AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA UTILIZAÇÃO DE UM PRIMER
ANTICORROSIVO BICOMPONENTE NO FENÔMENO DE INTUMESCÊNCIA EM UMA TINTA INTUMESCENTE FORMULADA COM GENGIBRE
S. C. de Sá1*, A. P. Cardoso1, A. V. Zmozinski1, R. S. Peres1, C. A. Ferreira1. 1Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Departamento de Materiais (PPGE3M) – Laboratório de Materiais Poliméricos (LAPOL) - Av. Bento Gonçalves, 9500 – Setor 4, Prédio 43426; Bairro Agronomia; CEP: 91.540-000 - Porto Alegre – RS - Brasil.
*stephaniedesa@gmail.com
RESUMO
Tintas intumescentes vêm se apresentando como uma excelente alternativa para a proteção de substratos metálicos contra o fogo. Em aplicações de alto desempenho, os revestimentos intumescentes ficam expostos a ambientes agressivos, o que torna necessário o desenvolvimento de alternativas que protejam o aço contra a corrosão e contra o fogo de forma concomitante. Logo, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência de um primer anticorrosivo à base de resina epóxi bicomponente no fenômeno de intumescência de uma tinta intumescente epóxi formulada com gengibre como fonte de carbono. A caracterização dos revestimentos foi realizada por análise termogravimétrica e por teste de resistência ao fogo. Além disso, a camada carbonosa protetora foi analisada microscopia óptica. A utilização de um primer anticorrosivo bicomponente permitiu que o fenômeno de intumescência da tinta ocorresse, melhorando o isolamento térmico do substrato quando em contato com uma fonte de calor, pelo aço ter atingido temperaturas inferiores.
Palavras-chave: Revestimento intumescente, Primer anticorrosivo bicomponente, Aço carbono, Gengibre.
INTRODUÇÃO
O aço é uma das matérias-primas mais importantes da atualidade e o seu uso estrutural é de grande importância em diversos setores da indústria. Especialmente em aplicações de alto desempenho, as estruturas ficam suscetíveis a meios agressivos, que podem deteriorar as propriedades do material, podendo levar ao colapso da estrutura (1). Além disso, o fato do aço conseguir manter as suas
propriedades estruturais até uma temperatura máxima de 500°C é preocupante no caso de incêndios acidentais (2). Desta forma, torna-se importante o desenvolvimento
de revestimentos capazes de proteger o aço contra o fogo, além da já difundida proteção contra a corrosão.
No que diz respeito à proteção contra o fogo, os revestimentos intumescentes apresentam um ótimo desempenho na proteção do aço. Eles são constituídos por três componentes básicos e indispensáveis para o funcionamento do sistema: fonte ácida, fonte de carbono e agente de expansão (3). O sistema intumescente começa a
agir a partir do momento que entra em contato com uma fonte de calor. Reações entre a fonte ácida e a fonte de carbono ocorrem, além da decomposição do agente de expansão, o que resulta na expansão do revestimento e consequente formação da camada carbonosa. A camada carbonosa formada que é a responsável por isolar termicamente o substrato, já que ela fica situada entre a chama e o aço (4).
Os revestimentos intumescentes já foram analisados quanto a sua resistência à imersão em solução salina, mas sem a devida caracterização eletroquímica dos mesmos. No entanto, a exposição prolongada desses revestimentos a meios salinos extremos fez com que a sua proteção contra o fogo fosse prejudicada (5). O
fenômeno de intumescência não se manteve e não houve, portanto, formação da camada carbonosa protetora. Isso ocorreu pela solubilidade dos componentes na solução de imersão e pela ação dos íons cloreto na melamina (6).
Um sistema anticorrosivo baseado em revestimentos geralmente é formado por mais de uma camada, tendo elas propriedades e objetivos diferentes. Para a aplicação em condições salinas mais agressivas, se faz uso de um primer e, geralmente, de um topcoat além do próprio revestimento localizado na região intermediária (7). A função do primer é garantir uma boa adesão do revestimento ao
substrato e proteger o metal contra a corrosão. Desta forma, o primer é formulado com pigmentos inibidores de corrosão e é importante ressaltar que ele é aplicado na
forma de uma camada de baixa espessura (principalmente quando comparado aos revestimentos intumescentes) (8).
