VICTOR LEIBNITZ HIPÓLITO
CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISE ENERGÉTICA DE COMPÓSITO DE POLIURETANO COM RESÍDUOS DE ELETRODUTO E LODO DE ALUMÍNIO
PARA APLICAÇÃO COMO ISOLANTE TÉRMICO E ACÚSTICO
Palhoça 2019
VICTOR LEIBNITZ HIPÓLITO
CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISE ENERGÉTICA DE COMPÓSITO DE POLIURETANO COM RESÍDUOS DE ELETRODUTO E LODO DE ALUMÍNIO
PARA APLICAÇÃO COMO ISOLANTE TÉRMICO E ACÚSTICO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Rachel Faverzani Magnago, Dr.
Palhoça 2019
RESUMO
O poliuretano se destaca no âmbito da construção civil por suas excelentes propriedades como isolante térmico e acústico, podendo gerar economia de energia e maior conforto nas construções, todavia possui uma alta inflamabilidade, demonstrando a necessidade de aditivos retardantes de chama. Este estudo descreve os efeitos de compósitos de poliuretano com a adição de resíduos de policloreto de vinila proveniente de eletrodutos e lodo da anodização do alumínio para utilização como isolante térmico e acústico com propriedades de resistência a chamas e análise de eficiência energética com um modelo virtual utilizando PU na parede e cobertura. Os compósitos foram preparados contendo 30%, 40% e 50% de resíduos policloreto de vinila a partir de uma massa fixa de poliuretano, sem e com 40% de lodo da anodização do alumínio. Observado por microscopia eletrônica de varredura após teste de inflamabilidade vertical, foi evidenciado a preservação do material interno, sem ser atingido pelas chamas. Todos os compósitos apresentaram resistência a inflamabilidade horizontal e vertical, atendendo a classificação mais exigente segundo a norma UL-94. A adição de resíduos e seu efeito sinérgico proporcionou a extinção das chamas, uma diminuição na taxa de liberação de calor, redução da perda de massa durante a queima, deste modo, com menor produção de gases de combustão. Os elementos de paredes e coberturas com PU gerados para simulação de análise energética demonstraram valores adequados para utilização como isolante térmico. A simulação energética demostrou uma diminuição no consumo de energia, uma economia anual de 14,55%, redução na emissão de CO2 de 56,25% ao ano e intensidade do uso de energia com
valores dentro do recomendado para hospedagens e residências. Deste modo, foi sugerido que a indústria da construção civil considere a utilização de materiais com propriedades de isolamento térmico e acústico com a incorporação de resíduos resistentes a chama, para melhor conforto e segurança de edificações de uma maneira sustentável.
Palavras-chave: Lodo de Anodização do Alumínio. Resíduos Sólidos. Isolante térmico e acústico. Policloreto de vinila (PVC). Poliuretano (PU).
ABSTRACT
Polyurethane stands out in the field of civil construction as a material for such use, which can generate energy savings and greater comfort in the construction, however polyurethane has a high flammability, demonstrating the need for flame retardant additives. This study describes the effects of PU composites with the addition of polyvinyl chloride residues from conduit and aluminum anodizing sludge for use as a thermal and acoustic insulator with flame resistance properties and energy efficiency analysis with a virtual model using PU on the wall and cover. The composites were prepared containing 30%, 40% and 50% polyvinyl chloride residues from a fixed polyurethane mass, with and without 40% aluminum anodizing sludge. Observed by electron microscopy scanning after the vertical flammability test, the preservation of the internal material not being affected by the flames was evidenced. All composites showed resistance to horizontal and vertical flammability, reaching the most demanding classification according to UL-94. The addition of residue and its synergistic effect led to the extinguishing of flames, a decrease in heat release rate, reduction of mass loss during burning, thus with lower flue gas production. PU wall and roof elements generated for energy analysis simulation showed values suitable for use as thermal insulation. The energy simulation showed a reduction in energy consumption, an annual saving of 14.55%, a reduction in CO2 emission of 56.25% per year and values of energy use intensity within the recommended for lodgings and residences. Thus, it is suggested that the construction industry consider the use of materials with thermal and acoustic insulation properties with the incorporation of flame resistant residues, for better comfort and safety of buildings in a sustainable manner.
Keywords: Polyvinyl chloride (PVC), Polyurethane (PU), Aluminum Anodizing Sludge, Solid Waste, Thermal and Acoustic Insulation.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Produto interno bruto (PIB) Brasil e Construção Civil... 14
Figura 2 - Vendas, geração de renda e ocupação na indústria de materiais, 2016. ... 15
Figura 3 - Condutividade térmica de materiais isolantes da construção civil. ... 16
Figura 4 - Coeficiente de absorção sonora dos materiais isolantes. ... 17
Figura 5 - Aplicação de poliuretano em wood frame. ... 19
Figura 6 - Estruturas de steel frame. ... 20
Figura 7 - (A) telha sanduiche (B) aplicação de painéis de PU. ... 20
Figura 8 - Poliuretano entre alvenarias. ... 21
Figura 9 - Estúdio revestido com espuma perfilada de poliuretano. ... 21
Figura 10 - Ciclo dos resíduos da construção civil em Belo Horizonte. ... 25
Figura 11 - Ciclo de vida dos agregados reciclados. ... 26
Figura 12 - materiais utilizados para a preparação dos compósitos a) AAS b) PVC c) polipropileno glicol d) tolueno-2,6-diisocianato. ... 29
Figura 13 - Montagem do ensaio de resistência mecânica de compressão. ... 31
Figura 14 - Montagem do teste de queima horizontal segundo a norma UL-94. ... 32
Figura 15 - Montagem do teste de queima vertical segundo a norma UL-94. ... 33
Figura 16 - Modelo 3D área de 45 m2. ... 36
Figura 17 - Planta baixa com ambientes medidas em cm... 36
Figura 18 - Corte do modelo e níveis dos pavimentos. ... 37
Figura 19 - Parede de 15 cm de espessura sendo núcleo de tijolo cerâmico com 12 cm e acabamentos laterais com argamassa em 1,5 cm. ... 38
Figura 20 - Parede com 15 cm de espessura possuindo um núcleo com tijolo cerâmico de 9 cm e poliuretano de 3 cm com uma tela de aço galvanizado (0,5 cm) para a fixação de argamassa. ... 38
Figura 21 - (A) telha cerâmica de 5 cm de espessura e (B) telha com o núcleo com 4 cm de PU entre chapas de aço galvanizado de 0,5 cm. ... 39
Figura 22 - Propriedades do poliuretano consideradas para o calculo de análise energética da parede... 40
Figura 23 - Quadro de configurações de energia utilizados no modelo. ... 41
Figura 24 - Configuração de localização e estação meteorológica do projeto. ... 42
Figura 26 - Resultado de pesquisa bibliográfica utilizando as palavras chaves e filtros no
período de 2014 a 2019. ... 44
Figura 27 - Termogramas DTA/TGA de AAS, PU, PVC, PuAasPvc40, PuPvc40. ... 46
Figura 28 - Corpos de prova do PuAasPVC40 após teste de queima horizontal (esquerda) e vertical (direita). ... 48
Figura 29 - Corte longitudinal do corpo de prova obtido após teste de queima vertical de PuPvc40 e PuAasPvc40 e SEM do interior dos corpos de prova. ... 50
Figura 30 - Imagens de SEM para amostra PuAasPvc40 com ampliação de 50 vezes, 200 vezes e 1000 vezes, na esquerda imagens 0,3 mm abaixo da superfície e na direita imagens na superfície. ... 52
Figura 31 - Imagens de SEM para amostra PuPvc40 com ampliação de 50 vezes, 200 vezes e 1000 vezes, na direita imagens 0,3 mm abaixo da superfície e na esquerda imagens na superfície. ... 53
Figura 32 - Perda de massa (%) em função do tempo (s) para PU, PuPvc40 e PuAasPvc40. . 54
Figura 33 - HHR versus o tempo de queima (s) para as amostras PU, PuPvc40 e PuAasPvc40. ... 55
Figura 34 - Valores de transmitância térmica (U), resistência térmica (R) e massa térmica para os elementos analisados. ... 58
Figura 35 - Comparativo consumo anual de energia elétrica em kWh. ... 59
Figura 36 - Consumo mensal de energia em kWh ao longo do ano. ... 60
