Por

Andrê Gazineu e Leandro Pavan

Pesquisa experimental revela perda das características mecânicas e um fenômeno: quanto maior a força de laminação, menor a resistência mecânica

Resumo

O objetivo deste artigo foi compreender o comportamento mecânicos de embalagens laminadas com três diferentes conjuntos de adesivos solventless à base de poliuretanos por meio de uma abordagem estatística de uma pesquisa experimental, bem como compreender qual conjunto apresenta a menor perda de características mecânicas ao longo do tempo. Entende-se que ao atender os objetivos propostos, obter-se-á um nível superior de qualidade em filmes laminado, seja durante o envase do produto ou sua distribuição e acondicionamento. Valendo-se de uma pesquisa experimental, verificou-se, através da análise de variância, que todos os três conjuntos testados implicaram em perdas das características mecânicas nas amostras analisados. Além disto, evidenciou-se um fenômeno inédito: quanto maior a força de laminação, menor a resistência mecânica à tração no sentido máquina do filme, tal qual seu alongamento, tornando o filme rígido e quebradiço.

1 INTRODUÇÃO

O conceito de embalagem flexível é bastante amplo, porém, são classificadas como embalagens flexíveis aquelas que possuem espessura inferior a 250µm e que a forma está sujeita ao formato do produto (SARANTÓPOULOS et al.; 2002). Dentre as inúmeras aplicações, um dos empregos mais comuns é o filme de alta performance para empacotamento automático onde há exigência de soldabilidade, deslizamento (baixo coeficiente de atrito) e, principalmente, resistência ao impacto. Para Coutinho et al. (2003) a elevada capacidade de selagem é, principalmente, demandada em embalagens de gêneros de primeira necessidade. Sendo assim, essa exigência demandou a existência de grades de polietilenos lineares de baixa densidade (PELBD) que conferem excelentes propriedades mecânicas supracitadas e propriedades funcionais para à garantia da integridade da embalagem.

No que tange as possibilidades de utilizar diferentes substratos para alcançar propriedades mecânicas e óticas específicas, um dos recursos mais aplicados é a laminação. O processo de laminação, basicamente, consiste na adesão de um ou mais substratos por meio de um adesivo isento de diluentes sendo composto por um catalisador para a solidificação (SARANTÓPOULOS et al.; 2002)

Em filmes laminados, o substrato pode ser composto por polietileno ou estruturas mais complexas como PP, PET, PET METAL, BOPP ou até mesmo nylon (entre outras possíveis). Devido a questões econômicas e ambientais, uma das classes de estruturas mais utilizadas entre as embalagens flexíveis é a estrutura PE+PE. Com a presença de umidade e temperatura, ocorre à secagem do adesivo promovida pelo catalisador, ou seja, a reação entre um poliol e um isocianato forma o poliuretano que une os dois substratos.  No entanto, observa-se que o comportamento mecânico fruto da união de dois filmes não é o somatório da característica mecânico dos mesmos – ainda mais ao longo do tempo.

O objetivo inicial deste trabalho foi, através da abordagem estatística de uma pesquisa experimental, compreender o comportamento mecânicos de embalagens laminadas com três diferentes conjuntos de adesivos à base de poliuretanos, visando obter um nível superior de qualidade dos resultados dos ensaios e otimização dos atributos funcionais do filme laminado.

Outro objetivo deste trabalho é analisar qual conjunto de adesivo catalisador apresenta a menor perda de propriedades mecânicas ao longo do tempo. Entende-se que, além do ineditismo do tema, o produto final deste trabalho trará a melhoria da qualidade frente às crescentes solicitações do mercado quanto ao envase, manuseio e distribuição do produto envasado.

Os adesivos analisados neste trabalho são classificados como média performance, bi-coponente e não contém solventes em sua diluição. Visto que os ensaios mecânicos realizados abrangem sete propriedades individuais de filmes flexíveis, e esses mesmos ensaios demandam tempo de preparação, fora analisado exclusivamente filmes de 70µm de espessura e uma única formulação de PEBDL.

