EFEITO DA ADIÇÃO DE PÓ DE MADEIRA NAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE ESPUMAS FLEXÍVEIS DE POLIURETANO
V. de Macedo1*; A. R. Barros1; L. C. Scienza2; A. J. Zattera1 1-Centro de Ciências Exatas e Tecnologia – Universidade de Caxias do Sul
Rua Francisco Getúlio Vargas, 1130 – CEP: 95070-560 – Caxias do Sul- RS – Brasil.
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2- Departamento de Materiais - Escola de Engenharia – Universidade Federal do Rio Grande do Sul
RESUMO: A incorporação de cargas em polímeros para obtenção de compósitos
vem sendo amplamente estudada para verificar alterações em propriedades diversas em relação ao polímero puro. Devido à grande geração de resíduos de madeira produzidos pelas indústrias moveleiras locais e com o intuito de dar um destino mais nobre aos mesmos, este estudo considerou a incorporação de pó de madeira em uma matriz poliuretânica (espuma flexível) objetivando melhorias em suas propriedades mecânicas. Para tanto, foi adicionado cloreto de metileno (4,2 e 12 g) e/ou pó de madeira (5 e 10 %) em sua formulação. Foram realizados ensaios de resistência à compressão, deformação permanente à compressão e densidade aparente conforme norma ASTM D3574-11. Verificou-se que a adição de pó de madeira torna o compósito mais resistente à compressão enquanto que a adição de cloreto de metileno diminui e que esta propriedade está intimamente ligada à densidade aparente da espuma.
PALAVRAS-CHAVE: poliuretano; compósitos; espumas; pó de madeira; cloreto de metileno.
INTRODUÇÃO
Espumas poliméricas são constituídas por um sistema de duas fases (sólida e gasosa) e os métodos de obtenção de espumas poliméricas estão associados à incorporação de agentes de expansão na matriz polimérica (1).
A produção de poliuretano (PU) possui grande interesse e devido a pequenas mudanças em sua formulação se obtêm características requeridas para uso em diferentes setores: biomédicos, construção civil, transporte, moveleiro, calçadista, como materiais de revestimentos, adesivos e sorventes, entre outros (2,3). O maior consumo de PU é na forma de espumas, correspondendo a 80% do uso, sendo classificadas em flexíveis ou rígidas, de células fechadas ou células abertas.
Os PU são produzidos pela adição de um isocianato com um poliol e reagentes como: catalisadores, agentes de expansão, surfactantes, cargas e outros compostos formando ligações uretânicas. Os isocianatos podem ser aromáticos ou alifáticos, os compostos hidroxilados (poliol) podem variar quanto ao peso molecular, natureza química ou funcionalidade podendo ser poliéteres ou poliésteres. A natureza química, bem como a funcionalidade dos reagentes, deve ser escolhida de acordo com as propriedades finais desejadas. Esta flexibilidade possibilita a obtenção de materiais com diferentes propriedades físicas e químicas, fazendo com que os PU ocupem posição importante no mercado mundial de polímeros sintéticos de alto desempenho (4). Espumas rígidas e flexíveis de PU são produzidas sem o uso de solventes em processos conhecidos como one-shot, no qual os reagentes são adicionados e misturados simultaneamente, ocorrendo cinco reações principais dos diisocianatos com: 1) polióis, formando poliuretanos; 2) aminas, originando poliureias; 3) água, formando poliureia e liberando gás carbônico, que é o principal agente expansor nas espumas de PU; 4) formação do grupo uretano e 5) ureia, resultando na formação de ligações cruzadas alofanato e biureto (1,4,5).
Suas propriedades podem ser alteradas por diferentes cargas como: talco, mica, fibra de vidro, fibras naturais, argilas, borrachas, nanopartículas diversas, reduzindo deficiências térmicas, mecânicas, elétricas, entre outras (5-10).
