Annealing effect on the PCL mechanical, thermal and thermomechanical properties

Authors

DOI:

https://doi.org/10.33448/rsd-v9i12.10764

Keywords:

Polycaprolactone; Annealing; Properties.

Abstract

Biodegradable polymers market has rapidly increased, and polycaprolactone (PCL) has arisen as interesting option for the polymer industry and the scientific community. The present work aimed to evaluate the annealing effect on mechanical (impact, tensile, flexural and hardness), thermomechanical (thermal deflection temperature (HDT) and Vicat softening temperature (VST)) and thermal properties (differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry (TG)) in PCL injected specimens. Elastic modulus, tensile strength, Shore D hardness, HDT, VST and thermal stability were improved after annealing at 50 °C; whereas impact strength and elongation at break decreased. Summing up, annealing improved PCL performance and can be considered as prosperous methodology to handle targeted properties for specific applications.

Author Biographies

Edson Antonio dos Santos Filho , Universidade Federal de Campina Grande

Mestrando em Ciência e Engenharia de Materiais, na Universidade Federal de Campina Grande - UFCG. Tem experiência na área de materiais poliméricos, mais especificamente na área de membranas poliméricas e processamento de compósitos e blendas.

Danilo Diniz Siqueira, Universidade Federal de Campina Grande

Mestre em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de Campina Grande (UFCG). Possui aperfeiçoamento em Lean Manufacturing, WCM (Word Class Manufacturing) com ênfase em TPM (Manutenção Produtiva Total), MASP (Método de Análise e Solução de Problemas) e Gerenciamento de Estoque. Tem experiência na área de engenharia de materiais, com especialização em processamento de polímeros, bem como participações em trabalhos com materiais cerâmicos tradicionais e biomaterial. Atualmente doutorando em Ciência e Engenharia de Materiais pela UFCG (Conceito Capes 5).

Edcleide Maria Araújo , Universidade Federal de Campina Grande

Possui graduação em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB - 1991), mestrado em Engenharia Química na UFPB (1995) e doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar - 2001). Foi professora do Curso de Graduação em Engenharia de Materiais na UFPB de 1991 a 2002. Desde 2002, é professora do Curso de Graduação em Engenharia de Materiais na Universidade Federal de Campina Grande (UFCG). Atualmente, é Professora Titular da UFCG. Já foi coordenadora do Curso de Graduação em Engenharia de Materiais e atuou também como coordenadora de monitoria. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais, com ênfase em Materiais Não-Metálicos, atuando principalmente nos seguintes temas: nanocompósitos, processamento de polímeros, blendas e membranas poliméricas e estrutura e propriedade de polímeros. Orienta alunos de graduação, mestrado e doutorado. Supervisiona pesquisadores de pós-doutorado. Tem diversos artigos publicados em periódicos nacionais e internacionais, capítulos de livro e um livro publicado. Atua também como consultor Ad hoc do CNPq, como revisor e parecerista de vários periódicos indexados, bem como, de projetos. É membro do Conselho Diretor da Associação Brasileira de Polímeros (ABPol). É bolsista de produtividade em pesquisa do CNPq, nível 1D.

Renate Maria Ramos Wellen, Universidade Federal da Paraíba

A Professora Renate M R. Wellen, é a Coordenadora Geral de Pesquisa da Universidade Federal da Paraíba (UFPB), Bolsista de Produtividade do CNPq nível 2, é docente do Departamento de Engenharia de Materiais (DEMat), onde leciona cursos em Ciências dos Materiais e Materiais Poliméricos. É membro dos programas de Pós-Gradução dos Departamentos de Engenharia de Materiais da UFPB e da UFCG, orientando projetos de Mestrado, Doutorado e Pós-Doutorado. É revisora dos jornais: Journal of Polymers and the Environment, Journal of Applied Polymer Science, Journal of the Brazilian Chemical Society, Engineered Science, Polymer Testing, Polímeros-Ciência e Tecnologia, Materials Research, Thermochimica Acta, Polymer, Polymers, Applied Chemical Engineering, Express Polymer Letters, International Journal of Thermal Sciences, International Journal of Forestry and Wood Science, Journal of Materials Research, Journal of Polymers and The Environment, MRS Communications, Polymer Composites, Materials Research Express, Polymer Engineering and Science, Chemistry Select,The Journal of Physical Chemistry, International Journal Of Chemical Kinetics. Com projetos aprovados em âmbito Nacional e Internacional, tem experiência no estudo de Termoplásticos e Termorrígidos, atuando nos temas: Cristalização e propriedades de polímeros, Processos de cura e controle de propriedades, Polímeros de base biológica, Modificação de polímeros e Compósitos poliméricos, Cinética de cristalização, Cinética de cura, Cinética de degradação, Cinética de biodegradação. Fez Pós-Doutorado no Fraunhofer IFAM (Bremen - Alemanha), atuando como membro do Departamento de Química de Plásticos Reforçados com Fibra. Em parceria com Cientistas do IFAM do Departamento de Adesivos tem atuado na pesquisa de Termorrígidos, Modificação de termorrígidos de base biológica, cinética de cura e produção de termorrígidos de alta performance com fibras naturais Brasileiras, nesse tema a professora atualmente orienta 2 Projetos de Iniciação Científica, 4 Projetos de Mestrado e 4 Projetos de Doutorado.

