Desenvolvimento de material compósito a base de raspa de pneu e látex para isolamento térmico

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – UFRN CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DESENVOLVIMENTO DE MATERIAL COMPÓSITO A BASE DE RASPA DE PNEU E LÁTEX PARA ISOLAMENTO TÉRMICO

ELMO THIAGO LINS CÖURAS FORD

TESE DE DOUTORADO

PROF. RUBENS MARIBONDO DO NASCIMENTO, Dr. Eng PROF. JOSÉ UBIRAGI DE LIMA MENDES, Dr. Eng

PROF. ANTÓNIO TORRES MARQUES, Dr. Eng

(2)

DESENVOLVIMENTO DE MATERIAL COMPÓSITO A BASE DE RASPA DE PNEU E LÁTEX PARA ISOLAMENTO TÉRMICO

Tese submetida à

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE como parte dos requisitos para a obtenção do grau de

DOUTOR EM ENGENHARIA MECÂNICA

PROF. RUBENS MARIBONDO DO NASCIMENTO, Dr. Eng PROF. JOSÉ UBIRAGI DE LIMA MENDES, Dr. Eng

PROF. ANTÓNIO TORRES MARQUES, Dr. Eng

(3)

DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE MATERIAL COMPÓSITO A BASE DE RASPA DE PNEU E LÁTEX PARA ISOLAMENTO TÉRMICO

Esta tese foi julgada adequada para a obtenção do grau de doutor.

BANCA EXAMINADORA

______________________________________

PROF. Dr. RUBENS MARIBONDO DO NASCIMENTO – Orientador

______________________________________

PROF. Dr. JOSÉ UBIRAGI DE LIMA MENDES – Orientador

__________________________________________

PROF. Dr. ANTÓNIO TORRES MARQUES – Orientador no Exterior

________________________________________

PROF. Dr. RASIAH LADCHUMANANANDASIVAM – Examinador Interno

_________________________________________

(4)

(5)

AGRADECIMENTOS

A meus amigos(as) Reginaldo, Natan, Fernanda, Rudson, Aldo, Marcos, Francisco e a outros não tão lembrados agora, que me ajudaram e incentivaram...

Aos Secretários Walkyso e Luiz Henrique pela paciência e dedicação dispensadas aos alunos do PPGEM.

Ao professor Dr. José Ubiragi de Lima Mendes, pela amizade, atenção, orientação e contribuições para elaboração desta pesquisa.

Ao professor Dr. Rubens Maribondo do Nascimento pela orientação, contribuições da pesquisa e também pela grande colaboração para minha ida ao exterior.

Ao professor Dr. António Torres Marques pela orientação enquanto estive na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - FEUP e contribuições para elaboração desta pesquisa.

Ao professor Dr. Rasiah Ladchumananandasivam, pelas colaborações e contribuições para desenvolvimento desta pesquisa.

Ao Professor Dr. Ricardo Peixoto Suassuna Dutra pela colaboração e contribuições para o melhoramento desta pesquisa.

Ao Dr. João Rodrigues pela atenção e ajuda na realização dos experimentos no INEGI – FEUP.

A Drª. Celeste Margarida Correia Pereira pela grande atenção, pela amizade e orientações na realização dos experimentos no INEGI – FEUP.

Ao Professor Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza, pela amizade e que me ajudou e incentivou a superar todas as adversidades e com quem sempre contei em todos os momentos.

A todos do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, pela compreensão nos momentos em que necessitei vossa ajuda.

(6)

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS...8

LISTA DE TABELAS...11

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS...13

RESUMO...15

ABSTRACT...16

1. INTRODUÇÃO...17

1.2. Objetivos...19

1.2.1. Objetivo Geral ...19

1.2.2. Objetivos Específicos...19

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...20

2.1. Isolantes térmicos...20

2.1.1 Propriedades dos isolantes térmicos...21

2.1.2. Condutividade térmica...21

2.1.3. Calor específico...23

2.1.4. Capacidade térmica...24

2.1.5. Dilatação térmica...24

2.1.6. Difusividade térmica...26

2.2. Compósito...27

2.2.1. Classificação...27

2.2.2. Propriedades...27

2.2.3. Processos de fabricação...28

2.3. Reutilização e reciclagem de pneus...29

2.3.1. Legislação sobre reciclagem de pneus...30

(7)

2.3.3. Reutilização de pneus usados...32

2.4. Matriz Polimérica...36

2.4.1. Látex...38

2.4.2. O látex de borracha natural...40

2.4.3. Processo de extração...42

2.4.4. Conservação do látex...45

3. MATERIAS E MÉTODOS...47

3.1. Materiais...47

3.1.1. Reforço...48

3.1.2. Matriz...48

3.1.3. Compósito...49

3.2. Métodos...49

3.2.1. Geometria das raspas de pneu...49

3.2.2. Confecção das mantas de compósito...50

3.2.3. Determinação da densidade volumétrica...50

3.2.4. Análise de microscopia eletrônica (MEV)...51

3.2.5. Análise de absorção de umidade...52

3.2.6. Análise da degradação térmica... ...53

3.2.7. Calor específico...53

3.2.8. Resistência ao fluxo de calor em sistemas quentes...54

3.2.9. Resistência ao fluxo de calor em sistemas frios...56

3.2.10. Análise de reação ao fogo...58

3.2.11. Determinação da condutividade térmica...60

3.2.12. Cálculo da difusividade térmica...60

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES...62

(8)

4.1.1. Características geométricas...62

4.2. Absorção de umidade...66

4.3. Densidade volumétrica...67

4.4. Análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV)...67

4.5. Resistência a degradação térmica...75

4.6. Calor específico...79

4.7. Resistência ao fluxo de calor em sistemas quentes...80

4.8. Resistência ao fluxo de calor em sistemas frios...83

4.9. Análise de reação ao fogo...86

4.10. Condutividade térmica...93

4.11. Cálculo da difusividade térmica...94

4.12. Cálculo do custo das matérias-primas para fabricação do compósito...95

CONCLUSÕES...96

SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS...98

REFERÊNCIAS...99

APÊNDICE ...104

(9)

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Corte de um pneu radial com suas partes e materiais...31

Figura 2. Modelo esquemático da recauchutagem...33

Figura 3. Processo de recauchutagem, com detalhe em vermelho para o resíduo gerado...34

Figura 4. Estrutura molecular de um poliéster...37

Figura 5. Estrutura molecular de uma resina vinil éster...37

Figura 6. Estrutura molecular de uma resina epóxi...38

Figura 7. Corte para extração do lates na seringueira em meia espira...43

Figura 8. O látex após centrifugação, a 10000 rpm e 2 h, onde são obtidas quatro frações: a fração borracha, a fração intermediária, o soro e os lutóides...44

Figura 9. Estrutura molecular da borracha...44

Figura 10. Formas das cadeias...45

Figura 11. Diagrama das etapas da pesquisa...47

Figura 12. Raspa de pneu...48

Figura 13. Compósitos 1:2; 1:1 e 2:1 (raspas de pneu – látex) respectivamente...50

Figura 14. Balança de umidade...52

Figura 15. Analisador Termoanalítica de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)...54

Figura 16. Interior da câmara de ensaios...54

Figura 17. Esquema de distribuição dos termopares...55

Figura 18. Acompanhamento do experimento...55

Figura 19. Detalhes do experimento...56

Figura 20. Cápsulas utilizadas nos ensaios...57

Figura 21. Túnel de vento utilizado no experimento...57

Figura 22. Modelo de amostra dos compósitos utilizada no ensaio...59

(10)

Figura 24. Câmara de ensaio...59

Figura 25. Imagem digitalizada da raspa de pneu...63

Figura 26. Imagem de MEV das raspas de pneu, 20x...64

Figura 27. Imagem MEV das raspas de pneu, 50x...64

Figura 30. Compósito 2:1, Imagem BSE, 50x...68

Figura 31. Composição química da região Z2 da amostra de compósito 2:1...68

Figura 33. Compósito 2:1, 50x. Detalhe para a textura da superfície com pequenos poros....69

