BR102013018881B1 - Processo e composição para produção de papel polimérico - Google Patents

Abstract

processo e composição para produção de papel polimérico. a presente invenção se refere a um processo para produção de papel polimérico a partir de uma composição formada com polipropileno e/ou polietileno e resíduos oriundos da lavra e beneficiamento de mármores e calcários ornamentais. esses resíduos são responsáveis por graves problemas ambientais, mas apresentam granulometria ultrafina e baixos teores de sílica, caracterizando-o com elevado potencial para aplicação como carga mineral. dessa forma, puderam ser processados compósitos constituídos de termoplástico e resíduo, tendo sido incorporado em até 40%, em massa. os resultados dos ensaios nos compósitos indicaram elevadas resistências, mecânica e de alterabilidade, aceptividade a tintas e grafite, além de baixa absorção de água, mostrando-se adequados para impressão de documentos e certidões, geração de livros didáticos, dentre outros.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere a um processo para produção de papel polimérico a partir de uma composição formada com polipropileno e/ou polietileno e resíduos oriundos da lavra e beneficiamento de rochas ornamentais (mármores e calcários), que contêm além de carbonato de cálcio, mineral em maior proporção nessas rochas - superior a 70% em massa - cal, granalha e limalhas de ferro entre outros, que são insumos utilizados no corte das rochas.

Fundamentos da Invenção

[002] O papel celulósico apresenta elevada probabilidade de causar danos ao meio ambiente, considerando a grande manipulação de produtos químicos e a utilização de árvores, principal matéria prima, no seu processo produtivo.

[003] O papel sintético, diferentemente do papel de celulose, não tem sua matéria prima em recursos naturais, o mesmo é constituído por polímeros, em geral poliolefinas.

[004] Desta forma o papel sintético apresenta-se como uma boa alternativa para a substituição do papel celulósico, em função do mesmo poder ser constituído de resíduo polimérico, além de ser passível de reciclagem, quando proveniente de polímero virgem. No entanto, o desenvolvimento de sua tecnologia em relação às propriedades de aderência a tintas, que apresentam como solvente a água, deve ser aprimorada.

[005] Devido ao aumento da pressão para a resolução dos problemas ambientais, propostas de solução por parte dos órgãos governamentais vêm ocorrendo em três frentes: - no mercado, através da exigência de produtos que não agridam o meio ambiente; - nos processos de produção, pelo uso de tecnologias limpas e/ou pela redução de produtos considerados como nocivos à saúde; - e no suprimento de matérias-primas, pela campanha crescente para a ampliação do uso de aparas de papel reciclado como suprimento de fibras.

[006] O beneficiamento de rochas ornamentais no Brasil tem configurado uma composição final de resíduo formada substancialmente de pó de rocha, água, cal e materiais abrasivos, como limalhas de ferro e granalha, que são responsáveis por graves problemas ambientais, como por exemplo, assoreamento de rios, poluição visual, além de problemas respiratórios devido a presença de material particulado. No entanto, os mesmos apresentam granulometria ultrafina e baixos teores de sílica, tornando-os potencialmente interessantes para aplicação como carga mineral.

[007] Os principais produtores e exportadores mundiais de rochas ornamentais são: China, Índia, Itália, Brasil, Irã, Turquia e Espanha. Segundo a ABIROCHAS (2009), o Brasil é o sexto produtor mundial de rochas ornamentais, com produção anual de cerca de oito milhões de toneladas, o parque industrial brasileiro é constituído de aproximadamente 1.600 teares de lâminas convencionais. O Brasil está entre os maiores extratores de recursos minerais, como por exemplo, os mármores e calcários para uso ornamental. No tocante à produção nacional, os estados do Espírito Santo, Minas Gerais e Bahia são responsáveis por 90% da produção nacional. Atrelada a essa produção observa-se a geração de uma quantidade significativa de resíduos grosseiros (casqueiros e sobras de chapas e ladrilhos) e de resíduos finos na forma de lama, geralmente composta por água, pó de rocha e abrasivo (granalha e limalhas). A despeito do alto aproveitamento de tais recursos, as técnicas atuais de lavra e extração ainda produzem quantidade apreciável de resíduo mineral sem valor comercial que justifique, do ponto de vista econômico, ser reconduzido para um processo produtivo.