A indústria moveleira gaúcha está concentrada na região da Serra Gaúcha,
gerando em torno de 14 mil m3 de resíduos, sendo estimada uma geração em torno
de 6 mil m3 de pó de madeira, incentivando estudos para a produção de compósitos
de matriz polimérica. O pó de madeira é um material abundante, possui boas propriedades mecânicas, baixo custo, facilidade de processamento e auxilia na degradação do polímero (7,11-13). Para obtenção de um efeito sinérgico entre propriedades das fibras e dos polímeros na obtenção de compósitos é necessário que ocorra adesão entre as interfaces dos materiais (14). Segundo a literatura, compósitos de PU com fibras naturais possuem boa interface entre matriz e polímero
e aumento incomum em propriedades mecânicas, devido ao fato de que algumas hidroxilas OH da superfície das fibras participam de ligações cruzadas com grupos isocianato N=C=O (5,7,14).
Em face ao exposto, o objetivo deste trabalho é analisar a morfologia e as propriedades mecânicas de diferentes formulações de espumas e compósitos expandidos flexíveis de poliuretano com diferentes concentrações de cloreto de metileno e pó de madeira.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Os materiais utilizados para obtenção das espumas e compósitos expandidos poliuretânicos foram Voranol WL 4010 Poliol (100 g), diisocianato de tolueno (TDI) (51,5 g), Voranate T-80 e cloreto de metileno (CM), fornecidos pela Dow Brasil Sudeste Industrial Ltda.; Niax silicone L-595 (0,8 g), fornecido pela Momentive Performance Materials Inc.; amina terciária Dabco 2033 Catalyst (0,12 g), fornecida pela Air Products Brasil Ltda. e estanoato de estanho Kosmos 29 (0,18 g), fornecido pela Evonik S.A.
O pó de madeira de Pinus elliotti (PM) utilizado foi oriundo da empresa de móveis Madarco S/A Ind. e Com. de Caxias do Sul RS, com composição química constituida por 61.2 ± 0.2% de holocelulose (celulose e hemicelulose); 25.6 ± 0.1% de lignina; 9.3 ± 0.7% de extrativos e 3.9 ± 0.3% de cinzas, tamanho de partícula de 46,2 µm (15). Utilizou-se água destilada em todos os compósitos como agente de expansão.
A nomenclatura das espumas e compósitos expandidos foi formulada com base na quantidade de CM e da concentração de PM, por exemplo, EC4P5 (Espuma com 4,2 g de CM e 5% de PM).
Método de obtenção das espumas e compósitos expandidos
As espumas de PU foram produzidas por batelada, segundo literatura e adaptado do processo de produção de colchões (4,5,16-18). Inicialmente, o poliol e o PM foram misturados até a completa dispersão da madeira no poliol, por um período de aproximadamente 1 min. Após, a água, amina e silicone foram adicionados e agitados por 40 s. Na sequência o octoato de estanho foi adicionado e misturado por
20 s seguido de um período de repouso de 20 s. O TDI e o CM foram adicionados à mistura sob agitação vigorosa por 5 a 7 s e na sequência o conteúdo foi descarregado em um molde de madeira para formação da espuma e mantido por 48 h para cura completa. Após o período de cura, a espuma foi cortada em formatos de corpos de prova segundo norma ASTM D3574-11.
CARACTERIZAÇÃO
A análise morfológica foi obtida através do microscópio eletrônico de varredura Shimadzu SSX-550 Superscan, com tensão de aceleração de 15 kV. Os ensaios mecânicos e de densidade aparente foram realizados conforme norma ASTM D3574-11. A densidade aparente foi calculada pela razão da massa do compósito de forma cúbica pelo seu volume. O ensaio de resistência à compressão (RC) foi realizado em um aparelho universal de ensaios EMIC DL 3000 com
velocidade de 50 mm.min-1 com célula de carga de 100 kg.f à temperatura ambiente.
O ensaio de compressão permanente (CP) foi realizado em um aparato metálico com afastamento de suas placas paralelas de 9,5 mm obtendo-se assim uma compressão de 62% em relação ao tamanho original das amostras sob temperatura de 70 °C.
