Marcio BoletimTecnico Projeto ARPLAS final 31102018

Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Boletim Técnico

Aproveitamento de resíduos de rochas no desenvolvimento de

produtos cerâmicos-poliméricos

Projeto ARPLAS

Convênio: SCIT 51/2014 Processo: 337-25.00/14-0

BO

LETIM

TÉC

NIC

OB

OLET

IM T

ÉCN

ICO

BO

LETIM

TÉC

NIC

OB

OLET

IM T

ÉCN

ICO

Instituto de

Materiais

Cerâmicos

GOVERNO DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL SECRETARIA DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO,

CIÊNCIA E TECNOLOGIA

DIVISÃO DE POLOS TECNOLÓGICOS POLO DE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA DO VALE DO CAÍ

Boletim Técnico Projeto: Aproveitamento de resíduos de rochas no desenvolvimento de produtos cerâmicos-poliméricos (Projeto ARPLAS)

Financiamento: SDECT/UCS Convênio: SCIT 52/2013 Processo: 364-25.00/13-9 Aproveitamento de resíduos de rochas no desenvolvimento de produtos cerâmicos-poliméricos Equipe Executora: Dr. Márcio Ronaldo Farias Soares* Dr. Otávio Bianchi Dra. María Cristina Moré Farias Dra. Jadna Catafesta * [email protected] Universidade de Caxias do Sul (UCS) Instituto de Materiais Cerâmicos – IMC Rua Irmão Moretto, no 75, Bairro D. Vicente, Bom Princípio, CEP 95765-000, RS, Brasil (+55) 51 3634-1100 [email protected] www.ucs.br/site/imc

Projeto ARPLAS Boletim Técnico 3

Instituto de

Materiais

Cerâmicos

ÍndiceÍndiceÍndiceÍndice

4 IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução

5 Resultados obtidos no âmbito do projetoResultados obtidos no âmbito do projetoResultados obtidos no âmbito do projetoResultados obtidos no âmbito do projeto

6 Fabricação dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricas

7 Propriedades tecnológicas dos corpos de prova das formulações cerâmico-

poliméricas

9 Propriedades mecânicas dos corpos de prova das formulações cerâmico-

poliméricas

10 Molhabilidade das superfícies dos corpos de prova das formulações

cerâmico-poliméricas

11 Análise química e térmica dos corpos de prova das formulações cerâmico-

poliméricas

12 Microestrutura dos corpos de prova das formulações cerâmico-poliméricas

13 Topografia dos corpos de prova das formulações cerâmico-poliméricas

15 Coeficiente de atrito e desgaste por deslizamento das formulações cerâmico-

poliméricas

16 Resistência ao risco das formulações cerâmico-poliméricas

17 Resistência à abrasão dos corpos de prova das formulações

18 Seleção de formulações para revestimentos cerâmico-poliméricos com base

no desempenho mecânico e tribológico

18 Fabricação das placas de revestimentos com potencial aplicação na

construção civil

20 Fabricação de placas protótipos (painéis portantes de exposição)

21 ConclusõesConclusõesConclusõesConclusões

22 Referências bibliográficasReferências bibliográficasReferências bibliográficasReferências bibliográficas


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução

A economia de recursos energéticos e naturais com o foco na proteção e preservação do

meio ambiente são demandas mundiais importantes para o desenvolvimento tecnológico

sustentável de países em desenvolvimento como o Brasil. Tais demandas motivaram a

realização do Projeto intitulado Aproveitamento de Resíduos de Rochas no

Desenvolvimento de Produtos Cerâmico-Poliméricos (ARPLAS), na busca por soluções

inovadoras para a produção de novos materiais com propriedades otimizadas, que possam

ser aplicadas como revestimentos na construção civil. Realizado no âmbito do Programa

de Apoio aos Polos Tecnológicos do RS e do Polo de Inovação Tecnológica do Vale do

Caí, este projeto teve aporte de recursos da Secretaria de Desenvolvimento Econômico,

Ciência e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Sul (SDECT), com foco no

desenvolvimento e caracterização de materiais compósitos à base de resíduos provenientes

do corte de rochas e de construção e demolição (RDC's), como agregados para a fabricação

produtos cerâmico-poliméricos, que possuam características físico-químicas, mecânicas e

tecnológicas adequadas. Tais características auxiliaram na seleção de formulações com

níveis adequados de atrito, associado ao escorregamento e de resistência ao desgaste por

deslizamento, à abrasão e ao risco, associados à durabilidade do revestimento. Neste

sentido, foram desenvolvidos placas de revestimentos (compósitos de matriz polimérica)

com adição de resíduos de rochas e de construção e demolição. Neste Boletim Técnico,

são apresentados os principias resultados obtidos pelo projeto.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Principais objetivos técnicos e científicos Principais objetivos técnicos e científicos Principais objetivos técnicos e científicos Principais objetivos técnicos e científicos

do projetodo projetodo projetodo projeto

Desenvolver materiais compósitos com

agregados de resíduos de rocha e de construção

e demolição (RCD), que possuam boa resistência

mecânica, à abrasão e ao risco, textura superficial

e durabilidade. Além de possuir propriedades

tribológicas (atrito e desgaste) aceitáveis para uso

como revestimentos aplicados à construção civil.

Resultados obtidos no âmbito do projetoResultados obtidos no âmbito do projetoResultados obtidos no âmbito do projetoResultados obtidos no âmbito do projeto

Com base em resultados preliminares obtidos

durante a execução de vários ensaios

exploratórios, foram confeccionados materiais

compósitos constituídos por uma matriz

polimérica a base de resina poliéster (resina

poliéster insaturada tereftálica - PET) reforçada

com dois tipos de aditivos cerâmicos

particulados, um resíduo de origem de

mineração (rocha) e outro resíduo de origem de

construção e demolição (RCD). Esses resíduos

foram adicionados à matriz polimérica e

estudados em função de diferentes distribuições

granulométricas.

