ESPUMA RÍGIDA MICROPOROSA DE CÉLULA ABERTA OBTIDA POR EMULSÃO EM EPÓXI

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1 ESPUMA RÍGIDA MICROPOROSA DE CÉLULA ABERTA OBTIDA POR EMULSÃO EM EPÓXI M.P. Paluch¹, M.S. de Araújo 1, J.A. Cerri 2 marippch@hotmail.com, araujo@utfpr.edu.br, cerri@utfpr.edu.br Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Curitiba - Sede Ecoville R. Dep. Heitor Alencar Furtado, Curitiba/PR, Brasil - CEP ¹Depto. Acadêmico de Mecânica - UTFPR, ²Depto. Acadêmico de Construção Civil/ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - UTFPR RESUMO O estudo tem como objetivo correlacionar a composição à porosidade mais adequada para elaborar moldes permeáveis para colagem sob pressão de peças. Para isso, foram analisadas emulsões com diferentes proporções de água e óleo com variação da quantidade de tensoativo. Optou-se por uma emulsão com maior proporção de água e menor quantidade de tensoativo, pois apresenta homogeneidade de poros e única fase. Espumas foram elaboradas com diferentes quantidades de emulsão (água + óleo + tensoativo) com relação a resina epóxi, a qual manteve a massa constante na mistura, assim como a carga mineral. Para caracterizar essas espumas obtidas foram realizadas medidas de densidade e capacidade de absorção por capilaridade. Os resultados mostraram que quanto maior a quantidade de água na emulsão menor é a densidade e melhor a capacidade de absorver água. Palavras-chave: resina epóxi, colagem sob pressão, espuma micro porosa, emulsão INTRODUÇÃO A técnica de colagem sob pressão é um diferencial competitivo para as empresas de louças e porcelanas por permitir a fabricação de peças com design mais arrojado, aumento da competitividade por meio da economia de matérias-primas, melhoria na qualidade das peças, redução do custo com mão de obra e menor impacto ambiental pela redução no descarte de moldes de gesso (1). Este método necessita de um molde fechado e poroso que funcione 8126

2 como um filtro para reter as partículas sólidas e permitir a passagem da água, sendo importante a utilização de tubos direcionadores para que água escoe mais rapidamente. Pressões elevadas podem provocar empacotamento de partículas na parede, podendo reduzir a permeabilidade e aumentar os custos com a estrutura do equipamento. As pressões utilizadas na fabricação por meio da colagem sob pressão normalmente é de 10 a 15 kgf/cm² (2). Esta faixa de pressão não é adequada para utilização de gesso nos moldes, pois o material necessita ser resistente à tração, além de apresentar alta permeabilidade à água e, os poros abertos devem ser menores que os das partículas sólidas da barbotina, para que essas sejam retidas (3). A vida útil de um molde bem dimensionado é estimada em ciclos de colagem e também se relaciona com o grau de entupimento dos poros (3,4). Com a grande oferta no mercado de plásticos no início da década de 50 e da automatização necessária para o processo de fabricação de peças cerâmicas, houve a necessidade do desenvolvimento de moldes em resina para colagem sob pressão (5). Há moldes micro porosos fabricados à base de gesso modificado da empresa ALDERO, de compósitos de resinas acrílicas (4), uretânicas (6) ou epoxídicas com reforço mineral (5). Neste projeto foram estudadas as composições de emulsões, ou seja, as quantidades das fases água e óleo, e a proporção desta em relação à resina para a fabricação de espumas rígidas de células abertas de resinas epoxídicas. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais A base da resina epóxi usada foi o éter diglicidílico do bisfenol-a (DGEBA), conhecido comercialmente como resina epóxi 324 e o agente de cura utilizado foi o 043, ambos fabricados pela DOW QUÍMICA. Dados sobre a resina e endurecedor foram fornecidos pelo fabricante e estão presentes na Tabela 1. Para a elaboração das emulsões foi utilizada água deionizada, glicerina bidestilada e Tween 80 comercializado pela Vetec. A utilização de carga mineral teve como intuito aumentar a rigidez da espuma e aumentar a 8127

