espuma rÍgida microporosa de cÉlula aberta … · emulsões, ou seja, as quantidades das fases...

ESPUMA RÍGIDA MICROPOROSA DE CÉLULA ABERTA OBTIDA POR EMULSÃO EM EPÓXI

M.P. Paluch¹, M.S. de Araújo1, J.A. Cerri2 [email protected], [email protected], [email protected]

Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Curitiba - Sede Ecoville

R. Dep. Heitor Alencar Furtado, 4900 - Curitiba/PR, Brasil - CEP 81280-340. ¹Depto. Acadêmico de Mecânica - UTFPR, ²Depto. Acadêmico de Construção

Civil/ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - UTFPR

RESUMO

O estudo tem como objetivo correlacionar a composição à porosidade

mais adequada para elaborar moldes permeáveis para colagem sob pressão

de peças. Para isso, foram analisadas emulsões com diferentes proporções de

água e óleo com variação da quantidade de tensoativo. Optou-se por uma

emulsão com maior proporção de água e menor quantidade de tensoativo, pois

apresenta homogeneidade de poros e única fase. Espumas foram elaboradas

com diferentes quantidades de emulsão (água + óleo + tensoativo) com relação

a resina epóxi, a qual manteve a massa constante na mistura, assim como a

carga mineral. Para caracterizar essas espumas obtidas foram realizadas

medidas de densidade e capacidade de absorção por capilaridade. Os

resultados mostraram que quanto maior a quantidade de água na emulsão

menor é a densidade e melhor a capacidade de absorver água.

Palavras-chave: resina epóxi, colagem sob pressão, espuma micro porosa, emulsão INTRODUÇÃO

A técnica de colagem sob pressão é um diferencial competitivo para as

empresas de louças e porcelanas por permitir a fabricação de peças com

design mais arrojado, aumento da competitividade por meio da economia de

matérias-primas, melhoria na qualidade das peças, redução do custo com mão

de obra e menor impacto ambiental pela redução no descarte de moldes de

gesso (1). Este método necessita de um molde fechado e poroso que funcione

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

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como um filtro para reter as partículas sólidas e permitir a passagem da água,

sendo importante a utilização de tubos direcionadores para que água escoe

mais rapidamente. Pressões elevadas podem provocar empacotamento de

partículas na parede, podendo reduzir a permeabilidade e aumentar os custos

com a estrutura do equipamento. As pressões utilizadas na fabricação por meio

da colagem sob pressão normalmente é de 10 a 15 kgf/cm² (2). Esta faixa de

pressão não é adequada para utilização de gesso nos moldes, pois o material

necessita ser resistente à tração, além de apresentar alta permeabilidade à

água e, os poros abertos devem ser menores que os das partículas sólidas da

barbotina, para que essas sejam retidas (3). A vida útil de um molde bem

dimensionado é estimada em 2.000 ciclos de colagem e também se relaciona

com o grau de entupimento dos poros (3,4). Com a grande oferta no mercado de

plásticos no início da década de 50 e da automatização necessária para o

processo de fabricação de peças cerâmicas, houve a necessidade do

desenvolvimento de moldes em resina para colagem sob pressão (5). Há

moldes micro porosos fabricados à base de gesso modificado da empresa

ALDERO, de compósitos de resinas acrílicas (4), uretânicas (6) ou epoxídicas

com reforço mineral (5). Neste projeto foram estudadas as composições de

emulsões, ou seja, as quantidades das fases água e óleo, e a proporção desta

em relação à resina para a fabricação de espumas rígidas de células abertas

de resinas epoxídicas.

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

A base da resina epóxi usada foi o éter diglicidílico do bisfenol-A

(DGEBA), conhecido comercialmente como resina epóxi 324 e o agente de

cura utilizado foi o 043, ambos fabricados pela DOW QUÍMICA. Dados sobre a

resina e endurecedor foram fornecidos pelo fabricante e estão presentes na

Tabela 1.

Para a elaboração das emulsões foi utilizada água deionizada, glicerina

bidestilada e Tween 80 comercializado pela Vetec. A utilização de carga

mineral teve como intuito aumentar a rigidez da espuma e aumentar a


8127

dispersão dos poros das composições. A carga adotada foi o carbonato de

cálcio tratado com estearato de cálcio.