CaracterizaçãoCaracterizaçãoCaracterizaçãoCaracterização das matériasdas matériasdas matériasdas matérias----primasprimasprimasprimas

Dois tipos de resíduos de rocha foram coletados

em minas da região da Serra Gaúcha, um com

granulometria denominada “grossa” e outro com

granulometria denominada “fina”. A rocha de

origem do material coletado é classificada como

de natureza ácida, devido ao seu alto teor de

quartzo (acima de 60%), além ser de constituída

principalmente por outros elementos como

feldspato, anortita, diopsídio, augita, tremolita e

ilmenita, conforme indicaram as análises de

difração de raios X (DRX). A sua microetrutura

apresenta-se como uma estrutura granular fina

(Figura 1).

Após a coleta, os particulados foram deixados em

estufa durante 24 h a temperatura de ~120ºC,

para retirar a umidade adsorvida à superfície das

partículas pelo ambiente.

A fim de se obter diferentes distribuições

granulométricas, parte do resíduo de rocha

“grosso” e “fino” coletado foi submetido a um

processo de moagem a seco em moinho de bolas

por 5 h. O material como coletado e o obtido da

moagem foi então peneirado, e curvas

granulometrias foram levantadas com o intuito

de determinar o diâmetro médio das partículas.

Ambos materiais particulados, como coletados e

processados por moagem por 5 h, apresentaram

um perfil de distribuição granulométrico

contínuo (Figura 2), o que minimiza a presença

de possíveis vazios nas formulações produzidas e

propicia uma melhora nas propriedades

Figura 1 – Micrografia da rocha de origem do resíduo particulado. Imagem obtida por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

reológicas, na resistência mecânica e na textura

superficial do produto final.

Além dos resíduos de rocha, materiais

particulados provenientes do descarte da

construção civil foram coletados em uma

empresa processadora de entulhos da região da

Serra Gaúcha, que previamente separados

(cerâmicas, argamassas e concretos), são britados

gerando assim o que chamamos Resíduo de

Construção e Demolição ou (RCD). Após a

coleta, o RCD foi devidamente seco em estufa à

120ºC por 24 h, com a finalidade de reduzir a

presença de umidade. Na sequência, o RCD foi

processado em moinho de bolas em dois tempos

distintos de 2,5 h e 5 h, com base em estudos

prévios realizados pelo grupo de pesquisa,

apresentando ambos um perfil de distribuição

granulométrico contínuo (Figura 3).

A análise via DRX para o RCD se mostrou de

difícil interpretação, sendo possível identificar

elementos de maior presença como quartzo

(grande maioria), seguido por calcita e albita sem

a presença de amorfos.

A resina poliéster utilizada como matriz é uma

resina comercial de baixo custo, fácil manejo e

grande potencial de reaproveitamento, pois

também pode ser oriunda de produtos

descartáveis como garrafas plásticas. A resina

poliéster insaturada tereftálica, ou simplesmente

PET, é um polímero termoplástico formado pela

reação entre o ácido tereftálico e etileno glicol

(Figura 4).

Fabricação dFabricação dFabricação dFabricação dosososos corpos de provacorpos de provacorpos de provacorpos de prova ddddeeee formulações formulações formulações formulações

cerâmicocerâmicocerâmicocerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

A resina poliéster, juntamente com o reforço

cerâmico (resíduo de rocha ou RCD), foi

processada em mistura única manual a fim de se

obter uma massa homogênea e consistente. Na

sequência, o compósito foi moldado em formatos

específicos para obtenção de corpos de prova de

Figura 4 – Esquema de reação de formação do PET.

Figura 2 – Curvas granulométricas para o particulado de rocha como coletado grosso e fino (linhas contínuas) e moídos por 5h (linhas tracejadas).

Figura 3 – Curvas granulométricas para o particulado de RCD moídos por 2,5h (linhas preta) e 5h (linha vermelha).


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

acordo com normas específicas para a realização

de ensaios laboratoriais. Após desmoldados estes

corpos de prova passaram por um processo de

cura controlada em estufa a 80ºC por 48 h.

ProProProPropriedades tecnológicaspriedades tecnológicaspriedades tecnológicaspriedades tecnológicas ddddosososos corpos de prova corpos de prova corpos de prova corpos de prova

ddddasasasas formulações cerâmicoformulações cerâmicoformulações cerâmicoformulações cerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

Os corpos de prova produzidos nas formulações

específicas (poliéster-rocha e poliéster-RCD), na

forma de placa, foram caracterizados quanto a

suas propriedades tecnológicas, no que se refere

à absorção de água, perda de cor e brilho. O

índice de absorção de água (Aa) foi avaliado de

acordo com a norma NBR 13818 – anexo B. Em

todos os corpos de prova produzidos, o índice de

absorção de água ficou abaixo de 0,5% (Tabela

1). Para avaliar a perda de cor e brilho das peças

produzidas, foram realizados ensaios de

envelhecimento acelerado UV segundo a norma

ASTM D573-04 para o tempo de 264 h, tempo

equivalente a seis meses de exposição à radiação

ultravioleta.

Tabela 1 – Absorção de água dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos (resina poliéster reforçada com resíduos de rocha ou RCD).

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Índice de absorção de Índice de absorção de Índice de absorção de Índice de absorção de

água Aa (%)água Aa (%)água Aa (%)água Aa (%)

Resina poliéster pura 0,18 ± 0,02

Poliéster-Rocha-grosso-5h 0,38 ± 0,03

Poliéster-Rocha-fino-5h 0,22 ± 0,03

Poliéster-RCD-2.5h 0,22 ± 0,04

Poliéster-RCD-5h 0,19 ± 0,05

As medidas de cor e brilho dos corpos de prova

antes e após os ensaios de envelhecimento foram

realizadas utilizado um medidor de brilho

(glossmeter) Mutli Gloss GM-268A da Konica

Minolta. O brilho é quantificado pela incidência

de um feixe de luz, de determinada intensidade,

em ângulo fixo relativo à normal ao plano da

superfície da amostra, medindo a quantidade de

luz refletida em seu ângulo complementar. São

três geometrias de ângulos de incidência (20, 60

e 85º), e o brilho é calibrado utilizando um

padrão de vidro preto e tomado como referência

à 100 unidades de brilho. Assim, quanto mais

próximo a esse valor mais especular é a

superfície, caso contrário será mais fosca.