3 dispersão dos poros das composições. A carga adotada foi o carbonato de cálcio tratado com estearato de cálcio. Item Resina Agente de Cura Tabela 1 - Informações sobre a resina epóxi e o agente de cura Aspecto Líquido viscoso transparente Líquido amarelado Densidade (g/ml), 25 C Viscosidade (cp), 25 C Valor Especificado Valor Encontrado Valor Especificado Valor Encontrado 1,13 a 1,16 1, a ,96 a 1,00 0,97 19,5 a 22,5 22,1 Emulsão aerada Primeiramente foi realizado um ensaio reológico em um viscosímetro (Brookfield, DV III) para verificar a velocidade de cura de algumas composições que variavam a quantidade de agente tensoativo, no caso, o Tween 80. A velocidade de cura foi obtida apenas para a mistura de resina e agente de cura, e depois com a adição de Tween 80, nas quantidades de 2,5% e 5% em massa da mistura. Esse resultado foi relevante para determinar a ordem e tempo para efetuar as misturas da espuma e se a presença do tensoativo alterava ou não a velocidade de cura da resina. Para realizar esse ensaio foi seguida a recomendação do fabricante do viscosímetro, para leitura do torque a cada 5 segundos até a capacidade de 85% do torque, sendo que a velocidade de rotação constante foi de 10 rpm. Antes de realizar o estudo para obtenção das espumas, foi estudado a influência das quantidades relativas de água, Tween 80 e óleo de glicerina na formação de espuma por aeração da emulsão. Foram estabelecidas para este estudo três proporções de água deionizada e óleo, quais sejam, 25%:75%, 50%:50% e 75%:25%, respectivamente, sendo que as quantidades de tensoativo utilizados na mistura foram 5%; 7,5% e 10%. Essas misturas foram executadas em um Becker graduado, essencial para a leitura do volume da espuma após aeração. O procedimento adotado foi trabalhar com o mesmo volume inicial para todas as espumas. O objetivo era conseguir comparar visualmente os diferentes volumes da espuma após o processo de aeração, para o qual foi utilizado um agitador mecânico na rotação de rpm. Na avaliação da melhor condição de emulsão para a espuma micro porosa de 8128

4 resina epóxi os critérios utilizados foram, o volume de emulsão obtido, a homogeneidade e as fases constituintes. Espuma Para obtenção da espuma a proporção volumétrica da mistura água e óleo adotada foi fixada em 75% de água e 25% óleo (glicerina). O tensoativo (Tween 80) foi adicionado como 7,5% do volume da mistura água e óleo. Nesta etapa foi estudada a influência das proporções entre a emulsão (água, óleo e Tween 80) e a resina juntamente com o agente de cura e carga mineral. As relações volumétricas das espumas e a composição em partes mássica com relação a resina que foram elaboradas e, posteriormente testadas, encontramse listadas na Tabela. Tabela 2 - Composições para elaboração de espumas em partes mássicas Espuma Relação Volumétrica (partes) Resina + Água+ Agente de óleo+tween cura Resina Carga Agente Partes Mássicas Tween 80 Óleo Água 1 1,00 0, ,35 9,24 22,00 2 1,00 0, ,76 18,69 44,50 3 1,00 0, ,71 22,41 53,35 4 1,00 0, ,66 26,14 62,24 5 1,00 0, ,01 27,51 65,50 6 1,00 1, ,52 37,38 89,00 7 1,00 2, ,05 74,76 178,0 A formulação foi submetida à agitação com o auxílio do agitador mecânico de alto torque com microprocessador (Quimis, modelo Q250M1), com a rotação de 1000 rpm. Primeiramente, foram misturados os componentes da emulsão, sendo a água, o óleo de glicerina e o Tween 80, até que se formasse uma espuma e não houvesse líquido acumulado no fundo do recipiente. Em seguida, foi adicionada a resina epóxi e o agente de cura, misturados por aproximadamente dois minutos para homogeneização. Por último, foi adicionado à mistura o carbonato de cálcio tratado com estearato de cálcio até que toda a carga estivesse distribuída uniformemente pela mistura. Em seguida, a espuma no estado líquido foi vertida em um molde de silicone, no qual, a espuma foi mantida até terminar a cura. 8129