Tabela 1 - Informações sobre a resina epóxi e o agente de cura

Item Aspecto

Densidade (g/ml), 25°C Viscosidade (cP), 25°C

Valor Especificado

Valor Encontrado

Valor Especificado

Valor Encontrado

Resina Líquido viscoso

transparente 1,13 a 1,16 1,12 11000 a 14000 13520

Agente de Cura

Líquido amarelado

0,96 a 1,00 0,97 19,5 a 22,5 22,1

Emulsão aerada

Primeiramente foi realizado um ensaio reológico em um viscosímetro

(Brookfield, DV III) para verificar a velocidade de cura de algumas composições

que variavam a quantidade de agente tensoativo, no caso, o Tween 80. A

velocidade de cura foi obtida apenas para a mistura de resina e agente de cura,

e depois com a adição de Tween 80, nas quantidades de 2,5% e 5% em massa

da mistura. Esse resultado foi relevante para determinar a ordem e tempo para

efetuar as misturas da espuma e se a presença do tensoativo alterava ou não a

velocidade de cura da resina. Para realizar esse ensaio foi seguida a

recomendação do fabricante do viscosímetro, para leitura do torque a cada 5

segundos até a capacidade de 85% do torque, sendo que a velocidade de

rotação constante foi de 10 rpm.

Antes de realizar o estudo para obtenção das espumas, foi estudado a

influência das quantidades relativas de água, Tween 80 e óleo de glicerina na

formação de espuma por aeração da emulsão. Foram estabelecidas para este

estudo três proporções de água deionizada e óleo, quais sejam, 25%:75%,

50%:50% e 75%:25%, respectivamente, sendo que as quantidades de

tensoativo utilizados na mistura foram 5%; 7,5% e 10%. Essas misturas foram

executadas em um Becker graduado, essencial para a leitura do volume da

espuma após aeração. O procedimento adotado foi trabalhar com o mesmo

volume inicial para todas as espumas. O objetivo era conseguir comparar

visualmente os diferentes volumes da espuma após o processo de aeração,

para o qual foi utilizado um agitador mecânico na rotação de 1.000 rpm. Na

avaliação da melhor condição de emulsão para a espuma micro porosa de


8128

resina epóxi os critérios utilizados foram, o volume de emulsão obtido, a

homogeneidade e as fases constituintes.

Espuma Para obtenção da espuma a proporção volumétrica da mistura água e

óleo adotada foi fixada em 75% de água e 25% óleo (glicerina). O tensoativo

(Tween 80) foi adicionado como 7,5% do volume da mistura água e óleo. Nesta

etapa foi estudada a influência das proporções entre a emulsão (água, óleo e

Tween 80) e a resina juntamente com o agente de cura e carga mineral. As

relações volumétricas das espumas e a composição em partes mássica com

relação a resina que foram elaboradas e, posteriormente testadas, encontram-

se listadas na Tabela .

Tabela 2 - Composições para elaboração de espumas em partes mássicas

Espuma

Relação Volumétrica (partes)

Partes Mássicas

Resina + Agente de

cura

Água+ óleo+Tween

Resina Carga Agente Tween

80 Óleo Água

1 1,00 0,25 100 90 40 2,35 9,24 22,00

2 1,00 0,50 100 90 40 4,76 18,69 44,50

3 1,00 0,60 100 90 40 5,71 22,41 53,35

4 1,00 0,70 100 90 40 6,66 26,14 62,24

5 1,00 0,75 100 90 40 7,01 27,51 65,50

6 1,00 1,00 100 90 40 9,52 37,38 89,00

7 1,00 2,00 100 90 40 19,05 74,76 178,0

A formulação foi submetida à agitação com o auxílio do agitador mecânico

de alto torque com microprocessador (Quimis, modelo Q250M1), com a rotação

de 1000 rpm. Primeiramente, foram misturados os componentes da emulsão,

sendo a água, o óleo de glicerina e o Tween 80, até que se formasse uma

espuma e não houvesse líquido acumulado no fundo do recipiente. Em

seguida, foi adicionada a resina epóxi e o agente de cura, misturados por

aproximadamente dois minutos para homogeneização. Por último, foi

adicionado à mistura o carbonato de cálcio tratado com estearato de cálcio até

que toda a carga estivesse distribuída uniformemente pela mistura. Em

seguida, a espuma no estado líquido foi vertida em um molde de silicone, no

qual, a espuma foi mantida até terminar a cura.


