efeito da biomassa em tintas intumescentes … · chama do maçarico de gás butano durante 30...

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: [email protected]

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.

Palavras chave: Biomassa,Grafite expansível, Intumescência

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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mailto:[email protected]

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


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(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


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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.


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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)


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Figura 2 - Imagens termográficas do (a) branco, (b) EG, (c) P1 e (d) EGP1


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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 aT10% (°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.


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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) atmosfera de N2 e (d) atmosfera de ar sintético.


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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 presença

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 4 - Amostras após o ensaio de queima (a) branco, (b) EG, (c) P1 e (d) EGP1


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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.


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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.

Keywords: Biomass, Expandable graphite, Intumescence


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