ICTR 2004 – CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
Costão do Santinho – Florianópolis – Santa Catarina
Realização:
ICTR – Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável menu ICTR2004 | menu inicial
PRÓXIMA
UTILIZAÇÃO DO GESSO COMO CARGA MINERAL NA FABRICAÇÃO DE TUBOS DE PVC
Malta, D. S. H. Lima, I. S. Camarotti, A. J. Amorim, S. P.
UTILIZAÇÃO DO GESSO COMO CARGA MINERAL NA
FABRICAÇÃO DE TUBOS DE PVC
MALTA, D. S. H.2, LIMA, I. S.3, CAMAROTTI, A. J.7 e AMORIM, S. P.5
Resumo
Tubos de poli(cloreto de vinila) (PVC), aditivados com gipsita (CaSO4.2H2O) e gesso
(CaSO4.1/2H2O), foram comparados ao tubo padrão aditivado com carbonato de
cálcio (CaCO3). O gesso não é uma carga tradicional utilizada em polímeros, mas
tem um grande potencial para esta utilização. O gesso possui baixa dureza (2,0 a 2,5 da escala MOHS), caracterizando-o como um material de baixa abrasão e que oferece, adicionalmente, a propriedade de retardar a propagação da chama. Este artigo apresenta alguns ensaios realizados no processo industrial e o impacto da nova carga na propriedade de transição vítrea (Tg) do tubo de PVC.
Palavras-chave: Poli(cloreto de vinila), Gesso (CaSO4.1/2H2O), Microscopia
eletrônica de varredura e Temperatura de transição vítrea (Tg).
Prof. Dr. Domingos Sávio Henriques Malta2, Profa. Dra. Ivânia S. de Lima3, Prof. M.Sc. Ângelo José Camarotti4 e Enga. Simone Peixoto Amorim5.
2,4
Departamento de Química da Universidade Católica de Pernambuco – UNICAP.
3
Escola Politécnica de Pernambuco da Universidade de Pernambuco – POLI-UPE.
5
INTRODUÇÃO
O carbonato de cálcio (CaCO3) é a carga utilizada na manufatura dos tubos de PVC.
Outras cargas minerais bastante utilizadas em polímeros e tintas são: o talco, o caulim, a sílica e a mica. A introdução de cargas em polímeros, além de possuir interesses econômicos, na redução do custo industrial, também se deve a exigências estritamente técnicas. A interface entre o polímero e a carga assume um papel decisivo nas propriedades mecânicas do compósito formado. Altas adesões, relacionadas com as propriedades químicas da carga e do polímero devem ser otimizadas, evitando vazios na região interfacial, o que provoca uma maior fragilidade do compósito.
A introdução de uma carga em um polímero deve ser bem analisada, pois há influências diretas no processamento, alterando a viscosidade do material fundido e contribuindo diretamente na resistência mecânica da peça manufaturada (RABELLO, 2000). Além das cargas, outros coadjuvantes são introduzidos nos polímeros. Durante o processo de extrusão, o PVC, sem estabilizantes e plastificantes, pode sofrer um processo de degradação térmica e mecânica, devido à sua baixa estabilidade a altas temperaturas (GUERRA, 2002). O PVC é um termoplástico, transparente, incolor com propriedades marcantes, podendo ser utilizado na confecção de inúmeros produtos (CHEN, 2004). Para a confecção de tubos de PVC, é comum serem utilizados corantes que aferem coloração branca ou marrom. Estes corantes evitam a passagem da luz solar, eliminando a possibilidade de formação de algas ou outros microorganismos, no interior do tubo.
Recentemente, Chen et al (2004) realizaram estudos térmicos em uma matriz de PVC com a carga de CaCO3. Observaram que os valores da Tg aumentaram com o
aumento da percentagem de CaCO3 adicionado à matriz polimérica, alterando assim
as suas propriedades mecânicas. A temperatura de transição vítrea (Tg) é um parâmetro importante usado no planejamento de processos e produtos poliméricos. Permite prever o comportamento de um determinado material em uma dada temperatura e está diretamente correlaciona com certas propriedades do material tais como: as mecânicas e as térmicas.
Os estabilizantes e os plastificantes são adicionados na polimerização com o objetivo de evitar degradação térmica e conceder flexibilidade e processibilidade aos polímeros. O aumento da flexibilidade dos polímeros está diretamente relacionado com a redução dos valores da temperatura de transição vítrea (Tg). Os plastificantes mais utilizados são os ftalatos. Estes constituem cerca de 70% dos plastificantes usados na manufatura do PVC. Vários estudos, encontrados na literatura, relatam a utilização de ftalatos no PVC (MARTIN, 2003).
