III REUTILIZAÇÃO DE PLÁSTICOS PÓS-CONSUMO NA OBTENÇÃO DE BLENDAS COM FIBRAS VEGETAIS

Transcrição

1 III REUTILIZAÇÃO DE PLÁSTICOS PÓS-CONSUMO NA OBTENÇÃO DE BLENDAS COM FIBRAS VEGETAIS Diosnel A. Rodríguez Lopez (1) Eng de Minas pela Escola de Minas UFOP, M.Sc. pelo PPGEM - UFRGS, Doutor em Engenharia pela Universidade Tecnológica de Berlim, Alemanha, Professor do Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias da Universidade de Santa Cruz do Sul, UNISC. Adriane Lawisch Rodríguez Engenheira Química pela Escola de Engenharia da PUCRS. Mestre em Engenharia de Minas, Metalúrgia e de Materiais pela Escola de Engenharia da UFRGS (PPGEM), Doutora em Engenharia pela Universidade Tecnológica de Berlim, Alemanha, Professora do Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias da Universidade de Santa Cruz do Sul, UNISC. Cláudia Mendes Mählmann Física pela Universidade de Santa Cruz do Sul. Mestre em Física pela UFSC, Doutoranda em Engenharia DE Minas, Metalúrgica e de Materiais pela UFRGS (PPGEM), Professora do Departamento de Química e Física da Universidade de Santa Cruz do Sul, UNISC. Liane Mählmann Kipper Física pela Universidade de Santa Cruz do Sul. Mestre em Física pela UFSC, Doutoranda em Engenharia de Produção pela UFSC, Professora do Departamento de Química e Física da Universidade de Santa Cruz do Sul, UNISC. Karla Staudt Acadêmica do Curso de Engenharia Ambiental, Bolsista de Iniciação Científica, Universidade de Santa Cruz do Sul, UNISC. Fernanda Marder Acadêmica do Curso de Engenharia Ambiental, Bolsista de Iniciação Científica, Universidade de Santa Cruz do Sul, UNISC. Endereço (1) : Av. Independência, 2293, Santa Cruz do Sul, RS - CEP: Brasil - Tel: (51) dlopez@unisc.br RESUMO O presente trabalho apresenta os resultados da caracterização mecânica de blendas poliméricas misturadas com fibras vegetais. Resinas virgens de PP e PE foram utilizadas para a confecção das blendas. As mesmas foram misturadas com diferentes proporções de fibra naturais. As fibras escolhidas foram o bagaço de cana e pó de serragem com granulometria < 1,0 mm. A obtenção das blendas foi realizada por meio de termoprensagem, utilizando cargas de 2 e 4 toneladas. Os resultados mostraram que as propriedades mecânicas das blendas foram influenciadas pela carga aplicada, pela homogeneidade dos materiais e pela porosidade dos corpos-de-prova. Os corpos-de-prova obtidos na termo-prensagem com 4 toneladas de carga apresentaram módulos de elasticidade com variações bem menores do que os valores obtidos com 2 toneladas. Isso indica que a carga aplicada é um fator importante uma vez que a mesma faz com a interação, entre a matriz polimérica e o material agregado, seja melhorada. O aumento do teor do pó de serragem dentro dos compósitos fez com ele se deformasse muito menos antes da ruptura, o que indica que houve um aumento da rigidez do material. Essa melhoria da interação também pôde ser observada na tensão máxima. Os valores deste parâmetro foram sempre superiores aos obtidos com na termo-prensagem com 2 toneladas de carga. Os resultados da caracterização das blendas obtidas com a adição de bagaço de cana mostraram que a estrutura em rede do material da carga dificultava a interação entre os materiais, formando uma estrutura tipo sanduíche. PALAVRAS-CHAVE: Blendas, fibras vegetais, reutilização. INTRODUÇÃO Um dos problemas enfrentados pela sociedade atual está o relacionado com o gerenciamento dos resíduos sólidos. Grande quantidade de material é descartada no lixo todo dia, embora muitos desses materiais ofereçam vantagens na sua reutilização. Os materiais plásticos, descartados no lixo, podem ser reciclados desde que eles preencham certos pré-requisitos, como possuir baixo nível de sujicidade, de contaminação, boa separação, etc., o que na maioria dos casos eleva o custo de triagem e beneficiamento destes materiais. