INCORPORAÇÃO DE PÓ DE MÁRMORE E GRANITO E FIBRAS DE COCO EM MATRIZ POLIMÉRICA

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1 INCORPORAÇÃO DE PÓ DE MÁRMORE E GRANITO E FIBRAS DE COCO EM MATRIZ POLIMÉRICA I. F. SANTOS 1, C. R. PERERIRA 2, D. S. da COSTA 1, D. N. RODRIGUES 3, C. G. B. T. DIAS 1 e J.A.S. SOUZA 1 1 Universidade Federal do Pará, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia 2 Universidade Federal do Pará, Faculdade de Engenharia Química 3 Universidade Federal do Pará, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos para contato: iaraferreira.eq@gmail.com RESUMO A indústria das rochas ornamentais gera grande quantidade de resíduo sólido anualmente. O objetivo desse trabalho é avaliar a produção de compósitos a partir de rejeitos sólidos provenientes do beneficiamento de mármore e granito e fibras de coco utilizando resina poliéster isoftálica como matriz polimérica. Após a coleta e beneficiamento, determinou-se a densidade e umidade do pó, bem como caracterização por análise granulométrica e difração de raios-x. Durante os experimentos variou-se a quantidade de pó na matriz de poliéster, adotou-se 0, 10, 20, 30 e 40% de resíduo em substituição à resina e inserindo 1,0 e 2,0% de fibra de coco em compósitos com 30% de carga. Após a confecção dos compósitos, foram feitos ensaios para determinação da massa específica aparente, absorção de água e resistência a tração dos compósitos e da resina pura curada. Os resultados obtidos comprovam a eficiência da incorporação desses materiais na matriz polimérica como carga e reforço. 1. INTRODUÇÃO A indústria de pedras ornamentais gera uma grande quantidade de resíduos durante o processo de beneficiamento do mármore e granito, um pó de granulometria bem fina. Para reduzir a dispersão dessas partículas e consequentemente os danos que podem ser causados por esse pó, faz-se uso de água corrente para a retirada desse rejeito dos equipamentos e condução até o local de armazenamento, gerando assim uma lama com características abrasivas (Neves et al., 2013; Silva et al., 2005). As resinas poliéster são muito aplicadas em compósitos poliméricos, devido à uma série de vantagens que elas apresentam, tornando possível modificar o desempenho do compósito gerado, por adição de outros materiais, de acordo com as propriedades e características que se deseja obter no produto final. Entre os aditivos, os mais comuns são fibras (Ribeiro et al., 2013; Sanchez et al., 2010),

2 cargas (Bora et al., 2013; Alam et al., 2014) ou produtos químicos (Olesky e Galina, 2013; Guo et al., 2013; Bai et al., 2013). Cargas são materiais que podem ter como um dos objetivos reduzir os custos de produção. Em se tratando de um rejeito sem valor comercial e que oferece risco ao meio ambiente, o processo se torna ainda mais vantajoso. Compósitos de matrizes poliméricas estão sendo bastante utilizados, principalmente quando se trata de aplicações a longo prazo em ambientes hostis, tais como ambientes cidos ou alcalinos. Esse trabalho estuda não somente a incorporação do resíduo proveniente do processamento de mármore e granito como carga em uma matriz polimérica, mas também a influência do teor de pó nas características do compósito e inserção de fibra para a fração volumétrica de 30% de carga. 2. MATERIAIS E METODOLOGIA 2.1. Materiais Foi utilizada uma resina de poliéster insaturado, isoftálica (AM 910), com densidade entre 1,101,15 g/cm 3. Utilizou-se acelerador de cobalto e o iniciador MEK-P (Butanox M-50), produzidos pela empresa AEROJET Brasileira de Fiberglassltda. O pó de mármore e granito (PMG), disponibilizado pela empresa BRILASA S/A, passou por um processo de secagem e cominuição. Utilizou-se para a confecção dos corpos de provas apenas o pó abaixo de 100 mesh. A fibra de coco (FC), doada pela empresa Sococo, foi cortada manualmente em uma faixa de comprimento de 5-10 cm, utilizada na forma de mantas com disposição randômica Caracterização do PMG e dos compósitos Após a coleta do PMG, determinou-se a umidade do material através da diferença entre a massa de PMG sem nenhum tratamento e a massa após secagem em estufa a 100ºC durante 24 horas. A massa específica foi determinada conforme NBR NM 52, utilizando picnômetro e balança analítica. A análise granulométrica foi realizada via úmida, com preparo de polpa para evitar dispersão do pó durante o peneiramento e uso de defloculante para evitar deposição de material nas malhas das peneiras. O PMG foi caracterizado por difração de raios-x, em um Difratômetro de Raios-X modelo X PERT PRO MPD (PW 3040/60), da PANalytical, para identificação das fases cristalinas presentes. Foram realizados ensaios para determinação da massa específica aparente (MEA) e absorção de água (AA) dos compósitos conforme NBR NM 53. Os ensaios de tração dos materiais seguiram o procedimento indicado na norma ASTM D3039, em um equipamento universal WDW-100 E serial nº 146 EMIC, com célula de carga de 3000 kgf e velocidade de deslocamento de 5 mm/min.

