UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
DIEGO VALDEVINO MARQUES
VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE COMPÓSITOS: POLIURETANO,
LODO DE ALUMÍNIO E POLITEREFTALATO DE ETILENO
Palhoça
2017
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Incorporação de resíduos em placas de poliuretano para aplicação na construção civil, Teses (TCC) de Química
Um estudo sobre a incorporação de resíduos de politereftalato de etileno (pet) e lodo de alumínio em placas de poliuretano (pu) para aplicação na construção civil. O objetivo é analisar a viabilidade técnica e econômica desta produção, avaliando as características de resistência à combustão, isolamento térmico e acústico, e resistência mecânica dos compósitos desenvolvidos. O estudo mostra que a substituição parcial dos reagentes do pu por pet e a adição de lodo de alumínio proporcionaram maior resistência à chama, sem comprometer significativamente as propriedades de isolamento e resistência mecânica. Além disso, a análise de viabilidade econômica indica que os compósitos apresentam redução de até 72,30% nos custos de produção em comparação ao pu comercial, demonstrando o potencial de aplicação destes materiais na indústria da construção civil de forma sustentável.
Tipologia: Teses (TCC)
2023
1 / 89
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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
DIEGO VALDEVINO MARQUES
VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE COMPÓSITOS: POLIURETANO,
LODO DE ALUMÍNIO E POLITEREFTALATO DE ETILENO
Palhoça 2017
DIEGO VALDEVINO MARQUES
VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO COMPÓSITO POLIURETANO,
LODO DE ALUMÍNIO E POLITEREFTALATO DE ETILENO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Produção da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Produção. Orientador: Prof. Rachel Faverzani Magnago, Dr. Palhoça 2017
Dedico este trabalho a todos os meus familiares, em especial minha mãe Maria meu pai Valdevino, meus irmãos Jaicioni e Jairo e a minha irmã Amanda.
AGRADECIMENTOS
Um dia parei e refletir sobre minha vida, como estava e o que queria para o futuro, foi ai que percebi que nada do que sonhava e almejava estava acontecendo e que estava parado no tempo. Então ao conversar com Deus falei sobre tudo o que meu coração e mente estavam a me dizer. Deus, em sua infinita misericórdia escutou o meu clamor e abriu para mim a porta do conhecimento e por isso sou eternamente grato, pois sem ti Senhor eu não conseguiria chegar até aqui. Agradeço também a minha mãe que sempre acreditou em mim e quando eu quis desistir, veio cheia de amor e me disse, “você nasceu para vencer”, acredite em ti e confia em Deus que todas as tribulações irão passar. Deixo aqui minha gratidão aos demais familiares que acreditaram em mim em especial a minha queridíssima prima Kelli que foi presente desde o início desta jornada, com abraços apertados, palavras de conforto e de reconhecimento. Esta foi uma importante etapa para meu futuro profissional, onde algumas pessoas fizeram parte dessa trajetória tão difícil. Obrigado a todos os colegas do curso de Engenharia de Produção, a vida acadêmica não foi fácil, mas com vocês tudo ficou mais divertido. É com muita gratidão em meu coração que falo da pessoa que me fez crescer muito nesses últimos 5 anos, com ela realizei coisas dentro da academia que nunca imaginei ser capaz. Meus planos iniciais eram apenas fazer e concluir o curso, mas a oportunidade dada pela professora e hoje orientadora desse TCC, Dr. Rachel Faverzani Magnago me fizeram construir uma vida acadêmica muito mais completa e com perspectivas futuras muito mais promissoras. Hoje nossa relação não é somente aluno e professor, somos amigos, e essa amizade levarei para todo sempre em meu coração, pois você Rachel me ajudou a ter o que ninguém jamais poderá tirar de mim, o conhecimento. Um Salve ao Mestre Ricardo Barcelos que muito me ajudou na elaboração deste TCC, aconselhando e direcionando, proporcionando assim, exatidão dos resultados da pesquisa, além de ter parceria em outros trabalhos “Artigos” já publicados, este é outro amigo que ganhei para a vida. Obrigado a todos os colegas do Grupo de Pesquisa em Ciência, Tecnologia e Inovação em Materiais (GPCTIM) em especial a professora Heloisa Turatti Silva e a professora Paola Egert Ortiz. Por fim, agradeço a todos os colegas dos laboratórios de Química, Ambiental, Plasma, Física e Civil, por onde passei boa parte desses últimos 5 anos fazendo pesquisa, ressaltando a ajuda da técnica do Laboratório da Engenharia Civil Franciely Espindola da Silva (Fran) que muito contribuiu nas centenas de ensaios de compressão que
“O homem que não pode acreditar em si mesmo não pode acreditar em mais nada” (Roy L. Smith) “Que eu mantenha meu equilíbrio, mesmo sabendo que muitas coisas que vejo no mundo escurecem meus olhos” (Chico Xavier). “Se a gente não estudar, não ler, não conhecer, então a gente não é capaz de falar e de fazer sentido” (Kimlan Jinakul, 2017). "Podemos conquistar tudo, o que não podemos, é ficar apenas desejando" (Autor, 2017).
