CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE POLIURETANO DE MAMONA E PÓ DE VIDRO PARA APLICAÇÕES EM ISOLANTES TÉRMICOS

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CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE POLIURETANO DE MAMONA E PÓ DE VIDRO PARA APLICAÇÕES EM ISOLANTES TÉRMICOS

Á. C. P. Galvão¹, A. C. M. de Farias, J. U. L. Mendes

Caixa Postal 1524. Campus Universitário, Lagoa Nova, S/N, Natal/RN, Brasil.

CEP: 59125-340. ¹galvao_alvaro@hotmail.com Universidade Federal do Rio Grande do Norte

RESUMO

A produção de compósitos de PURM (espuma rígida de poliuretano de mamona) com rejeito de pó de vidro (PV) representa ações econômicas e renováveis de fabricação de materiais isolantes térmicos. Baseado nestes aspectos, o trabalho objetivou a caracterização de compósitos de PURM com PV 5, 10, 20, 30, 40 e 50 % em massa, observando a influência do percentual de PV presente nos compósitos de matriz PURM. Os resultados das caracterizações de massa específica, condutividade térmica, morfológica por MEV e microanálise química EDS foram apresentados e discutidos. Em geral, a estrutura da PURM pura apresentou poros regulares alongados e grandes, enquanto que os compósitos de PURM + PV apresentaram poros irregulares, pequenos e arredondados com presença de células disformes. A massa específica revelou ter uma relação proporcional com a condutividade térmica e o teor de PV. A condutividade térmica dos compósitos PURM-PV5 e PURM-PV10, contudo, apresentou similaridades com PURM pura.

Sendo assim, estes compósitos podem ser aplicados como isolantes térmicos, além disto, a sua aplicabilidade pode contribuir econômica e ambientalmente pela redução de matéria-prima e aproveitamento de rejeitos.

Palavras-chave: PURM, PV, compósito, condutividade térmica, massa específica.

1. INTRODUÇÃO

A espuma de PU é um material termorrígido e sua estrutura expandida é composta de células fechadas ⁽¹⁾. Segundo Oertel ⁽²⁾, esse material apresenta baixa densidade (20 a 30 kg/m³). Motta ⁽³⁾ explica que devido à sua densidade e estrutura, seu descarte é problemático, pois a espuma ocupa grande volume. FISCHER ⁽⁴⁾ ainda ressalta o longo tempo de decomposição (~ 150 anos).

Segundo Alves ⁽⁵⁾, a polimerização da espuma rígida de poliuretano de mamona, PURM, ocorre pela reação das resinas isocianato orgânico (reagente A) com poliól (reagente B). A PURM é biodegradável, tornando-a uma alternativa verde a polímeros tradicionalmente utilizados ⁽⁶⁾. Já o vidro é o material que possui a mais elevada estabilidade química e pode se ligar quimicamente com qualquer elemento

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da tabela periódica ⁽⁷⁾. O SiO2 e o CaO são responsáveis, respectivamente, pela formação da rede vítrea e estabilidade química, além da coloração branca ⁽⁸⁾.

Os isolantes térmicos caracterizam-se por apresentarem baixos valores de condutividade térmica. A maioria desses materiais apresenta uma estrutura porosa e possui pequenas cavidades, com um tipo de gás de baixa condutividade térmica confinado em células fechadas ⁽⁹⁾. O vidro se caracteriza como um isolante térmico, cuja condutividade térmica está em entre 0,72 e 0,86 W/m-K ⁽¹⁰⁾.

Thirumal et al. ⁽¹¹⁾ realizaram estudos do efeito do teor de precipitados de SiO2, CaC e PV adicionados a PUR. As propriedades destes materiais foram comparadas às do PUR puro. A massa específica foi reduzida com a adição de SiO2, o mesmo acontece com a adição de CaCO3 e PV, no entanto, após certa concentração, a massa específica aumentou. Além disso, eles perceberam que a redução no isolamento com o aumento dos teores de SiO2 e CaCO3 ocorreu, principalmente, em função da formação da estrutura celular ser aberta e danificada; no entanto, quando o PV foi usado, a condutividade térmica diminui, mas depois eleva-se com o aumento do seu teor de PV.

