MADEIRA PLÁSTICA

Aditivação em Polímeros

Prof. Dr. Leonardo Bresciani Canto

Profa. Dra. Sílvia Helena Prado Bettini

MADEIRA PLÁSTICA

1- Definição

A expressão madeira plástica, segundo a American Society for Testing and

Materials (ASTM), se aplica aos produtos manufaturados com conteúdo de plástico

superior a 50% em massa e que possuem genericamente seção transversal retangular

e apresentam dimensões típicas dos produtos de madeira industrializada. A partir

dessa definição, o termo madeira plástica foi ampliado para artefatos com seção

transversal circular ou que contenham outros formatos.

A maioria de produtos de madeira plástica no mercado atual é feita a partir de

polietilenos (PE) reciclados, sendo utilizado principalmente o polietileno de alta

densidade (HDPE). Entretanto, ela pode ser obtida também a partir de outras resinas

como o polipropileno (PP), poliestireno (PS) e o poli (cloreto de vinila) (PVC) ou, até

mesmo, de misturas de diferentes resíduos plásticos.

Compósitos com cargas vegetais, como fibras naturais e serragem de madeira, ou

minerais como carbonato de cálcio, talco e fibras de vidro sintéticas, são utilizados em

algumas formulações de madeira plástica. Tais cargas têm como objetivo melhorar as

propriedades físicas, térmicas e mecânicas dos produtos de madeira plástica e, assim,

possibilitar um maior número de aplicações e melhores resultados.

Embora existam diferentes composições dessa madeira, atualmente o mercado

mundial divide-se entre empresas que produzem a madeira plástica a partir de HDPE

expandido e aquelas que utilizam compósitos de plástico e fibra de madeira,

chamados wood plastic composit (WPC) . Os produtos de WPC correspondem a

aproximadamente 80% da madeira plástica produzida, enquanto o setor de polímero

puro é responsável pelo restante do mercado.

2- ProcessamentoA maioria dos WPCs é manufaturada por extrusão, e as extrusoras podem ser

do tipo mono-rosca, dupla-rosca cônicas e paralelas, contra e co-rotantes e extrusoras

em série, sendo que os diversos tipos de extrusora utilizados levam a diferenças

significativas nas propriedades da madeira plástica. A configuração do processo é

projetada especificamente para alimentar a fibra e o polímero, promover mistura

suficiente a fim de dispersar a fibra de forma eficaz e uniforme no polímero e,

finalmente, conformar a mistura na forma de perfis contínuos, com geometria

desejada.

As condições de processamento, além da configuração da extrusora, são

determinantes das características finais dos produtos de madeira plástica do tipo

WPC.

Extrusoras mono-rosca normalmente são utilizadas para dar a forma final, já

alguns transformadores utilizam o equipamento para extrusar e dar a forma final em

uma etapa usando extrusoras com dupla-rosca. Há também a possibilidade de se usar

diversas extrusoras em série, uma para proporcionar a homogeneização da mistura, e

as outras para conformação.

Para evitar degradação excessiva da madeira no interior do equipamento e se

obter boa mistura e homogeneização do WPC, deve-se estabelecer um perfil de

temperaturas adequado na extrusora, bem como um grau de cisalhamento e um

tempo de residência compatíveis.

O elevado teor de absorção de umidade da fibra de madeira é um fator que se

constitui em uma dificuldade no processamento de WPC. A secagem prévia do pó de

madeira e uma boa desgaseificação durante o processamento são, portanto,

essenciais para a produção de WPC. Quanto maiores os teores de umidade das

partículas, menor a produtividade por conta do maior tempo de residência necessário

para devolatilização do compósito. E, permanecendo por mais tempo dentro da

extrusora, o material torna-se suscetível à degradação devido à ação da temperatura e

do cisalhamento.

A fim de se evitar a presença de bolhas ou manchas superficiais nas peças,

deve-se controlar a umidade e o tamanho granulométrico do pó da madeira. A baixa

densidade da fibra de madeira também requer um cuidado especial, uma vez que

dificulta sua entrada através das pequenas aberturas de alimentação, levando a uma

diminuição da velocidade de processamento.

Atualmente, há quatro categorias que classificam os equipamentos de

processamento de compósitos termoplásticos com madeira, sendo descritas a seguir.

No processo que utiliza a madeira pré-seca e a mistura pré-homogeneizada, os

equipamentos são utilizados de forma que a fibra de madeira é submetida a processos

de pré-secagem em níveis de umidade inferiores a 1% e alimentada em uma extrusora

rosca-dupla contra-rotacional juntamente com o polímero, geralmente na forma de pó.