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Pesquisas que visem a revalorização de resíduos como a fabricação de novos produtos que utilizem misturas, assumem grande valor econômico e ambiental. Assim a produção de blendas se torna interessante uma vez que este processo permite a introdução de materiais (resíduos) dentro de uma matriz polimérica e possibilita a produção de novos materiais que venham a apresentar características mecânicas diferentes e apropriadas para certas aplicações. (BERTIN, 2002; REMEDIO, 1999; HA, 1999). A reciclagem dos materiais plásticos misturados e a produção de blendas a partir destes materiais têm se tornado o alvo de muitas pesquisas nos últimos tempos [LI et alli, 2001; MEHRABZADEH & FARAHMAND, 2001]. Isso se deve a que a incompatibilidade dos polímeros não permite que muitos deles sejam reciclados em conjunto. Dessa forma, o desenvolvimento de um processo que permita a reciclagem dos plásticos misturados se torna um desafio para as áreas tecnológicas atuais [MICHAELI et alli, 1995]. Já a produção de blendas se torna interessante uma vez que este processo permite a introdução de materiais (resíduos, de baixo valor comercial) dentro de uma matriz polimérica, reduzindo com isso, os custos de produção [JANA & PIETRO, 2002; PAIVA et alli, 1999; HA et alli, 1999; SELKE, 2004]. Ainda, há a possibilidade de produção de novos materiais que venham a apresentar características mecânicas diferentes e apropriadas para certas aplicações, se comparados com os produtos obtidos a partir de matéria prima virgem. Devemos ainda aqui considerar o aspecto ecológico disso tudo, uma vez que a produção de blendas permite a economia de recursos naturais não renováveis, assim como diminuiria a quantidade de resíduos destinados a aterros. Durante a última década, vários estudos têm sido realizados a respeito das propriedades mecânicas dos materiais plásticos reciclados, principalmente sobre a mistura de alguns deles. Fato este se deve às blendas, originárias das misturas, propiciarem a possibilidade da combinação das propriedades de cada plástico individualmente, formando assim um produto com novas características (BERTIN, 2002; HALIMATUDAHLIANA, 2001). O presente trabalho teve como objetivo estudar a utilização de material plástico a partir da elaboração de blendas (no caso, PP e PE) com fibras vegetais (bagaço de cana e pó de serragem). O projeto de pesquisa contou com o apoio do CNPq, SCT-RS através do PMTVRP e da UNISC. MATERIAIS E MÉTODOS Para a elaboração das amostras foram utilizadas resinas virgens de PP e PE, assim como pó de serragem (<1,0 mm) e bagaço de cana. Estes dois materiais poliméricos foram escolhidos em função da quantidade gerada na região de abrangência da Universidade de Santa Cruz do Sul. O pó de serragem e o bagaço de cana foram secos em uma estufa a 60ºC por 12 horas. Após a secagem, o material foi retirado e colocado num dessecador até a hora do uso. Para a obtenção das blendas, 200 gramas de resina (PP ou PE) foram misturadas com diferentes proporções de pó de serragem ou bagaço de cana. A termo-prensagem foi realizada de forma que, uma parte da massa do polímero era colocada no fundo da forma de prensagem, após era adicionada a fibra. O restante do material foi colocado sobre o pó de serragem, formando assim uma estrutura tipo sanduíche. As cargas de prensagem avaliadas foram de 2 e 4 toneladas, com temperatura de 230ºC para as misturas com PP e 190 C para as misturas com PE. O tempo de aquecimento da prensa foi de 25 minutos para todas as amostras. Os corpos de prova foram posteriormente cortados e submetidos aos ensaios de caracterização mecânica. As quantidades de fibras naturais que foram adicionadas variaram em concentrações de 5 até 30% (p/p) sobre o peso do material polimérico utilizado. A Análise de