Recuperação de resíduos industriais de SBR
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Este documento resume um estudo sobre a recuperação de resíduos industriais de SBR através de sua caracterização, incorporação como carga em novas formulações e avaliação técnica e ambiental do processo. O objetivo foi verificar a viabilidade técnica e ambiental da recuperação desses resíduos visando o desenvolvimento de novos artefatos. Os métodos incluíram a caracterização do pó de SBR, formulações incorporando o pó como carga e avaliação do ciclo de vida do processo de reciclagem.
Recuperação de resíduos industriais de SBR
- 1. UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA COORDENADORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MATERIAIS RECUPERAÇÃO DE RESÍDUOS INDUSTRIAIS DE SBR: AVALIAÇÃO TÉCNICA E AMBIENTAL Larissa N. Carli, Aline Zanchet, Tatiana Weber, Ângela A. Gugel Rosmary N. Brandalise, Regina C. R. Nunes e Janaina S Crespo ([email protected])
- 3. ROTEIRO DE APRESENTAÇÃO Introdução Objetivo Caracterização do pó obtido Métodos e técnicas Metodologias para a recuperação Revulcanização Resultados e discussões Incorporação como carga Desvulcanização em microondas Conclusões
- 4. INTRODUÇÃO Indústria da borracha: matérias-primas indústria pesada – pneus indústria leve – artefatos diversos Produção (103 t)1,2: Consumo (103 t)1,2: Mundo Brasil Mundo Brasil Borracha natural: 9.645 110 Borracha natural: 8.881 314 Borracha sintética: 12.525 445 Borracha sintética: 12.209 400 1INTERNATIONAL RUBBER STUDY GROUP. Statistical summary of world rubber situation. 2010. 2SINBORSUL. Perfil da indústria de artefatos de borracha do Brasil e do RS. 2007.
- 5. INTRODUÇÃO SBR – copolímero de butadieno-estireno3,4,5: - amplamente utilizado na indústria de artefatos de borracha para a produção de componentes para autopeças (perfis expandidos, maciços e prensados) - vantagens em relação à borracha natural: maior resistência à abrasão, maior resistência à flexão, maior resistência ao calor, melhor retenção e uniformidade de cor e menor odor; maior estabilidade de plasticidade, menor tendência à pré-vulcanização; e melhores características de extrusão 3LOVISON, V. M.; ROCHA, E. C. DA.; PIEROZAN, N. J. Tecnologia de transformação dos elastômeros, 2003. 4PEDRINHA, I. Elastômeros Petroflex, 2008. 5CIESIELSKI, A. An introduction to rubber technology, 1999.
- 6. INTRODUÇÃO Geração de resíduos de borracha: Rio Grande do Sul6: - 11.800 t de resíduos por ano - 87% correspondem a resíduos industriais Classe II – não perigosos Problema ambiental: - Materiais de difícil degradação (ligações cruzadas) - Problemas de disposição final - Desperdício de matérias-primas e energia 6FEPAM. Relatório sobre a geração de resíduos sólidos industriais no RS, 2003.
- 7. INTRODUÇÃO Alternativas para o reaproveitamento de resíduos de borracha7-10 - geração de energia - reutilização na construção civil - regeneração: física (mecânica, termo-mecânica, crio-mecânica, microondas e ultrassom) química (compostos orgânicos/inorgânicos) -recuperação ou reciclagem 7ADHIKARI, B.; DE, D.; MAITI, S. Progress in Polymer Science, 2000. 8MYHRE, M.; MACKILLOP, D. A. Rubber Chemistry and Technology, 2002. 9FANG, Y.; ZHAN, M.; WANG, Y. Materials & Design, 2001. 10JANG, J. W.; YOO, T. S.; OH, J. H.; IWASAKI, I. Resources, Conservation and Recycling, 1998.
