Compósitos poliméricos incorporados com resíduo da marmoaria: resistência às chamas/Polymeric composites incorporated with marble residue: flame resistance

(1)

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p 73129-73140 ,sep. 2020. ISSN 2525-8761

Compósitos poliméricos incorporados com resíduo da marmoaria: resistência

às chamas

Polymeric composites incorporated with marble residue: flame resistance

DOI:10.34117/bjdv6n9-681

Recebimento dos originais:08/08/2020 Aceitação para publicação:29/09/2020

Gabrilly Monteiro Melo

Graduanda Inter. em Ciência e Tecnologia com ênfase em Mineral pela Universidade Federal do Pará

Instituição: Universidade Federal do Pará, campus Ananindeua Endereço: Universidade Federal do Pará, 67130-660, Ananindeua, PA, Brasil

E-mail: gabrillymonteiro@yahoo.com.br Karla Suellen Lino Barbosa

Mestranda em Engenharia Química, Bacharela Interd. em Ciência e Tecnologia com ênfase em Mecânica pela Universidade Federal do Pará

Instituição: Universidade Federal do Pará, Programa de Pós Graduação em Engenharia Química, campus Belém

Endereço: Universidade Federal do Pará, 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: karllaslb@gmail.com

Willam Rayplham Pereira Coelho

Graduando em Engenharia de Bioprocessos pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Pará, campus Belém

Endereço: Universidade Federal do Pará, 66075-110, Belém, PA, Brasil E-mail: williamatl96@gmail.com

Ingrid Moreira Reis

Bacharela Interd. em Ciência e Tecnologia com ênfase em Mecânica pela Universidade Federal do Pará

Instituição: Universidade Federal do Pará, campus Ananindeua

Endereço: Universidade Federal do Pará, 67130-660, Ananindeua, PA, Brasil E-mail: ingridmoreira593@gmail.com

Daniel José Lima de Sousa

Doutor em Evolução Crustal e Recursos Naturais pela Universidade Federal de Ouro Preto e Institut National Politechnique de Lorraine (France)

Instituição: Universidade Federal do Pará, Professor do magistério superior, Faculdade de Ciência e Tecnologia, Campus Ananindeua

Endereço: Universidade Federal do Pará, 67130-660, Ananindeua, PA, Brasil. E-mail: delimamb@gmail.com

(2)

Reginaldo Sabóia de Paiva

Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará

Instituição: Universidade Federal do Pará, Professor do magistério superior, Faculdade de Ciência e Tecnologia, Campus Ananindeua

Endereço: Universidade Federal do Pará, 67130-660, Ananindeua, PA, Brasil E-mail: regisabo@ufpa.br

José Antônio da Silva Souza

Doutor em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Pará, Professor do magistério superior, Programa de Pós

Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia, Campus Belém Endereço: Universidade Federal do Pará, 66075-110, Belém, PA, Brasil

E-mail: jass@ufpa.br

Deibson Silva da Costa

Doutor em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Pará, Professor do magistério superior, Faculdade de

Engenharia de Materiais, campus Ananindeua

Endereço: Universidade Federal do Pará, 67130-660, Ananindeua, PA, Brasil E-mail: deibsonsc@yahoo.com.br