[008] Segundo Matta - Indústria de Rochas Ornamentais Rejeitos x Produção Limpa. Bahia: Departamento Nacional de Produção Mineral - BNPM/BA. Salvador, 2003 - a produção anual de cerca de 3 milhões de toneladas de rocha implica na remoção de pelo menos 7 milhões de toneladas de material em forma de resíduo.

[009] Após a evaporação da água, o pó resultante se espalha, contaminando o ar e os recursos hídricos, sendo em alguns casos canalizados diretamente para os rios e lagos, ou são acumulados nas serrarias e pedrarias. No caso de lançamento direto nos rios há problemas no fluxo hídrico, assoreamento, desoxigenação, turbidez e destruição das condições biológicas naturais da região. No que tange à correta disposição em aterros são encontrados problemas ligados ao correto acondicionamento e espaço físico, além do custo dessas operações.

[0010] A crescente preocupação com o meio ambiente e a busca por formas menos agressivas de exploração e uso dos recursos naturais em todo o mundo torna ainda mais necessária a busca por uma destinação apropriada para os resíduos dessa exploração e pela racionalização dos processos e meios de exploração e produção. Neste sentido a utilização desse tipo de resíduo, contendo materiais indesejáveis como a granalha, limalha de ferro, cal, dentre outros, como carga mineral em compostos poliméricos (composições de termoplásticos, borrachas e termofixos) pode ser uma alternativa viável técnica e economicamente de reaproveitar os resíduos de rochas ornamentais, agregando valor e reduzindo o impacto ambiental. A principal vantagem está relacionada ao fato que não ocorrem reações adversas dos constituintes indesejáveis do resíduo, como a cal, a granalha e as limalhas, permitindo a boa interação entre o mineral, que corresponde a boa parcela do resíduo, e o termoplástico.

Estado da Técnica

[0011] É possível encontrar na literatura documentos a respeito da fabricação de papel sintético a partir de polímeros, tais como: polietileno, polipropileno, poliéster e poliestireno, bem como a mistura desses. Há variáveis quanto ao número de camadas, o tipo de orientação, o tratamento da superfície e a utilização de polímeros virgens e reciclados, porém os aditivos empregados na matriz polimérica, via de regra, são carbonato de cálcio, em teores de até 30%, óxido de titânio, em teores de até 12%, e agente antiestático, em teores de até 3%. Desta forma, é interessante a inserção do resíduo de rochas ornamentais ricos em cálcio, como por exemplo, os mármores e os calcários, em substituição ao carbonato de cálcio industrial. Obviamente, este resíduo agrega outros componentes como granalha e limalha de ferro, que de alguma forma podem interferir nas características óticas e de printabilidade do papel sintético obtido com tal material.

[0012] Cabe ressaltar que nos documentos encontrados nas bases de patentes e de artigos científicos não há menção ao uso de resíduos de rochas ornamentais ou qualquer outro tipo de resíduo que contenha em sua composição majoritariamente o carbonato de cálcio.

[0013] Os documentos de patente EP0605938A1, EP0685331A1, WO95/16575, EP076730A2 abordam a obtenção de papel sintético utilizando como base polimérica poliolefinas e como aditivo inorgânico o carbonato de cálcio. Em todos os casos são obtidos filmes multicamadas, ou seja, primeiro é feita uma camada mãe e depois são depositadas camadas adicionais com composições diferentes.

[0014] Os filmes mono ou multicamadas podem ser orientados uni ou biaxialmente conforme relatado nos documentos EP0685331A1, US552011A, WO95/16575, EP0773094A1, EP0796730A2, US5552011 e US6083443. A orientação é importante na criação de microvazios que contribuem de maneira positiva para a questão da printabilidade, ou seja, da adesão da tinta ao papel.

[0015] A base polimérica para a obtenção de papel sintético pode ser uma mistura de dois ou três polímeros, ou ainda as camadas dos filmes multicamadas podem ter composições diferentes conforme abordado nos documentos PI0701443-0A2, PI0003402-9B1, EP07953399A1 e EP0605938. Sendo muito comum o uso de poliésteres ou poliestireno em conjunto com polipropileno. A função dos primeiros é aumentar a opacidade e também contribuir para a questão da printabilidade.

