PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ESPUMAS DE VIDRO PARA ISOLAMENTO TÉRMICO
G.M.V. Dias1-2; F.R. Cesconeto1-2; S. Arcaro1-2; F. Raupp-Pereira1-3; A.P.N. Oliveira1-3
1
Laboratório de Materiais Vitrocerâmicos (VITROCER)
2
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais (PGMAT)
3
Departamento de Engenharia Mecânica (EMC) Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
88040-900 Florianópolis, SC, Brasil RESUMO
Neste trabalho, composições contendo vidros de garrafas com diferentes colorações e grafite (2-12%), como agente formador de poros, foram preparadas para a produção de materiais porosos para aplicações onde o isolamento térmico, acústico e a inflamabilidade são os principais requisitos. As composições formuladas foram compactadas uniaxialmente (40 MPa) e queimadas em diferentes temperaturas (800–950ºC) e ciclos por 15 a 120 min. Os resultados mostraram que é possível produzir espumas de vidro para isolamento térmico a partir de composições contendo 90% de vidro e 10% de grafite, queimadas entre 800 e 950ºC/30 min, as quais apresentaram porosidades entre 53 e 76%, com condutividades térmicas entre 0,16 e 0,08 W/mK e com resistência à compressão entre 20 e 4,6 MPa. As espumas vítreas obtidas são fortes candidatas para aplicações que requerem isolamento térmico com adequada combinação de condutividade térmica, porosidade e resistência mecânica.
Palavras-chave: Vidros, resíduos, materiais porosos, isolamento térmico.
INTRODUÇÃO
Os materiais cerâmicos são tipicamente empregados como isolantes quando as temperaturas de trabalho são maiores que a ambiente. A aplicação desses depende da refratariedade e da condutividade térmica que podem variar dependendo da composição química e da estrutura de poros. O melhor isolamento térmico é o vácuo. Todavia, devido às dificuldades para obtê-lo e mantê-lo, sua aplicação é limitada. A solução prática é a utilização de ar, que também apresenta uma baixa condutividade térmica (0,026 W/mK)(1). Uma solução técnica é a utilização de materiais porosos ou celulares com poros fechados tal que o ar ou outros gases da decomposição de agentes espumantes ou formadores de poros, permaneçam enclausurados no interior dos poros formados. As cerâmicas porosas, incluindo-se as vítreas, são materiais relativamente frágeis de elevada porosidade que apresentam poros fechados, abertos ou interconectados(2). O crescente interesse pelas cerâmicas porosas tem sido associado, principalmente, às suas propriedades
específicas como elevada área superficial, elevada permeabilidade, baixas densidade e condutividade térmica as quais estão ainda relacionadas com características próprias dos materiais cerâmicos como elevadas refratariedade e resistência a ataques químicos(3-4). Entre os materiais utilizados para a fabricação de materiais porosos, pode-se citar alumina, mulita, carbeto de silício, zircônia e alguns sistemas compósitos(5-7). Além disso, existe a possibilidade de se obter materiais porosos a partir de materiais vítreos. Nestes casos, o uso de vidros, provenientes de reciclagem, é uma possibilidade explorada e que pode ser intensificada em aplicações envolvendo temperaturas menores que 500°C como no caso de isolamentos de lareiras e churrasqueiras e sobre tudo como painéis para isolamento térmico, não inflamável, e acústico de sistemas construtivos. Os resíduos de vidros provenientes da indústria vidreira e de embalagens de vidro utilizadas no cotidiano são descartados juntamente com o lixo doméstico(8). A reciclagem do vidro diminui não só o gasto de energia como também de extração, beneficiamento e transporte dos minerais usados como matéria-prima. Segundo a Associação Técnica Brasileira das Indústrias Automáticas de Vidro(9) obtém-se um ganho energético de 4% e redução de 5% na emissão de CO2 quando 10% de cacos são utilizados na
fabricação de vidro. Em 1991 apenas 15% de embalagens de vidro eram recicladas e em 2004 esse índice subiu para 45%(10,11). Além disso, reciclar e utilizar vidros poderá contribuir com a matriz energética nacional através da economia de grande quantidade de energia, já que para produzir 1 kg de vidro novo são necessários 4500 kJ, enquanto que para produzir 1 kg de vidro reciclado necessita-se de 500 kJ(8). Assim, o aproveitamento de resíduos é uma grande oportunidade de se alongar os ciclos de vida de elementos na antroposfera, reduzindo as necessidades de sua extração do meio ambiente(12). Neste contexto, este artigo apresenta resultados de trabalho de pesquisa que teve como objetivo a produção de espumas de vidro a partir de vidros reciclados e grafite, de eletrodos de fornos de fusão de aços, para aplicações onde o isolamento térmico e acústico e a inflamabilidade são os principais requisitos técnicos.