Superfícies semi-reflexivas são medidas com um

ângulo de incidência de 60° e devem estar dentro

de um intervalo de 10 a 70. Superfícies altamente

refletivas com valores de medição superiores a 70

na geometria de 60°, devem ser medidas a 20°.

Por outro lado, superfícies foscas com menos de

10 unidades de brilho (a 60°) devem ser medidas

na geometria de 85°. Para não-metais, a

quantidade de luz refletida normalmente

aumenta com um maior ângulo de iluminação,

além de estar relacionada a parte da luz penetrar

no material e ser absorvida, ou difusa pela

superfície, dependendo de sua cor e rugosidade

[1,2].

As medidas de brilho realizadas, antes e após

264 h de envelhecimento acelerado (Tabela 2),

indicaram que estes corpos de prova podem ser

classificados como de superfícies foscas. Não

houve indicação de alterações significativas de

brilho (a 85º) para todas as formulações após o


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

envelhecimento. O compósito Poliéster-RCD-

2.5h foi o que apresentou a menor variação de

brilho.

O sistema CIE (definido pela Comissão

Internacional de Iluminação) [3], usa os

parâmetros L*, a* e b* para descrever cor. L*

corresponde ao grau de luminosidade (lightness)

e escuridão (darkness), e a* e b* correspondem à

escala cromática: vermelho (+a*), verde (-a*),

amarelo (+b*) e azul (-b*) (Figura 5) [4]. O

parâmetro ∆E* representa a variação de cor, e

está relacionado com os parâmetros L*, a* e b*

de acordo com a Equação (1) [5].

(1)

onde os subíndices i e f são, respectivamente, os

valores dos parâmetros antes e depois do ensaio

de envelhecimento acelerado. A cor de um objeto

depende da sua refletância espectral da

superfície, a qual está relacionada com sua

rugosidade. Devido à diversidade de

formulações, as superfícies exibem diferentes

níveis de rugosidade superficial. Materiais com

cargas maiores geralmente apresentam maior

rugosidade superficial do que aqueles com cargas

menores [6]. Comparando os valores de ∆E*

(Tabela 3), observou-se que entre as formulações

de mesmo reforço com tamanho médio maior,

apresentaram as maiores alterações de cor.

Observou-se também que os compósitos a base

de rocha, apresentaram uma tendência ao verde

e ao amarelo, enquanto aos compósitos a base de

RCD, uma tendência ao vermelho e amarelo,

para aquela com particulado de tamanho médio

maior, e para verde e azul, para a de tamanho

médio menor. O compósito Poliéster-RCD-5h

apresentou a menor variação dos índices de cor.

Tabela 2 – Resultados de envelhecimento UV dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos (resina poliéster reforçada com resíduos de rocha ou RCD).

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Antes do envelhecimentoAntes do envelhecimentoAntes do envelhecimentoAntes do envelhecimento Depois do envelhecimentoDepois do envelhecimentoDepois do envelhecimentoDepois do envelhecimento

20o 60o 85o 20o 60o 85o

Poliéster-Rocha-grosso-5h 0,0 ± 0,0 0,6 ± 0,1 1,3 ± 0,0 0,0 ± 0,0 0,6 ± 0,0 0,8 ± 0,1

Poliéster-Rocha-fino-5h 0,0 ± 0,0 1,0 ± 0,1 2,4 ± 0,2 0,1 ± 0,0 1,2 ± 0,1 5,5 ± 0,4

Poliéster-RCD-2.5h 0,0 ± 0,0 0,6 ± 0,1 0,9 ± 0,1 0,0 ± 0,0 1,0 ± 0,0 0,8 ± 0,1

Poliéster-RCD-5h 0,0 ± 0,0 0,8 ± 0,1 1,1 ± 0,1 0,0 ± 0,0 1,0 ± 0,0 1,5 ± 0,0

( ) ( ) ( )2 2 2

* * * * * ** f i f i f iE L L a a b b∆ = − + − + −

Figura 5 – Espaço de cor CIE L*a*b*.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Tabela 3 – Resultados de cor dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos (resina poliéster reforçada com resíduos de rocha ou RCD).

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Antes do envelhecimentoAntes do envelhecimentoAntes do envelhecimentoAntes do envelhecimento Depois do envelhecimentoDepois do envelhecimentoDepois do envelhecimentoDepois do envelhecimento

∆E* L* a* b* L* a* b*

Poliéster-Rocha-grosso-5h 31,50 5,65 6,49 33,01 5,19 7,76 2,03

Poliéster-Rocha-fino-5h 30,48 5,14 6,13 30,84 4,60 6,34 0,68

Poliéster-RCD-2.5h 34,15 7,34 10,78 34,57 7,70 12,59 1,89

Poliéster-RCD-5h 33,58 7,10 10,12 33,86 6,52 9,94 0,64

Propriedades mecânicas dos corpos de prova Propriedades mecânicas dos corpos de prova Propriedades mecânicas dos corpos de prova Propriedades mecânicas dos corpos de prova

das formulações cerâmicodas formulações cerâmicodas formulações cerâmicodas formulações cerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

O módulo de elasticidade e a resistência

mecânica dos corpos de prova cerâmico-

poliméricos foram determinados a partir de

ensaios de flexão transversal de carregamento em

três pontos, de acordo com a norma ASTM D790

[7]. Para os compósitos poliéster-rocha

observou-se um aumento do módulo de

elasticidade (Tabela 4) das formulações com a

redução do tamanho de partícula. Entretanto,

essa mesma tendência não se repetiu para os

compósitos poliéster-RCD.