Este trabalho tem como objetivo avaliar a influência da utilização de um primer bicomponente anticorrosivo na proteção contra o fogo de uma tinta intumescente, ou seja, verificar se e como o fenômeno de intumescência é afetado pela presença de um primer. Assim, foram realizados testes de resistência ao fogo com e sem a presença do primer, além da utilização de análise termogravimétrica e microscopia óptica para a caracterização dos revestimentos.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Para o preparo da tinta intumescente foram utilizados os seguintes componentes: resina epóxi monocomponente base solvente Araldite 488 N-40 (Huntsman), trifenil fosfato (TPP) (Tokyo Chemical Industry), ácido bórico (Synth), melamina (Sigma-Aldrich), dióxido de titânio (TiO2) (Polimerum Comp. Imp. Exp.
Ltda), gengibre em pó (Bravine). Já para o primer anticorrosivo, foram utilizados: resina epóxi bicomponente Araldite GZ 7071 X75 BR (Huntsman), endurecedor Aradur 450 BD (Huntsman), uma mistura de óxido de ferro II e III (Schoss), fosfato de zinco PZ20 (SNCZ), barita 8815 (Mineralia), talco (Polimerum Comp. Imp. Exp. Ltda), metil etil cetona (MEK) (NEON), xileno (NEON) e 1-butanol (Synth).
Preparação das tintas e dos corpos de prova
A tinta intumescente (9) e o primer anticorrosivo bicomponente (10) tiveram as
suas formulações baseadas na literatura. A formulação da tinta encontra-se na Tabela 1 e a do primer está presente na Tabela 2, sendo que ambas são dadas pela massa de tinta seca. Ambas as amostras foram preparadas em um dispersor de tintas modelo DISPERMAT N1 (WMA-GETZMANN GMBH) a uma rotação de 3000 rpm por 30 minutos, contados após a adição de todos os componentes da formulação. Após os 30 minutos, no caso do primer anticorrosivo, foi adicionado o endurecedor (a uma proporção de 19 phr) e ele foi homogeneizado por 1 minuto antes de ser aplicado na placa.
Tabela 1. Formulação da tinta intumescente. Componente Araldite 488 N-40 Gengibre Melamina Ácido Bórico TPP TiO2 % (m/m) 71,80 6,19 6,19 6,19 3,43 6,20
Tabela 2. Formulação do primer anticorrosivo.
Componente % (m/m) Araldite GZ 7071 X75 BR 28 Mistura de Fe2O3 e FeO 14,2 Fosfato de zinco (PZ20) 14,2 Barita (8815) 9,5 Talco 9,5
Metil etil cetona (MEK) 8
Xileno 13
1-butanol 3,6
As placas utilizadas como substrato foram de aço AISI 1010 com dimensões de 200 mm x 250 mm x 0,9 mm e o seu preparo consistiu em lixá-las com lixa #100 e desengraxá-las com acetona. Foram preparadas três tipos de placa: uma apenas com o primer anticorrosivo, uma com o primer e com a tinta intumescente e a última apenas com a tinta intumescente. O primer anticorrosivo foi aplicado com o auxílio de um pincel com uma espessura de tinta seca em torno de 75 µm. Já a tinta intumescente foi aplicada com uma espessura de tinta seca de 1,5 mm (obtida pela fixação de um molde com abertura retangular). No caso da placa com a tinta intumescente e o primer, o primer foi aplicado na placa e, apenas quando ele já estava completamente seco, a camada de tinta intumescente foi colocada sobre ele.
Teste de resistência ao fogo
O teste de resistência ao fogo foi realizado durante 30 minutos e a fonte de calor adotada foi um bico de Bunsen, tendo o metano 99% como gás de alimentação. O metano, por sua vez, gera uma chama que pode alcançar uma temperatura de até 1200°C. As placas de aço a serem analisadas foram fixadas com grampos e o bico de Bunsen foi posicionado a uma distância de 2,5 cm das mesmas. Durante toda a
queima, foi realizado o monitoramento da temperatura do substrato com o auxílio de um termopar tipo K (Thermomax), posicionado no ponto central da face posterior (sem revestimento) da placa de aço. Na Figura 1 está presente uma imagem fotográfica da metodologia adotada para os testes de queima. Por fim, a distribuição de temperatura do substrato foi analisada pelo uso de uma câmera termográfica Fluke Ti400 na região do infravermelho.
Figura 1. Imagem fotográfica do teste de resistência ao fogo.