Na tentativa de aumentar a demanda do gesso do sertão do Araripe, este trabalho tem por objetivo analisar a viabilidade técnica da substituição da carga de CaCO3
por gesso ou gipsita. O maior pólo gesseiro do Brasil está situado na região do Araripe no sertão pernambucano. Este trabalho apresenta os resultados dos primeiros ensaios realizados para a fabricação dos tubos de PVC com gipsita e gesso.
MATERIAIS E MÉTODOS
Tubos de PVC com as cargas de CaCO3 (padrão), com CaSO4.1/2H2O (gesso) e
com CaSO4.2H2O (gipsita) foram manufaturados diretamente nas extrusoras
industriais (mono e dupla roscas) do processo produtivo da Indústria TILETRON S.A., situada no município de Paulista – PE.
Para a fabricação dos tubos com a carga de gesso e gipsita, utilizaram-se os mesmos parâmetros de processo de mistura das matérias primas e extrusão, utilizados na fabricação de tubos de 20 mm NBR 5678, exceto quanto à redução do percentual das cargas de gesso e gipsita, à metade do percentual utilizado na carga de carbonato.
A gipsita e o gesso, ambos com 200 mesh, foram fornecidos pela Indústria SUPERGESSO S. A., sediada na região do Araripe – PE. A gipsita do tipo rapadura e cocadinha (nomenclaturas regionais), com 95 % de pureza, foi processada em um moinho de rolos tipo Raymond, a uma temperatura de calcinação de 160 oC para obtenção do gesso rápido, tipo fundição, NBR 13207.
Os tubos de PVC foram submetidos ao teste de pressão no Laboratório da TILETRON S.A. Neste teste, procura-se observar se há rompimento do tubo submetido a uma pressão de 60 kgf/cm2 durante 5 minutos. Caso haja alguma anormalidade, tais como: alterações e ondulações da superfície, aparecimento de bolhas ou rompimento do tubo, este é reprovado.
A composição química das cargas de gesso e gipsita, utilizadas nos tubos confeccionados durante o ensaio, foram obtidas por meio de análises físicas e químicas nos laboratórios do ITEP.
A Tabela 1 mostra a massa de cada componente da mistura que foi extrudada para a obtenção dos tubos de PVC com as cargas de CaCO3 (padrão), gesso e gipsita.
Na Tabela 2 estão apresentadas as principais condições de processo utilizadas para a obtenção dos tubos de PVC, ou seja, o perfil de temperaturas da extrusora e a amperagem do motor de acionamento de seus parafusos, principais parâmetros de operação.
.
Tabela 1 – Massas (kg) da mistura extrudada: Tubo A –
carga: CaCO3, Tubo B – carga: CaSO4.½H2O (gesso) e Tubo
C – carga: CaSO4.2H2O (gipsita).
Componente Tubo A Tubo B Tubo C
PVC 106,8 106,8 106,8
Estabilizante 2,3 2,3 2,3
Lubrificante 0,26 0,26 0,26
Tabela 2 – Dados de processo da extrusão. Tubo padrão
com CaCO3 (A), com gesso (B) e com gipsita (C).
Início fim
T1 T2 T3 T7 T5 T6 T7 Temperaturas da
extrusora (oC)
170 170 170 168 168 170 180
Tubo A Tubo B Tubo C
Amperagem do
motor (A) 19 20 22
As análises térmicas diferenciais e termogravimétricas (acopladas) – TG/DTA, foram
obtidas no equipamento DTG–60 da SHIMADZU, no Laboratório de Combustíveis (POLICOM) da POLI-UPE. Estas análises foram realizadas no intervalo de temperaturas de 25 a 300 ºC), em uma taxa de aquecimento de 5 ºC/mim, efetuada em atmosfera de nitrogênio.
Para efeito comparativo, também foram realizadas análises térmicas de amostras de tubo de PVC envelhecido (aproximadamente 10 anos), fabricado com CaCO3.
RESULTADOS E DISCUSÃO
A Figura 1 mostra os tubos obtidos nos ensaios realizados em extrusora industrial da TILETRON S.A. Observa-se que a coloração do tubo fabricado com o gesso (Tubo B) apresenta coloração mais escura que o tubo fabricado com carbonato (Tubo A), apesar das quantidades do corante óxido de ferro serem introduzidas na mesma proporção. Observa-se que o tubo C, fabricado com a gipsita, apresenta uma coloração mais clara devido à presença de várias bolhas formadas com a evaporação d’água de desidratação da molécula (Figura 1).