Figura 39. Compósito 1:1, 150x, detalhe para textura da superfície...72

Figura 44. Compósito 1:2, 150x, detalhe para textura...75

Figura 45. Análise termogravimétrica da raspa de pneu...76

Figura 46. Análise Termogravimétrica da borracha natural (látex)...77

Figura 47. Análise Termogravimétrica do compósito 2:1...77

Figura 48. Análise Termogravimétrica do compósito 1:1...78

(11)

Figura 50. Calor específico da raspa de pneu, látex e compósitos...80

Figura 51. Gradiente de temperatura do compósito 2:1...81

Figura 54. Resistência ao fluxo de calor – comparação padrão x compósito 2:1...83

Figura 57. Resistência ao fluxo de calor – comparação entre padrão e os compósitos...85

Figura 58. Detalhe do comportamento da chama para os compósitos 2:1 e 1:1...86

Figura 59. Detalhe do processo de extinção da chama para os compósitos 2:1 e 1:1...87

Figura 60. Detalhe do resíduo do compósito 2:1...87

Figura 61. Detalhe do resíduo do compósito 1:1...87

Figura 62. Detalhe da chama para o compósito 1:2...88

Figura 63. Detalhe do resíduo para compósito 1:2...89

Figura 64. Queima do látex, com detalhe o escorrimento de gotas através do porta-amostra.89 Figura 65. Detalhe do resíduo para o látex...90

Figura 66. Comparativo da taxa de liberação de calor em função do tempo...91

Figura 67. Comparativo da variação da superfície externa em função do tempo...91

Figura 68. Comparativo do efeito da combustão do aquecimento em função do tempo...92

Figura 69. Comparativo da emissão de CO em função do tempo...92

(12)

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Quantidade de componentes da borracha de pneu utilizada...32

Tabela 2. Composição típica em porcentagem em massa e total de sólidos (TS) de látex da borracha natural...46

Tabela 3. Composição do látex utilizado ...48

Tabela 4. Composição dos compósitos...49

Tabela 5. Umidade contida nos materiais...66

Tabela 6. Densidade dos compósitos...67

Tabela 7. Calor específico dos compósitos 2:1; 1:1 e 1:2 e de alguns isolantes térmicos...80

Tabela 8. Condutividade térmica do compósito e de alguns isolantes térmicos...94

Tabela 9. Difusividade térmica dos compósitos e de alguns isolantes térmicos...94

Tabela 10. Comparativo do custo de fabricação...95

Tabela 11. Umidade contida na raspa de pneu...104

Tabela 12. Umidade contida na borracha natural (látex)...104

Tabela 13. Umidade retirada no compósito 2:1 (67:33%)...104

Tabela 16. Calor específico para o compósito 2:1...106

Tabela 19. Calor específico para a raspa de pneu...118

Tabela 20. Calor específico para o látex...122

Tabela 21. Tempo x Temperatura – Compósito 2:1...126

Tabela 22. Tempo x Temperatura – Compósito 1:1...126

(13)

Tabela 24. Gradiente de temperatura para Sistema Frio...128

Tabela 25. Reação ao fogo para o compósito 2:1...129

Tabela 28. Nível de confiança e incerteza da média...142

(14)

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

a – Difusividade térmica (m2/s)

A – Área normal ao fluxo de calor (m2)

Cp– Calor específico à pressão constante (J/kgK)

Cv– Calor específico à volume constante (J/kgK)

C – Capacidade térmica (W/K)

DTA – Differential Thermal Analyzer (Análise Térmica Diferencial) DSC – Differential Scanning Calorimeter (Análise Térmica Explorada) dt /dx – Gradiente de temperatura (K/m)

Ei – Erro de medida

h – Entalpia específica (J/kg) I – Corrente elétrica (A) i – Incerteza da medição

Kt– Condutividade térmica (W/mK)

Kap– Condutividade térmica aparente (W/mK)

Kreal– Condutividade térmica real (W/mK)

L – Comprimento (m)

Lo – Comprimento inicial (m) n – Nº de experimentos qk– Fluxo de calor (W)

S – Área superficial (m2)

So – Área superficial inicial (m2) Sp – Desvio padrão

(15)

Tqs– Temperatura da água quente que sai (K)

Tfe – Temperatura da água fria que entra (K)

Tfs– Temperatura da água fria que sai (K)

t – Coeficiente de Student T – Temperatura (K)

TGA – Thermogravimetry Analyzer (Análise Termogravimétrica) TMA – Thermomechanical Analyzer (Análise Termomecânica) U – Energia interna (J)

E – Tensão (V) V – Volume (m3)

Vo – Volume inicial (m3) Xi – i-ésima medida

X- Média aritmética

 - Coeficiente de dilatação linear (k-1) ou (ºC-1)

 - Coeficiente de dilatação superficial (K-1) ou (C-1)

 - Coeficiente de dilatação volumétrica (K-1) ou (C-1)

 - Densidade (kg/m3)

 - Tempo (s)

(16)

RESUMO

A reciclagem tem sido muito estimulada pelo mercado. Já existem vários produtos que são produzidos com materiais reciclados e vários resíduos têm sido estudados nas mais diversas formas de aplicações. A grande maioria das aplicações de isolamento térmico em sistemas domésticos, comerciais e industriais na faixa de baixas e médias temperaturas (até 180ºC), utilizam materiais agressivos à natureza tais como: lã de vidro, lã de rocha, poliuretano, poliestireno. Tais materiais, apesar da eficácia na retenção do fluxo de calor, têm custo elevado e quando descartados demoram anos para serem absorvidos pela natureza. Dessa forma, tentando adequar-se a uma política mundial acerca da preservação do meio ambiente, foi realizado um estudo com o intuito de desenvolver um isolante térmico composto de materiais naturais/biodegradáveis e rejeitos industriais. Com isso, esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de um material compósito a base de raspas de pneu e látex para isolamento térmico. Para isso, analisou-se as propriedades térmicas e físicas da raspa de pneu e do látex visando a utilização como matéria-prima para fabricação do compósito a ser aplicado como isolante térmico em sistemas “quentes” (até 200ºC) e frios (0ºC). Através de processos manuais, foram fabricadas mantas do compósito nas proporções em peso de 1:1 (50:50%); 1:2 (33:67%) e 2:1 (67:33%) (raspa de pneu : látex) respectivamente. Foram analisadas propriedades físicas e térmicas dos compósitos com intuito de obter dados sobre a viabilidade de uso como isolante térmico. As análises foram fundamentadas em normas ABNT, ASTM e UL. O limite de temperatura de trabalho obtido para o compósito foi de 200ºC, que se encontra na faixa de aplicações que abrangem desde o uso domestico até o industrial. Os resultados obtidos experimentalmente comprovaram que o compósito, pode ser utilizado para fins de isolamento térmico tanto em superfícies aquecidas como resfriadas.

(17)

ABSTRACT

The process of recycling has been stimulated by the markets for several reasons, mainly on economical and environmental. Several products have been developed from recycled materials that already exist as well as several residues have been studied in different forms of applications. The greater majority of the applications for thermal insulation in the domestic, commercial and industrial systems have been elaborated in the temperature ranges between low to medium reaching up to 180oC. Many materials such as glass wool, rock wool, polystyrene are being used which are aggressive to the environment. Such materials in spite of the effectiveness in the retention of heat flow, they cost more and when discarded take several years to be absorbed by the nature. This way, in order to adapt to a world politics concerning the preservation of the environment, the present study was intended to develop a material composed of natural/biodegradable materials and industrial residues. The development of such a product in the form of a composite material based on tyre scrapes and latex for thermal insulation is presented in this research work. Thermal and physical properties of the tire scrapes as well as latex were studied in order to use them as raw materials for the manufacture of the intended composite to be applied as a thermal insulator in “hot” and “cold” systems varying between 0ºC and 200oC, respectively. Composite blankets were manufactured manually, in weight proportions of 1:1 (50:50%); 1:2 (33:67%) and 2:1 (67:33%) (tire scrapes: latex) respectively. Physical, mechanical and thermal properties of the composites were analyzed to obtain data about the viability of using the composite as a thermal insulator. The analyses carried out were based on standards ABNT, ASTM and UL. The maximum temperature obtained for the composite as a thermal insulator was 200ºC, which meets the range of applications that could be used as a thermal insulator in domestic as well as industrial purposes. The experimental results prove that the composite can be used as a thermal insulator on heated or cooled surface.