RESUMO
O poliuretano é um material utilizado na construção civil em função de seu excelente desempenho como isolante térmico e acústico, no entanto, sua alta inflamabilidade restringe seus usos. Este estudo relata os efeitos da adição de resíduo de tereftalato de polietileno e de lodo de anodização do alumínio na produção de isolantes térmico-acústicos resistentes ao fogo. Os compósitos foram preparados contendo 10%, 20%, 30%, 40% e 50% de resíduos de tereftalato de polietileno substituindo a matriz de poliuretano, e 20% de lodo de anodização do alumínio. Estes apresentaram maior resistência a inflamabilidade (UL-94) e semelhante estabilidade térmica (análise termogravimétrica) ao poliuretano. A incorporação dos resíduos aumentou a densidade dos compósitos sem romper seus alvéolos, sendo observado por microscopia eletrônica de varredura. Também foi evidenciado que manteve-se a capacidade de isolamento térmico e ampliou-se a capacidade de isolamento acústico nos compósitos em relação ao poliuretano. Os valores da resistência à compressão dos compósitos possibilitam possíveis aplicações como isolantes entre paredes ou laje. Os compósitos desenvolvidos são adequados para aplicação em edificações como isolante térmico-acústico resistente ao fogo. A incorporação dos resíduos nos compósitos proporcionou a redução de cerca de 72,30% dos custos de produção, sendo possível a reciclagem destes. Deste modo sugere-se que a indústria da construção civil considere a incorporação de resíduos ao ciclo de vida de produtos de outros segmentos como parte de suas formulações, tornando-se mais sustentável. Palavras-chave: Reutilizar, Politereftlato de etileno (PET), Poliuretano (PU), Produção mais Limpa, Lodo de Anodização do Alumínio, Viabilidade Econômica.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Dimensões da Triple Botton Line ............................................................................. 17 Figura 2: Modelo de Economia Circular .................................................................................. 19 Figura 3: Práticas do gerenciamento de empresas dentro da Produção mais Limpa ................ 21 Figura 4: Processo de produção dos compósitos ...................................................................... 36 Figura 5: Processo de beneficiamento do PET ......................................................................... 37 Figura 6: (A) Resíduo de lodo de alumínio na forma compactada, (B) peneira utilizada para classificação granulométrica e (C) lodo de alumínio que foi utilizado para preparação dos compósitos ................................................................................................................................ 37 Figura 7: Corpo de prova sendo submetido a ensaio mecânico de compressão ....................... 40 Figura 8: Desenho esquemático para o teste de combustão horizontal para amostras estudadas .................................................................................................................................................. 41 Figura 9: Desenho esquemático para o teste de combustão vertical para amostras estudadas. 42 Figura 10: Ensaio de isolamento térmico ................................................................................. 44 Figura 11: Caixa para teste de isolamento acústico.................................................................. 45 Figura 12: Valores para a produção do PU e dos compósitos e análise do preço de venda praticado pela indústria............................................................................................................. 46 Figura 13: Corpos de prova para ensaio mecânico de compressão .......................................... 49 Figura 14: Teste de queima horizontal (UL94) para PU, PU_ATH, PU_LdA e compósitos com PET na granulometria 1,4 mm em 10%, 20%, 30%, 40% e 50% em relação a massa matriz e 20% de LdA .............................................................................................................................. 54 Figura 15: Teste de inflamabilidade, queima vertical para as amostras PU e PU_LdA_30PET no tempo de 5 segundos após a retirada do bico de Bunsen..................................................... 56 Figura 16: Corpos de prova que foram submetidos ao teste de queima vertical ...................... 57 Figura 17: MEV dos compósitos PU_LdA (A) e PU_LdA_50PET (B) com PET na granulometria de 1,4 mm, ambas com aumento de 30 vezes ................................................... 61 Figura 18: MEV de PU_LdA (A, B, C, D e E) e PU_LdA_50PET (F, G, H, I e J) com PET na granulometria de 1,4 mm, após teste de queima horizontal ..................................................... 62