5 As composições de espumas foram caracterizadas por ensaios de densidade aparente e difusão por capilaridade, para comparar a capacidade de permeabilidade à água. Para verificar este comportamento, os corpos de provas de 60 mm de diâmetro e 30mm de altura foram expostos a uma fina camada de água com pigmentação vermelha por um período de 24 horas e, após esse período foi medido a altura da parede pigmentada. Quanto maior essa a espessura da camada pigmentada, maior a permeabilidade da espuma. A composição de espuma 2 da Tabela 2 foi analisada com a ajuda do Stereomicroscope Stemi 508 da Zeiss com ampliação de 20x. RESULTADOS E DISCUSSÃO Inicialmente foi estudado o efeito do Tween 80 em percentagem mássica de resina sobre o tempo de cura, ou seja, o tempo que as misturas demoravam para o torque alcançar 85% da capacidade do viscosímetro, Figura 1. Figura 1 - Relação do torque com o tempo para diferentes quantidades de tensoativo Tween na resina Concluiu-se que quanto maior a quantidade de tensoativo na mistura, maior o tempo para a cura da resina epóxi. Emulsão aerada Os resultados após a mistura vigorosa de Tween, água e glicerina estão presentes na 8130

6 . É possível observar que quanto maior a quantidade de água e Tween, maior é o volume formado da emulsão aerada, e por consequência, maior o volume de poros. Nas Figuras 2 são comparadas as imagens das diferentes misturas, as quais variaram a quantidade de água, de glicerina (fase óleo) e de Tween 80. As fotos foram realizadas logo após a agitação por um minuto na rotação de 1000 rpm. Amostra Tabela 2 - Composição da emulsão e de poros das composições Partes em volume Água Óleo Tween (% v da mistura) Tempo Mistura (min) Rotação (rpm) Volume inicial (ml) Volume final (ml) Volume poros (ml) ,

7 Observa-se na Figura 2 que em todas as amostras com 5 % de Tween, há uma deposição de água e óleo no fundo do recipiente e que, a partir de 7,5% de Tween a deposição não é mais perceptível. Figura 2 - Comparação da deposição líquida das emulsões aeradas, do volume formado e a homogeneidade das composições Logo a quantidade mínima necessária é de 7,5% de Tween na mistura, já que além de não haver a deposição de água, quanto menor a quantidade de tensoativo, melhor a relação custo/benefício na fabricação da espuma e, reduzindo ainda o efeito de retardamento da cura da resina, mostrado na Figura 1. As emulsões aeradas com menores quantidade de glicerina são as que possuem maiores volumes de poros. As espumas com mais Tween não influenciaram na porosidade, entretanto, na medida em que se aumenta a proporção do tensoativo, a espuma torna-se mais homogênea, principalmente para a relação 25% água/ 75% óleo, como é observado por meio da Figura

8 Figura 3 - Comparação das emulsões aeradas em função da quantidade de água, óleo e Tween 80, vista de cima Para obtenção de espumas rígidas, foi adotado a proporção volumétrica com 75% de água e 25% óleo (glicerina) e, para esta mistura, 7,5% de Tween 80, em volume da mistura. Espumas Após executar as composições das espumas, conforme a Tabela 2, foi possível observar, por meio da Figura 4 e da Figura 5, que as maiores densidades e menores porosidades foram as das espumas que possuíam menor quantidade de emulsão na composição. Figura 4 - Corte axial das espumas para observação da porosidade 8133

