ESTUDO COMPARATIVO DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE CASCA DE ARROZ NO REPROCESSAMENTO DO POLIETILENO DE ULTRA ALTO PESO MOLECULAR (PEUAPM)

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1 ESTUDO COMPARATIVO DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE CASCA DE ARROZ NO REPROCESSAMENTO DO POLIETILENO DE ULTRA ALTO PESO MOLECULAR (PEUAPM) Marilia Botelho Coelho 1*, Ruth M.C. Santana 2* Departamento de Materiais, Universidade Federal de Rio Grande do Sul - UFRGS, Campus do Vale, Porto Alegre RS / Brasil, ( 1* marilia.coelho@braskem.com; 2* ruth.santana@ufrgs.br). RESUMO O polietileno de ultra alto peso molecular, PEUAPM, é conhecido por suas diversas aplicações como plástico de engenharia, por apresentar alta resistência ao desgaste por abrasão, alta resistência ao impacto e baixo coeficiente de atrito. Muitas vezes é utilizado virgem, sem reprocessar, tornando o custo deste polímero muito elevado. A casca de arroz (CA) representa boa parte do peso total do arroz e se a mesma for descartada de forma incorreta acarreta dificuldades quanto à eliminação do resíduo. Assim, o objetivo deste trabalho foi realizar um comparativo das propriedades mecânicas do material do PEUAPM virgem com o PEUAPM reprocessado em compósitos (PEUAPM/CA), além de verificar a viabilidade econômica do material. Resultados preliminares indicam que as propriedades mecânicas ficam muito semelhantes ao material virgem, porém observou-se uma diminuição na elongação do reciclado. Palavras-chave: PEUAPM, casca de arroz, propriedades mecânicas. INTRODUÇÃO A economia brasileira no estado do Rio Grande do Sul é voltada para atividades agrícolas, incluindo um grande número de produtores de arroz que acabam gerando grandes quantidades de resíduos sólidos, também chamados de casca de arroz, CA [1]. A casca de arroz torna-se fonte de poluição e contaminação, o que atinge diretamente o meio ambiente e a saúde da população [2]. Há a necessidade legal de gestão deste resíduo, conforme disposto na Lei Estadual nº /00 - Código Estadual do Meio Ambiente, onde todo usuário de solo agrícola é obrigado a conservá-lo e recuperá-lo, mediante a adoção de técnicas apropriadas (Artigo 201) e em que a coleta, o armazenamento, o transporte, o tratamento e a disposição final de resíduos poluentes, perigosos, ou nocivos [2]. 7149

2 O polietileno de ultra alto peso molecular (PEUAPM) é produzido em um catalisador Ziegler-Natta e seu peso molecular é, em torno, de 10 vezes maior que um polietileno de alta densidade [3]. Suas boas características e propriedades o destacam como um plástico de engenharia podendo ser aplicados em indústrias de diversos segmentos. Este tipo de polímero tem alto valor agregado, porém, por apresentar ótimas propriedades vem crescendo suas vendas e ocupando o lugar de diversos materiais com boa qualidade e serviço comercial [4]. Assim, devido à necessidade de materiais cada vez mais inovadores e que atendam as exigências de mercado na aplicação de engenharia, o resíduo do polímero de ultra alta densidade será estudado. Com peso molecular extremamente elevado proporciona a esse plástico de engenharia, além de excelentes propriedades mecânicas, uma viscosidade tão alta no estado fundido que o índice de fluidez (190ºC / 21,6kg) aproxima-se de zero. Destacam-se como principais qualidades a alta resistência ao desgaste por abrasão, a alta resistência ao impacto e o baixíssimo coeficiente de atrito [4]. A resistência à abrasão deste polímero é maior do que a maioria dos termoplásticos e superior aos materiais comumente utilizados na confecção de silos, containers e equipamentos que sofrem muito desgaste quando estão em operação. A Figura 1 apresenta um comparativo de desgaste à abrasão com os demais materiais. PEUAPM Figura 1 Comparativo de desgaste à abrasão Este polímero também é comparado com polímeros que se destacam por alta resistência ao impacto e é utilizado em aplicações em que essa propriedade é requerida, mesmo em baixas temperaturas. Tal característica faz com que esse 7150