References

Achla, Maiti, S. N., & Jacob, J (2017). Post-yield fracture correlations to morphological and micromechanical response of poly(ε-caprolactone)-based biocomposites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 31 (5), 575-597.

Arraiza, A. L., Sarasua, J. R., Verdu, J., & Collin, X (2007). Rheological behavior and modeling of thermal degradation of poly(∊-caprolactone) and poly(L-lactide). International Polymer Processing, 22 (5), 389-394.

Ausejo, J. G., Pérez, J. G., Balart, R., Lagarón, J. M., & Cabedo, L (2019). Effect of the addition of sepiolite on the morphology and properties of melt compounded PHBV/PLA blends. Polymer Composites, 40 (1), 156-168.

Aurrekoetxea, J., Sarrionandia, M.A., Urrutibeascoa, I., & Maspoch, M.L (2001). Effects of recycling on the microstructure and the mechanical properties of isotactic polypropylene. Journal of Materials Science, 36 (11), 2607–2613.

Bessel, T.J., Hull, D., & Shortall, J.B (1975). The effect of polymerization conditions and crystallinity on the mechanical properties and fracture of spherulitic nylon 6. Journal of Materials Science, 10 (6), 1127–1136.

Bezerra, E. B., França, D. C., Morais, D. D. S., Silva, I. D. S., Siqueira, D. D., & Araújo, E. M (2019). Compatibility and characterization of Bio-PE/PCL blends. Polímeros, 29 (2), e2019022.

Bezerra, E. B., França, D. C., Morais, D. D. S., Siqueira, D. D., Araújo, E. M., & Wellen, R. M. R (2019). Toughening of bio-PE upon addition of PCL and PEgAA. REM, Int. Eng. J., 72 (3), 469-478.

Bezerra, E. B., França, D. C., Morais, D. D. S., Araújo, E. M., Rosa, M F., & Oliveira, A. D. (2015). Estudo das propriedades mecânicas e termomecânicas de compósitos de Poli(ɛ-caprolactona)/Nanolínter. REMAP, 10 (1), 16-20.

Brito, G. F., Agrawal, P., Araújo, E. M., & Mélo, T. J. A. (2011). Biopolímeros, polímeros biodegradáveis e polímeros verdes. REMAP. 6 (2), 127-139.

Campos, A., Marconato, J. C., & Franchetti, S. M. M. (2010). Biodegradação de filmes de PP/PCL em solo e solo com chorume. Polímeros, 20 (4), 295-300.

Coltelli, M. B., Mallegni, N., Rizzo, S., Cinelli, P., & Lazzeri, A. (2019). Improved impact properties in poly(lactic acid) (PLA) blends containing cellulose acetate (CA) prepared by reactive extrusion. Materials, 12 (1), 1-20.

Ferreira, E. S. B., Luna, C. B. B., Araújo, E.M., Siqueira, D.D., & Wellen, R. M. R. (2019). Polypropylene/wood powder composites: Evaluation of PP viscosity in thermal, mechanical, thermomechanical, and morphological characters. Journal of Thermoplastic Composite Materials. Epub ahead of print 09 October 2019. DOI: 10.1177/0892705719880958.

Glontin, M., Rahalkar, R. R., Hendra, P. J., Cudby, M. E. A., & Willis, H. A. (1981). Some crystallization kinetics of isotactic polypropylene. Polymer, 22 (6), 731-735.

Han, J. L., Lai, S. M., & Chiu, Y. T. (2018). Two‐way multi‐shape memory properties of peroxide crosslinked ethylene vinyl‐acetate copolymer (EVA)/polycaprolactone (PCL) blends. Polymers Advanced Technologies, 29 (7), 2010-2024.

Harris, A. M. & Lee, E. C. (2008). Improving mechanical performance of injection molded PLA by controlling crystallinity. Journal Applied Polymer Science, 107 (4), 2246-2255.

Heidbreder, L. M., Bablok, I., Drews, S., & Menel, C. (2019). Tackling the plastic problem: A review on perceptions, behaviors, and interventions. Science of The Total Environment, 668 (6), 1077-1093.

