ICTR 2004 – CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
Costão do Santinho – Florianópolis – Santa Catarina
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PRÓXIMA
COMPÓSITOS PARA A INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA A PARTIR DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS E RESINAS TERMOPLÁSTICAS RECICLADAS Amanda Cristobal Rios Alcides Lopes Leão
COMPÓSITOS PARA A INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA A
PARTIR DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS E RESINAS
TERMOPLÁSTICAS RECICLADAS
Amanda Cristobal Rios e Alcides Lopes Leão1
O trabalho consistiu em desenvolver compósitos a partir de resíduos agroindustriais (bagaço de cana-de-açúcar moído, casca de amendoim moída, casca de arroz “in natura” e farinha de madeira) misturados com resinas termoplásticas recicladas (polipropileno, originado de pára-choques; polietileno de alta densidade, originado de engradados de bebidas), a fim de substituir o uso de termoplásticos virgens, reduzindo a extração de petróleo, além de produzir um material de menor custo. As blendas utilizadas foram: 80% resina - 20% fibra e 60% resina - 40% fibra, acrescido do tratamento de 50% resina - 50% madeira, pois esta fibra era a de menor tamanho, facilmente processada em qualquer equipamento convencional, e a mais utilizada na indústria automobilística. Este material foi submetido a blendas por derretimento: extrusão e injeção e, os corpos de prova foram avaliados em relação às propriedades mecânicas de resistência ao impacto IZOD, tração, flexão, densidade e dureza superficial, visando a obtenção de um material padrão que possa ser utilizado em larga escala na fabricação de um componente constituído por várias peças, reduzindo o número de materiais diferentes empregados e facilitando a desmontagem e a reciclagem. São materiais viáveis para o uso industrial porque melhoram muito as propriedades estudadas quando comparados à resina pura (controle – 100%). Sendo assim, produzem um compósito que pode baratear o produto final, mostrando-se uma alternativa de baixo custo para a reciclagem de plásticos e resíduos agroindustriais. Uma das melhores associações testadas foi 80% resina e 20% casca de arroz, analisando-se a maioria dos testes concomitantemente.
Palavras-chave: Compósitos, Polímeros, Resíduos Agroindustriais, Indústria Automobilística.
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Introdução
As sociedades atuais têm se preocupado em manter o equilíbrio da interação entre os sistemas naturais e os culturais, tecnológicos e econômicos. Redução do desperdício e reutilização dos resíduos são os grandes desafios futuros.
O automóvel é um item de consumo indispensável à vida moderna, levando a indústria automobilística a se preocupar com planos de gestão ambiental: economia de combustível, uso racional de matérias-primas, reciclagem e compromisso com todo o ciclo de vida do produto, inclusive seu destino final.
Há uma progressiva utilização de plásticos, fibras e compósitos pelas indústrias automotivas, pois estes materiais diminuem o peso e, conseqüentemente, aumentam a eficiência do veículo. Assim como, há a necessidade da substituição de resinas termofixas por termoplásticas, para facilitar a reciclagem.
As matrizes termoplásticas oferecem algumas vantagens que impulsionaram o seu uso em compósitos, tais como: capacidade de ser processadas em grandes volumes, possibilidade de reprocessamento, melhor resistência ao impacto, ciclo de processamento mais curto e maior confiabilidade na reprodução das peças (FREIRE et al., 1994). Alguns termoplásticos, como o polipropileno e o polietileno, podem ser derretidos diversas vezes em formas diferentes sem perdas significativas de suas propriedades físicas.
Os compósitos constituem uma classe das misturas poliméricas imiscíveis, de materiais heterogêneos, multifásicos, em que o componente estrutural (descontínuo) dá a principal resistência ao esforço, e o componente matricial (contínuo) é o meio de transferência desse esforço (MANO, 2000).
É possível combinar, misturar ou ligar lignocelulósicos ou fibras agrícolas com materiais como vidro, metais, plásticos e sintéticos, produzindo novas classes de compósitos, objetivando juntar dois ou mais recursos de modo que o sinergismo entre eles resulte em um novo material muito melhor que os componentes individualmente (ROWELL et al., 1997).
As vantagens no uso de fibras lignocelulósicas de crescimento anual como carga ou reforço em plástico são: baixa densidade, caráter não-abrasivo, alto nível de enchimento que resulta alta rigidez, alta propriedade específica, fácil reciclabilidade, diferentes padrões de quebra entre os vários tipos de fibras, não fraturam quando submetidas a processos de bruscas curvas, são biodegradáveis, há uma ampla variedade de fibras disponíveis pelo mundo, podem criar empregos rurais, consomem pouca energia e possuem baixo custo (ROWELL et al., 1997).
