Espumas com resíduos de poliuretano para isolamento térmico

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VI Encontro Nacional e IV Encontro Latino-americano sobre Edificações e Comunidades Sustentáveis - Vitória – ES - BRASIL - 7 a 9 de setembro de 2011

Espumas com resíduos de poliuretano para isolamento térmico

Cristina Ballico (1), Maria Fernanda de Oliveira Nunes (2), Ana Maria Coulon Grisa (3),

Mara Zeni (4) e Carolina Veber Toscan (5)

(1) Laboratório de Pesquisa em Química dos Materiais, UCS, Brasil. E-mail: cballico@ucs.br

(2) Laboratório de Conforto Ambiental, UCS, Brasil, Brasil. E-mail: mfonunes@ucs.br

(3) Laboratório de Pesquisa em Química dos Materiais, UCS, Brasil. E-mail: amcgrisa@ucs.br

(4) Laboratório de Pesquisa em Química dos Materiais, UCS, Brasil. E-mail: mzandrad@ucs.br

(5) Laboratório de Conforto Ambiental, UCS, Brasil, Brasil. E-mail: cvtoscan@ucs.br

Resumo: Atualmente, o mercado consumidor da construção civil encontra-se com maior nível de exigência. Dentro deste contexto, o conforto térmico passou a ter maior importância principalmente para a construção civil, pois cada vez mais, a população tem recorrido a soluções que amenizem as variações bruscas de temperatura tanto nas edificações residenciais como nas comerciais, pois todos os locais são influenciados, de alguma forma, pelo clima que afeta o conforto de seus usuários. Considerando-se que a maioria dos materiais destinados ao isolamento térmico disponível comercialmente apresenta quantidade significativa de derivados do petróleo, a resistência térmica requerida em algumas soluções construtivas pode representar uma elevação no impacto no meio ambiente. Método/Abordagens: o desempenho térmico dos materiais com resíduos de poliuretano confeccionados em laboratório foi determinado a partir da condutividade térmica, segundo procedimentos da NBR 15575-5. Contribuições/Originalidade: os resultados indicam que as espumas com resíduos de poliuretano confeccionadas em laboratório apresentam desempenho térmico semelhante ao da lã de vidro.

Palavras-chave: desempenho térmico, resíduo polimérico, isolamento térmico.

Abstract: At present, the consumer market of construction meets demanding higher levels of demand. In this context, thermal comfort has taken on greater importance especially for the construction industry, as more and more people have turned to solutions that mitigate the abrupt temperature changes in residential and commercial buildings, because all sites are affected, somehow, the climate that affects the comfort of its users. Considering that most of the materials for thermal insulation commercially available have significant amount of oil derivatives, the thermal resistance required in some constructive solutions can represent a high impact on the environment. Methods/Approaches: the thermal performance of polyurethane waste materials prepared in the laboratory was determined from the thermal conductivity, according to procedures of NBR 15575-5. Contributions/Originality: The results indicate that foams made of polyurethane waste present in the laboratory thermal performance similar to glass wool.

Keywords: thermal performance, waste polymeric, thermal insulation.

1. INTRODUÇÃO

O poliuretano (PU) representa uma importante classe de polímeros termoplásticos e termofixos e suas propriedades mecânicas, térmicas e químicas podem ser adaptadas ao reagirem vários polióis e poliisocianatos. Uma quantidade considerável de PU é utilizada do setor de calçados na forma de espuma microcelular reticulado e são baseados em poliéster (KUMAR; KARGER-KOCSIS, 2002).

Como consequência do crescente uso deste polímero tornou-se fundamental a preocupação com os resíduos sólidos gerados na fabricação e/ou no descarte final do produto. Os aterros sanitários costumam ser o destino mais comum para a eliminação de resíduos, mas nos últimos anos, as preocupações ecológicas levaram a um reexame amplo das abordagens para a utilização de sucata como alternativa para eliminação de aterros. Uma alternativa viável para minimizar o impacto ambiental causado pela disposição destes materiais em aterros sanitários é a reciclagem (PAOLI, 2008).