Este trabalho encontra-se dividido em três seções. Inicialmente, é apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre embalagens flexíveis, adesivos para laminação, conceitos de experimentação, em sua abordagem clássica de planejamento de experimento e Taguchi, análise de variância e correlação. O objetivo desta etapa é apresentar uma sequência lógica sobre o encadeamento de conceitos adotados para proporcionar o desenvolvimento da pesquisa.

A segunda seção apresenta os resultados do experimento realizado para atender a aplicação dirigida a embalagens flexíveis laminadas presente neste trabalho. Por fim, como decorrência das etapas anteriores, a terceira seção apresenta a conclusão da pesquisa experimental e suas implicações para trabalhos futuros. Há relativamente menos ênfase na teoria matemática das técnicas estatísticas, em parte porque algum conhecimento prévio é assumido.

2 SEQUÊNCIA DE DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA

2.1 Embalagens flexíveis

Uma embalagem é classificada como flexível quando sua espessura é inferior a 250µm e o seu formato é fruto do produto a qual acondiciona (SARANTÓPOULOS et al.; 2002).  Dado seu elevado número de possibilidades, desenvolve-se embalagens específicas para cada aplicação levando-se em consideração o número de camadas do filme extrusado, resinas utilizadas, tipo de substrato e tecnologia do processo. Conforme Canevaloro (2004), grande parte dos materiais são caracterizados mecanicamente após ensaios de solicitação mecânica, visto que a resistência ao impacto é uma das propriedades mais requisitadas para a especificação do comportamento mecânico.

Essa habilidade de um material absorver energia é chamada de tenacidade e é fundamental para determinar o bom desempenho em empacotamentos automatizados (SARANTÓPOULOS et al.; 2002).  Por possuir excelentes propriedades mecânicas de elasticidade, maciez e flexibilidade, filmes extrusados com PELBD são empregados em estruturas laminadas, onde a impressão na lâmina interna realça o apelo estético da embalagem.

Nesta pesquisa, a unidade de análise, e estrutura de interesse, é composta por dois filmes de PELBD laminados por um adesivo que não necessita da adição de solvente. A mistura de adesivo e catalisador é aplicada por meio de um cilindro, na laminadora, que entrega o composto ao substrato. Os materiais ficam unidos devido às forças intermoleculares, incluindo as forças de van der Waals e pontes de hidrogênio. Os filmes de extrusão recebem previamente o tratamento corona para a introdução de sítios ativos na superfície das oleifinas para, assim, ampliar a interação da força de Van der Waals com o adesivo.

É de vital importância que as propriedades físicas de uma embalagem flexível devam atender a todas as solicitações mecânicas envolvidas no processo produtivo e uso pretendido do material. No entanto, conforme Sarantópoulos et al., (2002), quando um adesivo é utilizado para unir duas superfícies, têm-se 5 regiões distintas: substrato 1 / interface entre o substrato 1 e o adesivo / adesivo / interface entre o substrato 2 e o adesivo /substrato 2.

Compreender todas as interações que propriedades físicas implicam é uma tarefa complexa se não forem empregadas técnicas estatísticas que garantam a robustez do experimento. Sendo assim, para ter o entendimento da realidade e buscar a resolução de um problema através de sucessivas aproximações, se faz necessário formular hipóteses e validá-las por meio de uma investigação experimental (FONSECA, 2002).

Desta maneira, conforme Gil (1991), a realização de um experimento simboliza o melhor modelo de pesquisa cientifica. Basicamente, a pesquisa experimental incide em determinar o objeto de estudo, eleger as variáveis que possuem probabilidade de influenciá-lo, determinar as formas de controle analisar os efeitos resultantes no objeto de interesse. Neste sentido, a importância de um planejamento rigoroso na pesquisa experimental será abordada na seção seguinte.

2.2 Planejamento de Experimentos

Há duas fases: a experimentação para investigação dos fatores que influenciam nas características do objeto e a interpretação dos dados por meio de estatística. Conforme Fonseca (2002), a pesquisa experimental elege grupos de assuntos concomitantes, os sujeita a tratamentos diferentes, analisando as variáveis excepcionais e verificando se as diferenças percebidas nas respostas são estatisticamente significantes.

