VALORAÇÃO DE RESÍDUOS INDUSTRIAL DE LAMA VERMELHA EM MATERIAL COMPÓSITO

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1 ÁREA TEMÁTICA: RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS VALORAÇÃO DE RESÍDUOS INDUSTRIAL DE LAMA VERMELHA EM MATERIAL COMPÓSITO Deibson Silva da Costa 1 (deibsonsc@yahoo.com.br); Luis Felipe Alencar Brandão 1 (luisfelipe2357@gmail.com); Amanda Chaves de Azevedo 1 (amanda.chaves.azevedo@gmail.com); Hellen Cristina Mendonça Coelho 1 (hellencoelho97@outlook.com); José Antônio da Silva Souza 2 (jass@ufpa.br) 1 Universidade Federal do Pará - Campus Universitário de Ananindeua - Faculdade de Engenharia de Materiais 2 Universidade Federal do Pará - Faculdade de Engenharia Química RESUMO O artigo tem como intuito, analisar a aplicação de resíduos de lama vermelha em compósitos poliméricos, através da caracterização mecânica (flexão e impacto) e retardância à chama, a lama vermelha proveniente de indústrias da região do estado do Pará. A resina utilizada foi a poliéster insaturada isoftálica juntamente com acelerador de cobalto e o iniciador nas proporções de 1,5 % e 1 % em v/v respectivamente. O método de fabricação dos compósitos utilizado foi o hand lay-up em moldes metálicos fechados. Os resíduos de lama vermelha foram classificados utilizando-se peneira de 100 mesh (abertura de 0,149 mm). As proporções em fração mássicas dos resíduos foram de 10 %, 20 % e 30 %. Os compósitos em formato de placas retangulares foram ensaiados de acordo com as normas de flexão (ASTM D 790) e impacto (ASTM D 6110). Os ensaios de retardância a chama foram realizados conforme a norma ASTM D 635. Os resultados mecânicos de flexão e impacto foram satisfatórios de acordo com a literatura pesquisada. Com relação a resistência à chama, os compósitos com resíduos de lama vermelha apresentaram características de retardo de chama do material, tornando-os atraentes para certos tipos de aplicações. Palavras-chave: Processo Bayer; Caracterização Mecânica; Flamabilidade. VALUATION OF INDUSTRIAL WASTE OF RED MUD IN COMPOSITE MATERIAL ABSTRACT The purpose of this paper is the evaluation of red mud residues in polymeric composites through mechanical characterization (flexion and impact) and flame retardancy, the red mud comes from industries in the region of the state of Para. The resin was the isophthalic unsaturated polyester together with cobalt accelerator and the initiator in the proportions of 1.5 % and 1 % in v/v respectively. The method of fabrication of the composites was the hand lay-up in metallic closed molds. Red mud residues were sorted using a 100 # sieve (0.149 mm aperture). The mass fraction ratios of the residues the varied between 10 %, 20 % and 30 %. The composites in the form of rectangular plates were tested according to the standards of bending (ASTM D 790) and impact (ASTM D 6110). The flame retardancy tests were performed according to ASTM D 635. The mechanical results of flexion and impact were satisfactory according to the researched literature. With respect to flame resistance, the composites showed red mud residues flame retardation characteristics of the material, making them attractive to certain types of applications. Keywords: Bayer Process; Mechanical Characterization; Flammability. 1

