INCORPORAÇÃO DE RESÍDUO DE PNEU EM ARTEFATO ELASTOMÉRICO: VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA Angela A. Gujel 1, Rosmary N. Brandalise 2, Regina C. R. Nunes 3, Janaina S. Crespo 4* 1 Rinaldi S. A Indústria de Pneumáticos, Bento Gonçalves RS, 2, 4 Grupo de Materiais Elastoméricos, Universidade de Caxias do Sul, CCET Rua Francisco Getúlio Vargas, 1130, Caxias do Sul, RS, CEP 95070-560 2 rnbranda@ucs.br, 4 jscrespo@ucs.br; 3 Instituto de Macromoléculas Professora Eloísa Mano Universidade Federal do Rio de Janeiro rcnunes@ima.ufrj.br Incorporation of scrap rubber tire residue in elastomeric device: technical and economic viability The recycling of vulcanized elastomers has been for a long time a problem for the rubber producers and at the same time a broad field of studies for researchers. The aim of this work was characterize the scrap rubber tire residue (SRT-r) and incorporate them into a base formulation used in the fabrication process for motorcycle tires. The incorporation of 10phr of SRT-r was realized in two kinds of mixer: Banbury (closed mixer industrial scale) and two roll mill (open mixer laboratorial scale). The formulations without and with SRT-r were characterized by mechanical properties: tensile, tear and abrasion strength, and resilience. The results showed that the incorporation of 10phr of SRT-r in the base formulation maintained the properties of the elastomeric device and reduces the costs of production in 3.20%/month. Introdução Mais da metade de toda borracha natural ou sintética mundial é consumida na fabricação de pneumáticos. Estima-se que durante o processo produtivo de artefatos elastoméricos são gerados 10% de resíduos [1], quantidade significativa quando o consumo anual é de 21,5 milhões [2]. Além desses resíduos, existe ainda o descarte relacionado aos artefatos pós-consumo. Dentro desse contexto, a maior fonte geradora são os pneus inservíveis. O resíduo de pó de pneu (SRT-r) é originário de um processo de reciclagem de pneus inservíveis. Reciclando pneus inservíveis procura-se minimizar o acúmulo dos mesmos na natureza, os riscos à saúde pública e ao meio ambiente, uma vez que a borracha vulcanizada é considerada um material de difícil degradação [3]. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar propriedades de interesse tecnológico de bandas de rodagens de pneus de motocicleta, produzidas por diferentes processos de mistura, com a incorporação de resíduo de pó de pneu (SRT-r). Experimental Caracterização do SRT-r Para o desenvolvimento desse trabalho foi utilizado resíduo de pó de pneu (SRT-r) proveniente da empresa Borrachas Planalto Ltda de Bento Gonçalves, RS. O tamanho da partícula foi determinado segundo norma ASTM D 5644-96, utilizando peneiras padrão de tamanhos 24, 28, 35, 48, 65 e 100mesh.
A análise termogravimétrica foi realizada com fluxo de nitrogênio de 50 ml/min, na faixa de temperatura de 20-800 ºC e com taxa de aquecimento de 10 ºC/min, massa da amostra de aproximadamente 10 mg em um equipamento Shimadzu TGA-50. As análises de DSC foram realizadas sob fluxo de nitrogênio de 50 ml/min, a partir de -100 C até 250 C, com taxa de aquecimento de 10 C/mim e de 30 ºC/min, massa das amostras de aproximadamente 10mg em um equipamento Shimadzu DSC 50. Preparação e Caracterização dos Vulcanizados A formulação base escolhida faz parte do processo produtivo da empresa Rinaldi S/A, Indústria de Pneumáticos Bento Gonçalves, RS e é utilizada para a fabricação de bandas de rodagem para pneus de motocicleta. Os principais constituintes são; o copolímero de estireno e butadieno (SBR 1502 e 1712 - Petroflex Indústria e Comércio S/A); negro de Fumo 339 (Degussa); óleo aromático (Chevron Brasil Ltda); 1,2-dihidro-2,2,4-quinolina polimerizada (Bann Química Ltda); óxido de alumínio silicoso hidratado (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O - Inducol Indústria de Calcários Caçapava); ácido esteárico (SIM Estearina Indústria e Comércio); óxido de Zinco (Votorantin/Metais); parafina (Isogama Indústria Química Ltda); N(1,3-dimetilbutil)-N -fenil-pfenilenodiamina (Flexsys Indústria e Comércio Ltda); N-ciclohexil-2-benzotiazol sulfenamida (Bann Química Ltda); enxofre ventilado (RCN & Phelps Distribuidora Química Ltda); dissulfeto de 2,2-dibenzotiazol e dissulfeto de tetrametiltiuram (Bann Química Ltda). A formulação base e a formulação base com 10phr de SRT-r foram preparadas em um misturador fechado de rotores do tipo Banbury, modelo MIR 100, com capacidade de 100L. O tempo de mistura foi definido em 3,5 minutos, com uma pressão de ar no pilão de 600.000Pa e temperatura de 190 ºC. A temperatura da água de refrigeração do equipamento foi de 22 ºC. Em seguida as formulações foram conduzidas para um misturador aberto de cilindros, modelo MAC 1500, a fim de serem laminadas, sendo posteriormente colocadas numa esteira de refrigeração, onde permaneceram por um ciclo (aproximadamente 3,5 minutos). Os aceleradores foram adicionados em um misturador aberto de cilindros, modelo MAC 1500, sendo o tempo de ciclo de 3 minutos. No final dessa etapa, a massa das formulações ficaram descansando por 4 horas até sua utilização. A incorporação de 10phr de SRT-r na formulação base, também foi efetuada utilizando-se misturador aberto de cilindros de laboratório EEMCO, modelo LAB 1,6L, segundo norma ASTM D 3182 01, na temperatura de 60 C, sendo a massa total da formulação base de 1,5kg e o tempo de mistura de 4 minutos. Os corpos de prova para a caracterização das propriedades de interesse tecnológico da formulação base com e sem SRT-r incorporado foram extraídos de placas vulcanizadas segundo
norma ASTM D 3182 01, no tempo de vulcanização (t 90 ) determinado em reômetro de disco oscilatório (Rheotech+, Tech Pro), segundo ASTM D 2084-01 (temperatura de 160 o C e arco de oscilação de 1 o ). Como a formulação base escolhida para esse estudo é utilizada normalmente na produção industrial de bandas de rodagem para pneus de motocicleta, os parâmetros a serem avaliados foram: resistência à tração, resistência à abrasão, resistência ao rasgamento e resiliência. O ensaio de resistência à tração e resistência ao rasgamento foram realizados em um equipamento Emic DL-3000 com uma velocidade de separação das garras de 500 mm/min e com célula de carga de até 3000kgf, segundo normas ASTM D 412 02 e ASTM D 624-98, respectivamente. A resistência a abrasão dos corpos de prova foram realizados segundo a norma DIN 53516-87, em abrasímetro da marca Veb Thüringer. O ensaio de resiliência dos corpos de prova seguiu a norma ASTM D 1054-02. O ensaio foi realizado em resiliômetro VEB TIW (Rauenstein). Resultados e Discussão Caracterização do SRT-r Na caracterização granulométrica do SRT-r verificou-se que o mesmo apresentou tamanho médio de partículas entre 48 a 100 mesh (0,147 a 0,295 mm). O tamanho de partícula necessário para a incorporação em novas formulações deve ser menor que 0,6 mm, portanto o apresentou dimensão adequada para ser incorporado em novas formulações [4, 5]. SRT-r Na análise termogravimétrica, o termograma apresentou dois estágios de degradação (Figura 1). O primeiro estágio a 377ºC, com perda de massa de 33,0 % e o segundo estágio a 445ºC, com perda de massa de 25,4 %, que correspondem à degradação da borracha natural (NR) e do copolímero de estireno-butadieno (SBR), respectivamente [6]. O residual de 41,6 % majoritariamente corresponde ao negro de fumo e demais aditivos presentes no SRT-r. A partir do ensaio de calorimetria exploratória diferencial (DSC) do SRT-r observou-se a transição vítrea (Tg) da NR em - 60 C e a Tg do SBR em - 51ºC e picos exotérmicos que correspondem à vulcanização residual, devido à presença de excesso de sistema de aceleração no SRT-r. O valor da Tg do NR virgem e SBR virgem são -72ºC e -45ºC respectivamente [7]. Os valores encontrados no ensaio de DSC diferem dos elastômeros puros, pois a composição do SRT-r é uma mistura de NR com SBR, conforme discutido anteriormente na análise termogravimétrica.
