UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
PEDRO HENRIQUE PESTANA FELIPPE
ANÁLISE DA VARIAÇÃO DE PROPRIEDADES DO POLIPROPILENO RECICLADO DE RESÍDUOS CONTENDO CAMADA SUPERFICIAL DE TINTA
Lorena 2018
PEDRO HENRIQUE PESTANA FELIPPE
ANÁLISE DA VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DO POLIPROPILENO RECICLADO DE RESÍDUOS CONTENDO CAMADA SUPERFICIALD E TINTA
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de São Paulo como requisito parcial para conclusão da Graduação do curso de Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Clodoaldo Saron.
Lorena 2018
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente à família, elemento crucial e mais importante, que sem ela nada disso seria possível;
Ao orientador Prof. Dr. Clodoaldo Saron, pelo grande apoio e aprendizado não só com este trabalho, mas ao longo de toda graduação;
Ao colega Diego Pinzon, pelo auxílio na realização e desenvolvimento de toda a parte prática do estudo.
À Escola de Engenharia de Lorena, por todo o aprendizado e pela infraestrutura que possibilitou a realização deste trabalho;
À Plastic Omnium e seus colaboradores, pela ajuda no direcionamento da escolha do tema e fornecimento do material estudado;
Enfim, a todos os amigos, pela paciência, ajuda e satisfatório convívio ao longo de todos estes anos.
“Se vi mais longe, foi por estar sobre ombros de gigantes”.
RESUMO
Os polímeros termoplásticos na indústria automotiva ocupam um espaço importante como material de engenharia. Isso se deve a inúmeros fatores, mas principalmente por ser um material leve e com boas propriedades mecânicas, o que atrai cada vez mais sua utilização em componentes nos veículos, tornando-os mais eficientes. O processamento dos polímeros termoplásticos é relativamente mais simples e barato quando comparado a outros materiais, o que se reflete em uma alta produtividade, incentivando pesquisa e desenvolvimento na busca por preços competitivos. A reciclagem vem se mostrando um importante meio de redução desses custos, uma vez que se pode economizar até 70% da energia total utilizada no processo de fabricação em comparação ao processo empregando material virgem.
O presente trabalho tem como foco a avaliação da reciclagem primária do polipropileno oriundo de resíduos do processo de fabricação de para-choques para uma possível reinserção destes na linha de produção, promovendo uma redução de custos. No desenvolvimento do trabalho foram preparadas composições de polímero virgem com resíduos reciclados contendo camada superficial de pintura e também não pintados nas proporções em massa de 0, 15, 30 e 100%. Os materiais foram avaliados a partir das propriedades de resistência ao impacto, índice de fluidez e retração linear após injeção. De maneira geral, houve uma queda na resistência ao impacto principalmente para o material contendo tinta, que só se mostrou relevante para o material 100% reciclado. Quanto à fluidez, houve menor escoamento para o polipropileno com tinta não havendo uma tendência clara de aumento ou diminuição da propriedade com a variação na composição. Para a retração linear, houve um pequeno aumento dessa variação de comprimento para os corpos de prova sem tinta. O material então se mostrou possível de ser reutilizado para a fabricação de para-choques contendo até 30% de polímero reciclado.
ABSTRACT
Thermoplastic polymers in the automotive industry occupy important place as an engineering material. This is due to many factors, but mainly because it is a light material and good mechanical properties, which attracts more and more its use in components in vehicles, making them more efficient. The processing of thermoplastic polymers is relatively simpler and cheaper when compared to other materials, which is reflected in a high productivity, encouraging research and development in the search for competitive prices. Recycling has proven to be an important means of reducing these costs, since it can save up to 70% of the total energy used in the manufacturing process compared to the process using virgin material.