(18)

1. INTRODUÇÃO

Há uma tendência mundial em buscar alternativas para os materiais tradicionais em todos os setores da economia. Neste contexto, tem crescido o interesse direcionado à utilização racional dos recursos naturais e o aproveitamento de resíduos despejados na natureza.

Sendo assim, tanto a reciclagem, como a utilização de materiais biodegradáveis tem sido estimulada. No mercado existem vários produtos que são produzidos com esses tipos de materiais. Santos (2005), afirma que apesar deste progresso, o acelerado desenvolvimento da sociedade leva todos os dias, ao meio ambiente, um grande volume de materiais que descaracterizam paisagens e poluem os elementos vitais à sobrevivência humana, tais como: solo, ar e água.

Nesse contexto, vários materiais alternativos têm sido estudados para a aplicação em argamassas e materiais de isolação (PIERCE e BLACKWELL, 2002). São muitos os materiais que podem ser utilizados como isolantes; a escolha do material adequado a um determinado processo e realizada com análises de propriedade mecânicas, físicas e térmicas.

Como não existe um material isolante ideal, a comparação entre as opções disponíveis possibilita a escolha daquele que melhor satisfaz ao princípio fundamental da engenharia: relação custo x beneficio. Além disso, devem-se considerar parâmetros ambientais: como a possibilidade de reciclagem e/ou uso de materiais biodegradáveis e de segurança: como a reação ao fogo.

A grande maioria das aplicações de isolamento térmico em sistemas domésticos, comerciais e industriais na faixa de baixa e média temperatura (até 180ºC), é feita principalmente utilizando materiais agressivos à natureza tais como: lã de vidro, lã de rocha, poliuretano, poliestireno, EPS entre outros. Tais materiais, apesar da eficácia na retenção do fluxo de calor, possuem um custo considerável e quando descartados demoram anos para serem absorvidos pela natureza.

(19)

Dessa forma, há que destacar o caráter relevante da pesquisa, uma vez que o tema é pouco explorado, existindo assim várias lacunas a serem desenvolvidas, principalmente no âmbito do aproveitamento desses resíduos de forma sustentável. Com isso, a presente pesquisa foi motivada pela possibilidade de desenvolver um isolante térmico de caráter inovador, com configuração reforço/matriz diferente dos tradicionalmente utilizados e com eficiência equivalente na retenção de calor, tendo como objetivo o desenvolvimento de um material para isolamento térmico que leve em consideração aspectos ambientais, colaborando com a questão de utilização de materiais biodegradáveis, a base de raspa de pneu e látex

.

Para isto, foram utilizadas as raspas de pneu como reforço do compósito, material abundante em todo país, com pouca utilização e proporcionando baixo custo, que tem como principais características: leveza e flexibilidade. Como matriz polimérica utilizou-se o látex, material oriundo da Hevea Brasilliensis cuja produção no Brasil é da ordem de 90.000 ton/ano, e que tem como principais características: baixa absorção de umidade, alta elasticidade, baixo custo e biodegradável.

(20)

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo Geral

Desenvolver um material para isolamento térmico que leve em consideração aspectos ambientais, colaborando com a questão de utilização de materiais biodegradáveis, utilizado a raspa de pneu como reforço e o látex como matriz

.

1.2.2. Objetivos Específicos

- Desenvolver o processo de fabricação do compósito;

- Determinar as propriedades mecânicas e térmicas do compósito com proporções de mistura variadas;

- Estudar a razão reforço/matriz do compósito em relação custo x beneficio; - Analisar a microestrutura do compósito;

- Analisar os perfis de temperatura nas superfícies interna e externa do compósito assim como o gradiente de temperatura;

- Averiguar comportamento do compósito quando submetido a uma fonte quente e fria;

- Avaliar comparativamente as propriedades dos isolantes térmicos convencionais disponíveis no mercado com a do compósito desenvolvido.

(21)

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Este capítulo apresenta uma revisão bibliográfica sobre o tema estudado por meio do qual procurou-se definir o ambiente no qual está inserida a pesquisa, demonstrando definições e abordagens sobre isolante térmico, propriedades térmicas, condutividade térmica, calor específico, capacidade térmica, dilatação térmica, difusividade térmica; caracterização dos compósitos, classificações, propriedades, aplicações e processos de fabricação; a importância da reciclagem de pneus, a utilização dos seus resíduos, às inúmeras aplicações; a utilização do látex como meio matricial no desenvolvimento do compósito;

2.1. Isolantes térmicos

A capacidade de um material em retardar o fluxo de calor entre dois meios é o principal parâmetro que o caracterizará como um material isolante térmico. No entanto, para que o mesmo seja classificado como isolante, faz-se necessário, um estudo mais detalhado de suas principais propriedades mecânicas e térmicas (KREITH, 2008).

Com ampla aplicação na engenharia, os isolantes térmicos são selecionados em função de aspectos que variam de econômicos até funcionais e inclusive de segurança. A função primária de um isolante térmico é reduzir a taxa de transferência de calor entre um sistema e o meio, de modo que a energia possa ser conservada. Para isso, partes dos sistemas térmicos devem ser revestidas com material que possua propriedades e espessura tais que a temperatura se mantenha dentro de um determinado intervalo (TORREIRA, 1980).

A isolação térmica de um sistema é composta basicamente por três elementos distintos: o isolante, a proteção mecânica e o sistema de fixação (CONTEC, 1996). A finalidade da isolação térmica é dificultar, reduzir e minimizar a transferência de calor entre dois sistemas físicos que se encontram em níveis diferentes de temperatura, objetivando: economia de energia, estabilidade operacional, conforto térmico, proteção individual e evitar a condensação e/ou solidificação.

(22)

escolha dos materiais à serem aplicados, os quais são determinados em função de propriedades mecânicas e térmicas.

2.1.1 Propriedades dos isolantes térmicos

O projeto de sistemas de aquecimento, ar condicionado, refrigeração, assim como os de outras aplicações industriais, necessita de um conhecimento amplo sobre isolamento térmico e do comportamento térmico das estruturas envolvidas.

De acordo com TORREIRA (1980), as propriedades que um material deve possuir para ser considerado um bom isolante térmico são: baixa condutividade térmica; boa resistência mecânica; baixa massa específica; baixa difusividade térmica; alto calor específico; resistência à combustão; pequena expansão térmica; estabilidade química e física; resistência específica ao ambiente de utilização; facilidade de aplicação; resistência ao ataque de roedores, insetos e fungos; baixa absorção de umidade, ausência de odor; baixo custo.

Contudo, é praticamente impossível dispor de algum material que possua todas as características descritas. Porém deve-se procurar por aquele que satisfaça ao maior número de qualidades.

Para escolha do material isolante adequado a uma determinada aplicação, é necessário a avaliação de algumas propriedades do mesmo, sendo as principais: condutividade térmica; calor especifico; expansão térmica; difusividade térmica e resistência a combustão.

2.1.2. Condutividade térmica

A condutividade térmica, considerada a mais importante dentre todas as propriedades térmicas de um isolante, especifica a capacidade que um dado material tem em transferir energia térmica; é expressa a partir da Equação (1) (VAN WYLEN e SONNTAG,1976).

qk = - K.A. dT/dx (1)

onde:

(23)

Kt = condutividade térmica do material (W/m.K);

A = área da seção transversal, normal à direção do fluxo de calor (m2); dT/dx = gradiente de temperatura na seção (K/m).

