Formulações de PVC para revestimento de condutores de cobre elétricos

Yusdel Díaz Hernández ^[1]

Yainet Cintero Delgado ^[2]

DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/livros/4335

INTRODUÇÃO

Polímero é uma noção cuja origem etimológica se encontra na língua grega e se refere a algo constituído por vários componentes. Especificamente, é derivado do grego, exatamente da soma de dois elementos como o prefixo “poli-”, que equivale a “muitos”, e o substantivo “meros”, que pode ser traduzido como “partes”. De acordo com a origem, os polímeros naturais são aqueles que estão presentes no natureza. Neste grupo é possível incluir DNA, proteínas e quitina, entre outros. Os polímeros sintéticos, por outro lado, são produzidos industrialmente pela manipulação dos monômeros. Poliéster, PVC e náilon são exemplos de polímeros sintéticos.

PVC é o nome pelo qual é conhecido o cloreto de polivinila, um plástico que surge da polimerização do monômero de cloroetileno (também conhecido como cloreto de vinila). Os componentes do PVC são derivados do cloreto de sódio e do gás natural ou petróleo e incluem cloro, hidrogênio e carbono. No seu estado original, o PVC é um pó esbranquiçado e amorfo. A resina resultante da referida polimerização é um plástico que pode ser utilizado de múltiplas formas, pois permite a produção de objetos flexíveis ou rígidos. Por outro lado, o PVC possui propriedades mecânicas, químicas, físicas e tecnológicas que o tornam um material muito versátil e amplamente utilizado. Algumas dessas propriedades são:

• Resistente à abrasão (desgaste que ocorre devido ao atrito entre duas superfícies).
• Baixa densidade, 1,4 g/ cm³ .
• Resistente ao impacto e à influência de forças externas (força mecânica)
• Admite a combinação com grande número de aditivos.
• É inerte, estável e durável.
• Não pega fogo facilmente e não é propenso à autocombustão.
• Resiste muito bem à corrosão.
• Bom isolante térmico e elétrico e por isso é utilizado para proteção de condutores elétricos, tanto em residências como em escritórios e até no ramo industrial.

USO DE PVC EM FORMULAÇÕES PARA REVESTIMENTOS

O PVC é um material que por si só não pode ser processado. Quando aquecido, sofre uma reação de degradação que ocorre devido à quebra térmica do ácido clorídrico (HCl), que é tóxico e corrosivo. Isso é observado pela mudança de cor do polímero, que passa do amarelo para o marrom escuro, bem como pela perda de suas propriedades mecânicas e elétricas. Por esse motivo, a resina do material deve ser previamente misturada com determinados aditivos químicos que preservem sua estrutura e promovam melhores condições de processamento. É por isso que as formulações convencionais de PVC incluem os seguintes elementos em sua composição:

• Resina.
• Plastificante.
• estabilizador.
• Fardo.
• Lubrificante.
• Outros, que dependem dos requisitos do produto final.

CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE RESINAS

 Os principais fatores que devem ser levados em consideração ao escolher uma determinada resina em formulações flexíveis à base de PVC são o peso molecular, a densidade aparente e a adsorção do plastificante. Outros fatores podem ser levados em consideração, que dependem do tipo de processo e da aplicação específica, tais como: distribuição granulométrica, fluxo seco, níveis de gel e contaminação, características elétricas, teor residual de monômeros, estabilidade ao calor e transparência. Geralmente, pesos moleculares elevados traduzem-se em melhores propriedades mecânicas; mas também traz consigo um processamento difícil devido à alta viscosidade do material fundido.

Portanto, a escolha de uma resina com determinado peso molecular representa um compromisso entre as propriedades desejadas e a facilidade de processamento. Esta escolha também deve considerar os diferentes graus de resina ideais para cada processo de transformação. A densidade aparente e a adsorção do plastificante são frequentemente inversamente relacionadas e sua escolha afeta principalmente o processamento do polímero.

Esta densidade pode ser analisada sob duas condições: se as partículas tiverem tamanho médio, uma maior porosidade nas mesmas implica uma menor densidade aparente; pelo contrário, a porosidade constante, tendo partículas com tamanhos diferentes, será mais densa aquela com dimensões menores. Além disso, resinas com menor densidade aparente e distribuição estreita de tamanhos de partículas oferecem a vantagem de possuírem maior capacidade de absorção de aditivos, o que gera um composto adequadamente misturado e plastificado; da mesma forma, tamanhos grandes e porosidade média na resina implicam na formação de aglomerados, que são facilmente dispersos e distribuídos na mistura a seco e posterior processamento. Porém, deve-se destacar que as resinas obtidas pelo método de suspensão apresentam alta qualidade e boa absorção de plastificantes, por isso são recomendadas para as aplicações mencionadas.

CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE PLASTIFICANTES

 São substâncias que atuam como solventes não voláteis para o PVC. O tipo e a concentração do plastificante utilizado na preparação de uma determinada formulação têm efeito direto tanto nas propriedades finais do composto, como nas suas características de processamento. A principal função de um plastificante é conferir flexibilidade e facilidade de manuseio à resina durante o processamento final.    Para determinar a eficácia de um plastificante, sua estrutura química é geralmente comparada com outros membros da mesma família química de eficácia conhecida, ou preparando diferentes formulações, deixando todos os componentes constantes, exceto a concentração do plastificante, então cada mistura é medida pelas suas propriedades e desta forma o seu efeito é determinado sobre cada uma delas. Podem ser de dois tipos, primários e secundários, e de acordo com sua estrutura química e funções, são classificados como ftalatos, diésteres alifáticos, fosfatos, epóxidos, plastificantes poliméricos, trimetilatos , e plastificantes especiais.

Os ftalatos são o grupo de plastificantes mais versátil e amplamente utilizado; Esse tipo de plastificante vem da reação entre o anidrido ftálico e os álcoois. Eles fornecem um compromisso importante entre boa compatibilidade, excelente comportamento de processamento, flexibilidade em baixas temperaturas, baixa volatilidade, estabilidade ao calor e à luz e disponibilidade a um custo relativamente baixo. Os álcoois mais úteis para a preparação de ésteres ftálicos são butil, hexil , octil , nonil , decil , undecacil , tridecil e benzil.       Os álcoois alifáticos podem ser lineares ou ramificados. A mistura de vários isômeros e álcoois é geralmente implementada em vez de um único álcool. Ao aumentar a alifaticidade ou peso molecular do plastificante, são obtidas baixa volatilidade, baixa compatibilidade, baixa solvatação da resina, melhorias na resistência à extração de água, propriedades pobres de extração de óleo e o desempenho da formulação é melhorado em baixas temperaturas.

Os trimetilatos são produzidos pela esterificação do anidrido de trimetila com álcoois 2-etil-hexílico ou isononílico . Esses plastificantes apresentam volatilidade excepcionalmente baixa e são indispensáveis na preparação de compostos com altas temperaturas de serviço. Eles são altamente resistentes à extração em meios aquosos e não aquosos e são de interesse para uso em aplicações médicas.

CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE ESTABILIZADORES

 Sua principal função é prevenir a descoloração da resina, a perda de suas propriedades físicas em geral, bem como a formação de ácido clorídrico (HCl) durante o processamento. Como existe uma grande variedade de estabilizantes no mercado, a escolha do estabilizante para uma formulação específica será um compromisso entre custo e eficiência. Na prática, isso significa avaliar certas características de processamento, como o controle imediato da cor e a estabilidade do produto a longo prazo, bem como as tendências de plaqueamento, os efeitos de reologia, as características de lubrificação, a velocidade de fusão e a possível interação química com outros componentes do a formulação. Além disso, são consideradas as propriedades que o estabilizador confere ao produto final, como opacidade ou transparência, características de coloração, estabilidade à luz, odor, toxicidade e propriedades elétricas.

Existe uma grande variedade de estabilizadores, mas talvez os mais importantes em todo o mundo sejam aqueles à base de chumbo. A predominância destes estabilizadores é evidenciada tanto na relação custo/efetividade como nas elevadas propriedades elétricas que seu uso confere às aplicações de cabos para formulações de PVC flexível. Todos eles são derivados do óxido de chumbo ( PbO ), que é um excelente estabilizador pois, por sua baixa basicidade e granulometria extremamente fina, é considerado um excelente sequestrante de HCl, não desidrohalogena o PVC por si só; o cloreto de chumbo (PbCl ₂ ) formado a partir da reação do óxido com o ácido não é um ácido forte e, portanto, não catalisa a degradação espontânea do PVC e também não é solúvel em água nem ionizável. Porém, o defeito mais importante que este estabilizador apresenta é a cor amarela, limitando seu uso em aplicações onde a aparência não é um fator a ser considerado.

Embora esses estabilizadores tenham grandes vantagens, como alta eficácia, baixo custo e propriedades elétricas de longo prazo, existem certas desvantagens que devem ser levadas em consideração, tais como: uso limitado em aplicações leves devido à baixa compatibilidade e características semelhantes aos pigmentos; são propensos a manchar a formulação na presença de sulfetos; mas talvez a maior desvantagem destes compostos seja a sua elevada toxicidade.

Consequentemente, e em conjunto com a preocupação global com o ambiente, novas tecnologias têm sido desenvolvidas de forma a substituir total ou parcialmente a utilização desta família de estabilizadores.

CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE CARGAS

 São compostos sólidos, orgânicos e inorgânicos, imiscíveis com o polímero (não necessariamente incompatíveis) e cujas temperaturas de fusão estão acima do seu perfil de temperatura de processamento. A percepção popular é que os enchimentos são usados principalmente para reduzir custos, mas a realidade é que uma grande variedade deles oferece certos efeitos benéficos nas propriedades dos plásticos em geral. Por exemplo, dependendo das suas características, os enchimentos podem melhorar as propriedades mecânicas, modificar certos parâmetros eléctricos, alterar a densidade, conferir resistência ao fogo, bem como reduzir a evolução de fumo durante a combustão.