RESULTADOS
Densidade Aparente
Na Tab. 1 são apresentados os resultados calculados da densidade aparente das espumas e compósitos poliuretânicos. Observa-se que a adição de PM contribui para um amento da densidade da espuma (EC0P10) enquanto que a adição do CM diminui sua densidade (EC12P0). Conforme reportado por Atta et al.(16), uma maior expansão da espuma resulta em paredes de células mais finas, o que explica a obtenção de espumas com menores densidades com a adição de CM e com valores maiores com a adição de PM.
Microscopia eletrônica de varredura
As micrografias das espumas e dos compósitos encontram-se na Fig. 1. É possível verificar que a adição do CM produz uma maior quantidade de poros abertos, paredes mais finas ocasionam rompimento da membrana do poro, mesmo
com a adição de PM, pois EC12P0, EC12P5 e EC12P10 apresentaram poros abertos. No entanto, para a quantidade fixa de 4,2 g de CM, a adição de PM contribuiu para obtenção de poros fechados, confirmando os valores obtidos com as densidades das espumas. Na micrografia da amostra EC0P5 é possível observar uma fibra não incorporada na matriz polimérica (seta vermelha), no entanto não é possível observar o mesmo fenômeno nas demais amostras. Esta característica pode estar associada ao fato de ter ocorrido uma boa interação entre os grupos OH do PM e os grupos isocianato do PU, pois as fibras encontram-se encapsuladas, fazendo parte da matriz polimérica (5).
Nas espumas de poliuretano, a adição de partículas, ou contaminantes (substancias diferentes em relação à formulação padrão) na formulação aumenta a quantidade de poros uma vez que estes materiais funcionam como agentes nucleantes (8,11,16). Conforme observado nas micrografias, a adição de PM colabora
para um aparecimento maior de poros, esta maior quantidade de poros, utiliza o CO2
produzido na reação para expandir, no entanto, esta quantidade não é suficiente para expandir os novos poros, fazendo que o compósito tenha uma menor expansão em relação ao seu análogo puro, resultando em paredes mais grossas e, consequentemente, aumento de densidade.
Fig. 1. Micrografias de MEV dos compósitos expandidos (ampliação: 35x)
Ensaios mecânicos
Pelos resultados obtidos na Tab. 1 é possível observar que a adição de PM aumenta a resistência à flexão do compósito, evidenciado por uma maior tensão necessária para realizar uma compressão de 50% em relação ao tamanho inicial da
EC0P0 EC12P0 EC0P5 EC4P5
EC12P5 EC0P10 EC4P10 EC12P10
EC4P0
espuma, em contrapartida, com a adição de CM, ocasiona uma diminuição na propriedade. No compósito EC0P10 ocorreu um aumento de 105% na resistência à compressão em relação ao seu análogo puro. Quando comparado com o PU puro, a amostra EC12P10 apresenta um aumento de apenas 27% no valor da resistência à compressão, mostrando que é mais evidente a influencia do PM em relação ao CM.
Conforme pode ser visto, as propriedades mecânicas das espumas e compósitos expandidos poliuretânicos são influenciadas pelo valor da densidade aparente, pois esta propriedade está relacionada com a espessura da parede e com a quantidade e tamanho dos poros.
Tab. 1. Resultados obtidos nos ensaios mecânicos de resistência à compressão e
de resistência à compressão permanente segundo norma ASTM D3574-11.
