ESTUDO E CARACTERIZAÇÃO DE PERFIS FABRICADOS A PARTIR DE POLIPROPILENO RECICLADO E CASCA DE ARROZ

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1 ESTUDO E CARACTERIZAÇÃO DE PERFIS FABRICADOS A PARTIR DE POLIPROPILENO RECICLADO E CASCA DE ARROZ Diego R. Bayer, Izabel C. Riegel* Programa de Pós-graduação em Qualidade Ambiental, Centro Universitário Feevale, RS 239, NovoHamburgo- RS dbayer@feevale.br; izabelriegel@feevale.br Este trabalho teve como objetivo a caracterização mecânica e térmica de perfis fabricados a partir de resíduos de polipropileno (PP) e casca de arroz (CA). Para isso, perfis foram produzidos pelo processo de intrusão mecânica em composições de 100%, 80% e 40% de PP em massa. O outro componente foi a casca de arroz. As amostras foram analisadas através de ensaios de tração, flexão, compressão, dureza e impacto. Foram, ainda, realizados ensaios de densidade e absorção de água. A análise térmica contemplou os ensaios de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise termogravimétrica (TGA). A presença da casca de arroz em diferentes percentuais na formulação do compósito polimérico resultou na elevação do módulo elástico em 60,1% no ensaio de tração, 63,5% no ensaio de flexão e 85,4% no ensaio de compressão, em relação ao perfil fabricado com 100% PP. A densidade e a absorção de água aumentaram com a adição de CA e a estabilidade térmica diminuiu. O estudo evidencia a importância da ampla caracterização dos materiais que deve ser realizada previamente às aplicacões tecnológicas diversas. Palavras-chave: Polipropileno, casca, arroz, reciclagem, compósito. Study and characterization of profiles manufactured from recycled polypropylene and rice husk This study aimed to characterize the mechanical and thermal behavior of profiles produced from polypropylene (PP) waste and rice husk (CA). Samples were produced by the process of mechanical intrusion in compositions of 100%, 80% and 40% by weight of PP. The other component being the rice husk. Samples were analyzed by testing the tensile, bending, compression, hardness and impact behavior. Density and water absorption were also determined. Thermal analysis included differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). The presence of rice rusk in different percentages in the formulation of the polymeric composite had increased the elastic modulus in 60.1% in the tensile test, 63.5% in the flexural test and in 85.4% in the compression test as compared to the profile produced with 100% PP. Density and water absorption have increased with the addition of CA as well as thermal stability has decreased. The present study stresses the importance of a broad investigation prior to the various applications. Keywords: Polypropylene, husk, Rice, recycling, composite. Introdução Com a crescente preocupação mundial com o meio ambiente, a utilização de recursos naturais renováveis, os quais não agridem o meio ambiente e representam uma fonte alternativa de grande potencial econômico, tornou-se muito importante para a sobrevivência das indústrias em um mercado globalizado e competitivo [1]. A escassez de matérias-primas de fontes de renovação muito lenta, como o petróleo, por exemplo, levam à busca por alternativas que possam suprir a demanda por materiais, sem que comprometam a qualidade dos produtos e o desempenho nas aplicações. As crises econômicas recentes deixam claro que os preços das commodities não são constantes e torna-se necessário cada vez mais o desenvolvimento e a utilização de matérias-primas alternativas e de baixo custo [2]. Com as mudanças nos padrões de consumo ocorridos principalmente nas últimas duas décadas, a geração de resíduos aumentou em grande escala, tanto no universo industrial como