The present work focuses on the evaluation of the primary recycling of polypropylene from waste from the manufacturing process of bumpers for a possible reinsertion of these in the production line, promoting a reduction of costs. In the development of the work virgin polymer compositions were prepared with recycled residues containing paint surface layer and also unpainted in the bulk proportions of 0, 15, 30 and 100%. The materials were evaluated from the properties of impact strength, flow index and linear retraction after injection. In general, there was a drop in impact strength mainly for the paint-containing material, which was only relevant for 100% recycled material. As for the fluidity, there was a lower flow for the polypropylene with paint, there being no clear tendency of increase or decrease of the property with the variation in the composition. For linear retraction, there was a small increase in this variation of length for the unfilled test specimens. The material then proved to be possible to be reused for the manufacture of bumpers containing up to 30% recycled polymer.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Representação esquemática de um polímero: (a) Formação; (b) Formado. ... 4
Figura 2 - Exemplo de polimerização por adição do polipropileno. ... 5
Figura 3 - Visão esquemática de uma extrusora de termoplásticos ... 6
Figura 4 - Visão esquemática de uma injetora de termoplásticos ... 8
Figura 5 - Representação de equipamento para ensaio Izod. ... 11
Figura 6 - Processo de fabricação de para-choques simplificado e reciclagem primária dos resíduos gerados ... 13
Figura 7 – Pré-cominuição dos resíduos de para-choques: (a1) Material pintado antes da fragmentação, (a2) Material pintado pré-fragmentado, (b1) Material não pintado antes da fragmentação, (b2) Material não pintado pré-fragmentado. ... 15
Figura 8 – Moinho de facas: (a) Visão geral, (b) Destaque para o tamanho da zona de alimentação. ... 15
Figura 9 – Extrusora utilizada no processamento dos materiais. ... 17
Figura 10 – Injetora de termoplásticos. ... 18
Figura 11 - Corpos de prova injetados. ... 18
Figura 12 – Medidas para a obtenção da retração linear ... 19
Figura 13 – Plastômero de extrusão. ... 20
Figura 14 - Resistência ao impacto dos materiais. ... 22
Figura 15 - Índice de fluidez dos materiais. ... 23
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composições dos materiais em estudo. ... 16
Tabela 2 – Resultados de resistência ao impacto. ... 21
Tabela 3 - Índice de fluidez ... 23
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 1 2. OBJETIVOS ... 3 2.1 Geral ... 3 2.2 Específico ... 3 3. REVISÃO DA LITERATURA ... 4 3.1 Polímeros ... 4
3.2 Classificação dos Polímeros ... 4
3.3 Extrusão ... 6 3.4 Injeção ... 8 3.5 Índice de Fluidez ... 9 3.6 Ensaios de Impacto ... 10 3.7 Reciclagem de Polímeros ... 11 4. METODOLOGIA ... 14 4.1 Material ... 14 4.2 Moagem ... 14 4.3 Extrusão ... 16 4.4 Injeção ... 17 4.5 Índice de Fluidez ... 19 4.6 Resistência ao Impacto ... 20 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 21 5.1 Resistência ao Impacto ... 21 5.2 Índice de Fluidez ... 23 5.3 RETRAÇÃO LINEAR ... 24 6. CONCLUSÃO ... 26 7. REFERÊNCIAS ... 27
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1. INTRODUÇÃO
A substituição de materiais tradicionais por polímeros na indústria automotiva se deu de forma sucessiva ao longo de vários anos, mas apenas nas duas últimas décadas é que o ritmo dessa substituição aumentou. Isso se deve a vários motivos, de natureza econômica, tecnológica e histórica, que influenciaram esta mudança. Um importante acontecimento recente foram as crises do petróleo de 1973 e de 1979, que trouxeram a conscientização para o problema da escassez de combustível e para a vulnerabilidade do uso indiscriminado de recursos naturais de fontes não renováveis (SOUZA, 2010).
As crises desse período são consideradas como o instante determinante na tomada de posição quanto à fabricação de veículos mais seguros, confortáveis e eficientes, consumindo menos combustível e entregando mais desempenho. Vale dizer também que somente após o domínio de técnicas de fabricação e da Ciência de Polímeros como um todo é que foi possível iniciar essa transição de materiais para torna-los parte essencial dos carros (HEMAIS, 2003).
Os materiais poliméricos têm mostrado muitas vantagens sobre os materiais tradicionais que vieram a suceder, como o aço, o alumínio e o vidro, por exemplo. Eles conseguem proporcionar maior flexibilidade de projeto e economia na produção, além de possuir uma baixa massa específica, essencial para a diminuição de peso dos veículos e, portanto, na diminuição do consumo de combustíveis. Promovendo a substituição de materiais diversos por aproximadamente 100 quilos de plástico em um carro pesando uma tonelada, consegue-se uma economia de 7,5% de combustível. De maneira geral, a cada 100 quilogramas de materiais poliméricos utilizados, de 200 a 300 quilos de outros materiais deixam de ser consumidos, resultando em uma diminuição significativa do peso final. Considerando que a média de vida útil de um carro seja 150.000 quilômetros, essa redução pode acarretar numa economia de 750 litros de combustível por automóvel devido à utilização desse material (HEMAIS, 2003).
Outras vantagens oferecidas por esse tipo de material é a sua versatilidade para designs arrojados e inovadores e ao mesmo tempo relativa alta capacidade de absorção de energia, colaborando com a segurança das pessoas dentro do veículo. Devido à essas características, nos carros, são muito usados em para-choques junto ao sistema de absorção de impacto, sistemas que evitam explosão nos tanques de combustível, cinto de segurança,
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plástico um material essencial para a criação de veículos cada vez mais seguros. (MOVIMENTO PLÁSTICO TRANSFORMA, 2017).
Com flutuações no custo do petróleo somado ao aumento do custo das resinas plásticas, o custo de manufatura desses componentes se torna volátil e vem apresentando uma tendência de aumento com o passar do tempo. A reciclagem tem se apresentado como uma alternativa para o barateamento do processo de fabricação e por isso estimula pesquisa e desenvolvimento na área. De maneira geral, o custo de uma resina reciclada quando comparada à virgem é 40% menor, proporcionando aumento de competitividade em certos setores da indústria resultando em uma diminuição de custo para o consumidor final, além de ajudar na preservação ambiental (FERNANDES; DOMINGUES, 2007).
Boa parte dessa redução de custo é proporcionada pela economia de energia envolvida no processo de fabricação do plástico, que gira em torno de 70% de redução, considerando todo o processo, desde a exploração da matéria prima primária até o produto final. Além do mais, se o rejeito plástico permanece no ambiente, contribui com a poluição uma vez que o material leva décadas ou até mesmo séculos para se degradar em condições ambientes. A reciclagem então pode ser entendida tanto como uma alternativa para o as oscilações do mercado como também um meio de conservação dos recursos naturais (AMBIENTEBRASIL, 2017).