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foram utilizados, como matéria-prima, vidros de garrafa (VG) de diferentes colorações (transparente, verde e marrom) e grafite como agente formador de poros (resíduo proveniente de eletrodos de fornos elétricos de fusão de
aços). A composição química do vidro de garrafa transparente (VGT), do vidro de garrafa verde (VGV) e do vidro de garrafa marrom (VGM) foi obtida por Fluorescência de Raios X, (Philips, modelo PW 2400) e é apresentada na Tabela 1. Tabela 1: Composição química dos vidros utilizados como matérias-primas.
Materiais Óxidos constituintes (% massa)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O MgO Na2O P2O5 TiO2 VGT 71,18 2,17 0,10 9,64 0,02 - 16,82 0,02 0,04 VGV 68,31 2,07 0,41 8,94 0,44 1,80 17,95 0,01 0,06 VGM 67,09 1,97 0,83 9,55 0,30 0,65 19,58 0,01 0,03 Os vidros de garrafas (VG) apresentaram composição sódico-cálcica, sendo as principais diferenças nas composições químicas relacionadas aos óxidos cromóforos, em particular o óxido de ferro, que, como esperado, aumenta à medida que a coloração dos vidros passa de transparente/clara para verde e marrom. O vidro de garrafa, foi triturado em um britador de martelos (Servitech, CT-058) e o produto resultante foi moído, a seco, por 90 min, em moinho rápido (Servitech, CT-242) em jarro de porcelana contendo bolas de alumina, tal que o tamanho médio de partícula, encontrado por difração a laser (Malvern Mastersizer 2000) foi de 3,5 µm. O grafite foi triturado em um britador de martelos (Servitech, CT-058) resultando em pós com tamanhos de partículas menores que 106 µm. Subsequentemente, foram formuladas composições contendo o vidro de garrafa (mistura, nas mesmas proporções, das três colorações) e grafite variando de 2 a 12% em volume. As composições foram umidificadas com 5% de água e homogeneizadas em moinho rápido (Servitech, CT-242) em jarro de porcelana contendo bolas de alumina por 10 min. As composições formuladas foram, em uma etapa posterior, compactadas uniaxialmente em matriz de aço por meio de uma prensa hidráulica (Bovenau P10 ST) a 40 MPa. Os corpos-de-prova obtidos (30 x 10 mm) foram secos em estufa a 110°C, por 2 h. O comportamento térmico durante queima dos pós das matérias-primas e das composições preparadas foi estudado por meio de dilatômetro ótico (Expert System solution, Misura ODHT) e por calorimetria exploratória de varredura (TA Instruments, SDT Q600 – TGA/DSC Simultâneo) a 10°C/min (atmosfera oxidante). Com base nas análises térmicas, os compactos das composições foram queimados em diferentes temperaturas (800-950ºC) por diferentes tempos (15-120 min) a cada temperatura e submetidos a diferentes medidas e análises. Medidas de densidade aparente foram realizadas por meio de medidas de massa e volume das amostras e de densidade real por meio de picnometria a hélio (AccuPyc 1340,
Micromeritics). A partir das medidas de densidade aparente e real, a porosidade das amostras queimadas foi calculada. A microestrutura de poros pôde ser visualizada a partir de imagens das superfícies de fratura das amostras tratadas termicamente, obtidas em microscópio estereoscópio, MO (Opton, modelo IS130). Para determinar a resistência mecânica das amostras, ensaios de compressão (EMIC, modelo DL 2000) foram realizados em 5 amostras (30 x 10 mm) com velocidade de carregamento de 1 mm/min. A condutividade térmica dos materiais obtidos foi determinada em um equipamento TCi Thermal Conductivity Analayzer, C-THERM TECHNOLOGIES, em amostras em forma de disco com 30 mm de diâmetro e 10 mm de espessura.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Fig. 1(a) apresenta curvas de retração linear do vidro de garrafa, de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e de perda de massa do grafite em função da temperatura. A Fig. 1(b) mostra curvas de retração linear do vidro de garrafa e das composições (contendo entre 2 e 12% em volume de grafite).
Figura 1: Curvas de análises térmicas. (a) Retração linear do vidro de garrafa, DSC e perda de massa do grafite em função da temperatura; (b) retração linear do vidro de garrafa e das composições formuladas em função da temperatura.