RESUMO

Devido à alta geração de resíduos provenientes da indústria de produção de rochas ornamentais de mármore e granito, buscam-se alternativas viáveis por meio sustentável para a reutilização do material residual. Devido esta problemática, este trabalho utilizou como carga o resíduo de mármore e granito na fabricação de materiais compósitos a fim de avaliar a resistência às chamas. A fabricação dos compósitos sucedeu-se pelo método hand lay-up com prensagem em molde fechado, nas composições de 0 %, 5 %, 15 % e 25 % na granulometria de 100 Mesh da série de Tyler. Os materiais sintéticos utilizados para a confecção dos compósitos foram a resina poliéster isoftálica para a matriz polimérica, acelerador de cobalto (1,5 % v/v) e o catalisador MEK-P (1 % v/v). Foi realizada a caracterização mineralógica através do DRX para identificação dos minerais componentes do resíduo. Além disto, as caracterizações físicas de MEA (ASTM D 792), AA (ASTM D 570), PA (ASTM D 2734) foram também realizadas. Ademais, o ensaio de flamabilidade (ASTM D 635) foi feito para avaliação do efeito da propagação da chama no material. Os resultados positivos das propriedades apresentadas apontaram o compósito como apropriado para construção civil e revestimentos internos de automóveis, com destaque para a composição de 25 % RMG com as melhores propriedades. Sendo assim, o material apresentado dispõe de forma ecológica uma alternativa viável e econômica para a reintrodução do material residual na indústria.

Palavras-Chave: Mármore e granito, Compósitos, Sustentável. ABSTRACT

Due to the high generation of waste from the marble and granite ornamental stone production industry, viable alternatives are sought by sustainable means for the reuse of waste material. Due to this problem, this work has used the marble and granite waste as load in the manufacturing of composite materials in order to evaluate the flame resistance. The manufacturing of composites was carried out by the hand lay-up method with closed mould pressing in compositions of 0 %, 5 %, 15

(3)

% and 25 % in the 100 Mesh granulometry of the Tyler series. The synthetic materials used for the composites were the isophthalic polyester resin for the polymeric matrix, cobalt accelerator (1,5 % v/v) and the MEK-P catalyst (1 % v/v). Mineralogical characterization was performed through DRX to identify the minerals components of the residue. In addition, physical characterizations of MEA (ASTM D 792), AA (ASTM D 570), PA (ASTM D 2734) were also performed. Furthermore, the flammability test (ASTM D 635) was carried out to evaluate the effect of flame spread on the material. The positive results of the properties presented pointed out the composite as suitable for civil construction and automobile internal coatings, with emphasis on the 25% RMG composition with the best properties. Therefore, the material presented has an ecologically viable and economical alternative for the reintroduction of the residual material in the industry.

Keywords: Marble and granite, Composites, Sustainable.

1 INTRODUÇÃO

A mineração, ou seja, a extração de insumos minerais é um dos maiores mercados no Brasil e no mundo, pois a natureza possui matéria prima abundante para a produção de bens de consumo a fim de suprir a necessidade da sociedade, dentre eles destaca-se a indústria de rochas ornamentais, que para Sena et al. (2020) é a mais sólida no Brasil, devido a utilização como revestimento na construção civil.

Toda via, durante o beneficiamento desse material, ocorre à geração de resíduos finos que formam lamas onde constantemente são depositados em locais inadequados, causando um grande problema socioambiental (Pedroso et al., 2017).

Para Queiroz e Castro (2019), há geração de resíduos tanto nas pedreiras, em razão da baixa recuperação que é menor que 25 %, quanto no beneficiamento. Ademais segundo os autores, durante a partição de blocos em chapas, cerca de 30 % do volume é reduzido em resíduo fino, gerando aproximadamente 20,5 kg de resíduo por metro quadrado serrado e durante o processo de polimento é concebido mais 3 kg/m².

Logo, as alternativas para reciclagem/reutilização desses resíduos podem se dá através da inserção em vidros, cerâmica, produção de cosméticos e em especial a utilização em carga em compósitos, devido suas relevantes propriedades mecânicas (SANTOS et al., 2014).

Diante das circunstâncias expostas e atendendo às áreas da ciência e tecnologia e da ciência dos materiais, este artigo tem por objetivo reintroduzir o resíduo de mármore e granito em compósitos poliméricos, a fim de conhecer propriedades físicas e resistência à chama destes materiais para possíveis aplicabilidades em revestimentos internos.

