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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
GUILHERME CALDEIRA QUINTINO PEREIRA
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE MODIFICADORES REOLÓGICOS APLICADOS EM MEMBRANAS ACRÍLICAS
IMPERMEABILIZANTES
LORENA
2014
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
GUILHERME CALDEIRA QUINTINO PEREIRA
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE MODIFICADORES REOLÓGICOS APLICADOS EM MEMBRANAS ACRÍLICAS
IMPERMEABILIZANTES
Projeto de monografia apresentado à Escola de
Engenharia de Lorena – Universidade de São
Paulo como requisito parcial para obtenção de
título de Engenheiro Químico.
Orientadora: Profª. Drª. Jayne Carlos de Souza Barbosa
LORENA
2014
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA AFONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Caldeira Quintino Pereira, Guilherme ESTUDO DA INFLUÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DEMODIFICADORES REOLÓGICOS APLICADOS EM MEMBRANASACRÍLICAS IMPERMEABILIZANTES / Guilherme CaldeiraQuintino Pereira; orientadora Jayne Carlos de SouzaBarbosa. - Lorena, 2014. 52 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2014Orientadora: Jayne Carlos de Souza Barbosa
1. Modificadores reológicos. 2.Impermeabilizantes. 3. Membrana acrílica. 4.Reologia. I. Título. II. Carlos de Souza Barbosa,Jayne, orient.
DEDICATÓRIA
Aos meus pais pelo amor incondicional,
ao meu irmão pela amizade de sempre,
aos professores que passaram pelo meu
caminho e aos meus amigos de colégio,
faculdade, viagens e vida.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por sempre me dar forças quando necessário e
iluminar a minha vida e a de todos ao meu redor.
Agradeço aos meus pais Caio Graco e Shirley, meu irmão Leonardo, meus avós e avôs e
todos da família que fizeram parte da minha vida e me apoiaram incondicionalmente.
Agradeço aos meus amigos de São Paulo Leandro, Robson, Eduardo, Thiago K.,
Caio, Marjorie, Gabriela, Juliana, Giovana, Yumi, Raul, Cadu, Gihed, Nelson e Ricardo
que fizeram parte da minha infância e adolescência e até hoje nossa amizade perdura.
Agradeço aos meus amigos de Salvador Ramon, Leon, Gabriel, Mateus, Luma,
Danilo, Caio, João, Ícaro, Vitor pela grande amizade e crescimento pessoal que tive com
vocês.
Agradeço aos meus amigos da faculdade Vinícius, Bruna R., Bruna Y., Ana Paula,
Luana, Bruno Y., Rômulo, Augusto, Márcio, Bruno R., Júlia, Maeba, Roberta, Radamés,
Caio W., Elias, Gustavo M., Gustavo Z., José Felipe, Maurício, Leandro, Leonardo, Arthur
S., Arthur Bazinga, João, Maria, Natasha, Danilo, Tiago B., M, Karen, Marília e outros que
fizeram parte dessa inesquecível vida acadêmica na USP.
Agradeço a todos da família e “República 4 de Paus” Caio, Abud, Tiago, TB,
Lucas, João Sanches, João Vitor, João Pedro e Diego por me acolherem nesses anos e por
fazerem parte significativa da minha vida.
Agradeço à Profª. Drª Jayne Barbosa por me orientar nesse trabalho e ao Prof. Dr.
Antonio Aarão Serra por me dar a oportunidade de realizar iniciação científica com ele em
2012.
Agradeço à BASF que me disponibilizou as condições necessárias para realizar
essa monografia.
Agradeço aos meus orientadores de estágio e também amigos Lucas Seraphim,
Fabio Franco, Antonio Severo, Maurício Pinheiro e Marlon Santos que me deram a
oportunidade de estágio e a toda equipe AWETA.
“É muito melhor arriscar coisas grandiosas,
alcançar triunfos e glórias, mesmo expondo-se a
derrota, do que formar fila com os pobres de
espírito que nem gozam muito nem sofrem muito,
porque vivem nessa penumbra cinzenta que não
conhece vitória nem derrota.”
(Theodore Roosevelt)
RESUMO
PEREIRA, G. C. Q. Estudo da influência de diferentes tipos de modificadores reológicos aplicados em membranas acrílicas impermeabilizantes . Lorena 2014. 53 fls. Trabalho de conclusão de curso – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena – SP, 2014.
Atualmente, o mercado de construção civil está em alta atividade e por conta disso
existe uma grande procura de novas tecnologias e desenvolvimento de novas aplicações
para atender a demanda. Um novo produto, no segmento de impermeabilizantes, que vem
ganhando destaque é a manta líquida, também conhecida como membrana acrílica devido à
sua composição ser majoritariamente de polímeros acrílicos. Uma das matérias-primas
mais importantes deste produto é o modificador reológico, pois garante estabilidade,
facilidade na aplicação e também espessamento, entretanto tem impacto na absorção de
água que é uma característica extremamente importante para o ramo de
impermeabilizantes.
Esse estudo focou na realização de testes baseados na norma NBR 13321 da
ABNT para membranas acrílicas, e outros testes secundários, realizando um estudo
comparativo de uma mesma formulação de impermeabilizante variando somente as
diferentes tecnologias de modificadores reológicos para uma mesma faixa de viscosidade.
Constatou-se que diferentes tecnologias de modificadores reológicos tem grande
influência especialmente na absorção de água pelo seu mecanismo de estabilização de
cargas, como também na resistência às intempéries.
Palavras-chave: Impermeabilizante, Modificador reológico, Membrana Acrílica
ABSTRACT
PEREIRA, G. C. Q. Influence study of different types of rheology modifiers applied into acrylic waterproof membranes. Lorena 2014. 53 pgs. Trabalho de conclusão de curso – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena – SP, 2014.
Nowadays, the construction market is highly active and because of that there is a
great search for new technologies and development of new applications to attend the
demand. A new product in the waterproofing segment gaining prominence is the
waterproof membrane, also known as acrylic membrane because of its composition is
mainly of acrylic polymers. One of the most important raw materials of this product is the
rheology modifier, because it gives stability, ease to apply and also thickening, however it
worsens the water absorption which is an extremely important characteristic in the
waterproofing area.
This project focused on conducting tests based on norm NBR 13321 for acrylic
membranes, and others secondary tests, performing a comparative study of a single
formulation varying only different rheology modifier technologies for a same viscosity
range.
It was observed that different technologies of rheology modifier have great
influence especially in water absorption due to its filler stabilizing mechanism, but also in
weather resistance.
Keywords: Waterproofing, Rheology modifier, Acrylic membrane.