Jeon, J. S., Han, D. H., & Shin, B. Y. (2018). Improvements in the rheological properties, impact strength, and the biodegradability of PLA/PCL blend compatibilized by electron-beam irradiation in the presence of a reactive agent. Advances in Materials Science and Engineering, 1 (1), 5316175.

Lemstra, P. J., Schouten, A. J., & Challa, G. (1974). Secondary crystallization of isotactic polystyrene. Journal of Polymer Science: Polymer Physics, 12 (8), 1565-1574.

Lima, J. C. C., Araújo, E. A. G., Agrawal, P. & Mélo, T. J. A. (2019). PLA/SEBS bioblends: Influence of SEBS content and of thermal treatment on the impact strength and morphology. Macromolecular Symposia, 383 (1), 1700072.

Lima, J. C. C. (2016). Blendas de poli (ácido lático) com copolímero tribloco de estireno-etileno/butileno- estireno. Masters dissertation, Federal University of Campina Grande, Paraíba, Brazil, p. 125.

Luna, C. B. B., Siqueira, D. D., Araújo, E. M., & Wellen, R. M. R. (2019a). Tailoring PS/PPrecycled blends compatibilized with SEBS. Evaluation of rheological, mechanical, thermomechanical and morphological characters. Materials Research Express, 6 (7), 075316.

Luna, C. B. B., Siqueira, D. D., Ferreira, E. S. B., Araújo, E. M., & Wellen, R. M. R. (2019b). Reactive compatilization of PCL/WP upon addition of PCL-MA. Smart option for recycling industry. Materials Research Express, 6 (12), 125317.

Luna, C. B. B., Ferreira, E. S. B., Siqueira, D. D., Silva, W. A., Araújo, E. M., & Wellen, R. M. R. (2019c) Tailoring performance of PP/HIPS/SEBS through blending design. Materials Research Express, 6 (11), 115321.

Luna, C. B. B., Siqueira, D. D., Araújo, E. M., & Wellen, R. M. R. (2019d) Tailoring PS/PPrecycled blends compatibilized with SEBS. Evaluation of rheological, mechanical, thermomechanical and morphological characters. Materials Research Express, 6 (7), 075316.

Luna, C. B. B., Silva, D. F., & Araújo, E. M. (2015) Estudo do comportamento de blendas de poliamida 6/resíduo de borracha da indústria de calçados. Revista Univap, 20(36), 98-110.

Marinho, V. A. D., Almeida, T. G., Carvalho, L. H., & Canedo, E. L. (2018). Aditivação e biodegradação de compósitos PHB/babaçu. REMAP, 13 (1), 37-41.

Merabet, S., Rouanah, F., & Fois, M. (2019). Heat treatment of isotactic polypropylene: the effect of free quenching from the melt state. International Journal of Polymer Analysis and Characterization, 24 (4), 313-325.

Moharir, R. V., & Kumar, S. (2019) Challenges associated with plastic waste disposal and allied microbial routes for its effective degradation: A comprehensive review. Journal of Cleaner Production, 208 (1), 65-7620.

Morais, D. D. S., França, D. C., Araújo, E. M., Carvalho, L. H., Wellen, R. M. R., Oliveira, A. D., & Mélo, T. J. A. (2019). Tayloring PS/PCL blends: characteristics of processing and properties. REM, Int. Eng. J., 72 (1), 87-95.

Morais, D. D. S., Siqueira, D. D., Luna, C. B. B., Araújo, E. M., Bezerra, E. B., & Wellen, R. M. R. (2019). Grafting maleic anhydride onto polycaprolactone: influence of processing. Materials Research Express, 6 (5), 055315.

Okan, M., Aydin, H. M., & Barsbay, M. (2019). Current approaches to waste polymer utilization and minimization: a review. Journal Chemical Technology and Biotechnology, 94 (1), 8-21.

Oyama, H. T. (2009). Super-tough poly(lactic acid) materials: Reactive blending with ethylene copolymer. Polymer, 50 (3), 747-751.

Perego, G., & Cella, G. D. (2010). Mechanical Properties, in: Poly(lactic acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications, John Wiley & Sons.

Pereira, R. B., & Morales, A. R. (2014) Estudo do comportamento térmico e mecânico do PLA modificado com aditivo nucleante e modificador de impacto. Polímeros, 24 (2), 198-202.

Palsikowski, P. A., Kuchnier, C. N., Pinheiro, I. F., & Morales, A. R. (2018). Biodegradation in soil of PLA/PBAT blends compatibilized with chain extender. Journal of Polymers and the Environment, 26 (1), 330–341.

Reul, L. T. A., Carvalho, L. H., & Canedo, E. L. (2017). Características reológicas e térmicas de compósitos policaprolactona/babaçu. REMAP, 12 (3), 174-182.