2 1. INTRODUÇÃO A grande quantidade de resíduos gerados por alguns setores produtivos, tem levado pesquisadores a buscar soluções adequadas, com o intuito de atender as questões técnicas, econômicas, sociais e ambientais. O amplo consumo de matérias-primas pelas indústrias brasileiras, para os mais diversos usos, associados aos princípios do desenvolvimento sustentável, conduz às pesquisas sobre reciclagem, que é o conjunto das técnicas cuja finalidade é aproveitar detritos e rejeitos e reintroduzi-los no ciclo de produção, com emprego racional e seguro em novos produtos ou em reaproveitamento. A reciclagem de resíduos, independentemente do seu tipo, apresenta várias vantagens em relação à utilização de recursos naturais "virgens", dentre as quais se tem: redução do volume de extração de matérias-primas, redução do consumo de energia, menores emissões de poluentes e melhoria da saúde e segurança da população. A vantagem mais visível da reciclagem é a preservação dos recursos naturais, prolongando sua vida útil e reduzindo a destruição da paisagem, fauna e flora. No Brasil, o acelerado processo de industrialização que existe em algumas regiões do país, vem causando uma expansão demográfica, e tem acarretado um aumento considerável na geração de resíduos sólidos, particularmente ao que se refere de resíduos industriais. O tratamento inadequado dos resíduos sólidos contribui de forma marcante para o agravamento dos problemas ambientais, notadamente nos grandes centros urbanos (TENORIO, 1996). A alumina é obtida industrialmente através do processo Bayer, que usa como matéria-prima a bauxita. A bauxita é um material heterogêneo composto principalmente por um ou mais minerais de hidróxido de alumínio, tal como Gibbsita (Al(OH) 3), Boehmita (AlO (OH)) e diásporo (AlO (OH)) em adição a várias combinações de sílica, alumino-silicatos, óxido de ferro (Fe 2O 3), óxido de titânio (TiO 2) e outras impurezas tais como carbonatos e sulfitos em traços (DJURIC et al., 2010). Em se tratando de compósitos de matrizes poliméricas, como a lama vermelha apresenta uma compatibilidade razoavelmente boa com resinas poliéster, esse resíduo pode ser utilizado como potencial carga para produzir compósitos de matriz de poliéster de custo efetivo (SILVA FILHO et al., 2007). Foi evidenciado que a adição de lama vermelha em resina termofixa de poliéster insaturado reduz as resistências à tração e à flexão, provocando um aumento significativo na densidade (MAHAPATRA; DATTA, 2011). Para aplicações de qualquer tipo de material, se faz necessário a determinação e/ou conhecimento das suas propriedades. Dentre as quais estão as propriedades mecânicas que são imprescindível para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas e térmicas são elementos de extrema importância que os compósitos devem possuir, pois através dessas e de outras propriedades que é possível analisar e avaliar sua capacidade de aplicações. O artigo mostra as características mecânicas (flexão e impacto) e de resistência à chama dos compósitos poliméricos com resíduos de lama vermelha. 2. OBJETIVO Analisar as propriedades mecânicas (flexão e impacto) e térmicas (resistência à chama) dos compósitos poliméricos com resíduos de lama vermelha. 3. METODOLOGIA A matriz polimérica foi composta pela resina poliéster isoftálica em combinação com agente de cura e o iniciador MEK-P (Butanox M-50), utilizados nas proporções de 1 % e 1,5 % (v/v), respectivamente. A lama vermelha foi fornecida pela empresa Hydro-Alunorte localizada no estado do Pará. O material sofreu secagem em estufa de recirculação por aproximadamente 8 (oito) horas. Após a secagem, a lama vermelha sofreu cominuição e peneiramento manual em peneira de 100 mesh da série Tyler. A Figura 1 mostra o resíduo de lama vermelha e a matriz de poliéster utilizada. 2

3 Figura 1. Resíduos de Lama Vermelha (a) e Resina Poliéster (b) (a) (b) Os compósitos de poliéster insaturado com resíduo de lama vermelha foram fabricados através do método manual de Hand Lay-up. As proporções de lama vermelha nos compósitos foram de 10 %, 20 % e 30 %. Os corpos de prova para ensaios de flexão e impacto foram fabricados de acordo com as normas ASTM D 790 e ASTM D 6110, respectivamente. As características com relação a inflamabilidade foram verificadas pelos ensaios de resistência à chama com base na norma ASTM D RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados mecânicos (flexão) dos compósitos com lama vermelha são mostrados na Tabela 1. Tabela 1. Resultados de flexão dos compósitos com lama vermelha Reforço Fração Mássica (F M) % Resistência à Flexão (MPa) Média (Desvio Padrão) Matriz Pura ,54 (±5,45) Lama Vermelha 10 94,92 (±3,62) Lama Vermelha 20 86,17 (±3,81) Lama Vermelha 30 79,39 (±2,21) Os resultados da Tabela 1 mostram que a resistência a flexão que os compósitos de lama vermelha apresentaram um desempenho inferior em relação a matriz pura (100 %), conforme aumentou-se as proporções de lama vermelha dentro da matriz polimérica, houve uma diminuição de sua resistência a flexão, ou seja, o resíduo de lama vermelha inserido na matriz polimérica atuou como carga de enchimento e não como reforço efetivo. Ainda assim, os resultados encontrados para os compósitos com resíduos de lama vermelha estão superiores ou similares aos encontrados por outros pesquisadores (BARBOSA, 2011; LIMA, 2009; MIRANDA, 2007; MOHANTY et al., 2006; SANTOS, 2007; SILVA, 2003; SILVA, 2014). Os resultados mecânicos (impacto) dos compósitos com lama vermelha são mostrados na Tabela 2. 3

