BR102013033044A2

BR102013033044A2 - Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica para aplicação na construção civil, indústria moveleira e automobilística

Info

Publication number: BR102013033044A2
Application number: BRBR102013033044-2A
Authority: BR
Inventors: Antonio Pinheiro Luis; De Melo Carvalho Benjamim; Lauer Sanson Murilo; Fernanda Dos Santos Bruna; De Paula Freitas Felipe; Aparecida Prestes Rosilene; Milléo Almeida Denise; Fávero Borsato Andressa
Original assignee: Universidade Estadual De Ponta Grossa
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-08-25

Abstract

Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica para aplicação na construção civil, indústria moveleira e automobilística. A presente invenção trata da obtenção de materiais compósitos empregando resíduos de soja, após o seu beneficiamento, em matriz polimérica termoplástica. O processo de produção envolve a mistura dos componentes em extrusora mono ou dupla rosca, seguido de granulação do material extrusado e conformação em artefatos plásticos por processos de injeção, termoformagem, rotomoldagem e compressão, com aplicação na indústria moveleira, automotiva e de construção civil.

Description

COMPÓSITOS DE RESÍDUOS ORIUNDOS DO BENEFICIAMENTO DE SOJA COM MATRIZ POLIMÉRICA TERMOPLÁSTICA PARA APLICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL, INDÚSTRIA MOVELEIRA E AUTOMOBILÍSTICA

CAMPO DA INVENÇÃO

Corresponde a uma patente de invenção (PI), compreendida na seção C (Química, Metalurgia), subseção C08 (Compostos Macromoleculares Orgânicos; sua Preparação ou seu Processamento Químico; Composições Baseadas nos Mesmos).

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Matrizes compostas de polímeros termoplásticos constituem, atualmente, sistemas de elevado potencial tecnológico, sendo foco de muitas pesquisas e inovações. Esses plásticos, quando reforçados com fibras naturais, possibilitam a otimização de propriedades mecânicas básicas dos plásticos, como a elevação do módulo elástico e resistência à tração, permitindo sua utilização em aplicações que requerem maiores solicitações mecânicas.

Nos últimos anos, o interesse na utilização de fibras naturais vem crescendo, por conta de uma série de atributos que incluem biodegradabilidade, disponibilidade, renovabilidade e resistência mecânica. Para corroborar a importância deste tipo de material, a Organização das Nações Unidas para a Agricultura e a Alimentação (FAO-ONU) declarou o ano de 2009 como o ano internacional das fibras naturais. Dentre as pesquisas que empregam este tipo de material, algumas que aparecem em destaque utilizam fibras naturais para a produção de compósitos e nanocompósitos. No meio industrial, principalmente no ramo automotivo, é crescente o interesse pelo uso de fibras naturais para a confecção de peças técnicas, de acabamento e utilidades em geral. Para a produção de compósitos e nanocompósitos, destaca-se como vantagens das fibras naturais vegetais: material renovável de disponibilidade ilimitada, menos abrasivas que fibras sintéticas, como a fibra de vidro e fibra de carbono,gerando um menor desgaste dos equipamentos de processo, biodegradabilidade, baixa densidade e alta deformabilidade quando comparadas com materiais similares, baixo custo em relação aos reforços atualmente empregados.

Nesta invenção, será usado o resíduo de soja oriundo de seu beneficiamento, como casca e farelo. São produtos de baixo valor agregado e que são empregados para a produção de produtos de custo reduzido, como ração animal. Assim, o compósito obtido será utilizado para a produção de artefatos para a construção civil, automobilística e moveleira.

Na moveleira, será obtida a madeira plástica, que normalmente é obtida para a produção de artefatos como cercas, janelas, bancos, telhas, lâminas para substituir a madeira compensada e, mobiliários residenciais como mesas, cadeiras, estantes, armários, entre outros. A madeira plástica é importante do ponto de vista tecnológico por apresentar vantagens sobre a madeira natural como impermeabilidade superior, maior resistência à deterioração, ao mofo, a ação de cupins e não requer pintura ou manutenção regular.

