estudo das propriedades mecânicas e térmicas de compósitos de polipropileno com casca de arroz
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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASILPRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
WAGNER CORREA FREITAS
ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DE COMPÓSITOS
DE POLIPROPILENO COM CASCA DE ARROZ
Canoas
2011
UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASILPRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
WAGNER CORREA FREITAS
ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DE COMPÓSITOS
DE POLIPROPILENO COM CASCA DE ARROZ
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
como requisito para a obtenção do grau de
Engenheiro Químico; Universidade Luterana do
Brasil; Curso de Engenharia Química.
Prof. Orientador: Luis Sidnei Barbosa Machado
Canoas
2011
WAGNER CORREA FREITAS
ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DE COMPÓSITOS
DE POLIPROPILENO CASCA DE ARROZ
Trabalho de Conclusão apresentado e aprovado no Curso de Engenharia Química
como exigência para obtenção do título de Engenheiro Químico
Prof. Rubens Zolar da Cunha Gehlen, Msc.
Coordenador do Curso de Engenharia Química
Prof. Luis Sidnei Barbosa Machado, Msc.
Coordenador do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Luis Sidnei Barbosa Machado, Msc.
Orientador do Trabalho de Conclusão de Curso
Banca Examinadora
Prof. José Carlos Krause de Verney, Dr. Profª Denise Maria Lenz, Dra.
Canoas
2011
DEDICATÓRIA
Dedico a meus pais, grandes mestres na minha vida, e a todos que de uma
forma ou outra me ajudaram a alcançar este tão sonhado objetivo.
AGRADECIMENTOS
Meus sinceros agradecimentos...
Principalmente a Deus.
A todos que colaboraram direta ou indiretamente na
Elaboração deste trabalho, o meu reconhecimento.
Ao professor e amigo Luís Sidnei Barbosa Machado pelo auxílio,
dedicação e apoio prestados durante este trabalho.
Ao professor e amigo Leonardo Santos por toda colaboração e apoio.
Aos amigos e colegas Emerson Severo, Mariana Neis e
Rosane Schossler por todo apoio e compreensão durante o semestre.
“O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em
se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem
busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis”
José de Alencar
RESUMO
Compósitos poliméricos com cargas orgânicas têm sido cada vez mais
utilizados na obtenção de produtos das mais diversas áreas, dentre estas matrizes o
polipropileno (PP) vem sendo um dos mais utilizados devido ao seu fácil
processamento. Neste trabalho foram estudadas as propriedades mecânicas e
termogravimétricas de compósitos de polipropileno com farinha da casca de arroz
(FCA). Os materiais foram escolhidos devido ao polipropileno possuir excelentes
características de processamento, como estabilidade térmica, boa resistência a
abrasão e a corrosão e a farinha da casca de arroz por ser um material abundante
na região sul do Brasil, que não possui destino adequado, e por possivelmente
conferir boas propriedades ao polímero devido a sua natureza rígida, sendo a
possível melhoria das propriedades do polímero o principal objetivo deste trabalho.
Neste trabalho os teores de farinha de casca de arroz utilizados foram de 10 e 20%
em massa, sendo os corpos de prova preparados através do processo de injeção.
Verificou-se um bom comportamento térmico do material e a perda de algumas
características mecânicas, como elasticidade do material, uma queda maior que
90% em comparação com o PP Virgem, porém com ganho em resistências
mecânicas, como o aumento na tensão de ruptura a tração de cerca de 30% no
compósito com 10% de FCA, além de um aumento na resistência térmica do
material, em torno de 2% com 10% de FCA e 14% com 20% de FCA em
comparação ao PP virgem, possibilitando diversas aplicações para este novo
compósito.
Palavras-chave: Compósitos; polipropileno; casca de arroz.
ABSTRACT
Polymeric Composites with organic loads are increasingly frequent in
obtaining products of several different areas, within these the polypropylene (PP)
matrixes are becoming one of the most used due to their simple processing. The
mechanic and thermo gravimetric properties of polypropylene composites with rice
hulls powder (RHP) have been assessed in this study. The materials have been
chosen due to polypropylenes excellent processing characteristics, such as thermal
stability, good resistance to abrasion and corrosion, while the rice hull powder for
being abundant in Brazil’s southern regions, which in itself has no adequate use, and
for possibly good properties being passed on to the polymer due to its rigid nature,
the improvement of the polymer’s properties being the main objective of this study.
The proportions of rice hull powder utilized ranged from 10 to 20 % in mass, the
samples were prepared through the injection process. The results of which show a
good thermal behavior of the material and the loss of some mechanical
characteristics, such as elasticity, a decrease bigger than 90% in comparison with
virgin PP, but with a mechanic resistance gain, with the improvement of the rupture
tension by traction to around 30% in the composite with 10% of RHP, also
improvements on the thermal resistance of the material, between 2% with 10% RHP
and 14% with 20% of RHP in comparison with virgin PP, allowing several uses for
this new composite.
Key words: Composites; polypropylene; rice hulls.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Classificação de materiais compósitos......................................................18
Figura 2 - Principais vantagens e desvantagens do tipo de fase dispersa................21
Figura 3 - Força de Van der Waals............................................................................25
Figura 4 - Exemplificação da funcionalidade de uma matriz......................................26
Figura 5 - Polimerização do propeno em presença do catalisador............................27
Figura 6 - Peneiras Tyler em Mesa Vibratória...........................................................29
Figura 7 - Esquema de uma Injetora.........................................................................31
Figura 8 - Fluxograma do processo...........................................................................33
Figura 9 - Casca com impurezas (E) e casca seleciona (D)......................................33
Figura 10 – Torno mecânico com o cilindro acoplado...............................................34
Figura 11 – Cilindro parcialmente preenchido com casca de arroz...........................35
Figura 12 – Casca após moagem..............................................................................35
Figura 13 – Mesa vibratória com série de peneiras Tyler..........................................36
Figura 14 – Farinha da Casca de Arroz.....................................................................37
Figura 15 – Prensa e balança....................................................................................38
Figura 16 – Chapas com 30% de FCA onde não houve mistura...............................39
Figura 17 – Chapas com 10% (D) e 20% (E) de FCA...............................................39
Figura 18 – Moinho de Lâminas................................................................................40
Figura 19 – Injetora Himaco.......................................................................................41
Figura 20 – Molde para corpos de prova...................................................................41
Figura 21 - (a) PP com 10% FCA; (b) PP com 20% FCA; (c) PP Virgem..................42
Figura 22 – MEV da FCA. (a) 50µm; (b) 100µm........................................................44
Figura 23 - Microscopia eletrônica de varredura em corpos de prova rompidos nos
testes de impacto. (a) PP puro; (b) PP + 10% FCA; (c) PP + 20% FCA..................45
Figura 24 – Curvas termogravimétricas do PP Virgem..............................................46
Figura 25 – Curvas termogravimétricas do PP com 10% FCA..................................47
Figura 26 – Curvas Termogravimétricas do PP com 20% FCA.................................48
Figura 27 – Equipamento executando compressão da amostra................................49
Figura 28 – Gráfico Tensão x Deformação Médio do PP com 10% FCA..................50
Figura 29 – Gráfico Tensão x Deformação Médio do PP com 20% FCA..................51
Figura 30 - Comparativo dos Ensaios de Compressão.............................................52
Figura 31 – Ensaio de tração em andamento............................................................53
Figura 32 – Gráfico Força x Deformação – PP Virgem..............................................53
Figura 33 – Gráfico Força x Deformação – PP 10%..................................................54
Figura 34 – Força x Deformação – PP 20%..............................................................54
Figura 35 - Equipamento para análise de impacto IZOD PANTEC...........................56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Exemplos de Cargas Utilizadas em Termoplásticos.................................20
Tabela 2 - Propriedades gerais de cargas orgânicas comuns...................................22
Tabela 3 - Composição Típica da Casca de Arroz....................................................23
Tabela 4 - Composição Química da Cinza Mineral....................................................23
Tabela 5 - Composição Química de Diferentes Fibras Orgânicas.............................24
Tabela 6 - Principais aplicações do PP.....................................................................28
Tabela 7 - Escalas Granulométricas..........................................................................30