3 2.3. Confecção dos compósitos Calculou-se, com base no volume dos corpos de prova, a quantidade necessária dos materiais acima citados na mistura. Dessa forma, foram utilizados em todos os experimentos 0,5% de acelerador e 1,5% de iniciador com base nos valores do sistema catalítico constantes na ficha técnica da resina. Adotou-se 0% de PMG (AM910) como padrão de comparação para os corpos de prova contendo o pó, sendo assim, foram confeccionados compósitos com 10, 20, 30 e 40% de carga em substituição ao volume de resina, nomeados como PMG10, PMG20, PMG30 e PMG40, respectivamente. Utilizou-se, para bases de cálculo, 5% de erro para os valores dos materiais, levando-se em conta o material perdido em todo o processo de confecção. Foram adicionadas fibras de coco apenas no compósito PMG30, pois foi o máximo valor de carga em que foi possível homogeneização e melhor espalhamento da mistura sobre as mantas de fibra de coco contendo 1 e 2% em peso em relação ao material (PMG30-FC1 e PMG30-FC2). Após a pesagem, os materiais foram misturados e homogeneizados, em seguida despejados no molde metálico com dimensões da base de 320 mm x 17,2 mm, que foi previamente umidificada com um material desmoldante para facilitar a retirada do compósito após o período de cura. Logo após a mistura atingir o ponto de gel, o material foi prensado durante 30 minutos. Transcorrido esse tempo, retirou-se o material da forma. As placas retangulares obtidas foram demarcadas e cortadas para a realização dos ensaios. Os compósitos e a matriz pura podem ser visualizados na Figura 1. Figura 1 Matriz pura (a); compósitos com PMG(b), compósitos com PMG e FC (c). Para realização dos testes MEA e AA, determinou-se os valores de massa seca (M S ), massa úmida (M U ) e massa imersa (M I ) de cada um dos corpos cilíndricos confeccionados para cada mistura. De posse dos valores mássicos, fez-se uso das Equações 1 e 2: (1) (2)

4 Para os ensaios de tração, foram obtidos corpos de prova com dimensões de acordo com a norma ASTM D3039, com as seguintes dimensões: 250 mm de comprimento útil, 25 mm de largura e 2,5 mm de espessura. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Caracterização do PMG Umidade e massa específica: O valor da umidade do PMG encontrado foi de 32,3% e massa específica de 2,86 g/cm 3. Difração de raios-x: O difratograma permitiu a identificação dos minerais albita (NaAlSi 3 O 8 ), calcita (CaCO 3 ), ilita(al 3 H 2 KO 12 Si 3 ) e quartzo (SiO 2 ). A Figura 2 apresenta o difratograma do PMG utilizado neste trabalho. Figura 2 Difratograma do resíduo de mármore e granito. Análise granulométrica: Com base nos valores de mássicos do PMG que ficaram retidos nas diversas malhas das peneiras utilizadas, foi possível determinar o diâmetro médio das partículas do resíduo. A Figura 3 apresenta o gráfico obtido após o tratamento dos dados, em um gráfico representativo da quantidade percentual de massa retida em cada peneira da série Tyler utilizada. Verifica-se que mesmo utilizando a peneira de 100 mesh para selecionar o material a ser usado na confecção dos compósitos, perde-se menos de 20% do resíduo nesse peneiramento, dessa forma, ainda é utilizada grande parte do total do material coletado, aproximadamente 83,6%, e evita-se dessa forma que pedaços de rocha desprendidos da peça na hora da serragem seja inserido na mistura, ou seja, todo o PMG inserido como carga apresenta diâmetro inferior a 0,149 mm. Mais de 50% do