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição dos resíduos sólidos da construção civil... 25 Tabela 2 - Massas utilizadas dos resíduos PVC e AAS, e dos reagentes poliol e isocianato utilizadas na preparação dos corpos de prova. ... 30 Tabela 3 - Classificação de resistência a chama teste de queima vertical (UL 94). ... 33 Tabela 4 - Resultados dos ensaios de massas específica aparente e resistência a compressão 45 Tabela 5 - Teste de queima vertical, sendo observado o tempo para a primeira e segunda aplicação de chama, estágio de queima e a classificação UL94. ... 49 Tabela 6 - Resumo de testes realizados com os compósitos preparados. ... 56 Tabela 7 - Custo anual com energia e emissão de CO2 ... 62
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 10 1.1 OBJETIVO ... 11 1.1.1 Objetivo Geral ... 11 1.1.2 Objetivos Específicos... 11 1.2 JUSTIFICATIVA ... 11 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 13
2.1 INDUSTRIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL ... 13
2.1.1 Poliuretano ... 17
2.1.2 Poliuretano na construção civil ... 18
2.1.2.1 Wood frame ... 18
2.1.2.2 Steel frame ... 19
2.1.2.3 Isolamento em telhados ... 20
2.1.2.4 Entre alvenarias ... 21
2.1.2.5 Espuma acústica perfilada ... 21
2.1.3 Retardante de chama para polímeros termo acústico ... 22
2.1.3.1 Retardantes não halogenados ... 23
2.1.3.2 Retardantes halogenados ... 23
2.2 MATERIAIS RECICLADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL ... 24
3 METODOLOGIA ... 28
3.1 CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES DO PLIURETANO E RETARDANTE DE CHAMA HALOGENADO E NÃO HALOGENADO ... 28
3.2 MATERIAIS E PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS ... 28
3.3 CARACTERISTICAS DOS CORPOS DE PROVA CONFECCIONADOS ... 30
3.3.1 Resistência Mecânica de compressão e Massa Específica aparente ... 30
3.3.2 Inflamabilidade ... 31
3.3.2.1 Queima horizontal ... 32
3.3.2.2 Queima Vertical... 32
3.3.3 Termogravimetria ... 34
3.3.4 Microscopia Eletrônica de Varredura e Difração de Raio X ... 34
3.3.5 Cone Calorimétrico ... 35 3.3.6 Estudo de Eficiência Energética, Emissão de CO2 e Custos do consumo energético
3.3.6.1 Modelo 3D ... 35
3.3.6.2 Configuração dos materiais das paredes e telhado ... 37
3.3.6.3 Green Building Studio ... 40
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 44
4.1 CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES DO POLIURETANO E RETARDANTE DE CHAMA HALOGENADO E NÃO HALOGENADO ... 44
4.2 CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA COM INCORPORAÇÃO DE POLICLORATO DE VINILA E LODO DE ANODIZAÇÃO DE ALUMÍNIO ... 45
4.3 CARACTERÍSTICAS DE ESTABILIDADE TERMICA E FLAMABILIDADE... 46
4.4 ESTUDO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E VIABILIDADE ECONÔMICA ... 57
4.4.1 Propriedades térmicas das paredes e coberturas ... 57
4.4.2 Consumo de energia anual ... 59
4.4.3 Consumo de energia por mês em um ano ... 59
4.4.4 Intensidade do uso de Energia (EUI) ... 61
4.4.5 Custo anual com energia e emissão de CO2 ... 62
5 CONCLUSÃO ... 63 6 TRABALHOS FUTUROS ... 64 REFERÊNCIAS ... 65 ANEXO A ... 74 ANEXO B ... 76 APÊNDICE A ... 79
1 INTRODUÇÃO
Devido à versatilidade de polímeros, o uso desses materiais em edificações é cada vez mais comum devido a necessidade de um aumento no conforto do usuário, uma das maneiras de se atingir esse objetivo é através da utilização de polímeros como isolamento acústico e térmico por possuírem excelentes propriedades. No entanto, devido características combustíveis e inflamáveis, têm-se estabelecido através de normas regulamentadoras, orientação e controle quanto ao uso de polímeros com a premissa de minimizar riscos, tendo em vista que a combustão desses materiais pode formar gases tóxicos e letais (SOMARATHNA
et al., 2018; VLADIMIROV, 2011).
Existem diferentes maneiras de reduzir a inflamabilidade de polímeros, porém a introdução física de substâncias retardantes de chama é a mais usual e apresenta vantagens em relação aos custos de matéria-prima e método de incorporação.
Os principais retardantes físicos de chama são divididos em compostos halogenados e não halogenados. Os retardantes halogenados são mais eficientes, porém geram gases tóxicos no momento da combustão, enquanto os retardantes não halogenados não produzem tais gases (GUO et al., 2015).
Retardantes não halogenados podem ser combinados com bases de halogênio para potencializar os mecanismos de extinção de chama, por exemplo, a utilização de óxidos que durante a fase gasosa, facilitam a transferência de halogênios, podendo ser um clorado presente nos eletrodutos de policlorato de vinila, assim tendo uma relação de sinergismo entre os reagentes (SALMEIA et al., 2015).
Deste modo o objetivo do trabalho foi desenvolver espumas isolante térmico e acústico com uma matriz de poliuretano, com resistência a chama através da incorporaçãode descartes da indústria da construção civil, policlorato de vinila e lodo da anodização de alumínio.
O uso de resíduos foi uma alternativa ambientalmente e economicamente responsável, neste trabalho fez-se uso de coprodutos de processos industriais como retardante de chamas, substituindo insumo primário por secundário, possibilitando a indústria da construção civil tornar-se mais sustentável.
1.1 OBJETIVO
1.1.1 Objetivo Geral
Avaliar a eficiência energética do poliuretano e inflamabilidade de compósitos com policlorato de vinila e lodo da anodização de alumínio obtidos da incorporação física na expansão de poliuretano para aplicação como isolante térmico e acústico em edificações.
1.1.2 Objetivos Específicos
Conhecer as características e aplicações do poliuretano e retardante de chama halogenado e não halogenado;
Confeccionar corpos de prova pela expansão de poliuretano com a incorporação física policlorato de vinila em diferentes proporções e lodo da anodização de alumínio;
Verificar as características de inflamabilidade queima vertical e horizontal, termogravimétrica, compressão e identidade da estrutura dos corpos de prova confeccionados;
Analisar eficiência energética do poliuretano em modelo virtual e custos do consumo energético e emissão de CO2.
1.2 JUSTIFICATIVA
Os resíduos da construção civil empregados neste trabalho ultrapassam questões econômicas e ambientais, pois apresentam propriedades que qualificam as espumas rígidas desenvolvidas quanto a segurança no uso de variados tipos de obras.
O policlorato de vinila é um retardante halogenado, utilizado como eletrodutos, tubulações de água, forros e esquadrias, com sua produção no ano de 2016 de 41,3 milhões de toneladas com um valor de mercado global estimado em 56,3 milhões de dólares americanos (GRANDVIEWRESEARCH, 2019; PLASTICSINSIGHT, 2016).
O lodo anodizado de alumínio possuindo principalmente hidróxido, oxihidróxido e o óxido de alumínio na sua composição química, pode agir como um retardante não halogenado. Sua produção mundial de 2018 foi de 64.336 mil toneladas métricas de alumínio. Para produzir
1 tonelada de alumínio anodizado obtém-se a mesma quantidade em resíduo (THE INTERNATIONAL ALUMINIUM INSTITUTE, 2019; SOUZA et al., 2019; RIBEIRO et al., 2004).
A dimensão do mercado global de poliuretano foi estimada em USD 65,5 bilhões no ano de 2018 sendo que a construção civil foi responsável por 28,5% desse mercado (GRANDVIEWRESEARCH, 2019). Um dos materiais isolantes térmicos e acústicos mais utilizado entre paredes, estruturas de steel e wood frame, em telhas entre outras aplicações (ZHOU et al., 2018; PLASTICSINSIGHT, 2016; CARDOSO et al., 2012; ALLEN et al., 2011). Porém, o poliuretano é altamente inflamável, sendo muito perigoso o seu uso sem aditivos resistentes a combustão.
No ano de 2015 um incêndio em uma boate na cidade de Bucharest capital da Romênia resultou na morte de 64 pessoas e mais de 200 feridos, em 2013 o incêndio ocorrido em Santa Maria, Brasil, além de em 2004 na discoteca República Cromanon em Buenos Aires, Argentina mais 194 mortes, todos causados devido a combustão dos polímeros de isolamento (HALLER, 2018). Diversas falhas de segurança foram determinantes para o ocorrido, no entanto deve-se ressaltar a característica de alta inflamabilidade das espumas de poliuretano, as quais compunham o isolamento acústico do ambiente e que, em caso de combustão, produzem gases tóxicos (WANG, 2014).
