Poliolefinas expandidas produzidas a partir de matérias-primas secundárias
Placas de espuma feitas com polipropileno (PP) ou polietileno (PE) expandido podem apresentar alta qualidade mesmo com teor de 50% de material regranulado. Isso foi demonstrado recentemente pelo estudo descrito neste artigo.
Anja Schneider, Christoph Mack e Florian Rapp
Data: 10/01/2017
Edição: PI Janeiro 2017 - Ano 19 - No 221
Compartilhe:
Blocos de demonstração feitos com espuma expandida de polipropileno contendo material regranulado (fotos fornecidas pelo ICT)
Os preços crescentes e os custos das matérias-primas e os custos ascendentes da energia estão criando um grande potencial para que ocorra a substituição das matériasprimas virgens usadas até o momento em uma proporção crescente da produção de espumas constituídas de partículas. Dentro do projeto de pesquisa “DualPart”, desenvolvido pelo Instituto Fraunhofer para Tecnologia Química (Fraunhofer Institut für Chemische Technologie – ICT), localizado em Pfinztal, há muitos anos está sendo realizado um trabalho em cooperação com parceiros industriais, como a Erlenbach GmbH, de Lautert; Nordson BKG GmbH, de Münster; e os parceiros associados Nehlsen GmbH & Co. KG, Bremen; e Kaefer Isoliertechnik GmbH & Co. KG, dessa mesma cidade (todos situadas na Alemanha). O objetivo deste trabalho foi desenvolver espumas recicladas à base de polipropileno e polietileno provenientes de material pós-consumo.
Até hoje o polipropileno virgem em forma expandida é usado em muitas aplicações (por exemplo, na construção civil, na indústria de embalagens e automotiva). A vantagem da espuma constituída de partículas está na associação de características como baixa densidade aparente e menor consumo de material, além da distribuição homogênea de densidade nas peças fabricadas com elas e da possibilidade de se ter componentes com geometrias complexas e alta absorção de energia.
O objetivo deste projeto foi fazer avançar o estado da técnica relativa à produção e processamento das espumas constituídas de partículas feitas com polipropileno expandido obtido a partir de polipropileno e polietileno regranulados e, dessa forma, descobrir novas áreas de aplicação para as matérias-primas secundárias (ou seja, recicladas). O desafio aqui foi uniformizar as oscilações observadas nas propriedades dos materiais reciclados, particularmente em termos da pureza do material, viscosidade e resistência do fundido, por meio da condução do processo e de modificações nas formulações.
Os métodos do projeto
Foram estudadas dentro do projeto de pesquisa as rotas contínuas de processo para fabricação de polipropileno e polietileno expandidos por meio de extrusão e granulação submersa posterior. Dessa forma, as pérolas de espuma produzidas nas primeiras etapas do projeto eram subsequentemente submetidas a pressão para terem sua densidade reduzida, pré-expandidas e então sinterizadas em um molde automatizado de forma a se obter a peça desejada. Foram escolhidas quatro formulações recicladas para se estudar a capacidade de processamento e de expansão do material regranulado (tabela 1).
Tab. 1 – Quadro geral dos graus granulados e regranulados estudados neste trabalho, bem como seus fabricantes
| Fornecedor | Designação | Tipo de polímero |
|---|---|---|
| Borealis AG, Viena, Áustria | Daploy WB 140 HMS | PP virgem |
| Borealis AG, Viena, Áustria | Daploy WB 260 HMS | PP virgem |
| Vogt-Plastic GmbH, Rickenbach, Alemanha | PP 580S | PP reciclado |
| Vogt-Plastic GmbH, Rickenbach, Alemanha | PP 500S | PP reciclado |
| Vogt-Plastic GmbH, Rickenbach, Alemanha | PE-LD-400s | PEBD reciclado |
| Mtm plastics GmbH, Niedergebra, Alemanha | Dipolen M | PEAD/PEBD reciclado |
A caracterização dos polímeros foi feita por meio da análise de calorimetria diferencial de varredura (DSC) e do ensaio Rheotens. A calorimetria diferencial de varredura fornece informações sobre a composição do regranulado. Ficou claro que os materiais regranulados não eram totalmente puros. Isso foi mostrado, por exemplo, pelos dois picos presentes na figura 1, os quais mostram a fusão da estrutura cristalina do material regranulado PP 580S. Uma vez que a temperatura de fusão do polipropileno (ou seja, aquela sob a qual os cristais se desagregam) varia entre 160 e 165 °C, pode-se presumir que o material também continha uma fração de PEAD (polietileno com alta densidade, o qual apresenta temperatura de fusão entre 125 e 135 °C). Também os três outros graus regranulados apresentaram impurezas na forma de polímeros atípicos. Essas impurezas constituem não homogeneidades que podem ter efeito negativo sobre a expansibilidade do material.
