CARACTERIZAÇÃO DO COMPÓSITO DE POLIESTIRENO RECICLADO COM PARTÍCULAS DE MADEIRA E AÇO
Resumo
O Poliestireno reciclado (PSr) é um termoplástico de temperatura relativamente baixa de processamento, esta característica torna o PSr um termoplástico de grande interesse para aplicações em compósitos com madeira. Neste estudo, foi utilizado PSr na preparação de compósitos termoplásticos com particulados de madeira (PSr/Wj) e reforço de aço. A resistência a flexão do compósito hibrido com 30% em fração mássica de madeira e 13% em fração volumétrica de aço foi doze vezes (12x) superior do compósito PSr/Wj com a mesma fração mássica. Por MEV foi verificado o molhamento da madeira pela resina polimérica não havendo necessidade de acrescentar agente compatibilizante, também apresentou deformação e descolamento do aço ocasionados pela transferência de tensão da matriz para o reforço.
Introdução
Compósitos naturais e estruturas criadas a partir de plásticos reciclados são muitos interessantes e importantes na engenharia de materiais modernos. A presença de embalagens plásticas pós-consumo no meio ambiente tem representado uma preocupação crescente da sociedade em função do alto volume, consequente descarte e lenta degradação [1].
Materiais ecologicamente corretos, que oferecem alternativas reais de lucro e produtividade para a indústria, já são uma realidade através de tecnologias, iniciativas, programas e incentivos já existentes e devem ocupar cada vez mais espaço na cadeia econômica global [2]. Entretanto, precisam passar de uma alternativa discursiva e secundária para se transformar em prioridade. O motivo para essa tomada de decisão é ao mesmo tempo claro e preocupante. É necessário trabalharmos com produtos que, ao longo de todo seu ciclo de vida ofereçam benefícios de menor impacto ambiental. A utilização destes materiais tem sido alvo de vários estudos com o objetivo de prolongar o seu ciclo de vida [3].
O trabalho proposto busca aliar a pesquisa na produção de compósito com a necessidade de reduzir significativamente o impacto ambiental através da reciclagem de resíduos sólidos plásticos, utilizando ferramentas simples que
minimizem os custos na confecção de piso para eco-catamarã. O critério utilizado na escolha do polímero para a matriz polimérica levou em conta principalmente o fato de obtenção de compósitos ambientalmente corretos, a disponibilidade do material entre os resíduos urbanos, e também o comportamento da facilidade no processo de infiltração polímero/madeira.
As caracterizações realizadas neste trabalho foram de extrema importância para desenvolver o piso do eco-catamarã Figura 1. O eco-catamarã foi projetado para remover resíduos sólidos flutuantes dos rios.
Figura1- Desenho esquemático do Eco-Catamarã Experimental
Materiais
Para a confecção das peças moldadas por compressão foram usados os seguintes materiais: Poliestireno reciclado (PSr), particulado de madeira jatobá (Jw), telas de aço soldadas e cargas mineiras. O poliestireno utilizado foram doados por comunidades e pela Universidade Federal do Pará (UFPA), estes por sua vez, após serem coletados foram selecionados pelos integrantes do projeto Eco-Barco. Os copos de PSr em seguida foram lavados em maquinas com hipoclorito em condições normais de temperatura, posteriormente foram secos com o objetivo de retirar a umidade residual do polímero. Depois da secagem os copos de PSr foram triturados no moinho de facas rotativos modelo NFA – 1533 marca RONE, para obtenção de fragmentos que foram classificados por fração granulométrica.
Os particulados de madeira utilizada para a realização deste trabalho foram doados pela empresa Tradelink Madeiras Ltda. Segundo o doador, a serragem foi obtida após o processamento secundário da madeira do cerne de árvores de Jatobá (Himenaeacourbaril), provenientes de áreas remanejadas no município de Novo Progresso - PA. Este particulado chegou ao laboratório Eco-compósito em formato de serragem, então foi realizada a separação granulométrica dos particulados
utilizando peneiras com malhas diferenciadas, dessa separação foram selecionados os particulados com maior quantidade de volume e que apresentassem boas características de processamento para o compósito. Sendo assim, o material selecionado foi o que ficou retido na peneira de mesh 28, ou seja, 0,2589mm de abertura.
O aço usado como reforço no compósito são telas soldadas que apresentam uma armadura pré-fabricada, constituída por fios de aço longitudinais e transversais sobrepostos e soldados entre si em todos os pontos de cruzamento, por corrente elétrica, formando malhas quadradas e fio possuindo 1,5mm de diâmetro.
Processamento
Para que o material fosse moldado por compressão a quente foram realizadas etapas preliminares que são mostradas em resumo pelo fluxograma da Figura 2. Esta mostra as etapas percorridas para chegar a obtenção do compósito. Na primeira etapa foram realizadas as coletas e reciclagem do poliestireno (PSr) e dos particulados de madeiras jatobá (Jw), estes passaram por uma separação granulométrica. PSr foi misturado com os particulados de madeira na proporção de 70/30 respectivamente, e posteriormente essa mistura foi infiltrada a uma temperatura de 190°C, por um tempo de 15min. Na segunda etapa o material infiltrado foi reforçado com tela de aço, além disso, uma nova mistura foi feita entre poliestireno e aditivos para cobri o produto infiltrado e o reforço, estes materiais foram moldados por compressão, e por ultimo esse compósito foi caracterizado.