tração foi realizada de acordo com a norma ASTM 882. Através deste ensaio se obtém a deformação do material em porcentagem, além da tensão na força máxima e força na força máxima, na ruptura da amostra (HEILBRONN, 1992). Os ensaios de dureza Shore foram realizados segundo a norma ASTM D 785 e a ASTM D A espessura foi determinada segundo a norma ASTM D RESULTADOS COMPÓSITOS DE PP E PÓ DE SERRAGEM (2 TONELADAS DE CARGA) A tabela 1 apresenta as características dos corpos de prova obtidas da mistura de 200 gramas de PP com diferentes percentagens de pó de serragem. As condições para a obtenção deste compósito foram: carga da prensa 2 toneladas e temperatura de 230ºC. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tabela 1: Características das amostras de PP + pó de serragem. Corpo de Prova Espessura (mm) Dureza (shore D) PP + 5,5% 5,48 79,4 PP + 10% 7,04 72,6 PP + 20% 7,37 90,4 PP + 30% 11,89 83 Os ensaios mostraram que a serragem se mistura muito bem com o PP nas condições utilizadas, porém o material fica poroso. Nelas foi observado que o material agregado interage de forma adequada com o material polimérico até uma percentagem de 10% (p/p), o que confirma as observações de Selke & Wichman (2004). Acima desta percentagem, a falta de homogenização faz com que o compósito obtido se separasse em duas camadas compostas de PP + pó de serragem. A falta de homogeneização também afetou os resultados da medida da dureza apresentados na Tabela. Tabela 2: Resultados da caracterização mecânica da blenda PP/Pó de Serragem Corpo de Prova Módulo de Ruptura (%) Força Máx. (kgf) Tensão Máx (MPa) (kgf/mm²) PP + 5,5% 83,04 3,47 77,5 13,41 PP + 10% 47,92 2,26 64,2 5,97 PP + 20% 48,2 2,67 76,25 6,76 Os resultados da blenda PP com 30% de pó de serragem não forma apresentados na tabela acima, pois a mesma não pôde ser caracterizada em função de ocorrer separação de camadas. Os resultados das propriedades mecânicas também foram influenciados pela falta de homogeneização dos materiais e pela porosidade dos corpos-de-prova. Porém, pode ser observado que com o aumento da percentagem de pó de serragem há uma diminuição do módulo de elasticidade e da tensão máxima (limite de resistência à tração). A diminuição do E (módulo de elasticidade) indica que há uma diminuição das forças inter-moleculares, o que pode ser explicado pela baixa interação entre o polímero e o pó de serragem quando esta última se encontrava em elevadas concentrações. Isso por sua vez poderia indicar que este excesso de pó de serragem estaria apenas encapsulado pelo polímero. COMPÓSITOS PP E BAGAÇO DE CANA (2 TONELADAS DE CARGA) Os testes foram realizados a temperatura de 230ºC e carga de prensagem de 2 toneladas. O tempo de termoprensagem foi de uma hora O uso de bagaço de cana como material agregado para a formação de um compósito com PP apresentou também limites no que diz respeito à quantidade de material agregado dentro da matriz polimérica. Como resultado do aumento da percentagem de bagaço de cana adicionado, a espessura do material formado foi aumentando (Tabela 3) formando também uma estrutura em camadas, sendo que o bagaço de cana se concentrava na camada central do compósito. O material também apresentava falho (porosidade) em quantidades maior do que a observada durante o uso do pó de serragem. A medida da dureza foi afetada pela falta de homogeneidade do corpo de prova obtido. Tabela 3: Características dos compósitos formados por PP mais Bagaço de Cana. Corpo de Prova Espessura (mm) Dureza (Shore D) 3,4% bagaço-de-cana 5,87 85,6 4,5% bagaço-de-cana 7,93 81,2 10% bagaço-de-cana 10,45 82,8 20% bagaço-de-cana 13,35* 89,8 Na Tabela 4 são apresentados os resultados da caracterização mecânica dos corpos de prova das composições que foram passíveis de serem ensaiadas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Tabela 4: Resultados da caracterização mecânica do compósito PP mais bagaço de cana. Corpo de Prova Módulo de Força Máx. [kgf] Tensão Máx [Mpa] PP + 3,8% 80,43 1,73 65,02 11,97 PP + 4,5% 75,14 2,19 61,63 11,35 Os resultados dos ensaios de tração mostram que o módulo de elasticidade da blenda com 3,8% de bagaço de cana apresenta valor semelhante ao obtido com a blenda PP + 5,5% de pó de serragem. Isso indica que nesta percentagem de material agregado as características das blendas são impregnadas pelas características da matriz PP. Com o aumento do teor de bagaço de cana, o material forma camadas, e deixa a amostra muito heterogênea. Pelo que foi observado durante os ensaios o polímero fundido não penetra na estrutura do bagaço de cana colocado na parte central. COMPÓSITO DE PE E BAGAÇO-DE-CANA (2 TONELADAS DE CARGA) A tabela 5 apresenta os resultados da termo-prensagem de PE com bagaço de cana. Da tabela pode ser observado que o aumento do uso de bagaço de cana fez com que a espessura dos corpos-de-prova aumentasse. A dureza do compósito aumentou com o aumento do teor de bagaço de cana na matriz. Tabela 5: Características dos compósitos de PE + bagaço de cana. Corpo-de-prova Espessura [mm] Dureza [Shore D] 10% bagaço-de-cana 5, % bagaço-de-cana 7,47 45,2 Na Tabela 6 estão apresentadas as características mecânicas do material produzido. Aqui pode ser observado o aumento do módulo de elasticidade com o aumento da percentagem de bagaço de cana na matriz. Este fenômeno, junto com o aumento da dureza, indica que a adição do bagaço de cana melhora as características mecânicas do compósito. Porém, esses resultados mostram que há uma melhor interação entre o PE e o pó de serragem se comparado com o comportamento do compósito PE + bagaço de cana. Tabela 6: Propriedades mecânicas do compósito PE + bagaço de cana. Corpo de Prova Módulo de Força Máx. [kgf] Tensão Máx [MPa] PE + 10% 25,74 3,76 35,09 3,92 PE + 20% 27,75 3,8 45,33 3,97 A melhoria das propriedades mecânicas se reflete de forma tênue sobre a tensão máxima que o material resiste sob tensão. Os valores médios apresentam-se bastante próximos. A figura 01 apresenta as fotos desses materiais compósitos produzidos nestes testes. (a) (b) Figura 01: Fotografias dos compósitos de PE mais bagaço de cana. COMPÓSITOS DE PP E PÓ DE SERRAGEM (4 TONELADAS DE CARGA) O uso de uma carga de quatro toneladas para a termo-prensagem trouxe resultados bem diferentes aos observados no tópico anterior. Foi observada uma melhoria da difusão dos polímeros dentro da camada de material agregado, mostrando uma melhor homogeneização dos materiais obtidos. O uso de uma carga de 4 toneladas produziu um compósito muito mais homogêneo do que os obtidos com 2 toneladas de carga. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 A Tabela 7 apresenta as características do compósito obtido com PP e pó de serragem. A temperatura utilizada foi de 230ºC e o tempo médio de fundição na prensa foi de 25 minutos. A melhoria dos resultados se observa primeiramente pela espessura do material. A formação de camadas tipo sanduíche foi observada apenas com a adição 30% de pó de serragem. Na Tabela 7 se observa que a dureza dos compósitos variavam pouco. Tabela 7: Características dos compósito de PP e pó de serragem com carga de 4 toneladas. Corpo-de-prova Espessura [mm] Dureza [shore D] 5,5% pó-de-serragem 4,0 87,8 10% pó-de-serragem 4,21 85,8 20% pó-de-serragem 4,72 81,8 30% pó-de-serragem 6,0 84,4 Os resultados da caracterização mecânica destes materiais estão detalhados na Tabela 8. Tabela 8: Caracterização mecânica do compósito PP mais pó de serragem com 4 toneladas de carga. Corpo de Módulo de Força Máx. [kgf] Tensão Máx [Mpa] Prova PP + 5,5% 88,9 4,72 126,9 20,73 PP + 10% 73,08 2,59 81,42 13,31 PP + 20% 71,05 1,70 64,95 9 PP + 30% 68,06 2,07 82,53 9,05 O módulo de elasticidade das