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
NBR Normas Brasileiras Regulamentares
PVC Policloreto de Vinila
PEAD Polietileno de Alta Densidade
EPDM Etileno-Propileno-Dieno-Monômero
HASE Emulsões Alcalinas Expansíveis Modificadas Hidrofobicamente
ASE Emulsões Alcalinas Expansíveis
HEUR Copolímero Uretânico Etoxilado Modificado Hidrofobicamente
HMPE Poliéteres Hidrofobicamente Modificados
TNV Teor de não voláteis
TPO Poliolefinas termoplásticas
CIE Comissão Internacional L'Eclairage
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.1: Aplicação de argamassa polimérica com desempenadeira 17
Figura 4.2: Aplicação de manta asfáltica 18
Figura 4.3: Membrana asfáltica preparada após agitação mecânica 19
Figura 4.5: Aplicação de membrana acrílica pigmentada de vermelho 21
Figura 4.6: Modelo newtoniano para escoamento de fluidos 22
Figura 4.7: Taxa de cisalhamento de um pincel comum. 23
Figura 4.8: Gráfico Tensão de cisalhamento x Taxa de cisalhamento para fluidos independentes do tempo 25
Figura 4.9: Gráfico Viscosidade x Tempo para fluidos dependentes do tempo. 26
Figura 4.10: Classificação de modificadores reológicos. 27
Figura 4.11: Argila Montmorilonita 28
Figura 4.12: Estrutura formada com modificador reológico HEUR 30
Figura 4.13: Diferença estrutural entre modificadores reológicos do tipo HASE e ASE 32
Figura 4.14: Mecanismo de atuação dos tixótropos derivados do óleo de mamona em tintas à base de solvente e as condições para serem evitadas 33
Figura 5.1: Molde utilizado para cortar corpo de prova 39
Figura 5.2: Dimensões do corpo de prova 40
Figura 5.3: Espectofotômetro Elrepho; Máquina de ensaios Kratos; Viscosímetro
Brookfield 41
Figura 6.1: Gráfico da variação da viscosidade com a taxa de cisalhamento 44
Figura 6.2: Gráfico da absorção de água das formulações 46
Figura 6.3: Gráfico do alongamento na ruptura para as membranas antes e após
envelhecimento 47
Figura 6.4: Gráfico da tensão de ruptura para as membranas antes e após
envelhecimento 47
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1: Formulação proposta para membrana acrílica 37
Tabela 6.1: Resultados iniciais de viscosidade das formulações 42
Tabela 6.2: Resultados finais de viscosidade das formulações 43
Tabela 6.3: Resultado dos ensaios mecânicos antes de envelhecimento 45
Tabela 6.4: Resultados absorção de água (24 horas, 3 dias e 7 dias) 45
Tabela 6.5: Resultado dos ensaios mecânicos após envelhecimento 47
Tabela 6.6: Variação de brancura das formulações padrões e envelhecidas 48
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 13
2. OBJETIVOS 14
2.1. OBJETIVO GERAL 14
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 14
3. JUSTIFICATIVA 15
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 16
4.1. IMPERMEABILIZANTES 16
4.1.1. SISTEMAS RÍGIDOS 16
4.1.1.1. ARGAMASSA IMPERMEÁVEL COM ADITIVOS HIDRÓFUGOS 16
4.1.1.2. ARGAMASSA CRISTALIZANTE 17
4.1.1.3. ARGAMASSA POLIMÉRICA 17
4.1.2. SISTEMAS FLEXÍVEIS 18
4.1.2.1. MANTA ASFÁLTICA 18
4.1.2.2. MEMBRANA DE POLÍMERO MODIFICADO COM CIMENTO 19
4.1.2.3. MANTAS SINTÉTICAS 19
4.1.2.4. MEMBRANA ACRÍLICA 20
4.2. REOLOGIA 22
4.3. MODIFICADORES REOLÓGICOS 26
4.3.1. MODIFICADORES REOLÓGICOS INORGÂNICOS 28
4.3.2. MODIFICADORES REOLÓGICOS ORGÂNICOS 28
4.3.2.1. MODIFICADORES REOLÓGICOS CELULÓSICOS 29
4.3.2.2. HEUR (COPOLÍMERO URETÂNICO ETOXILADO MODIFICADO HIDROFOBICAMENTE) 29
4.3.2.3. HMPE (POLIÉTERES HIDROFOBICAMENTE MODIFICADOS) 30
4.3.2.4. ASE (EMULSÕES ALCALINAS EXPANSÍVEIS) 30
4.3.2.5. HASE (EMULSÕES ALCALINAS EXPANSÍVEIS MODIFICADAS HIDROFOBICAMENTE) 31
4.3.2.6. ÓLEOS DE MAMONA HIDROGENADOS 32
4.4. FORMULAÇÃO DE MEMBRANA ACRÍLICA 33
5. METODOLOGIA 37
6. RESULTADOS 42
7. CONCLUSÕES 49
8. TRABALHOS FUTUROS 50
BIBLIOGRAFIA 51
13
1. INTRODUÇÃO
O Brasil apresenta um grande mercado potencial de impermeabilizantes, sendo este
dividido em diferentes tecnologias, que estão contidas nos dois grandes grupos: sistemas
rígidos (argamassas com hidrofugantes, argamassas cristalizantes, argamassas modificadas
com polímero semi-flexível, etc) e sistemas flexíveis (emulsão asfáltica, emulsão de PVC e
TPO, argamassa modificada com polímero flexível, membrana acrílica, etc).
Nos projetos de impermeabilização, cada uma dessas tecnologias tem seu espaço
garantido, levando sempre em consideração os quesitos custo, flexibilidade, contato direto
com água, exposição a intempéries, facilidade de aplicação, presença de tráfego constante,
segurança, etc. Dentre essas tecnologias, a membrana acrílica vem ganhando destaque
neste mercado, pois se trata de um material pronto para uso, de fácil e segura aplicação,
com alta flexibilidade, baixa absorção de água, entre outras qualidades. Este material
apresenta, como principal matéria prima, polímeros acrílicos com baixa absorção de água
e, na maioria das vezes, com alta flexibilidade. Entretanto, não são apenas os polímeros
que contribuem com essas características na membrana acrílica final e sim um conjunto de
aditivos utilizados para sua formulação. Entre eles, deve-se destacar os modificadores
reológicos, essenciais ao sistema, pois eles ajudam na estabilidade, espessamento e
determinam a trabalhabilidade do material.
14
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem como objetivo verificar a influência de diferentes tipos de
modificadores reológicos na formulação de membranas acrílicas utilizadas para
impermeabilização.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Com base nos resultados a serem encontrados, serão feitas as seguintes análises:
a) Influência do tipo de modificador reológico na absorção de água de membranas
acrílicas;
b) Influência do tipo de modificador reológico no poder de espessamento e pós-
espessamento de membranas acrílicas;
c) Influência do tipo de modificador reológico na estabilidade de membranas
acrílicas;
d) Influência do tipo de modificador reológico nas propriedades mecânicas de
membranas acrílicas antes e pós-envelhecimento em U.V.;
e) Influência do tipo de modificador reológico na resistência à deterioração da
coloração devido à ação de intempéries.
15
3. JUSTIFICATIVA
O mercado de impermeabilizantes encontra-se amadurecido e as empresas precisam
se sobressair perante as outras para ganhar mercado. Para isso, são feitos desenvolvimentos
de novos produtos ou o aperfeiçoamento de produtos já existentes.
Um dos novos produtos do mercado é a membrana acrílica impermeabilizante que
ainda possui muitas oportunidades para melhorar a sua performance.
Os modificadores reológicos são muito importantes na formulação de membranas
acrílicas por garantir a estabilidade da mistura, pois existe uma grande quantidade de
material sólido suspenso na solução. Além disso, também espessam ela, deixando-a mais
viscosa o que ajuda na aplicação do material e também confere diferentes tipos de
comportamentos reológicos, a depender de sua natureza química, à solução.
Por outro lado, eles são uns dos principais responsáveis pelo aumento da absorção
de água do sistema, o que o torna ainda mais importante quando se trata de
impermeabilização. No mercado, são utilizados na maioria das formulações modificadores
reológicos acrílicos pela certeza de que ele tem compatibilidade com o polímero, todavia
existem outras tecnologias que também possuem compatibilidade.
Dentro deste contexto, verificar o comportamento de diferentes tipos de
modificadores reológicos na formulação de membranas acrílicas torna-se relevante.
16
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1. IMPERMEABILIZANTES
Impermeabilizantes são substâncias que possuem como característica principal a
capacidade de repelir a água. São utilizados para revestir e isolar superfícies e objetos que
não podem entrar em contato com água, preenchendo parcialmente ou completamente as
porosidades do material revestido. São extremamente importantes na área da construção
civil por evitar danos estruturais em fundações, paredes, pisos, lajes, piscinas, entre outros.
Eles podem ser classificados em sistemas rígidos e flexíveis segundo a norma NBR 9575
(ABNT, 2010).
4.1.1. SISTEMAS RÍGIDOS
A impermeabilização rígida é o conjunto de materiais ou produtos aplicáveis nas
partes construtivas não sujeitas à fissuração. Os impermeabilizantes rígidos não trabalham
junto com a estrutura, o que leva a exclusão de áreas expostas a grandes variações de
temperatura. Segue algumas aplicações de sistemas rígidos (ABNT, 2003).
4.1.1.1.ARGAMASSA IMPERMEÁVEL COM ADITIVOS HIDRÓFUGOS
Argamassa de revestimento utilizada para impermeabilização de elementos que não
estejam sujeitos a movimentações estruturais, pois ocasionaria a formação de trincas e
fissuras.
O hidrófugo impermeabiliza concretos e argamassas pela redução do ângulo de
molhagem dos poros dos substratos. Pode ser adicionado ao concreto ou utilizado para
preparar argamassa impermeável de revestimento diretamente (Impermix,2011).
