A demanda por plásticos reforçados com fibras vem aumentando há muitos anos⁽¹⁾, uma vez que eles se mostram altamente adequados à fabricação leve, em função de seu baixo peso específico e suas propriedades mecânicas. Especialmente as chapas orgânicas compostas por mantas de fibras de vidro vêm sendo muito usadas no setor automotivo, para reduzir o peso dos automóveis⁽²⁾. Assim, pode ser assumido que no futuro serão geradas grandes quantidades de rejeitos de plástico reforçado com fibras, os quais terão de ser reciclados. A reciclagem mecânica constitui uma possibilidade sustentável, neste caso.

Uma etapa chave na reciclagem mecânica é a trituração dos plásticos reforçados com fibras, que podem se romper na forma de fragmentos de fibras nocivos à saúde^{(3, 4)}. Fibras com determinadas características, especificadas pela Organização Mundial da Saúde (OMS), são consideradas como particularmente prejudiciais à saúde. São elas: partículas em forma de fibra com comprimento acima de cinco mícrons, diâmetro menor que três mícrons e razão comprimento/ diâmetro maior que 3:1⁽⁵⁾. Portanto, o objetivo do projeto “Poeiras geradas por fibras” é obter conhecimento sobre os mecanismos que favorecem a geração de material triturado reciclável e, por outro lado, reduzir a liberação de poeiras geradas a partir de fibras.Estudos sobre tecnologia de trituração mostraram que a qualidade do material granulado depende de diversos fatores. Para obter uma distribuição de partícula de tamanho grande, e que esta seja tão estreita quanto possível, é recomendado que, no caso de plásticos sem reforço, sejam aplicadas solicitações mecânicas com o maior caráter possível de cisalhamento ao material, seja selecionada uma peneira com malha apresentando grande abertura e seja evitada a ocorrência de fratura frágil^{(6, 7, 8)}. A iniciação de fratura frágil decorrente de, por exemplo, alta velocidade de carregamento, uso de materiais mais frágeis ou a adoção de tecnologia específica de trituração, faz com que a frente da fratura se propague mais rapidamente que o fio da lâmina, levando, assim, ao rompimento descontrolado do material. Isso resulta na geração de uma grande quantidade de finos no material granulado^{(9, 10)}. Atualmente, não se sabe até que ponto essas relações podem ser aplicadas à geração de fragmentos aéreos de fibras inaláveis, o que também foi estudado no projeto “Poeiras geradas por fibras”.

 

Medindo e analisando poeiras de fibras

Os testes que envolveram a formação de poeira a partir de fibras foram feitos com chapas orgânicas reforçadas com fibras de vidro, com matriz de polipropileno (Tepex Dynalite 102-RG600(x)/47%),ou poliamida 6 (Tepex Dynalite 104-RG600(x)/47%), fabricadas pela Bond Laminates GmbH (Lanxess). Elas foram trituradas usando um triturador com eixo simples WSC250-400 (modelo Weima Smart Cutter, da Weima Maschinenbau GmbH).

As poeiras aéreas foram analisadas durante esse processo. Foi usado um analisador de tamanho de partículas por varredura da sua mobilidade (Scanning Mobility Particle Sizer, S.M.P.S.) para medir as partículas com tamanho na faixa nanométrica (9,8 a 414 nm), enquanto um analisador aerodinâmico de tamanho de partículas (Aerodynamic Particle Sizer, A.P.S.) analisou as partículas na faixa micrométrica (0,5 a 20 mícrons). As poeiras aéreas inaláveis de fibras foram coletadas usando um dispositivo de amostragem VC25 em um filtro de nitrato de celulose, o qual foi pesado. A velocidade do rotor do triturador com eixo simples variou de 60 a 120 rpm, enquanto a abertura da malha da peneira variou de 10 a 20 mm.