Tabela 8 - Controle de Perda de Carga.....................................................................38
Tabela 9 - Resultados do teste de Tração.................................................................55
Tabela 10 - Resultados do teste de Impacto ISOD....................................................56
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
ASTM – American Society for Testing and Materials
Aw – Área por unidade de massa
d – Diâmetro
DP – Desvio Padrão
Dp – Diâmetro de Partícula
E – Energia lida na escala do aparelho IZOD
FCA – Farinha da Casca de Arroz
I – Resistência ao impacto IZOD
IRGA – Instituto Rio Grandense de Arroz
IRRI – International Rice Research Institute
l – comprimento
m – massa
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
N – Diâmetro médio da partícula
ρp – massa específica da partícula
PP – Polipropileno
Φp – Esfericidade
t – Espessura do corpo de prova
TGA – Termogravimetria
Tm – temperatura de fusão cristalina
V – Volume
νp – Volume de partícula
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO..........................................................................................................14
1 OBJETIVOS..........................................................................................................161.1 OBJETIVO GERAL..............................................................................................161.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...............................................................................16
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA............................................................................172.1 COMPÓSITOS POLIMÉRICOS..........................................................................172.1.1 Compósitos Particulados...............................................................................192.1.2 Cargas – “Fillers’.............................................................................................202.1.3 Interação Interfacial........................................................................................242.2 MATRIZES..........................................................................................................262.2.1 Matrizes Poliméricas.......................................................................................262.2.2 Polipropileno...................................................................................................272.3 ANÁLISE GRANULOMÉTRICA..........................................................................282.3.1 Peneiras Séries Tyler......................................................................................292.4 PROCESSO DE INJEÇÃO..................................................................................30
3 MATERIAIS E MÉTODOS....................................................................................323.1 MATERIAIS..........................................................................................................323.1.1 Polímero...........................................................................................................323.1.2 Casca de Arroz................................................................................................323.2 MÉTODOS..........................................................................................................323.2.1 Seleção da Casca de Arroz............................................................................333.2.2 Moagem da Casca...........................................................................................333.2.3 Peneiramento..................................................................................................363.2.4 Mistura.............................................................................................................373.2.5 Moagem das Chapas......................................................................................403.2.6 Injeção dos Corpos de Prova.........................................................................40
4 ANÁLISES E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS..................................................434.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)...................................434.2 TERMOGRAVIMETRIA – TGA............................................................................464.3 COMPRESSÃO...................................................................................................494.4 TRAÇÃO..............................................................................................................52 4.5 IMPACTO – IZOD...............................................................................................55
CONCLUSÃO............................................................................................................58
REFERÊNCIAS.........................................................................................................59
14
INTRODUÇÃO
O consumo do arroz pela população mundial é um hábito inquestionável e
dificilmente sofrerá substituição. Em análise apresentada pelo Instituto Internacional
de Pesquisa em Arroz (International Rice Research Institute - IRRI, 1994), sobre
projeção de oferta e consumo do arroz para o ano de 2025, ficou demonstrada a
necessidade de um acréscimo de 200 milhões de toneladas aos 550 milhões
atualmente produzidos para atender ao consumo mundial. Segundo o IRRI, tal
produção só será parcialmente obtida pelos países asiáticos, maiores consumidores,
tendo em vista as dificuldades de disponibilidade de terra, água e pela redução do
crescimento da produtividade. Do exposto, fica evidente a necessidade da expansão
de área para a produção do cereal e a região tropical do Brasil, tanto no ecossistema
de terras altas quanto no de várzeas irrigadas, se apresenta como uma das
principais alternativas para fazer frente ao desafio de suprir as necessidades
mundiais (SOUZA, 2007).
Segundo o IRGA – Instituto Rio Grandense do Arroz – somente no estado do
Rio Grande do Sul, principalmente nas regiões centro-oeste e litoral, são produzidas
cerca de 9 milhões de toneladas de arroz por ano (safra 2010/2011).
Na indústria do arroz tem-se, como subproduto mais volumoso, as cascas, as
quais podem ser aproveitadas de diversas maneiras. Sabendo que as cascas
representam mais de 20% do valor produzido, a produção anual desse rejeito no Rio
Grande do Sul é da ordem de 1,8 milhões de toneladas. Há alguns anos, quase todo
esse material ia parar nas lavouras e fundo de rios (IRGA, 2011 e PAULESKI, 2005).
Compósitos poliméricos, que representam cerca de 90% de todos os
compósitos, são feitos com diversos tipos de cargas, inclusive orgânicas, que são
aproveitadas de forma adequada agregando valor ao produto final. Os principais
reforços utilizados são os fibrosos (geralmente de fibra de vidro ou fibras de
15
carbono), que são revestidos ou cercados por uma resina plástica e geralmente
conferem excelentes propriedades ao material polimérico. O material é misturado em
um molde e solidificado, seja por métodos de moldagem de termoplásticos ou
termofixos (STRONG, 1996).
A grande versatilidade de aplicações, facilidade de obtenção de matéria-prima
e simplicidade no processamento fazem com que os compósitos tenham grande
vantagem, quando comparados a outras classes de materiais, sendo utilizados em
diversos setores, principalmente visando à redução de custos. (MANRICH, 2005).
A tecnologia de produção dos compósitos termoplásticos reforçados com as
fibras lignocelulósicas, caso da casca de arroz, utiliza atualmente como matérias-
primas principais, em função de sua maior disponibilidade e adequação aos
sistemas de produção que requerem a fusão do material, os plásticos polietileno
(PE) de baixa e alta densidade e o polipropileno (PP) em mistura com farinhas e
fibras de madeira e agentes compatibilizadores (ENGLISH, 1996).
A utilização de casca de arroz e plástico surge como uma forma de solucionar
o problema do acúmulo de resíduos e uma alternativa para o desmatamento com o
uso de materiais plásticos com aparência amadeirada. Podendo substituir a própria
madeira, além de eliminar sua propriedade de agente impactante e poluente,
transforma um produto que antes era resíduo em matéria-prima para a indústria
(PAULESKI, 2005).
Com a crescente demanda no uso de materiais poliméricos, torna-se cada
vez mais importante a busca de novos materiais de menor impacto ambiental. Assim
este trabalho visa à redução do consumo de matéria-prima não renovável (petróleo)
utilizada na produção de polipropileno, com o uso parcial da farinha da casca de
arroz, que é uma matéria prima abundante, além de colaborar na conservação do
meio ambiente com a utilização de um resíduo da agricultura.
16
1 OBJETIVOS
Este trabalho tem por objetivo mostrar uma possível utilização para a casca de
arroz, um material considerado como resíduo, em conjunto com PP, diminuindo o
impacto ambiental causado pelo descarte da casca de arroz e manter as
propriedades comerciais do PP.
1.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho será a produção de compósitos de polipropileno
com farinha de casca de arroz.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Confeccionar corpos de prova, a partir do processo de injeção, com
diferentes proporções mássicas (10, 20% e 30%) de farinha de casca de
arroz com PP;
Realizar ensaios mecânicos – tração, compressão e impacto -, microscopia e
ensaio térmico – TGA – no material desenvolvido;
Comparar as propriedades mecânicas e térmicas do compósito desenvolvido
com o PP puro;
17
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para o aprofundamento do assunto neste trabalho devem-se levar em
consideração alguns conceitos teóricos básicos para o entendimento satisfatório do
conteúdo abordado.