O primeiro obstáculo no uso de fibras agrícolas é a baixa temperatura a que são submetidas durante os processos, devido à possibilidade de degradação da lignocelulose ou de emissões voláteis. A temperatura limite está em torno de 200º C apesar de ser possível o uso de valores maiores por curtos períodos de tempo, restringindo, assim, o tipo de termoplástico que pode ser utilizado com a fibra agrícola. O segundo obstáculo é a alta absorção de umidade das fibras naturais, a qual pode alterar a estabilidade dimensional dos compósitos (ROWELL et al., 1997).
A indústria não procura, necessariamente, novos polímeros ou resinas, ela pretende obter vantagens financeiras a partir de uma cuidadosa seleção dos materiais. Por exemplo, reduzindo-se o número de tipos de plásticos, os fabricantes poderão comprar em maiores quantidades, o que levará a reduções nos preços das matérias-primas. No caso dos plásticos, e tendo em conta os custos de desmontagem, separação, coleta, transporte e limpeza, é provável que o processo
se torne rentável apenas para materiais de maior valor ou que se encontrem em abundância no automóvel (MEDINA, 2000).
O trabalho consistiu em desenvolver compósitos a partir de resíduos agroindustriais misturados com resinas termoplásticas recicladas, a fim de substituir o uso de termoplásticos virgens, reduzindo a extração de petróleo, além de produzir um material de menor custo.
Material e métodos
O trabalho foi conduzido no Laboratório de Resíduos Sólidos e Compósitos do Departamento de Recursos Naturais, da Faculdade de Ciências Agronômicas, da Universidade Estadual Paulista, Campus de Botucatu.
As fibras utilizadas no presente projeto foram: casca de amendoim moída, casca de arroz “in natura”, bagaço de cana-de-açúcar moído e farinha de madeira. Já as resinas termoplásticas foram: polipropileno, obtido de pára-choques de carros, e polietileno de alta densidade, obtido de engradados de cerveja.
As proporções utilizadas foram: 80% resina - 20% fibra e 60% resina - 40% fibra, acrescido do tratamento de 50% resina - 50% madeira. Este material foi submetido a blendas por derretimento: extrusão e injeção e, os corpos de prova foram avaliados em relação às propriedades físicas de resistência ao impacto Izod, tração, flexão, dureza superficial e densidade.
A análise estatística foi realizada considerando-se a técnica da análise de variância para o modelo com um fator, complementada com o teste de comparações múltiplas de Tukey.
Resultados
Os resultados obtidos nos ensaios de resistência ao impacto, à tração, à flexão, à dureza e densidade, referentes ao polipropileno associado a fibras vegetais comparados com o polipropileno puro, estão expressos nas figuras 1, 2, 3, 4 e 5 respectivamente. Já os resultados referentes ao polietileno associado a fibras vegetais comparados com o polietileno puro, estão expressos nas figuras 6, 7, 8, 9, 10 respectivamente. 0 10 20 30 40 50 60 J/m
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PP 100 80% PP e 20% fibra 60% PP e 40% fibra 50% PP e 50% fibra
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 MPa 80% PP e 20% fibra 60% PP e 40% fibra 50% PP e 50% fibra
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PP 100
Figura 2. Tração (MPa) observada em polipropileno (PP) associado a fibras vegetais.
0 2 4 6 8 10 80% PP e 20% fibra 60% PP e 40% fibra 50% PP e 50% fibra kg f Arroz
Amendoim Bagaço Madeira PP 100
Figura 3. Flexão (kgf) observada em polipropileno (PP) associado a fibras vegetais.
56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 Shore D 80% PP e 20% fibra 60% PP e 40% fibra 50% PP e 50% fibra
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PP 100
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 g/cm 3
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PP 100 80% PP e 20% fibra 60% PP e 40% fibra 50% PP e 50% fibra
Figura 5. Densidade (g/cm3) observada em polipropileno (PP) associado a fibras vegetais.
0 5 10 15 20 25 30 J/m 80% PEAD e 20% fibra 60% PEAD e 40% fibra 50% PEAD e 50% fibra
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PEAD 100
Figura 6. Impacto Izod (J/m) observado em polietileno (PEAD) associado a fibras vegetais.