Dos componentes dos carros, os para-choques, devido à suas grandes dimensões quando comparados com outros componentes e por constituírem majoritariamente de um único material, o polipropileno (PP), são de fácil reciclagem. Porém, um problema é que são, em sua maioria, pintados para melhorar a aparência, resistência à intempéries e pequenos choques mecânicos, como o impacto de pedregulhos. No processo de reciclagem, pedaços de tinta se misturam ao produto reciclado podendo prejudicar as propriedades mecânicas e qualidade superficial da peça (FERNANDES; DOMINGUES, 2007). O presente trabalho trata do estudo da variação de algumas propriedades mecânicas do polipropileno com o aumento do percentual de polímero reciclado oriundo de para-choques pintados e não pintados.
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2. OBJETIVOS
2.1 Geral
Estudo da variação de propriedades do polipropileno reciclado proveniente da indústria automotiva com presença e ausência de camada residual de pintura.
2.2 Específico
Analisar a variação de propriedades como retração linear, índice de fluidez e resistência ao impacto com o percentual em massa de 0, 15, 30 e 100% de polipropileno reciclado pintado e não pintado misturado no polipropileno virgem, buscando ampliar o conhecimento técnico para viabilizar o uso de material reciclado no processo de fabricação industrial de para-choques com redução de custos.
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3. REVISÃO DA LITERATURA
3.1 Polímeros
A origem da palavra polímero vem do grego “poli”, que pode ser traduzido como muitos e “mero”, unidade de repetição. Desta maneira, polímero é uma molécula grande composta por inúmeras dezenas de unidades de repetição denominadas meros, ligados por ligações covalentes. A substância que origina um polímero é um monômero, ou seja, uma molécula unidade de repetição (CANEVAROLO Jr., 2006).
Para a síntese desse tipo de material são realizadas reações químicas denominadas de polimerização, no qual após a iniciação, as moléculas crescem enquanto são fornecidos reagentes para tal.
Uma maneira melhor para se compreender o que são os polímeros, é imaginar o elo de uma corrente como sendo um mero, as reações de polimerização como sendo o processo da junção deles, e um polímero como a corrente formada ao final do processo, considerando que os polímeros mais comuns são formados por meros simples (MANRICH, 2005). A Figura 1 representa um polímero e sua formação esquematicamente conforme a alusão aos anéis da corrente:
Figura 1 - Representação esquemática de um polímero: (a) Formação; (b) Formado.
Fonte: MANRICH, 2005.
3.2 Classificação dos Polímeros
A primeira classificação desse material pode ser em relação à sua origem, em dois grandes grupos: os naturais e os sintéticos. Esse tipo de material de origem natural serviu de padrão para pesquisadores na busca de semelhantes sintéticos, no período de grandioso desenvolvimento da ciência de química de polímeros, após a segunda guerra mundial, mais
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especificamente no final da década de 1950 (MANO, 1999). Alguns exemplos de polímeros naturais são: seda, couro, algodão, lã e sintéticos, plásticos, algumas borrachas e fibras. (CALLISTER Jr.; RETHWISCH, 2012).
Outra possível classificação dos polímeros é em relação ao método de sua obtenção, em que é usual a categorização em polímeros de adição e polímeros de condensação. No primeiro caso, as reações envolvidas ocorrem de maneira simples, sem formação de subprodutos, e no segundo, há o egresso dos monômeros de pequenas moléculas, como por exemplo, HCl, H2O, KCl, etc. Ademais, são conhecidos outros métodos não tão comuns, como a ciclização e abertura de Anel (MANO, 1999), que não fazem parte do escopo do trabalho seguinte. A reação de polimerização por adição pode ser mais bem representada pelo exemplo da Figura 2:
Figura 2 - Exemplo de polimerização por adição do polipropileno.
Fonte: Próprio autor.
Já em relação aos grupos funcionais presentes na macromolécula, ou seja, na estrutura química da cadeia, pode haver a subdivisão em vários grupos, como os poliésteres, polímeros com a presença do grupo funcional éster, poliéteres, com a presença de éteres, poliamidas, com presença de amidas, e a mesma lógica para poliuretanos, poliacetais, poli-hidrocarbonetos, etc. Este último tem as cadeias formadas basicamente de carbono e hidrogênio, as quais podem ser saturadas ou não, ou seja, com ou sem a substituição desses átomos por outros (cloro, flúor, etc.) e grupos funcionais (alquilas, carboxilatos, etc.) (MANO, 1999).
Uma outra importante classificação é quanto sua fusibilidade, que obriga a escolha mais adequada de tecnologias no processo de fabricação do produto. Os polímeros podem ser agrupados em termoplásticos e termorrígidos. Os termoplásticos fundem e/ou se plastificam sob cisalhamento e calor e solidificam e/ou endurecem quando voltam às condições iniciais, num processo reversível, enquanto os termorrígidos se degradam formando outras substâncias antes de atingirem tal temperatura. Geralmente, os polímeros
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termoplásticos são formados por cadeias lineares ou ramificadas, e os termorrígidos, por cadeias ligadas com ligações cruzadas (MANO, 1999).
