12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECÂNICAGuayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

ANÁLISE DE PROPRIEDADES TÉRMICAS DE UM COMPÓSITODE POLIURETANO DE MAMONA COM PÓ DE REJEITO DE

TELHA

José Ubiragi de Lima Mendes1; José Renato Lima Câmara2; Renata Ferreira de Sousa3; ÁlvaroCésar Pontes Galvão4; Luiza Maria Pinheiro dos Santos5

1, 2, 3, 4, 5 PPGEM-CT-UFRN, Brasil.1e-mail: ubiragi@ct.ufrn.br

Área temática: Ciencias Aplicadas a la Ingeniería Mecánica (7–Energia)

Palavras-chave: Isolante térmico; Poliuretano; Rejeito de telha; Mamona.

RESUMO

A utilização de rejeitos industriais constitui-se hoje numa necessidade irreversível diante dainsensata agressão a natureza imposta pelo homem, como também da necessidade de minorar custos emprocessos produtivos. Nessa linha filosófica, optou-se por desenvolver um compósito visando aplicação deisolamento térmico composto por poliuretano de mamona e pó de rejeito de telha. Foram feitas trêsformulações com 10%, 30% e 50% em massa de rejeito de telha com relação ao poliuretano. As propriedadestérmicas de condutividade, difusividade e calor específico, foram medidas e comparadas com relação às dopoliuretano puro. Evidenciou-se que apesar das variações nas propriedades dos compósitos induzidas pelainserção do rejeito no PU (poliuretano), as mesmas mantêm valores típicos de um material isolante além de seter o lado positivo de aproveitar resíduos e minorar custos de fabricação.

PALAVRAS-CHAVE: Isolante térmico; Poliuretano; Rejeito de telha; Mamona.

1. INTRODUÇÃO

Compósitos a partir do poliuretano com a adição de materiais cerâmicos têm sido utilizadoscomo isolantes térmicos. Os isolantes térmicos têm como função proteger as superfícies aquecidasreduzindo a taxa de transferência de calor entre um sistema e o meio, de modo que a energia possa serconservada e a temperatura da superfície controlada. Os isolantes térmicos podem ser classificadosquanto à natureza: mineral, vegetal e sintéticos a partir de estruturas fibrosas, celular ou mista. SegundoFenilli [2008] o poliuretano é considerado um dos melhores isolantes térmico devido apresentar baixacondutividade térmica (k), boa resistência à compressão e estabilidade dimensional. Tendo variasaplicações como painéis frigoríficos, caminhões e contêineres refrigerados, isolamentos e preenchimentode cavidades de difícil acesso, dentre outras.

O poliuretano a base de óleo de mamona pode ser utilizado como isolante térmico a partir dajunção do mesmo com materiais cerâmicos ou poliméricos. O poliuretano pode ser obtido através dareação de isocianeto e poliol, sintetizados a partir de óleos vegetais como óleo de soja e de maracujá[Marlini, et al. 2011]. Segundo Silva [2003] as resinas poliuretanas formadas a partir do óleo de mamonapodem ser apresentadas como elastômeros de alta flexibilidade ou maior dureza, com densidade entre 6 e1220 kg/m3.

A indústria cerâmica, no seu processo de fabricação de tijolos e telhas, gera grande quantidadede rejeitos. Geralmente, esses rejeitos cerâmicos, são provenientes dos processos de sinterização do

material e transporte dentro da própria indústria [Dias, 2004]. Para o processo de reaproveitamento dosrejeitos é necessário passar por vários procedimentos para a obtenção do pó como fragmentação, moageme peneiramento. A incorporação desse rejeito em formulações cerâmicas tradicionais tem sido utilizadacomo matéria-prima nas indústrias [Menezes, 2002].

Devido ao aumento de rejeito depositado no meio ambiente de forma irregular, a utilizaçãodesses resíduos nas implantações de novos produtos, seria uma maneira de minimizar danos ambientais.Com isso este trabalho de pesquisa tem como propósito desenvolver um compósito a base de rejeito etelha e poliuretano para ser aplicado como isolante térmico.

2. METODOLOGIA

2.1. Preparação dos Corpos de Prova

Os materiais utilizados para o desenvolvimento da pesquisa foram rejeito de telha da CerâmicaVitória – Assu/RN/Brasil. Esse rejeito passou por alguns processos mecânicos, no Laboratório deMateriais Cerâmicos da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), de cominuição epeneiramento para diminuir o tamanho dos grãos (Fig. 2.1).

Fig. 2.1: Rejeito de Telha: (a) Não cominuido e (b) Processado e peneirado a 200 mesh.