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químicos como a glicólise (ULRICH et al., 1979; MODESTI et al., 1991), e métodos físicos envolvendo a adição em espumas, onde os resíduos são moídos criogenicamente, e adicionados como cargas para a fabricação de novas espumas (GHOSE, 2004; Wu et al., 2003). O resíduo de espumas termofixas trituradas tem sido utilizado na incorporação em diferentes proporções em resinas de PU (ROSA; GUEDES, 2003), termoformagem de novas estruturas (CASEY, 1993) e na produção de espumas (PROKSA, 1995; REITER et al., 1995).

O PU está presente em diversos aspectos da vida moderna representando uma classe de polímeros que tem diversas aplicações nas áreas industriais, automobilísticas e da construção civil (WU, 2002), usado como isolante térmico é na forma de placas de PU (API, 2002).

A capacidade de isolamento térmico da espuma de PU supera os demais isolantes térmicos, pois o agente de expansão retida no interior das células fechada apresenta condutividade térmica mais baixa que o ar (VILAR, 2001). As vantagens do uso das espumas de PU apresentam como vantagens: estabilidade mecânica e química, tanto a altas e baixas temperaturas (SARIER; ONDER, 2007).

Comparando aos isolantes utilizados como cortiça, lã de vidro, lã de rocha, poliestireno expandido e madeira, a espuma de PU, com densidade de 32 kg.m-3, apresenta menor condutividade térmica, indicando melhor propriedade de isolamento térmico (VILAR, 2001). O isolamento térmico com espumas de PU possibilita a redução do consumo de energia elétrica e é um dos mais eficientes isolantes térmicos para uso na construção civil (API, 2000).

O objetivo deste trabalho visa a reciclagem mecânica dos resíduos de solados de calçados de poliuretano através da incorporação dos mesmos em espumas, para a elaboração de um material com desempenho térmico compatível para uso na construção civil.

2. MÉTODO

A primeira etapa da parte experimental do trabalho envolveu a produção das espumas. Foram utilizadas misturas do resíduo de PU com agentes catalisadores para acelerar a reação; com surfactantes para redução da tensão superficial dos componentes da mistura; extensores de cadeia ou agentes de cura com a finalidade de melhorar as propriedades do produto; e um pigmento para a diferenciação dos dois tipos de amostra.

Os materiais utilizados neste trabalho, para a produção de espumas foram:

- resíduos de solados de PU, doados pelo Sindicato da Indústria de Calçados de Três Coroas/RS;

- Voranete T-80 Tolueno diisocianato (TDI 80/20; 80% de isômero 2,4-TDI e 20% de isômero 2,6-TDI) e Voranol 4010 Poliol poliéter com número de hidroxilas de 54 mg KOH.g-1fornecidos pela Dow;

- Kosmos 29 marca Evonik (catalisador);

- Dabco 2033 marca Air Products Surfactante (catalisador); - Niax Silicone L595 marca Momentive (surfactante);

- Pigmento azul marca AminoQuímica, doados por Multispuma Indústria e Comércio Ltda; - Água destilada;

- Poliol Poly G 20-112, um poliol poliéter bifuncional com peso molecular médio de 1000 g.mol-1 e número de hidroxilas de 112 mg KOH.g-1 marca Arch Química do Brasil,

- Glicerol P.A marca Lafan doados por Autotravi Indústria e Comércio Ltda (extensor de cadeia).

Com exceção do resíduo de PU obtido no processo de descarte da fabricação de calçados, esses materiais são os mesmos utilizados em formulações de espumas de PU, sem o composto CFC (clorofluorocarboneto).

2.1 Preparação das espumas de PU

Os resíduos de solados de PU (Figura 1a) foram primeiramente cortados em uma serra-fita, marca G. Paniz, modelo SF188 (Figura 1b). Posteriormente foram moídos em um moinho de facas, marca Marconi, modelo MA580 (Figura 1c). Após a moagem, os resíduos foram secos em uma estufa com circulação de ar a uma temperatura de 100ºC por um período de 8 h. Foi realizada uma análise granulométrica do material moído em um classificador marca Produtest, de acordo com ASTM 1921 (2001), bem como uma separação por tamanho para posterior incorporação nas espumas produzidas (Figura 1 d).