2 também no doméstico. Dessa forma, o gerenciamento e a destinação de todo esse resíduo transformou-se em um dos maiores problemas enfrentados pelo homem moderno, desafiando a capacidade humana de organização e também de modificar-se culturalmente, sendo este, talvez, o maior desafio. De maneira geral, a maior transformação no perfil do lixo industrial e doméstico, nos últimos vinte anos, ocorreu devido ao grande aumento na utilização dos plásticos nos mais diversos segmentos da economia [3]. Segundo a pesquisa Ciclosoft, realizada pelo CEMPRE [4] em 2007, aproximadamente 22% de todos os resíduos gerados nas residências brasileiras são plásticos. Os compósitos poliméricos termoplásticos são formados por uma matriz composta por uma resina termoplástica na qual está dispersa outra fase, que pode ser composta por fibras [5], por exemplo, que atuam como reforço. O papel da matriz é manter a orientação das fibras e seu espaçamento, transmitirem as forças de cisalhamento entre as camadas das fibras (para que o compósito resista a dobras e às torções) e protegê-las do ambiente exterior [6]. As fibras possuem uma grande versatilidade dentro dos compósitos poliméricos, podendo ser empregadas com objetivos econômicos, técnicos entre outros [7]. Considerando aspectos ambientais e tecnológicos, a utilização de fibras vegetais incorporadas a matrizes poliméricas vêm sendo muito pesquisada no Brasil, devido ao grande potencial agroindustrial do país, pois são gerados quantidades enormes de rejeitos de origem vegetal diariamente. No intuito de desenvolver e caracterizar um material com capacidade de substituir a madeira em determinadas aplicações, aliando boas propriedades mecânicas, condições econômicas e acabamento final, foram combinados, através do processo de intrusão, polipropileno descartados como resíduo, proveniente de big bags rompidos, e casca de arroz (CA) in natura. O resultado final foi um compósito polimérico, formando uma família de perfis, conhecidos no mercado como perfis ecológicos, pois são produzidos com matéria prima 100% reciclada. Este perfis encontram-se atualmente em fabricação e encontram grande demanda de mercado em diversos produtos para a indústria ou mesmo para o consumidor doméstico. Ainda, como vantagem, o perfil desenvolvido apresenta maior resistência ao ataque microbiológico (fungos, por ex.) em relação à madeira o que, em vários casos, constitui uma propriedade de bastante interesse. Experimental Materiais Foi utilizada neste trabalho polipropileno proveniente de big bags rompidos, sendo posteriormente triturados em moinho de facas e aglutinados em aglutinadora industrial. A casca de arroz utilizada é proveniente de cooperativas de arroz da região sul do Rio Grande do Sul, não tendo sido feito qualquer tipo de preparo ou processo antes de sua utilização.

3 Os materiais, depois de pesados, foram misturados em misturador mecânico e logo após intrusados em matriz de aço com comprimento de 300 cm, largura de 10 cm e espessura de 1 cm. Foram produzidas amostras com zero, 20 e 40% de CA (100, 80 e 60% de PP). Métodos Para a confecção dos corpos de prova de acordo com as normas adotadas, foram utilizados softwares de modelagem 3D do centro de usinagem mecânica da Feevale. O ensaio de resistência a tração foi realizado segundo a norma NBR9622, o ensaio de resistência a flexão foi realizado segundo a norma NBR7447 e o ensaio de resistência a compressão foi realizado segundo a norma NBR9628, todos em máquina universal de ensaios da marca Panambra, modelo Versat 10000, em 10 corpos de prova por composição produzida. O ensaio de dureza Shore D foi realizado segundo a norma NBR7456 em equipamento da marca Panambra, modelo RASN-B, em 10 corpos de prova por composição produzida. Os ensaios de impacto IZOD foi realizado segundo a norma NBR8425 em equipamento da marca Emic, modelo NS 100, em 10 corpos de prova por cada composição produzida. O ensaio de absorção de água foi realizado segundo a norma NBR8514, em dispositivo de imersão confeccionado pelo autor. As amostras foram mantidas imersas ininterruptamente por 72 horas. Dez corpos de prova foram ensaiados por composição produzida. A determinação da densidade do material foi realizada segundo a norma ASTM D 792 em equipamento da marca Marte, modelo AM, pelo princípio do deslocamento de coluna d água, em 3 corpos de prova por composição produzida. O ensaio de calorimetria exploratória diferencial (DSC) foi realizado em equipamento da marca Shimadzu, modelo DSC-60, a uma taxa de 10 C/min em atmosfera de N 2, em triplicata. O ensaio de análise termogravimétrica (TGA) foi realizado em equipamento da marca Shimadzu, modelo TGA 50, a uma taxa de 10 C/min em atmosfera de N 2, em triplicata. Resultados e Discussão A Tabela 1 mostra os valores médios obtidos nos ensaios de tração, flexão e compressão, para todas as composições produzidas. Tabela 1 - Resultados dos ensaios de tração, flexão e compressão. ENSAIO TRAÇÃO FLEXÃO COMPRESSÃO Resist. Módulo de Def. Resist. Módulo de Deflexã Resist. Módulo de Máx.(MPa) elasticidad linear Máxima elasticidad o linear Máx.(MPa) compressão PP/CA (%) e (MPa) (mm) (N) e (MPa) (mm) 100/0 17,26 136,57 7,3 107, ,6 37,93 9,07 4,2 80/20 19,48 169,48 6,3 113, ,5 39,11 9,90 3,9 60/40 20,30 218,66 5,3 125, ,1 45,09 16,82 2,7 Através da Tabela 1, pode-se notar a influência da CA presente no material, aumentando em todos os ensaios as resistências máximas e por outro lado diminuindo a capacidade do material Def. linear (mm)