O material do presente trabalho trata-se de um poli-hidrocarboneto saturado, termoplástico, de adição e sintético.
3.3 Extrusão
A extrusão consiste na passagem forçada de material termoplástico viscoso através de uma matriz aberta de maneira que tenha o comprimento desejado (até o corte da peça ou retirada de matéria prima na alimentação) e geometria do corte da secção transversal constante. O transporte do material provindo de uma moega de alimentação é feito através da rotação de uma rosca dentro de um tambor aquecido, onde é sucessivamente compactado, cisalhado, aquecido, e consequentemente plastificado, formando um fluido viscoso. O material então é solidificado após a sair da matriz, conservando sua forma, com o resfriamento que pode ocorrer com o auxílio de sopradores de ar ou banho de água. O equipamento pode ser visualizado de maneira esquemática na Figura 3:
Figura 3 - Visão esquemática de uma extrusora de termoplásticos
Fonte: Próprio autor.
Esta técnica é de extrema importância tecnológica, pois além de proporcionar alta produtividade em componentes como fios, perfis, lâminas, tubos e mangueiras, podem servir concomitantemente como câmara de mistura e homogeneização, tornando possível o incremento de aditivos, cargas e até mesmo outros polímeros no material. É um processo quase indispensável quando se trata de reciclagem de termoplásticos, uma vez que torna
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possível a produção de matéria prima para processos subsequentes, como injeção, por exemplo, e a adição de substâncias que retardam a degradação do material, sendo esse o principal desafio do processo de reciclagem (CALLISTER Jr.; RETHWISCH, 2012).
Dos componentes da extrusora, a rosca é um dos mais importantes, pois possui a função de transportar, fundir ou amolecer, homogeneizar e plastificar o material. É devido ao seu movimento e, portanto, o cisalhamento do material, que o componente gera aproximadamente de 70% a 80% da energia térmica e mecânica exigido para transformar o polímero. A outra parcela de calor é obtida por aquecedores externos ao barril, podendo ser proveniente de queimadores à gás ou resistores elétricos. Logo, a rosca, que realiza inúmeras funções, deve ser idealizada de maneira que seu desenho promova a máxima eficiência, ou seja, desempenhe sua função gastando o mínimo de energia possível, promova uma vazão constante, realize a plastificação e mistura sem causar danos ao material e por último, possua a máxima durabilidade (MANRICH, 2005).
Esse componente pode ser subdividido em três principais regiões: alimentação, compressão e controle de vazão. A zona de alimentação é encarregada pelo transporte inicial do sólido à frente do equipamento sem que haja retorno, compressão, pela plastificação do material com alto grau de cisalhamento e geração de calor e compensação do aumento da massa específica aparente com a remoção da massa gasosa dentre os péletes. Já o controle de vazão é responsável por finalizar a homogeneização e garantir um fluxo de material uniforme, sem pulsações (MANRICH, 2005).
Quanto às suas características geométricas, pode-se citar o diâmetro, profundidade inicial do canal, profundidade final do canal, passo, ângulo, espessura do filete, largura do canal, largura do canal e diâmetro do barril. Algumas relações entre essas medidas também são de extrema importância para um design adequado do componente para que se possa processar adequadamente cada tipo de polímero como, por exemplo, a relação comprimento diâmetro (L/D) e razão de compressão (RC). Um exemplo típico de rosca para processamento de polipropileno possui L/D em torno de 25:1 e RC = 3,5:1 à 4,5:1. Vale salientar que cada uma dessas variáveis vai influenciar em parâmetros como cisalhamento máximo, temperatura e produtividade do equipamento, sendo necessária muitas vezes uma geometria de rosca para cada tipo de plástico a ser processado.
No começo da rosca, o polímero proveniente do funil geralmente está à temperatura ambiente e na forma de grânulos (pellets), pós ou material moído, e nesse caso possui uma baixa massa específica aparente, com muito ar entre as partículas. Como durante o processo de amolecimento do material há a retirada desse ar do espaço entre partículas, a
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massa específica aumente em torno de duas até quatro vezes o valor inicial. Devido a isso, a rosca deve comprimir o material de tal maneira que compense essa variação de volume para manter os níveis de cisalhamento adequado sendo, portanto, igual ou superior à variação da densidade do plástico. Dependendo da sensibilidade do material ao cisalhamento, as roscas apresentam geralmente um valor de 18:1 a 5,5:1 de RC, sendo os mais próximos ao primeiro valor materiais mais resistentes à degradação por cisalhamento, e os mais próximos de 5,5, menos resistentes (MANRICH, 2005).
3.4 Injeção
O processamento termomecânico por injeção é um dos mais empregados na manufatura de termoplásticos. Esse se resume em introduzir forçadamente em um molde uma composição plastificada através de um cilindro aquecido, por acionamento de um êmbolo (MANO, 1999).