2.1 COMPÓSITOS POLIMÉRICOS
Compósitos poliméricos são uma classe de materiais não tem uma definição
universalmente aceita. A palavra compósito deriva de composto, ou seja, qualquer
coisa formada por partes ou constituintes diferentes. Em escala microestrutural,
alguns materiais podem ser considerados compósitos, uma vez que são formados
por agrupamentos atômicos diferentes, e, na escala macroestrutural, na qual os
constituintes são diferentes e podem ser identificados sem o auxílio de instrumentos,
também são considerados materiais compósitos. Portanto, a dificuldade em
estabelecer uma definição reside nas limitações dimensionais impostas aos insumos
constituintes. Para dar uma descrição razoável para compósito, ele pode ser
classificado como um material formado por uma mistura ou combinação de dois ou
mais micro ou macro-constituintes que diferem na forma e na composição química,
os quais na sua essência são insolúveis uns nos outros (DALCIN, 2010 apud
OSKMAN, et. al, 1998).
Os compósitos podem ser divididos de acordo com o tipo de carga que é
adicionada à matriz, neste caso polimérica, conforme exemplifica a Figura 1. Neste
trabalho será dada ênfase aos compósitos com carga particulada, caso da casca de
arroz.
18
Figura 1 - Classificação de materiais compósitos. Fonte:Faria, Abrão, 2006.
Compósitos poliméricos são definidos como compostos em que pelo menos a
matriz é de natureza polimérica. Em contraste com o uso de engenharia da palavra,
o termo "compósito polimérico" é ocasionalmente usado para abranger não só
misturas heterogêneas de uma matriz resinosa e outro material (partículas, fibras,
outros plásticos, elastômeros, etc), mas também materiais homogêneos
(monofásicos) de duas resinas (mistura homogênea de polímeros). Compósitos de
polímeros, tais são, por sua vez um subgrupo de "sistemas multicomponentes de
polímeros". (SHACKELFORD, 2008).
A principal vantagem dos compósitos de matriz polimérica é que a injeção de
produtos envolve altas pressões e baixas temperaturas, evitando problemas
associados à degradação do reforço. Por este motivo o seu desenvolvimento
cresceu rapidamente. Os plásticos reforçados com fibras de vidro são os mais
utilizados em termos de volume, devido as excelentes propriedades que podem ser
adquiridas. As propriedades dos compósitos de matriz polimérica podem variar em
uma grande faixa, dependendo do tipo de matrizes e reforços utilizados e das
combinações dos mesmos. As suas principais desvantagens são as
impossibilidades de trabalho sob altas temperaturas, instabilidade dimensional
(devido a altos coeficientes de expansão térmica), sensibilidade à radiação e, em
alguns casos, absorve a úmidade do ambiente (DALCIN, 2010 apud OSKMAN, et.
al, 1998).
19
2.1.1 Compósitos Particulados
Segundo Camargo (2006), as cargas podem ser definidas como materiais
sólidos, não solúveis, que são adicionados aos polímeros em quantidades
suficientes para diminuir custos e /ou alterar suas propriedades. De acordo com as
características dimensionais, os materiais de reforço para compósitos
termoplásticos, podem ser classificados em cargas particuladas e fibrosas que
podem ser tanto orgânicas como inorgânicas.
A distinção entre carga particular e fibrosa é dada pela Equação 1:
(Eq. 1)
Onde M é a relação entre os tipos de carga, l representa o comprimento e d o
diâmetro da fibra. Seguindo a razão:
material particulado
material fibroso
A dispersão de partículas em polímeros tende a aumentar o módulo, porém a
tenacidade e a resistência à tensão nem sempre aumentam, pois dependem da
ductilidade da matriz e do grau de adesão entre as fases. Este aumento do módulo
depende, principalmente:
Da concentração da carga;
Do módulo da carga;
Da forma da partícula.
O aumento do módulo se dá devido às partículas restringirem a mobilidade e
a deformabilidade da matriz através de uma ação mecânica, cujo grau depende do
espaço interfacial e das propriedades da matriz e da partícula (KATZ, MILEWSKI,
1987).
O tamanho médio das partículas e a sua distribuição de tamanho de
partículas influenciam tanto nas propriedades mecânicas como reológicas do
compósito. O excesso de partículas grosseiras ou partículas extremamente finas
pode prejudicar as propriedades reológicas, ocasionando problemas tanto de
dispersão da carga como de processabilidade dos materiais carregados. As
20
principais características de algumas cargas empregadas em termoplásticos são
apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Exemplos de Cargas Utilizadas em Termoplásticos.
Fonte: Camargo, 2006.
2.1.2 Cargas – “Fillers’
As cargas, também chamadas de “fillers”, são materiais adicionados aos
polímeros durante seu processamento a fim de alterar, de forma controlada,
algumas de suas propriedades ou visando a diminuição de custo. São materiais
sólidos e insolúveis, capazes de produzir um material heterogêneo com fases
sólidas distintas, o que é a definição de compósito (LIMA; KAHN; GOUVEA, 2007).
21
Existem diversos tipos de carga, que são divididas de acordo com a sua
finalidade. Na Figura 2 são exemplificadas as duas principais, as quais podem
possuir uma ou várias destas características:
Cargas de Enchimento: Tem por finalidade a redução de custos.
Cargas de Reforço: Alteram as propriedades mecânicas do produto.
Cargas Funcionais: Alteram propriedades específicas do produto. Ex.:
Condutividade térmica.
Além desta classificação, é possível classificar as cargas através de sua
natureza ou origem, sendo divididas em inorgânicas (minerais), orgânicas e
metálicas (PAOLI, 2011).
Figura 2 - Principais vantagens e desvantagens do tipo de fase dispersa.
Fonte: Faria, Abrão, 2006.
2.1.2.1 Cargas Orgânicas
As fibras orgânicas vêm sendo cada vez mais usadas devido a diversas
características, e dentre elas estão:
São produzidas por fontes biodegradáveis;
São biodegradáveis;
22
Melhor capacidade de isolação térmica e sonora;
Geralmente mais leves que cargas minerais e metálicas;
Fator ambiental com o uso de subprodutos / resíduos.
A grande desvantagem é a dificuldade na reciclagem por métodos
mecânicos, podendo ser somente reciclados por métodos térmicos (PAOLI, 2011).
È complicado relacionar um padrão de propriedades químicas e físicas deste
tipo de carga, pois cada produtor faz uso de sua própria especificação de materiais e
métodos utilizados durante a produção (KATZ, MILEWSKI, 1987).
No entanto, as especificações mais importantes podem ser generalizadas
como mostra a Tabela 2.
Tabela 2 - Propriedades gerais de cargas orgânicas comuns.
Farinha de
Madeira
Algodão Celulose Sisal
Teor de Cinzas 0,3% 0,5-1,5% 0,15% 0,3% max.
Sol. Em Acetona 8,5% Max 2,0-3,0% - -
Absorção de
Óleo cc/ 10
gramas
15-30 20-30 - -
Extrato de Éter 5,0% Max 2,0% max 0,24% 0,5-1,5%
% Insolúveis 0,0 1,5-2,5 0,0 0,0
Cor Creme claro ou
escuro
Branco Gelo Castanho Claro
Aparência Fibra Fibra/Macerado Fibra Fibra
Umidade 5,0-8,0% 5,0-8,0% 5,0-8,0% 12,0% max
Densidade ml / 50
gramas
160 – 240 180-300 135-400 140-330
Tamanho de
Partícula
5-140 mesh 10-200 mesh 10-200 mesh Corte aleatório:
10-100 mesh
Fonte: Katz, Milewski, 1987.
2.1.2.2 Casca de Arroz
Um interesse especial vem crescendo em relação aos compósitos de matrizes
termoplásticas contendo materiais lignocelulósicos como carga, tais como, farinha
23
de madeira, trigo, casca de amêndoa e casca de arroz (Farinha e Cinza). Essas
cargas introduzem algumas vantagens quando comparadas a cargas inorgânicas
tradicionais incluindo, sua natureza renovável, a baixa densidade, resistência
mecânica e rigidez (FERRAN, 2006).
