicas

Abstract

A partir da incorporação em poliamida 6 (PA6) de 5, 7,5 e 10% em massa dos carbonatos de cálcio (CaCO3) precipitado (PCC), natural (NCC) e nanoparticulado (NPCC), além de 20% de PCC e NCC, avaliou-se o efeito do tamanho de partícula e do teor da carga no processamento, nas propriedades mecânicas, térmicas e morfológicas dos compósitos finais. O CaCO3 foi incorporado à PA6 por meio de mistura manual, seguido de extrusão em extrusora dupla rosca e granulação. Corpos de prova foram injetados a partir das amostras extrudadas para realização dos ensaios mecânicos e térmicos. Notou-se durante o processamento, redução no torque da extrusora para todos os compostos, com destaque para a amostra contendo 10% de NPCC que apresentou uma redução de aproximadamente 45% em relação ao polímero puro. As análises de espectroscopia no infravermelho (FTIR) e difração de raios X (DRX) dos CaCO3 indicaram que o PCC e NPCC consistiam do polimorfo calcita, enquanto que o NCC consistia de uma mistura de calcita e aragonita. As micrografias revelaram que o NPCC apresentou menor tamanho de aglomerados, bem como, melhor homogeneização que as amostras de NCC e PCC. A análise de calorimetria exploratória diferencial (DSC) mostrou que a presença de CaCO3 favorece a formação da fase ? na PA6, apresentando maior efeito para as amostras contendo NCC e NPCC, também evidenciada pelas análises de DRX. O DSC mostrou também que a presença da carga reduziu a cristalinidade para todos os compostos analisados em aproximadamente 15% (com exceção para amostras contendo 5% de PCC e 7,5% de NCC). As análises termogravimétricas (TGA) mostraram que a presença de CaCO3 reduz a estabilidade térmica do polímero independentemente do tipo incorporado. O índice de fluidez das amostras com 5% de CaCO3 diminuiu em relação ao do polímero puro, em contrapartida, os compostos contendo 7,5 e 10% de NPCC apresentaram resultado aproximadamente 50% superior ao do PA6 pura. Quanto às propriedades mecânicas, a resistência ao impacto dos compósitos diminuiu comparada àquela do polímero puro. As resistências à tração e à flexão dos compostos aumentaram com o aumento do teor de carga incorporada, assim como os módulos elásticos, demonstrando o efeito reforçante, mesmo para o PCC e NCC. Dentre os teores de NPCC estudados, 7,5% em massa pode ser considerado o teor de incorporação ótimo em termos de propriedades mecânicas dos compósitos. Este teor apresentou valores de propriedades mecânicas similares ao teor de 20% NCC, enquanto que o 20% NPCC apresentou os maiores valores. Portanto, a incorporação de CaCO3 nanoparticulado em PA6 pode ser uma alternativa viável em processos onde se necessita de alto fluxo conciliado com baixo atrito, proporcionando aumento também de propriedades mecânicas, comparáveis aos compósitos contendo CaCO3 natural e CaCO3 precipitado, já aplicados no mercado. O compósito contendo CaCO3 nanoparticulado seria ideal na injeção de peças com elevado grau de complexidade, porém não aconselhável em aplicações de contato direto com altas temperaturas devido à redução da estabilidade térmica do mesmo.

An assessment was made regarding the effect of particle size and filler content on processing, mechanical, thermal and morphological properties of calcium carbonate filled PA6. Filler contents were 5, 7.5, and 10 wt% precipitated (PCC), natural (NCC), and nano (NPCC) calcium carbonate (CaCO3), as well as 20wt% PCC and NCC. Incorporation of CaCO3 in polyamide was conducted by hand mixing, followed by twin-screw extrusion and pelletizing. The extruded pellets were injection molded for mechanical and thermal testing. During processing all composites reduced extruder torque in relation to PA6, with the 10 wt% NPCC showing reduction of approximately 45% compared to the neat polymer. Infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD) analyses of the CaCO3 indicated PCC and NPCC consisted of calcite, whereas NCC consisted of a mixture of calcite and aragonite. Scanning electron microscopy (SEM) revealed that the NPCC contained lower concentration of large aggregates in relation to the samples containing 5 and 7.5wt%. Differential scanning calorimetry (DSC) tests showed the presence of calcium carbonate promotes formation of ? phase in polyamide 6, with stronger effect in the samples containing NPCC and NCC, also evidenced by XRD analyses. DSC also showed that the presence of fillers reduced crystallinity for all the investigated compounds in approximately 15% (except for samples containing 5 wt% PCC and 7.5 wt% NCC). Thermogravimetric analysis (TGA) showed that the presence of CaCO3 reduces thermal stability of the polymer regardless of the CaCO3 type. With regard to the mechanical properties, the impact strength of the composite decreased compared to the neat polymer. The tensile and flexural strength and moduli of the compounds showed superior results to those obtained by neat polyamide, demonstrating reinforcing effect even for the PCC and NCC. Within the investigated range of NPCC contents, 7.5 wt% can be considered the optimum content in terms of composites mechanical properties. This content resulted in mechanical property values similar to those with 20 wt% NCC, while 20 wt% NPCC showed the highest values. Thus, incorporation of CaCO3 nanoparticles in PA6 can be a viable alternative in cases where high flow and low friction are required, in addition providing increased mechanical properties comparable to the composites containing natural and precipitated CaCO3, already available on the market. Composite containing CaCO3 nanoparticle might be ideal in injection molding of parts with high degree of complexity, however not recommendable in close contact with high temperature applications due to its reduced thermal stability.