0 5 10 15 20 25 MPa 80% PEAD e 20% fibra 60% PEAD e 40% fibra 50% PEAD e 50% fibra
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PEAD 100
0 2 4 6 8 10 12 80% PEAD e 20% fibra 60% PEAD e 40% fibra 50% PEAD e 50% fibra Arroz
Amendoim Bagaço Madeira PEAD 100
kg
f
Figura 8. Flexão (kgf) observada em polietileno (PEAD) associado a fibras vegetais.
58 60 62 64 66 68 70 72 Shore D
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PEAD 100 80% PEAD e 20% fibra
60% PEAD e 40% fibra 50% PEAD e 50% fibra
Figura 9. Dureza (Shore D) observada em polietileno (PEAD) associado a fibras vegetais.
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 g/cm 3
Amendoim Arroz Bagaço Madeira PEAD 100 80% PEAD e 20% fibra
60% PEAD e 40% fibra 50% PEAD e 50% fibra
Discussões
A análise de impacto Izod mostrou que o PP com 20% de casca de arroz foi estatisticamente igual ao com 20% de casca de amendoim e, maior que todos os tratamentos remanescentes. No caso do PP com 20% de casca de amendoim observamos igualdade estatística em relação ao PP com 20% de bagaço de cana, mas diferente dos demais tratamentos. Esse último teve resultado similar ao controle (100% de PP), contudo maior em relação ao demais. O impacto Izod para o PP com 20% de farinha de madeira foi estatisticamente igual apenas ao tratamento PP com 40% de bagaço de cana, sendo esse último igual aos demais remanescentes, exceto ao tratamento PP com 50% de farinha de madeira. Ainda, esse último tratamento foi similar ao PP com 40% de casca de arroz.O melhor resultado estatístico para tração foi obtido no tratamento controle (100% de PP), sendo este diferenciado dos demais. No caso do PP com 40% de casca de arroz observamos igualdade estatística em relação ao PP com 50% de farinha de madeira. Esse último teve resultado similar aos tratamentos PP com 20% de casca de amendoim, 20% de casca de arroz e 20% de farinha de madeira. Todavia, as trações para PP com 20% de casca de amendoim, 20% e 40% de bagaço de cana foram estatisticamente iguais. Ainda, o resultado do tratamento com 20% de bagaço de cana foi similar ao com 40% de farinha de madeira, ambos diferindo do PP com 40% de casca de amendoim.
A flexão obteve igualdade estatística nos tratamentos PP com 40% de casca de arroz, 50% de farinha de madeira e no controle (100% de PP). Subseqüentemente, as flexões para PP com 20% de casca de amendoim, 20% de casca de arroz, 40% de bagaço de cana e 20% e 40% de farinha de madeira foram iguais estatisticamente. Por último, os tratamentos remanescentes obtiveram resultados similares.
Obtivemos as maiores durezas nos tratamentos PP com 50% de farinha de madeira e com 40% de casca de arroz. Todavia, o primeiro foi estatisticamente maior do que todos os demais tratamentos, enquanto que o segundo foi também estatisticamente similar ao tratamento PP com 40% de bagaço de cana. As durezas nos tratamentos PP com 40% de bagaço de cana, 40% de farinha de madeira, 40% de casca de arroz e 40% de casca de amendoim foram estatisticamente similares entre si, porém apenas os três últimos tratamentos tiveram a dureza estatisticamente similar aos tratamentos PP com 40% de casca de amendoim, 20% de bagaço de cana, 20% de farinha de madeira e o controle (100% de PP).
A densidade foi maior nos tratamentos PP com 20% e 50% de farinha de madeira. Entretanto, o tratamento com 50% de farinha de madeira foi maior em relação a todos os demais, enquanto que o com 20% foi estatisticamente similar aos tratamentos PP com 20% de bagaço de cana e 40% de casca de arroz. Subseqüentemente, as densidades dos tratamentos controle (100% de PP), PP com 40% de farinha de madeira, 40% de bagaço de cana e 40% de casca de amendoim foram estatisticamente iguais, porém maiores que os tratamentos restantes, exceto o PP com 40% de casca de amendoim que é também estatisticamente similar ao tratamento PP com 20% de casca de arroz. Esse último tratamento é ainda similar ao tratamento PP com 20% de casca de amendoim.
