EFEITO DA BIOMASSA EM TINTAS INTUMESCENTES FORMULADAS COM GRAFITE EXPANSÍVEL
Milena Mazzotti de Souza, Stéphanie Cardoso de Sá, Ariane Vanessa Zmozinski, Rafael Silveira Peres, Mauro Ricardo da Silva Silveira, Carlos Arthur Ferreira Laboratório de Materiais Poliméricos (LAPOL), Universidade Federal do Rio Grande
do Sul,
Av. Bento Gonçalves 9500, 91501-970, Porto Alegre, Brasil E-mail: mi.mdesouza@gmail.com
RESUMO
Uma tinta intumescente age como um isolante térmico para substratos metálicos, protegendo estruturas das altas temperatura geradas por exposição direta ao fogo. O grafite expansível é uma solução bastante conhecida no mercado que pode reforçar a camada carbonosa, aumentando a estabilidade térmica destes revestimentos. Neste trabalho, a biomassa de caroço de pêssego foi utilizada com concentrações de 1,5% e 3,0%. Foi também adicionado o grafite expansível, para avaliar a interação de ambos quando submetido ao fogo. As amostras juntamente com o branco (sem grafite e biomassa) foram submetidas a ensaios de queima. Foi utilizado a câmera termográfica para avaliar a distribuição das temperaturas na amostra. Também foram realizadas análises termogravimétricas para verificação da estabilidade térmica das tintas. Os resultados mostraram que as tintas preparadas com a biomassa de caroço de pêssego e o grafite expansível apresentaram bom comportamento isolante.
INTRODUÇÃO
Em situações de incêndio, a preocupação com a proteção das pessoas exige o desenvolvimento de novos materiais capazes de proteger o local em chamas de desabamentos. Estruturas metálicas, protegidas da ação do fogo, aumentam o tempo de fuga do ambiente e consequentemente contribuem para um aumento na segurança.[1-3]
Revestimentos intumescentes foram desenvolvidos para isolar termicamente estruturas e paredes de determinados locais. Estes materiais são reativos ao calor, expandindo-se com a ação direta da chama ou fonte de calor, criando uma camada isolante térmica. São constituídos de resina (normalmente epóxi), fonte ácida, fonte rica em carbono e agente de expansão.[3-6]
Tradicionalmente, compostos halogenados são amplamente aplicados para auxiliar no retardo da chama devido ao seu baixo custo,[7] porém sua alta toxicidade
compromete seriamente a saúde humana. A tendência do mercado é adotar retardantes de chama livres de halogênio que supram as mesmas funções.[8]
Grafite expansível é extensamente utilizado em revestimentos retardantes de chama devido ao seu baixo preço e alta porosidade.[9] Entretanto, ainda representa
custo adicional na formulação das tintas, o que pode aumentar os gastos de produção. Desta forma, a biomassa, um resíduo até então aproveitado em grande escala para geração de energia, pode ter grande potencial como fonte geradora de carbono. A abundância de biomassa do Brasil também é um fator atrativo no que concerne a novas aplicações industriais para este resíduo.[5]
A proposta deste trabalho é desenvolver e comparar a eficiência de uma tinta intumescente para a proteção do aço formulada com biomassa de caroço de pêssego e grafite expansível. Também foi avaliada uma possível interação do grafite expansível com a biomassa em uma formulação adicional. Todas as amostras foram submetidas a ensaio de queima e de degradação térmica
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Para o preparo das tintas intumescentes foi utilizada a resina epóxi Araldite 488 N40 (Huntsman, Alemanha), fosfato de trifenila (TPP) (Tokyo Chemical Industry, Japão), ácido bórico (Synth, Brasil), melamina (Sigma-Aldrich, EUA), TiO2
(Polimerum, Brasil), caroço de pêssego no tamanho de 0,25 mm (doados pelo laboratório de química ambiental da UFRGS) e grafite expansivel (Nacional de grafite Ltda, Brasil).
Composição
As composições das amostras testadas estão apresentadas na Tabela 1. Primeiramente, a resina epóxi foi adicionada em um dispersor de tintas Dispermat N1 (VMA-GETZMANN GMBH, Alemanha) e mantida em agitação constante a 3000 rpm durante 10 minutos. Posteriormente foi adicionada a melamina, o ácido bórico, o TPP, o TiO2 e a biomassa e/ou o grafite expansível. O revestimento em preparo foi
mantido sob agitação constante durante 30 minutos a 3000 rpm com a adição de metil-etil-cetona (MBN, Brasil) como solvente para o ajuste da viscosidade.