As espumas rígidas de poliuretano de mamona foram adquiridas comercialmente, tendo comonome comercial RESPAN D-40. A resina poliuretana é obtida pela mistura de dois compostospoliméricos chamados componentes A e componente B (Fig. 2.2), isto é, isocianato (R-NCO) e poliol (R-OH). O processo experimental para obtenção da espuma rígida de poliuretano puro e composto comrejeito de telha em diferentes formulações, foi a seguinte: FI (S/Rejeito), FII (10%), FIII (30%) e FIV(50%).

Fig. 2.2: RESPAN D-40: Componente A e Componente B.

O método realizado para obtenção do pó a partir do rejeito de telha foi por cominuição emmoinhos de martelo e moinho de bolas. Inicialmente, o rejeito de telha foi triturado manualmente e“cominuido” no moinho de martelo e moinhos de bolas durante 60 minutos, no Laboratório de MateriaisCerâmicos da UFRN. O material foi peneirado em malha ABNT n° 200 para uniformização do tamanhoda partícula e depois secadas em estufa para retirada da umidade. Após o peneiramento, as matériasprimas foram caracterizadas, através de análises químicas, difração de raios X, microscopia eletrônica devarredura e análise granulométrica.

Para a fabricação dos corpos de prova do Poliuretano puro, foram misturados o componente A ecomponente B, do RESPAND-40, nas proporções 1:1,6. As composições químicas A e B do poliuretanoforam pesadas e colocadas no molde. Os compósitos de Poliuretano com o rejeito de telha se deu por talmistura. As três formulações de massa variando seus percentuais, são observadas na Tab. 2.1.

Tabela 2.1: Formulação do Poliuretano com Rejeito de Telha (% em massa)

Matérias Primas FI (g) S/ Rejeito FII (g) 10% FIII (g) 30% FIV (g) 50%Poliuretano

Componente A30,80 27,80 21,60 15,40

PoliuretanoComponente B

49,28 44,48 34,56 24,64

Rejeito de Telha 0,00 8,01 24,02 40,04

Os moldes foram fabricados em aço inoxidável (10cm x10cm x10 cm), totalizando um volumede 10 cm3 e cobertos com papel filme, para facilitar a retirada das amostras. Através de um agitadormecânico, os componentes A e B do poliuretano foram homogeneizados e colocados no molde, depoisutilizou-se uma prensa hidráulica para reter o excesso de expansão dos corpos-de-prova e, em seguida osmesmos foram desmoldados após o tempo de cura, em torno de 20 minutos (Fig. 2.3).

(a)

(b)

Fig. 2.3: Processo de fabricação dos corpos de prova: (a) Poliuretano Puro e (b) Poliuretano com o Rejeitode Telha.

2.2. Análises das Propriedades Térmicas dos Compósitos

Foram analisadas as propriedades do compósito a base de poliuretano e rejeito de telha atravésdos ensaios de condutividade térmica, difusividade térmica e calor específico. Para isso foi utilizado o

equipamento de medição KD2- Pro - Thermal Properties Analyzer, disponível no LMF – NTI/ UFRN, oqual possui um sensor SH-1 (agulhas térmicas duplas) que serve para capturar os valores após 2 minutosde inserção nos corpos-de-prova. Para cada corpo-de-prova foram feitas nove medições em cada face,conforme a Fig. 2.4, onde se vê o equipamento montado para realizar medidas em um ponto numa dasfaces de um dos corpos de prova.

Fig. 2.4: Análise das propriedades térmicas em um dos corpos de prova.

3. RESULTADOS

3.1. Microscopia Eletrônica de Varredura

Na Figura 3.1 vê-se a morfologia do rejeito de telha e da espuma do poliuretano (PUR) obtidapor microscopia eletrônica de varredura (MeV), com aumento de 100x para a análise do rejeito de telha eum amento de 50x para a espuma do poliuretano. Pode-se observar por meio das micrografias (a) e (b),formação de poros fechados que são aglomerados de vazios, os quais tornam os materiais menosresistentes devido às concentrações de tensões entre os vazios.

(a) (b)

Fig. 3.1: Micrografia: (a) Rejeito de telha e (b) Espuma do poliuretano de mamona

Na Figura 3.1-a observa-se a presença de aglomerado de partículas. Essas aglomerações podemestar relacionadas com a granulometria do material por se tratar de uma cerâmica. Analisando a Fig. 3.1-b, observa-se formação de poros grandes e fechados. São características de materiais rígidos, poucodensificados e de baixa resistência. Na Figura 3.2 verifica-se a micrografia dos compósitos a partir dorejeito de telha e poliuretano de mamona nas formulações FII (10%) e FIV (50%), com ampliações de50X.

PorosidadePorosidade

Fig. 3.2: Análise microestrutural dos corpos de prova em diferentes formulações, com ampliação 50x.