Um melhor controle do tempo de residência é propiciado pelo processo que

utiliza a madeira pré-seca e a alimentação polímero-madeira em separado. São

utilizadas normalmente extrusoras dupla-rosca de grande capacidade, com portos

laterais de alimentação, onde a fibra é misturada ao polímero fundido, passando por

zonas de mistura distributiva e desgaseificação da umidade residual.

O terceiro processo é aquele que utiliza primeiro a madeira úmida e, em

seguida, a alimentação do polímero fundido. Duas extrusoras operam

simultaneamente; uma primária, que seca a farinha de madeira, e outra menor, que

plastifica o polímero e os aditivos. Um dosador gravimétrico é empregado para suprir

as fibras de madeira para a extrusora dupla-rosca.

Por fim, o quarto processo utiliza primeiro a madeira úmida, mantendo sua

alimentação separada do polímero e dos aditivos. A farinha de madeira pode ser

alimentada ainda úmida na zona de alimentação e a mistura de resina e aditivos

introduzida posteriormente no barril através de um alimentador lateral.

Moldagem por injeção e por compressão também pode ser utilizada para

produzir WPCs, e apresentam vantagens quando o processamento de uma peça

contínua não é desejado ou não seja necessária uma forma mais complicada.

3- Propriedades da madeira plástica

A rigidez é a principal diferença entre a madeira plástica e a natural, sendo

muito mais alta nesta última.

Além disso, as madeiras plásticas sintéticas são pouco resistentes ao calor e à

chama, diferente da madeira natural, e também tornam-se muito quentes quando

expostas diretamente à luz solar, e não esfriam-se rapidamente. Porém, ao colocar

uma pequena abertura entre as tábuas adjacentes, tal problema pode ser minimizado,

pois é permitido algum movimento de ar em torno das tábuas, gerando um “efeito

refrigerador”.

As propriedades mecânicas são dependentes do tempo e da temperatura a que

se submete o esforço, e o material também está sujeito à deformação permanente sob

cargas sustentadas. As mudanças dimensionais, em decorrência da temperatura, são

maiores na madeira plástica do que na madeira natural, fazendo com que a madeira

plástica não seja geralmente apropriada para a substituição direta da madeira natural

com dimensões similares às do material sintético, pois pode produzir estruturas que

apresentem deflexões inaceitáveis quando submetidas a uma determinada carga ou

que cederão com o tempo devido ao seu próprio peso.

A madeira plástica apresenta vantagens sobre a madeira natural, tais como

impermeabilidade superior, maior resistência à deterioração, ao mofo e aos cupins e

não requer pintura ou manutenção regular. Outro fator importante é que, no trabalho

com esse tipo de material, utilizam-se ferramentas convencionais de carpintaria,

permitindo que a madeira plástica seja aplainada, serrada, aparafusada e pregada

como a natural. 

4- Aplicações

As primeiras aplicações da madeira plástica ocorreram nos Estados Unidos,

Europa e Japão, em artigos tradicionalmente feitos de madeira natural, como mesas

de piquenique, bancos de praças e tampas de lixeira. Posteriormente, o uso da

madeira plástica em deques também ganhou popularidade.

Atualmente, a madeira plástica também é muito utilizada em cercas, batentes

de portas, revestimento para superfícies molhadas e coberturas.

A empresa Wisewood, instalada em Itatiba, interior de São Paulo, desde

outubro de 2007, produz madeira plástica para diversas aplicações, dentre elas, para a

produção de dormentes ferroviários. Segundo especialistas, para cada três dormentes

composite (madeira plástica,) três árvores deixam de ser abatidas, colaborando com a

diminuição do desmatamento predatório de nossas florestas. Dentre as vantagens dos

dormentes de madeira plástica, pode-se citar uma maior segurança e conforto às

ferrovias, vida útil de 50 anos ou mais, design de alto desempenho e redução do custo

de manutenção da via.

Uma vez que há várias aplicações e composições diferentes, focou-se no

compósito 50% de HDPE e 50% de madeira, e seus respectivos aditivos, para a

fabricação de decks.

5- Aditivos

5.1- Pigmentos

Pigmentos orgânicos se referem a uma ampla gama de famílias químicas e

cobrem um amplo espectro de propriedades. Eles são usados principalmente para

aplicações que necessitem de alto poder de tingimento e tonalidades brilhantes,

enquanto pigmentos inorgânicos são principalmente úteis quando a alta opacidade é

necessária.

Os pigmentos inorgânicos são conhecidos por possuírem fácil dispersão,

serem estáveis ao calor, resistentes a intempéries e insolúveis, evitando tendências de

migração. Alguns deles, especialmente os que contêm íons capazes de mais de um

estado de oxidação (por exemplo, Pb, Hg, Cr, Cu, Fe), podem escurecer após a

exposição. A degradação térmica geralmente se manifesta como escurecimento

também. Pigmentos inorgânicos não são sensíveis ao cisalhamento e oferecem um

bom valor em uso.