As espumas rígidas desenvolvidas combinaram resíduos que podem ter uma destinação final incorreta, apesar da ABNT NBR 10004 (2004), ou ainda sendo destinados a aterros industriais, deste modo colocando-os num novo ciclo produtivo e concedendo uma otimização nas características de resistência a chama do material poliuretano.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Baseando-se em pesquisa bibliográfica utilizando como principal fonte de buscas a base de dados do portal Capes apresenta-se a situação da construção civil no Brasil e seus materiais, tipos de poliuretano, suas aplicações na construção civil, retardantes de chama para materiais de isolamento térmico e acústico e a utilização de resíduos em obras.
2.1 INDUSTRIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL
O ritmo do crescimento da produção global de construção civil, segundo o Fundo Monetário Internacional (2019) deve crescer no ano de 2019, alcançando 3,4% dos 3,2% do ano de 2018, e com a estimativa de 3,5% para 2020. O principal fator atrelado a este crescimento está nos países emergentes, com destaque a China, onde as autoridades estão aumentando o investimento em infraestrutura para evitar uma desaceleração contínua. O setor possui uma forte correlação com crescimento econômico, quando o produto mundial bruto (PMB) aumenta acima de uma taxa média, a construção se expande em uma proporção ainda maior (RESEARCH AND MARKETS, 2019; INTERNATIONAL MONETARY FUND, 2019).
A construção civil possui lugar em destaque nacional e internacional devido a sua ligação com o desenvolvimento econômico, promovendo incrementos capazes de elevar a economia de um país utilizando a proporção do valor adicionado total das atividades, pelo efeito multiplicador de renda e interdependência estrutural (TEIXEIRA, 2010). Na Figura 1 observa-se a variação do produto interno bruto (PIB) do Brasil comparado com o PIB da construção civil entre 2004 e 2018, mostrando uma relação de crescimento e decrescimento conjuntos.
Figura 1 - Produto interno bruto (PIB) Brasil e Construção Civil.
Fonte: CBIC/IBGE, (2019).
Segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) de 2018 o produto interno bruto do país tem uma participação da construção civil equivalente a 9,5% do seu total, além de empregar 10,6 milhões de trabalhadores (IBGE, 2019). Para o ano de 2019 uma projeção divulgada pelo Sindicato da indústria da construção do estado de São Paulo com a Fundação Getúlio Vargas apresentou um crescimento de 2,0% no PIB da construção civil (CBIC, 2019).
Os materiais da construção também possuem papel econômico relevante na adição do PIB, observado na Figura 2 (FGV/ABRAMAT, 2017).
Figura 2 - Vendas, geração de renda e ocupação na indústria de materiais, 2016.
Fonte: Adaptado de FGV/ABRAMAT, (2017).
Segundo a Associação Brasileira da Indústria de Materiais de Construção (ABRAMAT, 2017) observa-se na Figura 2 que representa em porcentagem as vendas em relação aos materiais e serviços da construção, com um total de 165.482 milhões de reais, onde cimento e artefatos de concreto somam 20% da receita liquida de vendas, além de 8% para produtos cerâmicos, para a parte de metalurgia, estruturas metálicas e outros produtos de metal onde localiza-se os coprodutos da produção de alumínio em 13% e produtos de material plástico juntamente com derivados do petróleo onde os polímeros se encaixam totalizam 7% (ABRAMAT, 2017).
Segundo a Associação Brasileira da indústria do plástico 23,8% da sua produção de 2016 foi destinada a construção civil onde estão inclusos os materiais isolantes térmicos e acústico. O isolamento térmico adequado pode trazer até 50% de economia, reduz o consumo de energia em sistemas de aquecimento e resfriamento aumentando o conforto, o isolamento acústico em edifícios é necessário para minimizar a quantidade de som transmitido e reduzir os efeitos prejudiciais que tem nas pessoas, sendo a maioria dos ruídos consequência da
urbanização (SOMARATHNA et al., 2018; ABIPLAST, 2018; ASDRUBALI et al., 2015; EPA, 2015).
Polímeros ganham destaque na categoria de isolamento, na Figura 3 estão os principais polímeros juntamente com outros materiais utilizados para isolamento térmico na construção civil e suas condutividades térmicas (ABU-JDAYIL et al., 2019; LEIVA et al., 2015).
Figura 3 - Condutividade térmica de materiais isolantes da construção civil.
Fonte: Adaptado de ABU-JDAYIL et al., (2019).
Segundo a Figura 3, o poliuretano destaca-se como melhor desempenho entre outros materiais em relação a sua menor condutividade térmica, que é uma grandeza física que quantifica a habilidade dos materiais de conduzir energia térmica, sendo expressado pelo sistema internacional de unidades como watt por metro e por kelvin (W/m.K) (ABU-JDAYIL
et al., 2019).
Na Figura 4 observa-se o comparativo em relação ao isolamento acústico dos materiais (PEDROSO et al., 2017). 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Poliestireno Expandido Poliestireno Extrudado Poliuretano Lã de vidro Lã de rocha Manta fibro cerâmica
Ma
ter
ial
Figura 4 - Coeficiente de absorção sonora dos materiais isolantes.
Fonte: Adaptado de PEDROSO et al., (2017).
Os resultados da Figura 4 com a comparação dos materiais de isolamento acústico demonstram a capacidade de absorção sonora do poliuretano sendo superior em média aos outros materiais, mesmo em diferentes faixas de frequências, demonstradas em hertz (Hz), com a exceção da faixa de 250 e 2000 Hz onde a lã de vidro obteve melhor resultado (PEDROSO et
al., 2017).
2.1.1 Poliuretano
O poliuretano (PU) é um dos materiais que possui uma ampla variabilidade na sua composição, fazendo assim que possa ser aplicado em diferentes áreas, tais como componentes eletrônicos, elastômeros, tintas, construção civil e indústria automobilística (SOMARATHNA
et al., 2018). Devido sua resistência química, mecânica e capacidade de isolamento térmico e
acústico, além de ter um custo acessível em relação as características do material, tem chamado a atenção do mercado (GAO et al., 2014.; LIU et al., 2011).
O professor alemão Otto Bayer, descobridor da reação do composto que foi considerado uma classe de polímero independente, com sua patente em 1937, no qual é obtido através da reação de policondesação do di-isocianato com o poliéster diol, tendo outras variações, resultando em diferentes tipos de PU (BAYER, 1937).
Segundo AKINDOYO, 2016 o PU pode ser classificado como:
a) Termoplástico: também chamados de TPUs, são geralmente flexíveis e elásticos, com resistência a impacto, abrasão e variações climáticas, utilizado para cases de laptops e celulares, painel de instrumentos automotivos, ferramentas elétricas, aparelhos médicos, sapatos entre outros;
b) Flexível: são utilizados em colchoes, almofadas, base de tapetes, mobília, roupa de cama, interior de automóveis, na biomedicina e nanocompositos;
c) Rígido: com sua principal função de isolante térmico e acústico muito utilizado na construção civil, para proteção e transporte de equipamentos;
d) PUI: com presença de grupos iônicos o fornece um efeito de memória de forma termo-responsiva, muito utilizado em dispositivos médicos como coração artificial e conector entre o marcapasso e o tubo da hemodiálise;
e) Water-borne PU: tem-se como exemplo os revestimentos, adesivos, selantes e elastômeros.
2.1.2 Poliuretano na construção civil
Segundo SOMARATHNA (2018) a maior porcentagem da produção de PU tem como destino final a construção civil, com enfoque em isolamento térmico e acústico alguns das aplicabilidades são a utilização em estruturas de wood e steel frame, isolamento acústico em estúdios e locais de eventos, telhas e até mesmo entre a alvenaria.
2.1.2.1 Wood frame
Entre as possíveis aplicações do poliuretano na construção civil, destaca-se a utilização no método construtivo de wood frame, amplamente difundida nos Estados Unidos da América pela alta qualidade da madeira local e em países europeus como Escandinávia e as áreas montanhosas dos Alpes e dos Cárpatos devido as baixas temperaturas, abundância de madeira e cultura de gerações passadas. O mercado brasileiro para área do wood frame ainda é pequeno comparado aos anteriores principalmente pelo fato das condições climáticas de temperaturas amenas e alta umidade onde favorece instalação de pragas na madeira. A técnica consiste em montantes e travessas de madeiras maciças com um fechamento de chapas de madeiras formadas através de uma colagem de vários pedaços de reaproveitamento de madeira, com um
material isolante no meio, no caso o poliuretano (Figura 5) (SABER et al, 2013; PASZTORY
et al., 2012).