Análise termogravimétrica
A estabilidade térmica das amostras de tinta e primer foi analisada por análise termogravimétrica (TGA) no equipamento TGA Q50 (TA Instruments) a uma taxa de aquecimento de 20°C/min. A faixa de temperatura adotada foi da temperatura ambiente até cerca de 950°C sob atmosfera inerte (nitrogênio) e atmosfera oxidante (ar sintético), sendo 10 mg a quantidade de amostra utilizada para a realização das medidas.
Microscopia óptica da camada carbonosa formada durante a queima
A caracterização da camada carbonosa protetora formada durante o teste de resistência ao fogo foi feita por microscopia óptica. A morfologia das mesmas foi analisada com o auxílio de um microscópio digital portátil (Dino-Lite Edge, modelo AM7915MZT) com capacidade de aumento de até 200 vezes.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Propriedades térmicas da tinta intumescente e do primer anticorrosivo
A análise termogravimétrica foi feita no primer e na tinta intumescente com o objetivo de avaliar a estabilidade térmica e a quantidade de resíduo gerada por ambos. Esses dois parâmetros são importantes quando é necessário avaliar a capacidade do revestimento de proteger o substrato contra o fogo. Os termogramas TGA e as curvas DTGA nas atmosferas inerte (nitrogênio) e oxidante (ar sintético) encontram-se na Figura 2.
Figura 2. Termogramas TGA (____) e curvas DGTA (- - -) em atmosfera inerte
(esquerda) e em atmosfera oxidante (direita) da tinta intumescente e do primer.
A tinta intumescente escolhida apresentou o melhor resultado na proteção contra o fogo em uma metodologia diferente de queima (em que um maçarico era utilizado como fonte de calor). O seu percentual de resíduo gerado por ela (cerca de 26% em atmosfera inerte e 10% em atmosfera oxidante) tem um valor satisfatório para a formação de uma boa camada carbonosa protetora (3, 11). O primer
anticorrosivo apresentou uma boa estabilidade térmica, inclusive superior à da tinta intumescente. Além disso, ele apresentou uma quantidade de resíduo em torno de 20%, que pouco foi alterada com a realização da análise em atmosfera oxidante. Como esperado, a quantidade de eventos foi maior em atmosfera oxidante, devido ao fato de o material inorgânico também poder ser oxidado neste tipo de atmosfera. Por fim, foi possível verificar a presença de compostos termicamente estáveis na tinta intumescente (decomposição em temperaturas superiores a 650°C) e no primer anticorrosivo (presença de um pico na curva DTGA a cerca de 500°C).
Influência do primer no teste de resistência ao fogo
A influência da presença do primer bicomponente anticorrosivo no fenômeno de intumescência foi avaliado pelo teste de resistência ao fogo. Além disso, uma placa revestida apenas com o primer foi submetida ao ensaio para que uma comparação com a placa de aço sem nenhum tipo de revestimento pudesse ser feita. Na Figura 3 estão presentes as curvas de monitoramento da temperatura ao longo dos 30 minutos de queima com chama direta do maçarico.
Figura 3. Monitoramento da temperatura durante a queima das amostras Aço sem revestimento, Primer, Tinta intumescente e Primer + Tinta intumescente.
A capacidade de isolamento térmico de uma tinta intumescente pode ser verificada na Figura 3. Enquanto a placa de aço sem nenhum tipo de revestimento atingiu temperaturas na ordem de 450°C, as placas contendo a tinta intumescente como parte do seu revestimento não ultrapassaram 200°C. É importante ressaltar que a temperatura de 450°C é muito perigosa para o aço, já que ele começa a perder as suas propriedades em torno de 450-500°C, comprometendo a estrutura na qual ele faz parte (2). O comportamento do substrato metálico revestido apenas com
primer frente à chama direta do bico de Bunsen foi bastante estável, atingindo temperaturas próximas a 400°C. Essa temperatura inferior da placa revestida com o primer em relação ao aço não revestido se deve à presença de um resíduo termicamente estável no primer, conforme foi verificado na análise termogravimétrica do mesmo (Figura 2). Esse resíduo contém, provavelmente, fosfato de zinco (11) e
óxidos de ferro, que contribuem na formação de uma camada fina entre a chama e o substrato, auxiliando nessa diminuição da temperatura.
