Um novo conceito em resinas ecolgicas para moldagem em areia

Trabalho iniciado em 2009 no Programa de Ps-Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais da Universidade Federal de So Carlos em parceria com a empresa Imperveg Poliuretano Vegetal e premiado no 15 CONAF (Congresso de Fundio da ABIFA) desenvolveu uma resina poliuretano vegetal do sistema no-bake derivada do leo de mamona para ser utilizada como ligante em moldagem de areia.

Introduo

De maneira geral, pode-se descrever o processo de fundio como o vazamento de um metal lquido em um molde contendo uma cavidade com a geometria da pea desejada. Como principal vantagem em relao a outros processos de conformao, est a possibilidade de obteno de peas de geometrias complexas de maneira econmica. Em relao ao mtodo de moldagem pode-se classific-lo pelo comportamento dos ligantes utilizados na confeco dos moldes, sendo que a fundio em areia verde utiliza com principal ligante uma argila umedecida (bentonita) e outros aditivos secundrios. Entretanto, devido a exigncias tecnolgicas, as fundies utilizam ligantes txicos, tais como as resinas fenlicas, furnicas, ou fenol-uretnicas que permitem a obteno de peas maiores, com geometrias mais complexas e melhor acabamento. Nos ltimos anos, porm, o aumento das exigncias das regulamentaes ambientais tem impactado diretamente na indstria de fundio, principalmente em relao ao descarte dos materiais utilizados, que se torna cada vez mais oneroso s empresas. Neste trabalho utilizou-se o processo de fundio em areia, mais especificamente em areia ligada quimicamente com sistemas orgnicos. Independentemente do sistema ligante utilizado, considerou-se todos os processos como sendo de cura a frio (no-bake), isto , o processo de cura das resinas se d sem a necessidade de fornecimento de energia trmica.

Contexto

O desenvolvimento de novas tecnologias e todos os estudos que vem sendo realizados atualmente, que objetivam a recuperao e inertizao das areias ligadas quimicamente, tem um entrave ecolgico inerente s resinas disponveis que sua origem qumica. Aps sua utilizao estes moldes so descartados, e assim, os ligantes txicos tornam-se um problema ambiental. Desta maneira, a substituio destes ligantes por compostos orgnicos obtidos de fontes renovveis como a resina poliuretana derivada do leo de mamona minimiza os impactos ambientais, conduzindo o processo de fundio rumo sustentabilidade necessria ao setor de fundio.

Os ligantes orgnicos

As resinas fenlicas, furnicas e uretnicas, entre outras, so constituintes orgnicos usados nas fundies como ligantes da areia. Compreendem uma classe de substncias orgnicas que possuem uma estrutura qumica complexa, advinda da reao de polimerizao de vrios monmeros, resultando em cadeias polimricas longas e de alto peso molecular. Os processos que utilizam estes ligantes foram desenvolvidos para resolver problemas de velocidade de endurecimento, resistncia e colapsibilidade da moldao e melhoria na qualidade da pea metlica produzida.

A decomposio trmica das resinas

As resinas sintticas utilizadas na fundio constituem uma das principais fontes de poluio das fundies com gases txicos. Entre os ligantes orgnicos mais populares de cura a frio esto os produtos da policondensao de formaldedo com uria, fenol e lcool furfurlico. O contedo de componentes txicos (fenol, formaldedo, hidrocarbonetos aromticos, etc.) presentes nos ligantes orgnicos quando sofrem ao de altas temperaturas em presena de componentes clorados levam a formao de dioxinas policloradas, um dos compostos de maior toxicidade conhecido (1).

Dependendo do carter da ruptura das ligaes qumicas em degradao trmica, todas as resinas podem ser divididas em dois grupos. O primeiro grupo inclui resinas cuja despolimerizao determinada pela ruptura das ligaes da cadeia principal com a formao de produtos volteis de baixo peso molecular, as resinas de uria. O segundo grupo inclui resinas propensas ao destacamento intramolecular do grupo funcional correspondente e s reaes de ciclizao e condensao, levando formao de um grande nmero de produtos no volteis carbonizados (carbono slido). Neste grupo esto includas as resinas fenlicas e furnicas (2).

O poliuretano vegetal

Os poliuretanos derivados do leo de mamona (leo de rcino) tiveram seu desenvolvimento a partir da dcada de 40, com aplicaes em tintas e vernizes (3)

.