Observa-se (Fig. 1(a)) na curva de retração térmica do vidro de garrafa que a densificação acontece a uma maior taxa entre 550 e 600°C e continua a retrair, a uma taxa mais lenta, até 900°C. A partir de 900°C tem início uma expansão (região de amolecimento do vidro) que precede o inicio de sua fusão (950°C). Na curva de DSC do grafite (Fig. 1(a)) pode-se observar apenas um evento exotérmico entre 650 e 900°C referente à decomposição do grafite em CO e CO2. Tal evento de
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 0 200 400 600 800 1000 1200 DSC grafite (G) Perda em massa grafite (G)
Temperatura (ºC) 0 20 40 60 80 100 Pe rda em m assa (%) R et ração térm ica linea r ( %)
Retração térmica linear vidro (VG)
500 600 700 800 900 1000 -80 -60 -40 -20 0 20 R et ração térm ica linea r ( %) Temperatura (ºC) VG VG98 G02 VG96 G04 VG94 G06 VG92 G08 VG90 G10 VG88 G12 (a) (b)
decomposição pode ser confirmado na curva de perda de massa (perda de 70% da massa original). Ressalta-se que a decomposição do grafite ocorre no intervalo de temperatura em que o vidro já se encontra em um estado avançado de densificação. Esse comportamento indica que o gás gerado na decomposição do grafite ficou aprisionado na matriz vítrea podendo gerar poros. Em geral, pode-se observar na Fig. 1(b) que a retração térmica (densificação) das composições tem início entre 550 e 600°C. Entre 725 e 875°C evidencia-se a expansão dos materiais gerada pela decomposição do grafite. A partir de 900°C ocorre a expansão característica do vidro de garrafa. Observa-se que a expansão é crescente à medida que a quantidade de grafite adicionada aumentou de 2 a 10%. Para adições maiores de grafite (12%) a expansão diminui. Esse comportamento está relacionado, provavelmente, a um aumento do volume de gases da decomposição do grafite que resulta em aumento da pressão interna e assim o rompimento das paredes dos poros permitindo que parte dos gases gerados escape. Desta maneira, a composição com 90% de vidro de garrafa e 10% de grafite foi escolhida, pois, apresenta as melhores condições em termos das quantidades relativas das matérias-primas utilizadas. A Fig. 2 mostra curvas relacionando a porosidade em função da temperatura e do tempo de permanência na temperatura de queima de compactos de composição contendo 90% de vidro e 10% de grafite.
Figura 2: Porosidade em função da temperatura e do tempo na temperatura de queima de composição contendo 90% de vidro e 10% de grafite.
Como pode ser visto, a porosidade aumenta (~25–75%) à medida que a temperatura de queima aumenta de 800ºC para 900ºC (temperatura de máxima porosidade), mantendo-se praticamente constante entre 900ºC e 950°C, independentemente do
800 850 900 950 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P orosi dad e (% ) Temperatura (ºC) 15 minutos 30 minutos 60 minutos 120 minutos
tempo de permanência na temperatura. A porosidade máxima, a 900ºC, está de acordo com a Fig. 1(b), pois é nessa temperatura que a composição contendo 90% de vidro de garrafa e 10% de grafite apresenta maior expansão. As imagens, referentes às amostras de compactos porosos queimadas a 900°C/30 min (composição com 90% em volume de vidro de garrafa e 10% em volume de grafite), são apresentadas na Fig. 3, na qual se pode visualizar a evolução da porosidade em função da temperatura. Observa-se também, uma distribuição homogênea de poros.
Figura 3: Imagens (MO) de amostras (90% vidro, 10% grafite) queimadas em diferentes temperaturas: (a) 800°C; (b) 850°C; (c) 900°C e (d) 950°C por 30 min, respectivamente.
Além disso, há um aumento no tamanho e na quantidade de poros à medida que a temperatura aumenta até 900ºC, o que está de acordo com a porosidade mostrada na Fig. 2. Em 950ºC (Fig. 3(d)) há uma diminuição do tamanho dos poros, devido à alta temperatura de queima que favorece o aumento da pressão interna e o rompimento dos poros, promovendo a diminuição do tamanho dos mesmos e o escape dos gases. A condutividade térmica (a) e a resistência mecânica (b) em função da temperatura de queima das amostras dos compactos porosos (90% vidro de garrafa e 10% de grafite) é apresentada na Fig. 4. Como pode ser visto, a partir da Fig. 4(a), a condutividade térmica diminui (~0,16–0,08 W/mK) à medida que a porosidade aumenta até 900ºC. No entanto, entre 900 e 950ºC a condutividade
térmica aumenta (até aproximadamente 0,11 W/mK), devido a diminuição do tamanho de poros observados na Fig. 3.
Figura 4: Condutividade térmica (a) e resistência à compressão (b) em função da temperatura de queima por 30 minutos de amostras de composição contendo 90% de vidro e 10% de grafite.
