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ESPUMA RÍGIDA MICROPOROSA DE CÉLULA ABERTA OBTIDA POR EMULSÃO EM EPÓXI
M.P. Paluch¹, M.S. de Araújo1, J.A. Cerri2 [email protected], [email protected], [email protected]
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Curitiba - Sede Ecoville
R. Dep. Heitor Alencar Furtado, 4900 - Curitiba/PR, Brasil - CEP 81280-340. ¹Depto. Acadêmico de Mecânica - UTFPR, ²Depto. Acadêmico de Construção
Civil/ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - UTFPR
RESUMO
O estudo tem como objetivo correlacionar a composição à porosidade
mais adequada para elaborar moldes permeáveis para colagem sob pressão
de peças. Para isso, foram analisadas emulsões com diferentes proporções de
água e óleo com variação da quantidade de tensoativo. Optou-se por uma
emulsão com maior proporção de água e menor quantidade de tensoativo, pois
apresenta homogeneidade de poros e única fase. Espumas foram elaboradas
com diferentes quantidades de emulsão (água + óleo + tensoativo) com relação
a resina epóxi, a qual manteve a massa constante na mistura, assim como a
carga mineral. Para caracterizar essas espumas obtidas foram realizadas
medidas de densidade e capacidade de absorção por capilaridade. Os
resultados mostraram que quanto maior a quantidade de água na emulsão
menor é a densidade e melhor a capacidade de absorver água.
Palavras-chave: resina epóxi, colagem sob pressão, espuma micro porosa, emulsão INTRODUÇÃO
A técnica de colagem sob pressão é um diferencial competitivo para as
empresas de louças e porcelanas por permitir a fabricação de peças com
design mais arrojado, aumento da competitividade por meio da economia de
matérias-primas, melhoria na qualidade das peças, redução do custo com mão
de obra e menor impacto ambiental pela redução no descarte de moldes de
gesso (1). Este método necessita de um molde fechado e poroso que funcione
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como um filtro para reter as partículas sólidas e permitir a passagem da água,
sendo importante a utilização de tubos direcionadores para que água escoe
mais rapidamente. Pressões elevadas podem provocar empacotamento de
partículas na parede, podendo reduzir a permeabilidade e aumentar os custos
com a estrutura do equipamento. As pressões utilizadas na fabricação por meio
da colagem sob pressão normalmente é de 10 a 15 kgf/cm² (2). Esta faixa de
pressão não é adequada para utilização de gesso nos moldes, pois o material
necessita ser resistente à tração, além de apresentar alta permeabilidade à
água e, os poros abertos devem ser menores que os das partículas sólidas da
barbotina, para que essas sejam retidas (3). A vida útil de um molde bem
dimensionado é estimada em 2.000 ciclos de colagem e também se relaciona
com o grau de entupimento dos poros (3,4). Com a grande oferta no mercado de
plásticos no início da década de 50 e da automatização necessária para o
processo de fabricação de peças cerâmicas, houve a necessidade do
desenvolvimento de moldes em resina para colagem sob pressão (5). Há
moldes micro porosos fabricados à base de gesso modificado da empresa
ALDERO, de compósitos de resinas acrílicas (4), uretânicas (6) ou epoxídicas
com reforço mineral (5). Neste projeto foram estudadas as composições de
emulsões, ou seja, as quantidades das fases água e óleo, e a proporção desta
em relação à resina para a fabricação de espumas rígidas de células abertas
de resinas epoxídicas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
A base da resina epóxi usada foi o éter diglicidílico do bisfenol-A
(DGEBA), conhecido comercialmente como resina epóxi 324 e o agente de
cura utilizado foi o 043, ambos fabricados pela DOW QUÍMICA. Dados sobre a
resina e endurecedor foram fornecidos pelo fabricante e estão presentes na
Tabela 1.