Materiais com baixos valores de condutividade térmica caracterizam-se como sendo isolantes térmicos, exceção feita aos isolantes refletivos, como o alumínio, que tem alta condutividade térmica mas que também pode ser enquadrado na categoria de isolante térmico, exclusivamente quando aplicado sob a forma geométrica tipo sanfona. Essa configuração coíbe a perda de calor por convecção, pelo aprisionamento do ar no interior das células da sanfona, além de devolver por reflexão para o sistema, quase toda energia radiante em fuga do mesmo.

A maior parte dos materiais isolantes é de natureza porosa, consistindo de combinações de matéria sólida e pequenos vazios. Nestes vazios ficam confinados gases de baixa condutividade térmica induzindo um menor valor na condutividade térmica do isolante. A forma e estrutura física variam com o material base e com o tipo de processo de fabricação. Essas variações incluem: a densidade, a medida do espaço celular, o diâmetro e disposição das fibras ou partículas, o tipo de ligante, o tipo de gás aprisionado nas células. As condições ambientais e de aplicação que afetam a condutibilidade térmica, incluem: a umidade, a orientação do isolante em relação à direção do fluxo de calor. (KREITH, 2008).

Com relação à umidade, uma condição crítica surge quando a temperatura do isolamento é menor que a temperatura do ponto de orvalho do ar circundante, ocasionando condensação do vapor de água atmosférico na isolação. O efeito da umidade na condutividade da isolação não é tão sério enquanto a umidade existe na fase vapor; mas a condutividade é afetada e aumentada pela presença da umidade condensada no material. (INCROPERA e DEWITT, 1998).

(24)

Considerando-se isolantes do tipo celular, a condutividade térmica é afetada por fatores como tamanho das células e densidade, assim como pelo tipo de gás aprisionado nas células. Outro fator que também exerce influência na condutividade térmica é a temperatura. Em geral, ocorre um aumento da condutividade proporcional ao aumento de temperatura.

Os valores da condutividade térmica dos materiais são geralmente fornecidos na literatura especializada em função da densidade, geometria e temperatura média de trabalho. Estes valores da condutividade térmica são obtidos em equipamentos específicos e de acordo com os padrões estabelecidos pela norma ASTM - C 177 - 76 (1982).

2.1.3. Calor específico

De acordo com VAN WYLEN e SONNTAG (1976), calor específico de uma

substância pode ser definido em termos da transferência de calor e expresso pela Equação (2).

cP = (h/T)P (2)

onde:

cP= calor específico à pressão constante (J/Kg. K);

h= entalpia específica (J/Kg); T= temperatura (K).

ou definido em termos da energia interna do sistema, pela Equação (3).

cV = (u/T)V (3)

onde:

cV = calor específico à volume constante (J/Kg.K);

u = energia interna do sistema (J/Kg); T = temperatura (K).

(25)

2.1.4. Capacidade térmica

A capacidade térmica de um material (C) é dada pela relação entre a quantidade de calor fornecido ou retirado do material e a correspondente variação de temperatura, e é expressa pela Equação (4) (INCROPERA e DEWITT, 1998).

C = dQ/dT (4) onde:

dQ = energia requerida para produzir uma variação de temperatura (J); dT = variação de temperatura (K);

C = capacidade térmica (J/K).

Embora a energia total do material aumente com a temperatura, a quantidade de energia requerida para produzir uma variação de um grau de temperatura permanece constante.

Existem outros mecanismos que afetam a capacidade térmica total de um sólido. Na maioria das instâncias, entretanto, estes são minoritários em relação a influência exercida pelo movimento vibracional da rede atômica. Há um efeito eletrônico onde elétrons absorvem energia aumentando suas energias cinéticas. Entretanto, isto é possível apenas para elétrons livres, aqueles que são excitados e saltam da banda de valência para a banda de condução, acima do nível Fermi. Em metais, somente elétrons que se encontram próximos da energia de Fermi são capazes de tais transições; estes representam apenas uma pequena fração do total. Uma menor proporção de elétrons adquire energia suficiente à transição em materiais isolantes e semi-condutores, razão pela qual esta contribuição é geralmente insignificante.

2.1.5. Dilatação térmica

(26)

Ao dilatar-se, um corpo sofre alteração nas suas três dimensões. No entanto, dependendo de sua forma, a alteração pode ocorrer predominantemente em apenas uma ou duas dimensões. Se a dilatação ocorrer principalmente em uma dimensão, receberá o nome de “dilatação linear”; se ocorrer em duas dimensões “dilatação superficial” e, se ocorrer nas três dimensões “dilatação volumétrica”. Portanto, para uma barra de comprimento Lo e

temperatura inicial To , aquecendo-se a mesma a uma temperatura T, ela sofrerá uma dilatação

linear L, expressa pela Equação (5).

L = .Lo .(T-To) (5)

onde  (ºC-1) é “coeficiente de dilatação linear” que varia de acordo com o material considerado. Para uma placa tem-se a Equação (6).

S = .So. t (6)

sendo que S representa a variação da área So para uma dada T, e  (ºC-1) é o coeficiente de

dilatação superficial. Para um cubo ou esfera, tem-se a Equação (7).

V = .Vo.t (7)

onde V representa a variação de volume inicial Vo para uma certa T, e  (ºC-1) é o

coeficiente de dilatação volumétrico.

As tabelas que especificam as propriedades dos materiais, trazem somente os valores dos coeficientes de dilatação linear, pois os valores dos outros coeficientes podem ser obtidos a partir dos coeficientes de dilatação linear, uma vez que existe uma relação entre eles e que é obtida por  = 2,  = 3 e  = 2/3. Metais têm coeficientes que oscilam entre 5x10-6 e 25x10-6 (ºC) -1. Já algumas ligas de níquel-ferro e cobalto-níquel-ferro, têm coeficientes da ordem de 1x10-6 (ºC) –1 (CALLISTER 1997).

(27)

cristalográficas enquanto expandem-se em outras. Alguns materiais poliméricos experimentam grandes coeficientes de expansão térmica quando aquecidos, podendo variar desde aproximadamente 50x10-6 até 400x10-6 (ºC) –1. Os valores mais altos de  são encontrados em polímeros de ligações lineares ramificadas. Contudo, a presença de ligações cruzadas faz a magnitude do coeficiente de expansão diminuir; assim os menores valores são encontrados em polímeros termofixos, tais como o baquelite, no qual as ligações são quase totalmente covalentes (CALLISTER 1997).

2.1.6. Difusividade térmica

A difusividade térmica (a) é expressa pela Equação (8) (INCROPERA e DEWITT, 1998).

a = Kt/cp (8)

onde:

Kt = condutividade térmica (W/m.K);

 = massa específica (Kg/m3); cp = calor específico (J/Kg.K);

a = difusividade térmica (m2/s).

Trata-se de uma propriedade que caracteriza a resposta do aquecimento de um material em um dado intervalo de tempo. Em processos de aquecimento transiente a capacidade térmica do material condutor dita a quantidade de calor absorvido enquanto a condutividade térmica determina a razão desta adição de calor.

De acordo com SCHNEIDER (1974), a recíproca da difusividade térmica, 1/a (s/m2), é então a medida do tempo necessário para aquecer o material a um dado nível de temperatura, e esse tempo é diretamente proporcional ao quadrado do comprimento percorrido pelo fluxo de calor. Daí, a razão dos tempos de aquecimento para dois materiais de mesma espessura ser inversamente proporcional às suas respectivas difusividades, 1/2 = a2/a1 e a razão dos tempos

(28)

2.2. Compósito

Um compósito consiste na combinação de dois ou mais materiais com características individuais distintas, resultando num produto com efeitos sinergéticos. Um é a fase contínua ou matriz e o outro é a fase dispersa (reforço ou carga), obtendo-se, a partir dessa combinação, um novo material com propriedades distintas das fases individuais (HULL, 1981).