O presente trabalho objetivou a caracterização e comparação das propriedades termofísica, morfológica e química dos compósitos PURM + PV com o PURM puro, analisando-os como possíveis substitutos, de custos reduzidos, do PUR.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Obtenção dos Compósitos PURM + PV

O pó de vidro, Fig. 1a, obtido a partir do refinamento do rejeito (trituração com almofariz e pistilo, moagem com moinho de bolas e peneiramento mecânico) para diminuição do tamanho de partículas, apresentou diâmetro médio de 33 µm. A partir da mistura dos componentes poliméricos A e B (Fig. 1b) nas proporções 1:1,6, respectivamente, foi possível a obtenção das amostras de PURM puro e de seus compósitos (Fig. 1c) com os percentuais mássicos de PV (5, 10, 20, 30, 40 e 50).

As principais etapas de obtenção dos compósitos foram: secagem em estufa;

pesagem e adição do pó de vidro e dos componentes A e B ao molde de aço inoxidável (1000 cm³); agitação da mistura com agitador e reação de expansão da espuma e desmoldagem dos corpos-de-prova após cura de 20 minutos.

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Figura 1 – Etapas de fabricação dos compósitos PURM + PV: (a) partículas do PV, (b) mistura dos componentes A e B no molde e (c) corpos-de-prova desmoldados 2.2. Determinação da Massa Específica e da Condutividade Térmica

A massa específica dos corpos-de-prova de PURM-puro e PURM + PV foi medida, segundo norma ABNT 11506, utilizando um densímetro digital modelo DSL 910 da Gehaka, disponível no Laboratório de Mecânica dos Fluidos – NTI/ UFRN.

Sua medição foi realizada pesando-se os corpos-de-prova de massa seca e massa molhada (submerso em água).

Para realização da medida da condutividade térmica dos compósitos foi utilizado o condutivímetro KD2-Pro, disponível no LMF – NTI/ UFRN. Este equipamento contém um sensor SH-1 (agulhas térmicas duplas), o qual é inserido no material, cujo resultado é obtido após 2 minutos de leitura com temperatura de 26 ± 1 °C e umidade relativa do ar de 32 ± 1 %. Foram realizadas nove medições em cada face, obtendo-se 54 medições para cada amostra.

2.3. Caracterização Morfológica e Química

As análises morfológica e química da PURM e compósitos PURM + PV foram realizadas através das técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura – MEV (Hitachi TM300) e Espectroscopia de Energia Dispersiva – EDS (Hitachi SwiftED 3000), disponíveis no Laboratório de Engenharia de Materiais – DEMat/ UFRN.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Massa Específica e Condutividade Térmica

Na Fig. 2 são mostrados os gráficos da massa específica (kg/m³, Fig. 2a) e da condutividade térmica (W/m-K, Fig. 2b) dos compósitos PURM + PV e do PURM puro com padrão de referência. Devido à padronização do tamanho das amostras

(a) (b) (c)

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(1000 cm³), foi necessário diminuir a quantidade dos componentes A e B (formadores da PURM) e aumentar a quantidade de PV. Com isto, verificou-se que a massa específica aumentou com o aumento da adição em massa de PV nos compósitos, com exceção do PURM-PV5 e PURM-PV10, os quais apresentaram massa específica inferior ao do PURM puro. Galvão et al. ⁽⁸⁾ relataram que existe uma relação proporcional do percentual de PV na matriz de PUR (derivado de petróleo) com a massa específica dos compósitos PUR + PV.

Figura 2 – Gráficos da (a) massa específica e da (b) condutividade térmica

Os valores de condutividade térmica (W/m-K) dos compósitos de PURM + PV foram comparados com os do PURM puro e à massa específica. Segundo Borges ⁽¹²⁾, materiais com baixa massa específica apresentam, de uma forma geral, uma baixa condutividade térmica; isto representa uma característica fundamental para um bom isolante térmico. Pôde-se perceber, através dos gráficos da massa específica (Fig.2a) e de condutividade térmica (Fig. 2b), que estas grandezas se correlacionam. Deve-se considerar que a condutividade térmica final de uma espuma (fator k) é determinada em função das contribuições devidas à: convecção, radiação, condutividade térmica do gás e do polímero, e densidade da espuma.