17
4.1.1.2. ARGAMASSA CRISTALIZANTE
Argamassas com aditivos minerais que possuem propriedade de absorção osmótica
nos capilares da estrutura. O cristalizante é um silicato que, quando misturado com a água
e com toda a alcalinidade do cimento, acaba se transformando em hidrosilicato. Ou seja,
uma parte do pó se transforma na presença de água, transformando-se num outro produto,
que tem como principais características ser um cristal insolúvel em água, que entope os
poros da argamassa (FERREIRA, 2013).
4.1.1.3. ARGAMASSA POLIMÉRICA
São argamassas compostas de cimentos especiais, latéx de polímeros, agregados
minerais inertes e aditivos, aplicados sob a forma de pintura sobre o substrato formando
uma película impermeável que resiste a infiltração tanto para pressões d’água positivas
como negativas. São produtos de fácil aplicação, bicomponentes (parte pó e parte líquida)
e possui boa resistência a pressões hidroestáticas positivas (FERREIRA, 2013).
Seu sistema de impermeabilização se dá pela formação de um filme de polímeros
que impede a passagem da água e da granulometria fechada dos agregados contidos na
porção cimentícea.
Figura 4.1: Aplicação de argamassa polimérica com desempenadeira
Fonte: <http://equipedeobra.pini.com.br/>
18
4.1.2. SISTEMAS FLEXÍVEIS
Compreende o conjunto de materiais ou produtos aplicáveis nas partes construtivas
sujeitas à movimentação e fissuração e podem ser classificados como membranas ou
mantas. Membranas são os materiais que são moldados no local e mantas são aqueles que
são pré-fabricados (PIRONDI, 1988).
4.1.2.1. MANTA ASFÁLTICA
Sistema mais tradicional no Brasil, utilizado desde o início da impermeabilização
de edificações no Brasil. É um sistema flexível pré-fabricado, formado por um elemento
estruturante central (filamentos de poliéster ou véu de fibra de vidro que conferem ao
produto grande resistência mecânica) e recoberto em ambas as faces por um composto
asfáltico. A produtividade da aplicação é baixa por ter uma possibilidade razoável de falha
de execução, devido às necessidades de recortes e emendas (FERREIRA, 2013).
Figura 4.2: Aplicação de manta asfáltica
Fonte: <http//www.viapol.com.br/>
19
4.1.2.2. MEMBRANA DE POLÍMERO MODIFICADO COM CIMENTO
É um material formado à base de resinas termoplásticas e cimento aditivado,
resultando em uma membrana de polímero que é modificada com cimento. É indicado para
impermeabilizações em torres de água e reservatórios de água potáveis elevados ou
apoiados em estrutura de concreto armado. Dentre suas características destacam-se a
resistência à pressão hidrostática positiva, produto de fácil aplicação, inodoro e atóxico.
Deve-se preparar a mistura mecanicamente até atingir a consistência de uma pasta
cremosa, lisa e homogênea. A seguir, aplicar a primeira demão do produto sobre o
substrato úmido, com o auxílio de uma trincha, aguardando a completa secagem e a
segunda demão em sentido cruzado em relação à primeira, incorporando uma tela
industrial de poliéster resinada. Aplicar as demãos subseqüentes, aguardando os intervalos
de secagem entre demãos até atingir o consumo recomendado (PIRONDI, 1988).
Figura 4.3: Membrana asfáltica preparada após agitação mecânica
.
Fonte: Imagem feita pelo autor
4.1.2.3. MANTAS SINTÉTICAS
São mantas pré-fabricadas à base de diferentes materiais sintéticos como PEAD,
PVC, EPDM e TPO. São feitas de ligas elásticas e flexíveis e são resistentes aos raios
ultravioletas e ataques químicos, dependendo de sua formulação.
O uso das geomembranas de PEAD e EPDM é mais indicado para obras de maior
20
porte, como lagos artificiais, aterros sanitários e tanques. Além de proteger as estruturas, a
impermeabilização nesses casos também tem o objetivo de preservar o meio ambiente.
Elas criam uma barreira física que evita a contaminação do solo e de lençóis freáticos por
material orgânico decomposto, óleos e combustíveis (FERREIRA, 2013).
As mantas de EPDM, assim como as de TPO e PVC, também são bastante
utilizadas em obras de edificações, principalmente na impermeabilização de coberturas. Há
produtos disponíveis na cor branca, que, segundo o Green Building Council Brasil, reflete
os raios solares e, com isso, ajuda a diminuir a temperatura no interior da edificação e no
seu entorno.
Figura 4.4: Diferentes tipos de mantas sintéticas
Fonte:<http//http://equipedeobra.pini.com.br/>
4.1.2.4. MEMBRANA ACRÍLICA
É um impermeabilizante formulado à base de resinas acrílicas dispersas, sendo
indicado para impermeabilização exposta de lajes de cobertura, marquises, telhados, pré-
21
fabricados e outros. É um material monocomponente que pode ser aplicado com rolo,
pincel e dependendo da formulação com spray.
A principal vantagem desse sistema é a não necessidade de uma camada de
proteção mecânica sobre a membrana, somente será necessário se o uso da laje for de
tráfego muito intenso de pessoas ou existir tráfego de automóveis. A desvantagem é a
necessidade de reaplicação do produto uma vez que não tem camada de proteção mecânica.
Além disso, é um produto que possui resistência às intempéries, proporciona uma
impermeabilização sem nenhuma emenda, material elástico tendo maior capacidade de
permanecer íntegro em áreas sujeitas a trincas e fissuras, aceita a aplicação direta de
pinturas, texturas, gesso e revestimentos diversos e pode ser pigmentado proporcionando
maior estética (URBAN, 2002).
Figura 4.5: Aplicação de membrana acrílica pigmentada de vermelho
Fonte: < http://articulo.mercadolibre.com.ar/>
22
4.2. REOLOGIA
É o estudo do fluxo de matéria, principalmente no estado líquido, mas também
como fluidos, sólidos e gases, sob condições em que eles respondem com o fluxo plástico
em vez de deformação elástica, em resposta a uma força aplicada. Aplica-se a substâncias
que têm uma microestrutura complexa, tais como lodo , lama, barro, suspensões ,
polímeros e outros formadores de vidro ( por exemplo, silicatos), bem como muitos
alimentos e aditivos, fluidos corporais ( por exemplo, de sangue) e de outros materiais
biológicos ou outros que pertencem à classe de matéria macia (BRETAS, 2005)
As propriedades reológicas de um material se dividem em três tipos:
Materiais viscosos: Durante a deformação dissipam todo o trabalho externo
aplicado.
Materiais elásticos: Armazenam todo o trabalho externo aplicado.
Materiais viscoelásticos: Dissipam e armazenam todo o trabalho externo aplicado.
Diferentes sistemas vão resistir mais ao escoamento do que outros e a medição da
resistência é a medida da viscosidade do sistema. Isaac Newton introduziu um modelo para
a medição do escoamento entre duas placas paralelas.
Figura 4.6: Modelo newtoniano para escoamento de fluidos
. Fonte: BASF, 2014
23
Um fluido localizado entre um prato estático e outro se movendo a certa velocidade
resiste ao escoamento entre as placas gerando uma tensão de cisalhamento e uma taxa de
cisalhamento de acordo com a seguinte equação.
(Equação 1):
[ ] [ ] [ ] Tensão de cisalhamento ( ): Força aplicada a superfíce A quando deformada por uma
taxa de cisalhamento.
Taxa de cisalhamento ( ): Razão entre a velocidade v da placa que se movimenta e a
distância entre as placas h
(Equação 2):
[ ] [ ] [ ]
A taxa de cisalhamento aplicada pode variar de centenas a milhares de segundos
recíprocos dependendo do método utilizado de aplicação. Por exemplo a taxa de
cisalhamento gerada da aplicação de uma tinta utilizando um pincel.
Figura 4.7: Taxa de cisalhamento de um pincel comum
Fonte: BASF
Este modelo é válido somente para fluidos não-newtonianos, porque a viscosidade
depende ou do cisalhamento aplicado ou do tempo de sua aplicação. Para estes fluidos a
viscosidade deixa de ser um coeficiente para se tornar uma propriedade que varia de
24
acordo com as condições com as quais o fluido se depara. Neste caso, a viscosidade passa a
ser denominada de viscosidade aparente (BRETAS, 2005).