Alguns desses trabalhos, pioneiros da sntese do poliuretano, usaram o leo de mamona como poliol. Contudo, no final da dcada de 50, surgiram poliis politeres derivados do petrleo e consequentemente de mais baixo custo, renegando a um segundo plano as pesquisas com os poliuretanos derivados do leo de mamona (4). Com a tendncia mundial procura de materiais ecolgicos, biodegradveis e sintetizados a partir de fontes renovveis, o desenvolvimento de poliuretanos derivados do leo de mamona voltou a ganhar destaque, sendo objeto de estudo constante, seja atravs do estudo de novas tcnicas de obteno e preparao dos reagentes, seja pela busca de novas aplicaes a materiais j conhecidos. Este material considerado ecologicamente correto, no agride o meio ambiente, biodegradvel, oriundo de fonte renovvel, e principalmente no causa dano a quem aplica e nem ao usurio final, pois em sua composio qumica est presente uma cadeia de cidos graxos cuja estrutura molecular est presente nas gorduras existentes no corpo humano. Devido a este aspecto tal material no considerado estranho quando em contato com o organismo humano (5).

O problema ambiental

A busca pelo desenvolvimento sustentvel vem ganhando uma dimenso cada vez maior dentro do setor produtivo, seja pelo envolvimento crescente da sociedade nas questes ambientais, seja pela legislao que apresenta caractersticas cada vez mais rgidas. A adoo de tecnologias mais limpas, que venham a atender aos requisitos ambientais e de sustentabilidade, representa um dos mais influentes fatores determinantes da mudana tecnolgica na indstria de fundio. Neste contexto, os processos industriais esto sofrendo uma revoluo em seu desenvolvimento, alterando-se sua modelao desde o desenvolvimento do projeto at sua finalizao, passando por operaes de compra e estocagem de matria-prima, gastos energticos, e destinao dos excedentes oriundos do processo. Outro ponto que no deve ser desconsiderado que mesmo com todo o investimento em pesquisas e desenvolvimento/melhorias dos compostos utilizados nos sistemas ligantes orgnicos, aspectos de sade ocupacional e segurana dos trabalhadores no esto totalmente sanados, pois a toxicidade dos compostos utilizados inerente sua origem qumica (6).

Materiais e mtodos

Para o desenvolvimento experimental deste trabalho foram utilizados como reagentes para obteno de corpos de prova e confeco dos moldes areia industrial fornecida pela Minerao Jundu de granulometria 60/70 mesh, resina poliuretano vegetal (PUV) bi componente da empresa Imperveg e diferentes materiais inorgnicos tais como argila Tagu e argila So Simo, fornecidas pela empresa Minasolo, bentonita sdica ativada Brasgel Ao DS fornecida pela empresa Bentonit Unio Nordeste Ind. e Com.ltda., p de vidro soda cal 100 mesh fornecido pela da empresa Ematec, filito PDG (FPDG) e filito branco fundente (FBF) ambos fornecidos pela empresa Minerao Itapeva, ulexita anidra e cido brico, ambos fornecidos pela empresa Boro do Sul Ltda. e cal hidratada comercial da empresa Ita.

Considerando algumas caractersticas bsicas que as resinas ligantes para moldes de areia devem apresentar, tais como resistncia mecnica a frio, a quente, colapsibilidade, entre outras, foi elaborada uma sequncia de ensaios visando sua determinao em relao resina em estudo.

Resistncia Mecnica Trao a Frio

Inicialmente foram confeccionados corpos de prova a partir da NBR13204 (7), da areia industrial de granulometria 60/70 mesh com adio de 1,5 e 3,0% em massa de resina PUV e tambm corpos de prova com a areia aglomerada com 1,3% de resina fenol-uretnica, conforme indicado pelo fabricante.

103125

137

195178

210 223 215

103 105

0

50

100

150

200

250

Resis

tn

cia

a

tra

o (ps

i)

Resistncia a trao x tempo01 hora 03 horas 05 horas 24 horas 24 horas(UR)

Figura 1. Comportamento da Resistncia Mecnica Trao de acordo com o tempo de cura para a resina PUV em corpos-de-prova de areia nova comparada resina fenol-uretano comercial. (barras direita em laranja)

A partir das medidas de resistncia mecnica trao a frio foi possvel observar que aps 24 horas os valores obtidos para a composio com adio de 1,5% de PUV so comparveis aos valores obtidos para a composio convencional com a resina fenol-uretnica (Figura 1).