Tabela 1 - Composição das tintas intumescentes. Todas as porcentagens são relacionadas com o teor de sólidos da resina
Tintas Resina (%) Biomassa1 (%) Grafite expansível (%) Melamina (%) Ácido bórico (%) TPP (%) TiO2 (%) Branco 77,0 - - 6,5 6,5 3,5 6,5 P1 74,0 3,0 - 6,5 6,5 3,5 6,5 EG 74,0 - 3,0 6,5 6,5 3,5 6,5 EGP1 74,0 1,5 1,5 6,5 6,5 3,5 6,5
1Biomassa de caroço de pêssego
Preparação da amostra
As tintas foram aplicadas em amostras de aço 1010 com tamanhos de 100 mm × 100 mm × 1 mm. As placas metálicas foram previamente polidas com lixa nº 100 e desengraxadas com acetona. Moldes de alumínio com 10 cm de diâmetro e 1,5 mm de altura foram utilizados para garantir a espessura final do revestimento. A secagem das amostras foram realizadas à temperatura ambiente durante 48 h e a espessura final do filme seco foi de 1,5 mm.
Ensaios de queima
O teste de resistência a chama foi realizado para cada tipo de amostra em triplicata. O acompanhamento da variação de temperatura foi realizado por um
termopar do tipo K (Thermomax, Brasil) na região oposta ao maçarico VersaFlame 2200 (Dremel, Alemanha) no substrato metálico. A chama do maçarico foi aplicada a uma distância de 2,5 cm do revestimento e teve duração de 30 minutos. O gás utilizado nos testes foi o butano que atinge uma temperatura máxima de chama de 1150 ºC.
Ensaio com a câmera termográfica
A distribuição das temperaturas na parte posterior das amostras foram registradas com a câmera termográfica Fluke Ti400 (Fluke, Canadá) na região espectral infravermelho.
Análise termogravimétrica
As análise termogravimétricas (TGA) das amostras foram realizadas em um TGA Q50 (TA Instruments, EUA), utilizando aproximadamente 10 mg de massa da amostra. Os experimentos foram realizados em atmosfera inerte (N2) e ar sintético
em intervalo de 25 °C e 900 ºC com uma taxa de aquecimento de 20 ºC/min.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ensaios de queima
A seguir é mostrado o comportamento dos revestimentos intumescentes formulados (Tabela 1) para os testes de queima, em que a amostra é exposta à chama do maçarico de gás butano durante 30 minutos. Na Figura 1, a amostra de aço sem revestimento atinge temperaturas próximas a 500 ºC em menos de 5 minutos após a exposição à chama. A velocidade de aquecimento do aço sem revestimento também é mais alta do que o branco e as demais tintas formuladas.
Comparando as amostras formuladas, as três tiveram comportamentos similares, porém a que apresentou as maiores temperaturas foi a tinta formulada apenas com grafite expansível em sua composição. A tinta formulada somente com biomassa apresentou menores temperaturas.
Ensaios com câmera termográfica
A Figura 2 é mostrado a região posterior das amostras de aço registradas com a câmera termográfica após 20 minutos de queima. Observa-se que, com exceção do branco, as amostras com os revestimentos formulados apresentaram temperaturas semelhantes.
Na amostra EGP1 foi registrado pela câmera uma pequena diferença de temperatura na região em contato com o termopar indicando um possível efeito sinérgico entre os componentes, o que contribui para a redução da temperatura.
Figura 1 - Temperatura (ºC) versus tempo (minutos) das amostras: aço sem revestimento (amarelo escuro), Branco (preto), EG (vermelho), EGP1 (verde) e P1 (azul)
Análise de TGA das tintas intumescentes
Na Figura 3 são demostradas as curvas de TGA e DTGA do branco, P1, EGP1 e EG em diferentes atmosferas, enquanto que na Tabela 3 é explicitado diferentes temperaturas em determinados eventos. A maior diferença entre as duas atmosferas é em relação ao resíduo final, pois em atmosfera de ar sintético há a oxidação dos materiais.[10]
Tabela 2 - Parâmetros das tintas: Branco, P1, EGP1 e EG Amostras aT 10% (°C) bT50% (°C) cTderiv. (°C) dResíduo (%) Atmosfera de N2 Branco 165 483 148/256/338/478/534 26 P1 167 474 148/167/338/472/537 41 EGP1 169 479 151/169/249/345/470/529 25 EG 181 487 179/313/350/463/538 31 Atmosfera de ar sintético Branco 166 486 166/257/343/411/473/533/605/639 8 P1 174 476 151/172/184/338/471/ 613/635 8 EGP1 168 484 149/166/240/343/390/ 465/529/610/631 9 EG 178 509 171/233/303/396/457/ 548/619/658 12
aTemperatura quando 10% da amostra é perdida; bTemperatura quando 50% da amostra é perdida;
cTemperaturas picos de DTGA; dResíduo a 900°C; eResíduo correspondente as temperturas picos de DTGA
Os picos da DTGA localizados dentro do intervalo de 325-388ºC podem ser associados à degradação térmica da resina epóxi [11] contida na formulação da tinta.