(4)

2 MATERIAIS E MÉTODOS

Foi utilizada como matriz polimérica a resina poliéster insaturada isoftálica da empresa Centerglass Ind, Com. R. e Fibras Ltda com densidade de 1,15 g/cm³ e para agentes catalíticos foram utilizados, em volume, o acelerador de cobalto (1,5 %) e iniciador peróxido de metil cetona (MEK-P 1,0 %), ambos da empresa AEROJET Brasileira de Fiberglass Ltda.

O resíduo de mármore e granito (RMG) foi adquirido da empresa Brilasa Britagem e Laminação de Rochas S/A, localizada no Estado do Pará. A densidade adotada para este foi de 2,7 g/cm³, segundo o trabalho de Spala et al. (2017). Este passou pelo processo preliminar de secagem em estufa, por 24 horas a uma temperatura de 105 ºC. Após a secagem, foi realizada a cominuição e peneiramento do resíduo, de forma manual, em uma peneira de 100 Mesh (0,149 mm) da série Tyler.

Para a identificação das fases cristalinas do resíduo utilizou-se uma pequena amostra do material. A análise foi realizada em um Difratômetro de Raios X.

2.1 PRODUÇÃO DOS COMPÓSITOS

Os materiais compósitos foram fabricados utilizando-se uma técnica denominada hand

lay-up associado a prensagem em um molde fechado. Foram determinados as frações mássicas de 0, 5,

15 e 25 % de resíduo na granulometria de 100 Mesh da série Tyler.

O resíduo de mármore e granito (RMG) foi deixado na estufa, MD 1.3 – MEDICATE, por um período de 30 min a uma temperatura de 105 °C por conta da umidade superficial. A resina, o cobalto, o RMG e o MEK-P são homogeneizados por aproximadamente 4 minutos. Por fim, a mistura é despejada sobre o molde metálico, de dimensões (320 mm x 172,5 mm x 5 mm), até apresentar o ponto de gel, entre 7 a 10 minutos. Por seguinte as placas foram prensadas em Prensa Hidráulica, Marcon, modelo MPH-15, com carga de 2,5 toneladas, durante 20 minutos. A Figura 1 apresenta a sequência da fabricação.

(5)

Após a confecção de todas as placas, foram realizados processos de corte de acordo com as recomendações das normas para cada ensaio realizado.

2.2 ENSAIOS FÍSICOS

As caraterizações físicas dos compósitos fabricados foram feitas por meio da Massa Específica Aparente - MEA (ASTM D 792), Absorção de Água - AA (ASTM D 570) e Porosidade Aparente - PA (ASTM D 2734), obtidos a partir de cinco corpos de provas nos tamanhos de 25 x 25 mm, das proporções mássicas determinadas de resíduo, logo, estes foram deixadas na estufa por 24h a uma temperatura de 105 ºC, e então pesados individualmente em uma balança de precisão para determinar a massa seca (ms). Por seguinte, foi realizada a imersão dos mesmos em água destilada por 24h para se determinar a massa úmida (mu), por fim, pesados hidrostaticamente, utilizando-se de um aparato adaptado à balança de precisão, para que os corpos ficassem imersos em água, e então obter as massas imersas (mi), fez-se o uso das equações 1, 2 e 3 para obtenção das propriedades citadas. 𝑀𝐸𝐴 = ms mu− mi (g/cm 3_{) (1)} 𝐴𝐴 =mu− ms ms x 100 (%) (2) 𝑃𝐴 =mu− ms mu− mi x 100 (%) (3) 2.3 ENSAIO DE FLAMABILIDADE

O ensaio foi realizado por meio de um aparato metálico, utilizando-se cinco corpos de prova para cada fração mássica estabelecida, no qual possuem as dimensões de 127 mm x 12,7 mm, segundo a norma ASTM D 635. Estes foram marcados a 25 mm e 100 mm de uma extremidade, deixando uma região delimitada contendo 75 mm, para observar a durabilidade do tempo da chama após atingir a primeira marcação até a segunda marcação. A Figura 2 mostra o aparato utilizado.

