Plano de otimização adicional para polietileno modificado reforçado com carbonato de cálcio (PE).

O polietileno (PE) é um dos plásticos que mais tem atraído atenção na produção industrial. Possui vantagens como excelente resistência a baixas temperaturas, resistência à corrosão da maioria dos ácidos e álcalis, boa estabilidade química, moldagem rápida e alta trabalhabilidade. É amplamente utilizado em embalagens, materiais de construção, automóveis, biologia e outros campos. No entanto, sua aplicação em larga escala é limitada por suas desvantagens, como baixa resistência ao calor e propriedades mecânicas relativamente fracas.

O CaCO3 ultrafino possui tamanho de partícula pequeno e boa dispersão. Apresenta vantagens como a redução de poros e vazios em plásticos, além de tornar a contração dos mesmos mais uniforme. É utilizado como carga em polietileno, poliestireno, cloreto de polivinila e polipropileno. Entre outros plásticos, pode melhorar a dureza, a estabilidade dimensional e a rigidez dos produtos plásticos.

No entanto, diversos estudos têm demonstrado que o uso isolado de carbonato de cálcio ou outros materiais de enchimento para modificar polímeros ou outros materiais frequentemente não produz os melhores resultados, e a melhoria de desempenho é relativamente simples. A modificação composta com diversos pós minerais não metálicos costuma apresentar melhores resultados e pode aprimorar o desempenho geral dos materiais. Atualmente, há um número crescente de pesquisas em sua aplicação.

Pesquisas realizadas por Yang Changyou e outros demonstraram que o nano-CaCO3 pode melhorar a compatibilidade e a estabilidade térmica de materiais compósitos de polietileno, e que a fibra de bagaço de cana (BF) pode melhorar a cristalinidade e a tenacidade desses materiais. Ambos podem melhorar efetivamente as propriedades mecânicas e o desempenho dos materiais compósitos.

01 Classificação do polietileno PE

O PE é classificado de acordo com sua estrutura química, peso molecular relativo e método de polimerização. Pode ser dividido principalmente em três categorias: polietileno de baixa densidade (PEBD), polietileno de alta densidade (PEAD) e polietileno linear de baixa densidade (PEBDL).

▷Polietileno de baixa densidade

O LDPE apresenta uma ampla distribuição de massa molecular relativa, baixa cristalinidade e é sensível ao comportamento pseudoplástico. Ele pode sofrer endurecimento por deformação durante o processo de moldagem, o que confere ao LDPE boas propriedades ópticas e processabilidade. Como o módulo de Young da região cristalina é muito maior do que o da região amorfa, a rigidez e a resistência à tração do LDPE são menores, mas a tenacidade e o alongamento na ruptura são maiores.
O LDPE é usado principalmente em sacos de embalagens plásticas, filmes agrícolas, produtos moldados por injeção, etc.

▷Polietileno de alta densidade

HDPE linha de extrusão de tubos O HDPE possui alta tenacidade, rigidez e propriedades mecânicas, mas envelhece e deforma-se facilmente, além de apresentar baixa dureza superficial. Pode ser utilizado em tubos, moldagem por injeção e sopro, redes de pesca, cordas, filmes de embalagem e outros produtos. O HDPE possui bom isolamento e pode ser usado como material de revestimento para fios e cabos, bem como em algumas carcaças de eletrodomésticos.

▷Polietileno linear de baixa densidade

O LLDPE é um novo tipo de polietileno que foi desenvolvido recentemente e teve um rápido crescimento nos últimos anos. É um copolímero de etileno e uma olefina. Comparado ao polietileno de baixa densidade (PEAD), o LLDPE apresenta aparência semelhante, bom brilho superficial e melhor resistência a baixas temperaturas, porém com baixa transparência. Atualmente, o LLDPE está presente em quase todos os mercados tradicionais de polietileno, incluindo filmes, moldagem, tubos, fios e cabos.

02 Modificação do polietileno PE

O polietileno simples apresenta propriedades mecânicas como resistência insuficiente ao envelhecimento térmico, fragilidade em ambientes de baixa temperatura, baixa dureza e baixa resistência ao impacto. Portanto, o tratamento de modificação deve ser direcionado.

Atualmente, a modificação do PE inclui principalmente dois métodos: modificação química e modificação física. Na modificação física, a modificação por reforço com carga consiste em uma mistura ou material compósito preparado pela adição de modificadores ao polietileno e sua homogeneização para melhorar certas propriedades do polietileno ou conferir-lhe novas propriedades.

Os materiais de reforço inorgânicos mais comuns atualmente incluem carbonato de cálcio, pó de quartzo, fibra de farinha de madeira, fibra de palha de arroz/cana-de-açúcar, sílica, fibras curtas, fibra de vidro, caulim, microesferas de vidro, talco, grafite, nanotubos de carbono, etc. Ao adicionar esse tipo de reforço ao polietileno, os custos podem ser reduzidos e a rigidez, resistência, estabilidade dimensional, resistência ao calor, magnetismo, condutividade e outras propriedades do produto podem ser melhoradas.

