Estudo do Efeito Combinado da Radiólise e Fratura sob Tensão Ambiental no Policarbonato Nacional

O policarbonato (PC) é um polímero termoplástico amorfo, transparente e com excelentes propriedades mecânicas, como alta rigidez, ductibilidade e tenacidade. Ele tem sido utilizado em artefatos médicos, plantas de usinas nucleares e instalações de medicina nuclear. Nestas aplicações, frequentemente, fica exposto à radiação gama, seja por esterilização de artefatos médicos ou em serviço. Em muitas ocasiões, também é exposto a líquidos como álcoois, detergentes, óleos, etc., utilizados normalmente para sua limpeza, e pode sofrer o efeito de trincamento/fratura sob tensão ambiental – environmental stress cracking - ESC. No presente trabalho, amostras de policarbonato Durolon® em duas formulações – padrão (STD) e com aditivo radioestabilizante (ADT) – foram submetidas a doses de radiação gama na faixa de 25 a 200 kGy e/ou expostos à ação de metanol, etanol e isopropanol e caracterizadas por diversas técnicas, como análises viscosimétricas e térmicas, ensaios de sorção, ensaios mecânicos, microscopia óptica e eletrônica de varredura e espectroscopia UV-VIS. As análises em viscosimetria capilar mostraram que o PC Durolon® sofre predominantemente cisão da cadeia principal, nas doses de 25, 50, 75, 100 e 200 kGy, tanto na formulação padrão como na aditivada. As análises térmicas demonstraram que as temperaturas de máxima decomposição térmica, Tmáx, assim como de transição vítrea, Tg, não sofreram alterações significativas em função das doses de radiação gama, indicando que além do PC ter excelente estabilidade térmica, a adição do protetor radiolítico não altera essa propriedade em doses até 200 kGy. Nos experimentos de sorção, foram calculados os parâmetros de difusão, D, para os três líquidos e foi observado que o metanol e o etanol atuam como agentes causadores de ESC, sendo o primeiro mais agressivo, enquanto que o isopropanol não atuou como agente causador de ESC no PC. Foi observado também que o efeito combinado de ESC mais radiólise potencializa a ação do líquido no polímero, assim como também foi observado que as amostras com aditivo radioestabilizante em sua formulação foram mais susceptíveis à ação ESC do metanol e etanol. Os ensaios visuais de microscopia óptica, acompanhando o tempo de imersão nos líquidos, confirmaram os dados obtidos para os parâmetros de difusão dos líquidos tensoativos. Os dados em espectroscopia UV-VIS indicaram que o PC na formulação padrão sofre um grau de amarelamento, detectado nas regiões próximas ao comprimento de onda de 420 nm, consideravelmente maior do que a formulação PC-ADT. Ensaios mecânicos de tração em duas velocidades de garra, 2 mm/min e 20 mm/min, foram realizados nas amostras de PC-STD e os dados indicaram que o PC é consideravelmente resistente à radiação, já que até em doses de 200 kGy conservou praticamente estável suas propriedades mecânicas. Entretanto, quando se ensaiaram mecanicamente os corpos de prova expondo-os ao metanol e isopropanol observou-se que ambos diminuíram drasticamente a capacidade do PC de se alongar, diminuindo sua ductibilidade, e tornando-o frágil. Ademais, foi observado que o isopropanol atuou mais severamente nessa fragilização do que o metanol. Uma hipótese foi elaborada para explicar tal comportamento baseada nos parâmetros de solubilidade de Hansen e no tamanho das moléculas dos líquidos.Polycarbonate (PC) is a thermoplastic and amorphous polymer, has good transparence and has excellent mechanical properties such as high hardness, ductility and toughness. It has been used in medical devices, nuclear power plants and nuclear medicine facilities. Often it is exposed to gamma radiation, either by sterilization of medical devices or in service. On many occasions, they are also exposed to liquids such as alcohols, detergents, oils, etc., normally used for cleaning, and the polymer can suffer the effect of environmental stress cracking - ESC. In the present work, samples of Durolon® polycarbonate in two formulations - standard (STD) and with radio stabilizer additive (ADT) - were subjected to gamma radiation doses in the range from 25 to 200 kGy and / or exposed to the action of methanol, ethanol and isopropanol and characterized by various techniques such as viscosimetric and thermal analysis, sorption testing, mechanical testing, optical microscopy, SEM and UV-VIS spectroscopy. Capillary viscometry showed that the Durolon® PC undergo mainly main chain scission at doses of 25, 50, 75, 100 and 200 kGy, both in standard formulation as with the additive. Thermal analysis showed that the maxim rate temperature of thermal decomposition, Tmáx, as the glass transition, Tg, did not change significantly as a function of gamma radiation doses, indicating that in addition to PC has excellent thermal stability, the addition of radiolytic protector additive does not change this property in doses up to 200 kGy. In sorption experiments, it was calculated the diffusion parameters, D, from the three liquids and it was observed that methanol and ethanol act as ESC agents, and the former more aggressively than the latter, while isopropanol did not act as a ESC agent in PC. It was also observed that the combined effect of ESC with radiolysis increased the action of the liquid in the polymer, as it was also observed that samples with additive in their formulations were more susceptible to ESC action of methanol and ethanol. Visual testing and optical microscopy, following the time of immersion in liquids, confirmed the data obtained for the diffusion parameters of the surface-active liquids. Data for UV-VIS spectroscopy indicated that the PC standard formulation suffers a degree of yellowing, detected in wavelength near from 420 nm, considerably higher than the formulation with radiolytic protector additive. Tensile tests in two speeds, 2 mm / min and 20 mm / min were performed on samples of PC-STD and the data indicated that the PC has a good resistance to radiation, since until doses up to 200 kGy PC keep their excellent mechanical properties. However, when the samples tested were exposed to methanol and isopropanol it was observed that both solvents dramatically decreased the ability of the PC to stretch, decreasing its ductility, and making it brittle. Furthermore, it was observed that the isopropanol worked most severely than methanol on the weakening of polycarbonate. A hypothesis was developed to explain such behavior based on Hansen solubility parameters and in the sizes of liquid molecules too