Tabela 4 – Módulo de elasticidade dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos (resina poliéster reforçada com resíduos de rocha ou RCD).

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Módulo de Módulo de Módulo de Módulo de

elasticidade (MPa)elasticidade (MPa)elasticidade (MPa)elasticidade (MPa)

Resina poliéster 4.221 ± 323

Poliéster-Rocha-grosso-5h 12.660 ± 432

Poliéster-Rocha-fino-5h 15.420 ± 1.665

Poliéster-RCD-2.5h 17.807 ± 615

Poliéster-RCD-5h 14.140 ± 2.188

Como pode ser observado na Tabela 5, não

houve diferenças entre os valores obtidos para a

resistência à flexão dos corpos de prova

produzidos como o mesmo tipo de carga.

Contudo, os compósitos produzidos a base de

RCD apresentaram os maiores índices de

resistência à flexão.

Tabela 5 – Resistência à flexão dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos (resina poliéster reforçada com resíduos de rocha ou RCD).

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação ResisResisResisResistência à flexão tência à flexão tência à flexão tência à flexão

(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)

Resina poliéster 27,07 ± 5,80





Os corpos de prova também foram submetidos

ao ensaio de dureza Rockwell, escala R, segundo

a norma ASTM D785-08 [8], antes e após o

ensaio de envelhecimento UV. Os valores

obtidos antes do ensaio de envelhecimento não

apresentaram diferença significativa (Tabela 6).


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Após o ensaio de envelhecimento, observou-se

que a formulação Poliéster-Rocha-Fino-5h não

apresentou diferença significativa no valor da

dureza. Para as demais formulações, houve uma

redução no valor da dureza. Para o poliéster puro

antes do ensaio a dureza foi 125 ± 1 HR.

Tabela 6 – Dureza Rockwell dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos (resina poliéster reforçada com resíduos de rocha ou RCD).

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Dureza RockwellDureza RockwellDureza RockwellDureza Rockwell----R (HR)R (HR)R (HR)R (HR)

AntesAntesAntesAntes DepoisDepoisDepoisDepois

Poliéster-Rocha-grosso-5h 119 ± 1 116 ± 2

Poliéster-Rocha-fino-5h 119 ± 1 119 ± 2

Poliéster-RCD-2.5h 119 ± 1 110 ± 2

Poliéster-RCD-5h 120 ± 1 106 ± 1

Molhabilidade das superfícies dos corpos de Molhabilidade das superfícies dos corpos de Molhabilidade das superfícies dos corpos de Molhabilidade das superfícies dos corpos de

prova das formulações cerâmicoprova das formulações cerâmicoprova das formulações cerâmicoprova das formulações cerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

A molhabilidade das superfícies das placas das

formulações com poliéster-rocha e poliéster-

RCD foi determinada por medidas de ângulo de

contato utilizando um tensiômetro óptico

modelo Phoenix-100 da SEO (Figura 6).

Figura 6 – Tensiômetro Óptico, SEO.

As medidas foram realizadas utilizando-se água

mili-Q, antes e depois do ensaio de

envelhecimento (Tabela 7). Com relação à

molhabilidade de uma superfície, diz-se que ela

é hidrofílica quando o ângulo de contato é

menor ou igual a 90o, e hidrofóbica quando o

ângulo de contato está entre 90o e 150o. Dois

fatores afetam o valor do ângulo de contato:

rugosidade (topografia) e energia livre de

superfície (polaridade).

Comparando os valores obtidos antes do

envelhecimento, observou-se que as superfícies

tiveram caráter mais hidrofóbico. Isso se deve ao

fato de que o particulado tanto o resíduo de

rocha quanto o RCD era constituído de

compostos polares. Além disso, como as

superfícies não foram polidas, teve-se a

influência da topografia destas amostras.

Tabela 7 – Ângulo de contato (antes e depois do envelhecimento) dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos (resina poliéster reforçada com resíduos de rocha ou RCD).

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Ângulo de contato (º)Ângulo de contato (º)Ângulo de contato (º)Ângulo de contato (º)

Antes Antes Antes Antes Depois Depois Depois Depois

Poliéster-Rocha-grosso-5h 84,7 ± 1,9 85,0 ± 4,3

Poliéster-Rocha-fino-5h 109,3 ± 5,9 106,9 ± 3,4

Poliéster-RCD-2.5h 118,6 ± 4,3 81,3 ± 3,0

Poliéster-RCD-5h 88,9 ± 7,0 69,6 ± 4,3

Após o envelhecimento, os valores do ângulo de

contato para as formulações com resíduo de

rocha (grosso e fino) não apresentaram diferença

significativa. Entretanto, para as formulações

com RCD, percebeu-se uma diminuição no

valor, que ainda foi maior em relação ao do

poliéster puro (59,4 ± 3,0).


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Análise química e térmica dos corpos de prova Análise química e térmica dos corpos de prova Análise química e térmica dos corpos de prova Análise química e térmica dos corpos de prova

das formulações das formulações das formulações das formulações cerâmicocerâmicocerâmicocerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

Foi realizada uma série de análises por

espectrometria de infravermelho (ATR-FTIR), a

fim de investigar a natureza química dos corpos

de prova, antes e depois do ensaio de

envelhecimento. As principais mudanças nos

espectros estão relacionadas à diminuição da

intensidade em 1724 cm-1 (estiramento, C=O),

1457 cm-1 e 1376 cm-1 (hidrocarbonetos

aromáticos) e 697 cm-1, bem como ao surgimento

de um ombro em 1620 cm-1 [9], para as

formulações Poliéster-Rocha-fino5h, Poliéster-

RCD-2,5h e 5h (Figura 7).

