CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DOS RESÍDUOS DE Pinus spp. PARA FABRICAÇÃO DE COMPÓSITOS PLÁSTICO-MADEIRA
Rômulo Maziero1, André Itman Filho2, Kinglston Soares3
1Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais –
PROPEMM, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo – IFES, Av. Vitória, 1729, Jucutuquara, CEP 29040-780, Vitória (ES).
maziero.ifes@gmail.com
1,2,3Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo – IFES
RESUMO
O objetivo deste trabalho foi a caracterização química dos resíduos de Pinus spp. para utilizá-los como reforços particulados na fabricação de compósitos com matriz de resina termoplástica de polipropileno, em presença e ausência de compatibilizante PP-g-AM. Este resíduo, de difícil descarte, é gerado nas serrarias e causa impactos ambientais consideráveis. Nesta pesquisa foi utilizado material coletado em uma serraria típica para fabricação de ripas e tábuas. Inicialmente o resíduo do processamento mecânico da madeira foi seco ao ar livre e separado em peneiras para distribuição granulométrica. A composição química quantitativa do resíduo foi determinada seguindo os preceitos das normas técnicas. As análises apresentaram um elevado teor de lignina acompanhado de baixo teor de cinzas. Estes constituintes são responsáveis pela rigidez e resistência à oxidação. Os resultados obtidos mostram que o elevado teor de lignina acompanhado do baixo teor de cinzas no resíduo é fator importante nas propriedades mecânicas quando utilizado como reforço particulado na fabricação de wood-plastic composite.
Palavras-chave: Pinus spp.; reforços particulados; compósitos poliméricos;
INTRODUÇÃO
No Brasil, o processamento de Pinus spp. na indústria madeireira aumentou nos últimos anos em razão do reflorestamento com incentivos fiscais. As estimativas indicam que do volume de madeira serrada produzida no País, aproximadamente 18
milhões de m3, mais de 35% é formado da madeira de Pinus. Atualmente, existe um
número significativo de plantações do gênero Pinus para o fornecimento de matéria prima, especialmente nas regiões Sudeste e Sul do País.
A geração de resíduos é uma consequência natural do processo de transformação da madeira e, se não tratada corretamente, pode comprometer os ecossistemas locais e regionais. Os resíduos podem ser destinados a pequenos produtores rurais, para utilizar em criadouros, forragem de solo nas lavouras, ou vendidos para indústrias de briquetes, olarias e empresas de fertilizantes. Os resíduos de madeira podem também ser utilizados como reforços na fabricação de compósitos plástico-madeira denominados comercialmente WPC (wood-plastic composites).
Atualmente é comum a fabricação de compósitos WPC com resina de polipropileno e madeira, utilizando um compatibilizante para melhorar a adesão entre a matriz e a carga. O compatibilizante PP-g-AM (polipropileno grafitizado com
anidrido maleico) de nome comercial Polybond® 3200 é um dos mais utilizados, pois
apresenta ótima adesão entre a interface matriz/carga(1).
A possibilidade do uso dos resíduos, além de melhorar a imagem das indústrias perante a sociedade, gera empregos nas unidades fabris, pela simples transformação em novos produtos. A inclusão de resíduos particulados de Pinus spp. em matriz termoplástica proporciona resultados consistentes para uso comercial(2).
O setor automotivo foi o pioneiro na utilização de resíduos vegetais do gênero Pinus em compósitos, para fabricação de peças com redução aproximada de 40%
do peso(3). Uma das causas que impedem o aumento da produção dos compósitos
plástico-madeira é a distância entre as serrarias e as indústrias de transformação,
além do pouco conhecimento das qualidades dos resíduos(4).
Conhecer as propriedades dos resíduos e utilizá-los adequadamente é importante para produzir produtos ecologicamente corretos com redução de custo. Estes novos materiais podem trazer vantagens na produção de componentes com
maior estabilidade dimensional, menor peso e fácil processamento(5). A caracterização da madeira quanto à densidade, umidade e composição química, é fundamental para a correta utilização deste material(6, 7).
Como principal constituinte do Pinus spp., a lignina é um material que apresenta baixa densidade e abrasividade, com propriedades interessantes para utilização como carga em substituição a cargas minerais. Com certos polímeros, em formulações adequadas, a lignina pode formar compósitos parciais ou completamente biodegradáveis(8). Além disso, em virtude de natureza fenólica, a lignina pode melhorar as propriedades dos materiais poliméricos com relação à resistência mecânica, à oxidação, à irradiação e à exposição em temperaturas elevadas(9).
Quanto menor o percentual de cargas inorgânicas em compósitos termoplásticos, menor a temperatura de processamento; o ciclo de moldagem em produtos injetados; o peso específico; o desgaste de ferramentas e o aumento a resistência à tração e flexão(10).