As fibras naturais podem ser usadas como preenchimento orgânico na forma
de pó ou fibra. Nos últimos anos, a utilização de fibra e pó de fibra derivados da
agricultura, tais como banana, sisal e abacaxi, tem se tornado um assunto de grande
interesse na preparação de compostos poliméricos. O uso de casca de arroz como
carga em determinados polímeros resulta em compósito com melhores propriedades
mecânicas, resistência térmica, maior resistência à umidade e menor custo
(PAULESKI, 2005).
A casca de arroz possui uma estrutura granular, é insolúvel em água, possui
alto nível de estabilidade química e alta resistência mecânica, e sua composição
típica é dada conforme as Tabelas 3 e 4.
Tabela 3 - Composição Típica da Casca de Arroz.Composição Percentagem
Celulose
Hemicelulose
Lignina
Extratos
Água
Cinzas Minerais
32,24
21,34
21,44
1,82
8,11
15,05
Fonte: Chuah, 2004.
Tabela 4 - Composição Química da Cinza Mineral.Composição Percentagem
SiO2
K2O
MgO
Fe2O3
Al2O3
Cão
K2O
96,34
2,31
0,45
0,2
0,41
0,41
0,08
Fonte: Chuah, 2004.
24
A principal diferença entre a casca de arroz e outras cargas particuladas, é o
índice de sílica apresentado, que confere as propriedades únicas a esta, além da
boa concentração de lignina (PAULESKI, 2005). Conforme exemplifica a Tabela 5.
Tabela 5 - Composição Química de Diferentes Fibras Orgânicas.
Fonte: Ferran, 2006.
2.1.3 Interação Interfacial
Diversos fatores influenciam na interação entre a matriz e a carga, durante o
processo de mistura, devido às forças de adesão entre as partículas e a tensão
interfacial entre partícula e polímero, a carga tende a formar agregados. A presença
destes agregados é mais relevante quando a granulação das partículas é inferior a
20 µm de diâmetro, nesta situação as forças atrativas podem vir a ser mais
importantes que seu próprio peso (LIMA; KAHN; GOUVEA, 2007).
Outro fator de vital importância é o molhamento da carga que estará dispersa
no polímero, ou seja, toda a carga particulada deve estar em pleno contato com a
matriz polimérica para que haja um molhamento adequado (FELLICETI, 2004).
2.1.3.1 Adesão
A adesão pode ser definida como a força necessária para desprender uma
partícula que está aderida a uma superfície. Apesar de ser um fenômeno de suma
importância, ainda esta longe de ser compreendido completamente devido a sua
complexidade, dentro deste enfoque são propostos diversos modelos para definir
este fenômeno (SHACKELFORD, 2008).
25
Dentre os diversos modelos que tentam descrever os diferentes processos de
adesão, podem-se citar, principalmente, a Interdifusão (Forças de Van der Waals),
que é dada pelo entrelaçamento molecular, a difusão eletrostática, dada pela força
de atração entre cargas. Também a ligação química, dada pela reação química
direta, a sinterização reativa, reação química que ocorre na interface, e a adesão
mecânica, que envolve o ancoramento mecânico na interface através da porosidade
e da rugosidade superficial (LIMA; KAHN; GOUVEA, 2007).
As forças de Van der Waals são as mais importantes forças de atração, elas
surgem porque o movimento aleatório de elétrons produz áreas transitórias de
cargas, produzindo forças atrativas, conforme é apresentado pela Figura 3
(FELLICETTI, 2004).
Figura 3 - Força de Van der Waals. Fonte: Felliceti, 2004.
2.1.3.2 Molhamento
O molhamento refere-se à capacidade da matriz de impregnar, neste caso,
por exemplo, a carga. Um molhamento adequado é necessário para haver uma boa
interação entre as fases, influenciando, principalmente, nas propriedades
mecânicas.
Este também é responsável pela homogeneização da carga na matriz, quanto
melhor for o espalhamento dessa carga através da matriz melhor serão as suas
propriedades, concentrações elevadas da carga em pontos específicos da matriz
ocasionam um enfraquecimento nos demais pontos (LIMA; KAHN; GOUVEA, 2007).
26
2.2 MATRIZES
A principal função das matrizes, apresentada na Figura 4 é a de transferir as
solicitações mecânicas às respectivas cargas, além de proteger as mesmas do
ambiente externo envolvendo o constituinte. Existem vários tipos de matrizes, sendo,
atualmente, o tipo mais utilizado as matrizes poliméricas, por ser um material mais
fácil de ser processado (SHACKELFORD, 2008).
Figura 4 - Exemplificação da funcionalidade de uma matriz. Fonte: Lima; Kahn; Gouvea, 2007.
2.2.1 Matrizes Poliméricas
Etimologicamente, a palavra polímero significa “muitas partes”, sendo assim
um material polimérico pode ser considerado como constituído por muitas partes, ou
unidades, ligadas quimicamente entre si de modo a formar um sólido. Depende do
modo que esta ligação química e estrutura são dadas, os plásticos podem ser
divididos em duas classes: termorrígidos e termoplásticos.
Os polímeros termoplásticos amolecem com a adição de calor ao sistema, se
liquefazendo e endurecendo quando são resfriados, sendo este um processo
reversível que pode ser repetido diversas vezes, sendo esta classe relativamente
maleável e dúctil. Os termorrígidos, quando submetidos ao calor se tornam
permanentemente duros e não amolecem com um aquecimento subsequente,
sendo, geralmente, mais duros, resistentes e frágeis quando comparados aos
termoplásticos, além de possuírem uma melhor estabilidade dimensional (LIMA,
2007).
27
2.2.2 Polipropileno
O Polipropileno (PP) é considerado um dos mais versáteis termoplásticos,
tanto tecnicamente quanto economicamente. Dada as suas boas propriedades,
como sua baixa densidade, a produção de PP tem sofrido um gradativo aumento,
tanto nas formas de utilização usual como na busca por novas aplicações. A sua alta
temperatura de fusão (Tm), por exemplo, permite que o polímero possa ser
esterilizado, substituindo diversos materiais hospitalares.
O PP é obtido através da polimerização do propeno, como mostra a Figura 5,
em presença de um catalisador do tipo Ziegler-Natta. Com a sua conformação nasce
uma de suas principais desvantagens, que é a suscetibilidade dos átomos de
carbono terciário à degradação termooxidativa (ROSA, 2007).
Figura 5 - Polimerização do propeno em presença do catalisador. Fonte: Rosa, 2007.
Sua alta cristalinidade confere elevada resistência mecânica, rigidez e dureza,
que, se mantém mesmo a temperaturas relativamente elevadas. Devido a sua
apolaridade, possui baixa resistência ao impacto e a ruptura (AMARAL, 2009).
Com essas características, a gama de aplicações do PP torna-se muito
grande, conforme exemplifica a Tabela 6.
28
Tabela 6 – Principais aplicações do PP.
Fonte: Amaral, 2009.
2.3 ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
A análise granulométrica consiste na determinação das dimensões das
partículas que constituem a amostra e no tratamento estatístico dessa informação. A
caracterização mais comum compreende a determinação do diâmetro médio, área
superficial e volume superficial da massa de partícula. Considerando-se uma
partícula homogênea em termos dimensionais, o que não é uma realidade na grande
maioria dos casos, as Equações 2, 3 e 4 podem ser válidas:
(Eq. 2)
(Eq. 3)
(Eq. 4)
Sendo N o diâmetro médio de partícula, m a massa utilizada, é a massa
específica da partícula, é o volume da partícula, a área por unidade de
massa, a esfericidade, o diâmetro da partícula e V o volume total.
29
Essas equações são aplicáveis somente para tamanhos de partículas
homogêneos ou, pelo menos, com tamanhos aproximados para se obter os
parâmetros desejados (DIAS, 2004).
2.3.1 Peneiras Séries Tyler
Entende-se por peneiramento, a separação de um material em duas ou mais
classes, estando estas limitadas a uma superior e uma inferior.