(a)

(b)

Análises termogravimétricas (TGA) foram

realizadas em ar sintético com rampa de

aquecimento a 10 ºC.min-1 (Figura 8 (a,b)).

A partir da análise das curvas de perda de massa

observou-se que, para os compósitos Poliéster-

Rocha-grosso5h (linha vermelha), Poliéster-

Rocha-fino5h (linha preta) e Poliéster-RCD-5h

(linha verde), a fração do resíduo final de queima

foi aproximadamente a mesma apresentada na

formulação teórica da mistura. Já para o

compósito Poliéster-RCD-2,5h (linha vermelha),

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

C-H

C-H

CO-O

C-H

Abso

rvan

cia

(a. u

.)

PET-RG 5h

PET-RF 5h

PET-RCD 5h

PET-RCD 2.5h

Número de onda (cm-1

)

PET

C=O

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

C-H

C-H

CO-O

C-H

Abso

rvan

cia

(a. u

.)

PET-RG 5h

PET-RF 5h

PET-RCD 5h

PET-RCD 2.5h

Número de onda (cm-1

)

PET

C=O

(a)

(b)

Figura 7 – Espectros de FTIR dos compósitos de resina poliéster, antes (a) e após envelhecimento (b).

Figura 8 – Curvas de perda de massa dos compósitos de resina poliéster a base de rochas (a) e a base de RCD (b).


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

o resíduo final de queima indicou

aproximadamente 75%, três pontos percentuais

abaixo da formulação teórica produzida, o que

pode estar associado à presença de algum

material orgânico na composição do RCD. Esta

flutuação no valor também pode ser atribuída à

estatística na amostragem do compósito, uma

vez que este particulado apresentou uma

distribuição granulométrica maior. Na curva de

perda de massa correspondente somente ao

resíduo RCD-2,5h (linha preta) (Figura 8 (b)),

observou-se também uma mesma tendência de

flutuação no valor de perda de massa, assim

como o observado para o compósito Poliéster-

RCD-2,5h.

Microestrutura dos corpos de prova das Microestrutura dos corpos de prova das Microestrutura dos corpos de prova das Microestrutura dos corpos de prova das

formulações cerâmicoformulações cerâmicoformulações cerâmicoformulações cerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

A microestrutura dos corpos de prova cerâmico-

poliméricos foi avaliada por microscopia óptica

(MO) e microscopia eletrônica de varredura

(MEV). O exame foi realizado após polimento

das superfícies. Os corpos de prova de poliéster-

rocha (Figura 7 (a,b)) e poliéster-RCD (Figura 9

(c,d)) não estavam livre de porosidade. A análise

por MEV (Figura 10) mostrou que todas as

amostras apresentaram uma boa dispersão do

particulado de diferentes formas e tamanhos na

matriz de poliéster. Observou-se também que as

amostras produzidas a base de aditivos de RCD,

apresentaram a maior distribuição de tamanho

de partículas das formulações propostas.

(a) (b) (c) (d)

Figura 9 – Micrografia da microestrutura das formulações cerâmico-poliméricas. Imagens obtidas por MO. (a) Poliéster-rocha-grosso-5h. (b) Poliéster-rocha-fino-5h. (c) Poliéster-RCD-2,5h. (d) Poliéster-RCD-5h.`

(a) (b) (c) (d)

Figura 10 – Micrografia da microestrutura das formulações cerâmico-poliméricas. Imagens obtidas por MEV. (a) Poliéster-rocha-grosso-5h. (b) Poliéster-rocha-fino-5h. (c) Poliéster-RCD-2,5h. (d) Poliéster-RCD-5h. 250 X.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Topografia dos corpTopografia dos corpTopografia dos corpTopografia dos corpos de prova das os de prova das os de prova das os de prova das

formulações cerâmicoformulações cerâmicoformulações cerâmicoformulações cerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

Para estes mesmos corpos de prova polidos,

utilizando um Perfilômetro Óptico 3D, GTK da

Bruker (Figura 11), foi possível avaliar a

topografia das amostras (Figura 12) e determinar

a rugosidade média dessas superfícies em função

da formulação. A rugosidade foi menor para as

amostras com maior tempo de moagem do

resíduo (Tabela 8).

Figura 11 – Perfilômetro óptico 3D - GTK, Bruker

(a) (b)

(c) (d)

Figura 12 – Imagens de perfilometria óptica 3D da superfície das corpos de prova cerâmico-poliméricos. (a) Poliéster-Rocha-grosso-5h. (b) Poliéster-Rocha-fino-5h. (c) Poliéster-RCD-2,5h. (d) Poliéster-RCD-5h. Magnificação de 5 X.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Tabela 8 – Rugosidade da superfície dos corpos de prova de formulações cerâmico-poliméricos obtidos por perfilometria óptica 3D.

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação RugosidadeRugosidadeRugosidadeRugosidade

Ra (Ra (Ra (Ra (µµµµm) m) m) m) Rq (Rq (Rq (Rq (µµµµm) m) m) m)

Poliéster-Rocha-grosso-5h 0,595 2,205

Poliéster-Rocha-fino-5h 0,554 1,799

Poliéster-RCD-2.5h 1,699 3,188

Poliéster-RCD-5h 0,849 2,009

Utilizando um Microscópio de Força Atômica,

SPM-9700HD da Shimadzu (Figura 13), foi

possível, a partir das imagens das superfícies,

(Figura 14) estimar o diâmetro médio da fração

das partículas com diâmetros menores que 200

nm presentes nas formulações.