Entretanto, percebe-se que, para os teores de 20 a 50 % em massa de PV, a condutividade não manteve uma proporcionalidade muito clara em relação à massa específica, Fig. 2. Thirumal et al. ⁽¹¹⁾ observaram que a condutividade térmica do compósito PUR + PV diminuiu em relação ao PUR puro, mas depois aumentou com percentuais mais elevados de PV na matriz. Este comportamento também foi verificado na Fig. 2b. No mesmo trabalho ⁽¹¹⁾ também notaram um aumento na

(a) (b)

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condutividade térmica devido à elevação dos teores de SiO2 e CaCO3, o que resultou na forma da estrutura celular gerada aberta e danificada. Assim, também é necessário considerar a influência do tamanho e quantidade de poros na espuma PURM, bem como a composição do PV e a localização dos sensores térmicos durante a medição.

3.3. Caracterização Morfológica por MEV e Microanálise Química por EDS

As Figs. 3 a 7 apresentam as análises microscópicas e química do PURM puro e compósitos PURM + PV nos percentuais mássicos de 5, 10, 20, 30, 40 e 50 %. O MEV e o EDS do PURM puro foram usados como referência para avaliar os efeitos da adição do PV dos compósitos. Uma determinada área do PURM puro (Fig. 3) e pontos, sobre a carga pura, nas micrografias dos compósitos PURM com PV (Figs.

5, 6 e 7) foram identificados para investigação usando microanálise química elementar semi-quantitativa EDS.

Na Fig. 3 (a e b) observa-se que a estrutura celular do PURM puro apresenta formação de células alongadas (elípticas) com tamanho de poros regulares. A presença dos elementos químicos C, N e O na análise por EDS caracteriza a matriz de PURM, Fig. 3 (c e d).

Elemento Massa % Nitrogênio 76,834 Carbono 22,412 Oxigênio 0,753 Figura 3 – MEV e EDS do PURM puro: (a) 50x, (b) 200x, (c) espectrograma e (d)

percentuais dos elementos da área A

A Fig. 4 exibe as diferentes morfologias obtidas para cada compósito. Nota-se que, à medida aumenta o percentual de PV disperso na matriz de PURM, ocorre uma maior aglomeração de poros e diminuição da espessura da estrutura e do diâmetro dos poros e destruição de algumas estruturas, porém com maior irregularidade. Isto foi ocasionado, provavelmente, devido a barreiras de expansão criadas pelo PV, obrigando a uma alteração no fluxo de crescimento da espuma,

(a) A ^(b) _(c)

(d) A

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modificando sua estrutura celular. Essas irregularidades foram mais intensas para as microestruturas do compósito PURM +PV50.

(a) PURM-PV5 (b) PURM-PV10 (c) PURM-PV20

(d) PURM-PV30 (e) PURM-PV40 (f) PURM-PV50

Figura 4 – MEV das superfícies dos compósitos de PURM + PV, ampliação de 50x

(a) PURM-PV5 (b) PURM-PV10

Elemento Massa % Sódio 44,005 Oxigênio 40,725 Silício 10,844 Cromo 1,448 Ferro 1,592 Magnésio 0,942 Alumínio 0,243 Cálcio 0,202

Elemento Massa % Oxigênio 51,289 Nitrogênio 39,238 Silício 3,543 Zinco 2,153 Magnésio 1,516 Alumínio 1,369 Cálcio 0,500 Sódio 0,392

(c) PURM-PV5 (d) PURM-PV10

Figura 5 – MEV com 200x de magnitude dos compósitos (a) PURM-PV5 e (b) PURM-PV10 com identificação dos pontos contidos em (c) A e (d) B por EDS

A

B

A B

keV keV

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Elemento Massa % Oxigênio 81,209 Ferro 11,167 Sódio 5,641 Silício 1,657 Cálcio 0,326

Elemento Massa % Oxigênio 97,825 Manganês 0,686 Silício 0,638 Cálcio 0,624 Alumínio 0,226

Elemento Massa % Oxigênio 50,720 Sódio 11,911 Silício 16,666 Zircônio 9,193 Cálcio 7,995 Alumínio 3,514

Elemento Massa % Oxigênio 60,035 Cálcio 10,355 Ferro 8,287 Silício 6,289 Sódio 4,049 Alumínio 0,790 Magnésio 0,194

A

B A

B

A B

keV keV

B

keV

A

keV

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As Figs. 5, 6 e 7 apresentam superfícies dos compósitos de PURM + PV com ampliação de 200x, exceto PURM-PV20 (150x), cujas composições elementares estão indicadas através de espectrograma com os respectivos percentuais mássicos dos pontos selecionados. Assim, constataram-se intensidades dos picos correspondentes aos elementos que compõem o PV (Si, O, Na, Ca).