A análise de impacto Izod mostrou que o PEAD com 20% de casca de arroz foi estatisticamente maior que todos os demais tratamentos. Em seguida, o impacto para o tratamento PEAD 20% de bagaço de cana foi maior que os demais tratamentos remanescentes, exceto o controle (100% de PEAD). Por sua vez, o
tratamento controle é similar também ao tratamento PEAD com 20% de farinha de madeira, porém estatisticamente maior que os demais. O impacto Izod para o tratamento PEAD com 20% de farinha de madeira foi estatisticamente similar aos tratamentos PEAD com 20% de casca de amendoim e 40% de bagaço de cana, mesmo assim superando as médias obtidas nos tratamentos remanescentes. Além disso, esse último tratamento foi similar aos tratamentos PEAD com 40% de casca de arroz e com 40% de farinha de madeira. Ainda, considerando-se esses dois últimos tratamentos, observamos resultados ao impacto similares ao tratamento PEAD com 40% de casca de amendoim. Por último, o impacto Izod no tratamento PEAD com 50% de farinha de madeira foi estatisticamente menor que os restantes.
O melhor resultado estatístico para tração foi obtido no tratamento PP com 40% de bagaço de cana, sendo este diferenciado dos demais. Os tratamentos com 20% de bagaço de cana e 40% de farinha de madeira foram iguais estaticamente. Esse último teve resultado similar aos tratamentos PP com 20% de madeira e 20% de casca de arroz, diferindo dos remanescentes, inclusive do tratamento controle. O tratamento PP com 20% de casca de amendoim foi similar apenas ao com 50% de farinha de madeira.
Obtivemos a melhor flexão no tratamento PP com 40% de bagaço de cana, sendo este diferenciado dos demais. No caso do PP com 20% de bagaço de cana, 20% e 40% de farinha de madeira observamos igualdade estatística, sendo que o com 20% de farinha de madeira também foi estatisticamente similar ao PP com 40% de casca de arroz. Este último não diferiu dos tratamentos com 20% de casca de arroz e 50% de farinha de madeira. Os demais tratamentos diferiram entre si.
Os melhores resultados estatístico para tração e flexão foram obtidos no tratamento PEAD com 40% de bagaço de cana, sendo este diferenciado dos demais. Os tratamentos com 20% de bagaço de cana e 40% de farinha de madeira foram iguais estaticamente.
As maiores durezas foram obtidas nos tratamentos PEAD com 40% de casca de arroz, com 20% e 40% de bagaço de cana e com 40 e 50% de farinha de madeira, sendo similares entre si. Porém, o tratamento PEAD com 50% de farinha de madeira foi o único a diferir dos restantes não mencionados, enquanto que os outros foram similares também aos tratamentos PEAD com 40% de casca de amendoim e com 20% de casca de arroz, os quais foram também similares entre si. Os tratamentos PEAD com 20% de casca de amendoim e 20% de farinha de madeira foram estatisticamente similares entre si e com os mencionados anteriormente, exceto com PEAD com 40% de casca de arroz, 40 % de bagaço de cana e 50% de farinha de madeira. A dureza do controle (100% de PEAD) foi similar apenas às obtidas nos tratamentos PEAD com 20% de casca de amendoim e 20% de farinha de madeira.
As médias das densidades obtidas decresceram significativamente a partir do controle (100 % de PEAD), seguido pelos tratamentos PEAD com 50% de farinha de madeira, com 40% de casca de arroz e com 40% de bagaço de cana. As densidades dos tratamentos PEAD com 40% de casca de amendoim e com 40% de farinha de madeira foram estatisticamente similares, porém ambas inferiores aos tratamentos mencionados acima. Por conseguinte, os tratamentos PEAD com 20% de casca de arroz, com 20% de bagaço de cana e com 20% de casca de amendoim também foram similares entre si, mas todos estatisticamente menores que os tratamentos já mencionados. Por último, a densidade obtida no tratamento PEAD com 20% de farinha de madeira foi a menor estatisticamente.
Conclusões
No presente estudo, a melhor associação dos plásticos testados foi com 20 % de fibra de casca de arroz, pois essa proporção resultou em um material altamente resistente ao impacto, leve e com promissora viabilidade de uso na indústria automotiva.
Os materiais 80% de resina e 20% de casca de arroz foram os mais resistentes ao impacto Izod porque obtiveram as médias mais altas nos resultados estatísticos.
Os tratamentos, PP com 20% de casca de arroz e com 20% de casca de amendoim, atingiram, além de ótimos resultados ao impacto, excelentes densidades, as duas mais baixas de todas as análises. Para a indústria automobilística, esses dados são positivos pois a redução do peso aumenta a eficiência do veículo. Entretanto, não são materiais com boa dureza porque obtiveram os menores resultados, logo, não são resistentes ao risco.