Figura 13 – Microscópio de força atômica, SPM 9700HD Shimadzu.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 14 – Imagens de microscopia de força atômica (AFM) da superfície das corpos de prova cerâmico-poliméricos. (a) Poliéster-Rocha-grosso-5h. (b) Poliéster-Rocha-fino-5h. (c) Poliéster-RCD-2,5h. (d) Poliéster-RCD-5h. Área de varredura 5x5 µm.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Como esperado, observou-se a presença de

partículas em escala nanométrica em todas as

formulações, além de uma tendência à redução

de tamanho de partícula com o aumento do

tempo de moagem para as formulações poliéster-

RCD. Observou-se também a presença de

menores finos na formulação poliéster-rocha-

fino-5h que a formulação com rocha-grosso-5h,

apresentando o menor diâmetro médio de

partículas, com valor médio de 74,6 ± 10,0 nm

(Tabela 9; Figura 15).

Tabela 9 – Diâmetro médio das partículas das formulações cerâmico-poliméricas com tamanho abaixo de 200 mm.

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Diâmetro Diâmetro Diâmetro Diâmetro mmmmédio (nm) édio (nm) édio (nm) édio (nm)

(abaixo de 200 nm)(abaixo de 200 nm)(abaixo de 200 nm)(abaixo de 200 nm)





Figura 15 – Imagem de AFM da superfície da amostra Poliéster-Rocha-fino-5h.

Coeficiente de atrito Coeficiente de atrito Coeficiente de atrito Coeficiente de atrito e desgaste por e desgaste por e desgaste por e desgaste por

deslizamento deslizamento deslizamento deslizamento das formulações cerâmicodas formulações cerâmicodas formulações cerâmicodas formulações cerâmico----

poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

Nestas amostras foram realizados ensaios de

deslizamento com o objetivo de estudar

coeficiente de atrito e o desgaste das formulações

de compósitos de resina de poliéster e resíduos

cerâmicos. Os ensaios foram executados

utilizando o módulo de ensaios de deslizamento

alternado acoplado ao equipamento de ensaios

tribológicos (tribômetro) UMT Tribolab da

Bruker (Figura 16), em condições de

deslizamento linear alterado. Os ensaios foram

executados sem meio líquido (a seco), a

temperatura ambiente, com valores fixos de

força, velocidade de deslizamento e tempo.

Observou-se

uma tendência

de aumento no

coeficiente de

atrito com a

redução do

tamanho das

partículas (i.e.

aumento do

tempo de

moagem), para

todas as

formulações

(Tabela 10).

Figura 16 – Equipamento de ensaios tribológicos (atrito, desgaste e lubrificação) Tribômetro UMT-Tribolab, Bruker.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Tabela 10 – Resultados dos ensaios tribológicos das formulações cerâmico-poliméricas.

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Coeficiente Coeficiente Coeficiente Coeficiente

de atritode atritode atritode atrito

Desgaste, lDesgaste, lDesgaste, lDesgaste, largura argura argura argura

da trilha (mm)da trilha (mm)da trilha (mm)da trilha (mm)

Poliéster-Rocha-grosso-5h 0,83 ±0,02 0,11 ± 0,02

Poliéster-Rocha-fino-5h 1,27 ±0,04 0,10 ± 0,05

Poliéster-RCD-2.5h 0,73 ±0,03 0,07 ± 0,03

Poliéster-RCD-5h 0,88 ±0,02 0,09 ± 0,04

Já em relação à largura da trilha, observa-se que

as formulações a base de RCD apresentaram um

menor desgaste, além de uma tendência ao

aumento do desgaste com relação ao tempo de

moagem.

Resistência ao risco das formulações cerâmicoResistência ao risco das formulações cerâmicoResistência ao risco das formulações cerâmicoResistência ao risco das formulações cerâmico----

poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

Com o intuito de avaliar a resistência ao risco

das formulações, foram realizados ensaios de

esclerometria unidirecional, também conhecido

como ensaio de riscamento (do inglês scratch

test). Esse ensaio consiste em riscar a superfície

da amostra com um penetrador geralmente de

diamante com ponta esférica. O penetrado é

pressionado contra a superfície da amostra sob

ação de uma força crescente ou constante

enquanto desliza (Figura 17) até a observação

dos fenômenos que desejam-se estudar.

Fenômenos como deformação plástica e

aparecimento de trincas são comumente

estudados, juntamente com a evolução da

variáveis do ensaio, como força normal, força

tangencial (associada à força de atrito) e

coeficiente de atrito. Alterações em alguns desses

parâmetros de ensaio permitem identificar e

comparar materiais mono e multifásicos, obtidos

por diferentes tratamentos ou processamentos,

quanto a sua resistência ao risco, assim como

avaliar de forma semiquantitativa a adesão de

revestimentos (tintas, filmes finos, etc.) a

substratos [13].

Para os materiais produzidos no âmbito deste

projeto, foi avaliado o coeficiente de atrito

resultante dos ensaios de riscamento, que foram

realizados utilizando o módulo de riscamento

(Figura 18) acoplado ao tribômetro UMT

TriboLab, aplicando-se uma carga crescente de

4 N até 40 N a 5.8 N/mm, em uma distância de

6 mm. Cada ensaio foi repetido no mínimo duas

vezes. A resposta

deste tipo de

ensaio pode ser

associada à

resistência ao risco

das formulações.

Considerando o

trabalho do atrito

(energia liberada

pelo atrito), Wsi,

notou-se (Figura

19) que as Figura 17 – Deformação elástica e plástica desenvolvidas em material durante o ensaio de esclerometria linear ou riscamento [10].

Figura 18 – Módulo de riscamento UMT-Tribolab, Bruker.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

formulações contendo RCD apresentaram

menor Wsi, quando comparadas com as que

continham Rocha-grosso (RG) e Rocha-fino

(RF).

Assim, o menor valor de Wsi para as

formulações com RCD se interpreta como uma

menor energia liberada pelo atrito durante a

passagem do indentador pela superfície da

amostra. Essa menor energia do atrito indica que

as formulações com RCD tiveram menor

deformação plástica e menor riscamento e, por

conseguinte, maior resistência ao risco que as

formulações com rocha. Esse resultado se

correlaciona com a maior resistência à flexão e

com o maior índice de abrasão obtido para essas

formulações.