Rossino, L. S., Oliveira, R. C., Ferreira, R., Moreto, J. A., Manfrinato, M. D., & Paiva, J. M. F. (2019) Estudo comparativo da resistência à flexão da madeira plástica, fibra de madeira de densidade média, pinus e polipropileno submetidos aos condicionamentos de secagem, saturação de umidade e radiação UV. REMAP, 14 (1), 11-18.

Rusu, M., Ursu, M., & Rusu, D. (2006). Poly(vinyl chloride) and poly(e-caprolactone) blends for medical use. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 19 (2), 173-190.

Rusayyis, M. A. B., Schiraldi, D., & Maia, J. (2018). Property/morphology relationships in SEBS- compatibilized HDPE/poly (phenylene ether) blends. Macromolecules, 51 (16), 6513-6523.

Salehiyan, R., Yussuf, A. A., Hanani, N. F., Hassan, A., & Akbari, A. (2015) Polylactic acid/polycaprolactone nanocomposite: Influence of montmorillonite and impact modifier on mechanical, thermal, and morphological properties. Journal of Elastomers & Plastics, 47 (1), 69-87.

Silva, M. C., Oliveira, S. V., & Araújo, E. M. (2014) Propriedades mecânicas e térmicas de sistemas de PLA e PBAT/PLA. REMAP, 9 (2), 112-117.

Silva, I. D. S., Jaques, N. G., Barros, J. J. P., Almeida, D. E. O., Lima, E. P. N., Araújo, R. N., Cerqueira, G. R. C., Pereira, C. A. B., Silva, A. F. P., Nepomuceno, N. C., Cesario, L. V., Siqueira, D. D., & Wellen, R. M. R. (2019) Clever use of PCL as kinetic controller in PBT/PCL blends. Materials Research Express, 6 (11), 115313.

Siqueira, D. D., Luna, C. B. B., Ferreira, E. S. B., Araújo, E. M., & Wellen, R. M. R. (2020). Tailored PCL/Macaíba fiber to reach sustainable biocomposites. Journal of Materials Research and Technology, 9 (5), 9691-9708.

Siqueira, D. D., Luna, C. B. B., Araújo, E. M., Ferreira, E. S. B., & Wellen, R. M. R. (2019). Biocomposites based on PCL and macaiba fiber. Detailed characterization of main properties. Materials Research Express, 6(9), 095335.

Siqueira, D. D., Luna, C. B. B., Morais, D. D. S., Araújo, E. M., França, D. C., & Wellen, R. M. R. (2018). Efeito das variáveis reacionais na síntese de um polímero biodegradável funcionalizado: PCL-g-MA. Matéria (Rio J.), 23 (4), e-12252.

Siqueira, D. D., Morais, D. D. S., Araújo, E. M., Luna, C. B. B., & Wellen, R. M. R. (2017). Otimização da funcionalização de um polímero biodegradável utilizando planejamento fatorial. REMAP, 12 (3), 192-198.

Vogelsanger. N., Formolo, M.C., Pezzin,A. P. T., Schneider, A. L. S., Furlan, S. A., Bernardo, H,P., Pezzin, S.H., Pires, A. T., & Duek, E. A. R. (2003). Blendas biodegradáveis de poli(3-hidroxibutirato)/poli(e-caprolactona): obtenção e estudo da miscibilidade. Materials Research, 6 (3), 359-365.

Yang, H., Yin, W., Zhang, X., Cai, Z., Wang, Z., & Cheng, R. (2005). Observation of the concentric diffractive banding on the spherulites of poly(ethylene oxide) by a dynamic method. Journal Applied Polymer Science, 96 (6), 2454-2458.

Xu, Z., Dai, X., & Chai, X. (2018) Effect of influent pH on biological denitrification using biodegradable PHBV/PLA blends as electron donor. Biochemical Engineering Journal, 131 (3), 24-30.

Downloads

Published

15/12/2020

How to Cite

SANTOS FILHO , E. A. dos .; LUNA, C. B. B. .; SIQUEIRA, D. D. .; ARAÚJO , E. M. .; WELLEN, R. M. R. . Annealing effect on the PCL mechanical, thermal and thermomechanical properties. Research, Society and Development, [S. l.], v. 9, n. 12, p. e13191210764, 2020. DOI: 10.33448/rsd-v9i12.10764. Disponível em: https://www.rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/10764. Acesso em: 19 apr. 2024.

Issue

Vol. 9 No. 12

Section

Engineerings

License

Copyright (c) 2020 Edson Antonio dos Santos Filho ; Carlos Bruno Barreto Luna; Danilo Diniz Siqueira; Edcleide Maria Araújo ; Renate Maria Ramos Wellen

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Authors who publish with this journal agree to the following terms:

1) Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.

2) Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.

3) Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work.