A
B
C
Figura 1 - Tubos de PVC de 20 mm (NBR 5678)
fabricados no ensaio. Tubo padrão com CaCO3 (A),
Na Tabela 2, observa-se o aumento da amperagem do motor da extrusora, quando da passagem das misturas contendo as cargas de gipsita e de gesso. Este aumento da amperagem significa que houve alterações na reologia da massa fundida, é válido lembrar que as percentagens de gesso e gipsita foram iguais à metade da carga de CaCO3, conforme indicado na Tabela 2.
A Tabela 3 apresenta os resultados do teste de pressão (60 kgf/cm2 durante 5 min) realizados nos tubos mostrados na Figura 1. Observa-se que a grande formação de bolhas nas paredes do tubo fabricado com a gipsita, prejudicaram sua resistência mecânica. O tubo foi reprovado no teste de pressão.
Tabela 3 – Teste de pressão: Tubo submetido à 60
kgf/cm2 durante o intervalo de 5 min. Tubo padrão com CaCO3 (A), com gesso (B) e com gipsita (C).
Tubo A Tubo B Tubo C
Teste de pressão
Aprovado Aprovado Reprovado
Os resultados das análises fisico-químicas realizadas no gesso e no CaCO3, estão
apresentados nas Tabelas 4 e 5, respectivamente. A granulometria da gipsita e do gesso foi obtida, por via úmida, utilizando-se álcool etílico anidro.
Tabela 4 – Resultados das análises
fisico-químicas do CaSO4.1/2H2O
utilizado na fabricação do tubos de PVC.
Análises realizadas %
Perda ao fogo (600 oC) 8,96
Água combinada a (230 oC) 5,28
Umidade a 75 oC 1,32
Resíduos insolúveis e Sílica 1,01
Sulfato (em SO3) 53,03
Cálcio (em CaO) 37,80
Os termogramas, apresentados na Figura 2, mostram as curvas de DTA obtidas em um intervalo de temperatura de 25 oC a 300 oC. Além dos tubos fabricados no ensaio, resolveu-se obter a curva DTA correspondente a uma amostra de um tubo envelhecido, curva D, com o objetivo de se avaliar a degradação deste material com aproximadamente 10 anos de uso e comparando-a às curvas do material ensaiado. As regiões de temperatura de transição vítrea dos tubos de PVC se encontram no intervalo de 75 oC a 90 oC. As curvas dos termogramas da Figura 2 indicam valores neste intervalo de temperaturas. Também observa-se nas Figuras 2 que a degradação térmica das amostras dos diferentes tubos de PVC se iniciam em diferentes temperaturas, acima de 220 oC.
Tabela 5 – Análises fisico-químicas do
CaCO3 de uso exclusivo em PVC,
utilizado na fabricação do tubo padrão de PVC.
Análises realizadas %
Perda ao fogo (600 oC) 73,00
Resíduo insolúvel 0,08
Óxido de silício 1,06
Óxido de ferro traços
Óxido de alumínio traços
Óxido de cálcio 53,00 Óxido de magnésio 2,70 Óxido de sódio 0,17 Óxido de potássio 0,06 Retenção em 700 mesh 0,197 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 0 50 100 150 200 250 300 350 Temperatura (oC) Fl uxo de C al o r ( W /g ) A B C D
Figura 2 - Curvas de DTA obtidas em um intervalo de temperatura de
25 oC a 300 oC.
A – Tubo com CaSO4.½H2O (gesso).
B – Tubo com CaSO4.2H2O (gipsita).
C – Tubo padrão com CaCO3.
D – Tubo envelhecido, padrão com CaCO3.
A Figura 3 mostra a região de transição vítrea do PVC em cada tubo analisado. Apesar de haver inflexões diferenciadas nas tangentes das curvas dos tubos fabricados com CaCO3 e gesso, os valores das Tg’s estão próximos (Tabela 6).
Estes valores foram calculados diretamente no “software” do equipamento utilizado. Observa na Tabela 6, que o valor da Tg de 88,15 oC, obtido no tubo de PVC com CaCO3, reduz para 87,35 oC no tubo fabricado com o gesso.
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 60 70 80 90 100 110 120 130 Temperatura (oC) F lu x o d e C al o r (W /g ) A B C D
Figura 3 – Termogramas dos tubos de PVC ensaiados. Ampliação da região onde ocorre a transição vítrea.
A – Tubo com CaSO4.½H2O (gesso).
B – Tubo com CaSO4.2H2O (gipsita).
C – Tubo padrão com CaCO3.