Anlise trmica das resinas PUV e fenlica (TG/DTG)

O termo anlise trmica abrange uma srie de tcnicas que analisam os fenmenos de transformao que ocorrem nas matrias-primas isoladas ou nas composies a serem estudadas, em funo do tratamento trmico a ser empregado. Tais transformaes podem ser desidrataes, decomposies, transformao de fases, reaes qumicas associadas a efeitos endotrmicos e exotrmicos, que no caso das resinas para fundio tm efeito direto sobre o comportamento das mesmas quando do vertimento do metal lquido no molde. A Tabela 1 apresenta de maneira condensada as funes orgnicas presentes no PUV em estudo e respectivas temperaturas de decomposio.

Tabela 1. Funes orgnicas presentes no PUV e respectivas temperaturas de decomposio [28].

Funes envolvidas Temperatura de decomposio (C) Volatilizao dos aditivos 100-300 Ciso da ligao uretano 300-400

Ciso da ligao ster 400-550

O comportamento do PUV em estudo mostrado na Figura 1, onde possvel observar as etapas acima descritas, bem como se comprovar as temperaturas relativas a cada etapa de decomposio. Tambm possvel observar uma maior degradao da resina PUV tomando-se como referncia determinada temperatura (Figura 1) e comparando-se o comportamento da degradao da resina fenlica (Figura 2).

Figura 1. Curva de TG/DTG ilustrando o comportamento da resina PUV utilizada no desenvolvimento experimental do trabalho.

Comparativamente, a Figura 2 apresenta o comportamento trmico de uma resina fenlica submetida s mesmas condies de ensaio da resina PUV.

Figura 2. Curva de TG/DTG ilustrando o comportamento da resina fenlica submetida s mesmas condies de ensaio da resina PUV.

Fuso em laboratrio de fofo e alumnio

Tomando-se como base os resultados de resistncia mecnica obtidos anteriormente (a frio), foram confeccionados moldes com adio de 1,5% em massa de resina PUV em relao areia. Foi ento realizado o vazamento de metal nos moldes no Laboratrio de Fundio da Universidade Federal de So Carlos (UFSCar). Neste teste preliminar foram utilizados dois metais com temperaturas de fuso e presso metalostticas diferentes, que proporcionassem uma diferente solicitao dos moldes. Foram vazados trs moldes com uma liga de alumnio 356.0 e outros trs com ferro fundido GGG 40.

Figura 3 Imagem digital do aspecto dos moldes de areia aglomerados somente com a resina PUV aps a fuso em laboratrio de fofo esquerda e alumnio direita, respectivamente.

O resultado do primeiro teste comprovou, conforme esperado a partir dos resultados obtidos pela anlise trmica, que a areia aglomerada somente com resina no apresenta resistncia a quente desejada.

Adio de componentes inorgnicos

A partir dos resultados obtidos neste primeiro teste de fuso e da anlise trmica das resinas, iniciou-se a incorporao dos materiais inorgnicos em teores entre 1,0 e 5,0% com o objetivo de auxiliar na resistncia do molde a partir da formao de uma fase lquida durante o preenchimento do mesmo pelo metal, e garantir a coeso dos gros de areia sem comprometer a refratariedade da areia e colapsibilidade do molde. A proporo de resina foi mantida em 1,5% em massa sobre a somatria areia+inorgnico. Novamente foram realizados testes de fuso no laboratrio de fundio da UFSCar com as mesmas ligas usadas anteriormente e, aps observao visual das peas fundidas (acabamento superficial, principalmente relativo incrustao de areia e fervura) e comportamento dos moldes (coeso e colapsibilidade), foram selecionadas as composies que melhor atenderam critrios. A Figura 4 mostra o comportamento dos moldes que melhor responderam s solicitaes da fuso de fofo.

Figura 4 Imagem digital dos moldes de areia das composies com incorporao do material inorgnico submetidos fuso de fofo.

A Figura 5 mostra o comportamento do molde que melhor respondeu solicitao da fuso de fofo.

Figura 5 Imagem digital dos moldes de areia das composies com incorporao do material inorgnico submetido fuso de alumnio.

Anlise por microscopia eletrnica de varredura

A utilizao do MEV como tcnica complementar mostra-se de grande importncia e versatilidade, tanto para o estudo da microestrutura, possibilitando a obteno de imagens com alta resoluo, como tambm o estudo de propriedades do material e sua anlise qumica. Neste sentido, foram preparadas amostras com os moldes aps a etapa de fuso para posterior anlise de microscopia. Considerando-se o comportamento similar dos componentes inorgnicos adicionados resina sob efeito da temperatura, foi avaliado o comportamento dos moldes utilizados no teste de fuso em laboratrio descrito anteriormente, e representado na Figura 6 pelo molde utilizado na fuso do fofo. Neste ponto, destacam-se trs regies da parede do molde (parede externa, regio intermediria, parede de interface com o metal lquido) e as diferentes respostas da microestrutura em funo da exposio temperatura.

