BR102014028832B1 - processo de reciclagem para recuperar o material de reforço fibroso de materiais compósitos e sistema de tratamento de gases efluentes - Google Patents

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Abstract

processo de reciclagem de materiais compósitos e sistema de tratamento de gases efluentes. descreve-se um processo de reciclagem para recuperar o material de reforço fibroso de materiais compósitos, em especial fibra de carbono, composto de reator primário (101), para pirólise e oxidação controlada da matriz (resina) do material compósito em baixa temperatura (400°c a 500°c) e um sistema de tratamento de gases efluentes gerados na decomposição térmica de matrizes de materiais compósitos que faz uso de um reator secundário (201), contendo em seu interior um arco de plasma (211) térmico. o processo tem por característica principal, no âmbito da reciclagem de fibra de carbono, a possibilidade de manutenção da trama do tecido, obtendo-se tecidos de fibra de carbono pura, sem quantidade significativa de resíduos e preservando suas características estruturais. o plasma térmico possibilita gerar altas temperaturas (2.000°c a 15.000°c) em atmosfera controlada, o que permite a dissociação de cadeias longas de moléculas em íons que são recombinados para gerar gases combustíveis e outros gases, ácido ou alcalinos, que são facilmente neutralizados e retidos em sistemas de limpeza de gases

Description

"PROCESSO DE RECICLAGEM PARA RECUPERAR O MATERIAL DE REFORÇO FIBROSO DE MATERIAIS COMPÓSITOS E SISTEMA DE TRATAMENTO DE GASES EFLUENTES" [001] A presente invenção refere-se a um processo de reciclagem de materiais compósitos, particularmente a recuperação de fibras do material compósito a partir da pirólise e oxidação controlada da resina deste material, e a um sistema de tratamento dos gases efluentes gerados na decomposição térmica da resina durante a reciclagem dos materiais compósitos.
Descrição do estado da técnica [002] Os compósitos são formados por misturas de diferentes materiais, sendo eles: a matriz polimérica ou resina, o reforço fibroso (fibra de carbono, fibra de vidro, fibra de aramida) e, em alguns casos, os agentes de enchimento.
[003] Como é conhecido do estado da técnica, os materiais compósitos que possuem matriz polimérica tem sido uma alternativa às estruturas metálicas, muito utilizadas pela indústria aeronáutica. Estes materiais apresentam uma variedade de combinações de matrizes e reforços que proporcionam características de resistência mecânica e rigidez específica que permitem a aplicação estrutural.
[004] A tecnologia das fibras de carbono, em especial, vem evoluindo rapidamente nos últimos anos, trazendo consigo benefícios em uma variedade de opções de reforços de alto desempenho. A característica mais importante das fibras de carbono é o alto módulo de elasticidade, superior às outras fibras de reforço.
[005] No entanto, os resíduos de aparas da produção e as peças em final de vida ou em não conformidade não possuem uma destinação sustentável, sendo que normalmente estes materiais são enviados para aterro industrial ou incineradores como destinação final.
[006] Neste sentido, a reciclagem é uma das formas mais inteligente de gerir os resíduos pois, gera empregos, não agride o meio ambiente e estimula a reutilização de produtos.
[007] Entretanto, os compostos são muitas vezes fabricados em combinação com outros materiais como, por exemplo, peças onde se utiliza núcleos do tipo colmeia para reduzir o peso e custo. Inserções de metal também são utilizadas para facilitar a fixação para os outros componentes. Tais combinações dificultam o processo de reciclagem dos componentes do material compósito. Além destes problemas específicos, há outros problemas associados com a reciclagem de qualquer material em fim de vida, tais como a necessidade de ser capaz de lidar com a contaminação e as dificuldades com o recolhimento, identificação, seleção e separação do material de sucata.
[008] Assim sendo, o processo de reciclagem de materiais compósitos é um campo pouco desenvolvido dentro das indústrias ao redor de todo o mundo. Contudo, por se tratar de um material com alto valor de mercado, a fibra de carbono é um material interessante para ser recuperado via reciclagem, e isso se torna viável desde que mantenha suas características mecânicas pouco alteradas. Adicionalmente, a reciclagem de materiais compósitos deve ser muito cautelosa, pois a degradação de materiais poliméricos pode gerar gases e fuligens com características poluentes.
[009] Diversos processos já foram propostos para essa reciclagem: trituração mecânica, solvólise, micro-ondas, leito fluidizado, combustão e pirólise. Estudos internacionais indicam que a pirólise é o mais adequado comercialmente, porém, a emissão de gases e sobras da pirólise tradicional formam um passivo ambiental não resolvido. Isto porque, a decomposição térmica da matriz polimérica de materiais compósitos e de alguns enchimentos, em temperatura abaixo de 900°C, produz grande quantidade de gases e fuligens com características carcinogênicas.