Para a elaboração das emulsões foi utilizada água deionizada, glicerina
bidestilada e Tween 80 comercializado pela Vetec. A utilização de carga
mineral teve como intuito aumentar a rigidez da espuma e aumentar a
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dispersão dos poros das composições. A carga adotada foi o carbonato de
cálcio tratado com estearato de cálcio.
Tabela 1 - Informações sobre a resina epóxi e o agente de cura
Item Aspecto
Densidade (g/ml), 25°C Viscosidade (cP), 25°C
Valor Especificado
Valor Encontrado
Valor Especificado
Valor Encontrado
Resina Líquido viscoso
transparente 1,13 a 1,16 1,12 11000 a 14000 13520
Agente de Cura
Líquido amarelado
0,96 a 1,00 0,97 19,5 a 22,5 22,1
Emulsão aerada
Primeiramente foi realizado um ensaio reológico em um viscosímetro
(Brookfield, DV III) para verificar a velocidade de cura de algumas composições
que variavam a quantidade de agente tensoativo, no caso, o Tween 80. A
velocidade de cura foi obtida apenas para a mistura de resina e agente de cura,
e depois com a adição de Tween 80, nas quantidades de 2,5% e 5% em massa
da mistura. Esse resultado foi relevante para determinar a ordem e tempo para
efetuar as misturas da espuma e se a presença do tensoativo alterava ou não a
velocidade de cura da resina. Para realizar esse ensaio foi seguida a
recomendação do fabricante do viscosímetro, para leitura do torque a cada 5
segundos até a capacidade de 85% do torque, sendo que a velocidade de
rotação constante foi de 10 rpm.
Antes de realizar o estudo para obtenção das espumas, foi estudado a
influência das quantidades relativas de água, Tween 80 e óleo de glicerina na
formação de espuma por aeração da emulsão. Foram estabelecidas para este
estudo três proporções de água deionizada e óleo, quais sejam, 25%:75%,
50%:50% e 75%:25%, respectivamente, sendo que as quantidades de
tensoativo utilizados na mistura foram 5%; 7,5% e 10%. Essas misturas foram
executadas em um Becker graduado, essencial para a leitura do volume da
espuma após aeração. O procedimento adotado foi trabalhar com o mesmo
volume inicial para todas as espumas. O objetivo era conseguir comparar
visualmente os diferentes volumes da espuma após o processo de aeração,
para o qual foi utilizado um agitador mecânico na rotação de 1.000 rpm. Na
avaliação da melhor condição de emulsão para a espuma micro porosa de
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resina epóxi os critérios utilizados foram, o volume de emulsão obtido, a
homogeneidade e as fases constituintes.
Espuma Para obtenção da espuma a proporção volumétrica da mistura água e
óleo adotada foi fixada em 75% de água e 25% óleo (glicerina). O tensoativo
(Tween 80) foi adicionado como 7,5% do volume da mistura água e óleo. Nesta
etapa foi estudada a influência das proporções entre a emulsão (água, óleo e
Tween 80) e a resina juntamente com o agente de cura e carga mineral. As
relações volumétricas das espumas e a composição em partes mássica com
relação a resina que foram elaboradas e, posteriormente testadas, encontram-
se listadas na Tabela .
Tabela 2 - Composições para elaboração de espumas em partes mássicas
Espuma
Relação Volumétrica (partes)
Partes Mássicas
Resina + Agente de
cura
Água+ óleo+Tween
Resina Carga Agente Tween
80 Óleo Água
1 1,00 0,25 100 90 40 2,35 9,24 22,00
2 1,00 0,50 100 90 40 4,76 18,69 44,50
3 1,00 0,60 100 90 40 5,71 22,41 53,35
4 1,00 0,70 100 90 40 6,66 26,14 62,24
5 1,00 0,75 100 90 40 7,01 27,51 65,50
6 1,00 1,00 100 90 40 9,52 37,38 89,00
7 1,00 2,00 100 90 40 19,05 74,76 178,0
A formulação foi submetida à agitação com o auxílio do agitador mecânico
de alto torque com microprocessador (Quimis, modelo Q250M1), com a rotação
de 1000 rpm. Primeiramente, foram misturados os componentes da emulsão,
sendo a água, o óleo de glicerina e o Tween 80, até que se formasse uma
espuma e não houvesse líquido acumulado no fundo do recipiente. Em
seguida, foi adicionada a resina epóxi e o agente de cura, misturados por
aproximadamente dois minutos para homogeneização. Por último, foi
adicionado à mistura o carbonato de cálcio tratado com estearato de cálcio até
que toda a carga estivesse distribuída uniformemente pela mistura. Em
seguida, a espuma no estado líquido foi vertida em um molde de silicone, no
qual, a espuma foi mantida até terminar a cura.