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1: Composição da cadeia produtiva da construção civil na economia nacional do ano de 2015 ..................................................................................................................................... 23 Gráfico 2: Resistência mecânica máxima para compósitos com PET na granulometria 1,0 mm nas porcentagens de 10%, 20%, 30%, 40% e 50% em relação a massa matriz e 20% de LdA Gráfico 3: Resistência mecânica máxima para compósitos com PET na granulometria 1,4 mm em 10%, 20%, 30%, 40% e 50% em relação a massa matriz e 20% de LdA .......................... 51 Gráfico 4: Resistência máxima a compressão mecânica de compósitos PU_LdA_PET, com 30% e 50% de PET na temperatura ambiente e a 100 oC ......................................................... 52 Gráfico 5: Ensaio de compressão mecânico a temperatura ambiente e variação do tempo de ensaio ........................................................................................................................................ 53 Gráfico 6: Percentual demassa perdida após teste de queima horizontal para os compósitos com PET na granulometria 1,4 mm em 10%, 20%, 30%, 40% e 50% em relação a massa matriz e 20% de LdA .............................................................................................................................. 55 Gráfico 7: Percentual de massa perdida após teste de queima vertical para PU e compósitos 58 Gráfico 8: Curvas termogravimétricas para LdA, PET, PU e PU_LdA_40PET...................... 59 Gráfico 9: Curvas da derivada termogravimétricas para LdA e ATH ...................................... 60 Gráfico 10: Ensaio de isolamento térmico ............................................................................... 63 Gráfico 11: Ensaio de isolamento acústico PU e PU_LdA_30PET, PU_LdA_40PET e PU_LdA_50PET com granulometria de 1,4 mm ..................................................................... 64 Gráfico 12: Relação percentual dos níveis de intensidade do PU e dos compósitos estudados com 30%, 40% e 50% de PET e 20% de LdA ......................................................................... 65 Gráfico 13: Comparação de custos de produção para o PU com os compósitos...................... 68
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Composição química do lodo de anodização de diferentes autores. ........................ 29 Tabela 2: Quantidades de reagentes Poliol Poliéter e TDI para preparação de PU, PU_LdA e compósitos PU_LdA_PET com porcentagens de 10%, 20%, 30%, 40% e 50% de PET. ....... 39 Tabela 3: Teste de queima vertical, resistência a chama, V-0, V-1 e V-2. .............................. 42 Tabela 4: Resultado de fluorescência de Raios-X e espectrometria de absorção atômica do lodo de alumínio. .............................................................................................................................. 48 Tabela 5: Teste de queima vertical (UL94) para PU e compósitos, se queimou até o prendedor, se queimou o algodão e classificação. ...................................................................................... 56 Tabela 6: Insumos necessários para a produção do PU e dos compósitos. .............................. 66 Tabela 7: Valor para produção de PU comercial e dos compósitos com as densidades encontradas no laboratório........................................................................................................ 67
LISTA DE FÓRMULAS
Fórmula 1: Densidade................................................................................................................ Fórmula 2: Percentual de Som Absorvido .................................................................................
- 1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................