Em relação à influência da presença do primer no funcionamento do sistema intumescente, observa-se que a capacidade de proteção da tinta intumescente contra o fogo se manteve com a adição do primer (Figura 3). Além disso, houve uma diminuição na temperatura atingida pelo aço com a presença do primer (que oscilou entre 50 e 100°C ao longo da queima) e a curva se apresentou mais estável. Essa diminuição da temperatura ocorre, possivelmente, pelo fato do primer constituir uma camada estável e fina de óxidos e fosfatos entre a camada carbonosa protetora formada e o substrato metálico. Assim, como ocorreu na comparação da placa não revestida com a revestida apenas com o primer, houve um menor desenvolvimento de temperatura no substrato. É importante ressaltar que o primer utilizado é baseado em uma resina epóxi bicomponente (ao contrário da tinta intumescente) e que esse tipo de resina não escorre quando em contato com uma fonte de calor (como ocorre com a resina epóxi monocomponente) (12).
A distribuição de temperatura no substrato metálico foi analisada por imagens na região do infravermelho. Na Figura 4 estão as imagens com as distribuições de temperatura das amostras nos minutos finais do ensaio de resistência ao fogo.
Figura 4. Imagens na região do infravermelho na parte de trás do substrato metálico das amostras (a) Aço sem revestimento, (b) Primer, (c) Tinta Intumescente e (d)
A partir da Figura 4 é possível observar que a distribuição de temperatura na face posterior do substrato é muito semelhante para a placa de aço sem revestimento (Figura 4a) e para a placa revestida apenas com o primer (Figura 4b). A presença dos círculos concêntricos é esperada, já que para essas duas amostras não existe um mecanismo que proporciona o isolamento térmico do aço (12). Além
disso, as temperaturas atingidas pelo substrato na região central da placa estão de acordo com os resultados obtidos com o termopar (Figura 3), principalmente nas amostras contendo a tinta intumescente. Por fim, verifica-se que a placa revestida com o primer e com a tinta intumescente apresenta temperaturas mais brandas e não há uma tendência à formação de círculos concêntricos com diferentes faixas de temperatura (como ocorre no aço não revestido).
Morfologia da camada carbonosa formada no teste de queima
A morfologia da camada carbonosa formada (no caso das placas revestidas com a tinta intumescente) e do próprio substrato metálico foram analisadas por microscopia óptica. As micrografias obtidas a partir desta análise estão apresentadas na Figura 5.
As diferentes colorações e a formação de óxidos diversos é esperada na placa sem revestimento (Figura 5a), já que ocorre a distribuição de temperatura ilustrada na Figura 4a (12). Em relação à placa revestida apenas com o primer anticorrosivo, é
possível verificar que realmente houve a formação de uma fina camada com compostos termicamente estáveis (Figura 5b). Essa fina camada confirma o resíduo gerado na análise termogravimétrica (Figura 2) e a diminuição da temperatura do substrato em relação a placa não revestida durante a queima (Figura 3).
As Figuras 5c e 5d apresentam, ambas, a formação de uma camada carbonosa, o que confirma a ocorrência do fenômeno de intumescência (11, 12). A camada
carbonosa formada possui uma região central de coloração branca, provavelmente devido à presença de óxidos termicamente estáveis, e apresenta aspecto poroso. Além disso, há a presença de rachaduras e a região central mais interna tem uma coloração de cinza claro. Por fim, a partir das Figuras 5c e 5d, percebe-se que não houve uma mudança significativa na morfologia da camada carbonosa com a presença do primer.
Figura 5. Micrografias obtidas por microscopia óptica das camadas carbonosas formadas durante o teste de resistência ao fogo das amostras (a) Aço sem revestimento, (b) Primer, (c) Tinta intumescente e (d) Primer + Tinta intumescente.
CONCLUSÕES
O uso de um primer bicomponente anticorrosivo não impediu o funcionamento do sistema intumescente; logo, houve a formação da camada carbonosa protetora. É importante ressaltar que a presença do primer não só permitiu que o fenômeno de intumescência ocorresse, mas também ocasionou uma diminuição da temperatura atingida pelo substrato metálico no teste de resistência ao fogo quando comparado ao substrato revestido apenas com a tinta intumescente. Além disso, não houve uma modificação significativa na morfologia da camada carbonosa protetora com a presença do primer. Por fim, o primer apresentou uma maior estabilidade térmica e uma maior quantidade de resíduo em relação à tinta intumescente. Desta forma, a presença de um primer bicomponente é benéfica para a proteção do substrato contra o fogo, o que faz com que não haja mais a necessidade de desenvolvimento de um revestimento bifuncional para suprir as propriedades intumescentes e
anticorrosivas necessárias para a aplicação de revestimentos intumescentes em plataformas offshore de petróleo e gás.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro e bolsas de estudo da CAPES, do CNPq e da FAPERGS. Além disso, os autores gostariam de agradecer à Adexim Comexim, pelo fornecimento das amostras de barita e de fosfato de zinco, e à Schoss, pelo fornecimento da amostra contendo a mistura de óxidos de ferro.