O método mais comum de seleção granulométrica por peneiramento são as
peneiras Série Tyler, que consistem em uma série de peneiras com uma sequência
de telas de diferentes aberturas. O material é colocado na primeira peneira, de maior
abertura, e manualmente ou acoplado a uma mesa vibratória (Figura 6) é agitado e
atravessa as peneiras de acordo com a granulometria da mesma, ficando retidas as
amostras mais grosseiras.
Figura 6 - Peneiras Tyler em Mesa Vibratória. Fonte: Haver & Boecker, 2011.
As aberturas das peneiras mantém entre si uma relação constante, que
determina o tamanho das partículas. Na escala Tyler a unidade é o mesh, que
representa o número de aberturas, de uma mesma dimensão, contidos num
comprimento de 25,4mm, sendo que 18 mesh correspondem a 1mm de abertura. A
razão de uma peneira Tyler para outra é sempre de 1,414. Existem diversas escalas
30
granulométricas, conforme mostra a Tabela 7, sendo a mais conhecida para este fim
a Tyler (CARRISO, 2004).
Tabela 7 – Escalas Granulométricas.
Fonte: Carriso, 2004.
2.4 PROCESSO DE INJEÇÃO
O processo de moldagem por injeção consiste em amolecer o material em um
cilindro pré-aquecido e sua consequente injeção em alta pressão para o interior de
um molde relativamente frio, para que haja o resfriamento e então a expulsão da
31
peça formada através de pinos ejetores, ar comprimido, prato de arranque ou algum
outro equipamento auxiliar.
Este é sempre um processo cíclico, composto de: Dosagem do material,
fusão do material até o ponto de amolecimento, injeção no molde fechado,
resfriamento e extração da peça moldada (JUNIOR, 2008).
A Figura 7 mostra o esquema genérico de uma injetora.
Figura 7 - Esquema de uma Injetora. Fonte: Shackelford, 2008.
A moldagem por injeção é uma das formas de processamentos
predominantes no mercado, acompanhada pela extrusão - que envolve um processo
muito semelhante – na moldagem de termoplásticos. Ambos os processos são
semelhantes ao processo metalúrgico, porém executados em temperaturas mais
baixas (SHACKELFORD, 2008).
32
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais e métodos, assim como os equipamentos desenvolvidos e/ou
utilizados para o desenvolvimento deste trabalho estão descritos neste capítulo.
3.1 MATERIAIS
Neste seção são apresentados os materiais utilizados para o desenvolvimento
deste trabalho.
3.1.1 Polímero
O polímero empregado para obtenção de corpos de prova foi o polipropileno
homopolímero (H 306) próprio para uso em processos de injeção e extrusão de
fibras. O material foi fornecido pela Braskem S/A por intermédio do Laboratório de
Engenharia de Plásticos da Ulbra. Este PP possui densidade de 0,905 g/cm³ e
índice de fluidez (230ºC/2,16 kg) de 15 g/10 min. Apresentando excelente
processabilidade, boa estabilidade do fundido e boa aplicação onde se deseja obter
rigidez e impacto.
3.1.2 Casca de Arroz
A casca de arroz, proveniente do Interior do Rio Grande do Sul, foram
utilizadas na forma moída, com um diâmetro médio de partícula de 0,147mm e uma
densidade específica de 130 kg/m3.
3.2 MÉTODOS
O fluxograma de todo processo é apresentado na Figura 8.
33
Figura 8 - Fluxograma do processo.
3.2.1 Seleção da Casca de Arroz
As cascas de arroz foram recebidas na forma in natura, em sacas de
aproximadamente 8 kg, contendo algumas impurezas indesejáveis como folhas,
galhos, entre outros. Para a seleção foi usada uma peneira de malha Tyler 8
(2,362mm) para remoção destas impurezas mais grosseiras e uma segunda peneira
de malha Tyler 10 para refinar, evitando assim contaminantes.
As cascas selecionadas eram colocadas em novas sacas, conforme mostra a
Figura 9.
Figura 9 - Casca com impurezas (E) e casca seleciona (D).
3.2.2 Moagem da Casca
Devido à composição da casca de arroz, que fornece uma alta rigidez, o
processo de moagem torna-se mais complicado, sendo necessário um processo
34
mais aprimorado para este fim. Segundo Pauleski (2005), o processo de moagem
utilizado que apresenta melhor rendimento é através do uso de um moinho de bolas.
Para este fim, foi desenvolvido um moinho de bolas constituído de um cilindro,
com 0,8 metros de comprimento e diâmetro de 0,37 metros, com o objetivo de ser
acoplado em um Torno Rocco, conforme Figura 10, onde pode haver uma moagem
em bateladas com velocidade de rotação controlada.
Figura 10 – Torno mecânico com o cilindro acoplado.
A casca de arroz foi colocada sempre em uma quantidade que representa
50% do preenchimento total do cilindro, junto com esta casca foram colocadas 14
esferas de aço, de diâmetros variados, para efetuar a moagem, como mostra a
Figura 11. A velocidade era mantida a 90 rotações por minuto, está velocidade foi
definida de acordo com outros estudos semelhantes, conforme mostra Pauleski
(2005). O tempo de cada batelada, determinado a partir de diversos ensaios para
garantir uma maior eficiência, foi de aproximadamente 06 horas, para garantir uma
maior quantidade da fração de interesse (granulo com diâmetro médio de 0,15mm).
35
Figura 11 – Cilindro parcialmente preenchido com casca de arroz.
Após o tempo programado, todo material moído era retirado e separado em
um novo recipiente, conforme Figura 12, para ser levado ao peneiramento para
seleção da granulometria adequada.
Figura 12 – Casca após moagem.
36
3.2.3 Peneiramento
A farinha da casca de arroz (FCA) obtida na moagem foi levada para
peneiramento em uma série de peneiras Tyler. A FCA foi colocada em bateladas de
aproximadamente 500g, onde a fração de interesse foi a granulometria inferior ao
Tyler 100 (diâmetro médio de partícula entre 0,147 e 0,107 mm) ou seja, o que
passava pela peneira de Tyler 100 e ficava retido na peneira de Tyler 150. Cada
batelada ficava 10 minutos na mesa vibratória, que pode ser vista na Figura 13, e a
massa retida variou 10 a 15% da massa inicial.
Figura 13 – Mesa vibratória com série de peneiras Tyler.
Depois de separada a fração de interesse, a massa retida fora da
especificação foi levada novamente ao moinho para refino e depois de nova
moagem peneirado novamente, até se alcançar uma massa adequada de FCA.
A granulometria de interesse se apresenta numa forma de pó fino, conforme
mostra a Figura 14.
37
Figura 14 – Farinha da Casca de Arroz.
3.2.4 Mistura
Para a injeção dos corpos de prova é necessária uma mistura prévia do
material com a FCA, pois, devido a sua composição ser basicamente de sílica, a
casca de arroz torna-se um material muito abrasivo, podendo causar danos ao
equipamento.
Esta mistura foi realizada utilizando-se uma prensa com platôs aquecidos,
que foi produzida no Laboratório de Plásticos da Universidade Luterana do Brasil,
figura 15, para efetuar a fluidização do PP e a consequente incorporação da FCA a
sua estrutura. Conforme Camargo (2006), foi utilizada a temperatura aproximada de
180ºC para este primeiro processo. As chapas foram produzidas uma a uma, nas
proporções aproximadas de 10, 20 e 30%, que serão chamadas assim por maior
conveniência, de casca de arroz em massa, proporções definidas segundo Rosa
(2007), porém sem a utilização da proporção com 40% de casca, a massa de PP foi
mantida em 80+/-0,3g, logo as massas de FCA utilizadas foram 8, 16 e 24+/-0,3g,
para pesagem foi utilizada uma balança de bancada Marte AS500C para até 500g
com precisão de até 04 casas decimais.
38
Figura 15 – Prensa e balança.
Foi feito um controle da perda de massa em cada chapa, pois o molde
apresentou pequenas incrustações FCA após a chapa pronta, conforme Tabela 8,
sendo aceitável uma variação mássica máxima de 0,5% da massa total inicial, valor
definido para manter as frações mais as mais próximas possíveis.