Figura 5 - Aplicação de poliuretano em wood frame.
Fonte: CRIALAZER (2019).
Observando na Figura 5 a aplicação do polímero nas estruturas de madeira, com as vantagens de ser uma construção com material de baixo custo e rápida execução.
2.1.2.2 Steel frame
Um sistema construtivo similar ao wood frame, com uma construção utilizada a décadas na Europa, Austrália e Estados Unidos vem sendo implementada no Brasil desde 2008 por grandes empresas do ramo como a Framecad, United States Gypsum e LP Building Products (BRASIL ENGENHARIA, 2015; JIANG E USMANI, 2013). Caracterizado pelas estruturas de perfis de aço galvanizado a frio e com o preenchimento feito em algum material isolante e acabamento com painéis de madeira, gesso acartonado ou dry-wall (Figura 6) (ZHOU et al, 2018; JIANG E USMANI, 2013).
Figura 6 - Estruturas de steel frame.
Fonte: Zhou (2018).
A Figura 6 demonstra o método construtivo de steel frame, com suas formas modulares e pré-fabricadas, agilizando a sua execução no canteiro de obras.
2.1.2.3 Isolamento em telhados
As telhas que possuem um isolamento térmico, são feitas em chapas de aço galvanizado, com a injeção de poliuretano entre as chapas, assim fazendo com que o PU preencha toda a superfície do molde, concedendo uma estrutura rígida e formando uma composição conhecida como sanduiche. Outra variação é a simples aplicação de painéis de PU na parte inferior de qualquer tipo de telhado sendo feito um acabamento interno observado na Figura 7 (CARDOSO
et al., 2012; SARTORI et al., 2009)
Figura 7 - (A) telha sanduiche (B) aplicação de painéis de PU.
2.1.2.4 Entre alvenarias
Um tipo de parede que no seu centro existe um espaço preenchido com material isolante térmico e acústico, tipicamente construído com tijolos cerâmicos, blocos de concreto ou blocos de pedra que pode ser visualizado na Figura 8, muito utilizado em localidades do noroeste europeu devido as baixas temperaturas (ALLEN et al., 2011; ENERGY SAVING TRUST, 2019).
Figura 8 - Poliuretano entre alvenarias.
Fonte: Energy saving trust (2019).
2.1.2.5 Espuma acústica perfilada
Essa aplicação de PU é muito utilizado em locais com altos índices de ruídos, como salas de reunião, estúdios músicos, teatros, clubes de festa, auditórios, igrejas (TIUC et al., 2016; RIBEIRO et al., 2014).
Figura 9 - Estúdio revestido com espuma perfilada de poliuretano.
Na figura 9 pode-se observar que as espumas PU perfilada são instaladas normalmente na superfície interna de paredes e teto, possuindo um formato que ajuda no desempenho de uma barreira acústica (TIUC et al., 2016; RIBEIRO et al., 2014).
2.1.3 Retardante de chama para polímeros termo acústico
Existe uma ampla gama de polímeros altamente inflamáveis usados para isolamento termo acústico, no qual o PU se encontra, sendo necessário uma incorporação de materiais retardantes de chama na sua composição para inibir, extinguir ou suprimir as chamas. Considerando que a reação de combustão fornece energia e com isso um acréscimo da temperatura diferente para cada tipo de material, além de depender do calor específico, condutividade térmica, calor latente, densidade e calor de evaporação (LAOUTID et al., 2009). O retardante de chama atua em diferentes estágios da combustão, podendo interferir durante o (1) aquecimento: onde uma fonte externa fornece calor ao material, tendo sua temperatura aumentada, (2) decomposição: quando os materiais poliméricos atingem temperatura responsáveis pela liberação de gases, partículas solidas, líquidos e radicais livres, e (3) ignição: na qual a concentração de combustíveis e comburente atingem quantidades propicias a ignição por fonte externa de calor (PELLIZZI et al., 2014; LAOUTID et al., 2009; SINGH; JAIN, 2008).
Dependendo da natureza do material, o retardante pode atuar quimicamente e/ou fisicamente no polímero, em qualquer uma das fases: no estado sólido, líquido e gasoso. As maneiras mais comuns do processo de proteção do material ocorrem pelo resfriamento e camada protetora. O resfriamento ocorre devido a liberação de algum agente retardante, por exemplo, água. A formação de uma camada protetora na superfície, sólida ou gasosa, impedindo o material interno de ser atingido pelas chamas e por diluição de gases inertes liberados da decomposição dos retardantes.
Quanto a ação química dos retardantes de chama, as reações químicas mais significativas que interferem no processo de combustão ocorrem nas fases sólida e gasosa.
Na fase gasosa, o retardante de chama interrompe a ação dos radicais livres no processo da combustão. Os fenômenos exotérmicos são assim interrompidos, causando o resfriamento do sistema como um todo, o que diminui a evolução de gases inflamáveis até eventualmente a completa extinção (LAOUTID et al., 2009; SINGH; JAIN, 2008).
Na fase sólida, são possíveis dois tipos de reações. Em primeiro lugar, o retardante de chama pode acelerar o processo de fragmentação do polímero, causando um fluxo pronunciado
dos fragmentos para fora da esfera de influência da chama, que por falta de combustível, se reduz ou é extinta; em segundo lugar, o retardante de chama pode causar a formação de uma camada de carbono na superfície do polímero, a qual atuará fisicamente como uma camada protetora. Isto pode ocorrer por exemplo, pela ação desidratante do agente sobre o polímero, gerando ligações duplas, as quais podem provocar a carbonização da superfície através de ligações cruzadas e ciclização (LAOUTID et al., 2009; SINGH; JAIN, 2008).
Uma maneira utilizada para maximizar os efeitos é a combinação de retardantes halogenados junto com não halogenados que geram um efeito sinérgico amplificando o efeito do que quando usados isoladamente (PELLIZZI et al., 2014; LAOUTID et al., 2009; SINGH; JAIN, 2008).
2.1.3.1 Retardantes não halogenados
Retardante inorgânicos são amplamente utilizados na composição de polímeros através da incorporação no qual tem sua funcionalidade nas temperaturas de decomposição entre 150 até 400 ºC. Nessa categoria estão inclusos em sua maioria os compostos que possuem alumínio, magnésio e fósforo (SALMEIA et al., 2015). Os retardantes inorgânicos durante a combustão liberam gases não inflamáveis como dióxido de carbono e água impedindo com que o oxigênio atinja a superfície do material assim, atrapalhando a reação de propagação de chama. Por possuir um baixo custo, facilidade de incorporação e bons resultados, o hidróxido de alumínio é um dos mais utilizados tendo sua reação de desidratação demonstrado na equação (1) além da formação de uma camada cerâmica por parte do óxido de alumínio gerado (MARQUES et al., 2018; SALMEIA et al., 2015; PELLIZZI et al., 2014; LAOUTID et al., 2009; SINGH; JAIN, 2008; WANG et al., 2007).
2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O (1)
2.1.3.2 Retardantes halogenados
São compostos que na sua formula geral possuem um R indicativo de um radical orgânico e X um halogênio, formando RX. De acordo com sua composição existe uma escala de eficácia entre os elementos sendo que o iodo é mais eficaz seguindo uma ordem decrescente de bromo em seguida cloro e por fim flúor. Os mais utilizados são os clorados e os bromados sendo que o halogêneo permite uma blindagem de carbono através da captura do hidrogênio
formando ácido halogenídrico (HX), interferindo no processo de combustão. De maneira simples tem-se no início do ponto de fusão do polímero observado na equação (2) (SALMEIA
et al., 2015; LAOUTID et al., 2009; GALLO, 1998).
X* + RH R* + HX (2)
O HX é inicia sua liberação durante o processo de ignição e continua sendo liberado até o final da combustão. Esses compostos atuam através da interferência do mecanismo de cadeia radical, os efeitos retardadores ocorrem devido ao composto HX, o haleto de hidrogênio consumido é regenerado por reação com o substrato RH, inibindo a reação, regenerando-se inicia a possibilidade de um novo ciclo desta forma impedindo a reação de combustão e propagação da chama (LAOUTID et al., 2009; SINGH; JAIN, 2008; SANT’ANNA, 2008; GALLO, 1998).