Os compósitos representam um caso de particular importância dentro do grupo das misturas poliméricas imiscíveis, onde, de uma forma geral, pode-se dizer que constituem uma classe de materiais heterogêneos, multifásicos. Dada sua vasta aplicabilidade, atenção especial vem sendo dada por pesquisadores em todo o mundo, no sentido de melhorar e criar novos materiais de modo a que se tenha uma gama cada vez maior desse importante material e com isto, aumentar as perspectivas de consumo (MANO, 2000)

2.2.1. Classificação

Os principais elementos que fazem parte da estrutura dos compósitos são: reforço – dá maior responsabilidade no suporte de carga. Matriz – responsável pela forma da peça e propriedades físico-químicas. O reforço pode ser de natureza orgânica ou inorgânica (metálico ou cerâmico), de forma regular ou irregular. Em geral o mesmo é disponível na forma de fibras (tecido ou não-tecido), partículas (esféricas, planas.) ou pós. A matriz é quase sempre um polímero inorgânico macio ou duro, termoplástico ou termofixo, podendo também ser metálica ou cerâmica. O papel da matriz na transferência da carga aplicada ao reforço é de suma importância, já que a mesma se dá através da interface reforço/matriz.

2.2.2. Propriedades

(29)

grau de interação entre as fases (características da interface)e o grau de homogeneidade e dispersão da mistura (AQUINO, 1993).

A aderência interfacial, uma das principais responsáveis pelas propriedades dos compósitos, pode ser explicada por cinco mecanismos, que podem ocorrer de modo isolado ou combinado, são eles:

a) adesão por adsorção ou molhabilidade – quando a superfície sólida é inteiramente coberta ou molhada por um líquido;

b) adesão por difusão – quando a união entre dois polímeros ocorre por difusão nos retículos macromoleculares;

c) adesão por atração eletrostática – quando forças de atração eletrostática ocorrem entre duas superfícies, sendo uma portadora de cargas positivas e a outra de cargas negativas;

d) adesão por ligação química – formada entre grupamentos químicos dos componentes; e

e) adesão mecânica – obtida pelo simples contato superficial.

Devido a alta anisotropia dos materiais compósitos, a resistência e a rigidez dos mesmos dependem da direção de aplicação da carga, sendo a partir daí designados para aplicações nas indústrias: aeronáutica, automobilística, naval, eletro-eletrônica, química, esportiva, entre outros.

2.2.3. Processos de fabricação

A escolha do processo de fabricação mais conveniente de materiais compósitos, com influência direta na resposta mecânica do material (HULL, 1981), dependerá de fatores como: formato, dimensões e escala de produção do produto desejado. Os processos mais conhecidos são classificados em molde aberto e molde fechado. No molde aberto tem-se os métodos de contato manual, projeção à pistola, centrifugação e enrolamento. Já no molde

fechado tem-se as métodos de moldagem por compressão, injeção e pultrusão.

(30)

2.3. Reutilização e reciclagem de pneus

Com o desenvolvimento da indústria automobilística no século XX, houve também um incremento na geração de resíduos e subprodutos, tornando importante a regulamentação da destinação desses materiais. O custo de deposição de lixo tem aumentado, tanto pelo volume gerado, quanto pelas novas exigências ambientais (GRIPPI, 2001). Dessa forma , existe a necessidade de criação de técnicas capazes de reutilizar tais materiais.

De forma geral, os transportes são vitais para o desenvolvimento e o bem-estar econômico e social, no entanto, é reconhecido o seu elevado efeito nocivo em nível ambiental. Dentre os vários modais existentes (rodoviário, ferroviário, fluvial, marítimo e aéreo), é o rodoviário que produz um maior impacto nos vários componentes do ambiente. Os principais efeitos negativos causados são a poluição do ar, pela emissão de gases e partículas resultantes da combustão e a poluição dos solos por resíduos de óleos, pneus e sucatas (GRIPPI, 2001).

Dentre os componentes do setor rodoviário o pneu possui papel fundamental e indiscutível na vida diária das pessoas, tanto no transporte de passageiros como no transporte de cargas. Esse papel torna-se ainda mais importante nos países em desenvolvimento, a exemplo do Brasil onde o transporte de cargas é feito em sua grande maioria por caminhões e carretas, correspondendo por 56%, contra 21% do transporte ferroviário e 18% de hidroviário e 4% aéreo (MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES, 2010).

Entretanto, o consumo de pneus atingiu números expressivos. A quantidade de pneus produzidos a cada ano ultrapassa 2 milhões de toneladas na Europa e America do Norte, no Japão essa produção passa de 1 milhão de toneladas. A china apresenta um problema em larga escala, pois 80 milhões de sucatas de pneus foram produzidos e estudos mostram que até o final de 2011 o país terá 200 milhões de pneus abandonados (CAO, 2007). No Brasil, estimativas indicam que são gerados 35 milhões de carcaças de pneus anualmente (ASSOCIAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA DE PNEUMÁTICOS, 2010).

(31)

Os pneumáticos quando inservíveis acarretam uma série de problemas: são de degradação lenta, volumosos e durante sua degradação libera agentes químicos prejudiciais ao meio ambiente, necessitando de condições apropriadas de armazenamento e deposição. Segundo a classificação de resíduos vigente no Brasil (ABNT/NBR 10004), o pneu é considerado resíduo classe III (resíduo inertes). A colocação de pneus usados em aterros sanitário não tem se mostrado uma boa solução, uma vez que o material é praticamente incompressível e de lenta degradação (aproximadamente 500 anos), quando comparado aos resíduos aos quais os aterros se destinam.

Segundo Bertollo (2008), nos Estados Unidos são gerados mais de 1 pneu/habitante/ano; e estima-se que no estado de São Paulo são gerados 0,46 pneu/habitante/ano e no Brasil são gerados 0,26 pneu/habitante/ano.

Também é inaceitável, sob o ponto de vista sanitário, que carcaças de pneus sejam descartadas a céu aberto, uma vez que é foco de proliferação de insetos e roedores. Essa problemática pode ainda ser acentuada em locais onde existam doenças transmitidas por esses animais, como: dengue e febre amarela. Segundo dados do Ministério da Saúde (2008), mais de 20% dos casos registrados de dengue no país são causados por mosquitos que nascem em águas acumuladas em pneus velhos.

2.3.1. Legislação sobre reciclagem de pneus

Em 26 de agosto de 1999, foi aprovado uma resolução do Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONAMA) estabeleceu o conceito de que o produtor é o responsável pelo destino final do produto. Pela resolução Nº 258, desde janeiro de 2002, fabricantes e importadores de pneus são obrigados a coletar e dar destino final de forma ambientalmente adequadas para os produtos que colocam no mercado. Pela proposta o IBAMA é responsável pela aplicação da resolução, podendo punir os infratores com base na Lei de Crimes Ambientais. Inicialmente, para cada 4 pneus fabricados no Brasil ou importados, os fabricantes deverão reciclar ou reutilizar 1 pneu usado (MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2010).

(32)

nas misturas asfálticas. A seção 1038, da lei sobre a Eficiência do Transporte Intermodal de Superfície de 1991 (Intermodal Surfase Transportation Efficienty Act – ISTEA), que trata do uso de materiais reciclados em pavimentação, visando a proteção ambiental, estabelece a utilização de um percentual mínimo de borracha reciclada nas misturas asfálticas. Esta lei garante benefícios fiscais aos estados que utilizam borracha de pneus nas misturas asfálticas e prevê punições aos estados que não a obedecem. Vários estados americanos também cobram dos fabricantes de pneus uma taxa de cinco dólares, que é empregada para financiar os mais diversos projetos que envolvam reciclagem dos pneus usados (BERTOLLO, 2008).

2.3.2. Tipos de pneus

Existem vários tipos de pneus, com diferentes tipos de borrachas, devido a sua aplicação em diferentes veículos. Os mais comuns e em maior quantidade, são os pneus para automóveis, caminhões e ônibus.