- 1.1 OBJETIVO
- 1.1.1 Objetivo Geral
- 1.1.2 Objetivos específicos
- 1.2 JUSTIFICATIVA
- 2 REFERENCIAL TEÓRICO
- 2.1 SUSTENTABILIDADE
- 2.1.1 ECONOMIA CIRCULAR
- 2.1.2 Produção mais Limpa
- 2.2 INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL
- 2.3 RECICLAGEM DE RESÍDUOS
- 2.3.1 Resíduo de Politereftalato de Etileno
- 2.3.2 Resíduo de lodo de alumínio
- 2.4 NORMAS E PARÂMETROS TÉCNICOS
- 2.5 ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA
- 2.5.1 Modelos de custos de viabilidade
- 2.5.2 Composição de Custos Produtivos
- 3 METODOLOGIA
- 3.1 INSUMOS SECUNDÁRIOS
- 3.2 PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
- 3.3 ENSAIO MECÂNICO DE COMPRESSÃO
- 3.4 ENSAIO DE INFLAMABILIDADE E ESTABILIDADE TERMOGRAVIMÉTRICA
- 3.4.1 Queima Horizontal
- 3.4.2 Queima Vertical
- 3.5 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
- 3.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
- 3.7 ENSAIO DE ISOLAMENTO TÉRMICO
- 3.8 ENSAIO DE ISOLAMENTO ACÚSTICO
- 3.9 ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA
- 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES....................................................................................
- 4.1 INSUMOS SECUNDÁRIOS
- 4.2 PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
- 4.3 ENSAIO MECÂNICO DE COMPRESSÃO...................................................................
- 4.4 ENSAIO DE INFLAMABILIDADE E ESTABILIDADE TERMOGRAVIMÉTRICA
- 4.4.1 Queima Horizontal
- 4.4.2 Queima Vertical
- 4.5 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
- 4.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
- 4.7 ENSAIO DE ISOLAMENTO TÉRMICO
- 4.8 ENSAIO DE ISOLAMENTO ACÚSTICO
- 4.9 ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA
- 5 CONCLUSÕES
- 6 TRABALHOS FUTUROS
- REFERÊNCIAS
12 1 INTRODUÇÃO O interesse por parte da sociedade quanto ao uso sustentável dos recursos naturais é crescente, bem como a reutilização de materiais pós consumo para fabricação de novos materiais, atribuindo-se valor e um ciclo de vida maior para os mais variados tipos de resíduos (GENOVESE, 2017; CARVALHO et al., 2015). A preservação ambiental é um assunto mundialmente discutido, observando-se a urgente necessidade de limitar o uso de recursos naturais. O avanço tecnológico propicia desencadear novas formas de utilização de materiais pós-consumo, contribuindo para o desenvolvimento sustentável, além de oportunidades de novos negócios, geração de emprego e inclusão social. A adoção, por empresas, de ações de responsabilidade ambiental deve ter como norte o conceito da Produção mais Limpa. A Produção mais Limpa é constituída pela aplicação continuada de estratégias ambientais preventivas e integradas, aplicadas a processos, produtos e serviços, incorporando através de inovação e tecnologia, o uso mais eficiente dos recursos naturais e a consequente minimização da geração de resíduos e poluição, bem como dos riscos à saúde humana (REBEHY et al., 2017; TEUBER et al., 2016; BAAS, 2007; NAGEL, 2013; KJAERHEIM, 2005; LEE, 2001). A utilização de materiais de descarte pós-industrial ou pós-consumo tem se intensificado nas últimas décadas, com o desenvolvimento de diversas técnicas capazes de incorporar descartes como parte da composição de novos materiais (TEUBER et al., 2016; YAM; MAK, 2014; MARTINS et al., 2014; ZARBIN; OLIVEIRA, 2013; FERREIRA et al., 2013; MAULER et al., 2013; SALMORIA et al., 2012; VALLE et al., 2011; THIRUMAL et al., 2007). A indústria da construção civil, é um segmento produtivo que pode incorporar ao ciclo de vida de produtos quantidade significativa de descartes de outros segmentos como parte de suas formulações, também se tornando mais sustentável e contribuindo com questões ambientais. Uma alternativa para viabilizar a utilização do Politereftalato de etileno (PET) como carga em um polímero é durante a reação de expansão do poliuretano, sendo este um material utilizado para fazer o isolamento térmico e acústico (SALESA et al., 2017; REBEHY et al., 2017; PIVNENKO et al., 2016; PEREIRA, 2016). O emprego de PET está bem estabelecido na indústria de envase de alimentos, sendo um plástico com qualidades como resistência ao calor, estabilidade química, rigidez e tenacidade além de ter capacidade de isolamento térmico, o seu consumo tem aumentado e com isso aumentam também os problemas ambientais. O uso de PET é em sua maioria em produtos