Na construção civil, poderão ser obtidos tapumes e vigas para sustentação. Na indústria automobilística, peças de acabamento interno, como painel e placas laterais. A patente PI0717436-5 trata de um produto compósito de madeira e termoplástico de baixa densidade. As patentes PI0713449-5 e PI0519413-0 são relativas a compósitos laminados de madeira e polímero. Não obstante isso, a pesquisa por patentes na base de dados do INPI sobre compósitos de polímero termoplástico e resíduo de soja não produziu resultado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção trata da obtenção de compósito de matriz termoplástica e resíduo do beneficiamento de soja, quer sejam casca e farelo (ou torta), com variadas concentrações destas cargas, com o intuito de se ter um material com propriedades mecânicas melhoradas. A mistura deve ser feita em extrusora mono ou dupla rosca para permitir melhores níveis de dispersão e distribuição da carga. Estes resíduos devem estar em concentração de, no máximo, 30%. Os termoplásticos a serem empregados incluem polietileno de alta densidade, polietileno de baixa densidade, polietileno de baixa densidade linear, polipropileno e PVC, além de seus respectivos copolímeros. Agentes de compatibilização, como silanos, ácido acrílico e anidrido maleico, são usados neste caso para melhorar a adesão interfacial entre os componentes e melhorar as propriedades mecânicas. Por conta das propriedades obtidas, a aplicação do compósito compreende peças para indústria moveleira, de construção civil e automobilística.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 trata da resistência ao impacto dos compósitos obtidos em função da concentração de farelo de casca de soja. A Figura 2 trata do módulo elástico dos compósitos obtidos em função da concentração de farelo de casca de soja.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Os resíduos de soja podem ser usados na forma de pó, para o farelo e a casca, ou fibroso, no caso da casca. A granulometria do pó, tanto do farelo quanto da casca, deve estar na faixa de 0,5 a 250 μίτι. No caso da utilização de componente fibroso, é possível a utilização de fibras curtas, com dimensões de até 5 mm. As concentrações de ambas as cargas no compósito variaram de 0 a 30% e de agente de compatibilização, no máximo até 10%. Consequentemente, a concentração mínima de polímero deve ser de 60%. A mistura das cargas com a matriz termoplástica é realizada em uma extrusora, mono ou dupla rosca, para permitir a incorporação e dispersão do talco e da farinha de madeira na matriz termoplástica. Os polímeros termoplásticos que podem ser empregados são polietileno (de alta densidade, baixa densidade e baixa densidade linear), polipropileno, poli(cloreto de vinila) - PVC e poliestireno. Além destes, é possível empregar estas cargas em poliésteres, como o poli(tereftalato de etileno) - PET, e o poli(tereftalato de butileno) - PBT, além de poliamidas. Todos os respectivos copolímeros dos polímeros citados também podem ser empregados como matriz termoplástica. O processamento na extrusora deve permitir a fusão do polímero empregado como matriz termoplástica, logo a temperatura é variável e função do ponto de fusão do polímero, conforme descrito abaixo: • Polietileno de alta densidade (PEAD): de 160 a 280 °C; • Polietileno de baixa densidade (PEBD): de 140 a 280 °C; • Polietileno de baixa densidade linear (PEBDL): de 150 a 280 °C; • Polipropileno (PP): de 180 a 280 °C; • Poli(cloreto de vinila) - PVC: de 210 a 300 °C; • Poli(tereftalato de etileno) - PET: de 300 a 380 °C;

• Poli(tereftalato de butileno) - PBT: de 250 a 350 °C • Poliamida 6 (PA6): de 230 a 300 °C; • Poliamida 6,6 (PA6.6): de 250 a 300 °C.

Para todos os polímeros citados acima, outros parâmetros que podem ser variados para proporcionar uma boa mistura é a velocidade de rotação de rosca (de 50 a 500 rpm) e a taxa de alimentação (de 1 a 40 kg/h). Estes valores são de referência para uma extrusora laboratorial semi-industrial, com diâmetro de rosca entre 16 e 30 mm e razão entre comprimento e diâmetro (L/D) de no mínimo 30. O emprego da extrusora permite a mistura entre os componentes e depois do processamento, a mistura é granulada para posterior conformação em equipamentos como injetora, rotomoldadora e compressão.