Um pneu é construído, basicamente, com uma mistura de borracha natural e de borracha sintética (polímeros com propriedades físicas semelhantes às da borracha natural), também chamados de “borracha sintética”. A adição de negro fumo confere à borracha propriedades de resistência mecânica e à ação dos raios ultravioleta, durabilidade e desempenho. A figura 1 e tabela 1 apresentam os materiais que compõem um pneu e tipo de borracha de pneu e suas finalidades respectivamente (ANDRIETTA, 2006).

(33)

Tabela 1. Quantidade de componentes da borracha de pneu utilizada (PINHEIRO, 2001).

* SBR – Borracha Sintética Estireno-butadieno (Styrene Butadiene Rubber) ** NR – Borracha Natural (Natural Rubber)

2.3.3. Reutilização de pneus usados

Devido ao grande volume de material gerado e problemas de deposição, pesquisas envolvendo a comunidade cientifica têm sido realizadas nos últimos anos abordando o tema. Lund (1993) apresenta casos de reciclagem de pneus em diversos estados americanos, bem como, estatísticas de utilização de pneus naquele país. A borracha proveniente do pneu ou o próprio pneu inteiro possuem atrativos para sua utilização como subproduto:

a) a “carcaça” de pneu se constitui em um resíduo de fácil transporte e pode ser encontrado em qualquer aglomerado urbano;

b) seu manuseio não oferece riscos aos operadores (material inerte e atóxico); c) material com alta resistência ao intemperismo e ao envelhecimento;

d) é um material homogêneo, permitindo a determinação das suas características de comportamento com mínima variação;

(34)

f) os pneus possuem dimensões geométricas padronizadas, o que facilita o desenvolvimento de equipamentos de desmonte e trituração, caso sejam necessários.

A seguir serão apresentadas algumas possibilidades para utilização de pneus usados, tanto de pneus inteiros quanto de resíduos.

- Recauchutagem

A primeira etapa de utilização da carcaça do pneu é sua recauchutagem, ou seja, levar o pneu a uma condição de pneu novo, para que possa ser utilizado novamente como material rodante. O pneu pode ser recauchutado, aproximadamente, três vezes, dependendo do estado de conservação da carcaça. Estima-se que no Brasil sejam recauchutados 8 milhões de pneus de caminhão por ano e 4 milhões de pneus de veículos de passeio.

Durante o processo de recauchutagem a borracha da banda de rodagem deve ser toda removida, como pode ser observado nas figuras 2 e 3, o processo é realizado através de escovas metálicas rotativas, gerando um resíduo de borracha denominado nesta pesquisa de raspa.

(35)

Figura 3. Processo de recauchutagem, com detalhe em vermelho para o resíduo gerado.

- Fonte energética

As termoelétricas têm um grande potencial de utilização de pneus como fonte de energia calorífica. Um dos inconvenientes é a necessidade da instalação de sistema para amenizar o problema da emissão de resíduos para atmosfera. Em alguns estados americanos as termelétricas que têm como combustível, pneus inteiros, sendo consumidos aproximadamente 700 pneus/hora. Segundo Lund (1993), o poder calorífico do pneu varia de 3000kcal/kg a 9000kcal/kg, enquanto o do carvão varia de 4200kcal/kg a 6700kcal/kg.

(36)

- Barreiras contra ruído

Zhu e Carlson (1999) apresentaram um estudo experimental onde barreiras de absorção de ruído usadas em rodovias foram comparadas a placas moldadas com borracha moída (tamanho de partículas entre 0,5 e 2 mm). Para moldagem das placas foi utilizado um aglomerante sintético para que a superfície da placa tomasse uma textura rugosa. Os resultados dos ensaios demonstraram a superioridade das placas de borracha na absorção de ruídos e a potencialidade desta aplicação para atenuar dois problemas ambientais: a poluição sonora gerada pelos veículos e o descarte de pneus usados.

- Reforço de material cimentado

Krizek e Sobhan (1995) estudaram a incorporação de pedaços de alongados de borracha de pneu, no formato de raspas, como reforço de material granular cimentado para utilização com base de pavimentos flexíveis. A principal dificuldade encontrada pelos pesquisadores foi de produzir em campo, mesmo em escala de pesquisa, amostras onde as raspas de borracha ficassem homogeneamente distribuídas na matriz de material granular, de forma a melhorar as características de ductilidade e tenacidade.

No Brasil, a indústria de cimento consome, aproximadamente 3 milhões de unidades de pneus por ano. O pneu é picado mecanicamente e adicionado ao clínquer, matéria-prima do cimento, à uma temperatura de 1200ºC. Estima-se que as plantas de produção de cimento instaladas no Brasil, tenham capacidade de consumir até 14 milhões de unidades de pneumáticos inservíveis por ano.

(37)

2.4. Matriz Polimérica

As resinas que são usadas como matrizes em compósitos reforçados com fibras podem ser classificadas em dois tipos, termorrígidas e termoplásticas, de acordo com a influência da temperatura nas suas características (PILATO e MICHNO, 1994).

Os termoplásticos, assim como os metais, amolecem com o aquecimento e eventualmente fundem, endurecendo novamente com o resfriamento. Poliamida e polipropileno são exemplos típicos de resinas termoplásticas. Materiais termoendurecíveis são formados por uma reação química interna onde a resina e o iniciador de reação (catalizador ou endurecedor) são misturados e promovem uma reação química não reversível para formar um produto duro e infusível (PILATO e MICHNO, 1994).

Os sistemas de resinas para uso em materiais compósitos requerem as seguintes características: boas propriedades mecânicas, adesivas e de tenacidade e boa resistência à degradação ambiental (LAPIQUE e REDFORD, 2002).

A principal característica da resina matriz é a capacidade de absorver energia e reduzir as concentrações de tensões, pelo fornecimento de tenacidade à fratura ou ductilidade, maximizando a tolerância a danos de impacto e o tempo de durabilidade do compósito (PILATO e MICHNO, 1994).

O desempenho termo-mecânico, esperado dos compósitos, é governado pela resistência das resinas ao calor. Deste modo, espera-se que a resina da matriz forneça melhores características ao compósito, dentro da faixa de temperatura recomendada.

Embora existam vários tipos de resinas usadas em compósitos para indústria, a maioria das partes estruturais é feita principalmente com resina termofixa, ou seja, que necessitam de uma reação de cura. Dentre essas resinas a poliéster, vinil éster e epóxi são as mais utilizadas.

(38)

Figura 4. Estrutura molecular de um poliéster (SPSYSTEMS, 2003).

Muitas resinas poliéster são viscosas, consistindo de líquidos claros de uma solução de poliéster num monômero que é normalmente estireno. A adição de estireno em quantidades acima de 50% ajuda a produzir uma resina de fácil manuseio pela redução da viscosidade (MARGOLIS, 1986).

As resinas vinil éster são similares em sua estrutura molecular aos poliéster, as diferem principalmente na localização de seus sítios reativos, que estão posicionados somente nos finais das cadeias moleculares. Como todo comprimento da cadeia está disponível para absorver choques de carregamento, as resinas vinil éster são mais resilientes do que as resinas poliéster. A resina vinil éster apresenta também um conteúdo de grupos éster relativamente menor (somente no final da molécula) do que a resina poliéster (ao longo de toda a molécula do polímero). Estes grupos éster são suscetíveis à degradação em água por hidrólise. Deste modo, com a redução do número de grupos éster, a resina vinil éster é menos propensa a danos por hidrólise e muitos outros produtos químicos do que a resina poliéster, e são freqüentemente encontrados em aplicações tal como tubulações e tanques de armazenamento (MARGOLIS, 1986). A Figura 5 mostra a estrutura molecular de uma resina vinil éster.

Figura 5. Estrutura molecular de uma resina vinil éster (ABADIE et al., 2001).