O equipamento é muito semelhante à uma extrusora: consiste em uma câmara cilíndrica aquecida, assim como o tambor, um parafuso sem fim com mobilidade axial, análogo à rosca, com a função de aquecer e plastificar o material antes de ser transportado aos canais de injeção do molde. A principal diferença entre a rosca da injetora e da extrusora, é que na primeira, não há necessariamente a função de misturar os materiais. Logo à frente de todo aparato, há o canhão, que possui o volume adequado para suportar a uma quantidade de material pré-programada exata e em seguida, o molde, que constitui de uma cavidade em um corpo normalmente metálico com a forma do produto final. A refrigeração do material é feita dentro do molde, através da troca de calor com as paredes, de forma a permitir a sua solidificação e a remoção do artefato sem deformação (MANO, 1999). Uma injetora pode ser visualizada de maneira esquemática na Figura 4:
Figura 4 - Visão esquemática de uma injetora de termoplásticos
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A injeção é um processo semicontínuo. Os ciclos de moldagem, que para peças grandes como apliques exteriores de peças automotivas, varia entre um minuto e um minuto e meio aproximadamente. Alguns exemplos comuns de peças que são fabricadas por esse método são: utensílios domésticos, brinquedos, bijuterias, pré-formas para moldagem a sopro, componentes automotivos, etc. O ciclo se inicia a máquina sendo alimentada por material granulado ou na forma de pélete, de tamanho médio mais homogêneo possível. O material então entra em contato com a rosca, que ao mesmo tempo em que se desloca para trás, empurra o material para frente o homogeneizando e plastificando e preenchendo o volume total da ponta do canhão com a quantia adequada de material a ser injetado no molde. Quando a quantidade adequada for atingida, é acionado um sistema elétrico, pneumático ou hidráulico empurrando a rosca para frente e consequentemente o polímero para dentro do molde. O material endurece, o molde se abre e assim se obtém o produto final possibilitando o início de um novo ciclo (MANO, 1999).
Um inconveniente dessa tecnologia de moldagem e termoplásticos é a grande quantidade de material gerado após a retirada da peça injetada do molde, na forma de galhos e varas onde havia a alimentação de material no molde com plástico fundido. Esses resíduos, assim como as peças reprovadas por defeitos de qualidade no processo fabril, são geralmente reutilizados por meio da reciclagem. Esse inconveniente é excluído com o uso de moldes de canal quente, mas só são empregados em casos muito especiais (MANO, 1999).
3.5 Índice de Fluidez
Índice de fluidez é uma medida de fluidez dos polímeros para controle da qualidade da matéria-prima, servindo também como padrão para classificação de resinas quanto ao processamento e aplicação. O equipamento para medida do IF consiste em um barril aquecido com um pistão acionado por um peso padrão. O polímero flui por um canal de pequeno diâmetro também chamado de capilar, igualmente padronizado. O valor do IF é a massa que flui pelo capilar durante 10 minutos (g/10 min). As normas fixam os parâmetros principais para um teste de IF. Por exemplo: 1) capilar D = 2,095 mm; L = 8 mm; 2) carga ou massa sobre o material: 2,16 kg para PE (190°C); 2,16 kg para PP (230°C) (CANEVAROLO Jr., 2006). O resultado da análise serve como uma aproximação do comportamento reológico do material plastificado ao ser forçado contra um orifício em
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determinadas condições de temperatura e cisalhamento, podendo-se o extrapolar para algumas técnicas de processamento dos termoplásticos.
3.6 Ensaios de Impacto
A verificação do comportamento sob altas taxas de deformação de materiais poliméricos é de grande importância, haja vista o grande número de aplicações práticas sujeitas a solicitações dessa natureza, como, por exemplo, choques mecânicos em batidas e quedas. Desta maneira, a resistência ao impacto é comumente usada como critério de seleção de materiais. Muitos polímeros com comportamento considerado satisfatório para determinadas aplicações são rejeitados para outras por apresentarem um mecanismo de fratura frágil quando submetidos a esforços repentinos. Estes materiais, considerados normalmente dúcteis em testes nos quais a deformação se dá de maneira lenta ou moderada, quando possuem um agente concentrador de tensão como um vinco ou um entalhe (devido a algum defeito na peça ou mesmo à sua geometria), apresentam fratura frágil e absorvem pouco ou quase nenhuma energia no processo de fratura. (CANEVAROLO Jr., 2006).
O principal valor para quantificar a resistência de um corpo ao impacto é a energia de impacto por unidade de área. Os métodos de ensaio mais comuns utilizam o principio da absorção da energia potencia gravitacional de um corpo em queda em energia de superfície. Vários modos de impactos são comuns, como o impacto sob tração e queda livre de dardo, mas apenas dois se destacam na esfera acadêmica e industrial, sendo eles o impacto Izod e Charpy (CANEVAROLO Jr., 2006).
Esses ensaios mais comuns são especificados pelas normas BS 2782 e ASTM D-256 e consiste em um martelo conectado a um pêndulo que é solto de uma altura fixada e que desce oscilando para colidir com o corpo de prova posicionado na parte mais baixa da trajetória, e em seguida, continuar seu caminho até uma segunda altura necessariamente menor do que a primeira. Um entalhe com dimensões especificadas é feito no corpo de prova, simulando uma trinca. A fratura se inicia nas vizinhanças da ponta do entalhe e se propaga através da seção transversal da amostra. Este se comporta como um agente concentrador de tensão, minimizando ao máximo a deformação plástica e reduzindo o espalhamento da energia para a fratura (CANEVAROLO Jr., 2006).