2.2 MATERIAIS RECICLADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Dentro do necessário para se obter um saneamento básico, está incluso a gestão de resíduos sólidos, sendo preciso a relação entre saúde e meio ambiente. Os resíduos da construção civil devem ter uma inter-relação para uma crescente qualidade de vida e ambiental a população. O processo de reciclagem na construção civil aumentou no sentido de criar novas soluções para os antigos descartes, visando principalmente a produção de novos materiais, responsáveis em substituir a matéria prima, bem como, economia no tratamento e deposição final dos descartes (KESHAVARZ E MOSTOFINEJAD, 2019; SILVA et al. 2015; PINTO, 2005).
Segundo o Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) os resíduos da construção civil são:
Os provenientes de construções, reformas, reparos e demolições de obras de construção civil, e os resultantes da preparação e da escavação de terrenos, tais como: tijolos, blocos cerâmicos, concreto em geral, solos, rochas, metais, resinas, colas, tintas, madeiras e compensados, forros, argamassa, gesso, telhas, pavimento asfáltico, vidros, plásticos, tubulações, fiação elétrica e etc.
São regulamentados pela Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) e Resolução CONAMA 307/2002. Classificados pela sua composição no Art. 3° (Tabela 1).
Tabela 1 - Composição dos resíduos sólidos da construção civil.
Classe Descrição do Resíduo Exemplo
A Materiais que podem ser reciclados ou reutilizados como agregado em obras de infraestrutura, edificações e canteiro de obras.
Tijolo, telhas e revestimentos cerâmicos, blocos e tubos de concreto e argamassa.
B Materiais que podem ser reciclados e ganhar outras destinações.
Vidro, gesso, madeira, plástico, papelão e outros.
C Itens para o qual não existe ou não é viável aplicação econômica para recuperação ou reciclagem
Estopas, lixas, panos e pincéis desde que não tenham contato com substancias que o classifique como D.
D Aqueles compostos ou em contato de materiais/substâncias nocivos à saúde.
Solvente e tintas; telhas e materiais de amianto; entulho de reformas em clinicas e instalações industriais que possam estar contaminadas.
Fonte: adaptado CONAMA, (2002).
A reciclagem da construção passa por etapas definidas como triagem, homogeneização, trituração, extração de materiais metálicos, retirada de contaminantes e estocagem (RESENDE, 2016). Um fluxograma do percurso dos resíduos da construção civil na cidade de Belo Horizonte pode ser observado na Figura 10 (RESENDE, 2016; SILVA et al. 2015; PINTO, 2005).
Figura 10 - Ciclo dos resíduos da construção civil em Belo Horizonte.
Fonte: RESENDE, (2016)
A Figura 10 detalha todos os caminhos dos resíduos da construção na cidade de Belo Horizonte, passando por diversos geradores como pequenas e grandes construtoras além da indústria, em seguida pelos intermediários responsáveis pela triagem e reciclagem do material até os
receptores dos resíduos como aterros específicos para cada material, obras de infraestrutura e bota-fora.
Conforme Resende (2016, p. 50):
É possível perceber que os resíduos da construção civil (RCC) podem percorrer diversos caminhos desde a sua geração até a disposição final, dependendo de onde foi gerado ou da quantidade produzida, de modo que esses caminhos muitas vezes são diferentes do que é planejado pelo sistema de gerenciamento de RCC implantado em Belo Horizonte. O principal problema observado através do fluxograma são os fluxos gerador-receptor, ou seja, quando o resíduo é transportado do local de geração diretamente para a disposição final, sem antes passar pelas estruturas intermediárias, impossibilitando a reciclagem e consequentemente sua valorização - além de dificultar o monitoramento de quantidades de RCC geradas e transportadas no município. Esse tipo de situação foi observada a partir de todos os tipos de geradores identificados (fluxos 1, 2, 6, 8 e 9), de modo que a ligação direta entre gerador e receptor foi o único fluxo identificado nos resíduos gerados nas indústrias.
Os resíduos da construção civil em sua maioria são materiais inertes, tendo a possibilidade de reciclá-los, muitas vezes utilizados como agregados para a criação de blocos estruturais e na mistura do concreto substituindo ou complementando a função da areia (KESHAVARZ E MOSTOFINEJAD, 2019), criando um novo ciclo de produção na indústria da construção e uma economia circular (Figura 11). (ZEGA e MAIO, 2011).
Figura 11 - Ciclo de vida dos agregados reciclados.
Observa-se na Figura 11 um exemplo de reciclagem de matérias da construção civil com um ciclo de vida de resíduos inertes, transformados em agregado, substituindo ou complementado a areia do concreto, sendo usado novamente na execução de obras (MENESES, 2014), esse método foi utilizado por KESHAVARZ E MOSTOFINEJAD (2019) no qual substituiu o agregado graúdo do concreto por resíduos de porcelana e cerâmica vermelha, que são uma nova geração de cerâmicas, altamente resistente ao calor e oferece uma grande resistência à pressões. Outro produto utilizando resíduos, nesse caso com polietileno e policloreto de vinila (PVC) provindos de eletrodutos, foram adicionados à mistura de concreto e argamassa, para estudos de reaproveitamento e melhoria de capacidades mecânicas e térmicas do material (RUIZ-HERRERO et al., 2016).
3 METODOLOGIA
A pesquisa desenvolvida segundo Kindermann (2013), é classificada como uma pesquisa quantitativa aplicada exploratória quanto aos objetivos, a fim de promover uma maior familiaridade com o objeto da pesquisa, e um estudo experimental em relação aos procedimentos técnicos. O corpus a ser analisado serão compósitos de PU, PVC e lodo de anodização do alumínio quanto a estabilidade térmica e inflamabilidade, para utilização como isolante em edificações.
3.1 CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES DO PLIURETANO E RETARDANTE DE CHAMA HALOGENADO E NÃO HALOGENADO
Para revisão de literatura foi utilizando o portal de periódicos CAPES/MEC com a configuração do buscador com as palavras “polyurethane AND "flame retardant" AND "polyvinyl chloride" AND hydroxide”. A busca foi em artigos revisados por pares, período de 2014 até 2019, no qual foram lidos todos os títulos e resumos dos resultados encontrados, foram excluídos os que não tinham aderência ao tema e finalizando com leitura por completo os que foram de interesse para trabalho.
3.2 MATERIAIS E PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS
A escolha do PU como matriz do compósito foi devido ao uso estabelecido como isolante térmico e acústico em edificações, também foi explorado o uso do PVC como um potencial retardante de chama halogenado e o lodo do processo de anodização de alumínio como retardante de chama não halogenado.
Os seguintes reagentes foram utilizados para a preparação dos compósitos: poliol e isocianato (Arinos, São Paulo/SP, Brasil), lodo de anodização de alumínio (Hydro, Tubarão/SC, Brasil) e resíduos de cloreto de polivinila (Sublime Construtora, Antônio Carlos/SC, Brasil). Na Figura 12 apresenta imagem dos reagentes e materiais utilizados para a preparação dos compósitos.
Figura 12 - materiais utilizados para a preparação dos compósitos a) AAS b) PVC c) polipropileno glicol d) tolueno-2,6-diisocianato.
Fonte: Autor (2019).
Na Figura 12, o lodo de anodização de alumínio (AAS, Figura 12a) foi lavado, seco a 100 °C por 24 h e passante por uma peneira de malha de 0,3 mm. O resíduo de eletroduto de cloreto de polivinila (PVC, Figura 12b) processada industrialmente foi lavada, seca e usada em pedaços com um tamanho de partícula entre 1 mm. O poliol (Figura 12c) e o isocianato (Figura 12d) têm principalmente polipropileno glicol e tolueno-2,6-diisocianato, respectivamente em suas formulações, e foram utilizados conforme recebido e seguindo os padrões de segurança.
Segundo BRAGLIA (2019) A composição de AAS foi caracterizada por ensaios de espectrometria de absorção atômica e fluorescência de raios-X. Demonstrando uma composição de 66,16% de Al2O3, 1,32% de Na2O, 0,48% de SiO2, 0,29% de CaO, 0,24% de P2O5, 0,24% de
Fe2O3 e 26,74% de perda na ignição. O óxido de alumínio no AAS com um total de 66,16% foi
predominante na composição. A difratometria de raios X mostrou que as fases presentes no AAS eram óxido hidróxido de alumínio [AlO(OH)], fosfato de alumínio [AlPO4] e hidróxido
de alumínio [Al(OH)3] (BRAGLIA, 2019).