Cada chapa permanecia na prensa um tempo médio de 40 a 60 minutos, até
que ficasse evidente a fluidização do PP através das frestas do molde. Assim que
alcançado o ponto adequado, o molde era retirado e levado imediatamente a
imersão em água.
Tabela 8 – Controle de Perda de Massa.Fração
Aproximada 10% 20% 30%
Chapa Início Final Início Final Início Final1 88,1g 88g 96g 95,8g 104g 94g2 88,3g 88,3g 95,8g 95,7g 104,2g 92g3 88,1g 87,9g 96g 95,8g 104g 100g4 88,1g 88,1g 96g 95,6g 103,9g 90,2g5 88,2g 88,1g 96,1g 95,9g 104g 88,1g6 88,4g 88,2g 96,2g 96g 103,9g 94g7 88,1g 88,1g 95,9g 95,8g 104,1g 95,5g8 88g 87,8g 95,9g 95,6g 104g 93,2g9 87,9g 87,8g 96g 95,6g 103,8g 95,8g10 88,4g 88,3g 96,1g 95,9g 104,1g 91,7g
Através da Tabela 8, pode-se notar que o material com 30% de PP
apresentou uma taxa de perda de massa muito alta, saindo do padrão máximo
estabelecido (0,5% de perda), além da perda de carga o material não apresentou
39
ainda uma mistura adequada com o PP, ficando grande parte da massa de FCA na
superfície (Figura 16), o que na moagem subsequente geraria uma perda de carga
ainda maior, por estes motivos torna-se inviável a produção do material com está
quantidade de FCA, sendo levadas em consideração apenas as frações de 10 e
20% de FCA.
Figura 16 – Chapas com 30% de FCA onde não houve mistura.
As chapas com cargas mais baixas apresentaram um bom grau de mistura e,
quando o material é quebrado, uma desagregação da FCA quase nula,
apresentando um aspecto mais homogêneo, como mostra a Figura 17, parâmetros
ideais para a moagem.
Figura 17 – Chapas com 10% (D) e 20% (E) de FCA.
40
3.2.5 Moagem das Chapas
As chapas foram levadas a um moinho de lâminas da marca SEIBT, Figura
18, para serem fracionados e possibilitar o uso na injeção. Nesta etapa foi dado um
cuidado especial à perda de carga, sendo feito um controle da perda de material no
moinho, por frestas ou retido no filtro, além do controle da possível desagregação da
FCA.
Figura 18 – Moinho de Lâminas.
Durante o procedimento não ficou evidenciado perda por desagregação e a
perda de material, na massa total das chapas, foi inferior a 40g no compósito com
10% de FCA e inferior a 60g no compósito com 20% de FCA, valores aceitáveis,
dado a massa que fica retida na grelha e no compartimento das lâminas do
equipamento.
3.2.6 Injeção dos Corpos de Prova
Com os materiais misturados e fracionados foi iniciado o processo de injeção,
em uma Injetora Himaco LH 150-80, Figura 19, utilizando os seguintes parâmetros
de injeção:
Temperatura de Injeção nas zonas 3 / 2 / 1: 190 / 180 / 170 ºC
41
Tempo de Injeção: 3,8s
Pressão de Injeção: 100 Bar (10 MPa)
Tempo de Resfriamento: 20s
Figura 19 – Injetora Himaco.
Foi utilizada uma matriz para produção de corpos de prova, seguindo as
dimensões estabelecidas pela norma ASTM 3039 – largura de 14mm e espessura
de 3,5mm – conforme Figura 20.
Figura 20 – Molde para corpos de prova.
42
Os corpos de prova, PP virgem, 10%FCA e 20%FCA, injetados apresentaram
excelente aspecto e cor amadeirada, com um aparente grau de homogeneização
elevado, Figura 21, e foram separados para serem levados às análises.
Figura 21 - (a) PP com 10% FCA; (b) PP com 20% FCA; (c) PP Virgem.
43
4 ANÁLISES E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Para caracterização das propriedades do compósito de PP com FCA, foram
selecionados as análises de tração, compressão, impacto IZOD, termogravimetria e
microscopia eletrônica de varredura, pois estes testes fornecem as principais
características do compósito produzido.
4.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
Foi realizado ensaio laboratorial de Microscopia Eletrônica de Varredura
(MEV) utilizando-se corpos de prova de polipropileno com FCA, rompidos através de
impacto exercido em ponto único. O objetivo foi avaliar se na região da interface
rompida realmente houve uma boa homogeneização da FCA com o polímero e se
houve uma boa adesão da FCA ao PP.
A superfície de uma amostra a ser examinada foi varrida com um feixe de
elétrons, e o feixe de elétrons refletido foi coletado e então mostrado à mesma taxa
de varredura sobre um tubo de raios catódicos. A imagem na tela representa as
características da superfície da amostra. A superfície deve ser condutora de
eletricidade e para isto um revestimento metálico muito fino foi aplicado sobre a
superfície devido aos materiais não serem condutores. São possíveis ampliações
que variam entre 10 e 50.000x, da mesma forma que também são possíveis
profundidades de campo muito grandes. Equipamentos e acessórios permitem as
análises qualitativa e semi-quantitativa da composição elementar em áreas muito
localizadas da superfície (DALCIN, 2010).
Na primeira análise foi considerada somente a morfologia da FCA, conforme
mostra a Figura 22.
44
Figura 22 – MEV da FCA. (a) 50µm; (b) 100µm.
A MEV da casca mostra alguns pontos de acúmulo, porém isto se deve ao
fato das características do material que tende a formar aglomerados. Conforme o
peneiramento feito, o diâmetro das partículas ficou satisfatório, dado que deveria
estar entre 0,15 e 0,07mm.
A microscopia eletrônica por varredura foi realizada até que se observasse,
com boa resolução, a morfologia da FCA, para reconhecimento da mesma dentro da
matriz, e dos compósitos, para que se observasse a distribuição da FCA no
polímero.
Com a morfologia da FCA conhecida, foi feito então a análise das amostras
de PP Vigem e com carga, Figura 23.
45
Figura 23 - Microscopia eletrônica de varredura em corpos de prova rompidos nos testes de impacto.
(a) PP puro; (b) PP + 10% FCA; (c) PP + 20% FCA.
Por Microscopia Eletrônica por Varredura foi possível observar que as
partículas de casca de arroz apresentam uma superfície muito irregular e, devido à
moagem, formou-se um conjunto de tamanhos bastante variáveis, porém dentro do
proposto, ou seja, partículas com diâmetro inferior a 0,15mm.
Os compósitos apresentaram uma boa homogeneização e uma boa aderência
da FCA em sua superfície, porém ainda é necessário um aprimoramento na etapa
de mistura para não haver problemas de aglomeração da FCA em pontos do
compósito.
A amostra com 10% de FCA apresentou uma adesão da carga
consideravelmente melhor que a com carga de 20% de FCA, possuindo também
uma melhor homogeneização do material com menos pontos de acúmulo de
material.
Em nenhuma das amostras houve a formação de poros nas superfícies do
material, o que poderia atrapalhar o desempenho do material.
Apesar de Sr uma técnica pontual, a MEV passa uma Idea real da morfologia
geral do material, porém o ideal é a análise em diversos pontos para uma melhor
análise.
46
4.2 TERMOGRAVIMETRIA – TGA
A termogravimetria (TGA) é um importante método para a análise da
estabilidade térmica de materiais. A análise termogravimétrica indica a percentagem
da variação de massa de uma amostra em função da temperatura e/ou tempo.
A estabilidade térmica das fibras foi analisada por termogravimetria em um
analisador TGA, modelo 2050 da TA Instruments, com velocidade de aquecimento
de 10°C/min, em uma faixa compreendida entre 30 e 800°C, sob atmosfera de
nitrogênio.