Resinas epóxi são atualmente amplamente usadas para materiais compósitos industriais quando propriedades como alto módulo de elasticidade, baixa fluência, e razoável desempenho em alta temperatura são requeridos.

(39)

formam um sistema de alta viscosidade e difícil processabilidade. Porém, uma das propriedades mais vantajosas da resina epóxi é sua baixa contração durante a polimerização, minimizando assim as tensões internas (COOK et al., 1999).

Resinas epóxi são formadas de longas cadeias moleculares, com grupos reativos epóxi em vez de grupos éster. A ausência de grupos éster confere à resina epóxi boa resistência à água. A Figura 6 mostra a estrutura molecular de uma resina epóxi.

Figura 6. Estrutura molecular de uma resina epóxi (COOK et al., 1999).

Essas resinas são geralmente frágeis devido à alta densidade de reticulações, e o seu extenso uso tem resultado num grande interesse na modificação desses sistemas com termoplásticos dúcteis de alto desempenho como uma alternativa para melhorar sua tenacidade sem sacrificar outras propriedades úteis, tais como temperatura de transição vítrea (Tg) e dureza (ABAD et al., 2001).

A escolha de um sistema de resina para uso em alguns componentes estruturais depende de inúmeras características, das quais as mais importantes são as propriedades adesivas, mecânicas, resistência à micro-trincas e a degradação pelo ingresso de água (ABAD

et al., 2001).

2.4.1. Látex

(40)

Como a borracha foi reconhecida como um material que apresentava interessantes propriedades físicas, no início de 1700 teve inicio estudos sobre comportamento da borracha natural quando misturada em solventes, com o objetivo de desenvolver algum material que fosse à prova d’água, que possuísse elasticidade para fabricação de balões a ar quente.

A modernização da indústria de polímeros começou com o desenvolvimento da borracha na Europa. Sua primeira aparição no cenário comercial data do século XVI, quando os franceses começaram a descobrir as vantagens e aplicações desse material. Em 1820, Thomas Hancok iniciou a obtenção de produtos da borracha e em 1837 desenvolveu um equipamento para mistura e mastigação de elastômeros (HANCOK, 2008).

M. Faraday em 1826 foi o primeiro a analisar a estrutura química do material e foi o primeiro a postular que tratava-se de um material constituído exclusivamente de carbono e hidrogênio. O aquecimento levou a um resíduo e um destilado de hidrocarbonetos com uma formula empírica igual a C5H8.

A fração volátil foi caracterizada na Inglaterra em 1860 como tendo um ponto de ebulição entre 37-38ºC, e foi chamada de isopreno. Sua estrutura foi determinada por W. Tilden, quando estudou a fração volátil isoladamente e concluiu que essa fração era a responsável pela sua elasticidade.

A descoberta fundamental para o desenvolvimento da borracha aconteceu em 1839 por Nathaniel Hayward e Charles Goodyear, nos Estados Unidos e Thomas Hancok na Inglaterra, em trabalhos independentes. Embora o mérito tenha sido concedido à Goodyear, ambos obtiveram resultados bastante semelhantes. Eles aqueceram a borracha natural com enxofre e chumbo branco obtendo desta forma um material com propriedades superiores às da borracha natural. As propriedades da borracha natural vulcanizada, nome do processo de cura então desenvolvido, constituiu, e ainda constitui, um modelo para que se possa ter idéia das suas propriedades elastoméricas incluindo entre outras, a possibilidade de grandes alongamentos, alta dureza, resistência ao estiramento e rápida retração. Embora, atualmente, existam inúmeros agentes de reticulação, o enxofre continua a ser o mais utilizado na indústria da borracha.

(41)

extrativista. Problemas econômicos e fitossanitários na região impediram o desenvolvimento sustentável da atividade.

Hoje, a maior parte da produção mundial de 6.850.000 ton./ano de borracha natural vem do Sudeste Asiático, com um total de 5.126.700 ton./ano. O Brasil responde por uma produção de 90.000 ton./ano de um total de 134.000 ton./ano da América Latina. O custo no exterior da borracha natural é de US$ 740.00/ton.. No Brasil o custo é de US$ 1,65/kg (www.ciflorestas.com.br, Jan-2011, cotação do dólar 13/jan/2011). Atualmente, a borracha natural é produzida no país por meio de cultivo de plantas de alta produtividade, selecionadas e adaptadas também as regiões Sudeste e Centro-Oeste do país.

2.4.2. O látex de borracha natural

Látices de borracha natural ocorrem em cerca de 200 espécies de plantas, sendo que a Hevea Brasiliensis fornece aproximadamente 99% da produção mundial de borracha natural. O látex acha-se em minúsculos vasos no córtex interno da casca da árvore o qual fica abaixo do córtex externo (BRYDSON, 1988), sendo que a borracha se encontra nas partículas citoplasmáticas (CORNISH, 1998). Genericamente, o látex é uma dispersão coloidal constituída de substâncias não-borracha e partículas de borracha dispersas em uma fase aquosa chamada de soro (BAKER, 1997).

Gazeley et. al., (1990) afirmam que a borracha natural consiste de 97% de moléculas de cis-1,4-isopreno. É um polímero linear com peso molecular variando de 30 mil a 4 milhões. Tem alta resistência à ação de álcalis e aos ácidos diluídos, mas a resistência aos ácidos mais concentrados não é satisfatória e a resistência aos hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos é pobre. Não é afetada pelo ácido clorídrico concentrado embora seja atacado pelos ácidos oxidantes, tais como o ácido nítrico.

Segundo Filho e Bó (1985), sua composição ocorre, em média, 35% de hidrocarbonetos, destacando-se o 2-metil-1,3-butadieno 1,3 (C5H8) comercialmente conhecido

(42)

De acordo com o processo de cura, a mesma enquadra-se no tipo de borracha “folha não fumada”, ou seja não passa por um processo de defumação para se alcançar a cura e de acordo com o teor de resíduos expresso pela especificação SMR (Standard Malaysian Rubber), que consiste em se verificar o percentual de resíduos retido em peneira de malha 40μm. Para o caso em questão o teor de resíduos encontrado foi de 6,5%, podendo a mesma ser enquadrada como do tipo SMR 10 (FILHO e BÓ, 1985).

Mooibroek e Cornish (2000) afirmaram que a borracha (cis-1,4-poliisopreno) é um dos mais importantes polímeros naturais produzidos pelos vegetais por tratar-se de um material usado em mais de 40.000 produtos, incluindo mais de 400 utensílios médicos. A fonte da matéria prima é a borracha natural colhida da árvore brasileira Hevea Brasiliensis que devido à sua estrutura molecular e ao alto peso molecular tem propriedades que lhe conferem um desempenho dificilmente igualado pelos polímeros artificiais. Essas propriedades incluem: resiliência, elasticidade, resistência à abrasão e resistência ao impacto.

De acordo com Kang et al. (2000) a borracha natural (cis-1,4-poliisopreno) é um polímero composto de 320 a 35.000 moléculas de isopreno e é largamente usado na fabricação de vários produtos industriais e medicinais que requerem elasticidade e flexibilidade. Entre as plantas que produzem borracha natural, a árvore brasileira (Hevea

Brasiliensis) é a única com potencial comercial, devido ao alto conteúdo de borracha.

Analisando a degradação térmica da borracha natural em ar, para uma razão de aquecimento constante, Li et al. (2000) verificaram que esse processo não é uma simples cisão das cadeias randômicas mas uma reação exotérmica. Evidenciaram que a formação de gel faz a temperatura de degradação térmica da borracha natural diminuir reduzindo a estabilidade térmica da borracha natural.

Efeitos do envelhecimento térmico nas propriedades mecânicas da borracha natural foram investigadas por Fan, et al. (2000), para diferentes condições de cura. Os resultados mostraram algumas diferenças aparente na resistência à tração e à elongação na quebra. Envelhecimento térmico aeróbico e anaeróbico conduziram a um aumento de 100% no módulo elástico e dureza shore e um decréscimo na resistência à tração e à elongação na quebra, devido a principalmente à mudanças na densidade.

