65ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 12. Engenharia Química

ESTIMAÇÃO DE PARÂMETROS CINÉTICOS ISOTÉRMICOS E NÃO ISOTÉRMICOS PARA RESINAS POLIMÉRICAS APLICANDO SISTEMAS ALGÉBRICO-DIFERENCIAIS.

Douglas da Cruz Santos - Depto de Engenharia Química, DEQ/UFS Rogério Luz Pagano - Prof. Dr./Orientador - Depto de Engenharia Química, DEQ/UFS Valery L. Zevetkov - Bulgarian Academy of Sciences, Institute of Mechanics Maria Verônica Araújo Calado - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química Evaristo Chalbaud Biscaia Junior - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Engenharia Química

INTRODUÇÃO:

A reação de polimerização das resinas poliméricas, conhecida como reação de cura, é um processo exotérmico que irá conferir as propriedades finais do futuro material compósito. Esta reação pode ser estudada por duas vertentes: a mecanicista, onde o processo é observado em um nível microscópico ou a empírica, onde cinética é descrita por uma reação global (Calado e Advani, 2000). É importante destacar, que na abordagem mecanicista, a cinética proposta depende do mecanismo de cada reação elementar que ocorre no processo sendo, portanto, um estudo mais detalhado e realista do processo. A cura de uma resina termorrígida é um processo complexo e, consequentemente, vários mecanismos têm sido propostos na literatura para descrever a reação entre o grupamento amina e uma resina epóxi. Algumas aplicações industriais desses materiais vão desde a produção de grades, calhas e tubos até a produção de grandes tanques para armazenamento de água ou combustíveis. Desse modo, estudar os processos de produção a partir da cinética da reação de cura até a otimização do produto final é essencial para a obtenção de compósitos dentro de especificações cada vez mais rigorosas.

OBJETIVO DO TRABALHO:

O presente trabalho tem como objetivo estimar os parâmetros cinéticos da reação de cura de uma resina polimérica (Diglicidil Éter de Bisfenol A – DGEBA) com um agente reticulante (meta Fenileno Diamina – mPDA).

MÉTODOS:

O trabalho foi realizado inicialmente com a determinação da energia de ativação, e sua incerteza associada, utilizando os métodos de Kissinger (Kissinger, 1957) e Ozawa (Ozawa, 1965). Estes métodos, por estimar somente a energia de ativação, foram utilizados para fins de comparação com os valores estimados a partir dos modelos matemáticos. Na estimação dos parâmetros cinéticos foram utilizados três modelos mecanicistas (Horie, Mecanicista 1 e Mecanicista 2) e um modelo empírico (Kamal). Os dados experimentais da reação de cura entre o DGEBA e o mPDA foram monitorados através de um Calorímetro Diferencial de Varredura em diferentes taxas de aquecimento. Em seguida, dados experimentais foram ajustados aos valores numéricos, em cada tempo experimental, provenientes da solução de um sistema de equações algébrico-diferenciais que descreve o modelo. Os modelos algébrico-diferenciais foram resolvidos pela DASSL e integrados ao pacote ESTIMA.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

A energia de ativação foi obtida través da forma linear dos modelos de Kissinger e Ozawa com os dados obtidos experimentalmente. Nos dois métodos os valores da energia de ativação apresentaram uma boa concordância. O valor do parâmetro encontrado foi 65,92 kJ mol-1 para o método de Ozawa, enquanto que para o método de Kissinger o valor foi de 66,10 kJ mol-1 . A incerteza associada aos valores encontrados foi determinada pela propagação do erro do coeficiente angular calculado por cada método. Na literatura, valores de energia de ativação em torno de 62-69 kJ mol-1(HILL et al., 2002) podem ser encontrados. Com estes valores é possível afirmar que os parâmetros encontrados no trabalho estão em concordância com o intervalo de energia contido na literatura. Na sequência, os parâmetros cinéticos do sistema de cura foram estimados, a partir dos modelos mecanicistas e empírico pelo programa ESTIMA. Esses modelos foram adicionados como sub-rotinas no programa. Os valores de Energia de ativação estimados estão em boa concordância com os valores obtidos através dos métodos de Kissinger e Ozawa. O valor da entalpia estimado está na faixa de valores encontrados na literatura. As curvas obtidas para os valores teóricos dos modelos aplicados representam com boa precisão os dados experimentais.

CONCLUSÕES:

Os valores estimados para os parâmetros cinéticos de cada modelo apresentaram uma boa concordância entre si e estão dentro de uma faixa comumente encontrada na literatura para resinas epoxídicas termorrígidas. Os valores de energia de ativação encontrados com a aplicação dos métodos de Kissinger e Ozawa corroboram os valores estimados dos parâmetros pelo ESTIMA. O valor da função objetivo final para todos os modelos não apresentou uma diferença considerável, visto que o valor do mínimo encontrado para todos os modelos estava em torno de 0,0005% do valor do inicial da função objetivo. Conseguinte, o modelo de Horie, por ter uma quantidade de parâmetros menor a serem estimados em relação aos outros modelos, foi considerado o melhor modelo para a estimação dos parâmetros cinéticos no sistema DGEBA-mPDA.

Palavras-chave: Resina polimérica, Cinética de cura, Modelo matemático.