Figura 2. Fluxograma dos procedimentos realizados
Moldagem por Compressão a Quente
O processamento das placas foi realizado em molde retangular de dimensões de 400 x 400 mm e espessura variando de 4 a 6 mm, de modo a atender as normas utilizadas na caracterização mecânica das amostras processadas. Os materiais foram aquecidos até a temperatura de 170°C, por um tempo de 15min, com carga de 2,5 toneladas. Apósterminado este ciclo o compósito foi resfriado até a prensa atingira temperatura ambiente. Durante todo este processo, a carga foi mantida em 2,5 toneladas.
Ensaios mecânicos
Tanto os ensaio de flexão como os de tração foram realizados na máquina universal EMICDL2000. A velocidade utilizada para a realização de ensaio de flexão foi de 2,0 mm/min, conforme norma ASTM D 790. O ensaio de tração foi realizado utilizando uma velocidade de 10 mm/min, segundo norma a ASTM D 638.A análise das propriedades de impacto dos compósitos foram analisadas utilizando impacto Charpy, sem entalhe, com pêndulo 300Nm, modelo GUNT HAMBURG WP 410 conforme norma ASTM D-256.
Para a análise de MEV foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura, SHIMADZU, modelo supercan SS-500, com uma tensão de aceleração de 5kV. Os corpos de provas utilizados foram fraturados no ensaio de impacto, sendo que as superfícies não foram recobertas antes das análises.
Resultados e Discussão
Confecção da placa
O PSr com e sem carga/reforço indicaram nível de moldagem satisfatório ao adquirirem a forma do molde sob a temperatura de fusão da resina, obtendo materiais de superfícieplana, sem indícios de degradações e aparentemente sem grandes defeitos como bolhas ou vazios. Aparentemente, compósitos e reciclados de PS não apresentaram marcas de soldagem. A Figura 3, apresenta o aspecto do compósito (PSr/Wj/aço ) obtidos através da moldagem por compressão.
Figura 3. Parte da placa produzida por moldagem por compressão a quente.
Ensaios mecânicos
Em se tratando de produtos com aplicações estruturais, as propriedades mecânicas dos compósitos termoplásticos com madeira são de fundamental importância. Todavia, embora a fibra de madeira apresente módulo de elasticidade em torno de 20-40 GPa, em se tratando de rigidez, as propriedades mecânicas dos compósitos termoplásticos com partícula de madeira tendem a ser inferiores às da madeira in natur (Correa 2003). A resistência à tração e o modulo de flexão de um composto depende, principalmente, das propriedades em tensão e flexão dos componentes individuais e da magnitude do trabalho de adesão interfacial.
Os resultados para a flexão foram melhorados com a presença da madeira e se intensificaram com a adição do aço ao compósito. A Figura 4 apresenta módulos de elasticidades para diferentes composições utilizando o poliestireno como matriz, sendo que o PSr, PSr/Wj, PSr/Wj/aço, foram valores encontrados para este trabalho,
enquanto que, o HIPS e PSa, são encontrados em literatura. Borsoi[4] trabalhou com a obtenção e caracterização de compósitos utilizando poliestireno como matriz e resíduos de fibra de algodão da industria têxtil na proporção 80 % PS puro com 20% de algodão sem agente compatibilizante e Ribeiro [5] trabalhou com o HIPS reciclado.
Figura 4. Comparativo dos módulos de elasticidades em flexão
Tração
Quanto ao modulo de elasticidade sobre tração Borsoi[4] encontrou um valor para o módulo de elasticidade superior utilizando a fibra de algodão 20% e o PS puro.
Impacto Charpy
O ensaio de impacto charpy mostrou o resultado obtido com base na energia que o corpo de prova absorve para deformar e romper.
Os resultados comparativos da Figura 5, revela que o compósito apresentou maior resistência ao impacto quando reforçado com o aço, este resultado por exemplo é superior ao encontrado por Costa [6] quando o PS é reforçado por fibra de açaí (SA) na proporção 80 e 20 % respectivamente, Borsoi[4] utilizou Ps puro com resíduos de algodão (PSa) na proporção 80 e 20%,e Ribeiro [5], encontrou um valor para o HIPS reciclado sem adição de SBS muito próximo do PSr.
Figura 5. Comparativo das resistências ao impacto dos reciclados de PS.
Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
Sabendo-se que, uma boa adesão entre a fibra e a resina é pré-requisito para uma boa transferência de tensões nos compósitos, a análise do modo de falha interfacial suportado pelo conhecimento da qualidade da adesão fibra/resina deve ser uma condição essencial para explicar a resistência à tração dos compósitos. Neste trabalho foi possível visualizar o molhamento da fibra celulósica pela resina termoplástica indicando boa interface polímero-madeira, deformação e descolamento do aço ocasionados pela transferência de tensão da matriz para o reforço como mostrado na Figura 6.
Figura 6. Microscopia eletrônica de varredura das amostras de PSr com particulado de madeira e aço
Conclusão
1. O modulo de elasticidade sobre a flexão foi intensificada na presença do aço 2. Os resultados dos testes de tração evidenciaram a ação positiva do aço na estrutura através do aumento do módulo de elasticidade
3. A resistência ao impacto quando adicionada o aço foi melhorada em 75%. 4. As análises de superfícies fraturadas por microscopia eletrônicade varredura mostrou o molhamento da madeira pela resina polimérica não havendo necessidade de acrescentar agente compatibilizante, também apresentou deformação e descolamento do aço ocasionados pela transferência de tensão da matriz para o reforço.
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