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mistura dos reagentes, em diferentes proporções (espuma A e B), com o auxilio de um agitador mecânico Fisaton 713D sob agitação de 1200 rpm (Figura 1e).

A seguir verteu-se, a mistura no molde (caixa de madeira) (Figura 1f e 1g) e após a cura do material, 24 horas, as espumas foram retiradas do molde. Posteriormente foram cortados corpos de prova de 10 x10cm das espumas A (Figura 1h) e B (Figura 1i) para caracterizações físicas e morfológicas.

Figura 1 – Etapas da confecção das espumas A e B

A Tabela 1 apresenta a formulação utilizada para as espumas com incorporação de resíduos de PU.

Tabela1 -Formulação das espumas A e B com incorporação de 40% resíduos de PU

Material Quantidade (g) Espuma A Espuma B Poliol Poly G 20-112 20-30 0 TDI 80/20 25-35 90-100 Glicerol 6-8 0 Dabco 2033 LV 0,25-0,30 0,2-0,3 Kosmos 29 0,1-0,2 0,2-0,3 Silicone L545 0,3-0,6 1-2 Água Destilada 0,3-0,6 6-8 Voranol 4010 Poliol 0 150-160 Pigmento 0 0,10-0,15

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2.2 Caracterização das amostras

Nas amostras de espumas A e B, contendo 40% de resíduos de PU, foi realizado o ensaio de densidade aparente segundo norma ASTM 3574 (2001).

A condutividade térmica foi determinada pelo método fluximétrico, conforme NBR 15220 (2008) para medição da resistência térmica em regime permanente. O ensaio é realizado com um dispositivo composto, basicamente, por um sistema com placa aquecedora, placa de resfriamento, dois fluxímetros e um corpo de prova. A amostra, ou corpo de prova, foi colocada entre dois transdutores e, em cada um foi colocado um termômetro. Esse conjunto foi colocado sobre a placa fria e, posteriormente, foi inserido dentro do dispositivo, abaixo da placa quente, configurando o sistema fluximétrico. O equipamento foi ligado a uma temperatura de 50ºC, o registro das temperaturas foi realizado a cada 60 segundos, até a estabilidade da temperatura da placa fria durante cinco medições, considerando-se uma margem de tolerância de 1%, para caracterizar o regime permanente de fluxo de calor conforme a ISO 8301 (1991). A condutividade é determinada pela Eq.1, conhecendo-se as temperaturas finais e considerando-se a densidade de fluxo de calor do equipamento de 1,12 W/m².

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Sendo que:  é a condutividade térmica, em W/mK; q é a densidade de fluxo de calor que atravessa as amostras, em W/m²; e é a espessura da amostra em metros; T é a diferença de temperatura entre as faces quente e fria da amostra em K.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

As partículas dos resíduos de PU após moagem (Tabela 2) apresentaram maiores porcentuais na faixa entre 14 e 28 mesh (1,27mm-0,59mm).

Tabela 2 - Partículas dos resíduos de PU Mesh Abertura das Peneiras (mm) Percentual Retido (%) >14 1,27 5,4 14-20 1,27-0,83 36,0 20-28 0,83-0,59 22,6 28-35 0,59-0,42 12,4 35-60 0,42-0,25 8,4 60-100 0,25-0,105 9,6 <100 0,105 5,6

As espumas de PU produzidas com os resíduos com dimensões de 1,27mm-0,59mm, na formulação A apresentaram densidade 57,7kg/m³ e na formulação B o valor da densidade foi de 41,3kg/m³. Os valores obtidos de densidade para as espumas A e B indicam que essas podem ser utilizadas em composições para isolamento térmico, pois segundo Vilar (2001) as espumas de PU que apresentam densidade na faixa de 30 a 60 kg/m3 são utilizadas em isolamento térmico.