5 material apresenta diâmetro inferior a 0,025 mm, diâmetro equivalente à malha da peneira de 500 mesh da série Tyler. Figura 3 Distribuição granulométrica das partículas de PMG Caracterização da matriz pura (AM910) e dos compósitos Massa específica e absorção de água: Através das Equações 01 e 02, calculou-se o valor de MEA e AA de cada corpo de prova, e valor médio de uma amostragem de seis corpos de prova para cada mistura. As Figuras 4 e 5 apresentam os gráfico obtido a partir da comparação dos valores para as misturas. Figura 4 Gráfico da variação da MEA dos compósitos.

6 Figura 5 Gráfico da variação da AA dos compósitos. Como observado na Figura 4, o aumento do teor de pó na mistura do compósito acarreta no aumento da MEA do corpo de prova, devido ao valor da densidade do PMG ser superior ao valor da densidade da resina, no entanto, observa-se que quando a FC é adicionada ao compósito os valores de MEA reduzem quando comparados ao valor do PMG30 e quanto maior a quantidade de FC menor o valor obtido, fato também relacionado diretamente ao valor da densidade da FC ser inferior ao valor da densidade do PMG. Em relação à absorção de água, observa-se na Figura 5 que até a composição de 20% ocorreu uma redução no valor de AA, sendo possível que nessa porcentagem houve uma melhor adesão do pó com a matriz polimérica e, dessa forma, menos poros para absorção da água comparado com o AM910, no entanto, acima desse valor nota-se uma umento nos valores dessa propriedade, explicado da seguinte forma, com o aumento da quantidade de pós na matriz há um limite de saturação, dessa forma há menos resina para aderir ao pó e a absorção se dá pelo fenômeno da capilaridade, nota-se um maior aumento da AA nos compósitos que apresentam FC em sua estrutura, levando-se em conta a propriedade hidrofílica tanto do PMG quanto da FC o comportamento observado é que quanto maior a quantidade de FC na matriz, maior a absorção de água, visto que está sendo inserido no compósito maiores quantidades de material hidrofílico. Ensaio de tração: Após a realização dos ensaios de tração, o valor da tensão máxima média de uma amostragem de seis corpos de prova para cada mistura foi determinada e estão apresentadas na Figura 6 a seguir. Figura 6 Gráfico da variação dos valores de tensão máxima suportada pelos compósitos.