[0016] A natureza dos polímeros empregados na base polimérica, virgem ou reciclados, é, no último caso, uma alternativa de consumo ao passivo ambiental oriundo principalmente de sacos plásticos e embalagens alimentícias e de bebidas é abordada no documento PI0701443-0A2.

[0017] Os aditivos inorgânicos usualmente empregados são o carbonato de cálcio e o óxido de titânio, sendo que o segundo tem como principal função o branqueamento do filme polimérico. Já o carbonato de cálcio confere estabilidade dimensional e rugosidade à superfície, além de ser sítio nucleador para a formação de microvazios na interface carga- polímero. Há relatos do uso de terra diatomácea e sílica como partículas de enchimento em substituição ao carbonato de cálcio, conforme relatado nos documentos PI9106602 e EP0605938.

[0018] O emprego de tratamentos superficiais na superfície dos filmes poliméricos, principalmente multicamadas, como por exemplo, o tratamento corona é abordado no documento WO95/16575, cujo principal objetivo é alterar a rugosidade superficial, melhorando a adesão da tinta ao papel polimérico.

[0019] Apesar dos ensinamentos correlatos, a invenção agora proposta emprega partículas de enchimento (carga) oriundas do resíduo da lavra e beneficiamento de rochas ornamentais rico em cálcio e com quantidades razoáveis de granalha e limalha de ferro, obtendo um produto de composição heterofásica completamente diverso.

Sumário da Invenção

[0020] Em um primeiro aspecto a presente invenção refere-se à produção de papel polimérico a partir de uma composição formada com polipropileno e/ou polietileno e resíduos oriundos da lavra e beneficiamento de rochas ornamentais, que contém uma série de outros elementos, como cal, granalha, limalhas de ferro, entre outros.

[0021] O processo para produção do papel polimérico compreende três etapas: a) moagem e classificação, que por sua vez compreende uma etapa de tratamento mecânico em que o resíduo de rochas ornamentais é seco, desagregado e peneirado de forma a obter frações com tamanho de partícula adequado; b) pré-mistura do resíduo de rochas ornamentais moído, um agente oxidante e grãos do termoplástico em homogenizador rotatório; c) processamento da mistura por meio de extrusão em máquina com dupla rosca.

[0022] Em um segundo aspecto, com a proposta da invenção resolve- se a problemática da disposição desses resíduos e também são gerados materiais poliméricos com custo reduzido, pois utiliza materiais de baixíssimo custo, principalmente em termos de resíduos de rochas ornamentais, que são considerados um grave problema ambiental para o setor.

Descrição Detalhada da Invenção

[0023] Para que a invenção possa ser melhor compreendida e avaliada, sua descrição detalhada será feita a seguir.

[0024] A presente invenção se refere a uma composição e processo para produção de papel polimérico formado com polipropileno e/ou polietileno e resíduos oriundos da lavra e beneficiamento de rochas ornamentais. Esses resíduos são responsáveis por graves problemas ambientais, mas apresentam granulometria ultrafina e baixos teores de sílica, com elevado potencial para aplicação como carga mineral.

[0025] Ao serem aplicados resíduos gerados na lavra e no beneficiamento das rochas ornamentais, que contém uma série de outros elementos, como cal, granalha, limalhas de ferro, entre outros, na geração do papel polimérico é assegurado que a aplicação do resíduo, que é rico em minerais de interesse, também apresenta esses elementos que não causam problemas ao produto final e que proporcionam uma redução o custo em relação ao emprego de cargas de carbonatos de cálcio e talco puros produzidos industrialmente com esta finalidade.

[0026] A Tabela 1 acima apresenta a composição química de alguns resíduos avaliados de rochas ornamentais obtidos por fluorescência de raios-X a partir do material calcinado.

[0027] O processo para produção do filme polimérico, efetivamente o papel polimérico ou papel sintético, basicamente compreende três etapas: a) moagem e classificação, que por sua vez compreende uma etapa de tratamento mecânico em que o resíduo de rochas ornamentais é seco, desagregado e peneirado de forma a obter frações com tamanho de partícula até 0,150 mm; b) pré-mistura do resíduo de rochas ornamentais, de um agente oxidante fenólico e dos grãos do termoplástico em homogenizador rotatório por um período de 16 a 24 horas à temperatura ambiente; c) processamento da mistura por meio de extrusão em máquina com dupla rosca, utilizando-se uma velocidade entre 150 e 200 rpm, com zonas de temperaturas compreendidas entre 165°C e 230°C.