O fluido newtoniano, por sua vez é um fluido no qual os estresses oriundos da
resistência ao escoamento, que surgem em todos os pontos do fluido, são proporcionais à
taxa de cisalhamento, ou seja, mesmo alterando o vetor velocidade do fluido a viscosidade
se mantém constante. Entretanto, são poucos os casos de fluidos que obedecem à esse
modelo como água e o ar (BRETAS, 2005).
Os fluidos podem ser dividos em dois grupos: os que são dependentes do tempo e
os que não são.
Os fluidos independentes do tempo apresentam cinco tipos de comportamento:
Pseudoplasticidade: Nos fluidos que apresentam esse fenômeno, a viscosidade
aparente cai de um valor máximo não infinito e constante, na medidade em que a
taxa de deformação é aumentada até se estabilizar e assumir um valor constante. A
pseudoplasticidade ocorre com maior frequência em suspensões, polímeros no
estado fundido e em soluções em faixa de cisalhamento de baixa à moderadamenta
alta.
Dilatância: Comportamento oposto à pseudoplasticidade. Sistemas expandem
volumetricamente sob cisalhamento.
Fluido de Bingham: Fenômeno caracterizado pela existência de um valor residual
para a tensão de cisalhamento, o qual deve ser excedido para que o material
apresente um fluxo viscoso. Comportamento comum às composições altamente
concentradas em que a interação partícula-partícula desempenha um papel
importante.
Fluido de Herschel-Bulkley: Comportamento igual ao dos fluidos de Bingham,
exceto pelo fato de que a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de
deformação não é linear.
25
Fluidos newtonianos
Figura 4.8: Gráfico Tensão de cisalhamento x Taxa de cisalhamento para fluidos independentes do
tempo.
Fonte: < http://mecanicadefluidosft.blogspot.com.br/>
Ainda existem os fluidos que possuem comportamentos dependentes do tempo:
Tixotropia: Fenômeno caracterizado pela diminuição da viscosidade aparente do
líquido com o tempo de aplicação de uma dada taxa de deformação. É resultado da
destruição gradual da estrutura construída pelas partículas da fase dispersa, devido
ao cisalhamento imposto quebrando as ligações. Este fenômeno é isotérmico e
reversível, pois após a retirada do esforço externo, as ligações quebradas são
reconstituídas (BRETAS, 2005).
Anti-tixotropia: Comportamento oposto ao da tixotropia. Mas deve-se acrescentar
que as particulas da fase dispersa devem possuir uma tendência à aglomeração, a
qual é aumentada pela ação do cisalhamento imposto. O fenômeno reopexia é
comumente confundido com a anti-tixotropia. O primeiro acontece quando o
comportamento tiver ocorrido em velocidades superiores às comumente esperadas
para movimentos suaves (BRETAS, 2005).
26
Figura 4.9: Gráfico Viscosidade x Tempo para fluidos dependentes do tempo.
Fonte: <http://www.chasqueweb.ufrgs.br/>
4.3. MODIFICADORES REOLÓGICOS
Também conhecidos como espessantes por sempre aumentar a viscosidade
aparente, são aditivos orgânicos ou inorgânicos que controlam as características reológicas
de uma formulação líquida. São utilizados em segmentos da construção civil e em tintas
para propiciar propriedades pseudoplásticas ou tixotrópicas. Fornecem a viscosidade, a
propriedade, fluidez para que a membrana ou tinta possa ser aplicada adequadamente,
estabilidade química, controla o escoamento, possibilita a aplicação de fluidos muitos
viscosos com rolos, pincéis e sprays, ajuda no nivelamento da aplicação, além de ajudar no
brilho e na resistência ao intemperismo (BASF, 2009).
Eles podem ser associativos ou não associativos. Os associativos funcionam através
de interações das terminações de cadeia hidrofóbicas do modificador reológico com outros
componentes da mistura ou com ele mesmo, formando uma rede.
Os espessantes não-associativos funcionam de forma diferente: atuam via
emaranhamentos nas cadeias poliméricas. A efetividade desse tipo de espessante está
conectada principalmente ao peso molecular do polímero. As formulações utilizando
modificadores reológicos deste tipo apresentam comportamento reológico pseudoplástico e
27
grande propriedade elástical. Entretanto podem apresentar baixa fluidez, comparada a de
outros espessantes, pode flocular e dessa forma não se incorpora ao sistema, e
ocasionalmente problemas de compatibilidade.
Ainda podemos classificá-los como low shear e high shear, ou seja, os que
precisam de uma pequena variação na tensão de cisalhamento para ficar mais fluidos (low
shear) e os que necessitam de uma tensão muito maior para mudar o comportamento
reológico (high shear)
O aumento de viscosidade causado pela ação deles, causa um aumento na
estabilidade da mistura, fazendo que quão mais viscoso seja ela, mais difícil ocorrer
sedimentação, separação de fase ou coagulação.
Existem várias tecnologias de modificadores reológicos que são divididos quanto a
natureza química.
Figura 4.10: Classificação de modificadores reológicos.
Fonte: Imagem feita pelo autor
Modificadores Reológicos
Inorgânicos
Argilas
Silicatos
Argilas Especiais
Orgânicos
Celulósicos
Sintéticos
Associativo
HEUR/HMPE
HASE
Não Associativo ASE
Baseado em outros solventes
Óleo de mamona hidrogenado
28
4.3.1. MODIFICADORES REOLÓGICOS INORGÂNICOS
Eles podem ser modificados como as atapulgitas, bentonitas, argilas orgânicas ou
não modificados como alguns silicatos. A maioria deles é utilizada na forma de pó e
funciona como agente de suspensão ou formador de gel e ainda tem uma segunda utilidade
como extensor de pigmentos. Eles tendem a ter um rendimento alto e dão comportamento
tixotrópico a formulação.
Geralmente a viscosidade da formulação diminui com o tempo durante
cisalhamento constante até a estrutura de gel quebrar e quando retirado o esforço, a
viscosidade volta gradualmente ao valor original. Dependendo do tipo de classificação do
mineral, ele pode ser utilizado em sistemas aquosos ou sistemas a base de solvente. São
mais utilizados em formulações aquosas como um modificador reológico secundário para
melhorar a resistência ao escorrimento, anti-sinerese e anti-fixação. O espessamento da
formulação se dá pela interação de natureza específica quando íons dispersos na solução
mostram alta afinidade química com a superfície do mineral ou quando os íons eletro-
estaticamente são adsorvidos pela superfície do mineral (BASF, 2009).
Figura 4.11: Argila Montmorilonita
Fonte: <http://www.dicci-eponimos.blogspot.com/>
4.3.2. MODIFICADORES REOLÓGICOS ORGÂNICOS
Existe uma diversidade maior do que os inorgânicos. Podem ser subdividos em
produtos baseados em matéria prima natural como celulose ou produtos baseados em
29
síntese de química orgânica como poliacrilatos e poliuretanos, sendo estes ainda
subdividos em modificadores reológicos associativos ou não associativos.
4.3.2.1. MODIFICADORES REOLÓGICOS CELULÓSICOS
São modificadores reológicos de origem natural e são vendidos comercialmente na
forma de HEC (Hidróxi-etilcelulose). A molécula de HEC forma solução na água e espessa
através de simples emaranhamento de cadeias e imobilização de moléculas de água
compelidas. Possuem uma grande desvantagem, porque tem mais facilidade de sofrer
contaminação bacteriológica devido a sua natureza química favorecer a proliferação de
microorganismos vivos (BASF, 2009).
4.3.2.2. HEUR (COPOLÍMERO URETÂNICO ETOXILADO MODIFICADO HIDROFOBICAMENTE)
Espessantes Poliuretânicos são do tipo associativos não iônicos e formam micelas
devido a sua estrutura anfipática. Uma molécula desse composto pode participar em duas
ou mais micelas que são unidas juntas fisicamente. Moléculas individuais de espessantes
formam micelas com outras moléculas de espessantes e também interações partículas
hidrofóbicas em emulsão ou outro ingrediente hidrofóbico da formulação. A associação
imobiliza esses componentes proporcionando o efeito de espessamento.