3 material seja utilizado na confecção de equipamentos de esportes de inverno (como esquis e snowboards), em câmaras frigoríficas e defensas marítimas [4]. Com isso, quando há a usinagem deste polímero ou até mesmo quando ele está sendo processado dentro da indústria há o resíduo gerado. Este resíduo se não tratado corretamente ocasiona o impacto ao meio ambiente e pode se tornar um material poluidor. Por este ser totalmente reciclado, o objetivo de este trabalho é realizar um estudo das propriedades mecânicas de este polímero com a incorporação de casca de arroz e assim, gerar um comparativo com os polímeros utilizados de ultra alto peso molecular hoje no mercado criando uma alternativa de reaproveitamento e retornos financeiros e ambientais para as empresas que geram o mesmo. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Neste estudo foram utilizados PEUAPM (UTEC 6540/3040/7130) em pó fornecido pela Braskem e casca de arroz (CA) fornecido por uma empresa familiar oriunda da região metropolitana de Porto Alegre. Metodologia Para preparar os corpos de prova para as análises foi seguido os seguintes passos: Escolhido a proporção de casca de arroz e PEUAPM; Pesado separadamente os dois materiais; Homogeneizado por 5 minutos, manualmente; Prensado em moldes 21cm x 22cm; Usinado para obter os corpos de prova; Realizado testes de propriedades mecânicas. O processo de fabricação das chapas pode ser por dois métodos: moldado por uma técnica de sinterização por compressão cíclica, cujo produto é um perfil contínuo, conhecida como Extrusão RAM, pois as extrusoras de rosca convencionais não podem ser usadas para extrusão deste tipo de produto. Outra maneira de processamento é a moldagem por compressão. Nesse processo o PEUAPM em forma de pó e a CA, na proporção mássica de 60/40 foi colocado no molde. O molde é aquecido o suficiente para causar a fusão e em uma velocidade 7151

4 em que o material flua, mesmo com sua alta viscosidade. Nestas análises foi escolhido o processo de prensagem, pois é o processo mais comum para este material. Assim, a Figura 2 apresenta um fluxograma de todas as etapas para análise dos materiais. PESAGEM MISTURA MANUAL PRENSAGEM Abrasão Tração Flexão Impacto Dureza Figura 2 - Fluxograma de processo Caracterização As amostras foram caracterizadas pelos ensaios mecânicos de tração, flexão, impacto e dureza e abrasão. O ensaio de flexão se baseia nas normas ISO 178 [5] e ASTM D790 [6] e foi realizado em uma máquina Instron modelo 5500R. No ensaio de tração, as amostras foram submetidas à tensão e deslocamento com velocidade constante e especificada. Esta análise foi baseada na norma ASTM D4020, na máquina Instron modelo 5581/4465/5566. A resistência ao impacto Charpy das amostras foi realizado utilizando o equipamento CEAST modelo Resil 5.5. O método é baseado na norma ASTM D Para este teste foi usado o martelo correspondente a energia de Impacto 25J Para a determinação das durezas Shore (A e D), das amostras foi usado o durômetro do tipo Shore. O ensaio de abrasão avaliará a capacidade de desgaste à temperatura ambiente, sem impacto e sem tensionamento, semelhante à das aplicações mecânicas mais comuns. Para cada material, a abrasão é medida por perda de peso e convertida em perda volumétrica pela sua densidade. RESULTADOS E DISCUSSÃO 7152

5 Na Tabela 1 é apresentado os resultados ao ensaio de flexão. Observa-se que a incorporação de CA na matriz de PEUAPM elevou o seu módulo elástico em mais de 100%. Material Tabela 1 - Resultado comparativo de Flexão Módulo de Flexão Secante 1% (MPa) PEUAPM PEUAPM /CA (60/40) 1352 ± 32 A Tabela 2 mostra os resultados do ensaio do Impacto Charpy, onde é observado a diminuição da capacidade de absorção de energia ao impacto, resultado coerente, devido a que a incorporação da carga aumentou a rigidez do material. Material Tabela 2 - Resultado comparativo de Impacto Charpy Resistência Impacto Charpy (KJ/m²) Absorção de Energia (J) PEUAPM PEUAPM PEUAPM /CA (60/40) 39,6 ± 5,1 2,4 ± 0,3 A Tabela 3 apresenta o resultado realizado referente a dureza Shore D. Neste caso pode-se observar que não houve mudança significativa nas amostras de PEUAPM e o compósito PEUAPM /CA (60/40). Tabela 3 - Resultado comparativo de Dureza Shore D Material Dureza Shore D (1s) PEUAPM PEUAPM PEUAPM /CA (60/40) 66,6 ± 1,517 A Tabela 4 mostra os resultados do ensaio de tração, onde observa-se que a presença da casca CA aumentou a resistência no ponto do escoamento, porém houve um decréscimo no módulo elástico e na tensão na ruptura quando comparado ao PEUAPM. Tabela 4 - Resultados do ensaio de tração das amostras avaliadas. Material Tensão de Escoamento (MPa) Módulo (MPa) Tensão na Ruptura (MPa) Deformação na Ruptura (%) 7153