4 deformar-se. Para todos os ensaios, a adição de 40% em peso de casca de arroz no compósito, indicou um acréscimo sempre superior a 10% na sua resistência máxima quando comparado ao polipropileno sem adição. Já o módulo de elasticidade aumentou significativamente, atingindo elevação de 60,1% no ensaio de tração, 63,5% no ensaio de flexão e 85,4% na compressão, sendo o ensaio de compressão o que apresentou a maior variação. Os resultados confirmam a atuação da CA como carga de reforço e que o maior incremento de propriedades ocorreu no ensaio de compressão. A Tabela 2 mostra os valores médios obtidos nos ensaios de dureza e impacto IZOD, para todas as composições produzidas. Tabela 2 - Resultados dos ensaios técnicos de dureza e impacto IZOD. PP/CA (%) DUREZA SHORE D IMPACTO IZOD ENERGIA (kj/m²) 100/0 70,70 132,8 80/20 69,15 196,8 60/40 69,75 169,6 Analisando-se a Tabela 2, pode-se observar que a dureza do material praticamente não foi alterada com a adição de CA, propriedade esta conferida pelo PP. No entanto, para os ensaios de impacto, ocorre uma indicação de que a CA pode representar um aumento significativo de resistência quando adicionados 20% de CA na composição do material. A Tabela 3 apresenta os resultados médios encontrados nos ensaios de determinação da densidade por deslocamento de água e de absorção de água por imersão por 72 horas. Tabela 3 - Resultados dos ensaios técnicos de densidade e absorção de água. PP/CA DENSIDADE (g/cm³) ABSORÇÃO DE ÁGUA (%) 100/0 0,992 1,36 80/20 1,016 1,73 60/40 1,056 2,17 Analisando-se a Tabela 3, nota-se que a presença de casca de arroz influencia a densidade do material, aumentando gradualmente com a adição da CA. No o ensaio de absorção de água também observa-se um aumento, pois o material passa a absorver mais água quanto mais CA estiver presente em sua composição. A absorção de água, além de aumentar a densidade do material, irá exercer influência sobre as propriedades mecânicas do mesmo, alterando as condições iniciais da aplicação. Analisando todos os resultados conjuntamente, é possível selecionar o material de acordo com a utilização pretendida, visto que para cada uso, o conhecimento de uma das propriedades acima é especialmente mais importante. Por exemplo, para uso dos perfis em cruzetas de postes, o conhecimento do comportamento à flexao é muito importante, ao contrário, quando pretender-se empregar os perfis em postes, os resultados de compressão tornam-se fundamentais, e assim por diante. Para a aplicação na confecção de paletes, os resultados acima complementam os testes