(6)

Figura 2. Aparato para ensaio de flamabilidade.

Fonte. Mendes (2019).

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 DIFRAÇÃO DE RAIOS-X (DRX)

A caracterização mineralógica do resíduo foi obtida por meio de Difração de Raios-X, ensaio este que identificou os principais minerais presentes na composição residual. A Figura 3 apresenta o difratograma do RMG com picos de diferentes intensidades. As composições com picos de maiores intensidades identificam o resíduo de granito, que são os picos de minerais de Quartzo, Albita e Mica. Já os picos de baixa intensidade apontados como minerais de Dolomita e a Calcita identificam a presença do mármore. Estes minerais resultantes também condizem com os trabalhos de Dhanapandian e B. Gnanavel (2009) e Santos et al. (2014).

Figura 3. Difratograma do resíduo de mármore e granito

3.2 ENSAIOS FÍSICOS

Os resultados dos ensaios físicos obtidos para as propriedades de massa específica aparente (MEA) (ASTM D 792), absorção de água (AA) (ASTM D 570) e porosidade aparente (PA) (ASTM D 2734) estão apresentados na Tabela 1.

(7)

Tabela 1. Propriedades físicas dos compósitos

Composição (%) MEA (g/cm3₎ _{AA (%)} _{PA (%)} 0 % RMG 1,2159 (±0,0052) 1,2816 (±0,4395) 1,5569 (±0,5277) 5 % RMG 1,2475 (±0,0255) 0,7582 (±0,0698) 0,9467 (±0,0989) 15 % RMG 1,2915 (±0,1151) 0,8971 (±0,1854) 1,1493 (±0,2081) 25 % RMG 1,5948 (±0,0102) 0,8093 (±0,3212) 1,2881 (±0,5020)

Os resultados da Tabela 1 permitem dizer que em relação à matriz plena (0 % RMG), a propriedade de MEA obteve acréscimo conforme adicionado o material residual à matriz polimérica. Segundo Callister (2016), este comportamento se dá devido a regra da mistura, onde as propriedades estão ligadas as frações volumétricas das fases constituintes, consequentemente, a adição de materiais proporcionou o aumento do MEA, haja vista que a densidade do resíduo é de 2,7 g/cm3, sendo superior ao da resina que é igual a 1,15 g/cm3, comportamento também verificado por Rodrigues et al. (2015).

No que se refere a propriedade de AA, os compósitos com resíduo apresentaram valores abaixo da matriz plena, variando conforme a adição de carga, dando destaque para a composição de 15 % RMG, que apresentou a maior absorção de água com a adição de resíduo. Em relação a propriedade PA observa-se um acréscimo de acordo com a adição do RMG com destaque para a composição de 20 % RMG com maior valor em relação à matriz plena. Isto pode ocorrer em função da criação de bolhas de ar em decorrência do processo de fabricação do material compósito, então elas acabam se aglomerando em espaços vazios em conformidade com a adição de carga residual, explica Rodrigues (2016), onde também afirma o caráter hidrofóbico do resíduo, o que pode explicar a diminuição da propriedade de AA.

A Figura 4 mostra a comparação dos valores de AA e PA dos compósitos para uma melhor visualização da variação comportamental entre as propriedades.

(8)

BARBOSA et al. (2020) e Santos et al. (2014) verificaram em seus estudos que as propriedades de PA e AA possuem sensibilidade com a adição de carga dentro da matriz, no qual, muita das vezes, estabelecem uma relação de complemento, devido a influência de uma propriedade sobre a outra de acordo com a adição de teor de carga. Silva et al. (2018), em seus resultados, comentam sobre a qualidade alta de impermeabilidade do resíduo de mármore e granito, devido a baixa absorção de água e porosidade.