9 Figura 5 - Relação entre a densidade aparente e o teor de emulsão A espuma de composição 6 não alcançou a resistência mecânica mínima necessária para manipulação manual após 5 dias, pois após esse tempo a espuma ficou muito frágil, sendo que, após a desmoldagem houve a quebra da amostra. A composição 7 também não endureceu em um período de duas semanas. Figura 6 - Micrografia óptica da composição 2 com 0,5 parte de emulsão Um resultado satisfatório foi o aparecimento de poros interconectados devido a utilização de água na composição. Na Figura 6 é possível a observação desses poros. Após o ensaio da capacidade de absorção de água pigmentada, observou-se por meio de um corte axial das amostras, conforme a Figura 7, que a parte inferior de cada amostra havia uma parede de cor vermelha. Quanto maior a espessura dessa parede indica que maior foi a quantidade de água absorvida pela espuma. 8134

10 Figura 7 - Espumas cortadas após ensaio de capilaridade Pelos resultados apresentados na Figura 8, verificou-se que, a partir de 0,5 parte volumétrica de emulsão na mistura, há uma relação linear com a espessura de parede vermelha, ou seja, maior absorção de água. R² = 0,9978 Figura 8 - Espessura de parede vermelha pela proporção volumétrica de emulsão na mistura CONCLUSÕES No estudo de formação da emulsão aerada, a melhor composição foi a com maior quantidade de água (75% água / 25% glicerina), por produzir maior volume de poros, e com 7,5% de Tween 80, por resultar em uma espuma homogênea sem deposição de líquidos e por possuir menor influência no tempo de cura. Espumas com maior quantidade de emulsão na composição são as com maior potencial de absorção por capilaridade, devido a elevada quantidade de poros conectados, que resultaram em menores densidades. Uma quantidade 8135

11 maior que 50% de emulsão, em relação a resina, parece ser necessário para garantir essa absorção. REFERÊNCIAS 1. ARAUJO, M.S.; WENG, L.Y.; JACICHEN, G. E; CERRI, J.A. A tecnologia de colagem sob pressão como fortalecimento competitivo para a indústria de louça de mesa nacional. In: 56o. Congresso Brasileiro de Cerâmica, Curitiba, PR, KLAUS, J. Pressure Casting in Silicate Ceramics. Industries Fórum, v. 70, No. 5, ERGÜN, Y. Development and Characterization of PMMA Based Porous Materials Used for High Pressure Casting of Sanitaryware Ceramics, Dissertação de Mestrado. Department of Materials Science and Engineering, Izmir Institute of Technology, Pg 50-55, jul GALHARD, A. C. Desenvolvimento e caracterização de espumas rígidas com poros intercomunicantes de polimetacrilato de metila, e sua aplicação na indústria cerâmica. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Estadual de Campinas, BUTYLEVA, E.S., SERGEEVA, V.A., DEMIN, G.G., KANAEVA, V.I. Using epoxide foamed plastics instead of plaster. Journal Glass and Ceramics. v.23. n.5. p / REED, J.S. Principles of Ceramics Processing. 2nd. Ed. New York: Wiley Interscience, Cap. 25. RIGID FOAM MICROPOROUS OPEN CELL OBTAINED BY EMULSION IN EPOXY ABSTRACT The study aims to correlate the composition to the most appropriate porosity to prepare permeable mold for pressure slip casting. For that, emulsions were analyzed with different proportions of water and oil with varying amount of surfactant. It was decided to choose an emulsion with a higher proportion of water and minor amount of surfactant, because it presents 8136

12 homogeneous pores and single phase. Foams were prepared with different amounts of emulsion (oil + water + surfactant) with epoxy resin, which has a constant mass in the mixture, as the mineral filler. To characterize these foams, it was necessary measurements of density and capacity to absorb water. The results showed that with a higher amount of water in the emulsion resulted in a foam with lower density and best capacity to absorb water. Key words: Epoxy resin, pressure slip casting, microporous foam, emulsion 8137