[010] Dessa forma, se faz necessária a utilização de processos de reciclagem que tratem não somente da recuperação do reforço fibroso, mas também das emissões provenientes da degradação térmica.
Objetivos da invenção [011] Assim sendo, a presente invenção tem como objetivo, prover um processo de reciclagem de materiais compósitos capaz de recuperar as fibras provenientes de peças de materiais compósitos ou tecidos pré-impregnados com polímeros.
[012] Outro objetivo desta invenção é prover um sistema de tratamento de gases efluentes gerados na decomposição térmica das matrizes dos materiais compósitos durante a reciclagem desses materiais compósitos.
Breve descrição da invenção [013] Logo, a presente invenção tem como objeto, um processo de reciclagem de materiais compósitos que compreende as seguintes etapas: (i) preparação de materiais compósitos e disposição destes em um reator primário; (ii) pirólise do material compósito no reator primário obtendo fibras com resíduos de fuligem; e (iii) oxidação das fibras com resíduos de fuligem obtendo fibras recuperadas.
[014] É também objeto dessa invenção, um sistema de tratamento de gases efluentes gerados na decomposição térmica de matrizes de materiais compósitos, compreendendo: um reator secundário que recebe os gases efluentes e gases reagentes, realiza uma ionização dos gases efluentes e uma posterior recombinação dos íons entre si e com os gases reagentes formando gases combustíveis e gases neutralizáveis; uma câmara de combustão que recebe e queima gases combustíveis gerados pelo reator secundário; um lavador de gases que recebe e lava os gases neutralizáveis; e um conjunto de exaustão formado por um exaustor associado a uma chaminé, que expele gases neutralizados para atmosfera.
Descrição resumida dos desenhos [015] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: [016] Figura 1 - é uma vista esquemática do processo de reciclagem de materiais compósitos e do sistema de tratamento de gases efluentes gerados no processo de reciclagem;
[017] Figura 2 - é uma vista esquemática do reator que compõe o sistema de tratamento de gases efluentes;
[018] Figura 3 - é um fluxograma do processo de reciclagem de materiais compósitos;
[019] Figura 4 - é uma imagem de fibra de carbono recuperada através do processo de reciclagem de materiais compósitos, em ampliação de 1000 vezes;
[020] Figura 5 - é uma imagem de fibra de carbono recuperada através do processo de reciclagem de materiais compósitos, em ampliação de 6000 vezes;
[021] Figura 6 - é uma imagem de fibra de carbono recuperada através do processo de reciclagem de materiais compósitos, em ampliação de 14000 vezes;
[022] Figura 7 - é uma imagem da ponta da fibra de carbono recuperada através do processo de reciclagem de materiais compósitos, em ampliação de 14000 vezes; e [023] Figura 8 - ilustra gráficos do espectro Raman realizados com filamentos de fibra nova (referência) e filamentos de fibra reciclada.
Descrição detalhada da invenção [024] De acordo com uma concretização preferencial e conforme ilustrado nas figuras 1 a 8, a presente invenção refere-se a um processo de reciclagem de materiais compósitos 100 e a um sistema de tratamento de gases efluentes 200 gerados na decomposição térmica de matrizes de materiais compósitos.
[025] O processo de reciclagem de materiais compósitos 100 tem a finalidade de recuperar as fibras dos materiais compósitos, mas de modo a preservar as características mecânicas e estruturais dessa fibra, permitindo também manter a trama do tecido processado. Como materiais compósitos entende-se materiais formados por uma matriz polimérica e um reforço de fibras que podem ser fibras de carbono, de vidro e de aramida, ainda, materiais fibrosos impregnados com resina, compósitos termorrígidos e termoplásticos.
[026] De acordo com as figuras 1 e 3, esse processo tem início com a preparação dos materiais compósitos provenientes de sobras de processos produtivos, peças rejeitadas, compósitos em fim-de-vida e a disposição destes em um reator primário 101, sem que sejam triturados.
[027] Uma vez confinado no reator primário 101, um gás reagente é inserido por um ponto de inserção de gás reagente 105 e o material compósito é aquecido a uma temperatura entre 400°C e 600°C, em uma atmosfera controlada utilizando-se da injeção de gás nitrogênio (N2), o qual torna a pressão interna ligeiramente superior à pressão atmosférica, apenas com o intuito de evitar a entrada de ar atmosférico para o interior do reator primário 101. Mais precisamente, a temperatura no interior do reator primário 101 é mantida a 500°C com variação de ±20°C por um tempo que varia entre 30 e 40 minutos. Esta é a etapa da pirólise que tem como finalidade a gaseificação de componentes dos elementos que constituem a matriz polimérica do material compósito, restando apenas resíduos de fuligem na superfície da fibra.