Figura 19 – Trabalho do atrito no ensaio de esclerometria linear das quatro formulações.

Resistência à abrasão Resistência à abrasão Resistência à abrasão Resistência à abrasão de placasde placasde placasde placas das formulações das formulações das formulações das formulações

cerâmicocerâmicocerâmicocerâmico----poliméricaspoliméricaspoliméricaspoliméricas

A resistência à abrasão de placas produzidas nas

formulações estudadas foi determinada por meio

de ensaios de resistência à abrasão de acordo com

a norma ASTM C744-15 (mesma utilizada para

placas concreto pré-fabricado) [11,12]. Foram

preparados corpos de prova quadrados de (100 x

100 mm e 6 mm) (Figura 20), e ensaiados em

um abrasímetro tipo Taber 5135, da Taber

Industries (Figura 21). Esse ensaio consiste em

submeter as amostras em rotação a 60 rpm a 500

ciclos, pressionando dois rebolos (9,8 N de carga

cada) sobre a superfície. Usando a Equação (2),

obtém-se um índice de abrasão (Iw) do material,

que depende da massa das amostras antes (w0) e

depois (wf) da realização do ensaio. Quanto

maior for esse índice, maior é a resistência ao

desgaste por abrasão. Os valores para o índice de

abrasão obtidos para as formulações com RCD,

apresentaram uma redução em relação ao

aumento do tempo de moagem. Já para as

formulações com resíduo de rocha, observou-se

uma diminuição no valor com o aumento do

tamanho médio do particulado (Tabela 11).

(2)

Figura 20 – Corpo de prova amostra Poliéster-RCD-2,5h ensaiada em abrasímetro Taber - ASTM C744-15 [12].

PET_RCD_2.5h PET_RCD_5h PET_RG_5h PET_RF_5h

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Tra

balh

o d

o a

trit

o,

Wsi

(N

.mm

)

Formulação

0

88w

f

Iw w

=−


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Figura 21 – Abrasímetro tipo Taber 5135, Taber Industries.

Tabela 11 – Índice de abrasão das formulações cerâmico-poliméricas.

FormulaçãoFormulaçãoFormulaçãoFormulação Índice de abrasão, IÍndice de abrasão, IÍndice de abrasão, IÍndice de abrasão, IWWWW

Poliéster-Rocha-grosso-5h 632 ± 064

Poliéster-Rocha-fino-5h 782 ± 277

Poliéster-RCD-2.5h 978 ± 178

Poliéster-RCD-5h 754 ± 178

Seleção de formulações para Seleção de formulações para Seleção de formulações para Seleção de formulações para revestimentosrevestimentosrevestimentosrevestimentos

cerâmicocerâmicocerâmicocerâmico----poliméricopoliméricopoliméricopoliméricos com base no desempenho s com base no desempenho s com base no desempenho s com base no desempenho

mecânico e mecânico e mecânico e mecânico e tribológicotribológicotribológicotribológico

Foi realizada uma análise comparativa entre o

desempenho tribológico (coeficiente de atrito)

das formulações produzidas neste projeto e de

três produtos comerciais (dois pisos cerâmicos e

um pavimento intertravado de concreto) obtidos

em trabalho prévio [14]. Observou-se que, com

exceção da formulação Poliéster-Rocha-fino-5h,

os valores do coeficiente de atrito (Figura 22),

ficaram bem próximos ao valor obtido para o

piso-cerâmico1 (~0,73) e um pouco acima do

pavimento intertravado de concreto (~0,56).

Figura 22 – Coeficiente de atrito das formulações obtidas neste projeto e o de pisos comerciais.

A partir de uma análise conjunta do coeficiente

de atrito, da resistência à abrasão e à flexão para

as formulações estudadas (Figura 23), observa-se

que a formulação Poliéster-RCD-2,5h

apresentou os melhores resultados. Isto é, um

coeficiente de atrito compatível com pisos

comerciais e os maiores índices de resistência à

abrasão e à flexão.

Figura 23 – Coeficiente de atrito, índice de abrasão e resistência à flexão das formulações selecionadas neste projeto.

Fabricação das placasFabricação das placasFabricação das placasFabricação das placas de revestimentos com de revestimentos com de revestimentos com de revestimentos com

potencial aplicação na construção civilpotencial aplicação na construção civilpotencial aplicação na construção civilpotencial aplicação na construção civil

Após a definição pela formulação que apresentou

as melhores propriedades mecânicas e

tribológicas, foram definidas as dimensões da


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

placa de revestimento com potencial aplicação na

indústria da construção civil, baseadas em

modelos de peças cerâmicas comerciais, com 26

cm de comprimento, 13 cm de largura e 1,2 cm

de espessura. Para a produção dessas peças foram

elaborados moldes para uso em prensas

mecânicas, confeccionados em aço inoxidável e

desmontáveis, para fácil limpeza após uso,

conforme desenho apresentado (Figura 24).

A produção das placas foi realizada seguindo as

etapas seguintes: secagem do resíduo por 24 h;

moagem do resíduo em um moinho de bolas por

2,5h; mistura mecânica das matérias-primas

(resíduo e resina polimérica); moldagem (Figura

24); prensagem por 1 min em prensa; pré-cura

em estufa a 80ºC por 15 min; desmoldagem das

placas (Figura 25), seguida de cura à 80ºC por

24 h.

Figura 24 – Molde (desenho e fotografia) elaborado para a produção das placas finais de material compósito cerâmico-polimérico.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

Figura 25 – Processo de desmoldagem das peças finais

Fabricação de placas protótipos (Fabricação de placas protótipos (Fabricação de placas protótipos (Fabricação de placas protótipos (painéis painéis painéis painéis

portantes de exposiçãoportantes de exposiçãoportantes de exposiçãoportantes de exposição))))

Foram confeccionados três (03) painéis

expositores portantes em madeira, de fácil

manuseio, para fixação de 30 placas de 26x13 cm.