Material Densidade (kg.m-3) Resistência à Compressão Resistência à Compressão Permanente RC* (kPa) ME** (kPa) DEOM***(%) DEVM****(%) EC0P0 24,75± 1,28 5,0± 0,7 66,4± 12,5 6,2± 1,7 10,1± 2,8 EC0P5 26,74± 2,23 5,9± 0,3 119,6± 15,4 11,5± 2,4 18,6± 3,8 EC0P10 35,37± 1,35 10,3± 0,3 170,7± 16,8 9,3± 1,5 15,0 ±2,5 EC4P0 22,20± 0,62 3,5± 0,3 55,5± 10,6 3,9± 0,6 6,5 ±1,0 EC4P5 27,68± 1,79 6,7± 1,1 91,2± 7,4 10,2± 0,5 16,5± 0,8 EC4P10 31,14± 2,74 8,1± 0,3 89,6± 32,0 8,4± 2,5 13,6± 4,0 EC12P0 18,67± 0,67 3,0± 0,1 36,4± 2,1 8,1± 1,3 13,0± 2,1 EC12P5 24,29± 1,72 3,4± 0,4 94,1± 15,6 5,0± 0,9 8,0± 1,4 EC12P10 29,24± 0,25 6,4± 1,0 91,3± 21,4 5,4± 0,7 8,8± 1,2 *RC= Resistência à compressão **ME=Módulo de elasticidade.
***Deformação em relação à espessura original do corpo de prova. ****Deformação em relação à espessura do equipamento de deformação permanente
Na fig. 2 encontram-se os gráficos do comportamento mecânico das espumas e compósitos poliuretânicos no ensaio de resistência à compressão. É possível se observar em todos os gráficos que, inicialmente (0 até ± 5% de deformação), encontra-se a zona linear de elasticidade, na qual a energia de deformação é armazenada de forma reversível causando uma curvatura dos poros. Após 5% tem-se uma zona tem-semelhante a um plateau, causando flambagem dos poros com pequenos aumentos na tensão de compressão. Acima de 45% de deformação inicia-se a densificação do material, caracterizado pelo acentuado aumento de tensão resultando em valores de ME próximos aos exibidos por um material poliuretânico sólido, corroborando com os trabalhos de Jankoski e Kotelko (19) e de Elliott et al.(20). Observa-se também que a adição de CM faz com que a curva Resistência à
compressão X Deformação adquira uma deflexão em direção ao eixo das abscissas, indicando a obtenção de materiais mais flexíveis em relação a amostra EC0P0. A adição de PM faz com que a curva tenha um deslocamento de ascensão em relação ao eixo das abscissas, indicando a obtenção de materiais rígidos em relação à mesma amostra.
Fi g. 2. Curvas de Resistência à compressão X Deformação das espumas e
compósitos poliuretânicos.
CONCLUSÕES
As propriedades mecânicas e físicas das espumas de poliuretano foram alteradas com a adição tanto de CM quanto com o PM. EC12P0 obteve diminuição de 24,5% na densidade aparente enquanto que EC0P10 obteve aumento de 42,9% nesta mesma propriedade. Alterações na densidade causaram também aumentos de propriedades mecânicas, EC0P10 obteve aumento de 157% e EC12P0 diminuição de 45,2% nos valores de ME em relação à EC0P0. Alterações morfológicas também foram constatadas verificando-se que a adição de CM aumenta o tamanho dos poros e a adição de PM aumenta a quantidade de poros do compósito.
AGRADECIMENTOS
A FAPERGS e ao CNPq pelo apoio financeiro, à empresa Multispuma pelo fornecimento dos reagentes utilizados e a Universidade de Caxias do Sul e ao PGPROTEC pelo apoio tecnológico.
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INFLUENCE OF THE ADDITION OF SAWDUST ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF FLEXIBLE POLYURETHANE FOAM
ABSTRACT
The incorporation of fillers and reinforcements in polymer to obtain composites has been widely studied to verify modifications on different properties compared to pure polymer. Due to the large generation of wood waste produced by local furniture industry and in order to give a nobler destiny to them, this study considered the influence of the incorporation of sawdust in a polyurethane matrix (flexible foam) on their mechanical properties. The amount of methylene chloride (0, 4.2 and 12%) and wood flower (0, 5 and 10%) were added in its formulation. Compressive strength, permanent deformation at compression and apparent density as standard (ASTM) D3574-11 were performed and it was found that the composites becomes more rigid addition of sawdust and the composite properties are closely related to the apparent density of the foam.