4. CONCLUSÕES

O trabalho tratou da obtenção e caracterização de compósitos PURM com incorporação do PV a partir de rejeito de vidro proveniente da lapidação. Visando seu emprego como material isolante mais barato e ecologicamente correto, caracterizações termofísica, química e morfológica foram realizadas para comparar estes compósitos com o PURM puro. Os resultados estão descritos a seguir:

 A massa específica e a condutividade térmica mostraram relações proporcionais entre si, além de serem diretamente proporcionais ao teor de PV nos compósitos de PURM, exceto os compósitos contendo 5 e 10 % de PV, os quais obtiveram as menores massas específicas. Também foi visto que a condutividade é igual e/ou inferior à PURM pura sendo, portanto, adequados à finalidade.

 A PURM pura continha em sua estrutura poros elípticos grandes, regulares e uniformes, enquanto que, nos compósitos, o aumento do teor de PV na matriz PURM promoveu a diminuição dos poros, gerando colapso da sua estrutura, como observado no PURM-PV50. A análise EDS comprovou as características elementares constituintes das partículas do PV.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à CAPES, DVN Vidros LTDA (Natal/RN), PPGEM, DEMat e aos docentes Luiz G. M. de Souza/ UFRN e Gilson G. da Silva do IFRN.

6. REFERÊNCIAS

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4. FISCHER, G.R. Gestão de resíduos industriais. Apostila – GRF Treinamento e Gestão Ambiental, 248p., 2002.

5. ALVES, W.F. Preparação e caracterização e blendas de poliuretano derivado do óleo de mamona e o poli(o-metoxianilina) e sua avaliação como sensor.

2005, 127p. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira.

6. CANGEMI, J.M.; SANTOS, A.M.; CLARO NETO, S. A revolução verde da mamona. Química nova na Escola, v. 32, p. 3–7, 2010.

7. SANTOS, W.J. Caracterização de vidros planos transparentes comerciais.

Scientia Plena, v. 5, n°2, p. 1–4, 2009.

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9. MENDES, J.U.L. Desenvolvimento de um compósito biodegradável para isolamento térmico. 2002, 141p. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio G. do Norte. Natal.

10. MATINS, J.G.; PINTO, E.L. O vidro. Série Materiais. 1 ed., 130p., 2004.

11. THIRUMAL, M.; KHASTGIR, D.; SINGHA, N.K.; MANJUNATH, B.S.; NAIK, Y.P.

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12. BORGES, J.C.S. Compósito de poliuretano de mamona e vermiculita para isolação térmica. 2009. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio G.

do Norte, Natal.

CHARACTERIZATION OF THE RICIN POLYURETHANE FOAM AND GLASS POWDER COMPOSITES FOR APPLICATIONS LIKE THERMAL INSULATORS

ABSTRACT

The production of PURM (rigid polyurethane foam ricin) composites with waste glass powder (GP) represents economical and renewable actions manufacturing of thermal insulating materials. Based on these aspects, the study aimed to characterize PURM composite added with 5, 10, 20, 30, 40 and 50 wt% of GP, noting the influence of the percentage of GP included on PURM matrix composites. The results of the characterizations of density, thermal conductivity, morphology by SEM and chemical microanalysis by EDS were presented and discussed. In general, the microstructure of pure PURM presented elongated and large regular pores, while PURM + GP composites showed irregular, small and rounded cells with deformed pores. The density showed a proportional relationship with thermal conductivity and content of GP. The thermal conductivity of PURM-GP5 and PURM-GP10 composites presented similarities with pure PURM. Therefore, these composites may be applied as thermal insulators, in addition; their applicability can contribute economically and environmentally by reduction raw material and use of tailings.

Keywords: PURM, GP, composite, thermal conductivity, density.