4 Tabela 2. Resultados de impacto dos compósitos com lama vermelha Reforço Fração Mássica (F M) % Resistência ao Impacto (kj/m²) Média (Desvio Padrão) Matriz Pura ,54 (± 2,2) Lama Vermelha 10 19,28 (±1,32) Lama Vermelha 20 16,01 (±1,07) Lama Vermelha 30 15,02 (±1,12) A Tabela 2 mostra os resultados de resistência ao impacto da matriz pura (100 %) e dos compósitos com lama vermelha, observa-se uma diminuição da resistência ao impacto dos compósitos conforme aumentou-se as proporções de resíduos de lama vermelha. Os ensaios de impacto são caracterizados por serem ensaios mecânicos dinâmicos com esforços bruscos, logo esse tipo de ensaio é extremamente afetado por vazios e defeitos existentes nos corpos de prova, já que as trincas tendem a se propagarem nessas imperfeições ou defeitos. A diminuição da resistência ao impacto dos compósitos constituídos por resíduos, no caso, lama vermelha, era esperada, pois os formatos esféricos das partículas desses resíduos podem atuarem como pontos concentradores de tensões, propiciando irradiações e iniciadores de trincas, o que consequentemente fragiliza o material, diminuindo dessa maneira sua resistência mecânica. A Tabela 3 mostra os resultados de resistência à chama dos compósitos produzidos. Tabela 3. Ensaio de resistência à chama pela norma ASTM D 635 Amostras Fração Mássica (F M) % Goteja Velocidade (mm/min) Queima Total Matriz Pura 100 Sim 17,42 HB Lama Vermelha 10 Sim 16,14 HB Lama Vermelha 20 Sim 13,77 HB Lama Vermelha 30 Não 14,51 HB Os resultados da Tabela 3 mostram a resistência à chama para matriz pura e para os compósitos com resíduos de lama vermelha nas proporções de 10 %, 20 % e 30 %. Observa-se pelos resultados que todas as séries de compósitos produzidas possuem classificação HB segundo a norma ASTM D 635, as velocidades de propagações de chama foram consideradas satisfatória, atingindo um máximo de aproximadamente de 18 mm/min., ou seja, velocidades de propagações de chamas inferiores de alguns materiais classificados pela norma, como alguns tipos de polímeros. Para a maioria dos compósitos houve gotejamento, com exceção dos compósitos com 30 % de lama vermelha. Houve queima total de todos os compósitos testados, porém vale enfatizar, a melhora considerável do retardo de chama quando se aumentou as proporções de lama vermelha nos compósitos, atuando os resíduos de lama vermelha como um aditivo com pequeno grau de retardo de chama no material. No Brasil a resolução CONTRAN nº 675, determina que os revestimentos internos da indústria automobilística tenham uma velocidade de propagação de chama de 250 mm/min.. Já nos países com pesquisa avançadas na área, esse valor é de 80 mm/min.. Esses revestimentos internos de automóveis, aplicados industrialmente, são produzidos com compósitos de base polimérica, e alguns fabricantes já utilizam fibras vegetais com reforço desses compósitos. Em comparação com os dados da resolução CONTRAN nº 675, os compósitos com resíduos de lama vermelha analisados apresentaram valores menores, conforme Tabela 3, do que o exigido pelos órgãos competentes (250 mm/min.). Demonstrando assim, uma característica importante desse material em relação sua aplicabilidade. 5. CONCLUSÃO A produção de compósitos com resíduos de lama foi eficiente, tanto o método de fabricação empregado como a compatibilidade dos resíduos (lama vermelha) com a matriz polimérica, resultando em compósitos com boa uniformidade e poucos defeitos. 4

5 Os compósitos com resíduos de lama vermelha apresentaram caracterizações mecânicas (flexão e impacto) satisfatórias, sendo similares a outros compósitos dessa natureza, segundo a literatura pesquisada. Com relação a resistência à chama dos compósitos produzidos, houve uma tendência de retardo da chama conforme aumentou-se as proporções de resíduos de lama vermelha, sendo classificados em HB pela norma ASTM 635. Os compósitos com lama vermelha apresentaram uma certa capacidade de retardo à chama, característica essa atraente para certos tipos de aplicações. A valoração desses resíduos foi demonstrada através das suas características mecânicas e de resistência à chama. Sendo uma alternativa de aplicação desse resíduo (lama vermelha) em compósitos poliméricos para aplicações simples. REFERÊNCIAS BARBOSA, A. P. Características estruturais e propriedades de compósitos poliméricos reforçados com fibras de buriti. Campos dos Goytacazes, 160 p., Tese (Doutorado em Engenharia e LIMA, C. L. Caracterização e propriedades de compósitos de tecido de juta reforçando matriz de polietileno reciclado. Campos dos Goytacazes, 113 p., Tese (Doutorado em Engenharia e MIRANDA, R. M. Estudo do comportamento mecânico de um eco-compósito para aplicação como painéis divisórios de ambiente. Belém, 424 p., Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal do Pará. MOHANTY, S.; VERMA, S.K.; NAYAK, S. K. (2006): Dynamic mechanical and properties of MAPE treated jute/hdpe composites. Composites Science and Technology. V. 66, p , SANTOS, E. A. Avaliação mecânica e microestrutural de compósitos de matriz de poliéster com a adição de cargas minerais e resíduos industriais. Natal, 103 p., Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal do Rio Grande do Norte. SILVA, R. V. Compósito de Resina Poliuretano Derivada de Óleo de Mamona e Fibras Vegetais. São Paulo, 157 p., Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais) Universidade de São Paulo. SILVA, I. L. A. Propriedades e estrutura de compósitos poliméricos reforçados com fibras contínuas de juta. Campos dos Goytacazes, 110 p., Tese (Doutorado em Engenharia e TENÓRIO, J. A. S. Aspectos fundamentais e tecnológicos do processo de reciclagem de lata de alumínio. São Paulo, 116p., Tese (Livre docências em Engenharia Metalúrgica) Universidade de São Paulo. 5