Certos pigmentos inorgânicos apresentam alta refletividade IR para uma

determinada cor visível. Estes tipos de pigmentos são usados em aplicações que

requerem resistências a intempéries, como telhados, decks e exteriores de

automóveis.

Como exemplo de pigmentos utilizados na madeira plástica, podemos citar a cor marrom, a qual pode ser composta por cromo e óxido de ferro, gerando excelente opacidade.

5.2- Lubrificantes

É necessária a utilização de lubrificantes internos e externos devido ao fato da

matéria-prima ser reciclada, o que não permite conhecer, muitas vezes, o método de

polimerização utilizado (Ziegler-Natta ou Phillips).

No caso da polimerização pelo processo Ziegler-Natta, ocorre a cisão de

cadeia, o que leva a necessidade de um lubrificante externo, já na polimerização pelo

processo Phillips ocorre a reticulação, sendo necessário um lubrificante interno.

5.3- Aditivos foto-estabilizantes

Existem quatro tipos de aditivos foto-estabilizantes. São eles:

-Absorvedores de UV: sua atuação consiste em absorver a energia luminosa

na região do ultravioleta e a dissipar em forma de energia térmica, por meio de

reações químicas, a partir do estado excitado, as quais regeneram o estado

fundamental da molécula do absorvedor;

-Filtros (agente de ocultação): têm a função de filtrar a luz de comprimento de

onda que possa provocar reações fotoquímicas na superfície do polímero;

-Supressores de estados excitados: a transferência de energia ocorre entre os

estados excitados, os quais possuem energia mais baixa que os estados excitados

localizados nos polímeros responsáveis pelos processos degradativos;

-HALS: são aminas que possuem impedimento estérico, cuja ação estabilizante

é ativada por uma reação fotoquímica. Seu mecanismo de estabilização é auto-

regenerativo.

O PE absorve muito pouco o comprimento de onda da luz solar e não possui

cromóforos desta forma não seria necessário a utilização de foto-estabilizantes, mas

podem existir monômeros residuais, catalisadores e a presença de duplas ligações

em sua cadeia alem disso pelo fato do material ser reciclado pode haver contaminação

por otros polimeros e como a aplicação requerida deve ser resistente a intempéries e é

comumente exposto a luz solar faz com que seja necessária a utilização de foto-

estabilizantes. A HALS pode ser utilizada neste caso com um desativador de radicais

que podem surgir a partir da exposição do material a luz UV.

5.4- Antioxidantes

Faz-se necessário o uso de antioxidantes primários, secundários e HALS, pois,

após a reciclagem, o material pode degradar-se formando radicais livres, os quais

podem levar a ramificações, reticulações e/ou cisão de cadeia através de reação com

o oxigênio atmosférico.

Sendo assim, nesse processo pode ocorrer a formação de carbonilas, duplas

ligações e carbonos terciários. A figura 1 representa o espectro de infravermelho de

um material reciclado e pode ser observada a presença de uma banda atribuída a

formação de carbonilas, apresentando picos aproximadamente a 1715 cm-1.

Figura 1: Espectro de infravermelho de um material reciclado

Alguns antioxidantes que podem ser utilizados são: fenóis alquilados, bisfenóis,

polifenóis, tio e ditio fenóis polialquilados e lactonas.

5.5- Biocidas

Biocidas são aditivos indicados para proteger os materiais da ação de

microorganismos. Atuam em três frentes: contra as bactérias, os fungos e as algas,

sendo para inibir a formação dos microrganismos ou para eliminá-los.

Seu mecanismo consiste do fato de o polímero em si não ser suscetível à

contaminação de bactérias, fungos nem algas, mas sim os componentes de sua

formulação, ou seja, é a composição da resina que traz consigo nutrientes capazes de

alimentar as colônias de microrganismos, tais como plastificantes, modificadores de

processo, moléculas suscetíveis a ataques enzimáticos, lubrificantes e enchimento de

madeira. 

5.6- Cargas inorgânicas

Cargas inorgânicas, como talco e carbonato de cálcio, são adicionadas à

madeira natural a fim de aumentar a resistência mecânica e aumentar a aderência

quando a superfície do deck está molhada.

5.7- Retardantes de chama

Retardantes de chama são aditivos adicionados a materiais poliméricos com o objetivo de aumentar o tempo que este leva para iniciar o processo de combustão ou tornar a propagação de chama mais lenta, depois que já se iniciou a combustão.

O PE possui temperatura de início de decomposição igual a 340°C, e temperatura de auto-ignição igual a 350°C seu valor de indice de oxigenio limite (LOI) é muito baixo o que siguinifica que sua inflamabilidade é alta e o taxa de liberação de calor (HRR) é alto, precisando, então, do uso de retardantes de chama em aplicações como decks.