Os compósitos foram obtidos por policondensação de polipropileno glicol e tolueno-2,6-diisocianato para formar a matriz de PU, com a adição de PVC e/ou AAS (MARQUES et
al., 2018; GARRIDO, CORREIA, & KELLER, 2016; ZHANG et al., 2015). A proporção de
polipropileno glicol e tolueno-2,6-diisocianato foi de 1:1,5. O PVC foi adicionado na proporção de 30%, 40% ou 50% de PVC em massa e o AAS adicionado na proporção de 40%, além do preparo de uma amostra de PU para comparativo, as quantidades utilizadas estão na Tabela 2.
Tabela 2 - Massas utilizadas dos resíduos PVC e AAS, e dos reagentes poliol e isocianato utilizadas na preparação dos corpos de prova.
Amostra Resíduo de PVC [g] [%] AAS [g] [%] polipropileno glicol [g] tolueno-2,6-diisocianato [g] PU - - - - 5 10 PuPvc40 6 40 - - 5 10 PuAasPvc30 4,5 30 6 40 5 10 PuAasPvc40 6 40 6 40 5 10 PuAasPvc50 7,5 50 6 40 5 10 Fonte: Autor (2019).
As amostras foram obtidas utilizando as quantidades apresentadas na Tabela 2, sendo realizado a mistura mecânica de PVC e AAS com polipropileno glicol e, em seguida, pela adição de tolueno-2,6-diisocianato, a mistura por cerda de 30 s. A mistura foi vertida em um molde com vaselina e revestido de plástico, as amostras foram desmoldadas após 24 h (MARIAPPAN et al., 2014; MARQUES et al., 2018; PENG et al., 2014).
3.3 CARACTERISTICAS DOS CORPOS DE PROVA CONFECCIONADOS
3.3.1 Resistência Mecânica de compressão e Massa Específica aparente
Para o teste de resistência a compressão utilizou-se a norma NBR 8082 e ASTM D1621—16, foram preparados 8 corpos de prova de cada compósito nas dimensões de 5x5x5 cm, o equipamento utilizado para realização do teste foi EMIC DL-30000 (Figura 13) com uma célula de carga de 5 kN a uma velocidade de 2,5 mm/min. As amostras foram submetidas a carga até a deformação de 10%, sendo assim gerado um gráfico de resistência a compressão axial por deformação.
Figura 13 - Montagem do ensaio de resistência mecânica de compressão.
Fonte: Autor (2019).
Para o teste de massa específica aparente utilizou-se a norma NBR11506 e ASTM D1622/D1622M no qual foram feitas as medidas dos corpos de prova utilizado paquímetro para a medição da altura, largura e espessura em centímetros, pesados em balança analítica em grama, a partir dos valores obtido foi calculada a massa específica aparente e convertida para kgm-3.
3.3.2 Inflamabilidade
Foram realizados os testes de queima vertical e teste horizontal segundo a normal UL-94, os corpos de prova foram obtidos do recorte de uma placa maior com as dimensões de 180 mm de comprimento, 100 mm de largura e 20 mm de espessura. Após o corte nas dimensões de cada teste foi removido o pó superficial e feito um leve arredondamento das arestas. Os compósitos foram secos em estufa com circulação de ar durante 7 dias a uma temperatura de 70 ºC, em seguida, para o resfriamento, colocou-se os materiais em dessecador com sílica gel e permaneceram durante 4 horas até a realização dos testes (UL94, 2017).
3.3.2.1 Queima horizontal
Para o teste de queima horizontal foram produzidos três corpos de prova de cada compósito nas dimensões de 125 mm de comprimento, 13 mm de largura e 5 mm de espessura, fez-se marcações nos compósitos em distâncias de 25 mm e 100 mm, aplicou-se uma chama com altura média de 20 ± 1 mm, em um ângulo de 45º durante 30 s. A montagem do ensaio pode ser observada na Figura 14.
Figura 14 - Montagem do teste de queima horizontal segundo a norma UL-94.
Fonte: Autor (2019).
Após a realização do teste, conforme Figura 14, registrou-se o tempo de auto extinção das chamas e a distância percorrida pelo fogo durante a combustão. Os compósitos classificados como resistentes a chama não ultrapassaram a marcação de 25 mm e os que passaram foram registrados a sua velocidade de propagação da chama.
3.3.2.2 Queima Vertical
Para a realização do teste de queima vertical foram preparados cinco corpos de prova de cada compósito, com as dimensões de 125 mm de comprimento, 13 mm de largura e 5 mm de
espessura, foi utilizado uma altura de chama de 20 ± 1 mm com uma distância da base do material de 10 mm, além da presença de algodão na parte inferior do teste para registro caso ocorra gotejamento do material. A montagem do ensaio pode ser observada na Figura 15.
Figura 15 - Montagem do teste de queima vertical segundo a norma UL-94.
Fonte: Autor (2019).
A metodologia do ensaio consiste em uma primeira aplicação da chama na base do material durante 10 s, em seguida retirou-se a fonte de chama e registrou-se o tempo que o material demorou para se auto extinguir, após foi feito uma segunda aplicação no corpo de prova e foi anotado quando o material parou de queimar. Então, os compósitos foram classificados segundo a norma como V-0, V-1 e V-2, utilizando os critérios apresentados na Tabela 3 (ASTM D635-14, UL-94).
Tabela 3 - Classificação de resistência a chama teste de queima vertical (UL 94).
V-0 As amostras não queimam mais de 10 segundos, após a aplicação da chama. O total de tempos de combustão não deve exceder 50 segundos para cada série de 5 amostras. As amostras não devem sofrer combustão até ao seu prendedor (5 polegadas). · As amostras não devem projetar partículas que provoquem a ignição do algodão colocado na base. Nenhuma amostra deve permanecer em combustão durante mais de 30 segundos, depois de removida a chama.
V-1 Nenhuma amostra deve permanecer em combustão chamejante durante mais de 30 segundos, depois de removida a chama. O tempo total de combustão não deve exceder 250 segundos em cada série de 5 amostras. As amostras não devem sofrer combustão até ao seu prendedor (5 polegadas). As amostras não devem projetar partículas que provoquem a ignição do algodão colocado na base. Nenhuma amostra deve permanecer em combustão com chama durante mais de 60 segundos, depois de removida a chama.
V-2 Nenhuma amostra deve permanecer em combustão chamejante durante mais de 30 segundos, depois de removida a chama. O tempo total de combustão não deve exceder 250 segundos em cada série de 5 amostras. As amostras não devem sofrer combustão até seu prendedor (5 polegadas). As amostras podem projetar partículas que provoquem a ignição do algodão colocado na base. Nenhuma amostra deve permanecer em combustão com brilho durante mais de 60 segundos, depois de removida a chama.
Fonte: Adaptado UL-94 (2017).
3.3.3 Termogravimetria
Os ensaios foram realizados em uma atmosfera de nitrogênio a uma taxa de aquecimento de 10 ºC/min e limites de temperatura entre 20 ºC a 900 ºC, foi utilizado o equipamento TGA Q5000 (instrumento TA).
3.3.4 Microscopia Eletrônica de Varredura e Difração de Raio X
Utilizou-se amostras com um corte longitudinal após o teste de queima vertical, analisando morfologia dos compósitos PuPvc40 e PuAasPvc40 (Tabela 2) foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (JEOL JSM-6390LV), com uma tensão de 5 kV. As amostras foram fraturadas em nitrogênio líquido e revestidos com ouro. A composição química dos compósitos foi analisada por espectroscopia de raios-X dispersiva em energia (EDS).
3.3.5 Cone Calorimétrico
Os experimentos de cone calorimetria foram realizados nas amostras de PU, PuPvc40 e PuAasPvc40, conduzidos em um cone duplo FTT Calorímetro a um nível de fluxo de calor (35 kW/m2) com um fluxo de exaustão de 24 L/s usando o procedimento padronizado de calorímetro de cone (ASTM E1354-12). As amostras foram embrulhadas em folha de alumínio de um lado, conforme a norma ASTM E1354. Nenhum quadro ou grade foi utilizada. Foram realizadas três experiências para relatar o valor médio. No teste de cone calorimétrico, os gases de combustão produzidos passam através do cone de aquecimento e são capturados por meio de um sistema de dutos de exaustão. O fluxo de gás, oxigênio, concentrações de CO e de CO2
e densidade de fumaça são medidos no duto de exaustão. As medições do fluxo de gás e a concentração de oxigênio é usada para calcular a quantidade de calor liberada por unidade de tempo e área de superfície, seno que entre outros tem-se a taxa de liberação de calor (HRR, expressa em kW.m-2). A evolução do HRR ao longo do tempo, em particular o valor do seu
pico/máximo, é geralmente levada em conta para avaliar as propriedades do incêndio.