A Figura 2 apresenta os resultados das medições de temperatura x tempo para as espumas A e B.

Observou-se que na medida em que a temperatura aumenta na placa quente, o calor passa pelo corpo de prova e atinge a placa fria com menor intensidade, atestando que o corpo de prova é eficiente como barreira térmica.

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Figura 2 – Temperatura x tempo de (a) espuma A e (b) espuma B.

Na Tabela 3 podem ser observados os resultados calculados de condutividade térmica das espumas A e B e de materiais usualmente empregados na construção civil para isolamento térmico. A condutividade térmica das espumas confeccionadas com resíduos apresentou valores de condutividade que indicam fortemente seu potencial para o uso em fechamentos na construção civil.

Tabela 3 - Condutividade das espumas e outros isolantes térmicos.

Material Condutividade (W/mK)

Espuma A 0,032

Espuma B 0,052

Poliestireno Expandido Moldado* 0,040

Lã de Vidro* 0,045

Lã de Rocha* 0,045

Espuma Rígida de Poliuretano* 0,03

Argila Expandida* 0,16

*Fonte ABNT, 2008

4. CONCLUSÕES

Neste trabalho foram analisadas espumas de poliuretano com uma proposta dentro dos princípios de reciclar, reutilizar e reduzir. A reciclagem do poliuretano constitui o objeto desta pesquisa, a partir do reaproveitamento do material. Nesse contexto, observa-se a importância da redução do descarte inadequado e/ou excessivo, considerando-se a capacidade dos aterros sanitários. A reutilização do material, como principal componente da mistura, sem a adição de material virgem, também pode ser citada como uma forma de também alterar o valor do resíduo.

A produção das espumas com adição de resíduos de solados de poliuretano com dimensões entre 1,27mm-0,59mm e diferentes formulações apresentaram valores de condutividade térmica próximos aos materiais atualmente disponíveis no mercado. As espumas produzidas com os resíduos de poliuretano provenientes da indústria de calçados incorporados nas espumas são viáveis, podendo-se utilizá-los como matéria-prima de potencial para o uso em fechamentos na construção civil como isolante térmico.

Os resultados deste trabalho evidenciam o potencial de uso de resíduos de poliuretano, sem comprometer o desempenho esperado para sua aplicação em situações reais, com atendimento à crescente demanda de mercado.

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Cabe ressaltar que a caracterização das amostras por microscopia eletrônica de varredura se faz necessária para a visualização da morfologia e da influência desta na condutividade térmica.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa de Bolsa de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – PIBITI –, à FAPERGS pela Bolsa de Iniciação Científica – BIC –, ao Sindicato da Indústria de Calçados de Três Coroas/RS, à Dow Brasil S.A., à Autotravi Indústria e Comércio Ltda e à Multispuma Indústria e Comércio Ltda.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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American Society for Testing Materials, ASTM D3574. Standart Test Methods for Flexible Cellular Materials – Slab, Bonded and Molded Urethane Foams, EUA, 2001

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ISO. Thermal insulation – Determination of steady-state thermal resistance and related properties – Heat flow meter apparatus. ISO 8301, Geneva. 1991.

Kumar, C. Radhesh; Karger–Kocsis, J. European Polymer Journal. 2002, 38, 2231–2237. MODESTI, M.; SIMIONI, F.; RIENZI, S. A. Polyurethanes World Congress, 1991, 370, 24–26. PAOLI, M.A. Degradação e Estabilização de polímeros. 2008, São Paulo: Editora Artiliber, 2008.

PROKSA, F. US Patent 5,451, 376, 1995. Process and Apparatus for Reprocessing Polyurethane Foam Wastes, in Particular Flexible Foam Wastes, for Recycling as Additives in the Production of Polyurethane,1995.

REITER, U.; GERHARD, K. W. German Patent Melcher, DE4409546, 1995.Utilization of Waste Polyurethane

Foams 1995.

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WU, C. H.; CHANG, C. Y. LI, J. K. Polymer Degradation and Stability, 2002, 75, 413.