A incorporação de cargas em altas concentrações pode aumentar a presença de vazios internos no composto. Consequentemente, a resistência à tração e à flexão, bem como o alongamento na ruptura, podem ser fortemente afetados; entretanto, isso depende de fatores como a natureza da carga e do polímero e de outras propriedades como o tamanho das partículas do aditivo, a compatibilidade resina/carga, entre outras.

Os carbonatos de cálcio (CaCO ₃ ) são os enchimentos mais utilizados em termos de número de aplicações. São de origem natural (calcite) e a sua estrutura é maioritariamente cristalina. Dependendo do grau e do conteúdo das formulações, estas podem ser utilizadas como material de enchimento ou material de reforço. Na indústria de cabos, o CaCO ₃ é tradicionalmente utilizado como carga primária, tanto para revestimentos quanto para compostos de isolamento. As propriedades mais importantes requerem um tamanho de partícula inferior a 20 µm, boa consistência de cor, baixo teor de ferro e outros metais de transição e alta resistividade elétrica.

Por outro lado, o caulim é uma carga do tipo reforço utilizada para melhorar as propriedades elétricas dos compostos de cabos. Sua morfologia é composta por partículas hexagonais planas que tendem a se agrupar e produzir partículas grandes. A dispersão é melhorada com tratamentos de superfície, porém, isso pode gerar inibição nas reações com polímeros vinílicos e epóxidos.

CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE LUBRIFICANTES

 São substâncias químicas que atuam durante a etapa de processamento da formulação e têm como principal função reduzir o atrito tanto entre as interações polímero-polímero quanto entre polímero-metal. Os lubrificantes podem ser classificados em externos e internos. Geralmente todos estes aditivos apresentam características tanto externas quanto internas e a distinção é feita pelo grau de solubilidade que possui com o polímero. Assim, aqueles lubrificantes menos solúveis ou incompatíveis com o polímero base proporcionam lubrificação externa na fase fundida, ou seja, migram para a superfície do polímero fundido durante o processamento e lubrificam este último em relação às superfícies metálicas do equipamento de processamento.

Acusação. Por outro lado, um parâmetro de solubilidade adequado entre o aditivo e o polímero faz com que o primeiro atue internamente, pois, quando a formulação é fundida, as ligações polímero-lubrificante são quebradas sem causar exsudação, gerando um arranjo intermacromolecular na mistura. Direção do fluxo e essas correntes deslizam umas sobre as outras com relativa facilidade.

Lubrificantes externos são usados principalmente para evitar o acúmulo de formulação em equipamentos de mistura e processamento. Sua compatibilidade limitada significa que, em temperaturas de processamento de compostos, o material escorre e forma uma película entre o fundido e as superfícies metálicas do equipamento. Seu conteúdo nas formulações deve ser cuidadosamente estudado e por isso são utilizadas baixas concentrações para evitar problemas de deslizamento excessivo da mistura, causando inconvenientes de vários tipos como diminuição do esforço de corte e, portanto, fusão incompleta do material, pouco arrasto por falta de atrito e, consequentemente, degradação do composto dentro do equipamento, entre outros.

Ao contrário dos lubrificantes externos, os lubrificantes internos geralmente apresentam melhor compatibilidade com o PVC e sua função é ativada principalmente durante a etapa de processamento. Atua como um lubrificante intermolecular, causando uma ligeira diminuição na viscosidade do fundido e não retarda a gelificação nem causa deslizamento excessivo. É frequentemente utilizado em combinação com lubrificantes externos para gerar um efeito sinérgico em diferentes etapas, como mistura a seco, processamento e transformação.

OUTROS ADITIVOS

 Esses materiais são adicionados para dar propriedades finais orientadas ao uso que será dado ao produto. Por exemplo, para prevenir a sua degradação, são frequentemente utilizados antioxidantes. Como a degradação dos polímeros pode ocorrer a partir de diversas fontes, os antioxidantes podem ser classificados como estabilizantes para formulações nas quais a degradação oxidativa desempenha um papel fundamental. Sua função ocorre principalmente durante o processamento e utilização final dos produtos e sua atividade consiste na captura dos radicais alquil-peróxi (POO.) gerados nas reações de oxidação na maioria dos polímeros. Por exemplo, o Bisfenol é um aditivo que combate o envelhecimento do composto, nomeadamente na prevenção de reações de oxidação que podem ocorrer por múltiplos fatores e nas diferentes fases de tratamento da formulação. Geralmente, este ingrediente é usado em baixas concentrações.

CONCLUSÕES

Para obter corretamente formulações de PVC para revestimento de condutores elétricos de cobre, é necessária uma abordagem multicritério do fenômeno, uma vez que o processo permite a utilização de materiais reciclados, e que não poluem o meio ambiente. Por outro lado, novas formulações podem incluir materiais que reduzam os custos de produção e prolonguem a vida útil do revestimento.

^[1] Doutor em Engenharia e Ciência dos Materiais, (stricto sensu), Mestre em Engenharia de materiais (lato sensu), Engenheiro metalúrgico. Orcid: 0000-0003-0381-3851. Currículo Lattes: https://lattes.cnpq.br/8250462277774753.

^[2] Engenheiro em Metalurgia e Materiais. Orcid: 0000-0001-7357-7773.