3.3 ENSAIO DE FLAMABILIDADE

A Tabela 2 exibe os dados das taxas de queima referentes ao ensaio de flamabilidade horizontal dos compósitos com RMG na granulometria de 100 Mesh.

Tabela 2. Taxa de queima dos compósitos Composição Taxa de queima (mm/min) Redução

0 % RMG 27,97 (±0,81) -

5 % RMG 25,64 (±1,00) 8 % 15 % RMG 16,76 (±0,53) 40 % 25 % RMG 14,50 (±0,23) 48 %

Os dados adquiridos na Tabela 2 mostram que, de modo geral, os compósitos mantiveram-se abaixo da taxa de queima da matriz plena, com destaque à composição de 25 % RMG, pois apresentou um decréscimo de aproximadamente 48 %, sendo assim, o resultado mais satisfatório à redução da taxa de queima.

Uma explicação que pode ter ocorrido para tal comportamento é que materiais que levam adição de mármore e granito adquirem melhora nas propriedades de retardância à chama, pois, como visto no difratograma de Raios-X, minerais químicos identificados no RMG possuem menor possibilidade à queima, como o quartzo e calcita, condizente ao trabalho de Moraes et al. (2019).

À medida que se aumenta o teor do resíduo à matriz polimérica, menor é a quantidade da resina (material inflamável) à composição, o que pode ter ocasionado decréscimo da propagação de chama, pois segundo Nascimento (2009), materiais poliméricos possuem baixa resistência ao calor. Ademais, segundo Costa (2016), cargas minerais inertes possuem capacidade de retardamento à chama, o que pode justificar a redução do tempo de queima.

Os compósitos com RMG apresentaram classificação HB (horizontal burning) devido exibirem taxa de queima linear inferior a 40 mm/min conforme a norma ASTM D 365. Em comum aprovação, os compósitos aderiram também às normas do CONTRAN/2014, onde estabelece valores mínimos de propagação à chama inferiores a 100 mm/min, possibilitando a utilização como material de revestimento interno para veículos.

(9)

A Figura 5 apresenta uma comparação entre os resultados obtidos e identifica visualmente o comportamento evolutivo dos compósitos perante as normas ASTM D 635 e do CONTRAN/2014, com destaque à composição de 25 % RMG.

Figura 5. Gráfico comparativo do comportamento de queima entre os compósitos e as normas

Os resultados obtidos para o ensaio de resistência às chamas com carga residual estão em analogia com as literaturas pesquisadas, onde Santos et al. (2020) obteve taxa de queima de 13,67 mm/min do compósito de 20 % de lama vermelha, semelhante a proposta da redução à chama de Moraes et al. (2019), com 17,60 mm/min para o compósito com a composição de 35 % de cinzas volantes.

4 CONCLUSÃO

Os resultados para a caracterização mineralógica do resíduo de mármore e granito evidenciaram claramente a composição dos principais minerais como Quartzo, Mica e Albita através do difratômetro de Raios-X.

As propriedades físicas dos compósitos apresentaram resultados esperados de acordo com a composição e comportamento hidrofóbico do resíduo.

As taxas de queima dos compósitos de RMG mostraram valores satisfatórios proporcionando uma baixa propagação à chama, se classificando como HB e dentro dos padrões do CONTRAN/2014 para com os requisitos de material de revestimento interno de automóveis.

Diante dos resultados e da problemática ambiental, pode-se dizer que o aproveitamento do resíduo de mármore e granito em materiais compósitos indica uma boa aplicação para revestimento interno de veículos, bem como também na construção civil, com a finalidade de minorar os problemas socioambientais. No entanto, para diferentes contextos de aplicação, pode-se haver a

(10)

necessidade de realizar mais ensaios nos compósitos, sempre visando o equilíbrio ecológico e econômico.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Laboratório de Materiais Porosos e Sintetizados (LAMPS), ao Laboratório de Engenharia Química (LEQ) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

(11)

REFERÊNCIAS

ASTM D 2734. Standard Test Method for Water Absorption of Plastics. Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, 2009.