14 não geração de resíduos e, secundariamente, a redução, a reutilização, a reciclagem e a destinação final ambientalmente adequado dos rejeitos (CONAMA, 2002, Artigo 4°). Deste modo, deseja-se estudar qual composição de poliuretano, politereftalato de etileno e lodo de alumínio apresenta característica de resistência a combustão, qual a influência dos resíduos incorporados nas propriedades de isolante térmico e acústico, resistência mecânica de compressão do material. Por fim se os compósitos apresentam viabilidade econômica para serem desenvolvidos. 1.1 OBJETIVO 1.1.1 Objetivo Geral Analisar a viabilidade técnica e econômica da produção de placas de poliuretano, lodo de alumínio e politereftalato de etileno pela incorporação de resíduos para aplicação na construção civil. 1.1.2 Objetivos específicos Realizar levantamento de normas e parâmetros técnicos para materiais de isolamento térmico e acústico; Realizar um estudo técnico dos compósitos para aplicação como isolamento térmico e acústico; Estudar de viabilidade econômica dos compósitos. 1.2 JUSTIFICATIVA A proposta aborda o desenvolvimento de um novo material que pode ser utilizado na construção civil como isolante térmico e acústico dos ambientes construídos, com segurança quanto à inflamabilidade. Devido a utilização de resíduos para sua composição, este traz vantagens quanto a produção racional com base em insumos secundários, principalmente devido à multiplicidade de propriedades que podem ser manipuladas destes insumos através da química e da arquitetura estrutural de materiais. Os resíduos sólidos industriais e pós-consumo tornaram-se uma importante linha de pesquisa na área de engenharia, pois uma das premissas da produção mais limpa (P+L) é a
15 conversão de resíduos em um produto útil, onde haja interação constante entre parâmetros ambientais, econômicos e sociais que demonstram aplicações destas matérias-primas pela indústria de transformação contribuindo para proteção dos recursos naturais e trazendo de volta ao ciclo de vida o que foi descartado. Outro conceito fundamental é o de Emissões Zero que representa o entendimento de que todo e qualquer resíduo de um processo deverá constituir-se em insumo de um outro processo, sendo assim, os insumos utilizados num determinado processo, ou estão presentes no produto final, sem desperdícios, ou os resíduos gerados no processo podem ser utilizados com valor agregado por outros processos e em outros produtos. Neste contexto, foram preparadas placas com aproveitamento de PET de embalagens de água e lodo do processo de anodização do alumínio em matriz de PU, sendo que o lodo de alumínio deve atuar como retardador de chama, atribuindo característica de desaceleração e/ou extinção da combustão de placa de poliuretano, possibilitando a utilização deste material de forma eficiente e segura como isolante térmico e acústico. O material desenvolvido traz a valorização de resíduos sólidos industriais, potencializando a viabilidade da produção industrial de um novo produto com reaproveitamento de resíduos como fonte alternativa de insumos. O material com resistência ao fogo, torna os ambientes mais seguros, impondo maior tempo de fuga em caso de incêndio, e pode evitar um incêndio, mitigando seus efeitos na sociedade. Por sua vez a utilização de insumos da reutilização de resíduos pode promover a redução de custos de produção, tornando o produto competitivo a nível de mercado. Neste estudo é utilizado dois tipos de resíduo sendo eles, resíduo de PET e resíduo de lodo de anodização. Para o resíduo de lodo de anodização estima-se que a quantidade desse resíduo é a mesma quantidade de produção de alumínio anodizado, ou seja, a produção de uma tonelada de alumínio anodizado gera uma tonelada de lodo de anodização. Já para o PET a quantidade de resíduo não reciclado fica acima de 40% do total produzido no Brasil. Essa possibilidade de agregar PET e lodo de alumínio em placas de PU contribui para dar a estes resíduos um novo e mais duradouro ciclo de vida, geração de valor e minimização de impactos ambientais, proporcionando um meio de produção circular onde é feito o resgate de ambos os resíduos.