Neste contexto, o presente trabalho teve por objetivo a caracterização química dos resíduos de Pinus spp. para utilizá-los como reforços particulados na fabricação de compósitos plástico-madeira.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os resíduos de Pinus spp. foram coletados após o processamento mecânico da madeira em uma serraria, secados ao ar livre e caracterizados quanto à granulometria (ASTM D 1921-01), massa específica aparente (ASTM C 29/C 29M-07), o teor de umidade (TAPPI T 421 om-02) e os constituintes lignocelulósicos (TAPPI T 204 cm-97, TAPPI T 211 om-02, TAPPI T 222 om-02). O processo foi realizado no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo (IFES – Campus Vitória).
Diferentes misturas de polipropileno, resíduos (10, 20, 30, 40%) e compatibilizante PP-g-AM (1, 5, 10%) foram preparadas. Esta etapa foi realizada no NRPP (Núcleo de Reologia e Processamento de Polímeros) da UFSCar (Universidade Federal de São Carlos). Foi utilizada uma extrusora dupla rosca corrotativa interpenetrante, marca Werner-Pfleiderer, para homogeneizar os componentes. O processamento foi realizado na faixa de temperatura de 200 a 240
ºC. Utilizada uma injetora, marca Arburg Allrounder, modelo 270V/300-120, para conformação dos corpos de prova. A temperatura de injeção variou de 210 a 235 ºC.
O ensaio de tração foi realizado na máquina universal de ensaios, marca EMIC, modelo DL 10000/700 do Laboratório de Propriedades Mecânicas do IFES (Campus Vitória). Os testes foram realizados conforme a norma ASTM D 638-03 com corpos de prova do tipo I, velocidade de ensaio de 5 mm/min, célula de carga de 1000 kgf e extensômetro de 25 mm.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A granulometria máxima adotada para os resíduos foi de 2 mm, pois particulados maiores dificultam o processo de extrusão e injeção.
A massa específica aparente das partículas de Pinus spp. é igual a 0,20 ±0,01 g/cm3. A densidade dos resíduos para preparação de WPC deve ficar em torno de 0,1 a 0,3 g/cm3, pois pode ocorrer a formação de poros no compósito plástico-madeira, resultando em um material não homogêneo(4, 11).
O teor de umidade dos resíduos foi de 7,0 ±0,2%. A umidade deve ser menor ou igual a 8%. Quanto maior a umidade, maior o volume de gases gerados no interior da extrusora, com formação de bolhas, manchas superficiais e dificuldade da adesão matriz/resíduo durante o processo(6, 11).
Os valores dos componentes nos resíduos de Pinus spp. estão apresentados na Tabela 1.
Tab. 1 - Composição química percentual em massa do Pinus spp.
Constituinte químico Valor (%) Valores da literatura (%)
Material inorgânico (cinzas) 0,9 ±0,1 0,1 – 1,2
Solubilidade em água fria 3,10 ±0,07 1,0 – 3,3
Solubilidade em água quente 3,4 ±0,4 1,7 – 4,3
Solubilidade em hidróxido de sódio 14 ±1 9 – 17
Extrativos em etanol:tolueno (1:2) 5,6 ±0,3 2,6 – 6,7
Extrativos totais 6,10 ±0,02 2 – 10
Lignina 25,9 ±0,5 25 – 39
Na Figura 1 é apresentado o corpo de prova produzido.
Fig. 1 - Corpo de prova para ensaio de tração
Os valores obtidos nos ensaios de tração estão apresentados na Tabela 2. Tab. 2 - Resultados obtidos no ensaio de tração
Amostra σE (MPa) σmáx (MPa) Arup (%) E (GPa) Matriz PP 17,0 ±1,2 29,4 ±1,5 NR 1,8 ±0,5 PP/10Pinus 21,2 ±0,1 28,9 ±0,1 5,8 ±0,1 2,2 ±0,1 PP/20Pinus 18,8 ±0,3 24,6 ±0,6 4,1 ±0,2 2,6 ±0,1 PP/30Pinus 19,3 ±0,6 24,4 ±0,6 3,3 ±0,2 3,0 ±0,1 PP/40Pinus 16,9 ±0,2 21,1 ±0,5 2,5 ±0,1 3,1 ±0,1 PP/20Pinus/1PP-g-AM 21,3 ±0,2 26,9 ±0,3 3,8 ±0,2 2,6 ±0,1 PP/40Pinus/1PP-g-AM 20,2 ±0,5 23,7 ±0,4 2,4 ±0,1 3,1 ±0,1 PP/10Pinus/5PP-g-AM 23,9 ±0,1 32,2 ±0,2 6,3 ±0,2 2,2 ±0,1 PP/20Pinus/5PP-g-AM 23,9 ±0,3 30,6 ±0,2 3,7 ±0,3 2,7 ±0,2 PP/30Pinus/5PP-g-AM 27,5 ±0,6 32,3 ±0,7 3,3 ±0,1 3,1 ±0,1 PP/40Pinus/5PP-g-AM 27,0 ±0,5 29,7 ±0,3 2,4 ±0,1 3,1 ±0,1 PP/20Pinus/10PP-g-AM 23,9 ±0,2 31,1 ±0,2 3,6 ±0,2 2,7 ±0,2 PP/40Pinus/10PP-g-AM 28,8 ±0,6 33,2 ±0,8 2,3 ±0,1 3,2 ±0,1
Legenda: σE: Tensão de Escoamento, σmáx: Tensão Máxima, Arup: Alongamento na
Ruptura, E: Módulo de Elasticidade, NR: não rompeu.