Os estudos usando peneira com menor abertura de malha foram feitos somente com chapas orgânicas de polipropileno reforçadas com fibras de vidro. As chapas foram introduzidas no triturador com dimensões de 250 x 250 mm e sob vazão volumétrica de 1 kg/100 s durante aproximadamente 120 minutos. Estes parâmetros adotados são mostrados nos diagramas, com os correspondentes pictogramas e setas. A análise da toxicidade das poeiras de fibras foi determinada por um teste de citotoxicidade usando uma linhagem de células macrófagas de ratos (“células para limpeza dos pulmões”). Para tanto, as células foram submetidas a uma quantidade crescente da poeira gerada a partir das fibras de vidro, sendo o efeito negativo sobre a energia do metabolismo assumida como uma medida da citotoxicidade com o teste AlamarBlue baseado em fluorescência.

 

Influência dos parâmetros de processo

Os estudos mostraram que o aumento da velocidade do rotor levou a um aumento da concentração de partículas o que, por sua vez, aumentou a fração de poeira inalável. Pode ser visto na figura 1 que a concentração de nanopartículas aumentou para ambos os materiais devido ao aumento da velocidade, especialmente quando foram usadas peneiras com malha mais aberta. Esta correlação também foi observada para a concentração de partículas com tamanhos na faixa micrométrica (figura 2) e para a massa de poeira depositada no filtro (figura 3). Os resultados obtidos confirmaram as constatações de que uma velocidade mais alta do rotor leva à intensificação do comportamento frágil da fratura da resina termoplástica, levando à geração de maior fração de finos no material granulado, bem como aumento da liberação de poeira inalável.

 

Fig. 1 – Concentração em massa de nanopartículas geradas durante a trituração de chapas
orgânicas de polipropileno (PP) e poliamida 6 (PA 6), ambas reforçadas com fibras de vidro,
sob diferentes parâmetros de processo (Fonte: KTP; Gráfico: Hanser)

 

Fig. 2 – Concentração de partículas em massa, na faixa de tamanho micrométrico, que foi
gerada durante a trituração de chapas orgânicas com diferentes parâmetros de processo
(Fonte: KTP; Gráfico: Hanser)

 

Fig. 3 – Massa de poeira inalável gerada durante a trituração de chapas orgânicas. A massa
de poeira foi normalizada pela massa do material introduzido e pela quantidade de ar
filtrado, expressa em metros cúbicos (Fonte: KTP; Gráfico: Hanser)

 

A não constatação disso no caso da trituração do polipropileno reforçado com fibras de vidro, para poeiras com tamanho na faixa micro e nanométrica, usando peneiras com menor abertura de malha, se deve ao fato de que, devido ao maior nível de fricção entre o rotor e o material, as partículas assumem carga eletrostática, o que faz com que elas adiram à parede do triturador ou se aglomerem entre si.

A redução de abertura da malha da peneira levou ao aumento da massa de poeira inalável gerada a partir das fibras para todas as velocidades usadas (figura 3). Essa redução leva à diminuição do tamanho das partículas, ao passo que o tempo de permanência do material na área de trituração aumenta^{(6, 7)}. O material precisa ter seu tamanho reduzido com mais frequência até que as partículas tenham tamanho suficiente para deixar a área de trituração. A redução de abertura da malha da peneira promoveu significativo aumento da concentração de partículas sob baixas rotações, tanto na faixa de tamanhos micro como nanométricos. Esse efeito não é verificado sob altas rotações devido ao carregamento eletrostático (figuras 1 e 2).

A trituração de chapas orgânicas de PA 6 reforçadas com fibras de vidro levou a uma maior concentração de partículas na faixa de tamanho micrométrico, e a uma maior massa de poeira inalável, em relação às chapas orgânicas feitas de PP reforçadas com fibras de vidro. Isso se deve às fraturas com maior caráter frágil que ocorrem nas chapas orgânicas de PA 6. Assim, as relações já conhecidas a partir da tecnologia de trituração no sentido de se obter uma distribuição mais estreita de tamanhos de partículas podem ser aplicadas em grande medida para evitar a geração de poeiras.