8129

As composições de espumas foram caracterizadas por ensaios de

densidade aparente e difusão por capilaridade, para comparar a capacidade de

permeabilidade à água. Para verificar este comportamento, os corpos de

provas de 60 mm de diâmetro e 30mm de altura foram expostos a uma fina

camada de água com pigmentação vermelha por um período de 24 horas e,

após esse período foi medido a altura da parede pigmentada. Quanto maior

essa a espessura da camada pigmentada, maior a permeabilidade da espuma.

A composição de espuma 2 da Tabela 2 foi analisada com a ajuda do

Stereomicroscope Stemi 508 da Zeiss com ampliação de 20x.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Inicialmente foi estudado o efeito do Tween 80 em percentagem mássica

de resina sobre o tempo de cura, ou seja, o tempo que as misturas demoravam

para o torque alcançar 85% da capacidade do viscosímetro, Figura 1.

Figura 1 - Relação do torque com o tempo para diferentes quantidades de tensoativo Tween na resina

Concluiu-se que quanto maior a quantidade de tensoativo na mistura,

maior o tempo para a cura da resina epóxi.

Emulsão aerada Os resultados após a mistura vigorosa de Tween, água e glicerina estão

presentes na


8130

. É possível observar que quanto maior a quantidade de água e Tween,

maior é o volume formado da emulsão aerada, e por consequência, maior o

volume de poros. Nas Figuras 2 são comparadas as imagens das diferentes

misturas, as quais variaram a quantidade de água, de glicerina (fase óleo) e de

Tween 80. As fotos foram realizadas logo após a agitação por um minuto na

rotação de 1000 rpm.

Tabela 2 - Composição da emulsão e de poros das composições

Amostra

Partes em volume

Tween (% v da

mistura)

TempoMistura

(min)

Rotação (rpm)

Volume inicial (ml)

Volume final (ml)

Volume poros (ml)

Água Óleo

1 3 1

5

1 1000 25

120 95

2 1 1 90 65

3 1 3 50 25

4 3 1

7,50

150 125

5 1 1 95 70

6 1 3 60 35

7 3 1

10

160 135

8 1 1 100 75

9 1 3 50 25


8131

Observa-se na Figura 2 que em todas as amostras com 5 % de Tween,

há uma deposição de água e óleo no fundo do recipiente e que, a partir de

7,5% de Tween a deposição não é mais perceptível.

Figura 2 - Comparação da deposição líquida das emulsões aeradas, do volume formado e a homogeneidade das composições

Logo a quantidade mínima necessária é de 7,5% de Tween na mistura, já

que além de não haver a deposição de água, quanto menor a quantidade de

tensoativo, melhor a relação custo/benefício na fabricação da espuma e,

reduzindo ainda o efeito de retardamento da cura da resina, mostrado na

Figura 1.

As emulsões aeradas com menores quantidade de glicerina são as que

possuem maiores volumes de poros. As espumas com mais Tween não

influenciaram na porosidade, entretanto, na medida em que se aumenta a

proporção do tensoativo, a espuma torna-se mais homogênea, principalmente

para a relação 25% água/ 75% óleo, como é observado por meio da Figura 3.


8132

Figura 3 - Comparação das emulsões aeradas em função da quantidade de água, óleo e Tween 80, vista de cima

Para obtenção de espumas rígidas, foi adotado a proporção volumétrica

com 75% de água e 25% óleo (glicerina) e, para esta mistura, 7,5% de Tween

80, em volume da mistura.

Espumas Após executar as composições das espumas, conforme a Tabela 2, foi

possível observar, por meio da Figura 4 e da Figura 5, que as maiores

densidades e menores porosidades foram as das espumas que possuíam

menor quantidade de emulsão na composição.