Cada um destes painéis possui uma área útil de

1 m2, conforme desenho apresentado na Figura

26.

Figura 26 – Painel elaborado para expor um protótipo de revestimento pela fixação das placas produzidas.


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

No total, foram produzidas no mínimo 90 peças

nas formulações contendo resíduo de rochas e de

RCD em matriz de resina poliéster, conforme

ilustra a Figura 27. Os painéis foram então

montados com as placas para os devidos ajustes,

conforme a Figura 28.

Figura 27 – Placas finais de material compósito produzidas para exposição.

Figura 28 – Painel montado para exposição com placas protótipo de revestimento produzidas.

Os três painéis produzidos possuem os números

de patrimônio 200726, 200727 e 200728, e

seguem em exposição no Instituto de Materiais

Cerâmicos – IMC em Bom Princípio. Esses

painéis podem ser transportados

esporadicamente, para demonstração, em algum

evento de divulgação feito pela Universidade de

Caxias do Sul, além de permanecer

temporariamente expostos dentro das instalações

da Universidade de Caxias do Sul.

ConclusõesConclusõesConclusõesConclusões

Com a obtenção e processamento de matérias-

primas oriundas de resíduos de mineração e de

construção civil, com o foco na sustentabilidade

e baseados em critérios técnicos e científicos, foi

possível mostrar que é altamente viável o

desenvolvimento de produtos inovadores a partir

de materiais de descarte ou de subprodutos.

O critério de seleção das formulações e produção

das peças finais (materiais compósitos) foram

baseados em características físico-químicas e

tecnológicas adequadas e, principalmente, no

desempenho mecânico, resistência à abrasão e ao

risco, atrito e desgaste por deslizamento. Ou seja,

quando apropriados do ponto de vista mecânico,

de resistência à abrasão e ao risco, esses materiais

têm valores de coeficiente de atrito na faixa de

produtos de revestimentos comerciais

disponíveis no mercado, além de menor perda de

massa especifica devido ao desgaste (associado à

durabilidade).

Vimos que com cerca de 75 a 78% em massa de

incorporação de aditivos cerâmicos em uma


Instituto de

Materiais

Cerâmicos

matriz polimérica de poliéster, foi possível obter

placas com níveis aceitáveis de atrito

comparáveis a de produtos comerciais. Os

revestimentos formulados a partir de resíduos de

construção e demolição foram os que melhor

atenderam os critérios de seleção (i.e. resistência

à abrasão, flexão e ao risco).Em particular, a

formulação que obteve os melhores índices foi o

compósito Poliéster-RCD-2,5h.

Referências bibliográficasReferências bibliográficasReferências bibliográficasReferências bibliográficas

[1] Ye, Ling and Banach, Steve and Arney, J. Interpretation of Gloss Meter Measurements. Journal of Imaging Science. v.50, n.6, p.567-571 (2006).

[2] Kakaboura, A. Fragouli, M. Rahiotis, C. Silikas, N. Evaluation of surface characteristics of dental composites using profilometry, scanning electron, atomic force microscopy and gloss-meter. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. v.18, p.155-163 (2007).

[3] C.I.E. Commission Internationale de l’Eclairage. Recommendations on Uniform Color Spaces, Color Difference Equations, and Metric Color Terms, in Suppl No. 2 to Pub. No. 15, Paris: Bureau Central de la CIE; 1978

[4] Schulze, K.A. Marshall, S.J. Gansky, S.A. Marshall, G.W. Color stability and hardness in dental composites after accelerated aging. Dental Materials. v.19, p.612-619 (2003).

[5] Simonot, L. Elias, M. Color change due to surface state modification. Color Research and Application. v.28, p.45-49 (2002)

[6] Ghinea, R. Ugarte-Alvan, L. Yebra, A. Pecho, O.E. Paravina, R.D. Perez, M. Influence of surface roughness on the color of dental-resin composites. Journal of Zhejiang University SCIENCE B. v.12, p.552-562 (2011).

[7] Norma ASTM D790-17. Método padrão de determinação de propriedades de flexão para compósitos poliméricos com e sem reforço e materiais isolantes elétricos.

[8] Norma ASTM D785-08(2015). Método padrão para determinar a dureza Rockwell de materiais plásticos e materiais isolantes elétricos.

[9] Holland, B.J. Hay, J.N. The thermal degradation of PET and analogous polyesters measured by thermal analysis–Fourier transform infrared spectroscopy. Polymer. v.43, p.1835-1847 (2002).

[10] S. Krenn, E. Badisch, and A. Pauschitz. Scratch test method: energy dissipation and crack morphology. Proc. Inst. Mech. Eng. Part J-Journal Eng. Tribol. v. 222, n. J3, p. 211–219 (2008).

[11] Norma ASTM D5963-04(2015). Método padrão para resistência à abrasão de elastômeros (abrasímetro de tambor rotativo).

[12] Norma ASTM C744-16. Método padrão para concreto pré-moldado e Unidades de alvenaria de silicato de cálcio.

[13] Norma ASTM C1624-05. Método de Teste Padrão para Forças de Força de Adesão e Falha Mecânica de Revestimentos Cerâmicos por Teste de Risco de Ponto Único Quantitativo.

[14] Farias, M.C.M. Desenvolvimento de pavimentos com alto desempenho frente ao desgaste e atrito (https://www.ucs.br/site/midia/arquivos/projeto-pavimentos.pdf). Boletim técnico, projeto Pavimentos Tribológicos, 2017.

Marcio BoletimTecnico Projeto ARPLAS final 31102018

Documents

Transcript of Marcio BoletimTecnico Projeto ARPLAS final 31102018