3.3.6 Estudo de Eficiência Energética, Emissão de CO2 e Custos do consumo energético
A partir de um modelo de construção em 3D, modelado pelo software Revit® com configurações nas propriedades térmicas das paredes e cobertura, para comparação de eficiência energética, vinculado ao serviço Green Building Studio® (GBS) responsável pela simulação dinâmica energética de construções, com processamento em nuvem no servidor da Autodesk® (AUTODESK, 2019).
3.3.6.1 Modelo 3D
Para a realização da análise energética foi modelado uma casa com área de 45 m², com três ambientes sem especificações de cada, pois a simulação leva em conta parâmetros de uso de ambiente construído, sendo utilizado padrões de normativa, o modelo 3D pode ser observado na Figura 16 (AUTODESK, 2019).
Figura 16 - Modelo 3D área de 45 m2.
Fonte: Autor (2019).
Na Figura 17 tem-se a planta baixa dos ambientes, com paredes de 3 m de altura no primeiro piso e 55 cm no segundo piso, conectando com o telhado.
Figura 17 - Planta baixa com ambientes medidas em cm.
Na Figura 18 tem-se o corte do modelo e níveis dos pavimentos.
Figura 18 - Corte do modelo e níveis dos pavimentos.
Fonte: Autor (2019).
Para a análise energética foram criados dois tipos de paredes e dois tipos de estruturas de cobertura, após a análise térmica individual foi realizada uma comparação entre as paredes e entre os telhados.
3.3.6.2 Configuração dos materiais das paredes e telhado
Para a criação dos materiais utilizou-se a base de dados da Autodesk® presentes no
software Revit® utilizando as propriedades térmicas de cada material.
Na Figura 19 tem-se a modelagem da parede com núcleo de tijolo cerâmico com 12 cm e acabamentos laterais com argamassa em 1,5 cm, totalizando 15 cm de espessura.
Figura 19 - Parede de 15 cm de espessura sendo núcleo de tijolo cerâmico com 12 cm e acabamentos laterais com argamassa em 1,5 cm.
Fonte: Autor (2019).
Na Figura 20 tem-se a parede possuindo um núcleo com tijolo cerâmico de 9 cm e 3 cm de poliuretano (PU) também com 15 cm de espessura. No lado do poliuretano incluiu-se uma tela de aço galvanizado de 0,5 cm para a fixação de argamassa de 1 cm e para lado do tijolo acabamento externo com 1,5 de argamassa.
Figura 20 - Parede com 15 cm de espessura possuindo um núcleo com tijolo cerâmico de 9 cm e poliuretano de 3 cm com uma tela de aço galvanizado (0,5 cm) para a fixação de argamassa.
Para o comparativo da cobertura, se modelou uma telha cerâmica de 5 cm de espessura (Figura 21A) e uma telha com o núcleo com 4 cm de PU entre chapas de aço galvanizado de 0,5 cm (Figura 21B).
Figura 21 - (A) telha cerâmica de 5 cm de espessura e (B) telha com o núcleo com 4 cm de PU entre chapas de aço galvanizado de 0,5 cm.
Fonte: Autor (2019).
Um exemplo das propriedades térmicas do poliuretano pode ser observado na Figura 22, as demais propriedades térmicas dos materiais encontram-se no Anexo A.
Figura 22 - Propriedades do poliuretano consideradas para o calculo de análise energética da parede.
Fonte: Autor (2019).
Após as configurações das camadas e propriedades dos elementos no software Revit® calculou-se as propriedades de transmitância térmica (U), resistência térmica (R) e massa térmica para utilização no software GBS, cálculos estes baseados na ISO 6946.
Todos elementos do modelo virtual como lajes, janelas e portas também foram configurados para a análise energética, porém sem variações, sendo mantidos nas análises.
3.3.6.3 Green Building Studio
O GBS utiliza como base para as simulações dinâmicas energéticas o software
DOE-2.2®, criado um modelo de energia. Alguns dados de entrada da simulação dinâmica possuem
valores padronizados no Revit®, mas permitindo que o usuário escolha as opções disponíveis entre esses valores, as configurações dos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) e outras propriedades de consumo médio de energia da edificação são baseados nas amostragens realizadas pelo Commercial Building Energy Consumption Survey (CBECS), nas normas ASHRAE 90.1, ASHRAE 90.2, ASHRAE 62.1 e Código de Normas de Construção da Califórnia. (AUTODESK , 2019).
a) Configurações energéticas presentes no Revit® na aba análises e otimização de energia, onde as utilizadas encontram-se na Figura 23.
Figura 23 - Quadro de configurações de energia utilizados no modelo.
Fonte: Autor (2019).
As principais configurações para a utilização dos dados térmicos de todos os elementos e materiais da construção foram na aba Energy Analytical Model selecionado Use Building
Elements e selecionado a opção Detailed Elements no parâmetro de Material Thermal Properties.
Figura 24 - Configuração de localização e estação meteorológica do projeto.
Fonte: Autor (2019).
O endereço utilizado para o projeto e análise foi: Rua Felipe Schmidt, 1011 - Centro, Florianópolis - SC, 88015-670, a estação meteorológica 833732, e dados climáticos disponíveis no programa. Todo os parâmetros climáticos utilizados estão no ANEXO B.
c) Criação de uma modelo analítico de energia (Figura 25). Figura 25 - Modelo de energia gerado para análise energética.
Após todas as configurações de parâmetros para a análise energética no GBS foram gerados 2 modelos de energia, uma utilizando os elementos com PU e o outro sem.
d) Exportação dos dados no formato gbXML para o processamento em nuvem no site do GBS: https://gbs.autodesk.com/GBS/.
Os dados de consumo de energia e emissão de CO2 foram obtidos através do
processamento no GBS com o software DOE-2.2® baseados nos consumos médios do
Commercial Building Energy Consumption Survey (CBECS), nas normas ASHRAE 90.1,
ASHRAE 90.2, ASHRAE 62.1 e Código de Normas de Construção da Califórnia, além do tipo de sistema AVAC escolhido e nas propriedades dos materiais utilizados na edificação. A emissão de CO2 se dá pela utilização de gás natural para aquecimento de água e de ambientes.
Já o custo com o consumo de energia foi retirado valores do GBS, para energia elétrica R$0,17 kWh e R$0,0129 MJ o preço do gás natural.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES DO POLIURETANO E RETARDANTE DE CHAMA HALOGENADO E NÃO HALOGENADO
Como resultado da revisão de literatura foram encontrados 38 artigos, após leitura dos títulos e resumos foram selecionados 18 artigos (Figura 26), estes lidos por completo e utilizados como referência ao longo de todo o trabalho.
Figura 26 - Resultado de pesquisa bibliográfica utilizando as palavras chaves e filtros no período de 2014 a 2019.
Fonte: Autor, (2019).
Na Figura 26, os artigos foram separados nas categorias de acordo com o tema apresentado, sendo que foram: metodologia de resistência a chama, aproveitamento de resíduo, revisão de outros polímeros, estudos de aplicações com PU, reforço sinergético com PU, reforço sinergético com PVC, adição de materiais para resistência a chama e materiais renováveis para síntese de PU. Ainda na Figura 26 tem-se a quantidade de cada categoria de artigos e o ano de publicação, mostrando que o tema desse trabalho possui pesquisas relacionadas recentes, dando destaque a utilização de matérias que possuem efeito sinérgico com PVC (WANG et al., 2018;
0 1 2 3 4 5 6 7 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Qua nti da de de P ubli ca çõe s Ano Metodologias de resistência a chama Aproveitamento de resíduos
Revisão de outros polímeros
Estudo de aplicações com PU
Reforço sinérgico com PVC
Adição de materiais para resistência a chama Materiais renováveis para síntese de PU
SANG et al., 2017; ZHANG et al., 2017; GAO et al., 2016; JIA et al., 2015) porém nenhum destes artigos agrupa todos os temas, demonstrando assim a necessidade deste trabalho que foi desenvolvido.