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A energia necessária para romper o corpo de prova é a soma das energias para iniciar e propagar a trinca, que é medida com a diferença da altura inicial e final do pêndulo, admitindo-se que essa energia potencial gravitacional tenha se transformado integralmente para fraturar o corpo. Em alguns casos, a resistência ao impacto depende mais da energia para a criação da trinca do que da energia para propagá-la (CANEVAROLO Jr., 2006). A Figura ilustra o equipamento usado para ensaios de impacto, de acordo com a norma ASTM D 256.
Figura 5 - Representação de equipamento para ensaio Izod.
Fonte: ASTM, 2004.
3.7 Reciclagem de Polímeros
O termo reciclagem pode ser entendido de maneira geral como o processo de reaproveitamento de um resíduo. A reciclagem de materiais poliméricos pode ser dividida em quatro categorias: primária (I), secundária (II), terciária (III) e quaternária (IV):
I - Reciclagem primária: É a transformação de resíduos poliméricos industriais via processamento padrão em produtos com propriedades semelhantes ou suficientemente equivalentes à das matérias primas utilizadas no processo. Alguns exemplos comuns são a
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reciclagem de galhos de injeção e peças reprovadas por critérios de qualidade e reinserção desse material na matéria prima original.
II - Reciclagem secundária: Consiste na transformação de refugo polimérico urbano através da combinação de processos em produtos menos nobres, ou seja, com menor requisito de propriedades do que o material obtido. Um exemplo é a reciclagem de embalagens de polipropileno para a obtenção de sacolas plásticas e sacos de lixo.
III - Reciclagem terciária: Se baseia num processo tecnológico para produção de combustíveis ou insumos químicos a partir de resíduos plásticos, geralmente através de câmaras de pirólise com atmosfera controlada.
IV - Reciclagem quaternária: Também um processo tecnológico, porém a fim de obter a recuperação parcial da energia utilizada no processo de fabricação do material por meio de incineração controlada.
A reciclagem primária e a secundária são conhecidas como reciclagem mecânica ou física. A diferença básica entre as duas é que na primária usa-se o polímero após algum processo de fabricação industrial e na secundária, polímero após o consumo pelo cliente final. Outro nome para a reciclagem terciária é reciclagem química e para a quaternária, reciclagem energética (SPINACÉ, M. A. S.; De PAOLI, M. A., 2005).
Resumidamente, o processo de fabricação de para-choques se baseia em três etapas principais: a injeção, a pintura e a montagem de componentes. O processo se inicia com o recebimento da material prima polimérica do fornecedor, que é transportada até a injetora. O equipamento por sua vez, molda o material no formato do produto final, que é direcionado à linha de pintura. Depois de pintado, a peça é levada até a linha de montagem, onde serão encaixados componentes como grades, frisos, e sensores e então, o produto final é vendido ao cliente. Caso a peça não atenda os critérios de qualidade, são descartadas.
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A reciclagem primária ou mecânica, foco deste trabalho, visa reaproveitar esses rejeitos por meio de moagem, extrusão e granulagem. O processo de produção simplificado com o reaproveitamento dos rejeitos via reciclagem é ilustrado na figura 6:
Figura 6 - Processo de fabricação de para-choques simplificado e reciclagem primária dos resíduos gerados
Fonte: Próprio autor.
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4. METODOLOGIA
4.1 Material
O material utilizado para o estudo foi polipropileno virgem, da fabricante Borealis, sendo um produto refugo do processo de injeção e um refugo do processo de pintura, todos doados por Plastic Omnium do Brasil (Taubaté, SP, Brasil).
Diante de uma vasta gama de materiais disponíveis para o desenvolvimento do trabalho, foram definidos alguns critérios de seleção para minimizar o número de variáveis que pudessem interferir no resultado final das análises.
Foi decidido utilizar um produto que em sua composição utiliza-se integralmente resina virgem, tanto para direcionar estudos do emprego de polímero reciclado no processo de fabricação tanto para que, nos processos subsequentes, parte do material não fosse submetida à reciclagem por mais de uma vez, possibilitando então analisar precisamente o impacto real de apenas uma reciclagem nas propriedades do material.
Foi também escolhido trabalhar com um único produto, desde a resina virgem, passando pelo produto injetado e finalmente, no pintado final. Essa decisão elimina a possibilidade da presença de aditivos desconhecidos usados entre as diferentes matérias primas dos diferentes clientes.
Enfim, o produto selecionado foi uma cor de grande volume de produção, possibilitando maior impacto econômico nas possíveis decisões futuras caso haja alteração na matéria prima.
4.2 Moagem
Com o material recebido na forma de peças de para-choques de grandes dimensões, a primeira etapa do processamento do material foi a pré-cominuição em serra fita de bancada. Cortou-se então o material em pedaços em torno de 15 cm x 15 cm de maneira que fosse possível a alimentação do moinho de facas em etapa subsequente de moagem. A Figura 4 ilustra o material antes e após a etapa de pré-cominuição do material
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Figura 7 – Pré-cominuição dos resíduos de para-choques: (a1) Material pintado antes da fragmentação, (a2) Material pintado pré-fragmentado, (b1) Material não pintado antes da fragmentação, (b2) Material não
pintado pré-fragmentado.
Fonte: Próprio autor.