Em alguns casos os modificadores reológicos poliuretânicos atuam como
dispersantes ou umectantes. Dependendo do tipo de pigmento, as partes hidrofílicas ou
hidrofóbicas da molécula de espessante podem interagir, proporcionando maior fixação do
pigmento (BASF, 2009).
30
Figura 4.12: Estrutura formada com modificador reológico HEUR
Fonte: <http://www.dow.com/>
4.3.2.3. HMPE (POLIÉTERES HIDROFOBICAMENTE MODIFICADOS)
Assim como os modificadores reológicos HEUR, esses também são do tipo
associativos e não-iônicos e possuem mecanismo de funcionamento similar. Os
grupamentos hidrofóbicos de final de cadeia se ligam aos centros hidrofóbicos da
formulação (BASF, 2009).
4.3.2.4. ASE (EMULSÕES ALCALINAS EXPANSÍVEIS)
São dispersões de polímeros acrílicos funcionais ácidos em água. São do tipo não-
associativo, são fornecidas a um pH baixo e os grupos ácidos nas cadeias de polímero
necessitam ser neutralizados para que o polímero inche e espesse.
Sob condições ácidas, o polímero tem uma estrutura em espiral e após a adição de
substância alcalina no sistema (amônia, soda cáustica, ec), o pH aumenta e os grupos
funcionais ácidos no agente espessante começam a dissociar-se. Consequentemente, o
31
agente espessante se torna mais solúvel em água e começa a desenrolar. À medida que o
pH aumenta ainda mais, o polímero torna-se uma estrutura de cadeia longa mais aberta,
levando ao emaranhamento de moléculas de espessante entre si e isto resulta em um
aumento da viscosidade.
A concentração de grupamentos ácidos, o peso molecular e a quantidade de
ligações entre as cadeias poliméricas são importantes fatores que influenciam no perfil
reológico e na eficiência do espessamento (BASF, 2009).
4.3.2.5. HASE (EMULSÕES ALCALINAS EXPANSÍVEIS MODIFICADAS HIDROFOBICAMENTE)
Se diferem dos modificadores reológicos ASE por conter também grupos
hidrofóbicos de cadeia longa em adição aos grupamentos ácidos distribuídos ao longo da
cadeia polimérica.
São obtidos quando as porções hidrofóbicas referidas como monômeros associativos
são copolimerizadas na estrutura de um espessante do tipo ASE. Polímeros do HASE
apresentam espessamento acima do pH 7 através da repulsão dos anions carboxilatos ao
longo da estrutura do polímero. Contudo, os polímeros do HASE apresentam um aumento
de viscosidade maior em relação aos do tipo ASE, porque os grupamentos hidrofóbicos se
agregam na fase aquosa de maneira similar ao jeito que os surfatantes formam as micelas.
Essas modificações hidrofóbicas podem associar tanto com cada uma numa base intra ou
intermolecular como numa combinação com outros compostos hidrofóbicos, especialmente
latéx e surfatante na formulação de tintas. Por isso eles são considerados espessantes
associativos (BASF, 2009).
32
Figura 4.13: Diferença estrutural entre modificadores reológicos do tipo HASE e ASE
Fonte: BASF, 2014
4.3.2.6. ÓLEOS DE MAMONA HIDROGENADOS
São geralmente utilizados em tintas à base de solvente por oferecer um
espessamento muito forte em diferentes sistemas de pinturas. Além disso fornecem
comportamento tixotrópico ao material para que filmes com espessuras grandes possam ser
aplicados. Previne o escoamento de pinturas verticais durante a aplicação, todavia a
fixação do pigmento é reduzida substancialmente.
O mecanismo de trabalho desse tipo de modificador reológico basea-se na
aglomeração entre si dos compostos orgânicos derivados do óleo de mamona. Com a
solubilização em solvente junto a um umectante e com o fornecimento de temperatura
ocorre a desaglomeração desses compostos levando ao inchamento. Dessa forma, quando é
fornecida uma taxa de cisalhamento, eles são totalmente dispersados e ativados como
tixotrópicos orgânicos. Entretanto, se for fornecido um aquecimento muito alto, os
compostos após se solubilizarem e posteriormente resfriarem, irão sedimentar perdendo a
característica tixotrópica (BASF, 2009).
33
Figura 4.14: Mecanismo de atuação dos tixótropos derivados do óleo de mamona em tintas à base de
solvente e as condições para serem evitadas
Fonte: BASF, 2014
4.4. FORMULAÇÃO DE MEMBRANA ACRÍLICA
As membranas acrílicas são formuladas a partir de uma mistura de componentes que
podem variar basicamente de acordo com a microestrutura do polímero utilizado na
formulação. As matérias primas são:
Polímero: Compostos químicos de alta massa molecular, macromoléculas,
formadas a partir de varias unidades de repetição denominadas monômeros através
de reações de polimerização. Polímeros que possuem dois tipos de monômeros são
copolímeros e os que possuem três monômeros de terpolímeros. É a matéria prima
mais importante da formulação, pois é ela que ira ditar as características mecânicas
e de resistência à água. Componente em maior proporção na formulação.
Geralmente as membranas de mercado utilizam de 35-45% de polímero em sua
formulação. É adicionado na forma de dispersão polimérica, que é feita a partir de
monômeros derivados do ácido acrílico ou metacrílico. Também podem ser
utilizados copolímeros polimerizados com estireno para aumentar a rigidez da
membrana (CANEVAROLO, 2002).
34
Pigmentos: Os pigmentos são pós ou partículas bem reduzidas dispersados nas
membranas. São os pigmentos que proporcionam as cores e também as principais
fontes do poder de cobertura.
O dióxido de titânio (TiO2), é o principal pigmento branco, muito utilizado em
formulações de membrana. Possui: brancura excepcional ao dispersar a luz; poder
de cobertura em tintas foscas e brilhantes, tanto úmidas como secas; é
relativamente caro; o uso de um extensor (ou carga) correto garante o espaçamento
adequado das partículas de TiO2 para evitar o acúmulo e a perda do poder de
cobertura, especialmente em tintas foscas ou acetinadas (PROGRAMA SETORIAL
DE QUALIDADE – TINTAS IMOBILIÁRIAS, 2012).
Pigmentos coloridos proporcionam cor pela absorção seletiva da luz. Há dois tipos
principais:
Orgânicos: incluem os de cores mais brilhantes, alguns dos quais são bastante
duráveis no uso em exteriores. Exemplos de pigmentos orgânicos são o azul ftalo e
o amarelo.
Inorgânicos: geralmente são menos brilhantes do que as cores orgânicas. Muitos
são descritos como cores terrosas, considerados os pigmentos exteriores mais
duráveis. Exemplos de pigmentos inorgânicos são os óxidos de ferro vermelho,
marrom e amarelo (PAINT QUALITY INSTITUTE, 2008).
Os pigmentos coloridos são combinados em dispersões líquidas chamadas corantes,
que são adicionadas no ponto de venda às bases de pigmentação (mixing machine).
Na fábrica, os pigmentos de cor são usados nas formas de pó seco ou líquido, no
preparo de tintas pré-embaladas.
Carga: Proporcionam volume a um custo relativamente pequeno. Oferecem um
poder de cobertura muito menor do que os pigmentos e interferem em diversas
características, incluindo brilho, resistência à abrasão e retenção de cor, entre outras
(PAINT QUALITY INSTITUTE, 2008). Algumas das cargas usadas mais
frequentemente são:
Argila: silicato de alumínio (também chamado de caulim ou argila da China) é
usado principalmente em pinturas interiores, mas também em algumas pinturas
35
exteriores. A argila proporciona maior poder de cobertura do que a maioria das
cargas em tintas porosas; a argila delaminada aumenta a resistência às manchas.
Sílica e silicatos: proporcionam excelente resistência à escovação e à abrasão.
Muitos deles têm grande durabilidade em pinturas exteriores.
Sílica diatomácea: é uma forma de sílica hídrica que consiste em antigos
organismos unicelulares fossilizados, usada para controlar o brilho em membranas,
tintas e vernizes.
Carbonato de cálcio: também chamado de giz, é um pigmento de uso geral, baixo
custo e reduzido poder de cobertura, usado tanto em tintas para exterior como para
interior.