ASTM D 570. Standard Test Method for Water Absorption of Plastics. Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, 1998.

ASTM D 792. Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement. Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, 2008.

ASTM D 635 "Rate of Burning and/or Extent and Time of Burning of Plastics in a Horizontal Position" Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, 2010. Barbosa, K. S. L. et al. Efeito da adição do resíduo de mármore e granito com fibras de sisal nas propriedades de compósitos poliméricos. Brazilian Journal of Development. v. 6, 15 p, 2020. Callister JR, W.; Rethwisch, D. Ciência e Tecnologia de Materiais: Uma Introdução. Tradução Sergio Murilo Stamile Soares. 9ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

Costa, D. S. Estudo da influência de resíduos gerados pela indústria de mineração nas propriedades de compósitos matriz poliéster reforçados com fibras naturais. Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Pará, Instituto de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia- Belém, 2016.

Dhanapandian, S; B, Gnanavel. Studies on Granite and Marble Sawing Powder Wastes in Industrial Brick Formulations. Asian Journal of Applied Sciences. Malaysia, vol 2, p. 331-440, april. 2009. Nascimento, D. C. O. Análise das propriedades de compósitos de fibra de piaçava e matriz de resina epóxi. Tese. (Doutorado) - Universidade Estadual do Norte Fluminense, Centro de Ciências e Tecnologia, Campo dos Goytacazes, 2009.

Mendes, B. H. A. Estudo da influência da incorporação de resíduo de beneficiamento de caulim nas propriedades de compósitos de matriz polimérica reforçada com fibra de bambu (Bambusa vulgaris). Dissertação de mestrado em Engenharia Química – Universidade Federal do Pará, 2019. Moraes, H. M. et al. Avaliação mecânica e resistência à chama de resíduos de cinzas volantes e mármore-granito em compósitos poliméricos. 74º Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 11 pag, 2019.

Pedroso, D. E.; Pedroso, C. L. Concretos utilizando resíduo de corte de mármore e granito (RCMG) como substituição parcial do cimento Portland. In: Congresso Brasileiro de Engenharia de Produção, 7. Anais. Ponta Grossa, 2017

Rodrigues, D. N., Influência da adição de resíduo de resíduo de mármore e granito em compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de côco. 2016. 70 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Processos) – Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2016.

(12)

Rodrigues, D. N. et al. Desenvolvimento de compósito de matriz de poliéster isoftálico com adição de rejeitos industriais (resíduo de mármore e granito) como carga e reforçado com fibra de côco. 8º Congresso de Brasileiro de Engenharia de Fabricação, COBEF, 2015.

Santos, E. E. S et al. Análise da variação da granulometria da lama vermelha nas propriedades dos compósitos. Brazilian Applied Science Review, v. 4, 9 p, 2020.

Santos, I. F. et al. Reciclagem de resíduos de mármore e granito em matrizes poliméricas. XX Congresso Brasileiro de Engenharia Química-COBEQ, 2014.

Silva, F. S. et al. Physical and mechanical characterization of artificial stone with marble calcite waste and epoxy resin. Materials Research, vol 1, 6 pag, 2018.

Spala, S. T et al. Caracterização tecnológica de resíduos de beneficiamento de rochas ornamentais para seu uso em concreto. XXV Jornada de Iniciação Cientifica em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação, 2017.

Sena, M. O. et al. Utilização do resíduo do corte do mármore e granito como adição no concreto. Engineering Sciences, v.8, n.1, p.27-37, 2020. DOI: http://doi.org/10.6008/CBPC2318-3055.2020.001.0004

Queirós, F. C.; Castro, N. F. Concreto celular com Ecofíler de resíduos de mármore e granito. In: VIII Jornada do Programa de Capacitação Institucional – PCI/CETEM, Rio de Janeiro, 2019.