Na Figura 24 as curvas de TGA demonstram a estabilidade térmica do
compósito de PP virgem até uma temperatura de 270°C, iniciando depois desta
temperatura sua degradação. Este perfil de degradação mostra que a
decomposição, em única etapa, ocorre a 410°C e finalizando em torno de 470°C.
A amostra de PP virgem foi totalmente decomposta até esta temperatura e
não restando resíduos da amostra.
Figura 24 – Curvas termogravimétricas do PP Virgem.
47
As Figuras 25 e 26 representam, respectivamente, as amostras com 10 e
20% de FCA. As curvas de TGA demonstram a estabilidade térmica do compósito
de PP com 10% de FCA (Figura 25) até uma temperatura de 260°C, iniciando depois
desta temperatura sua degradação. Este perfil de degradação mostra que a
decomposição na primeira etapa ocorre a 390°C e finalizando em torno de 500°C.
Os 98,13 % são o teor da amostra de PP com 10% de FCA decomposta,
sendo os 1,87 % de resíduos da cinza da casca de arroz restantes da amostra.
Figura 25 – Curvas termogravimétricas do PP com 10% FCA.
As curvas de TGA demonstraram a estabilidade térmica do compósito de PP
com 20% de FCA (Figura 26) até uma temperatura de 240°C, iniciando depois desta
temperatura sua degradação. Este perfil de degradação mostra que a decomposição
na primeira etapa ocorre a 430°C e finalizando em torno de 500°C.
Os 85,91% são o teor da amostra de PP com 20% de FCA decomposta,
sendo os 14,09 % de resíduos da cinza da casca de arroz restantes da amostra.
48
Figura 26 – Curvas Termogravimétricas do PP com 20% FCA.
Analisando o perfil de degradação do PP por aquecimento em atmosfera de
nitrogênio, observa-se que a degradação térmica do PP inicia-se em uma
temperatura próxima a 320ºC. Ao final do processo, em torno de 600ºC, nota-se um
resíduo de PP inferior a 1%. Fica evidenciado que esta matriz polimérica se
decompõe termicamente em uma única etapa, cujo pico de degradação ocorre em
torno de 450ºC.
A amostra com 10% em carga de FCA apresentou um comportamento
semelhante ao do PP virgem, porém, ao final do teste, em uma temperatura
aproximada de 700ºC ainda restavam cerca de 2% de resíduo do material,
apresentando um pico de degradação na temperatura de 455ºC. A adição da carga
de 10% de FCA pouco influenciou nas propriedades termogravimétricas do material.
O compósito com carga de 20% de FCA obteve pequenas alterações, quando
comparado ao PP Virgem. Ao final da análise, na temperatura aproximada de 670ºC,
apresentou cerca de 14% de resíduo ainda presente, tendo seu pico de degradação
na temperatura de 442ºC, mostrando uma maior resistência ao aumento da
temperatura neste compósito.
49
Foi constatada uma grande diferença no percentual de massa do compósito
da amostra de PP com 10% de FCA para a amostra de PP com 20% FCA, este fato
pode ter ocorrido pela amostra escolhida para o PP com 20% de FCA apresentar um
acúmulo de FCA maior que o esperado, porém pelo valor elevado, fica evidente o
aumento na resistência térmica do material.
4.3 COMPRESSÃO
No teste de compressão o corpo de prova é testado pela aplicação de uma
carga axial compressiva, e construído o diagrama tensão–deformação,
semelhantemente ao procedimento do ensaio de tração. As mesmas máquinas do
ensaio de tração são utilizadas para o ensaio de compressão, apenas alterando as
condições de fixação do corpo de prova na máquina.
O corpo de prova tem usualmente a forma cilíndrica, com relação
comprimento/diâmetro entre 2 e 8. O comprimento não deve ser muito grande, para
evitar efeitos indesejáveis de flambagem, e nem muito pequeno, pois o atrito nas
superfícies de contato com a máquina de ensaio poderá prejudicar a validade dos
resultados.
Para este teste foi usado um equipamento da marca EMIC, com uma célula
de carga com capacidade 200kN, conforme Figura 27.
Figura 27 – Equipamento executando compressão da amostra.
50
Cada teste – Virgem, 10% e 20% de FCA – contou com 6 corpos de prova,
sendo feita a média geral para obtenção dos dados, sendo os cálculos e os valores
obtidos através do software do equipamento, TESC v. 3.04. Os valores encontrados
para o PP virgem, seguindo os padrões estabelecidos pela norma ASTM D695 para
compressão e os desvios padrões (DP), foram os seguintes:
Tensão de Ruptura a Compressão: 56 MPa – DP: 4,6;
Módulo de Elasticidade a Compressão: 998 Mpa – DP: 92,3.
Seguindo as mesmas condições do teste no PP Virgem, foram encontrados,
conforme mostra a Figura 28, os seguintes valores para a amostra de PP com 10%
de FCA:
Tensão de Ruptura a Compressão: 31,84 MPa - DP: 2,3;
Módulo de Elasticidade a Compressão: 394,5 MPa - DP: 62,1
Figura 28 – Gráfico Tensão x Deformação Médio do PP com 10% FCA.
A Figura 29 mostra o gráfico obtido a partir da amostra de PP com 20% de
FCA, da onde se podem tirar os seguintes valores:
51
Tensão de Ruptura a Compressão: 43,66 MPa - DP: 5,7;
Módulo de Elasticidade a Compressão: 678,6 Mpa - DP: 104,8
Figura 29 – Gráfico Tensão x Deformação Médio do PP com 20% FCA.
O ensaio de compressão mostrou uma diminuição grande nas propriedades
do PP virgem, conforme Figura 30, porém apresentou uma pequena melhoria de
propriedades com o aumento da carga de FCA na matriz, quanto maior a carga
menor foi à diferença no módulo de elasticidade do compósito, um aumento de 60%
da amostra de PP com 20% de FCA para a amostra com 10% de FCA, e maior foi à
tensão máxima exercida na amostra, um aumento de 28% da amostra de PP com
20% de FCA para a amostra com 10% de FCA mostrando uma maior resistência a
compressão com o aumento da carga. Este fato ocorre também pelo melhor
empacotamento da FCA nos espaços de acúmulo que ocorre enquanto o material é
comprimido.
52
Figura 30 - Comparativo dos Ensaios de Compressão.
4.4 TRAÇÃO
O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a
alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de
ensaio. No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento
em que se rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais
reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de
que momento se rompe.
Para o ensaio de tração foi utilizado o mesmo equipamento do ensaio de
compressão, fazendo uso também do programa TESC v. 3.04, porém operando no
sentido contrário, como pode ser visto na Figura 31, seguindo o estabelecido pela
norma ASTM D 638.
53
Figura 31 – Ensaio de tração em andamento.
A análise inicial foi feita no PP Virgem utilizando o programa TESC, que
podem ser vista na Figura 32.
Figura 32 – Gráfico Força x Deformação – PP Virgem.
As curvas das amostras de PP com 10% de FCA apresentaram as
características da Figura 33.
54
Figura 33 – Gráfico Força x Deformação – PP 10%.
O comportamento das amostras de PP com 20% de FCA fica exemplificado
na Figura 34.
Figura 34 – Força x Deformação – PP 20%.
Os resultados médios são apresentados comparativamente na Tabela 9.
55
Tabela 9 - Resultados do teste de tração.
Amostras Tensão de Ruptura
Desvio Padrão
Deformação a Tração
Desvio Padrão
PP Virgem 3 14,88 MPa 1,21 458,5 mm 33,2PP 10% 5 17,67 MPa 2,32 12,87 mm 1,65PP20% 5 14,73 MPa 3,10 7,7 mm 1,13
No ensaio de tração fica evidenciada a perda de elasticidade, que chega a ser
superior a 90%, porém um aumento na tensão de ruptura próximo a 25%,
principalmente no compósito com carga de 10%. O compósito com 10% em FCA
apresentou, em geral, propriedades melhores que o compósito com 20% de FCA,
chegando a sofrer um aumento de 30% na tensão de ruptura com uma menor perda
de elasticidade, quando se quer obter um material mais resistente. Este fato deve-se
principalmente a facilidade de aglomeração da FCA, gerando pontos de
aglomeração no compósito com maior carga (PP com 20% de FCA) e gerando
pontos de ruptura devido a menos homogeneização da carga.