O aumento de resíduo de Pinus spp. na matriz elevou o módulo de elasticidade. É provável que uma maior quantidade de resíduo proporcione uma melhor homogeneidade da mistura. Este efeito pode reduzir a mobilidade das cadeias poliméricas da matriz e tornar o compósito mais rígido. Estudos mostram um aumento de 45% no módulo de elasticidade com a adição de 17% de resíduos de
CONCLUSÕES
O aumento do módulo de elasticidade foi significante com a variação de PP/Pinus.
As características do resíduo são interessantes para utilização potencial de reforço particulado na fabricação de compósitos plástico-madeira.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela bolsa concedida e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Espírito Santo (FAPES) pelo apoio financeiro.
REFERÊNCIAS
1. KEENER, T. J.; STUART, R. K.; BROWN, T. K. Maleated coupling agents for natural fibre composites. Composites: Part A, New York, v. 35, p. 357-362, 2004.
2. HILLIG, E.; IWAKIRI, S.; ANDRADE, M. Z.; ZATTERA, A. J. Caracterização de compósitos produzidos com polietileno de alta densidade (HDPE) e serragem da indústria moveleira. Revista Árvore, Viçosa, MG, v. 32, n. 2, p. 299-310, 2008.
3. LEÃO, A. L.; FERRÃO, P. C.; SOUZA, S. F. State of the Art for Extrusion and Injection Molding FPC – Fiber Plastics Composites in Brazil. International Journal
of Materials and Product Technology, v. 36, n. 1/4, p. 134-154, 2009.
4. CLEMONS, C. M. Wood-plastic composites in the United States: the interfacing of two industries. Forest Products Journal, v. 52, n. 6, p. 10-18, jun. 2002.
5. MALKAPURAM, R.; KUMAR, V.; NEGRECENT, Y. S. Recent Development in Natural Fiber Reinforced Polypropylene Composites. Journal of Reinforced
Plastics and Composites, v. 28, p. 1169-1187, 2009.
6. ENGLISH, B.; FALK, R. H. Factors that affect the application of wood fiber-plastic composites. Proceedings: Wood-Plastic Conference, Baltimore, p. 60-72, 2000.
7. STOKKE, D. D.; GARDNER, D. J. Fundamental Aspects of Wood as a Component of Thermoplastic Composites. Journal of Vinyl & Additive
Technology, p. 96-104, jun. 2003.
8. ALEXY, P.; KOSIKOVA, B.; PODSTRANKA, G. Polymer, v. 41, p. 4901, 2000.
9. SILVA, R.; HARAGUCHI, S. K.; MUNIZ, E. C.; RUBIRA, A. F. Aplicações de fibras lignocelulósicas na química de polímeros e em compósitos. Revista Química
Nova, v. 32, n. 3, p. 661-671, 2009.
10. CORREA, C. A.; FONSECA, C. N. P.; NEVES, S.; RAZZINO, C. A.; HAGE, E. Compósitos Termoplásticos com Madeira. Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Paulo, v. 13, n. 3, p. 154-165, 2003.
11. YAMAJI, F. M.; BONDUELLE, A. Utilização da serragem na produção de compósitos plástico-madeira. Revista Floresta, Curitiba, PR, v. 34, n. 1, p. 59-66, jan./abr. 2004.
12. CORDEIRO, R. C.; VIANA, H. M.; SIMÃO, R. A. Melhoria das propriedades mecânicas de compósitos de PP com fibras naturais devido ao tratamento superficial por plasma da fase de reforço. In: Painel PEMM, 2012, Rio de Janeiro. Painel PEMM, p. 1-2, 2012.
CHARACTERIZATION CHEMISTRY OF WASTE OF Pinus spp. FOR THE MANUFACTURING THE WOOD-PLASTIC COMPOSITES
ABSTRACT
The objective of this work was the chemistry characterization of waste Pinus spp. for to use it as particulate reinforcements in the manufacture of composites with matrix thermoplastic polypropylene resin in the presence and absence of compatibilizing PP-g-MA. This residue, difficult to discard, is generated in sawmills and generates considerable environmental impacts. This collected research material was used in a typical sawmill to manufacture battens and boards. Initially the residue the mechanical processing of wood was dried in the open air and separated on sieves for particle size distribution. The quantitative chemical composition of the residue was determined by following the precepts of technical standards. The analyzes showed a
high content of lignin together with low ash content. These constituents are responsible for the rigidity and oxidation resistance. The results show residue that high lignin content together with the low ash are important factors in the mechanical properties when used as reinforcing particulate in the manufacture of wood-plastic composite.
Keywords: Pinus spp.; particulate reinforcements; polymer composites; wood-plastic