Após a fragmentação inicial o material foi moído em um moinho de facas da marca Momeso (Figura 5). Obteve-se aproximadamente 4,5 kg de material moído não pintado e contendo resíduos de pintura.
Figura 8 – Moinho de facas: (a) Visão geral, (b) Destaque para o tamanho da zona de alimentação.
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É importante ressaltar que assim na moagem como em todos os processos posteriores trabalhou-se primeiro o material não pintado e depois o pintado para evitar a contaminação do primeiro com tinta.
4.3 Extrusão
Com o material reciclado já moído e o polímero virgem, foram pesadas as quantidades necessárias em balança semi-analítica para formar as composições segundo a Tabela 1:
Tabela 1 – Composições dos materiais em estudo.
Composição Polímero virgem (% em massa) Reciclado não pintado (% em massa) Pintado (% em massa) V 100 - - A1 85 15 - A2 70 30 - A3 - 100 - B1 85 - 15 B2 70 - 30 B3 - - 100
Fonte: Próprio autor.
Em seguida, as composições foram submetidas ao processamento por extrusão em uma extrusora Imacon com temperaturas de 50ºC na zona de alimentação, 170 ºC na zona de compressão, 190 ºC na região de controle de vazão e 200 ºC no cabeçote, com rotação da rosca em 40 RPM. A figura 6 apresenta uma foto do equipamento utilizado no experimento.
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Figura 9 – Extrusora utilizada no processamento dos materiais.
Fonte: Próprio autor.
O equipamento foi alimentado continuamente com as composições na ordem V, A1, A2, A3, B1, B2 e B3, com descarte de aproximadamente 300 g de material entre as trocas de composição. Na saída da matriz, os fios de material extrudado foram resfriados na cuba do próprio equipamento com água na temperatura ambiente e depois, granulados em um dispositivo de facas giratórias acoplado ao equipamento para obtenção de grânulos com tamanho médio mais uniforme possível com o objetivo de garantir qualidade na etapa de injeção.
4.4 Injeção
Depois da etapa de extrusão, o material já na forma de grãos foi espalhado em bandejas de alumínio e secado a 100 °C durante 2 horas em estufa para remoção da umidade, visto que no processo de extrusão houve contato direto com a água.
A injetora Diplomat SPAZIO DW130 Platinum Plus foi ligada e ajustada com pressão de injeção em 100 MPa, pressão de recalque em 100 MPa, 15 segundos de tempo de resfriamento, 50 ºC na zona de alimentação, 170ºC na zona de compressão, 190 ºC na região de controle de vazão e 200 ºC no bico injetor. A Figura 7 apresenta uma foto da injetora de termoplásticos utilizada para o processamento dos materiais.
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Figura 10 – Injetora de termoplásticos.
Fonte: Próprio autor.
O equipamento operou continuamente com as composições na mesma ordem em que foram extrudadas com aproximadamente 400 g cada uma, o suficiente para a confecção de 25 a 30 corpos injetados. Do número total de corpos injetados para cada amostra, foram descartados os cinco últimos e os primeiros para minimizar a chance de se analisar material com composição divergente, restando somente seis deles. A Figura 12 mostra os corpos de prova injetados, de tração e impacto, ambos provenientes do mesmo molde.
Figura 11 - Corpos de prova injetados.
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Com um paquímetro, foi obtida a medida de comprimento da cavidade do molde destinada à confecção dos corpos de prova de impacto, 125,50 mm, e dos corpos de prova injetados para o cálculo da retração linear do polímero. A retração linear é a medida do percentual de diminuição do comprimento de um corpo ao passar da temperatura de processamento à temperatura ambiente que pode ser obtida conforme a relação abaixo:
( ) | |
Sendo “A” o comprimento da cavidade do molde e “B”, o comprimento do corpo de prova. Estas medidas são representadas na Figura 12:
Figura 12 – Medidas para a obtenção da retração linear
Fonte: Próprio autor.
4.5 Índice de Fluidez
A determinação do índice de fluidez foi feita com base na norma ASTM D1238-13, com 2,16 kg de carga e temperatura de 230 ºC, no plastômero de extrusão da marca Ceast. A figura 9 apresenta uma imagem do equipamento utilizado.
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Figura 13 – Plastômero de extrusão.
Fonte: Próprio autor.
Com o equipamento ligado e já aquecido até a temperatura configurada, a matriz foi posicionada no local adequado e o material granulado foi inserido na câmara quente. Posicionou-se o cilindro com o peso fixado em na parte superior e o polímero plastificado começou a escoar no formato de filete, o qual foi cortado a cada 10 segundos até 1 minuto e 40 segundos, totalizando dez corpos de prova. Os corpos foram pesados e os cálculos de conversão foram realizados para extrair o resultado em g/10 min.
4.6 Resistência ao Impacto
Os corpos de prova gerados no processo de injeção foram cortados ao meio para obter dimensões requeridas pela norma ASTM D256-04 para a realização dos ensaios pelo método Izod. Foram realizados entalhes nos corpos de prova em entalhadeira ajustada para realizar a operação de acordo com a norma ASTM D256-04. Os ensaios de resistência ao impacto foram realizados em um equipamento XJU 22 D, com martelo de 2,74 J em temperatura ambiente.