Agentes compatibilizantes, agentes silanos e polímeros modificados quimicamente, são adicionados à mistura, em até 10% em peso, para compatibilizar a carga vegetal e a matriz termoplástica e prover maior adesão interfacial e realçar as propriedades mecânicas. A Figura 1 apresenta a influência da concentração de farinha de casca de soja, com aproximadamente 150 pm de tamanho médio, na resistência ao impacto, seguindo-se a norma ASTM D-256. O polímero puro possui resistência ao impacto igual a aproximadamente 15 J/ m, que é um valor dentro de uma faixa que mais comumente se observa na literatura para polipropileno. O gráfico mostra que todos os compósitos possuem valor de resistência ao impacto mais elevada do que o polímero puro, independente de suas concentrações. Entre os compósitos, a composição com maior resistência ao impacto foi aquela com 10% de farinha de casca de soja, seguido pelas composições com 20 e 30%. Sendo assim, os compósitos obtidos apresentaram aumento na magnitude da resistência ao impacto de até 44,6% em relação ao polímero puro. A Figura 2 apresenta o módulo de elasticidade em função da concentração de farelo de casca de soja, seguindo norma ASTM D-638. O polipropileno puro possui módulo elástico de 890 Mpa. Há uma redução neste valor quando a casca de soja é adicionada, mas esta redução é de, no máximo, 13%. Em termos de aplicação, esta leve queda no módulo elástico é fortemente compensada pelo ganho na resistência ao impacto.

As figuras acima relatadas descrevem o comportamento com o polipropileno, mas o mesmo se repete para os demais polímeros tratados neste texto.

LIMITAÇÕES

Durante o processamento em extrusora, uma possível limitação pode advir da elevação da viscosidade no estado fundido por causa da presença das cargas. Isso pode ser compensado por elevação na temperatura de processo para redução da viscosidade da matriz polimérida, dentro do limite de resistência à degradação do material. A temperatura também pode causar degradação à carga vegetal, que é resistente em temperaturas de até 200 °C. No entanto, condições de processo em extrusora que levem a reduzidos tempos de residência podem compensar este efeito.

BENEFÍCIOS O beneficiamento da soja é voltado, principalmente, para a obtenção do óleo, usado em alimentos. Outro produto bastante explorado é a proteína de soja, usada na alimentação. O restante, basicamente, se trata da biomassa após a extração destes componentes, chamada torta ou farelo e casca. O farelo ainda assim é usado em ração animal, mas possui preço de comercialização muito baixo. A casca é um componente com baixo nível de aplicabilidade e reduzido valor de mercado, tanto que é comum o seu descarte no meio.

Os compósitos híbridos obtidos apresentaram aumento na magnitude da resistência ao impacto de até 44,6% em relação ao polímero puro. Em relação ao mesmo material, os compósitos apresentaram redução no módulo elástico de, no máximo, 13%.

Por conta disso, um benefício bastante significativo é a utilização de um passivo ambiental para a produção de compósitos de matriz polimérica. Esta carga, além de ser biodegradável, também agrega valor ao material, pois melhora algumas de suas propriedades.

APLICAÇÕES

Considerando o impacto nas propriedades observadas, o compósito obtido pode ser empregado em peças de indústria moveleira (peças para apoios e acabamentos), da construção civil (tapumes e divisórias) e para a confecção de artefatos para a indústria automobilística (peças de acabamento externas e internas, como frisos, painel e laterais).

Claims

1. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástíca para aplicação na construção civil, indústria moveleira e automobilística, caracterizado por uma mistura de farelo ou casca de soja, na forma de pó ou fibrilar, com matrizes poliméricas e agentes compatibilizantes, através de um processo de fusão e extrusão;

2. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástíca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de polietileno de alta densidade (PEAD) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico) na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 160 e 280 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

3. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástíca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de polietileno de baixa densidade (PEBD) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 140 e 280 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

4. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástíca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de polietileno de baixa densidade linear (PEBDL) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 150 e 280 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

5. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de polipropileno (PP) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 180 e 280 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

6. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de poli(cloreto de vinila) (PVC) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 210 e 300 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

7. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de poli( tereftalato de etileno) (PET) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 300 e 380 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

8. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de poli(tereftalato de butileno) (PBT) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 250 e 350 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

9. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de poliamida 6 (PA6) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 230 e 300 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h;

10. Compósitos de resíduos oriundos do beneficiamento de soja com matriz polimérica termoplástica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compósito de matriz de poliamida 6,6 (PA 6,6) e seus respectivos copolímeros, na proporção mínima de 60%, juntamente com o resíduo de soja a partir de farelo ou casca, na proporção máxima de 30% e, agentes compatibilizantes (silanos, anidrido maleico ou ácido acrílico), na proporção máxima de 10%, processado com velocidade de rotação de rosca entre 50 e 500 rpm, temperatura entre 250 e 300 °C e taxa de alimentação entre 1 e 40 kg/h.