Talco: silicato de magnésio é uma carga de uso geral relativamente macio usado
em tintas para exterior e interior.
Óxido de zinco: é um pigmento reativo muito útil por sua resistência a mofo
(bolor), como inibidor de corrosão e bloqueador de manchas.
Água: Parte líquida da membrana, atua como veículo para dispersar a parte pó em
toda a formulação. Todas as membranas são à base de água.
Surfactantes: São agentes que atuam nas interfases de um sistema para controle de
tensão superficial (líquidos) e energia de superfície (sólidos). Os surfatantes
estabilizam a membrana de forma que seus componentes não se separem ou que se
torne muito espessa para ser usada; mantém os pigmentos dispersos para brilho e
cobertura máximos; ajudam a diminuir a tensão superficial, umedecer a superfície
que está sendo pintada para que a membrana não se movimente ao ser aplicada;
proporcionam compatibilidade entre corantes, de forma que a cor correta seja
obtida e não se altere ao ser aplicada (PAINT QUALITY INSTITUTE, 2008).
Biocidas: Também conhecidos como conservantes, há dois tipos principais que são
usados em membrana:
Bactericida: para evitar que bactérias cresçam sobre a membrana, especialmente
importante nas membranas armazenadas em recipientes constantemente abertos e
fechados, uma vez que pode ocorrer contaminação;
Fungicida ou algicida: para desestimular o crescimento de fungos e algas na
superfície da membrana depois de aplicada.
36
Antiespumantes: Rompem as bolhas e impedem a formação de espuma quando a
mistura é colocada no misturador/agitador, é movimentada ou é aplicada à
superfície, especialmente com o rolo.
Espessantes e Modificadores de Reologia: Fornecem a viscosidade apropriada e
fluidez para que a membrana possa ser aplicada adequadamente. Os modificadores
reológicos ajudam as membranas a respingar menos quando aplicadas por um rolo;
fluírem mais suavemente e para manter a homogeneidade.
Base alcalina: Aumentam o pH da formulação para melhorar a estabilidade da
mistura e também para aumentar a performance do modificador reológico.
Geralmente é ajustado o pH para 9.
Plastificantes: Suavizam o produto final aumentando a sua flexibilidade. Ajudam
também na trabalhabilidade do material e o seu uso é facultativo na formulação. Só
são utilizados se a microestrutura do polímero dá ao material muita rigidez.
4.5. SISTEMA DE CORES SUBTRATIVAS CIE LAB
O Lab é um sistema subtrativo de cor proposto pela Commision Internationale
L'Eclairage - CIE. Essa combinação de cores subtrativa é usada para definir as cores de
materiais não emitentes especialmente os pigmentos que definirão as cores dos tecidos,
plasticos e tintas (CIE, 1994).
Utiliza como o LUV um canal de luminância e dois de crominância. Mas aqui a
luminância é substituida pela luminosidade (ou seja a medida de como a intensidade
luminosa é percebida). O sistema CIE Lab estabelece coordenadas uniformes no espaço
tridimensional de cor.
Nesse projeto, esse sistema só sera utilizado para analisar a brancura das
membranas de acordo com a cor branca desse sistema.
37
5. METODOLOGIA
A metodologia utilizada nesse trabalho, para a realização dos testes mecânicos e
absorção d’água, está baseada na norma NBR 13321 “Membrana Acrílica para
impermeabilização” com algumas modificações. A dispersão polimérica utilizada no
trabalho não necessita de plastificante, pois ela não deixará o material rígido devido a sua
microestrutura. Foi realizada uma formulação inicial de cada espessante em escala menor
visando ter uma idéia do poder de espessamento deles utilizando uma mesma quantidade
de massa de acordo com o TNV (Teor de Não Voláteis) de cada espessante. Quatro tipos
de modificadores reológicos foram usados para realizar os testes: um com tecnologia
HEUR associativo (poliuretânicos), um celulósico associativo, um ASE não-associativo e
um HASE associativo (acrílico modificado hidrofobicamente).
Tabela 4.1: Formulação proposta para membrana acrílica
HASE HEC PU ASE
Rheovis HS 1180
Natrosol 250 HHBR
Rheovis PU 1191
Rheovis AS 1110
68,80% 68,80% 68,80% 68,80%
Ordem % % % % TNV
6 Resina 39,84% 39,84% 39,84% 39,84% 49,9%
3 Dispersante 0,05% 0,05% 0,05% 0,05% 30,0%
4 Umectante 0,05% 0,05% 0,05% 0,05% 0,0%
2 Anti-espumante
0,30% 0,30% 0,30% 0,30% 100,0%
1 Água 10,99% 9,00% 10,96% 10,94% 0,0%
5 Pigmento 1,00% 1,00% 1,00% 1,00% 100,0%
7 Carga 47,16% 47,16% 47,16% 47,16% 100,0%
8 Rheovis HS 1180
0,414% 0,00% 0,00% 0,00% 29,0%
8 Natrosol 250 HHBR
0,00% 2,40% 0,00% 0,00% 5,0%
8 Rheovis PU 1191
0,00% 0,00% 0,445% 0,00% 27,0%
8 Rheovis AS 1110
0,00% 0,00% 0,00% 0,46% 26,1%
9 Bactericida 0,20% 0,20% 0,20% 0,20% 100,0%
TOTAL 100,000% 100,00% 100,00% 100,00%
Fonte: Tabela feita pelo autor.
38
Modificadores Reológicos Propostos:
- Rheovis HS 1180 – Espessante Acrílico associativo HASE de alto poder de
espessamento;
- Rheovis PU 1191 – Espessante Poliuretânico associativo de alto poder de espessamento;
- Rheovis AS 1110 – Espessante acrílico ASE não-associativo que atribui ao sistema
características pseudoplásticas;
- Natrosol 250 HHBR – Espessante, estabilizante e agente de consistência para emulsões.
Apresenta grande poder de espessamento e baixa absorção de água, quando em contato
com sistemas aniônicos. Não pode ser aplicado tal qual. É necessário preparar uma solução
a 5% desse espessante em água e cisalhar a mistura em equipamento apropriado de modo
que forme um gel devido a reação com a água mediante agitação.
Inicialmente, em um Béquer de 2 litros adicionou-se a água, o dispersante, o
umectante e o anti-espumante. O agitador mecânico foi ligado e ajustou-se a velocidade de
agitação em 400 rpm e deixou-se o sistema homogeneizar por 5 minutos. Depois disso foi
adicionado o pigmento e deixou-se ele dispersar por cerca de 10 minutos, pois ele tem mais
dificuldade de dispersar. Em seguida foi adicionada a dispersão polimérica, deixou-se
homogeneizar um pouco e acrescentou-se a dolomita, aumentando a agitação para 600
rpm para garantir a sua total dispersão durante 20 minutos. Foi adicionado o modificador
reológico devagar para que ele não se aglomere, e por fim adicionou-se o biocida. Deixou-
se o sistema sob agitação por cerca de 20 minutos e a agitação foi aumentada ao mesmo
passo que a mistura foi espessando para deixar um vórtice.
Depois do término do tempo. Cessou-se a agitação, passou-se a mistura em frascos
para posterior aplicação e a viscosidade inicial da membrana foi medida em viscosímetro
Brookfield RVT utilizando spindle 6 à 20 rpm. As viscosidades em todas as etapas do
trabalho foram medidas com essas especificações. Guardou-se um dos frascos para testar a
estabilidade da membrana em estufa de 60ºC por 7 dias para simular o tempo de prateleira
do material.
Foi feito inicialmente em escala menor a formulação para descobrir o poder de
espessamento de cada modificador reológico em cada formulação e baseado nesses dados,
39
as formulações finais foram feitas para chegar em uma faixa de viscosidade de 10000 –
15000 cP.
Depois de formuladas as membranas dentro da faixa de viscosidade proposta, foram
feitas medições de viscosidade das formulações variando a taxa de cisalhamento para
atestar a veracidade do comportamento pseudoplástico.