(43)

resistividade é afetada não apenas pela presença de metais, mas também pelas ligações livres que atuam como transportadoras de cargas, movendo-as de uma região para outra.

Brown e Soulagnet (2001) investigaram perfis de microdureza de amostras de borracha natural envelhecida entre um período de quarenta anos em três regiões com condições ambientais diferenciadas. Variações significativas foram observadas no volume e no aspecto superficial, fato atribuído à escolha do local de envelhecimento. Além disso, verificaram diferenças entre a microdureza nos centros das peças em teste para os três modos de exposição, que devido à magnitude, não puderam ser explicadas apenas por uma variabilidade no processo de cura. Concluíram não ser exagerado afirmar que a taxa de difusão de oxigênio tem influência nesse processo.

Analisando a oxidação térmica da borracha natural oriunda da Hevea Brasiliensis através da técnica DSC, Bonfils (2001) constatou que essa oxidação resulta em cisão de cadeia e que a transição observada durante a oxidação térmica estava associada às ligações cruzadas.

2.4.3. Processo de extração

(44)

Figura 7. Corte para extração do lates na seringueira em meia espira.

O látex de borracha natural é polidisperso (tamanho médio de partículas ~ 1μm) com alto teor de amônia (NH3) que é utilizada para impedir o crescimento de bactérias na fase de

estocagem do material. Este látex é estabilizado pelas longas cadeias de ácidos graxos adsorvidas e que são produtos de hidrólise de fosfolipídios. Essa estabilidade é mantida a partir da hidrólise das proteínas originalmente adsorvidas na superfície, as quais, em pH alto fornecem o caráter iônico do látex (SUBRAMANIAN, 1995).

O principal componente do látex da borracha natural é o poli-cis-isopreno sindiotático que possui propriedades suigeneris quando comparado com a maioria das borrachas sintéticas. Entre as principais propriedades encontra-se a possibilidade de inúmeras modificações químicas, como a hidrogenação, epoxidação, cloração por enxertia e vulcanização, viabilizadas pela insaturação em sua estruturação, levando ao grande número de produtos de borracha encontrados no mercado (TANAKA e SAKDAPIPANICH, 2001).

(45)

Figura 8. O látex após centrifugação, a 10000 rpm e 2 h, onde são obtidas quatro frações: a fração borracha, a fração intermediária, o soro e os lutóides. (TANAKA e SAKDAPIPANICH, 2001).

- Fase borracha (37%) (hidrocarboneto isoprênico)

A fração borracha fica no topo da coluna, é a mais volumosa e contém as partículas de borracha, que são menos densas que a água e migram para a superfície. A fração intermediária contém pequenas partículas de borracha (SATO, 2003) e um pouco do soro e é conhecida como fração skim (SEAL e MORTON, 1986) (“desnatada” ou “magra”). Apresenta coloração branca. As figuras 9 e 10 mostra a estrutura molecular da borracha e seus tipos de cadeias.

(46)

Figura 10. Formas das cadeias. (SATO, 2003)

- Soro (48%)

Fração aquosa é o meio dispersivo do sistema coloidal látex e contém proteínas e sais dissolvidos. A fração aquosa abaixo da intermediária é soro que contém íons, proteínas, carboidratos, açúcares e outras substâncias solúveis (SPENCE, 1996).

- Fração de fundo (Lutóides) (15%)

A fração do fundo contém os lutóides, que são as organelas ricas em soro catiônico que promove a coagulação do látex, além de suas funções bioquímicas como o controle do pH e de patógenos (HENON e NICOLAS, 1989). Apresenta coloração amarela e é constituída por: lutóides (proteínas, fosfolipídios e sais minerais) e partículas Frey-Wyssling (constituídas de carotenóides e lipídios conferindo à borracha, a coloração amarela).

2.4.4. Conservação do látex

(47)

ânions de ácidos graxos através da hidrólise de várias substâncias lipídicas presentes no látex. Estes ânions são então adsorvidos na superfície das partículas de borracha, possivelmente removendo parte das proteínas adsorvidas. Estes ânions então interagem com cátions metálicos divalentes como cálcio e magnésio, presentes no látex ou gradualmente liberados de complexos pela ação de enzimas. A Tabela 2 mostra a composição típica em porcentagem em massa e total de sólidos (TS) de látex da borracha natural.

(48)

3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Materiais

Objetivando a fabricação do compósito para o desenvolvimento da pesquisa, utilizou-se raspas de pneu como reforço e a borracha natural (látex) como matriz. A figura 11, detalha as etapas da pesquisa.

(49)

3.1.1. Reforço

Como reforço, empregou-se raspa de pneu, obtidas através do processo de recauchutagem de pneu, fornecidas por empresas recauchutadoras/renovadoras de pneu, localizadas na cidade de Natal – RN, como pode ser observado na figura 12.

Figura 12. Raspa de pneu.

3.1.2. Matriz

Utilizou-se como matriz borracha natural (látex), oriunda do estado do Pará, onde foi extraído de seringueira (Hevea Brasiliensis). A tabela 3 apresenta a composição do látex fornecida pelo fabricante.

Tabela 3. Composição do látex utilizado.

Composição Percentual

Borracha 59,373%

Água 37,96%

Proteínas 1,06%

Lipídios 0,23%

Sais 0,40%

Amônia 0,68%

(50)

3.1.3. Compósito

Para a confecção do compósito utilizou-se o resíduo de pneu com distribuição aleatória das raspas, inserindo-se neste resíduo, o látex como matriz polimérica. Fabricaram-se compósitos nas proporções 1:2 (33:67%); 1:1 (50:50%) e 2:1 (67:33%) (raspa de pneu – látex) (tabela 4), afim de que fosse possível identificar as vantagens e desvantagens do aumento ou diminuição da proporção do reforço e/ou matriz. Posteriormente os compósitos foram caracterizados em função da análise de suas propriedades voltadas para fins de isolamento térmico.

Tabela 4. Composição dos Compósitos. Tipos de compósitos Reforço/Matriz

Compósito 2:1 67:33%

3.2. Métodos

3.2.1. Geometria das raspas de pneu

Um aspecto inerente a raspa de pneu é a sua variabilidade dimensional, dessa forma, objetivando maior uniformidade para a confecção do compósito, mediu-se o comprimento destas de acordo com as normas estabelecidas por Silva e Beltrão (1999). Dessa forma, foi possível estabelecer um comprimento mínimo e máximo para a raspa de pneu utilizada.

(51)

3.2.2. Confecção das mantas de compósito

Para a confecção das mantas de compósito, as raspas de pneu e o látex foram pesados nas proporções desejadas, misturados manualmente até a formação de uma massa pastosa e colocadas em moldes abertos pelo método de contato manual, com geometria retangular com 25 cm de comprimento, 12 cm de largura e 1 cm de espessura. Após 24 horas de secagem em temperatura ambiente, as mantas foram retiradas dos moldes e estavam prontas para serem utilizadas, como podem ser observadas na figura 13. Dessa forma, foi possível observar o desempenho do compósito de acordo com a variação de um dos materiais da composição.

Figura 13. Compósitos 1:2; 1:1 e 2:1 (raspas de pneu – látex) respectivamente.

3.2.3. Determinação da densidade volumétrica

(52)

um sistema, no qual se lê a massa das amostras sob o efeito do empuxo da água contida no béquer.

Só então a densidade aparente foi determinada fazendo-se valer a Equação 9.

(9) onde:

AP = Densidade aparente da amostra (kg/m3);

Parafina = Densidade da parafina (kg/m3);

H2O = Densidade da água na temperatura do experimento (kg/m3);

m = Massa do bloco (kg);

mParafina = Massa da parafina que impermeabilizou a amostra (kg);

M’ = Massa de água deslocada pela amostra (kg).

3.2.4. Análise de microscopia eletrônica (MEV)