A resistência mecânica à compressão (b) diminui (20 a 4,6 MPa) a medida que a temperatura de queima aumenta. Este resultado está em bom acordo com os resultados de porosidade observados.
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos mostraram que é possível produzir isolantes térmicos a partir de composições otimizadas contendo 90% de vidro de garrafa e 10% de grafite, queimadas a temperaturas entre 800 e 950ºC durante 30 minutos com porosidades entre 53 e 76%, condutividade térmica entre 0,16 e 0,08 W/mK e resistência à compressão entre 20 e 4,6 MPa. Os materiais obtidos são, portanto, fortes candidatos em aplicações que requerem adequada combinação de condutividade térmica, porosidade e resistência mecânica.
AGRADECIMENTOS
Ao PIBIC/CNPq e a FAPESC/CNPq (PRONEX T.O. Nº 17431/2011-9). REFERÊNCIAS
(1) HOLMAN, J.P. Transferência de calor. McGraw-Hill do Brasil, 1983.
(2) ZESCHKY, J.; GOETZ-NEUNHOEFFER, F.; NEUBAUER, J.; JASON LO, S. H.; KUMMER, B.; SCHEFFLER, M.; GREIL, P. Preceramic polymer derived cellular ceramics. Composites Science and Technology, v. 63, p. 2361-2370, 2003.
800 850 900 950 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 C ond ut ivi dad e térm ica (W /m K) Temperatura (ºC) 800 850 900 950 0 3 6 9 12 15 18 21 24 R esi st ênci a à com pressão (MP a) Temperatura (ºC) (a) (b)
(3) SEPULVEDA, P.; BINNER, J.G.P. Processing of cellular ceramics by foaming and in situ polymerisation of organic monomers. Journal of the European Ceramic Society, v. 19, p. 2059-2066, 1999.
(4) ORTEGA, F.S.; PAIVA, A.E.M.; RODRIGUES, J.A.; PANDOLFELLI, V.C. Propriedades mecânicas de espumas cerâmicas produzidas via “gelcasting”. Cerâmica, v. 49, p.1-5, 2003.
(5) SALVINI, V.R.; INNOCENTINI, M.D.M.; PANDOLFELLI, V.C. Correlação entre permeabilidade e resistência mecânica de filtros cerâmicos no sistema Al2O3-SiC.
Cerâmica, v. 46, n. 298, p. 1-18, 2000.
(6) ZHU, X.; JIANG, D.; TAN, S. Preparation of silicon carbide reticulated porous ceramics. Materials Science and Engineering, v. A323, p. 232-238, 2002.
(7) LIU, D. M. Influence of porosity and pore size on the compressive strength of porous hydroxyapatite ceramic. Ceramics International v. 23, p. 135-139, 1997. (8) ALVES, O.L.; GIMENES, I.F.; MAZALLI, I.O. Vidros. Cadernos Temáticos Química Nova na Escola–Novos Materiais–Edição Especial, fev., 9-20, 2001.
(9) ABIVIDROS - Associação Técnica Brasileira das Indústrias Automáticas de Vidro.
In: http://www.abividro.org.br/reciclagem-abividro/beneficios-da-reciclagem-do-vidro,
(10) ROSA, S.E.S.; COSENZA, J.P.; BARROSO, D.V. Considerações sobre a indústria do vidro no Brasil, 2007.
(11) AMBIENTE BRASIL. Reciclagem de vidro. Disponível em: <http://ambientes.ambientebrasil.com.br/residuos/reciclagem/reciclagem_de_vidro.ht ml>. Acesso em: 07 maio 2014.
(12) GALEMBECK, F. Inovação para a sustentabilidade. Química Nova, v. 36, n.10, p. 1600-1604, 2013.
PRODUCTION AND CHARACTERIZATION OF GLASS FOAMS FOR THERMAL INSULATION
ABSTRACT
In this work, glass compositions from glass bottles with different colors and graphite (2-12%) as the pore-forming agent were prepared for the production of materials with controlled porosity for applications where thermal and acoustic insulation and flammability are major technical requirements. The formulated compositions were, in a later stage, uniaxially pressed (40 MPa) and, fired at different temperatures (800-950°C) and cycles with holding times between 15 and 120 minutes. The results showed that it is possible to produce glass foams for thermal insulation from optimized compositions containing 90% glass and 10% graphite, fired between 800 and 950°C/30 min, which showed porosities between 53 and 76%, with thermal conductivities between 0.16 and 0.08 W/mK and compressive strength between 20 and 4.6 MPa. The obtained glass foams are strong candidates for applications requiring thermal insulation with suitable combination of thermal conductivity, porosity and mechanical strength.