Figura 2: HRR em função do tempo para 80%HDPE/madeira e 50%HDPE/madeira.

Os retardantes de chama devem interferir quimicamente com o mecanismo de propagação da chama, devem produzir gases incombustíveis que reduzem o suprimento de O2 e devem formar uma camada protetora, inibindo a combustão.

Eles podem ser inorgânicos, sendo adicionados à formulação e atuando como barreiras; orgânicos não reativos, os quais não são incorporados à cadeia do polímero; e orgânicos reativos, que são compostos halogenados enxertados na cadeia polimérica.

De acordo com a norma ASTM D6662, o material além de não propagar a chama tem que evitar a formação de bolhas que ao estourar “espirram” o polimero.

Alguns exemplos de retardantes de chama usados em PE são: decabromo difenil éter (Deca) – Sb2O3 (ATO), decabromo difenil etano (DBDE) - Sb2O3 (ATO), etileno bis (tetrabromoftalamida) (EBTPI) Sb2O3 (ATO), cloroparafina (CP) Sb2O3

(ATO), fósforo vermelho (P-red) e hidróxido de alumínio (ATH).

5.8- CompatibilizantesOs aditivos mais importantes a serem incorporados na fabricação da madeira

plástica são os agentes compatibilizantes polímero/madeira. Devido ao fato da madeira (celulose) ter uma molécula polar e o polímero (HDPE) ser formado por moléculas apolares, o molhamento e a união entre polímero/madeira é dificultado.

Sendo assim, agentes compatibilizantes devem ser adicionados para melhorar essa união.

Alguns tipos destes agentes são: maleatos de poliolefinas, copolímeros com moléculas polares ou silanos funcionais, sendo que o primeiro tem-se mostrado o melhor deles.

O método de aumentar a compatibilidade é bem simples. No caso do maleato de poliolefinas, o polímero com massa molar específica é grafitizado com maleato anidro em uma reação de peroxidação a uma temperatura adequada. Esta grafitização ocorre nos carbonos terciários ou no carbono insaturado na ponta da cadeia. O método mais eficiente para grafitizar o maleato anidrido na poliolefina é através de extrusão reativa; mesmo o PE que exibe grandes problemas para ser grafitizado pelo maleato anidrido pode ser obtido através deste método. Dessa forma, a molécula formada tem a parte apolar compatível com o polímero e uma parte polar compatível com a madeira. A quantidade de maleato que é grafitizado depende da temperatura da reação e concentração dos reagentes, sendo que estudos recentes obtiveram PE com 3 moléculas de maleato anidro. A figura 2 representa as moléculas da madeira, de uma poliolefina e do maleato de poliolefina.

Figura 3: Representação das moléculas de celulose, poliolefina e maleato de poliolefina.

Como pode ser visto pelos testes de tração e de impacto (figura 3) o agente compatibizante 131-1, que é um maleato de polietileno, teve o melhor efeito compatibilizante, devido a maior resistência a fratura e ao impacto. O Control 50%Wood/50%HDPE é o controle em que não foi utilizado nenhum agente compatibilizante. Os outros compatibilizantes são maletos de polipropileno e maleato de polietileno de diferentes tamanhos de cadeia e quantidades de maleato anidrido grafitizado. A quantidade aconselhada pelo fabricante a ser adicionado é 3% em massa em relação ao total da massa de madeira plástica.

Figura 4: Ensaio de tração (ASTM D638) e de impacto (ASTM D256) para amostras de HDPE/madeira com vários tipos de agentes compatibilizantes.

Outra forma de visualizar a compatibilização entre polímero/madeira é através de uma análise em MEV. A figura 4 mostra uma amostra sem (a) e com (b) compatibilizante para o polipropileno/madeira. Na imagem sem o agente (a) é possível ver que as fibras não foram totalmente molhadas e a interação polipropileno/madeira não é eficiente, já na amostra com o compatibilizante é possível verificar uma melhor interação e molhabilidade polipropileno/madeira.

Figura 5: a) MEVde uma amostra 70% polipropileno/madeira sem compatibilizante mostrando vazios e fibras arrancadas. b) MEV de amostra 70% polipropileno/madeira com 3% em massa de EpoleneTM G-3015 mostrando boa molhabilidade e bloqueio das fibras.

Agentes espumantes também podem ser adicionados com o objetivo de diminuir a densidade da madeira, mas os vazios formados diminuem a resistência mecânica da madeira plastica.

A norma utilizada para decks é a ASTM D6662 - 09 Standard Specification for Polyolefin-Based Plastic Lumber Decking Boards. Nesta norma estão compreendidas propriedades de compressão, propriedades de flexão, estabilidade dimensional, resistência ao intemperismo, propriedades anti-chamas, resistência ao escorregamento e também as recomendações para o espaçamento entre as vigas de apoio.

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Notas de aula.