Uma das técnicas de experimentação mais difundidas para aumentar a eficácia e desenvolver experimentos com confiabilidade de resultados, sendo amplamente reconhecido em muitos programas de engenharia da qualidade e de processo, que pode compor uma pesquisa experimental é o planejamento de experimentos (DOE). Esta técnica foi desenvolvida por Ronald A. Fisher no início da década de 1920 no Rothamsted Estação Experimental Agrícola de Pesquisa de Campo, em Londres, mas foi amplamente aprimorada por autores como Oscar Kempthorne, Box, Yates e Cochran (MONTGOMERY, 1991). O método de DOE criado por Fisher foi um avanço fundamental em relação à tradição científica antiga da prática de se alterar uma variável de cada vez e sua metodologia defende fortemente uma abordagem sequencial e adaptável à experimentação visando sempre à simplicidade e aplicabilidade.

É interessante observar que muitos projetos de experimentos optam por utilizar tanto o DOE clássico quanto em sua abordagem Taguchi em função de sua simplicidade no delineamento dos experimentos. Para Montgomery, (2001), o método DOE clássico encoraja experimentadores a estudar todos os parâmetros envolvidos no processo com técnicas estatísticas, inclusive, desenhos de superfície de resposta que estudam os efeitos não lineares e modelagem matemática para determinar os níveis ótimos do planejamento de experimento.

Com relação a analise de dados, para entender a associação e linearidade entre variáveis é frequentemente utilizado o coeficiente de correlação de Pearson onde a correlação quantifica o grau da relação linear e a direção entre duas variáveis quantitativas, ou seja, sua variância compartilhada (MOORE, 2007). Além do o coeficiente de correlação de Pearson, como método inferencial, há a covariância que é entendida como uma medida da relação de interdependência entre duas variáveis (LEWIS, 2004).

Por fim, a análise de variância (ANOVA), conforme autores como Schilling (1973) e Hair (2005), é uma técnica estatística utilizada para analisar se as diferenças entre as médias do grupo são significativas e foi desenvolvida por Ronald Aylmer Fisher, um geneticista, 1924. No teste estatístico ANOVA, a variância observada em uma variável particular está dividida em componentes atribuíveis a diferentes fontes de variação fornecendo, assim, evidência de que um evento não ocorreu por mero acaso (caso haja diferença significativa).

Desta forma, a análise de variância é uma forma particular de testes de hipóteses muito utilizada na análise de dados experimentais, visto que o método proporciona material para a tomada de decisões valendo-se de dados (MONTGOMERY, 1991). Para autores como Bickel& Doksum (1977) e Hair (2005), um pressuposto para realização do teste ANOVA as amostras deverão ser aleatórias e independentes. Suas populações devem possuir uma distribuição normal e variâncias populacionais iguais.

Selecionar uma estratégia apropriada de experimentação e análise para um determinado problema depende de um conjunto de critérios, como a natureza do problema, o grau de otimização necessário, tempo e custo despendido, facilidade de implementação, validade estatística e robustez de abordagem. A seção seguinte apresenta a validade do delineamento seguido para atender o objetivo desta pesquisa bem como as técnicas estatísticas utilizadas no método de trabalho.

3 METODOLOGIA

3.1 Método de pesquisa

Sob o ponto vista da sua natureza, esta é uma pesquisa aplicada, pois objetiva gerar conhecimento para aplicação prática e dirigida à solução de um problema específico: compreender o comportamento mecânico de filmes laminados com diferentes conjuntos de adesivo/catalisador ao longo do tempo. Com relação aos seus objetivos, a pesquisa de caracteriza por ser exploratória em sua construção de hipóteses e tentativa de tornar a problemática explícita (SILVA & MENEZES, 2002).

Sendo assim, em sua abordagem quantitativa, dado seu emprego de técnicas estatísticas, este estudo trata-se de uma pesquisa experimental. Conforme Gil (2002), a pesquisa experimental representa o melhor exemplo de pesquisa científica por definir um objeto de estudo, selecionar as variáveis de controle ou entrada que o influenciam e determinar as formas de controle e observação dos efeitos que a variáveis causam no objeto. Nesta tipologia de pesquisa o pesquisador analisa o problema, conjectura suas hipóteses e trabalha manipulando os possíveis níveis de tratamento, as variáveis, referentes ao fenômeno observado.