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As composições de espumas foram caracterizadas por ensaios de
densidade aparente e difusão por capilaridade, para comparar a capacidade de
permeabilidade à água. Para verificar este comportamento, os corpos de
provas de 60 mm de diâmetro e 30mm de altura foram expostos a uma fina
camada de água com pigmentação vermelha por um período de 24 horas e,
após esse período foi medido a altura da parede pigmentada. Quanto maior
essa a espessura da camada pigmentada, maior a permeabilidade da espuma.
A composição de espuma 2 da Tabela 2 foi analisada com a ajuda do
Stereomicroscope Stemi 508 da Zeiss com ampliação de 20x.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Inicialmente foi estudado o efeito do Tween 80 em percentagem mássica
de resina sobre o tempo de cura, ou seja, o tempo que as misturas demoravam
para o torque alcançar 85% da capacidade do viscosímetro, Figura 1.
Figura 1 - Relação do torque com o tempo para diferentes quantidades de tensoativo Tween na resina
Concluiu-se que quanto maior a quantidade de tensoativo na mistura,
maior o tempo para a cura da resina epóxi.
Emulsão aerada Os resultados após a mistura vigorosa de Tween, água e glicerina estão
presentes na
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. É possível observar que quanto maior a quantidade de água e Tween,
maior é o volume formado da emulsão aerada, e por consequência, maior o
volume de poros. Nas Figuras 2 são comparadas as imagens das diferentes
misturas, as quais variaram a quantidade de água, de glicerina (fase óleo) e de
Tween 80. As fotos foram realizadas logo após a agitação por um minuto na
rotação de 1000 rpm.
Tabela 2 - Composição da emulsão e de poros das composições
Amostra
Partes em volume
Tween (% v da
mistura)
TempoMistura
(min)
Rotação (rpm)
Volume inicial (ml)
Volume final (ml)
Volume poros (ml)
Água Óleo
1 3 1
5
1 1000 25
120 95
2 1 1 90 65
3 1 3 50 25
4 3 1
7,50
150 125
5 1 1 95 70
6 1 3 60 35
7 3 1
10
160 135
8 1 1 100 75
9 1 3 50 25
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Observa-se na Figura 2 que em todas as amostras com 5 % de Tween,
há uma deposição de água e óleo no fundo do recipiente e que, a partir de
7,5% de Tween a deposição não é mais perceptível.
Figura 2 - Comparação da deposição líquida das emulsões aeradas, do volume formado e a homogeneidade das composições
Logo a quantidade mínima necessária é de 7,5% de Tween na mistura, já
que além de não haver a deposição de água, quanto menor a quantidade de
tensoativo, melhor a relação custo/benefício na fabricação da espuma e,
reduzindo ainda o efeito de retardamento da cura da resina, mostrado na
Figura 1.
As emulsões aeradas com menores quantidade de glicerina são as que
possuem maiores volumes de poros. As espumas com mais Tween não
influenciaram na porosidade, entretanto, na medida em que se aumenta a
proporção do tensoativo, a espuma torna-se mais homogênea, principalmente
para a relação 25% água/ 75% óleo, como é observado por meio da Figura 3.