Explorando seu princípio, as partículas inorgânicas apresentam alta resistência térmica e mecânica, além de exercerem grande influência no processo de cristalização do polietileno. Como agentes nucleantes inorgânicos, elas podem afetar diretamente a resistência, a rigidez e a resistência térmica da resina de polietileno, bem como outros indicadores-chave.

03 Carbonato de cálcio modificado

O carbonato de cálcio, como um enchimento inorgânico versátil, apresenta duas desvantagens quando usado com materiais poliméricos:

Por um lado, a superfície é hidrofílica e oleofóbica, com forte polaridade, ao contrário da baixa polaridade hidrofóbica e oleofílica do corpo orgânico, sendo difícil a sua combinação com a matriz polimérica;

Por outro lado, o carbonato de cálcio possui baixa afinidade com polímeros, atuando apenas como agente solubilizante. O excesso de carbonato de cálcio causa uma queda significativa no desempenho de materiais poliméricos, dificultando a fabricação e o processamento dos produtos.

Na aplicação prática, deve haver boa adesão interfacial entre o carbonato de cálcio e o polietileno, e o tamanho das partículas de carbonato de cálcio deve ser pequeno e a dispersibilidade, boa. Portanto, o carbonato de cálcio precisa ser modificado.

O carbonato de cálcio é modificado com um agente de acoplamento de titanato. O grupo alquila presente no agente de acoplamento hidrolisa-se facilmente e combina-se com os grupos -OH na superfície do carbonato de cálcio durante o processo de modificação, tornando-o hidrofóbico. As três estruturas podem se entrelaçar ou combinar-se quimicamente com o polímero, melhorando assim a compatibilidade interfacial entre o carbonato de cálcio e o polímero, bem como a estabilidade reológica e de dispersão do carbonato de cálcio no sistema, resultando em melhorias nas propriedades mecânicas.

Princípio de modificação do agente de acoplamento de titanato

04 Pó inorgânico preenchido com polietileno modificado

Zuo Yinze et al. utilizaram, respectivamente, um agente de acoplamento de titanato (KH101) e um agente de acoplamento de silano (KH570) para modificar CaCO3 e SiO2 como cargas, e produziram materiais compósitos binários e ternários de PE com HDPE como matriz. A pesquisa mostra que: a dispersão das nanopartículas modificadas na matriz é melhorada, o fenômeno de aglomeração é reduzido e a resistência à tração e a resistência ao impacto dos compósitos binários aumentam inicialmente e depois diminuem com o aumento do teor de CaCO3 e SiO2. Quando a quantidade de SiO2 adicionada é de 7% em peso, o desempenho geral do material compósito PE/SiO2 é o melhor; Quando a quantidade de CaCO3 adicionada é de 15% em peso, o desempenho geral do material compósito PE/CaCO3 é o melhor. Em materiais compósitos PE/CaCO3/SiO2, quando as quantidades de carbonato de cálcio e SiO2 adicionadas são de 25% e 7% em peso, respectivamente, a resistência à tração e a resistência ao impacto com entalhe aumentam em 17.6% e 34.5%, respectivamente, garantindo um efeito sinérgico e alcançando melhores resultados em termos de desempenho geral.

Zhou Lin e outros desenvolveram materiais compósitos de alto desempenho com nanocarbonato de cálcio misturado com SBS/HDPE. A pesquisa mostrou que a resistência ao impacto, a resistência à tração e o alongamento na ruptura das misturas de nanocarbonato de cálcio e SBS/polietileno de alta densidade aumentaram com o aumento da fração de nanocarbonato de cálcio. As variações na fração de massa apresentaram um comportamento parabólico com abertura para baixo. Como as propriedades de impacto, a resistência à tração e o alongamento na ruptura das misturas variaram basicamente de forma síncrona, pode-se concluir que o nanocarbonato de cálcio pode tanto aumentar a tenacidade quanto a resistência das misturas. O desempenho geral da mistura é otimizado quando a fração de massa de nanocarbonato de cálcio atinge 15% da massa total da mistura.

Zhang Xiaoqian e colaboradores combinaram diferentes proporções de fibras de CaCO3 com farinha de madeira e HDPE para preparar materiais compósitos de CaCO3/HDPE/farinha de madeira. Sua pesquisa mostra que, quando a quantidade de CaCO3 adicionada é de 7%, a resistência à tração atinge um valor máximo de 28.3 MPa. Comparado com o material compósito de HDPE/pó de madeira (19.7 MPa), houve um aumento de 43.7%, enquanto a resistência à flexão e ao impacto aumentaram 19.2% e 20.1%, respectivamente.