- 8. INTRODUÇÃO Recuperação de resíduos de borracha - utilização dos resíduos na forma de pó como carga em composições com elastômeros virgens, através de sua incorporação e subsequente vulcanização11 - não altera a composição química do material11 - perda de propriedades mecânicas fraca interação entre a borracha vulcanizada e a borracha virgem7,8,9 - estudos indicam a possibilidade de incorporação de altos teores de resíduos em formulações com borracha virgem12,13,14 7ADHIKARI, B.; DE, D.; MAITI, S. Progress in Polymer Science, 2000. 8MYHRE, M.; MACKILLOP, D. A. Rubber Chemistry and Technology, 2002. 9FANG, Y.; ZHAN, M.; WANG, Y. Materials & Design, 2001. 12ZANCHET,A.; DAL’ACQUA, N.; WEBER, T.; CRESPO, J. S.; BRANDALISE, R. N.; NUNES, R. C. R. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2007. 11PAPAUTSKY, D. Borracha Atual, 2003. 13GIBALA, G.; HAMED, R. Rubber chemistry and Technology, 1994. 14NELSON, P.A.; KUTTY, S. K. N. Progress in Rubber, Plastics and Recycling Technology, 2002.
- 9. INTRODUÇÃO Recuperação de resíduos de borracha - incorporação de resíduos industriais, de origem e composição conhecida, no processo produtivo onde são gerados - desenvolvimento de composições com propriedades de interesse tecnológico12 alterações no processo produtivo alternativa ambientalmente viável? - busca pela minimização dos impactos ambientais da geração de resíduos - duas variáveis10,15: consumo energético consumo de matérias primas 9FANG, Y.; ZHAN, M.; WANG, Y. Materials & Design, 2001. 12ZANCHET,A.; DAL’ACQUA, N.; WEBER, T.; CRESPO, J. S.; BRANDALISE, R. N.; NUNES, R. C. R. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2007. 15BJÖRKLUND, A.; FINNEVEDEN, G. Resources, Conservation and Recycling, 2005.
- 10. INTRODUÇÃO Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) - Materiais elastoméricos: poucos estudos de ciclo de vida disponíveis na literatura - impactos ambientais na produção: extração de recursos naturais18 - fim de vida: pneus inservíveis16,17,20 resíduos pós-consumo em pó21 produção – uso – disposição final19 16FERRÃO, P.; RIBEIRO, P.; SILVA, P. A. Waste Management, 2007. 17AMARI, T.; THEMELIS, N. J.; WERNICK, I. K. Resources Policy, 1999. 18RYDH, C. J.; SUN, M. Journal of Cleaner Production, 2005. 19ZACKRISSON, M. Journal of Cleaner Production, 2005. 20CORTI, A.; LOMBARDI, L. Energy, 2004. 21BOUGHTON, B.; HORNATH, A. Resources, Conservation and Recycling, 2006.
- 11. OBJETIVO Verificar a viabilidade técnica e ambiental da recuperação de resíduos elastoméricos vulcanizados em pó, visando o desenvolvimento de artefatos com aplicação tecnológica.
- 12. MÉTODOS E TÉCNICAS: Coleta e Caracterização do resíduo Coleta do resíduo (NBR 10.007-04) Moagem Caracterização do pó obtido (SBR-r) - Análise granulométrica (ASTM D 5644-01) - Microscopia eletrônica de varredura – SEM - Análise termogravimétrica – TGA - Calorimetria exploratória diferencial – DSC
- 13. MÉTODOS E TÉCNICAS: Metodologias para a recuperação Revulcanização (T. Weber) - Sistema de aceleração convencional Incorporação como carga - Formulação sem negro de fumo (A. Zanchet) - Composição industrial (perfis automotivos) (L. N. Carli) -Composição industrial (banda de rodagem de motocicleta) (A. A. Gugel)
- 14. MÉTODOS E TÉCNICAS Caracterização dos compósitos de SBR-r - Densidade (ASTM D 297-06) - Dureza Shore A (ASTM D 2240-05) - Resistência à tração (ASTM D 412-06a) - Resistência ao rasgamento (ASTM D 624-00) - Deformação permanente à compressão (ASTM D 395-03) - Resistência à abrasão (DIN 53516-87) - Resiliência (ASTM D 1054-02) - Microscopia eletrônica de varredura – SEM - Análise térmica dinâmico-mecânica – DMA - Densidade de ligações cruzadas (equação de Flory e Rehner)22 - Analisador do processamento de borracha – RPA - Envelhecimento acelerado (termo e foto-oxidação) 22FLORY, P. J. Principles of polymer chemistry. Cornel University, New York, 1953.