[028] Finalizada a pirólise, a fibra com resíduos de fuligem é retirada do reator primário 101 e passa por uma etapa de lavagem. Nesta etapa, a fibra é mergulhada em água deionizada que é adsorvida por uma matriz carbonosa remanescente sobre a fibra.
[029] Após esta lavagem, a fibra com resíduos de fuligem e agora com adsorção de água deionizada, retorna ao reator primário 101 para a etapa de oxidação. Neste caso, a adsorção da água deionizada pela fibra proporciona uma oxidação homogênea. Isto porque, uma vez confinada novamente no reator primário 101, a fibra é aquecia a uma temperatura entre 350°C e 450°C, mais especificamente a 400°C podendo varia ±15°C, por um tempo entre 30 e 40 minutos, quando ocorre a oxidação do carbono residual ainda remanescente na superfície da fibra após a etapa de pirólise.
[031] Assim, o processo 100 proposto possibilita a recuperação de fibras mantendo as características mecânicas e estruturais dessa fibra, permitindo o reuso da fibra recuperada em diversas aplicações internas como, por exemplo: ferramentais, gabaritos e até mesmo peças aeronáuticas de menor responsabilidade estrutural, assim como permite a comercialização dessa fibra recuperada. O processo 100 também permite que as peças usadas na reciclagem estejam em um tamanho satisfatório para uma boa qualidade da fibra já recuperada, não sendo necessária a destruição excessiva das fibras por uma trituração no início do processo.
[032] Neste sentido, as figuras 4 a 7 ilustram imagens da fibra recuperada em diferentes ampliações, demonstrando a integridade física dessa fibra após o processo de reciclagem aqui descrito. Já a figura 8 apresenta os espectros Raman realizados com filamentos de fibra nova (referência) e filamentos da fibra recuperada. O resultado confirma que o processo mantém a integridade estrutural da fibra e indica a mesma composição molecular das fibras avaliadas.
[033] Os espectros da figura 8 são característicos de fibra de carbono, formadas unicamente por carbono com a presença de picos nas bandas D (1345 cm-1) e G (1560 cm-1) e foram obtidos com laser de íons de argônio (λ = 514 nm).
[034] A diferença de amplitude, percebida na intensidade das curvas no espectro da figura 8 não tem relação com a estrutura da fibra, refere-se a diferenças de alinhamento do laser do equipamento. O que importa nesta análise é a posição e a repetição dos picos.
[035] A relação entre as bandas (ID / IG), percebida na figura 8, pode ser considerada como uma medida da ordem cristalina de materiais de carbono. Com base na evidência das ligeiras diferenças nos índices de ID / IG, conclui-se que os tratamentos não modificaram a estrutura grafítica das amostras de fibra de carbono.
[036] Embora o processo 100 apresente as vantagens de reciclar materiais compósitos e recuperar as fibras desses materiais mantendo as características mecânicas dessa fibra, durante a etapa de pirólise na qual ocorre a decomposição térmica de matrizes poliméricas do material compósito, gases efluentes são emitidos e emanados do reator primário 101. Tais gases, provenientes da degradação de materiais compósitos, são poluentes atmosféricos.
[037] Neste sentido, o sistema de tratamento de gases efluentes 200 gerados na decomposição térmica de matrizes de materiais compósitos possui a função de tratar estes gases de modo a evitar a exaustão de gases tóxicos e/ou com características poluentes para a atmosfera.
[038] Para tanto, conforme pode ser visto nas figuras 1 e 3, os gases efluentes E do processo de reciclagem de materiais compósitos 100 são encaminhados a um reator secundário 201 através de uma tubulação 104 que interliga o reator primário 101 ao reator secundário 201. Ainda nesta tubulação 104, gases reagentes R são adicionados.
[039] Conforme ilustrado na figura 2, os gases efluentes E e os gases reagentes R entram no reator secundário 201 por uma entrada 210 e passam por um arco de plasma 211 alimentado por uma tocha de plasma 213, sendo, então, ionizados a uma temperatura que varia entre 2.000°C e 15.000°C e direcionados para uma saída 212 do reator secundário 201. Devido às altas temperaturas, no momento em que os gases efluentes E e reagentes R passam pelo arco de plasma 211, as ligações químicas entre os átomos das moléculas que compõem esses gases são quebradas e transformadas em íons dos elementos que as compõe.
[040] Após esta ionização dos gases, os íons seguem para uma câmara 202 onde, por controle da pressão, temperatura e composição de atmosfera, com o auxílio da injeção de gases reagentes R na corrente gasosa, os íons são direcionados a se recombinarem formando moléculas de gases combustíveis C, por exemplo, hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO), gases inertes como o dióxido de carbono (C02), ou gases neutralizáveis N que são gases ácidos ou alcalinos provenientes da reação entre os íons hidrogênio (H+) e oxigênio (O'2) com os íons enxofre (S'2), flúor (F ), cloro (Cl ), boro (B+3) e outros.