5 específicos exigidos para esta aplicação. Por este motivo, este trabalho contemplou uma ampla caracterização dos perfis produzidos através da realização de vários ensaios fisico-mecânicos. Os resultados de análise térmica por DSC (Fig.1) indicam dois diferentes picos de fusão, um em 129 C e outro em 165 C, indicando que além do PP (conforme indicação do fornecedor) existe também a presença outro polímero termoplástico, provavelmente polietileno de baixa densidade (PEBD) no material denominado big bags. As entalpias médias de fusão determinadas foram 5,3 e 42,9 J/g, para o primeiro e segundo picos, respectivamente mw temperaura ( o C) Figura 1 - Curva de DSC do compósito 80/20 PP/CA (percentual mássico). 1,0 100/0 80/20 60/40 0,8 perda de massa 0,6 0,4 0,2 0, temperatura ( o C) Figura 2 - Curvas de TGA para os compósitos PP/CA: 100/0; 80/20 e 60/40, em percentual mássico. Conforme esperado, a presença de CA reduz a estabilidade térmica dos materiais. A temperatura onde ocorre 5% da perda de massa para o PP puro resultou em 367,7 C, ao passo que

6 com 20% de CA foi de 332,3 C e para 40% de CA reduziu para 314,6 C, conforme resultados de TGA apresentados na Figura 2. Conclusões Os resultados obtidos permitem concluir que a CA exerce uma interferência significativa sobre as propriedades do compósito final, principalmente nas propriedades mecânicas. Os percentuais de CA devem ser definidos conforme a aplicação desejada, visto que não somente a resistência ou força máxima do material é afetada, mas também a capacidade de deformação do material em relação ao seu comprimento inicial. Observou-se, também, que os diferentes percentuais analisados apresentaram a mesma dureza, sem variações significativas conforme a adição de CA. Os ensaios de impacto indicou que a adição de CA promove a elevação na capacidade de absorver impacto. Quanto aos ensaios de densidade e absorção de água, observou-se que a adição de CA representa um acréscimo importante em termos de massa por unidade de volume e também no que diz respeito à absorção de água, aumentando com a adição de CA. A absorção de água implica na modificações das propriedades mecânicas do material quando em uso sob intemperismo. Esse fato abre boas possibilidades para estudos futuros, avaliando a interferência da água nas propriedades do material. Importante também salientar que a CA é um resíduo ainda sem valor comercial e disponível em grandes quantidades a cada ano no Brasil, representando em torno de 18% da colheita do arroz. Os resíduos de PP, apesar de comercializados, ainda estão presentes em grandes quantidades nos resíduos domésticos, comumente desperdiçados e abandonados em lixões. Por fim, observa-se que o perfil aqui estudado apresenta potencialidade técnica e econômica para utilizações onde se busca a substituição de materiais tradicionais. Agradecimentos Os autores agradecem a Deutschsul Industrial de São Leopoldo/RS pela produção dos perfis e à Feevale pelo apoio na realização dos ensaios. Referências Bibliográficas 1. SILVA, R. V. Compósito de resina poliuretano derivada de óleo de mamona e fibras vegetais, Tese de Doutorado, Universidade Federal de São Carlos, Brasil (2003). 2. FERNANDES, B. L.; DOMINGUES, A. J. Caracterização mecânica de polipropileno reciclado para a indústria automotiva. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 17(2). p. 85 (2007). 3. MATOS, T. F. L.; SCHALCH, V. Composição dos resíduos poliméricos, pós-consumo, gerados no município de São Carlos, SP. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 17(4). p. 346 (2007). 4. CEMPRE Compromisso Empresarial Para a Reciclagem, São Paulo (2009). acessado em março de 2009.

7 5. SANTOS, E. F. Efeito de agentes de acoplamento em compósitos de polipropileno com fibras de côco, Dissertação de Mestrado, Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil (2007). 6. ALLEN, S. M.; THOMAS, E. L. The structure of materials, John Wiley & Sons, POUEY, M. T. F. Beneficiamento da cinza de casca de arroz residual com vista à produção de cimento composto e/ou pozolânico, Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil (2006).