3.2. Condutividade Térmica, Calor Específico e Difusividade Térmica.

Observa-se que na Tab. 3.1 é determinada à média e o desvio padrão do poliuretano puro e decada formulação: FI, FII, FIII, FIV. Os resultados foram comparados a partir do poliuretano puro, vistoque há uma aproximação significativa da amostra padrão que é justamente o poliuretano puro.

Tabela 3.1: Média e Desvio Padrão das Propriedades Térmicas dos Corpos de Prova.

Amostras CondutividadeTérmica (W/mK)

Calor Específico(Mj/m3K)

Difusividade Térmica(mm2/s)

Rejeito de Telha 0,129 ± 0,004 1,107 ± 0,045 0,116 ± 0,004FI-Poliuretano Puro 0,037 ± 0,005 0,272 ± 0,014 0,140 ± 0,016FII – 10% de Rejeito 0,037 ± 0,006 0,270 ± 0,020 0,137 ± 0,019FII – 30% de Rejeito 0,040 ± 0,006 0,293 ± 0,024 0,133 ± 0,017FIV – 50% de Rejeito 0,042 ± 0,004 0,319 ± 0,030 0,130 ± 0,014

Os corpos de prova do poliuretano puro foram usados como padrão de referência dos compósitosutilizando rejeito de telha e poliuretano. Sabe-se que para a condutividade térmica, quanto menor o valorobtido melhor será a propriedade de isolamento térmico do material. Comparando-se as amostras do PU-puro com as que têm misturas do rejeito de telha, nota-se que a adição do rejeito de telha proporcionouum leve aumento na condutividade térmica dos compósitos. No entanto esse leve aumento não chega acomprometer a característica de isolação térmica dos compósitos, em suas diferentes composições,mantendo-se praticamente no mesmo patamar.

Observa-se que a inserção de 10% de rejeito de telha no poliuretano tem pouca influência novalor da condutividade, começando a verificar-se sua influência a partir de 20% de inserção de rejeito(FII). A linearidade entre os valores do PU e os valores da formulação FI, deve-se à pouca quantidade derejeito em relação ao PU. Esse mesmo comportamento também foi evidenciado com relação ao CalorEspecífico. Entre 40% e 50%, não houve variação significativa, o que pode significar inicio de saturaçãodo rejeito no PU. Pela Tabela 3.1, observa-se também uma linearidade no valor da difusividade térmica,com a inserção do rejeito de telha no PU.

4. CONCLUSÕES

1. A formulação FI não induziu varações nas propriedades térmicas do compósito. Associa-se isso àpequena concentração de rejeito face ao poliuretano.

2. Apesar da adição do rejeito no poliuretano induzir um leve aumento na condutividade térmica, ocompósito, nas suas três formulações, mantêm suas características de bom isolante térmico, em funçãodos valores apresentados.

3. Sugere-se a formulações FIV (50%) como a mais viável, pois a mesma envolve aproveitamento demaior quantidade de rejeito, conservando bons valores das propriedades térmicas.

PorosidadePorosidade

Impureza

4. Observa-se, de modo geral, que a inserção do rejeito na matriz teve vantagens, como: diminuição nocusto do compósito, minimiza poluição ambiental e obtém-se um compósito com características isolantes.

5. REFERENCIAS

1. R.J.Fenilli, Sistemas Termoisolantes: Tipos, Finalidades e Aplicações. Climatização & Refrigeração,n. 94, 2008.

2. C.Marlini; V. Solidi; G.M.O. Barra, Influence of Fiber Surface Treatment and Length on Physic-Chemical Properties of Short Random Banana Fiber-Reinforced Castor Oil PolyurethaneComposites. Polymer Testing, Chemics Ford, vol.30, pp.833-840, 2011.

3. R.V. Silva, Compósito de Resina Poliuretano Derivado de Óleo de Mamona e Fibra Vegetal. Tese deDoutorado, Universidade Federal de São Paulo, São Carlos, 2003.

4. J.F.Dias, Avaliação de Agregados Reciclados de Resíduos de Fabricação de Telhas CerâmicasVermelha Para o Uso em Camada de Baixo Custo. Tese Doutorado. Departamento de Engenharia deConstrução Civil, Escola politécnica, Universidade de São Paulo, 2004.

5. R. R. Menezes; G.A. Neves; H.C. Ferreira, O Estado da Arte Sobre o Uso de ResíduosComo Matéria-Prima Cerâmicas Alternativas. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola eAmbiental, vol.6, nº.2, 2002.

6. W. D. Vilar, Química e Tecnologia dos Poliuretanos. 2ª.ed. Rio de Janeiro, 1999.

6. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao PPGEM-UFRN, Capes e CNPq, pelo apoio no desenvolvimento e publicaçãodeste trabalho.