3.2 Método de trabalho

Neste trabalho foram utilizados três conjuntos de adesivo/catalisador de diferentes fornecedores.  O conjunto do Fornecedor A possui 2.500 cP a 25°C. Realizou-se simultaneamente o comparativo com um adesivo de 2.000 cP a 25°C do Fornecedor B. Finalizando, o conjunto utilizado do Fornecedor C apresenta viscosidade de 3.000 cP a 25°C. Inicialmente, elencaram-se os tratamentos (variáveis de entrada) e seus respectivos níveis de controle. Utilizou-se uma única blenda composta por 80% da resina TG2085B (0,918g/cm³) e 20% de EB853/72(0,923g/cm³).

Todos os ensaios foram realizados no laboratório da Plastimarau (indústria de plásticos flexíveis). O dinamômetro utilizado foi um modelo Kratos com célula de carga DEK200 NP. Os ensaios de tração foram realizados conforme ASTM D 882 (Veloc. 500 mm/min; separação de garras 50 mm; largura do corpo prova 25,4mm). Para cada ensaio, valeu-se de cinco corpos de prova que foram aleatorizados em três corridas por meio de um editor de planilhas para minimizar os erros sistemáticos. Como variável de resposta, a força de laminação foi ensaiada conforme a ASTM D 882: 280 mm/min.

Os filmes laminados realizaram o processo de cura em estocagem na temperatura 35±2ºC e 57±2% de umidade relativa e finalizaram o processo de cura em laboratório (22±2ºC e 50±2% de umidade relativa) após 43 dias. Todos os ensaios foram realizados por um mesmo laboratorista. A gramatura aplicada foi de 1,7g/cm² e conferida por microscopia ótica e por subtração em uma balança de precisão.

Para facilitar a compreensão das etapas do trabalho, a figura 1 demonstra a sequência lógica do método de trabalho empregado nesta pesquisa.

4 ANÁLISE DE DADOS

4.1 Caracterização do problema e escolha das variáveis de resposta

O problema explorado nesta pesquisa experimental é compreender o comportamento mecânicos de embalagens laminadas com três diferentes conjuntos de adesivos à base de poliuretanos objetivando. Neste sentido, a problemática envolveu evidenciar qual conjunto/catalisador apresenta os melhores resultados mecânicos e sua evolução ao longo do tempo. Neste sentido, as variáveis de resposta compreendem a resistência à tração no sentido máquina e transversal, bem como seus respectivos alongamentos. A força de laminação também constitui uma variável resposta do experimento.

4.2 Determinação dos fatores de influência

Para esta pesquisa experimental, elegeu-se grupos de variáveis simultâneas que poderiam influenciar no resultado do experimento com base no conhecimento do processo. Nesta pesquisa experimental foram utilizados três conjuntos de adesivo/catalisador de distintos fornecedores. A figura 2 ilustra os fatores fixos elencados, e devidamente controlados, tal qual o tratamento variável.

4.3 Realização do experimento e coleta de dados

Na etapa que compreendeu a realização do experimento, foi fundamental monitorar o processo de laminação objetivando a fidedignidade do planejamento. Os ensaios mecânicos foram realizados de maneira sistemática por 43 dias e em frequência diária.  Para minimizar o erro experimental, todos os ensaios foram realizados por um mesmo laboratorista. Mediante a coleta de dados e análise crítica de dados espúrios, os resultados foram aleatorizados em três corridas através de um editor de planilhas objetivando minimizar a possibilidade de erro experimental.

4.4 Análise de dados

Nesta etapa utilizou-se procedimentos de análise estatística no software Minitab. Na a análise de dados, os pressupostos são: distribuição normal e variância homogênea. Executou-se um teste de hipóteses para examinar se as observações seguem uma distribuição normal onde a hipótese nula representa que os dados seguem uma distribuição normal. Caso a hipótese alternativa seja verdadeira, o pressuposto de normalidade é rejeitado. O teste de Kolmogorov-Smirnov apresentou um p-value inferior ao nível de significância adotado de 0,010 para todas as variáveis de saída do experimento, logo, rejeitou-se a hipótese nula. Não obstante seja necessário que o experimentador analise o pressuposto de normalidade antes de iniciar suas a análise de dados, uma violação tão-somente e reduz o poder estatístico de suas conclusões.