7 Quando compara-se os compósitos com a matriz pura, observa-se que há uma redução no valor de tensão máxima suportada de todos os valores em relação à AM910, o melhor resultado foi o do compósito PMG20, de acordo com a Figura 7(a), verifica-se uma boa adesão carga/matriz e não se verifica bolhas de ar ou vazios na superfície de fratura. Na Figura 7(b) tem-se a superfície de fratura do PMG30-FC1, compósito que apresentou menor valor de tensão máxima, verifica-se a presença de pull out e descolamento da fibra da matriz, bem como espaços vazios na matriz, o que caracteriza defeitos que podem ter ocasionado valores baixos de resistência do material. O aumento do teor de carga na matriz prevalece a formação de aglomerados que são pontos frágeis e propagadores de trinca no material, e a inserção de fibras em uma matriz com carga não permite uma boa molhabilidade da superfície de adesão da fibra e consequentemente não prevalece o reforço. ( a ) ( b ) Figura 7 Microscopia eletrônica de varredura da superfície de fratura dos compósitos PMG20 (a) e PMG30-FC1 (b), maior e menor valor de tensão máxima obtidos respectivamente. 4. CONCLUSÃO Os corpos de prova confeccionados mostraram que é possível inserir o PMG como carga para confecção de compósitos, é possível inserir grandes quantidades desse pó na matriz facilitado pelo baixo diâmetro das partículas do material, comprovado pela análise granulométrica, o que facilita a homogeneização, impregnação e interação carga/matriz. Através dos valores encontrados para a MEA dos compósitos verifica-se que o comportamento obedece à regra de mistura, inclusive com a inserção de fibras na matriz secundária e a curva de AA decresce proporcionalmente à incorporação de PMG, apresentando crescimento com um teor de 40%, devido à saturação da matriz e assim facilidade de permeabilidade através dos grãos expostos pelo fenômeno da capilaridade, quando a fibra é inserida na matriz secundária há um aumento acentuado no valor dessa propriedade, devido à propriedade hidrofílica da fibra. A fibra de coco inserida na matriz secundária contendo 30% de carga não atuou como reforço, devido à baixa adesão e molhabilidade da fibra, já que a quantidade de resina é reduzida. Apesar de os valores de tensão máxima dos compósitos fabricados serem inferior ao valor obtido para a matriz

8 pura, o que já era esperado, o material pode ser substituto de outros materiais ou empregado em outras áreas, fazendo-se necessário verificar a utilização do material dependendo da faixa de resistência requerida para o uso. 5. REFERÊNCIAS ABNT NBR NM 52. Agregado miúdo - Determinação da massa específica e massa específica aparente ABNT NBR NM 53. Agregado graúdo - Determinação da massa específica, massa específica aparente e absorção de água ALAM, M.K.; ISLAM, M.T.; MINA, M. F.; GAFUR, M. A. Structural, mechanical, thermal, and electrical properties of carbon black reinforced polyester resin composites. Jornaul of Applied Polymer Science, 40421, ASTM D3039. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials BAI, Z.; SONG, L.; HU, Y.; YUEN, R. K. K. Preparation, flame retardancy, and thermal degradation of unsaturated polyester resin modified with a novel phosphorus containing acrylate. Industrial & Engineering Chemistry Research, v. 52, p , BORA, C.; GOGOI, P.; BAGLARI, S.; DOLUI, S. K. Preparation of polyester resin/graphene oxide nanocomposite with improved mechanical strength. Jornaul of Applied Polymer Science, p , GUO, L. Z.; WANG, X. J.; ZHANG, Y. F.; WANG, X.Y. Application of azodiisobutyronitrile and azobisisoheptonitrile in low-density unsaturated polyester resin manufacturing. Jornaul of Applied Polymer Science, 40238, NEVES, M.A.; NADAI, C. P.; FONSECA, A. B.; PRADO, A. C. A.; GIANOTTI, J. D. G.; RAYMUNDO, V. ph e umidade dos resíduos finos de beneficiamento de rochas ornamentais. R. Esc. Minas, v. 66(2), p , RIBEIRO, L. M.; LADCHUMANANANDASIVAM, A. O.; BELARMINO, D. D. Flamabilidade e retardância de chama do compósito: poliéster insaturado reforçado com fibra de abacaxi (PALF). Holos, v. 1, p , SANCHEZ, E. M. S.; CAVANI, C. S.; LEAL, C. V.; SANCHEZ, C. G. Compósito de resina de poliéster insaturado com bagaço de cana de açúcar: influência do tratamento das fibras nas propriedades. Polímeros, v. 20, p , SILVA, J.B.; HOTZA, D.; SEGADÃES, A.M.; ACCHAR, W. Incorporação de lama de mármore e granito em massas argilosas. Cerâmica, v. 51, p , OLESKY, M.; GALINA, H. Unsaturated polyester resin composites containing bentonites modified with silsesquioxanes. Industrial & Engineering Chemistry Research, v. 52, p , 2013.