Como relatado por Jimenez et al.[12] picos em torno de 100-240 °C podem ser
associados à degradação de H3BO3, inicialmente com a desidratação do mesmo
resultando em B2O3.[13] A temperatura de degradação do TPP é de cerca de 243 ° C
e pode ser vista de uma forma mais clara no branco e no revestimento que utiliza biomassa de caroço de pêssego em sua formulação. Tanto o H3BO3, TiO2 e o TPP,
podem formar óxidos muito estáveis que é capaz de contribuir com o aumento da camada carbonizada e a estabilidade térmica dos revestimentos.[14]
Em atmosfera oxidante nota-se a presença de maior número de temperaturas de degradação devido ao aumento de picos pelo DTGA. Alguns destes fenômenos, como temperaturas de degradação superiores a 600 ºC não são observados em atmosfera de gás inerte.
Também podemos notar temperaturas de degradação próprias de compostos orgânicos, como lignina, celulose e hemicelulose [15, 16] em temperaturas de
decomposição entre 200-250 °C (amostras com caroço de pêssego em sua formulação). Temperaturas entre 250-380 °C são devidos a degradação da lignina e cellulose.[15-17] Como relatado por Mothé e Miranda[15] as temperaturas de
degradação da hemicelulose e celulose são próximas a 330 °C.
O grafite expansível possui uma condutividade térmica maior, o que facilita a transferência de calor e consequentemente contribui para uma decomposição térmica dos outros componentes do revestimento na etapa final, podemos atribuir a isto a menor quantidade de resíduo final em atmosfera de N2.[18]
Figura 3 - Figura 3 - Curvas de TGA do Branco, P1, EGP1 e EG em (a) atmosfera de N2 e (c) atmosfera de ar sintético. DTGA do Branco, P1, EGP1 e EG em (b)
Expansão das amostras
Na Figura 4 é mostrado as amostras com as tintas formuladas depois dos ensaios de queima. Observa-se que a placa pintada com o Branco, P1 e EGP1 expandiram consideravelmente, somente a tinta com grafite expansível em sua composição não obteve uma expansão semelhante. Porém, na tinta formulada com a mistura do grafite expansível e biomassa de caroço de pêssego (EGP1) observou-se um aumento na resistência mecânica da camada carbonosa devido a preobservou-sença do grafite.
Microscopia óptica
Na Figura 5 é mostrado o resultado do ensaio de microscopia óptica das superfícies metálicas com as amostras de tinta branco, EG, P1 e EGP1 após o teste de queima. Podemos observar a presença de poros na região carbonosa. Microbolhas de ar formadas durante o ensaio de queima podem agir como um isolante térmico, protegendo o substrato de uma degradação térmica.
Figura 5 - Microscopia óptica das amostras após queima (a) Branco, (b) EG, (c) P1 e (d) EGP1
CONCLUSÃO
Os testes de queima associados com a análise termogravimétrica confirmam a eficiência da biomassa de caroço de pêssego como fonte de carbono nas formulações de tintas intumescentes. A adição de grafite expansível na tinta formulada com biomassa promove uma maior resistência da camada carbonosa à chama.
A adição de biomassa na formulação das tintas intumescentes aumenta o isolamento térmico do substrato metálico, com uma proteção superior que as demais amostras testadas. Em conjunto com o grafite expansível, um composto já bastante utilizado em revestimentos anti-chama, a biomassa surge como uma opção de fonte de carbono sustentável e econômica, pois a mesma é amplamente disponível no Brasil.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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EFFECT OF BIOMASS ON INTUMESCENT PAINTS FORMULATED WITH EXPANDABLE GRAPHITE
Intumescent paints act as thermal insulator for metallic substrates, protecting structures from the high temperature generated by direct exposure to fire. Expandable graphite is a well known solution in the fire retardant industry and can strengthen the carbonaceous layer, increasing the thermal stability of intumescent coatings. In this work, biomass of peach stone was utilized in concentrations of 1.5% and 3.0%. Expandable graphite was also added to evaluate its interaction with biomass when exposed to fire. Samples and blank (without graphite and biomass) were investigated with burning tests. The thermographic camera was used to evaluate the temperature distribution in the sample. Thermogravimetric analysis was carried out to verify the thermal stability of the coatings. Results showed that the paints prepared with peach stone biomass and expandable graphite exhibited excellent performance as thermal insulators.