[0028] O objetivo principal do invento é a obtenção de um filme polimérico, utilizando-se processo alternativo à fabricação do papel celulósico e também reaproveitar resíduos de rochas ornamentais como partículas de enchimento na formulação. É viável também o uso de polipropileno e polietileno de alta densidade pós-consumo (reciclado) em substituição parcial ou total ao material virgem na base polimérica do papel sintético.

[0029] Assim, primeiramente o resíduo de rochas ornamentais é seco, desagregado e peneirado de forma a obter frações com tamanho de partícula até 0,150 mm. A seguir é realizada a pré-mistura do resíduo moído, com um agente oxidante, selecionado da classe dos compostos fenólicos estericamente impedidos, e dos grãos do material termoplástico em homogenizador rotatório por um período de 16 a 24 horas à temperatura ambiente.

[0030] O material termoplástico utilizado é selecionado entre polipropileno ou polietileno de alta densidade. Os teores percentuais, em massa, de resíduo de rochas ornamentais, adicionados à matriz do termoplástico variam desde 5 a 40% em massa e o agente oxidante é adicionado em teores que variam de 0 a 2% em massa.

[0031] O processamento da mistura é realizado por meio de extrusão em máquina com dupla rosca, utilizando-se uma velocidade entre 150 e 200rpm, com zonas de temperaturas compreendidas entre 165°C e 230°C. Acoplada à extrusora, utiliza-se uma matriz, que pode ser plana ou anelar, com sistema de refrigeração e uma calandra com velocidade variável, entre 10 e 40rpm, para resfriar uniformemente e puxar o filme polimérico monocamada formado.

[0032] Dessa forma, puderam ser processados filmes monocamada de papéis poliméricos constituídos de polipropileno e/ou polietileno e o resíduo como carga, tendo sido incorporado em até 40%, em massa.

[0033] As variáveis que afetam cada etapa do processo são: o tipo e o teor do resíduo de rochas ornamentais, a temperatura e a velocidade de extrusão, além da abertura da matriz plana e da velocidade da calandra para obtenção de um filme plano.

[0034] O filme polimérico obtido possui resistência mecânica superior ao papel celulósico, resistência ao intemperismo e boa receptividade a tinta. Os resultados dos ensaios indicaram adequada resistência mecânica e também ao intemperismo, baixa absorção de água, aceptividade à tinta e ao grafite. Dessa forma, a aplicação deste material mostra-se apropriada para a impressão de documentos, livros didáticos, certidões, diplomas, etc., uma vez que se trata de um material nobre de alta resistência mecânica e baixa absorção de água.

Exemplos da Invenção

[0035] A presente invenção irá proporcionar a seguir uma descrição exemplificativa e não limitativa da invenção. Apesar de ser descrita em termos de uma modalidade exemplificativa, certas modificações e variações se tornarão aparentes a partir da descrição a seguir e, portanto, tais modificações e variações estão compreendidas no escopo presentemente reivindicado.

[0036] Exemplo 1: Material de polietileno de alta densidade com resíduo de calcários ornamentais oriundo do Rio Grande do Norte e do Ceará. O polietileno de alta densidade (PEAD), copolímero, utilizado como matriz possui índice de fluidez igual a 5,5 g/10 min. A primeira etapa de preparação consiste na secagem dos componentes em estufa com circulação forçada de ar a 80°C por 16 horas. Em seguida é feita uma pré-mistura mecânica à temperatura ambiente por 24 horas, com a seguinte composição PEAD/Resíduo Calcário/Agente oxidante igual a 100/40/1. Após o término desta etapa a pré-mistura é transferida para o funil de alimentação da extrusora dupla rosca e processada a uma velocidade na faixa de 150 a 200 rpm, mais preferivelmente a 180 rpm, com perfil de temperatura variante de 140°C a 170°C. A fita formada na matriz é puxada por uma calandra com velocidade de rotação entre 10 e 40 rpm, mais preferivelmente 20 rpm, seguindo para uma bobina. Os filmes obtidos foram avaliados quanto à coloração e a morfologia com o auxílio do microscópio eletrônico de varredura, para a verificação do surgimento de microvazios.