No dia seguinte mediu-se a viscosidade da membrana no tempo de 24 horas, para
ter noção de quão forte é o pós-espessamento do modificador reológico. Após esta medida,
aplicou-se em uma superfície plana um plástico de tamanho 60x30 cm, preso nela com fita
adesiva de modo que ele fique completamente esticado. Depois disso mediu-se a área real
do plástico e foi calculado o quanto de membrana devia ser aplicada por demão. Devem ser
aplicados 112,5 gramas de membrana para 1800 cm² com 72% de teor de sólidos por
demão. Realizou-se as contas necessárias e foram aplicadas 4 demãos cruzadas, espaçadas
cada uma de um intervalo de quatro horas para secar todo o material.
Depois da última demão, deixou-se a membrana secar por 7 dias em ambiente
climatizado (22ºC e 50% de umidade do ar) de frente e depois ela foi virada de bruço e
deixou-se secar novamente por mais 7 dias. Retirou-se a membrana e ela foi cortada de 8 à
10 corpos de prova em prensa manual no modelo da figura 5.1, para testes mecânicos.
Figura 5.1: Molde utilizado para cortar corpo de prova
Fonte: Imagem feita pelo autor
Depois de cortados, mediu-se a espessura dos corpos de prova em três pontos
diferentes e foi feita uma média aritmética para a espessura média.
40
Figura 5.2: Dimensões do corpo de prova
Fonte: Imagem feita pelo autor
Prendeu-se o corpo de prova em um dinamômetro de testes através de abas
ranhuradas e o dinamômetro foi acionado previamente ajustado às condições do teste e
aguardou-se até que ocorresse a ruptura do corpo de prova. O aparelho dá os valores de
alongamento e força de ruptura. Para o cálculo da tensão de ruptura foi utilizada a seguinte
fórmula:
(Equação 3):
100)()(
)()/( 2
mmLmme
NForçammNTensão ruptura
Ruptura
A norma pede que a membrana tenha alongamento na ruptura de 100% ou mais e
tensão de ruptura igual ou maior à 1,5 Mpa.
Com outro pedaço de membrana, cortou-se 12 corpos de prova no tamanho de 5x5
cm, foram pesados em balança analítica com 4 casas decimais e foram anotados os pesos
iniciais. Mergulhou-se todos os corpos de prova em uma bacia com água, e foram retirados
quatro corpos de prova com 24 horas de imersão, quatro corpos de prova com 3 dias de
imersão e quatro corpos de prova com 7 dias de imersão. Pesou-se todos, depois de retirar
a água em excesso, e foi calculado quanto de água foi absorvida. A norma pede que a
membrana não absorva mais que 15% em massa de água nos 7 dias iniciais.
Com outro pedaço de membrana, cortou-se 4 corpos de prova no tamanho de 10x12
cm, foram embrulhados em papel siliconado deixando somente uma face desprotegida e
L e
li
L
Onde:
li = comprimento inicial (33 mm)
L = largura inicial (6,00 mm)
e = espessura. Esta medida deve ser tomada
41
foram postas em uma câmera ultra-violeta para simular as intempéries alternando de 4 em
4 horas radiação ultravioleta e condensação, durante um tempo de 300 horas. Finalizado
este tempo, retirou-se os corpos de prova do aparelho, cortou-se com o molde da figura 5.1
e foram realizados os mesmos testes mecânicos que foram descritos anteriormente. Os
corpos de prova devem obedecer as mesmas especificações também, indicando que o
material se manteve estável.
Em um espectrofotômetro Elrepho, analisou-se o teor de brancura pelo sistema
subtrativo CIE Lab para as membranas padrão e pós-envelhecida para verificar a variação
da brancura.
Figura 5.3: Da esquerda para a direita: Espectofotômetro Elrepho; Máquina de ensaios
Kratos;Viscosímetro Brookfield.
Fonte:<http://www.tainstruments.com/>
42
6. RESULTADOS
Foram feitas quatro formulações iniciais, em escala menor, tendo como massa final
a quantidade de 400 gramas para conhecer o poder de espessamento de cada espessante e
os resultados foram os seguintes:
Tabela 6.1: Resultados iniciais de viscosidade das formulações
Rheovis
HS 1180
Natrosol
250
HHBR
Rheovis
PU 1191
Rheovis
AS 1110
Massa
espessante (g) 1,68 9,6 1,6 1,84
Viscosidade
inicial (cP) 12500 6250 4500 3250
Viscosidade 24
horas (cP) 19000 6500 7500 5000
Percentual de
espessante na
massa total (%)
0,42 2,4 0,4 0,46
Percentual de
pós-
espessamento
(%)
52,00 4,00 66,66 53,85
TNV (%) 29 5 26,1 27
Fonte: Tabela feita pelo autor
Depois de medido as viscosidades inicial e de 24 horas e foi constatado que o
espessante do tipo HASE possui poder de espessamento relativamente muito alto em
relação aos demais. Foram postas frações da membrana na estufa à 60ºC por 7 dias para
avaliar a estabilidade das mesmas. Foi constatado que as amostras de Rheovis PU 1191 e
de Rheovis AS 1110 sedimentaram, devido a sua viscosidade baixa.
Com os resultados obtidos foram feitas 4 novas formulações com ajuste de
viscosidade para a faixa de 10000 cP – 15000 cP para que elas fossem mais estáveis e que
fosse possível realizar todos os procedimentos explicados na monografia. Partindo da
43
formulação inicial de cada um e feito os ajustes na viscosidade, chegou-se aos seguintes
resultados para formulação com massa total de 1200g :
Tabela 6.2: Resultados finais de viscosidade das formulações
Rheovis
HS 1180
Natrosol
250
HHBR
Rheovis
PU 1191
Rheovis
AS 1110
Massa
espessante
(g)
4,2 60,8 6,55 10,1
Viscosidade
inicial (cP) 7500 9250 7500 8500
Viscosidade
24 horas (cP) 12500 10000 10000 11500
Percentual de
espessante
na massa
total (%)
0,35 4,9 0,55 0,84
TNV (%) 29 5 26,1 27
Fonte: Tabela feita pelo autor
Constatou-se que o modificador reológico celulósico possui dificuldade para
espessar a formulação a partir de certo ponto na adição dele, tendo em vista a grande
quantidade dele que foi utilizada para alcançar a viscosidade de 10000 cP.
Com as membranas formuladas, a próxima etapa foi simular o tempo de prateleira
do material em estufa à 60ºC por 7 dias para avaliar se ele possui a estabilidade necessária
para essa condição drástica. Foi constatado que a formulação com Rheovis PU 1191
sedimentou novamente, entretanto em menor quantidade depois do tempo determinado em
estufa.
Foi realizada medições de viscosidade em um viscosímetro Brookfield para atestar
o comportamento reológico das formulações de acordo com diferentes taxas de
cisalhamento:
44
Figura 6.1: Gráfico da variação da viscosidade com a taxa de cisalhamento
Fonte:Imagem feita pelo autor
Verificou-se que todas as formulações possuem comportamento reológico
pseudoplástico e que o motivo da curva do espessante PU estar mais abaixo das demais foi
a impossibilidade de medir a viscosidade da formulação com uma taxa de cisalhamento no
intervalo de 0 a 1 rpm. Dessa forma pode-se inferir que esse modificador reológico
necessita de uma pequena taxa de cisalhamento para cair drasticamente a viscosidade, o
que também explica o auto-nivelamento da formulação quando aplicada com pincel.
A próxima etapa foi a da aplicação das formulações em substrato plástico para os
próximos testes de tração, elongação, absorção de água e envelhecimento com intempéries.
Logo depois começaram os testes mecânicos e de absorção de água em paralelo.