O tratamento PP com 20% de bagaço de cana também pode ser viável para a produção de peças resistentes ao impacto. Porém, é um material mais denso que o PP puro. E o tratamento PP com 50% de farinha de madeira é o mais indicado para utilização em locais que necessitam ser resistentes ao risco, pois teve a maior média para o teste de dureza. Mas, vale ressaltar que foi o material menos resistente ao impacto e o mais denso dentre as análises com polipropileno.
O melhor material para tração foi o PP puro (controle - 100%), seguido pelos tratamentos com 40% de casca de arroz e com 50% de farinha de madeira. Não houve muitas variações nos resultados obtidos nos testes de flexão. Igualmente ao ensaio de tração, os tratamentos mais viáveis foram PP puro (100%), com 40% de casca de arroz e com 50% de farinha de madeira.
Adicionar fibras ao polietileno (PEAD) resultou em melhores resultados ao teste de impacto Izod apenas no tratamento com 20% de casca de arroz, quando comparados ao controle. O tratamento PEAD com 20% de bagaço de cana também é bastante viável para o uso em veículos, pois obteve resultados similares estatisticamente ao controle com relação ao teste de impacto.
Levando-se em consideração a densidade, todos os tratamentos foram melhores que o controle. Os melhores resultados foram com PEAD mais 20% de madeira.
Assim como o polipropileno, o tratamento PEAD com 50% de farinha de madeira foi o mais fraco ao impacto, um dos mais densos, contudo o de mais alta média para dureza.
A melhor associação de fibras com PEAD, para resistência tanto à tração quanto à flexão, foi o tratamento com 40% de bagaço de cana.
Referências Bibliográficas
FREIRE, E.; MONTEIRO, E. E. C.; CYRINO, J. C. R. Propriedades Mecânicas de Compósitos de Polipropileno com Fibras de Vidro. Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Carlos, SP, ano IV, n.3, p.25-32, jul/set. 1994.
MANO, E. B. Polímeros como materiais de engenharia. Rio de Janeiro: Ed. Edgard Blücher Ltda, 2ª reimpressão, 2000. 197p.
MEDINA, H. V. O projeto e a difusão de novos materiais na indústria automobilística. 2000. Tese (Doutorado em Engenharia de Produção na COPPE), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro/RJ, 2000.
ROWELL, R. M.; SANADI, A. R.; CAULFIELD, D. F.; JACOBSON, R. E. Utilization of Natural Fibers in Plastics Composites: Problems and Opportunities. In: LEÃO, A. L.; CARVALHO, F. X.; FROLLINI, E. eds. Lignocellulosics – Plastics Composites, São Paulo, USP & UNESP, p. 23-51, 1997.
Abstract
DEVELOPMENT OF COMPOSITES FOR AUTOMOTIVE
INDUSTRY BASED ON AGRO-INDUSTRIAL RESIDUES AND
RECYCLED THERMOPLASTICS RESINS
The main objective of this project is the development of composites made from agro-industrial residues (like sugar cane bagasse, grounded peanut peel, natural rice peel and wood flour). These composites were blended with recycled thermoplastic resins (deriving from polypropylene of car bumpers and high density polyethylene from beverage plastic boxes). The material provided by this blending process permits saving non-renewable resources like virgin thermoplastics (from the extraction of petroleum), this process also reduces the costs. The proportions used in this experience were: 80% of resin with 20% of fiber, and 60% of resin with 40% of fiber, except to the wood flour that had higher levels, 50% of resin with 50% of fiber, because this fiber was the minor, easily processed in any conventional equipment, and the most used in the automobile industry. This material was subjected to melting blending: extrusion and injection. These characteristics of the sampling instruments had been checked in relation to the mechanical properties of hardness, impact resistance, tensile resistance, flexural resistance, and density, aiming at the attainment of a material standard that can be used in wide scale in the manufacture of a component consisting of some parts, reducing the number of used different materials and facilitating to the dismount and the recycling. They are viable material for the industrial use because they very improve the studied properties, when compared with the pure resin (control - 100%). Because of that, they produce a composite that can reduce the price of the final product, being an alternative of low cost for the recycling of plastics and agro-industrial residues. When the tests were analyzed concomitantly, one of the best tested associations was 80% resin and 20% rice rind.