D – Tubo envelhecido, padrão com CaCO3.
Tabela 6 – Valores de Tg’s das amostras dos tubos de PVC. Tubo A - com gesso (200mesh);Tubo B - com gipsita; Tubo C - padrão com CaCO3; Tubo D -
envelhecido com CaCO3.
Tubo A Tubo B Tubo C Tubo D
Temperaturas de transição
vítreas ( oC) 87,35 88,95 88,15 88,02
Observa-se na Figura 4 as curvas de perda de massa obtidas simultaneamente à análise de DTA. As curvas A, B e C representam os tubos de PVC fabricados com gesso, gipsita e CaCO3, apresentando o mesmo comportamento, isto é, são
praticamente coincidentes. A perda de massa não foi afetada por possíveis interações existentes entre a carga e a matriz polimérica. Quanto ao tubo envelhecido (curva D), a perda de massa foi mais acentuada, representando maior degradação neste material.
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 0 50 100 150 200 250 300 350 Temperatura (oC) M as sa p er d id a x 1 0 0 ( % )
A=B=C
D
Figura 4 – Perda de massa dos tubos de PVC: com gesso (A), com gipsita (B), padrão com CaCO3 (C) e envelhecido, padrão com CaCO3 (D).
CONCLUSÕES
Os tubos de PVC com CaCO3, gesso e gipsita foram fabricados em extrusora
industrial da indústria TILETRON S.A. Os testes de pressão realizados na indústria reprovaram os tubos de PVC com a gipsita, devido à presença de bolhas nas paredes do tubo. Por outro lado, os tubos de PVC com gesso apresentaram resistência mecânica, mesmo usando esta carga com granulometria de 200 mesh, com grãos maiores que os do CaCO3.
O valor de temperatura de transição vítrea do PVC com CaCO3 (88,15 oC) foi
reduzido para 87,35 oC na amostra de tubo de PVC com o gesso, indicando que houve um aumento na flexibilidade da matriz polimérica, uma vez que a Tg está relacionada com esta propriedade.
Os valores de temperaturas na degradação térmica do PVC não sofreram alterações com a adição do gesso.
Como perspectivas deste trabalho, outros ensaios estão sendo executados com os tubos de PVC com o gesso, nas granulometrias de 400 e 600 mesh.
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos especiais a:
- Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco - FACEPE.
- Polimer Indústrias Químicas Ltda. - TILETRON.
- Supergesso S. A. Indústria e Comércio - SUPERGESSO.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CHEN, N., WAN, C. e ZHANG, Y. Effect of nano-CaCO3 on mechanical properties of PVC and PVC/Blendex blend. Mat. Properties, v.23, p.169–174, 2004.
GUERRA, R. M., MARÝN, S. e JIME’NEZ, A. Effect of pressure, temperature and time on supercritical fluid extraction of citrate and benzoate plasticisers from poly (vinyl chloride). J. of Supercritical Fluids, v. 22, p.111–118, 2002.
MARTIN, T. M. e YOUNG, D. M. Correlation of the glass transition temperature of plasticized PVC using a lattice fluid model. Pol.. Res. Laboratory, v. 44, p. 4747–
4754, 2003.
MONTAUDO, G. e PUGLISI, C. Pol. Deg. Sta., v. 33, p. 229-262,1991.
PERES, L., BENACHOUR M. e dos SANTOS V. A. “O gesso. Produção e utilização na construção civil”. Bagaço, Recife, 2001.
RABELLO, M. “Aditivação de polímeros”. Artliber, São Paulo, 2000.
SLAPAK, M. J. P., VAN KASTEREN, A. e DRINKENBURG, A. H.. Determination of the pyrolytic degradation kinetics of virgin-PVC and PVC-waste by analytical and computational methods. Comp. and Theo. Pol. Sci., v.10, p. 481- 489, 2000.
ABSTRACT
Pipes of polyvinyl chloride (PVC) filled with gypsum (CaSO4.2H2O) and plaster
(CaSO4.1/2H2O) have been investigated in comparison of standard tube filled with
calcium carbonate (CaCO3). Plaster is not a filler in polymers, traditionally, but we
believe that it have a great potential for this use. Plasters have a low hardness (2,0 a 2.5 in MOHS scale), characterizing as a material that have a low abrasion, and it give retardation to the fire propagation with a additional property. The present paper presents some essays realized in the industrial process and the impact of this new filler in the glass transition (Tg) properties of PVC pipe.
Key-words: Poly(vinyl chloride), Plaster (CaSO4.1/2H2O), Scanning Eletronic