Primeiramente foram feitos os ensaios mecânicos para averiguar se as membranas estão de
acordo com as especificações da norma 13321. Os resultados foram os seguintes:
1 2,5 5 10 20 50 100
Rheovis AS 1110 105000 50000 30000 17000 11500 5300 3250
Rheovis PU 1191 30000 22000 17000 13000 10000 5300 3150
Natrosol 250 HHBR 110000 50000 28000 16000 10000 4600 2750
Rheovis HS 1180 110000 56000 33000 19250 12500 5600 3300
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
Vis
cosi
da
de
(cP
)
Taxa de cisalhamento (rpm)
Viscosidade x Taxa de cisalhamento
Rheovis AS 1110
Rheovis PU 1191
Natrosol 250 HHBR
Rheovis HS 1180
45
Tabela 6.3: Resultado dos ensaios mecânicos antes de envelhecimento
Espessura
média
(mm)
Carga
média
(kgf)
Força
ruptura
média (N)
Li
(mm)
Alongamento
na Ruptura (%)
Tensão de
Ruptura
(MPa)
Rheovis
HS 1180 1,17 1,03 10,07 33 201,89 1,45
Rheovis
AS 1110 1,08 1,04 10,23 33 190,65 1,6
Natrosol
250 HHBR 1,1 0,99 9,74 33 214,39 1,48
Rheovis
PU 1191 1,2 1,14 11,21 33 248,37 1,5
Fonte: Tabela feita pelo autor
Depois de realizados os ensaios mecânicos, foi iniciado o teste de absorção de água
das membranas formuladas e os resultados obtidos foram os seguintes:
Tabela 6.4: Resultados absorção de água (24 horas, 3 dias e 7 dias)
Massa
média (g)
Absorção
d'água 24
horas (%)
Absorção
d'água 3
dias (%)
Absorção
d'água 7
dias (%)
Rheovis
HS 1180 5,1234 7,1238 18,2695 27,9784
Rheovis
AS 1110 4,8494 10,0914 21,5144 37,4402
Natrosol
250 HHBR 4,6297 6,6051 14,172 27,6049
Rheovis
PU 1191 4,8871 5,3771 12,9716 21,7616
Fonte: Tabela feita pelo autor
Com os resultados obtidos pode-se concluir que o espessante PU proporciona a membrana
acrílica maior resistência à água em relação aos demais.
46
Figura 6.2: Gráfico da absorção de água das formulações
Fonte: Imagem feita pelo autor
Depois foram realizados os experimentos de envelhecimento em câmara de UV
com duração de 300 horas com alternação de 4 horas com ciclo de exposição de
ultravioleta e de simulação de chuva. E os resultados são os seguintes:
Tabela 6.5: Resultado dos ensaios mecânicos após envelhecimento.
Espessura
média
(mm)
Carga
média
(kgf)
Força
ruptura
média (N)
Li (mm) Alongamento
na Ruptura (%)
Tensão de
Ruptura
(MPa)
Rheovis
HS 1180 1,09 1,69 16,56 33 115,97 2,53
Rheovis
AS 1110 1,2 1,82 17,87 33 125,12 2,45
Natrosol
250 HHBR 1,03 1,57 15,4 33 112,52 2,5
Rheovis
PU 1191 1,06 1,61 15,77 33 162,63 2,51
Fonte: Tabela feita pelo autor
7,12
10,09
6,61 5,38
18,27
21,51
14,17 12,97
27,98
37,44
27,60
21,76
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
Rheovis HS 1180 Rheovis AS 1110 Natrosol 250 HHBR Rheovis PU 1191
Absorção d'água (%)
24 horas 3 dias 7 dias
47
Figura 6.3: Gráfico do alongamento na ruptura para as membranas antes e após envelhecimento
Fonte: Imagem feita pelo autor
Figura 6.4: Gráfico da tensão de ruptura para as membranas antes e após envelhecimento
Fonte: Imagem feita pelo autor
201,89 186,36
206,78
237,27
115,97 125,12
112,52
162,63
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
Rheovis HS 1180 Rheovis AS 1110 Natrosol 250 HHBR Rheovis PU 1191
Alongamento na Ruptura (%)
Inicial Pós-UV
1,45 1,6
1,48 1,5
2,53 2,45 2,5 2,51
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Rheovis HS 1180 Rheovis AS 1110 Natrosol 250 HHBR Rheovis PU 1191
Tensão de ruptura (MPa)
Inicial Pós-UV
48
Com os resultados obtidos, observou-se que não houve variação significativa em
relação à tensão de ruptura, mas no alongamentou de ruptura o espessante PU apresentou
leve vantagem aos demais, talvez devido ao seu auto-nivelamento que proporcionou
melhor assentamento entre as demãos da aplicação. Os resultados manteram-se
proporcionais com o envelhecimento com UV.
Foi feito uma análise de brancura de acordo com o modelo colométrico CIELab
com as membranas antes e após envelhecimento em um espectofotômetro Elrepho e foi
medido a variação de brancura de cada formulação:
Tabela 6.6: Variação de brancura das formulações padrões e envelhecidas
Rheovis
HS 1180
Rheovis
AS 1110
Natrosol
250 HHBR
Rheovis
PU 1191
Brancura da amostra
padrão (%) 80,45 80,52 80,06 81,32
Brancura da amostra
envelhecida (%) 40,36 47,17 42,13 59,88
Variação de brancura
(%) 40,09 33,35 37,93 21,44
Fonte: Tabela feita pelo autor
Basedo nos resultados obtidos, pode-se inferir que o espessante PU proporciona
melhores resistência às intempéries devido a uma menor variação no teor de brancura, o
que evidencia menor decomposição das substâncias na formulação pela ação da radiação
UV.
49
7. CONCLUSÕES
Por ser um estudo comparativo, o objetivo foi analisar as características que os
modificadores reológicos poderiam influenciar para uma mesma formulação de
membrana acrílica. Logo, embora três delas não tenham alcançado a tensão de
ruptura mínima de acordo com a norma, esse problema poderia ser facilmente
contornado diminuindo um pouco o percentual da dispersão polimérica na mistura
ou aumentando o número de demãos de quatro para seis ou oito ou principalmente
utilizar um polímero na fórmula que tenha menor tendência de absorver água.
A formulação que obteve ligeiramente melhores resultados mecânicos no geral foi
a Rheovis PU 1191. Isso pode ser explicado pelo ótimo nivelamento da formulação,
facilitando o assentamento do impermeabilizante na superfície aplicada.
No quesito absorção d´água, a formulação que utilizou o espessante poliuretânico
obteve melhor resultado devido principalmente ao mecanismo de estabilização de
cargas da mistura e pela microestrutura química do modificador reológico ser
anfipática.
A análise de viscosidade contra taxa de cisalhamento, demonstrou que todas as
formulações tem comportamento pseudoplástico.
A formulação com Rheovis PU 1191 apresentou sedimentação após período de sete
dias em estufa a 60ºC o que sugere que ela apresente menor estabilidade dentre
todas as formulações. Isso acontece devido ao mecanismo dos modificadores
reológicos HEUR não promover ligações tão fortes quanto os mecanismos dos
outros modificadores reológicos e também devido a sua microestrutura química não
ser totalmente compatível com ácido acrílico e seus derivados. Dessa forma, seria
necessário um aumento percentual desse modificador reológico na formulação que
garantiria maior estabilidade.
O modificador reológico Rheovis PU 1191 promove melhoria significativa no que
tange a resistência às intempéries. Pode-se concluir isso a partir dos ensaios
mecânicos e principalmente na menor variação do teor de brancura da membrana
acrílica após envelhecimento em câmara de UV.
50
Também pode-se inferir que o modificador reológico Rheovis PU 1191 pode
promover uma melhoria relevante na incorporação do pigmento a formulação visto
que o teor de brancura inicial é mais alto do que as outras formulações.
De maneira geral, pode-se concluir que diferentes tecnologias de modificadores
reológicos promovem mudanças em algumas características na aplicação de
membranas acrílicas, mesmo estando em quantidades relativamente menores de
massa do que outros itens da formulação. Os mecanismos de cada modificador
reológico e também microestrutura química favorecem e desfavorecem em
determinadas situações. O modificador reológico que se sobressaiu perante aos
outros foi o poliuretânico por promover melhorias significativas dentre os outros.
8. TRABALHOS FUTUROS
Realizar estudo com ensaios semelhantes aos utilizados nessa monografia, porém
com resina polimérica que proporcione melhores propriedades mecânicas e menor
absorção de água;
Realizar estudo para verificar a influência de um plastificante em conjunto de
diferentes tecnologias de modificadores reológicos aplicados em membrana acrílica
impermeabilizante;
Realizar estudo para observar os resultados que mistura de diferentes tecnologias
de modificadores reológicos aplicados na mesma menbrana acrílica podem conferir
na aplicação.
51
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Impermeabilização – Seleção e projeto.” ABNT, Rio de Janeiro, 2007.
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52
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12 Maio, 2014
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