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Figura 3 - Comparação das emulsões aeradas em função da quantidade de água, óleo e Tween 80, vista de cima
Para obtenção de espumas rígidas, foi adotado a proporção volumétrica
com 75% de água e 25% óleo (glicerina) e, para esta mistura, 7,5% de Tween
80, em volume da mistura.
Espumas Após executar as composições das espumas, conforme a Tabela 2, foi
possível observar, por meio da Figura 4 e da Figura 5, que as maiores
densidades e menores porosidades foram as das espumas que possuíam
menor quantidade de emulsão na composição.
Figura 4 - Corte axial das espumas para observação da porosidade
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Figura 5 - Relação entre a densidade aparente e o teor de emulsão
A espuma de composição 6 não alcançou a resistência mecânica mínima
necessária para manipulação manual após 5 dias, pois após esse tempo a
espuma ficou muito frágil, sendo que, após a desmoldagem houve a quebra da
amostra. A composição 7 também não endureceu em um período de duas
semanas.
Figura 6 - Micrografia óptica da composição 2 com 0,5 parte de emulsão
Um resultado satisfatório foi o aparecimento de poros interconectados
devido a utilização de água na composição. Na Figura 6 é possível a
observação desses poros.
Após o ensaio da capacidade de absorção de água pigmentada,
observou-se por meio de um corte axial das amostras, conforme a Figura 7,
que a parte inferior de cada amostra havia uma parede de cor vermelha.
Quanto maior a espessura dessa parede indica que maior foi a quantidade de
água absorvida pela espuma.
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Figura 7 - Espumas cortadas após ensaio de capilaridade
Pelos resultados apresentados na Figura 8, verificou-se que, a partir de
0,5 parte volumétrica de emulsão na mistura, há uma relação linear com a
espessura de parede vermelha, ou seja, maior absorção de água.
Figura 8 - Espessura de parede vermelha pela proporção volumétrica de emulsão na mistura
CONCLUSÕES
No estudo de formação da emulsão aerada, a melhor composição foi a
com maior quantidade de água (75% água / 25% glicerina), por produzir maior
volume de poros, e com 7,5% de Tween 80, por resultar em uma espuma
homogênea sem deposição de líquidos e por possuir menor influência no
tempo de cura.
Espumas com maior quantidade de emulsão na composição são as com
maior potencial de absorção por capilaridade, devido a elevada quantidade de
poros conectados, que resultaram em menores densidades. Uma quantidade
R² = 0,9978
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maior que 50% de emulsão, em relação a resina, parece ser necessário para
garantir essa absorção.
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Dissertação de Mestrado. Department of Materials Science and Engineering,
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4. GALHARD, A. C. Desenvolvimento e caracterização de espumas rígidas
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indústria cerâmica. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade
Estadual de Campinas, 1998.
5. BUTYLEVA, E.S., SERGEEVA, V.A., DEMIN, G.G., KANAEVA, V.I. Using
epoxide foamed plastics instead of plaster. Journal Glass and Ceramics. v.23.
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6. REED, J.S. Principles of Ceramics Processing. 2nd. Ed. New York: Wiley –
Interscience, 1995. Cap. 25.
RIGID FOAM MICROPOROUS OPEN CELL OBTAINED BY EMULSION IN EPOXY
ABSTRACT
The study aims to correlate the composition to the most appropriate
porosity to prepare permeable mold for pressure slip casting. For that,
emulsions were analyzed with different proportions of water and oil with varying
amount of surfactant. It was decided to choose an emulsion with a higher
proportion of water and minor amount of surfactant, because it presents
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homogeneous pores and single phase. Foams were prepared with different
amounts of emulsion (oil + water + surfactant) with epoxy resin, which has a
constant mass in the mixture, as the mineral filler. To characterize these foams,
it was necessary measurements of density and capacity to absorb water. The
results showed that with a higher amount of water in the emulsion resulted in a
foam with lower density and best capacity to absorb water.
Key words: Epoxy resin, pressure slip casting, microporous foam, emulsion
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