 

Avaliando a formação de poeira e medidas recomendadas

Micrografias de poeiras geradas a partir das fibras presentes no filtro de nitrato de celulose, obtidas por microscopia eletrônica de varredura, mostraram não apenas longas fibras de vidro, como também fragmentos delas em formato de cunha, as quais são inaláveis (tamanho menor do que cinco mícrons) e que, portanto, são potencialmente prejudiciais à saúde (figura 4). Entretanto, na Europa as fibras de vidro podem ser usadas desde que não apresentem biopersistência pronunciada (Diretiva da UE 97/69/EG). Apesar de suas dimensões, os fragmentos de fibras de vidro que atendem a esses requisitos, para a aprovação determinada pela União Europeia, não apresentam nenhuma toxicidade crônica, uma vez que não persistem nas vias respiratórias. Isso é válido desde que não haja exposição permanente que cause inflamação de forma contínua. Testes de citotoxicidade das poeiras geradas por fibras de vidro, que foram depositadas no filtro de nitrato de celulose durante a trituração das chapas orgânicas de PA 6 reforçadas com fibras de vidro, confirmaram essa suposição.

 

Fig. 4 – Micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura das poeiras de fibra de
vidro, que foram geradas durante a trituração das chapas orgânicas de PA 6 reforçada com
fibras de vidro (KTP)

 

A determinação dos efeitos danosos das partículas foi feita usando o teste Alamar-Blue (Invitrogen, da Life Technologies Corporation), que mensura a carga de energia das células, a qual é adotada como medida de toxicidade, usando resazurina, que é um corante fluorescente e indicador redox. Uma redução da fluorescência indica citotoxicidade. A figura 5 mostra os resultados do teste. A fluorescência foi plotada devido à concentração das partículas acrescentadas, podendo-se constatar que ela permaneceu constante mesmo sob concentrações muito altas de poeira. Portanto, o teste não revelou aumento de citotoxicidade, a despeito das altas concentrações de poeira. Mesmo o aumento da velocidade do rotor não levou a quaisquer alterações na avaliação da toxicidade.

 

Fig. 5 – Teste AlamarBlue feito em placas de fibra de vidro, as quais foram trituradas
sob velocidades de rotação diferentes, mas mantendo a mesma abertura de malha na
peneira. Nenhuma toxicidade celular ficou evidente até a maior quantidade testada
(Fonte: IPA; Gráfico: Hanser)

Este estudo apresentou apenas uma breve visão sobre o tema. Assim, seus resultados mostram claramente que na trituração de resinas termoplásticas reforçadas com fibras ocorre a formação de fragmentos inaláveis de fibras, cuja concentração pode ser reduzida pela diminuição da velocidade do rotor e pelo uso de peneiras com malhas apresentando abertura tão ampla quanto possível. Mesmo que essa investigação indique que os fragmentos de fibras de vidro não promovem qualquer toxicidade severa nos pulmões, devem ser adotadas medidas de segurança ocupacional industrial, de acordo com a Diretriz Técnica para Substâncias Perigosas TRGS 521 (Technische Regeln für Gefahrstoff), uma vez que, por razões de proteção preventiva à saúde, é importante suprimir a liberação de fibras inaláveis.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem à Confederação Alemã de Associações de Pesquisa Industrial “Otto von Guericke” (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen “Otto von Guericke” e.V., A.i.F.) pelo seu apoio financeiro a este projeto, o qual usou fundos do Ministério Federal Alemão da Economia e Energia (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, B.M.Wi.). Os agradecimentos também são estendidos às empresas participantes do comitê de acompanhamento deste projeto.

 

Referências bibliográficas

As referências bibliográficas citadas neste artigo podem ser encontradas no endereço eletrônico: www.kunststoffeinternational.com/archive