[0037] Exemplo 2: Material de polipropileno com resíduo de mármores ou calcários ornamentais. O polipropileno, homopolímero, utilizado como matriz possui índice de fluidez igual a 11,0 g/10 min. A Tabela 2 abaixo apresenta um resumo das formulações empregadas.

De acordo com o processo da invenção, a primeira etapa de preparação consiste na secagem dos componentes em estufa com circulação forçada de ar a 80°C por 16 horas. Em seguida é feita uma pré-mistura mecânica à temperatura ambiente por 24 horas. Neste exemplo foi utilizada a seguinte composição: PP/Resíduo/Agente oxidante igual a 100/11/1. Após o término desta etapa a pré-mistura é transferida para o funil de alimentação da extrusora de dupla rosca e processada a uma velocidade na faixa de 150 a 200 rpm, mais preferivelmente a 180 rpm, com perfil de temperatura variante de 165°C a 230°C. A fita formada na matriz é puxada por uma calandra com velocidade de rotação entre 10 e 40 rpm, mais preferivelmente 20 rpm, seguindo para uma bobina. Os corpos de prova para realização dos ensaios de tração segundo a norma ASTM D-638 tipo V, foram estampados no filme polimérico e ensaiados no sentido longitudinal de tracionamento do filme pela calandra. O módulo de tração longitudinal obtido com as diferentes amostras é apresentado na Tabela 2 em conjunto com a composição que lhe corresponde.

Claims (11)

1 .- PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE PAPEL POLIMÉRICO caracterizado porcompreender as seguintes etapas: a) moagem e classificação, que por sua vez compreende uma etapa de tratamento mecânico em que o resíduo de rochas ornamentais rico em cálcio é seco, desagregado e peneirado de forma a obter frações com tamanho de partícula até 0,150 mm; b) pré-mistura do resíduo de rochas ornamentais, de um agente oxidante fenólico e dos grãos do termo plástico em homogenizador rotatório por um período de 16 a 24 horas à temperatura ambiente; c) processamento da mistura por meio de extrusão em máquina com dupla rosca, utilizando-se uma velocidade entre 150 e 200 rpm, com zonas de temperaturas compreendidas entre 165°C e 230°C.

2 .- PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado poros resíduos de rochas ornamentais serem selecionados entre resíduo da lavra e beneficiamento de rochas ornamentais rico em cálcio e com quantidades razoáveis de granalha e limalha de ferro, cal, dentre outros.

3 .- PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado poro material termoplástico ser selecionado entre polipropileno ou polietileno de alta densidade.

4 .- PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado poro agente antioxidante ser selecionado da classe dos compostos fenólicos estericamente impedidos.

5 .- PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado porcompreender na etapa de processamento zonas de temperaturas que variam entre 165°C e 230°C para processamento de base de po1ipropi1eno.

6 .- PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado porcompreender na etapa de processamento zonas de temperaturas que variam entre 140°C e 170°C para processamento de base de polietileno.

7 .- PROCESSO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado porcompreender na etapa de processamento o acoplamento de uma matriz, que pode ser plana ou anelar, com sistema de refrigeração e uma calandra, para resfriar uniformemente e puxar o filme polimérico.

8 .- COMPOSIÇÃO PARA PRODUÇÃO DE PAPEL POLIMÉRICO caracterizada porcompreender resíduo da lavra e beneficiamento de rochas ornamentais ricas em cálcio e com quantidades razoáveis de granalha e limalha de ferro na proporção de 5 a 40% em massa, e de 0,5 a 2% em massa de um agente antioxidante da classe dos fenóis estericamente impedidos, adicionados em uma matriz dos grãos do material polimérico, para serem processados por extrusão.

9 .- COMPOSIÇÃO de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pordar origem a filmes monocamada de papéis poliméricos constituídos de polipropileno e/ou polietileno e o resíduo da lavra e beneficiamento de rochas ornamentais ricas em cálcio como carga, incorporado em até 40%, em massa.

10 .- COMPOSIÇÃO de acordo com a reivindicação 8, caracterizada poros filmes produzidos apresentarem módulo de tração longitudinal na faixa de 3,0 a 3,5.

11 .- COMPOSIÇÃO de acordo com a reivindicação 8, caracterizada poros filmes produzidos apresentarem adequada resistência mecânica e também ao intemperismo, baixa absorção de água, aceptividade à tinta e ao grafite.