- 15. MÉTODOS E TÉCNICAS: Avaliação do desempenho ambiental do processo de reciclagem - Caracterização do processo produtivo - Balanço de massa e energia - Avaliação do ciclo de vida (ACV) (berço ao túmulo) Pesagem Banbury Cilindros Extrusora Túnel Acabamento Artefato (a) Disposição Moagem Resíduos final (aterro) (b) (c) Pesagem Banbury Cilindros Prensa Acabamento Artefato Fronteiras do sistema Unidade funcional: número de misturas preparadas, necessário para suprir a produção mensal média de perfis expandidos de SBR para a indústria automobilística (11.000 kg/mês), e o teor de resíduo a ser incorporado (10 a 90 phr).
- 16. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Caracterização do SBR-r 32 120 0,1 28,9 28 100 0,0 24 80 -0,1 DTG (mg.min ) 20 Massa (%) 17,0 17,1 60 754 °C -0,2 % retido 16 15,0% 12,3 291 °C 12 10,9 40 24,1% -0,3 -1 7,9 8 6,0 20 -0,4 4 465 °C 27,6% 0 0 -0,5 >20 20-25 25-28 28-35 35-48 48-65 <65 0 100 200 300 400 500 600 700 Temperatura (°C) Peneiras (mesh) Componente % Borracha SBR 27,6 Óleo 24,1 Cargas Negro de fumo 12,1 CaCO3 34,1 Outros 2,1 DSC: não foi observada vulcanização residual BILGILI, E.; ARASTOOPOUR, H.; BERNSTEIN, B. Powder Technology, 2001. WEBER, T.; ZANCHET, A.; BRANDALISE, R. N.; CRESPO, J. S.; NUNES, R. C. R. Journal of Elastomers and Plastics, 2008. CARLI, L. N.; BONIATTI, R.; TEIXEIRA, C. E.; NUNES, R. C. R.; CRESPO, J. S. Materials Science and Engineering C, 2009.
- 17. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Revulcanização 20 Tensão na ruptura (MPa) 18 -1 Resistência ao rasgamento (kN m ) 16 14 12 Propriedade 10 50% 8 6 4 70% 2 0 E S C S C S C OL 17 17 26 26 33 33 N TR TW TW TW TW TW TW CO WEBER, T.; OLIVEIRA, M. G.; ZENI, M.; CRESPO, J. S.; NUNES, R. C. R. Polymer Bulletin, 2008. WEBER, T.; ZANCHET, A.; CRESPO, J. S.; OLIVEIRA, M. G.; SUAREZ, J. C. M.; NUNES, R. C. R., Polímeros: Ciência e Tecnologia,, 2011.
- 18. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Incorporação como carga em formulação sem negro de fumo 3.5 600 535% 3.0 500 Alongamento na ruptura (%) Tensão na ruptura (MPa) 2.5 60% 400 2.0 300 1.5 1.0 200 0.5 100 0.0 0 0 25 50 75 100 125 150 Teor de SBR-r (phr) 12ZANCHET,A.; DAL’ACQUA, N.; WEBER, T.; CRESPO, J. S.; BRANDALISE, R. N.; NUNES, R. C. R. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2007.
- 19. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Incorporação como carga em formulação industrial de perfis automotivos Resistência à tração e MEV 10 600 500 8 Alongamento na ruptura (%) Tensão na ruptura (MPa) 400 6 300 4 200 2 100 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Teor de SBR-r (phr) CARLI, L. N.; BONIATTI, R.; TEIXEIRA, C. E.; NUNES, R. C. R.; CRESPO, J. S. Materials Science and Engineering C, 2009.
- 20. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Incorporação como carga em formulação industrial de perfis automotivos Efeito do envelhecimento: Propriedades mecânicas 150 Tensão na ruptura Alongamento na ruptura Resistência ao rasgamento 125 100 Retenção da propriedade após o envelhecimento (%) 75 50 25 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Teor de SBR-r (phr) CARLI, L. N.; BIANCHI, O.; MAULER, R. S.; CRESPO, J. S. Journal of Applied Polymer Science, 2012.