amostras apresentaram variações bem menores que as amostras obtidas com 2 toneladas de carga de prensagem. Isso indica que a carga é um fator importante uma vez que a mesma faz com a interação entre a matriz polimérica e o material agregado seja melhorado. O aumento do teor do pó de serragem dentro dos compósitos fez com ele se deformasse muito menos antes da ruptura, o que indica que a rigidez do material aumentasse. Essa melhoria da interação também pôde ser observada na tensão máxima. Os valores deste parâmetro foram sempre superiores aos obtidos com 2 toneladas de carga. COMPÓSITOS DE PP E BAGAÇO-DE-CANA (4 TONELADAS DE CARGA) O aumento da carga da termo-prensagem também trouxe resultados positivos na mistura PP com diferentes percentagens de bagaço de cana. Porém, aqui também foi observado que o material com 30 % de bagaço de cana já não formava um corpo compacto, levando à formação de camada. A camada central era composta só de material agregado, o que fazia com que após a prensagem o compósito se separasse em duas partes. O volume ocupado pela carga de bagaço de cana fez com que a espessura do material aumentasse com o aumento do teor deste material dentro da matriz polimérica. A dureza do material não apresentou variações representativas. Tabela 9: Características do compósito de PP mais bagaço de cana com 4 toneladas de carga de prensagem. 200gr de PP + % de fibras Espessura (mm) Dureza (shore D) 5,5% bagaço-de-cana 4, % bagaço-de-cana 5,35 81,6 20% bagaço-de-cana 7,02 78,8 Na figura 02 apresenta uma foto de uma das amostras obtidas nestes testes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 02: Resultados da prensagem de PP mais bagaço de cana com 4 toneladas de carga. As características mecânicas destes materiais estão resumidas na Tabela 10. Nesta tabela observa-se um aumento do módulo de elasticidade com o aumento da percentagem de material agregado dentro da matriz polimérica. Isso indica que o uso de bagaço de cana melhora a interação interatômica das moléculas do material, fazendo com o seu módulo de elasticidade aumente. Este aumento do modulo de elasticidade fez com que a dureza do material aumentasse fazendo com que ele deformasse menos durante os ensaios de tração. Tabela 10: Características mecânicas dos CP de PP + bagaço de cana com 4 toneladas de prensagem. Corpo de Prova Módulo de Ruptura [%] Força Máx. [kgf] Tensão Máx [MPa] PP + 5,5% 48,31 2,49 72,76 7,98 PP + 10% 56,61 1,74 62,84 7,68 PP + 20% 68,24 1,66 62,13 6,98 Os ensaios de tração demonstraram também valores de tensão máxima na tração variando muito pouco. COMPÓSITOS DE PE E PÓ DE SERRAGEM (4 TONELADAS DE CARGA) A Tabela 11 apresenta os resultados da termo-prensagem de PE com pó de serragem sob 4 toneladas de carga. Diferente do ensaio com 2 toneladas de carga, os testes com uma carga de 4 toneladas permitiram a formação de um compósito. Aqui só foram utilizadas 10 e 20% de pó de serragem como material de carga. Acima de 20 % o compósito se partia ao meio. Tabela 11: Características do material obtido na termo-prensagem com 4 toneladas de carga. Corpo-de-prova Espessura [mm] Dureza [shore D] 10% pó-de-serragem 3,45 77,2 20% pó-de-serragem 3,55 78,8 O uso de uma carga maior permitiu a formação de corpos-de-prova com espessuras de até 3,55 mm. A dureza dos CP não foi influenciada de forma significativa pelo aumento do teor de pó de serragem no compósito. Na Tabela 12 estão resumidas as propriedades mecânicas dos materiais obtidos. Tabela 12: Características do material obtido na termo-prensagem com 4 toneladas de carga. Corpo de Prova Módulo de Força Máx. [kgf] Tensão Máx [MPa] PE + 10% 46,3 3,8 50,72 9,34 PE + 20% 50,58 2,8 46,01 8,47 Desta tabela pode ser observada que há um aumento do módulo de elasticidade do compósito quando se aumenta o teor de pó de serragem, indicando, como já foi citado anteriormente, um aumento da força de interação entre as moléculas do material. Este aumento do módulo indica que o material se tornou mais rígido, fazendo com que a sua deformação na ruptura diminuísse. O aumento do teor de pó de serragem refletiu-se na diminuição do limite de resistência à tração do material. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS Com os resultados obtidos até o presente, podemos considerar a possibilidade da fabricação de novos produtos a partir destas misturas. O trabalho terá sua continuidade no estudo da necessidade de pré-tratamento das fibras e sua influência nas propriedades do material e, na proposição de novos produtos a serem produzidos com a mistura, agregando assim, valor ao resíduo. Os resultados da caracterização das propriedades mecânicas dos compósitos obtidos mostraram o pó de serragem interage de forma mais adequada com os polímeros uma vez que a sua granulometria permite que o mesmo se disperse dentro da matriz polimérica. Isto traz como conseqüência a melhoria das propriedades mecânicas dos materiais produzidos com pó de serragem já que varias propriedades apresentaram valores mais elevados dos que os obtidos com a adição de bagaço de cana. O aumento da carga de prensagem também se refletiu de forma positiva sobre as propriedades mecânicas dos compósitos obtidos. Assim a variação do módulo de elasticidade dos materiais obtidos na termo-prensagem com 4 toneladas de carga apresentaram valores mais elevados dos que os obtidos com carga de 2 toneladas. Essa observação é valida para os compósitos obtidos com PP e com PE. Esses resultados podem indicar que a melhoria das propriedades mecânicas dos materiais é decorrente de uma melhor interação entre as cargas agregadas e as matrizes poliméricas. O uso de pó de serragem como carga, dentro de matrizes poliméricas, pode acarretar uma economia substancial de matéria prima em produtos onde a diminuição das propriedades mecânicas do material não comprometa a funcionalidade deste. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Bertin, S.; Robin, J.J. Study and characterization of virgin and recycled LDPE/PP blends. European Polymer Journal, n. 38, (2002). 2. C.S. Ha, H.D. Park K, W.J. CHO Recycling of commingled Plastics by cellulosic reiforcement. Journal of Applied Polymer Science, Vol. 74, (1999). 3. M. V. P. Remédio, M. Zanin, B. A. N. Teixeira, Caracterização do efluente de lavagem de filmes plásticos pós-consumo e determinação das propriedades reológicas do material reciclado. Polímeros: Ciência e Tecnologia, Out/Dez, (1999). 4. Selke, S. & Wichman, I; Wood fiber/polyolefin composites, Composites: Part A, 35, , (2004). 5. Heilbronn, W. H.; Beilstein, G. H.; Cöppincen, S. H.; Guia de Materiales Plásticos Propriedades Ensayos Parámetros; Hansen Editorial; 1ª Ed.; Hansen Editorial; Barcelona, (1992). 6. Jana, S., Prieto, A.; On the development of natural fiber composites of high temperature thermoplastic polymers, J. Appl. Polym. Sci. Vol. 86, , (2002). 7. Li, J.; Shanks, R. and Long, Y. Miscibility and crystallisation of polypropylene-linear low density polyethylene blends. Polymer 42, (2001). 8. Mehrabzadeh, M., Farahmand, F.; Recycling of commingled plastics waste containing polypropylene, Polyethylene, and Paper, J. App. Polym. Sci., Vol. 80, , (2001). 9. Michaeli, W.; Greif, H.; Kafmann, H.; Vossebürger, F.; Tecnologia dos Plásticos; Editora Edgard Blücher, São Paulo, (1995). 10. Paiva, J. M. F.; Trindade W. G. e Frollini, E. Compósitos de Matriz Termofixa Fenólica Reforçada com Fibras Vegetais. Polímeros, São Carlos, v.9, n. 4, Dez. (1999). AGRADECIMENTOS Ao CNPq pela bolsa de iniciação científica da aluna Karla Staudt, ao Pólo de Modernização Tecnológica do Vale do Rio Pardo, através da SCT-RS, a FAPERGS e a UNISC. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7