Fig. 1 – Análise por calorimetria diferencial de varredura (DSC) do material regranulado PP 580S (segunda curva de aquecimento)
Fig. 2 – Comparação entre as resistências do fundido do PP WB 260 HMS, grau regranulado Dipolen M, PEBD-400S e grau regranulado PP 580S a 160 °C
Os estudos reológicos efetuados mostraram que, do ponto de vista da resistência no estado fundido, os graus PEBD 400S e Dipolen M se comportaram de maneira semelhante a materiais comerciais adequados para a fabricação de espumas como, por exemplo, o grau Daploy WB 260 HMS. Por esse motivo os dois primeiros graus foram selecionados para os ensaios de expansão (figura 2). O material PP 580S mostrou-se inadequado para as séries posteriores de ensaio por conta da sua baixa resistência no estado fundido, a qual se mostrou significativamente menor do que a correspondente aos materiais convencionais, motivo pelo qual este último material foi modificado para que sua resistência ao fundido pudesse ser aumentada.
A modificação do material
Para melhorar as propriedades reológicas dos materiais reciclados tendo em vista o processo de expansão, foram empregados os dois processos a seguir:
- Introdução de ramificações longas na cadeia principal por meio de extrusão reativa;
- Mistura com poliolefinas lineares apresentando polímeros ramificados ou elaboração de formulações com aditivos.
Os resultados mais promissores para superar as desvantagens associadas ao uso de matéria-prima secundária foram obtidos por meio do uso da extrusão reativa. O diagrama da figura 3 mostra as curvas de resistência no estado fundido do grau PP 580S com HDDA (diacrilato de hexametileno) e TMPTA (éster do ácido acrílico ou triacrilato de trimetilolpropano) em comparação com a obtida para o PP 580S puro. A reação é iniciada por meio de um peróxido. Dessa forma ficou claro que a combinação de monômero e peróxido é fortemente adequada para elevar a resistência no estado fundido de um polímero.
Fig. 3 – Comparação entre as resistências do fundido de uma amostra padrão do grau regranulado PP 580 S com duas amostras modificadas de forma diferente a 180 °C
Fig. 4 – Modelo de um equipamento para granulação submersa
Também foi possível constatar uma elevação da resistência no estado fundido por meio da mistura do material regranulado com polímeros ramificados, bem como utilizando aditivos no regranulado. Contudo, o efeito não foi tão significativo como foi possível observar ao utilizar a extrusão reativa.
A fabricação de espuma
Os ensaios de extrusão de espuma foram feitos em conjunto com a empresa parceira Nordson BKG, usando uma extrusora com rosca dupla (modelo Leistritz 27 HP 52D, fabricada pela Leistritz AG, localizada em Nuremberg, Alemanha) ligada a uma avarredura de pérola expandida feita com PEBD 400S/WB 260 (à esquerda) e com grau Dipolen M/WB260 (àbomba de resina fundida (modelo GPE 28/28-02, fabricada pela Nordson PPS GmbH, localizada em Münster, Alemanha) e equipamentos para granulação submersa (modelo BKC Compact 120 e BKG Master-System, fabricados pela Nordson BKG) (figura 4). Dessa forma o polímero foi plastificado na extrusora e misturado com o agente de expansão; a seguir, a mistura homogênea de polímero e gás passou através de uma placa perfurada. Os cordões extrudados de polímero foram granulados usando uma lâmina rotativa sob fluxo de água.
Fig. 5 – Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura de pérola expandida feita com PEBD 400S/WB 260 (à esquerda) e com grau Dipolen M/WB260 (à direita)
Os equipamentos da Nordson BKG foram especialmente adaptados para esse processo. Por esse motivo, a placa perfurada, temperatura, pressão da água e a secagem subsequente mostraram-se compatíveis com o processo de fabricação desse produto. A experiência da Nordson BKG com poliestireno expandido (EPS) foi aproveitada para a fabricação e aperfeiçoamento dos componentes de suas máquinas.
Os agentes de expansão estudados foram butano, nitrogênio e dióxido de carbono. A nucleação foi promovida por agentes nucleantes minerais endotérmicos ativos e passivos.