A publicação de Somarathna (2018) dentro da categoria estudo de aplicações com PU apresentou uma revisão de estado da arte sobre PU e sua utilização em aplicações estruturais e de infra-estrutura de forma abrangente, em termos de propriedades de engenharia, revestimentos de proteção, utilização em compostos aplicações, e no reforço e adaptação de elementos estruturais com PU e seus componentes modificados produtos. Já Salmeia (2015) um entendimento completo das vias de decomposição e a atividade retardadora de chamas de um sistema essencial para o desenvolvimento de novas moléculas retardadoras de chamas ecologicamente corretas e com alta eficiência retardante de chamas. Marques (2019) apresentou um estudo utilizando tereftalato de polietileno e lodo da anodização de alumínio para produzir placas de poliuretano resistente ao fogo de diferentes densidades. Wang (2018) dentro da categoria reforço sinérgico com PVC demonstrou dois tipos de óxidos metálicos suportados por esferas de carvão ativado (ACS), Fe3O4 suportado por ACS e ACS-NiO, sintetizados e usados
como retardadores de chama para reduzir o volume de liberação de fumaça em PVC flexível.
4.2 CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA COM INCORPORAÇÃO DE POLICLORATO DE VINILA E LODO DE ANODIZAÇÃO DE ALUMÍNIO
Na Tabela 4 tem-se os resultados do teste de resistência à compressão, os valores aferidos de massa específica aparentes e resistência máxima de compressão.
Tabela 4 - Resultados dos ensaios de massas específica aparente e resistência a compressão Amostra Massa Específica Aparente [kgm-3] Resistencia a compressão [MPa]
PU 71,0±4,20 0,71±0,0052 PuPvc40 101,0±2,60 0,63±0,0180 PuAasPvc30 138,1±7,48 0,18±0,0013 PuAasPvc40 144,5±13,06 0,23±0,0015 PuAasPvc50 144,7±15,41 0,20±0,0015 Fonte: Autor, (2019).
Os materiais preparados apresentaram características elásticas e plásticas independentemente da adição de AAS e PVC, as deformações foram atribuídas à matriz de PU.
Na Tabela 4, o melhor resultado de tensão máxima de compressão foi de obtido de 0,63 Mpa para PuPvc40, mas inferior a 0,71 MPa para PU (MARQUES et al., 2018; MAGNAGO et al., 2017). Apesar do elevado volume de PVC (40%) na matriz de PU para PuPvc40 foi observado boa interação interfacial entre os componentes, mas esta foi reduzida com a adicionado AAS. A adição de PVC à matriz de PU provoca dois efeitos intermoleculares opostos. Em primeiro lugar, reduz as interações de hidrogênio na matriz de PU, em segundo lugar, a formação de interações intermoleculares entre os grupos Cl (PVC) e grupos NH (PU). A soma destas interações levou a uma pequena redução na propriedade de resistência mecânica do PuPvc40. Para PuAasPvc (30, 40 e 50% de PVC) ocorreu redução na tensão máxima suportada pelos compósitos. Provavelmente a adição 40% de AAS, foram cargas que rompendo as ligações existentes no PU e não compensando com a formação de ligações intermoleculares entre estes e o PU. Para a massa específica aparente, ocorreu um aumento com a adição dos resíduos de AAS e PVC (MARQUES el al., 2019; MAGNAGO et al., 2017; LI et al. 2014).
4.3 CARACTERÍSTICAS DE ESTABILIDADE TERMICA E FLAMABILIDADE
Fez-se o DTA/TGA dos compósitos para verificar as principais perdas de massa sabendo-se que a termólise do PVC proporciona a liberação de cloro em uma faixa ampla, a partir de 200 °C até 400 °C (WU et al., 1994), enquanto que o PU pode sofrer termólise a partir de 300 ºC (MARQUES et al., 2019; LAOUTID et al., 2009; MONTAUDO et al., 1993). A Figura 27 exibe os termogramas DTA/TGA de PU, PVC, AAS, PuAasPvc40, PuPvc40.
Fonte: Autor, (2019).
O AAS e o PU apresentaram curvas com um patamar de perda de massa, enquanto que o PVC apresentou dois patamares de perda de massa.
O AAS não apresentou nenhum pico típico de decomposição de hidróxido, mas uma sutil e ampla faixa de perda de massa até 600 °C, sendo que por espectrometria de absorção atômica e fluorescência de raios-X foi possível determinar que o principal metal constituinte do lodo foi o alumínio, encontrando-se como óxido hidróxido de alumínio, fosfato de alumínio e hidróxido de alumínio, mas também apresenta óxido deste elemento entre outros. No TGA não foram observados os picos de decomposição típicas do óxido hidróxido e hidróxido de alumínio (MARQUES et al, 2019).
A primeira fase de decomposição endotérmica do PU corresponde a quebra das ligações covalente do segmento rígido da uretana, a temperatura inicial da decomposição foi em 299 °C, com temperatura de 355 °C para a decomposição principal correspondendo a 33,42% de massa perdida. A segunda fase de degradação corresponde à decomposição térmica do poliol, segmento flexível poliol, a qual não apresentou um pico de decomposição (YANG et al., 2015). Na ausência de oxigênio, tem-se decomposição não oxidativa do PU a qual favorece a formação de metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e cianeto de hidrogênio (HCN).
As ligações C-Cl na estrutura de PVC têm uma energia de ligação mais baixa do que a energia das ligações C-C e C-H da cadeia principal do polímero, determinando que as ligações
de cloro sejam as primeiras a serem quebradas, marcando o início da degradação térmica do PVC. A descloração de PVC ocorreu a partir de 271 oC, na temperatura de 283 oC para a decomposição principal correspondendo a perda de massa de 55,23%, seguida da decomposição do resíduo carbonoso entre 446 oC e 495 oC com perda de massa de 29,45% e 10,52% respectivamente (ZEVENHOVEN et al. 2001; MA et al. 2002; QING-LEI et al. 2007).
O PuPvc40 apresentou três patamares de decomposição endotérmica nas temperaturas de 257 °C, 453°C e 508 °C, sendo duas temperaturas, primeira e segunda, de decomposição inferior à dos polímeros puros, e a terceira temperatura de decomposição do resíduo carbonoso superior à do PVC. Deste modo, verificou-se que a inclusão do PVC como carga no PU diminuiu a temperatura de início da degradação não oxidante do compósito, a temperatura de termólise do compósito foi inferior ao do PVC puro.
Para os compósitos PuAasPvc (30, 40 e 50% PVC) a decomposição foi semelhante, sendo que para PuAasPvc40 foram obtidos três picos de decomposição endotérmica ocorreram em 261 °C, 462 °C e 486 °C. Todas as temperaturas de decomposição do compósito foram inferiores as obtidas para os polímeros individuais, mas superiores as do PuPvc40 deste modo a incorporação de AAS como carga contribuiu para aumentar a estabilidade térmica dos compósitos (MARQUES et al., 2018). Desta forma, o PuAasPvc40 apresentou temperatura de termólise superior PuPvc40.
Durante um incêndio tem-se a degradação oxidante (combustão) dos materiais, um método amplamente utilizado para avaliação e especificação de facilidade de ignição e propagação de chama é a norma UL-94 (UL94, 2017; ASTM D3801). A norma UL-94 contém dois protocolos de teste sendo (1) o teste de queima horizontal e o (2) teste de queima vertical, sendo este último mais rigoroso devido à propagação vertical da chama ascendente.
Os espécimes foram investigados quanto ao comportamento durante combustão nas direções horizontal e vertical. Na Figura 28 tem-se os corpos de prova do PuAasPVC40 após teste de queima horizontal e vertical.
Figura 28 - Corpos de prova do PuAasPVC40 após teste de queima horizontal (esquerda) e vertical (direita).
Fonte: Autor, (2019).
No teste de queima horizontal todos corpos de prova auto extinguiram com a retirada da chama antes de atingir a marca de 25 mm, semelhante ao corpo de prova da esquerda da Figura 28. Os compósitos foram aprovados como material resistente a chama segundo o teste de queima horizontal (UL-94). O corpo de prova da direita da Figura 28 foi obtido após o teste de queima vertical, apesar de estar chamuscado, não foi consumido pela chama durante o teste.
Na Tabela 5 apresenta-se os resultados do teste de queima vertical, sendo observado o tempo para a primeira e segunda aplicação de chama, e verificação se os corpos de prova queimaram até o prendedor, se queimaram o algodão, bem como a classificação UL94.
Tabela 5 - Teste de queima vertical, sendo observado o tempo para a primeira e segunda aplicação de chama, estágio de queima e a classificação UL94.
Corpo de prova t1 (s) t2 (s) Queima até o prendedor
Queima do algodão
Classificação UL94
PU 20 - SIM NÃO NÃO
PuAasPvc30 9,4 9,8 NÃO NÃO V-0
PuAasPvc40 1,2 0,7 NÃO NÃO V-0
PuAasPvc50 3,2 3,4 NÃO NÃO V-0
PuPvc40 3 3 NÃO NÃO V-0