[041] Os gases combustíveis C formados são queimados ou oxidados em uma câmara de combustão 202 com o auxílio de um queimador piloto 206, enquanto os gases neutralizáveis N são neutralizados em um lavador de gases 203.
[042] Uma vez oxidados e lavados, os gases estão neutralizados e prontos para serem expelidos para atmosfera. Um ponto de amostragem de gás 207 permite a retirada de amostras de gases neutralizados antes que estes passes por um conjunto de exaustão.
[043] Este conjunto de exaustão é formado por um exaustor 204 que faz a sucção dos gases neutralizados e os expele para atmosfera através de uma chaminé 205 da qual o exaustor 204 é associado.
[044] Com relação ao plasma, este se caracteriza por ser uma fonte de calor que proporciona altas temperaturas (entre 2.000 e 15.000°C) e possibilita o controle da atmosfera do ambiente onde está confinado por não utilizar combustíveis como fonte de energia e sim uma descarga elétrica. Sendo assim, este processo se enquadra como uma forma adequada para o processamento dos gases e particulados provenientes da decomposição térmica dos componentes dos materiais compósitos.
[045] O estado de plasma é conhecido como o quarto estado da matéria. Por exemplo, se a um bloco de gelo, água (H2O) no estado sólido (1o estado da matéria), for acrescentado energia na forma de calor, suas moléculas irão se agitar até passar do estado sólido para o estado líquido (2° estado da matéria). Acrescentado mais energia (calor) a esta água no estado líquido, as moléculas irão se agitar ainda mais passando para o estado gasoso (3o estado da matéria). Se acrescentar mais energia a água no estado gasoso, suas moléculas irão se agitar ainda mais até se separarem em íons dos elementos que a constituem (no caso da água H+ e O'2) e este é o estado de plasma da água (4o estado da matéria). O estado de plasma é descrito como íons dispersos em um fluido. As reações provenientes de uma descarga elétrica em um meio gasoso a pressões acima da pressão atmosférica promovem altas temperaturas e isso permite elevar qualquer gás, que se encontre nesse meio, ao seu estado de plasma.
[046] Após a elevação de um gás ao estado de plasma, em atmosfera controlada, pode-se controlar um reator para proporcionar meios favoráveis à recombinação desses íons para formar outras moléculas que não as do gás de origem.
[047] O fato do sistema 200 fazer uso do plasma térmico para o tratamento de gases tóxicos gerados da decomposição térmica dos materiais compósitos é um diferencial proposto pelo presente desenvolvimento que possibilita a reciclagem de materiais compósitos e resolve o problema dos gases efluentes gerados nessa reciclagem, eliminando o passivo ambiental até hoje conhecido.
[048] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.
REIVINDICAÇÕES

Claims (8)

1. Processo de reciclagem para recuperar o material de reforço fibroso de materiais compósitos (100), compreendendo as etapas de (i) preparação de materiais compósitos e disposição destes em um reator primário (101); (ii) pirólise do material compósito no reator primário (101) obtendo fibras com resíduos de fuligem; o processo de reciclagem para recuperar o material de reforço fibroso de materiais compósitos (100) sendo caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, as etapas de: (iii) lavagem das fibras com resíduos de fuligem em água deionizada obtendo fibras com água deionizada adsorvida; e (iv) oxidação térmica das fibras com água deionizada adsorvida obtendo fibras recuperadas.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na etapa de pirólise, o material compósito é confinado no reator primário (101) em atmosfera controlada e aquecido entre 400°C e 600°C por um tempo que varia entre 30 e 40 minutos.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que após a etapa de pirólise ocorre uma gaseificação de componentes de uma matriz polimérica do material composto.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de oxidação ocorre a uma temperatura entre 350°C e 450°C.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que durante a pirólise no reator primário (101) somente gases efluentes (E) são emitidos.
6. Sistema de tratamento de gases efluentes (200) gerados na decomposição térmica de matrizes de materiais compósitos, caracterizado pelo fato de que compreende um reator secundário (201) que recebe os gases efluentes (E) e gases reagentes (R), realiza uma ionização dos gases efluentes e uma posterior recombinação dos íons entre si e com os gases reagentes formando gases combustíveis (C) e gases neutralizáveis (N); uma câmara de combustão (202) que recebe e queima gases combustíveis (C) gerados pelo reator secundário (201); um lavador de gases (203) que recebe e lava os gases neutralizáveis (N); e um conjunto de exaustão formado por um exaustor (204) associado a uma chaminé (205), que expele gases neutralizados (N) para atmosfera.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o reator secundário (201) compreende um arco de plasma (211) para a ionização dos gases efluentes.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura no reator secundário (201) varia entre 2.000°C e 15.000°C.
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