Por conta da alta resistência do fundido e da simultânea menor ductilidade dos materiais reciclados, as séries de ensaios foram feitas com formulações incluindo frações de material virgem. Além disso, o processo foi otimizado em numerosas séries de ensaios. Foram intencionalmente alterados parâmetros relevantes do equipamento para investigar seu efeito sobre a qualidade das pérolas de espuma. Os melhores resultados foram obtidos usando fração de material reciclado igual a 50% em peso. Neste caso foram usados dióxido de carbono como agente de expansão e talco como agente de nucleação. A estrutura das espumas obtidas é retratada na figura 5. Pode-se verificar que a imagem da espuma aponta uma mistura homogênea de células, as quais se mostraram menores entre a região periférica e o diâmetro do extrudado. A densidade aparente alcançada situou-se em torno de 155 kg/m3 no caso do PEBD 400S/WB260 e cerca de 150 kg/m3 no caso do grau Dipolen M/WB 260. Para fins de comparação, deve-se notar que o material virgem apresentou densidade aparente de 110 kg/m3.
As pérolas de espuma assim obtidas foram submetidas à pressão e pré-expandidas na empresa Erlenbach. Esse processo deve fazer com que a densidade aparente do material seja ainda mais reduzida. Por esse motivo, as pérolas de espuma produzidas na primeira etapa do processo foram introduzidas num vaso de pressão com gás (ar, gás carbônico) e, a seguir, processadas no préexpansor (modelo E2-HP, fabricado pela Erlenbach) (figura 6).
A pré-dosagem gravimétrica
Uma atividade específica incluída neste projeto foi o desenvolvimento e fabricação de um dispositivo para pré-dosagem gravimétrica a ser usado neste equipamento. A capacidade de produção de um pré-expansor é definida pela densidade aparente do polipropileno expandido e pelo volume do recipiente pressurizado que será preenchido com a formulação. Ao se usar um dispositivo de dosagem volumétrica convencional, a tolerância existente de densidade aparente da matériaprima pode ser transferida, ou seja, a tolerância de densidade aparente do polipropileno pré-expandido será comparável com a da matéria prima, ou será até mesmo maior. Foi então desenvolvido um dispositivo de pré-dosagem gravimétrica para reduzir a densidade aparente e para poder operar o pré-expansor sob o maior ritmo de produção possível.
A densidade aparente das pérolas de espuma feitas com material virgem foi reduzida de 110 para cerca de 60 kg/m3 por meio da pressurização e da pós-expansão subsequente. A densidade das pérolas de espuma feitas com o grau Dipolen M/WB260 foi reduzida de aproximadamente 150 para cerca de 115 kg/m3. Já as pérolas de espuma feitas com o PEAD 400S/WB 260 apresentaram, após o processo de pré-expansão, densidade aparente de cerca de 100 kg/m3. Dessa forma, foi possível demonstrar uma redução significativa de densidade de até 35% no caso do material reciclado por meio desta etapa de processo.
Fig. 6 – Modelo do pré-expansor ED2-HP com dosagem gravimétrica
A fabricação de componentes
Usando uma moldadora automática (modelo EHVC-E-PP 1070/ 870, fabricada pela Erlenbach) foram produzidas peças moldadas com as espumas obtidas a partir das combinações de materiais aqui estudadas (ver figura no início do artigo). Elas foram testadas com relação à resistência à compressão e à condutibilidade térmica. Os resultados dos ensaios de compressão mostraram que o valor da tensão específica de compressão pode aumentar até 40% em função do uso de material regranulado em comparação com a resina virgem. Dessa forma, nos campos de aplicação onde há altos requisitos em termos da resistência à compressão das espumas como, por exemplo, no caso de elementos para isolamento de pisos, pode-se pensar em aplicar as espumas feitas com material reciclado. Os resultados provenientes da determinação da condutibilidade térmica mostraram estreita relação com a temperatura. Conforme já era esperado, o material virgem expandido apresentou valores mínimos de condutibilidade térmica, o que pode ser atribuído a seus menores valores de densidade aparente. As placas expandidas contendo frações de material regranulado apresentaram maiores valores de condutibilidade térmica, sendo que as feitas com os graus Dipolen M/WB 260 HMS e PEAD 400S/WB 260 HMS não apresentaram diferenças significativas entre si.
Conclusões
Foi constatado neste projeto que pérolas de espuma feitas com PP ou PE virgem mais 50% de material regranulado, e que apresentavam densidade aparente de aproximadamente 100 kg/m3, permitiram a fabricação de placas de espuma com alta qualidade que alcançaram valores de tensão de compressão específica de até 10,5 kPa/g. Da mesma forma, elas alcançaram valores de condutibilidade térmica da ordem de 55,5 mW/mK no caso dos ensaios feitos com placas sob temperatura igual a 10 °C. O processo otimizado pode ser executado de forma estável sob ritmo de produção de 20 kg/h.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Ministério Federal Alemão da Educação e Pesquisa (Bundesministerium für Bildung und Forschung, B.M.B.F.) e ao patrocinador de projetos Karlsruhe (Projektträger Karlsruhe, P.T.K.A.-P.F.T.) pelo apoio concedido ao projeto.