REFERÊNCIAS
(1) Yew, M. C.; Ramli Sulong, N. Fire-resistive performance of intumescent
flame-retardant coatings for steel. Materials and Design 2012, 34, 719-724.
(2) Wang, Z.-Y.; Han, E.-H.; Ke, W. Fire-resistant effect of nanoclay on intumescent
nanocomposite coating. Journal of Applied Polymer Science 2007, 103, 1681-1689.
(3) Jimenez, M.; Duquesne, S.; Bourbigot, S. Intumescent fire protective coating:
toward a better undestanding of their mechanism of action. Thermochimica Acta 2006, 449, (1-2), 16-26.
(4) Sorathia, U.; Beck, C. In Proceedings of the 41st International SAMPE Symposium
and Exposition, 1996; p. 687.
(5) Wang, L. L.; Wang, Y. C.; Yuan, J. F.; Li, G. Q. Thermal conductivity of
intumescent coating char after accelerated aging. Fire Materials 2013, 37, (6).
(6) Jimenez, M.; Bellayer, S.; Revel, B.; Duquesne, S.; Bourbigot, S. Comprehensive
study of the influence of different aging scenarios on the fire protective behavior of an epoxy based intumescent coating. Industrial & Engineering Chemistry Research 2013, 52, (2), 729-743.
(7) Kjernsmo, D.; Kleven, K.; Scheie, J. Corrosion Protection. Copenhagen: Bording
A/S, 2003.
(8) Sorensen, P. A.; Kiil, S.; Dam-Johansen, K. Anticorrorive coatings: a review.
Journal of Coatings Technology and Research 2009, 6, (2), 135-176.
(9) Ulah, S.; Ahmad, F.; Yusoff, P. S. M. M. Effect of Boric Acid and Melamine on the
Intumescent Fire-Retardant Coating Composition for the Fire Protection of Structural Steel Subtrates. Journal of Applied Polymer Science 2013, 128, (5), 2983-2993.
(10) Müller, B.; Poth, U. Coatings Formulation: An International Textbook. 2nd Revised
Edition. Hanover: Vincentz Network, 2011.
(11) Sá, S. C.; Souza, M. M.; Peres, R. S.; Zmozinski, A. V.; Braga, R. M.; Melo, D. M.
A.; Ferreira, C. A. Environmentally friendly intumescent coatings formulated with vegetable compounds. Progress in Organic Coatings 2017, 113, 47-59.
(12) Sá, S. C. Tintas intumescentes com propriedades anticorrosivas formuladas com
compostos vegetais para proteção do aço. 2017, 138p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Minas, Metalúrgia e Materiais) - Departamento de Materiais, PPGE3M-UFRGS/RS, Porto Alegre.
EVALUATION OF THE INFLUENCE OF THE USE OF A TWO-COMPONENT ANTICORROSIVE PRIMER IN THE INTUMESCENCE PHENOMENON IN AN
INTUMESCENT COATING FORMULATED WITH GINGER
ABSTRACT
Intumescent coatings have been presented as an excellent alternative for the protection of metal substrates against fire. In high-performance applications, intumescent coatings are exposed to aggressive environments, which makes it necessary to develop alternatives that protect steel against corrosion and fire concomitantly. Therefore, the objective of this work is to evaluate the influence of an anticorrosive primer based on two-component epoxy resin on the intumescence phenomenon of an intumescent epoxy coating formulated with ginger as a carbon source. The characterization of the coatings was performed by thermogravimetric analysis and by fire resistance test. In addition, the protective carbonaceous layer was analyzed by optical microscopy. The use of a two-component anticorrosive primer allowed the occurrence of the coating intumescence phenomenon, improving the thermal insulation of the substrate when in contact with a heat source, as the steel reached lower temperatures.
Key words: Intumescent coating, Two-component anticorrosive primer, Carbon steel, Ginger.