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5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Resistência ao Impacto
Os valores da Tabela 2 apresentam os resultados médios de resistência ao impacto, em energia por unidade de área de cada composição, e seus respectivos desvios padrão.
Tabela 2 – Resultados de resistência ao impacto.
Composição Resistência ao impacto (kJ/m²) V 46,81 ± 2,09 A1 44,47 ± 3,07 A2 43,29 ± 2,11 A3 38,75 ± 1,30 B1 44,91 ± 1,42 B2 42,84 ± 2,43 B3 29,26 ± 3,03
Fonte: Próprio autor.
Na figura 10 os resultados de resistência ao impacto dos materiais são comparados de forma gráfica.
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Figura 14 - Resistência ao impacto dos materiais.
Fonte: Próprio autor.
O aumento do percentual de material reciclado em até 30% no polímero virgem ocasionou um sutil decréscimo da resistência ao impacto do material, em menos de 10% quando comparado o valor do polímero virgem, o qual pode ser desconsiderado pela sobreposição dos desvios padrão de todos esses pontos. Para o material 100% reciclado houve uma queda considerável dessa propriedade, em 17,2% para o polímero reciclado não pintado e 37,5% para o pintado.
É notável também a grande diferença entre os valores obtidos com material reciclado pintado e não pintado, mostrando que para o material com 100% de polímero reciclado a presença de tinta afeta o desempenho mecânico do material. Esse efeito pode ser devido à fraca aderência entre a matriz de polipropileno e as partículas de tinta não plastificada (material termorrígido). As partículas metálicas de tinta podem também estar atuando como concentradores de tensão no material, diminuindo a sua resistência ao impacto. 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 0% 15% 30% 100% R es is tê n ci a ao Im p ac to (k J/m² )
Percentual de Material Reciclado
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5.2 Índice de Fluidez
Na Tabela 3 são apresentados os resultados de índice de fluidez.
Tabela 3 - Índice de fluidez
Composição Índice de fluidez (g/10 min)
V 17,24 ± 1,98 A1 16,13 ± 0,89 A2 17,95 ± 0,83 A3 17,83 ± 1,20 B1 15,42 ± 1,37 B2 16,00 ± 1,07 B3 15,47 ± 1,03
Fonte: Próprio autor.
Na Figura 11 os resultados de índice de fluidez são apresentados de forma gráfica.
Figura 15 - Índice de fluidez dos materiais.
Fonte: Próprio autor. 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 0% 15% 30% 100% Ín d ic e d e F lu id e z (g/1 0 m in )
Percentual de Material Reciclado
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De maneira geral, observa-se variação insignificante dos valores de fluidez para o material com o acréscimo do uso de polímero reciclado. Pode-se notar que os valores de índice de fluidez para todos os materiais permaneceram em torno de 16 g/10min. Portanto, o material reciclado não apresenta modificações estruturais relevantes, tais como degradação com variação de massa molar, que possam afetar suas características de fluxo. Assim, não é necessário fazer ajustes nas condições de processamento do material por injeção para uma possível confecção de para-choques com composições contendo material reciclado.
5.3 RETRAÇÃO LINEAR
Na Tabela 3 são apresentados os resultados de retração linear para os materiais.
Tabela 4 – Retração linear.
Composição Retração linear (mm/mm)
V 0,71% ± 0,018% A1 0,76% ± 0,036% A2 0,86% ± 0,041% A3 0,97% ± 0,021% B1 0,83% ± 0,047% B2 0,82% ± 0,033% B3 0,83% ± 0,030%
Fonte: Próprio autor.
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Figura 16 - Retração linear dos materiais.
Fonte: Próprio autor.
A variação de dimensões de peças injetadas, sobretudo de grandes dimensões como os para-choques é muito importante, tendo em vista que uma peça fora do dimensional estabelecido em projeto pode não encaixar na carroceria do carro ou não ter seus componentes encaixados da maneira adequada.
Observa-se uma leve tendência de aumento nos valores de retração linear com o aumento do percentual de polímero reciclado utilizado. Porém, de maneira geral, a variação é muito pequena mesmo no caso de utilização de 100% de material reciclado.
0,00% 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 0% 15% 30% 100% R et ra çã o li n ea r (m m /m m )
Percentual de Material Reciclado
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6. CONCLUSÃO
A incorporação de polímero reciclado na composição do polímero virgem utilizado para a fabricação de para-choques de veículos resultou em mudanças nas propriedades do material. A resistência ao impacto do material diminuiu com o aumento do teor de polímero reciclado. Entretanto, essa diminuição não foi significante com o uso de até 30% em massa do material reciclado na composição. Somente com o uso de material 100% reciclado é verificada depreciação significativa dessa propriedade, principalmente para o polímero reciclado contendo resíduos de tinta. Quanto às propriedades de fluxo do polímero no estado fundido e de retração linear após a moldagem não são verificadas mudanças significativas que possam comprometer a qualidade da peça moldada utilizando os parâmetros de processo do experimento.
Desta forma, considerando as propriedades do material avaliadas, é possível incorporar até 30% em massa de polímero reciclado contendo ou não resíduos de tinta sem que haja mudanças significativas no desempenho destas propriedades do material. Somente o uso de material 100% reciclado não é recomendado quando se deseja manter o desempenho de propriedades da peça de para-choques moldada.
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7. REFERÊNCIAS
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