6 PEUAPM >350 PEUAPM >300 PEUAPM /CA (60/40) 20,5 ± 0,4 978 ± 48 40,4 ± 0,8 417 ± 7 Abrasão A Figura 3 apresenta os resultados perda de massa em relação à amostra padrão do ensaio de abrasão dos compósitos de PEUAPM/CA comparando com diversas amostras de PEUAPM mostraram que os compósitos serem mais agredidos a abrasão do que o polímero puro, já que quando o índice for menor que 100 significa que o material é mais resistente a abrasão que o padrão. Figura 3 - Comparativo do Índice de abrasão das amostras avaliadas CONCLUSÕES Os resultados confirmaram que as propriedades do desempenho mecânico a tração, impacto, dureza e abrasão do compósito de PEUAPM foram inferiores em relação ao material padrão/virgem, porém houve uma melhora no módulo do ensaio de flexão. Cabe ressaltar que embora não foi observado melhoras em forma geral, os valores ficam acima de muitos polímeros. Para melhorar o desempenho mecânico para os próximos trabalhos será focado no menor teor de carga de casca de arroz, e o uso de agentes de acoplamento; assim como utilizar a extrusoras RAM como outra alternativa de processamento. Mesmo com algumas análises abaixo do polímero virgem, este pode ser utilizado em diversas aplicações, como: Substituição de hastes de placas de sinalização; Faixa de segurança; 7154

7 Suporte para tubulações na área industrial. Assim, conclui-se que ainda tem mais variáveis a serem pesquisadas, pois o material tem grande possibilidade de crescimento no mercado além de redução do resíduo gerado na agricultura e nas petroquímicas. Agradecimentos Os autores agradecem a Braskem S.A. REFERÊNCIAS [1] FUNDAÇÃO ESTADUAL DE PROTEÇÃO AMBIENTAL HENRIQUE LUÍS ROESSLER/RS. Gestão de resíduos caracterizados como casca de arroz e cinzas resultantes do processo da queima da casca. Porto Alegre, Disponível em: < pdf >. Acesso em: 28 ago 2014 [2] BRASIL. Lei nº , de 8 de agosto de Institui o Código Estadual do Meio Ambiente do Estado do Rio Grande do Sul e dá outras providências. Disponível em: < =pdf>. Acesso em 28 ago 2014 [3] COLUMBY, Ricardo Bou R. UTEC um Plástico de Engenharia Desenvolvido na Bahia. Bahia: [4] Kurtz, Steven M. The UHMWPE Handbook Ulta-High Molecular Weight Polythylene in Total Joint Replacement. Elsever Academic Press (2004). [5] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION ISO Plastics - Ultra-high-molecular-weight polyethylene (PE-UHMW) moulding and extrusion materials ISO 178 Determination of Flexural Properties. Geneva: International Organization for Standardization, ISO Plastics Compression-moulded sheets of polyethylene (PE- UHMW, PE-HD) Requirements and test methods. [6] ASTM INTERNACIONAL. D Standard test method for static and kinetic coefficients of friction of plastic film and sheeting. Pennsylvania: ASTM Internacional, D Standard Specification for Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene Molding and Extrusion Materials. Pennsylvania: ASTM Internacional, D Standard Test Method for Tensile Properties of Plastic. Pennsylvania: ASTM Internacional,

8 D Standard test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and electrical Insulating Materials. Pennsylvania: ASTM Internacional, COMPARATIVE STUDY OF THE INFLUENCE OF THE ADDITION OF RICE HULL IN THE POLYETHYLENE REPROCESSING ULTRA HIGH MOLECULAR WEIGHT (UHMWPE) ABSTRACT The polyethylene of ultra high molecular weight UHMWPE, is known for its diverse applications such as engineering plastic, for presenting to abrasion, high impact resistance and low friction coefficient high resistance. Is often used virgin, without reprocessing, making the cost of very high polymer. Rice husk is a large part of the total weight of the rice and if it is disposed of incorrectly entails difficulties for disposal of the waste. The objective of this study was to perform a comparative mechanical properties of the material of the virgin UHMWPE with UHMWPE reprocessed composite (UHMWPE / rice husk) and to verify the economic viability of the material. Preliminary results indicate that the mechanical properties are very similar to the virgin material, but there was a decrease in elongation recycled. Keywords: UHMWPE, rice hull, mechanical properties. 7156