Para testar se os resultados possuem uma variância homogênea utilizou-se a aplicação do Teste Levene, pois houve rejeição da hipótese de normalidade. Este teste estatístico para a análise de variância pressupõe que, embora diferentes amostras sejam oriundas de diferentes populações, elas possam ter a mesma variância. Como o p-value encontrado foi superior ao nível de significância de 5%, conforme figura 3 e figura 4, aceita-se a hipótese nula para igualdade de variâncias.

Na sequência, evidencia-se (figura 5), que ao longo dos quarente e três dias de ensaios mecânicos, o alongamento no sentido máquina apresentou declínio nos três conjuntos de adesivo/catalisador. Esta variável mensura a porcentagem de alongamento do corpo-de-prova com relação ao seu comprimento inicial sendo fundamental para determinar a resistência à ruptura do material. Este resultado indica que a cura completa do adesivo para características mecânicas não ocorre em uma semana (conforme informado pelos fornecedores) e sim após um mês.

Por outro lado, conforme a figura 6, os resultados da análise de variância na variável força de laminação sinalizar que a força de adesão continua aumentando progressivamente ao longo do tempo. Logo, a capacidade de adesão das superfícies obedece a uma correlação inversa ao alongamento no sentido máquina. De acordo com o coeficiente de correlação de Pearson entre as duas variáveis significativas, a correlação de -0,61 indica uma correspondência moderada de direção negativa. Sendo assim, quanto maior a força de laminação, menor será o alongamento material e maior será sua propensão à ruptura.

Por outro lado, conforme a figura 6, os resultados da análise de variância na variável força de laminação sinalizar que a força de adesão continua aumentando progressivamente ao longo do tempo. Logo, a capacidade de adesão das superfícies obedece a uma correlação inversa ao alongamento no sentido máquina. De acordo com o coeficiente de correlação de Pearson entre as duas variáveis significativas, a correlação de -0,61 indica uma correspondência moderada de direção negativa. Sendo assim, quanto maior a força de laminação, menor será o alongamento material e maior será sua propensão à ruptura.

Também dentro do enfoque da perda de características mecânicas, a análise de variância da resistência máxima à tração suportada pelo material, conforme a figura 7, indica uma redução ao longo dos ensaios realizados em quarenta e três dias. A partir deste resultado, evidencia-se que o filme laminado passa de um comportamento flexível e tenaz para uma forma rígida e quebradiça.

As figuras 8 e 9 comprovam que há diferença significativa entre os conjuntos de adesivo/catalisador onde o p-value encontrado foi inferior ao nível de significância escolhido de 5%. Assim sendo há evidências significativa para pressupor a diferença entre os conjuntos testados.

5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Com base no que fora discutido e apresentado nesta pesquisa, algumas conclusões relevantes podem ser obtidas envolvendo, basicamente, o objetivo proposto de, por meio de uma abordagem estatística de uma pesquisa experimental, compreender o comportamento mecânicos de embalagens laminadas com três conjuntos de adesivo/catalisador de diferentes fornecedores. Além disso, objetivou-se identificar qual conjunto possui menor impacto nas condições mecânicas do filme laminado objeto de estudo.

O objetivo geral deste trabalho foi plenamente atingido, na medida em que se verificou que todos os três conjuntos testados implicaram em perdas das características mecânicas nas amostras analisados. Além disto, evidenciou-se um fenômeno inédito: quanto maior a força de laminação, menor a resistência mecânica à tração no sentido máquina do filme, tal qual seu alongamento, tornando o filme rígido e quebradiço.

O objetivo específico também fora alcançado. Há evidências significativas para pressupor que o conjunto adesivo/catalisador do fornecedor A possui menor impacto sobre as características mecânicas do filme laminado. Com base na análise de efeitos principais, este mesmo conjunto possui a menor força de laminação dos ensaios realizados.

Também baseado nesta pesquisa experimental desenvolvida, recomenda-se que seja testado um conjunto de adesivo/catalisador com menor força de adesão para analisar o comportamento mecânico do filme. Testar um novo conjunto possibilitará o desenvolvimento da melhoria da qualidade frente às crescentes solicitações do mercado e entendimento do comportamento mecânico em filmes laminados.

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