Figura 4 - Corte axial das espumas para observação da porosidade


8133

Figura 5 - Relação entre a densidade aparente e o teor de emulsão

A espuma de composição 6 não alcançou a resistência mecânica mínima

necessária para manipulação manual após 5 dias, pois após esse tempo a

espuma ficou muito frágil, sendo que, após a desmoldagem houve a quebra da

amostra. A composição 7 também não endureceu em um período de duas

semanas.

Figura 6 - Micrografia óptica da composição 2 com 0,5 parte de emulsão

Um resultado satisfatório foi o aparecimento de poros interconectados

devido a utilização de água na composição. Na Figura 6 é possível a

observação desses poros.

Após o ensaio da capacidade de absorção de água pigmentada,

observou-se por meio de um corte axial das amostras, conforme a Figura 7,

que a parte inferior de cada amostra havia uma parede de cor vermelha.

Quanto maior a espessura dessa parede indica que maior foi a quantidade de

água absorvida pela espuma.


8134

Figura 7 - Espumas cortadas após ensaio de capilaridade

Pelos resultados apresentados na Figura 8, verificou-se que, a partir de

0,5 parte volumétrica de emulsão na mistura, há uma relação linear com a

espessura de parede vermelha, ou seja, maior absorção de água.

Figura 8 - Espessura de parede vermelha pela proporção volumétrica de emulsão na mistura

CONCLUSÕES

No estudo de formação da emulsão aerada, a melhor composição foi a

com maior quantidade de água (75% água / 25% glicerina), por produzir maior

volume de poros, e com 7,5% de Tween 80, por resultar em uma espuma

homogênea sem deposição de líquidos e por possuir menor influência no

tempo de cura.

Espumas com maior quantidade de emulsão na composição são as com

maior potencial de absorção por capilaridade, devido a elevada quantidade de

poros conectados, que resultaram em menores densidades. Uma quantidade

R² = 0,9978


8135

maior que 50% de emulsão, em relação a resina, parece ser necessário para

garantir essa absorção.

REFERÊNCIAS 1. ARAUJO, M.S.; WENG , L.Y.; JACICHEN , G. E; CERRI, J.A. A tecnologia

de colagem sob pressão como fortalecimento competitivo para a indústria de

louça de mesa nacional. In: 56o. Congresso Brasileiro de Cerâmica, Curitiba,

PR, 2012.

2. KLAUS, J. Pressure Casting in Silicate Ceramics. Industries Fórum, v. 70,

No. 5, 1993.

3. ERGÜN, Y. Development and Characterization of PMMA Based Porous

Materials Used for High Pressure Casting of Sanitaryware Ceramics,

Dissertação de Mestrado. Department of Materials Science and Engineering,

Izmir Institute of Technology, Pg 50-55, jul. 2004.

4. GALHARD, A. C. Desenvolvimento e caracterização de espumas rígidas

com poros intercomunicantes de polimetacrilato de metila, e sua aplicação na

indústria cerâmica. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade

Estadual de Campinas, 1998.

5. BUTYLEVA, E.S., SERGEEVA, V.A., DEMIN, G.G., KANAEVA, V.I. Using

epoxide foamed plastics instead of plaster. Journal Glass and Ceramics. v.23.

n.5. p. 255-257. 01/1966.

6. REED, J.S. Principles of Ceramics Processing. 2nd. Ed. New York: Wiley –

Interscience, 1995. Cap. 25.

RIGID FOAM MICROPOROUS OPEN CELL OBTAINED BY EMULSION IN EPOXY

ABSTRACT

The study aims to correlate the composition to the most appropriate

porosity to prepare permeable mold for pressure slip casting. For that,

emulsions were analyzed with different proportions of water and oil with varying

amount of surfactant. It was decided to choose an emulsion with a higher

proportion of water and minor amount of surfactant, because it presents


8136

homogeneous pores and single phase. Foams were prepared with different

amounts of emulsion (oil + water + surfactant) with epoxy resin, which has a

constant mass in the mixture, as the mineral filler. To characterize these foams,

it was necessary measurements of density and capacity to absorb water. The

results showed that with a higher amount of water in the emulsion resulted in a

foam with lower density and best capacity to absorb water.

Key words: Epoxy resin, pressure slip casting, microporous foam, emulsion


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