- 21. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Incorporação como carga em formulação industrial de perfis automotivos Efeito do envelhecimento: Densidade de ligações cruzadas e DMA -4 2.5x10 Não envelhecido Envelhecido Densidade de ligações cruzadas (mol cm ) -3 -4 2.0x10 1,2 0 phr - antes do envelhecimento 1.5x10 -4 50 phr 90 phr 1,0 0 phr - após o envelhecimento 50 phr 90 phr -4 1.0x10 0,8 0,6 tan -5 5.0x10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,4 Teor de SBR-r (phr) 0,2 0,0 -75 -60 -45 -30 -15 0 Temperatura (°C) CARLI, L. N.; BIANCHI, O.; MAULER, R. S.; CRESPO, J. S. Journal of Applied Polymer Science, 2012.
- 22. Relembrando.... Fronteiras do sistema para a avaliação ambiental Pesagem Banbury Cilindros Extrusora Túnel Acabamento Artefato (a) Disposição Moagem Resíduos final (aterro) (b) (c) Pesagem Banbury Cilindros Prensa Acabamento Artefato
- 23. Pontos de impacto para a avaliação ambiental Danos a saúde humana Danos ao ecossistema Extração de recursos naturais Manual do SimaPro 7.1.
- 24. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Incorporação como carga em formulação industrial de perfis automotivos Avaliação ambiental comparativa Teor de SBR-r (phr) Processo 0 20 40 50 60 80 Butadieno 435,0 412,0 391,0 382,0 373,0 356,0 Estireno 171,0 162,0 154,0 150,0 146,0 140,0 Energia elétrica 140,0 148,0 156,0 159,0 163,0 169,0 Gás natural 31,5 32,0 32,5 32,7 32,9 33,2 Negro de fumo 20,1 19,0 18,1 17,7 17,2 16,5 TOTAL (a) 797,6 773,0 751,6 741,4 732,1 714,7 Fronteira do sistema em (b) 50 phr Redução de 7%
- 25. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Incorporação como carga em formulação industrial de perfis automotivos Avaliação ambiental comparativa/Avaliação de custo comparativa Teor de SBR-r (phr) Processo 0 20 40 50 60 80 Butadieno 435,0 412,0 391,0 382,0 373,0 356,0 Estireno 171,0 162,0 154,0 150,0 146,0 140,0 Energia elétrica 140,0 148,0 156,0 159,0 163,0 169,0 Gás natural 31,5 32,0 32,5 32,7 32,9 33,2 Negro de fumo 20,1 19,0 18,1 17,7 17,2 16,5 TOTAL 797,6 773,0 751,6 741,4 732,1 714,7 TOTAL 1.590,0 Fronteira do sistema em (c) 50 phr Redução de 54% redução de 11% no custo de produção
- 26. RESULTADOS E DISCUSSÕES: Incorporação de pó de pneu em uma banda de rodagem de pneus de motocicleta redução de 4% no custo de produção GUJEL, A. A.; BRANDALISE, R. N.; GIOVANELA, M.; CRESPO, J. S.; NUNES, R. C. R. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2008.
- 27. CONCLUSÕES O pó de borracha obtido possui distribuição do tamanho de partículas na faixa ideal para incorporação em misturas. A avaliação do processo de geração indicou que a perda de matérias-primas na forma de resíduos elastoméricos vulcanizados de SBR representa cerca de 5% do total mensalmente produzido pela empresa. Os resultados da avaliação técnica e ambiental mostraram que é possível que o resíduo gerado no processo produtivo seja reutilizado internamente nas empresas, na linha de artefatos prensados, minimizando os impactos ambientais decorrentes de sua geração, sem causar prejuízos ao desempenho técnico do produto final.
- 28. Grupo de Estudos em Materiais Elastoméricos Estudantes Estudantes Colaborações G. Hermenegildo (M) (co-orientação) R. C. R. Nunes (UFRJ) G. Carpenedo (M) L. N. Carli (D - UFRGS) G. Machado (CETENE) S. Moresco (M) C. Chiomento (M) A. Zanchet (D - UFABC) R. S. Mauler (UFRGS) D. Teixeira (M) C. H. Scuracchio (UFABC) A. A. Gujel (M) N. Dal’Acqua (M) Professores F. Zarpelon (M) R. N. Brandalise M. Bandeira (IC) V. Veigas (TCC) L. B. Gonella
- 29. AGRADECIMENTOS Obrigada!