120 0,002 100 0 Massa (%) 80 60 40-0,002-0,004-0,006-0,008 DrTGA (mg/min) 20 377 o C 33,0 % 445 o C 25,4 % -0,01 0-0,012 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperatura ( o C) Figura 1: Análise termogravimétrica do SRT-r Caracterização dos vulcanizados As propriedades dos artefatos desenvolvidos encontram-se na Tabela 1. Tabela 1 - Propriedades dos artefatos desenvolvidos Ensaio 10 phr a 10 phr b Formulação base c Resiliência (%) 18 20 21 Abrasão (mm³/40m) 164 170 165 Tensão na Ruptura 14,57 ± 1,5 17,68 ± 0,9 17,64 ± 1,5 (MPa) Alongamento na 316,2 ± 13,2 347,3 ± 8,2 346,4 ± 30,6 Ruptura (MPa) Módulo a 300% (MPa) 13,3 ± 1,3 14,5 ± 0,7 15,03 ± 0,6 Rasgamento (kn/m) 35,31 ± 2,06 38,9 ± 2,07 38,7 ± 8,0 a formulação base com incorporação de 10phr SRT-r realizada em Banbury (escala industrial) b formulação base com incorporação de 10phr de SRT-r realizada em misturador aberto (escala laboratorial) c formulação base preparada em Banbury Observando-se os resultados obtidos verificou-se que as propriedades avaliadas para a formulação onde a incorporação de 10phr de SRT-r foi realizada em misturador aberto, foram semelhantes àquelas da formulação base. No caso da formulação base com incorporação de 10phr de SRT-r, realizada em Banbury, os resultados obtidos (considerando-se o desvio-padrão) encontram-se no limite inferior em relação às propriedades da formulação base. Esse resultado pode ser justificado devido à diferença de temperatura de incorporação que no Banbury foi de 190 C e no misturador aberto de 60 C. A alta temperatura do Banbury provocou o envelhecimento da formulação, o que implicou em menor desempenho mecânico.
Foi realizado um cálculo de custo de produção da formulação com 10phr de SRT-r e para a formulação base, ambas preparadas no Banbury. O custo da formulação base ficou em R$ 3,75/kg e da formulação com 10phr de SRT-r é de R$ 3,63/kg. Este valor passa a ser significativo quando avaliado em relação a produção mensal do artefato bandas de rodagem, em toneladas. Uma redução de 3,20% no custo de produção mensal de bandas de rodagem foi obtida com a incorporação de 10phr de SRT-r na formulação base. Conclusões O pó de pneu escolhido para a incorporação na formulação base para bandas de rodagem tem características granulométricas e químicas adequadas para a incorporação em novas formulações. Foi verificado que as propriedades dos artefatos obtidos com incorporação de 10phr de SRT-r, são dependentes da temperatura na qual foi realizado o processo de mistura. A incorporação de 10phr de SRT-r na formulação base de uma banda de rodagem implicou para a Empresa em questão em uma redução de 3,20% nos custos de produção mensal deste artefato. Agradecimentos Os autores agradecem à Rinaldi S/A Indústria de Pneumáticos pela oportunidade de realização desse estudo. Referências Bibliográficas 1. International Rubber Study Group www.rubberstudy.com (acesso em 09/05/2007). 2. H. Schnecko Macromolecular Symposia 1998, 135, 327. 3. B. Adhikari; D. De; S. Maiti Progress in Polymer Science 2000, 25, 909. 4. E. Bilgili; H. Arastoopour; B. Bernestein Powder Technology 2001, 115, 277. 5. A. Zanchet, N. Dal Acqua, T. Weber, J. S. Crespo, R. N. Brandalise, R. C. R. Nunes Polímeros: Ciência e Tecnologia 2007, 17, 23. 6. R. C. L. Dutra, M. F. Diniz; A. P. Ribeiro; V. L. Lourenço; S. N. Cassu; M. F. P. Azevedo Polímeros: Ciência e Tecnologia 2004, 14, 334. 7. L. C. Mendes; E. B. Mano, Introdução a Polímeros, Edgard Blücher, São Paulo, 1999.