4.5 IMPACTO – IZOD
No ensaio de resistência ao impacto Izod, um pêndulo acelerado pela
gravidade bate em um corpo de prova, na forma de uma barra retangular, montado
verticalmente e preso pela sua extremidade inferior. O valor da resistência ao
impacto corresponde à perda de energia do pêndulo com o choque contra o corpo
de prova, obtida pela altura a que o pêndulo consegue elevar-se após o impacto. A
velocidade do pêndulo no momento do impacto é de 3,5 m/s 10%.
O teste de resistência ao impacto de pêndulo de Izod foi realizado conforme
norma ASTM 256 A, em uma máquina PANTEC, conforme Figura 35.
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Figura 35 - Equipamento para análise de impacto IZOD PANTEC.
Foram feitas 5 medições para cada amostra, fazendo-se a média aritmética
dos valores. A resistência ao impacto IZOD, em J/m foi obtida pela equação 5, os
corpos de prova possuíam uma espessura de 3,5mm.
(Eq. 5)
Onde:
I = Resistência ao Impacto IZOD (J/m)
E = energia lida na escala do aparelho (Joules);
t = espessura do corpo de prova (m).
Os resultados obtidos podem ser vistos na tabela 9.
Tabela 10 – Resultados do teste de resistência ao impacto IZOD.
Amostra\Ensaio 1 (kJ/m) 2 (kJ/m) 3 (kJ/m) 4 (kJ/m) 5 (kJ/m) DP
PP Vigem 1,75 2 1,75 1,75 1,5 0,18
10% 0,5 0,5 0,625 0,5 0,625 0,07
20% 0,5 0,25 0,45 0,45 0,55 0,12
Uma das maiores desvantagens do uso de compósitos polímero/carga
orgânica é a sua baixa resistência ao impacto [ROSA, 2007]. Os resultados obtidos
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no teste de impacto evidenciam o esperado, uma considerável redução, chegando a
quase 70%, na resistência ao impacto, quando comparado ao PP Virgem. Quanto
maior a carga orgânica presente na matriz mais frágil se tornará o material, porém a
amostra com 10% apresentou ainda uma boa resistência ao impacto.
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CONCLUSÃO
Neste trabalho foram estudadas as propriedades de compósitos de
polipropileno com farinha de casca de arroz preparados em uma injetora. Foram
preparados compósitos contendo diferentes proporções de farinha de casca de arroz
(10 e 20%) com uma granulometria média de 100 mesh.
Considerando a presença de componentes menos estáveis termicamente na
casca de arroz, verificou-se que o início da degradação térmica dos compósitos
ocorreu em temperaturas muito próximas da temperatura do PP virgem. Após os
testes termogravimétricos a massa de resíduo determinada foi maior para as
concentrações mais elevadas de casca, principalmente devido ao elevado teor de
sílica do material.
Os resultados do teste de tração mostraram uma considerável redução do
alongamento na ruptura com a adição de carga, porém gera um aumento no módulo
e na resistência mecânica dos compósitos, mostrando que esses materiais podem
ser utilizados como reforço para o PP, melhorando suas propriedades.
A análise de compressão mostrou uma redução no módulo de elasticidade,
sendo reduzido de acordo com o aumento da carga, do compósito em relação ao PP
virgem, mas apresentou uma tensão de ruptura semelhante a do PP virgem, sendo
assim a adição da carga pouco altera nesta propriedade.
Com estes resultados pode-se deduzir que a farinha da casca de arroz, uma
matéria prima abundante e de baixo custo, pode ser utilizada como carga em
compósitos de PP, atuando como agente reforçante. O compósito preparado com
10% de farinha de casca de arroz foi o que apresentou as melhores propriedades
finais.
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REFERÊNCIAS
AMARAL, G. V. Estudo da Influência da Natureza das Cargas nas Propriedades da Madeira Plástica. (Trabalho de Conclusão), Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.
CAMARGO, A. S. Compósito de Polipropileno Reforçado com Farinha de Madeira para Aplicações em Produtos Moldados por Injeção. Dissertação de Mestrado (Engenharia e Ciência dos Materiais), Universidade São Francisco, São Paulo, 2006.
CARRISO, R. C. C., CORREIRA, J. C. G. Tratamento de Minérios. CETEM, Rio de Janeiro, 2004.
CHUA, T. G., JUMASIAH, A., AZNI, I., KATAYON, S. Y., CHOONG, T. Rice Husk as potentially low-cost biosorbent for heavy metal and dye removal: an overview. (Artigo Técnico) Universiti Putra Malaysia, Malaysia, 2004.
DALCIN, J. Estudo das Propriedades Mecânicas e Térmicas de Compósitos de Polipropileno com Fibra de Sisal. (Trabalho de Conclusão) Universidade Luterana do Brasil, Canoas, 2010.
DIAS, J. A. Análise Sedimentar e o Conhecimento dos Sistemas Marinhos. (Artigo Técnico), Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, 2004.
ENGLISH, B., CLEMONS, C. M., STARK, N., SCHNEIDER, J. P. Wast-wood-derived Fillers for Plastics. United States Department of Agriculture, New York, 1996.
FARIA, P. E., ABRÃO, A. M. Tratamento Melhora Propriedades de Fibras de Sisal para Uso em Compósitos (Revista Plástico Industrial), n° 99, março de 2006.
FELLICETI, M. A. Determinação da Força de Adesão Entre Partículas e Uma Superfície Aplicando a Técnica Centrífuga. (Dissertação de Mestrado) Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2004.
FERRAN, M. F., VILAPLANA, F., AMPARO, R. G., BORRAS, A. B., SANZ-BOX, C. Flour Rice Husk as Filler in Block Copolymer Polypropylene: Effect of Different
60
Coupling Agents. Instituto Técnico de Materiais Plásticos de Valência, Valência, 2006.
IRGA – Instituto Rio Grandense do Arroz. Dados Safra 2010/11 [online] 2011. Disponível na World Wide Web: <http://www.irga.rs.gov.br/uploads/anexos/1306345299Semeadura_e_Colheita_do_Arroz_no_RS___Safra_2010_2011.pdf>
JUNIOR, S. E. D. Processamento de Polímeros – Introdução. (Artigo Técnico), Universidade Federal de Minas Gerais, Montes Claros, 2008.
KATZ, H. S., MILEWSKI, J. V. Handbook of Fillers For Plastics. Hardcover, New York, 1987.
LIMA, A. B. T., KAHN, H., GOUVEA, D. Aplicação de Cargas Minerais em Polímeros. (Artigo Técnico) Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, 2007.
MANRICH, SÍLVIO; Processamento de Termoplásticos. Artliber Editora, São Paulo, 2005.
PAOLI, M. A. Compósitos Poliméricos. Projeto de Pesquisa (Engenharia de Materiais), Universidade Estadual de Campinas, São Paulo, 2011.
PAULESKI, D. T. Características de Compósitos Manufaturados com Polietileno de Alta Densidade (PEAD) e Diferentes Proporções de Casca de Arroz e Partículas de Madeira. Dissertação de Mestrado (Engenharia Florestal), Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2005.
ROSA, S. M. L. Estudo das Propriedades de Compósitos de Polipropileno com Casca de Arroz. Dissertação de Mestrado (Engenharia de Minas), Porto Alegre, 2007.
SHACKELFORD, F. S. Ciência dos Materiais. Pearson, São Paulo, 2008.
SOUZA, R. C. R, SANTOS, E. C. S., MORAIS, M. R., SEYE, O. Carbonização da Casca de Arroz. XXXVI Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 6p, 2007.
STRONG, A. S. Plastics Materials and Processing. Prentice-Hall, New Jersey, 1996.