Figura 6 a) Parede externa do molde sem sofrer ao da temperatura do metal fundido, b) regio Intermediria da parede do molde aps sofrer ao da temperatura com gerao de fase lquida, c) regio da parede interna do molde (interface com o metal lquido) indicando tambm a formao de fase lquida.

A partir dos resultados obtidos por estas anlises, juntamente com resultados consistentes em fuses em laboratrio, foram realizados testes industriais apresentados na sequencia.

Figura 7 Pea de ferro nodular fundida na Metallux Fundio e Zincagem em So Carlos.

Figura 8 Pea de alumnio fundida na fundio Funcred Fundio de alumnio em So Carlos.

Figura 9 Pea de ao baixo carbono utilizada fundida no laboratrio de fundio da UFSCar.

Figura 10 Pea de ferro branco/2%Ni fundida na Ferrusi Fundio industrial Ltda. em Sertozinho.

Concluso

A partir dos primeiros resultados obtidos, possvel afirmar que existe a real possibilidade do uso de ligantes orgnicos obtidos a partir de fontes renovveis para uso como aglomerantes em moldes de areia de fundio, sendo que, a composio com adio de cal hidrata e cido brico obteve um melhor resultado na fuso de fofo e a composio com adio de cido brico apresentou um melhor desempenho na fuso de alumnio. Este comportamento pode ser explicado associandose a temperatura de fuso dos referidos metais com a temperatura de surgimento de fase lquida a partir dos xidos adicionados em cada uma das composies. Entretanto, informaes adicionais devem ser obtidas atravs de um estudo que abranja os seguintes tpicos: Estudar as caractersticas de moldes confeccionados com areia recuperada e aglomerados com resina PUV; Estudar a influncia do percentual de componente inorgnico residual a cada ciclo de recuperao de areia; Avaliar o comportamento de machos ligados com resina PUV;

Agradecimentos

Ao meu orientador, prof. Dr. Mrcio Raymundo Morelli, por acreditar neste projeto desde o incio, pelo incentivo e confiana depositados neste perodo e principalmente pela amizade. Ao prof. Dr. Claudemiro Bolfarini, por dispor as instalaes do Laboratrio de Fundio do DEMa/UFSCar para a realizao dos primeiros testes de fuso. Ao prof. Dr. Gennady Gerasimov da Lomonosov Moscow State University, pelos e-mails com referncias bibliogrficas e esclarecimentos sobre a pesquisa. Ao CNPq pelo apoio financeiro que permitiu o desenvolvimento deste projeto. s empresas citadas, que gentilmente cederam suas instalaes e estrutura para a realizao dos testes de fuso.

REFERNCIAS

1 CASTRO, C. A. G. A produo de areia base para fundio e o meio ambiente: Sibelco Minerao Ltda. In: CONGRESSO DE FUNDIO, So Paulo, 2001. Anais... So Paulo, 2001.

2 GERASIMOV G. Ya.; et al. Kinetics of Thermal Decomposition of organic binders in molds. Journal of Engineering and Thermophysics, v. 82, n. 1, p. 92-97, 2009

3 LEITE, F. A. Desempenho trmico, mecnico e clnico de material base de polmero derivado do leo de mamona para confeco de rteses e comparao com outro material existente no mercado. 2007. 103 p. Dissertao (Mestrado em Bioengenharia), Programa de Ps-Graduao Interunidades em Bioengenharia - Escola de Engenharia de So Carlos/ Faculdade de Medicina de Ribeiro Preto/ Instituto de Qumica de So Carlos, Universidade de So Paulo, 2007.

4 SILVESTRE FILHO, G. D. Comportamento mecnico do poliuretano derivado do leo de mamona reforado por fibra de carbono: contribuio para o projeto de hastes de implante de quadril. 2001, 136p. Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So Carlos, 2001.

5 ERENO, D. Prteses de mamona. Pesquisa FAPESP on-line, v. 91, set. 2003. Disponvel em: . Acesso em: 17 fev. 2010.

6 PEIXE T. S.; NASCIMENTO E. de S. Anlise de fenol em amostras do ar e de urina de trabalhadores de fundio de metais. So Paulo, Revista Brasileira de Toxicologia, v.21, p. 60-69, 2008.

7 ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS (ABNT). NBR 13204: Areia aglomerada com resinas de cura a frio para fundio - Determinao da resistncia trao da mistura-padro - Mtodo de ensaio, 1994. 2 p.