Efeito de um ambiente salino em tintas intumescentes formuladas com tanino e diferentes fontes de fósforo

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

de Sá, S.C. (UFRGS) ; Peres, R.S. (UFRGS) ; Zmozinski, A.V. (UFRGS) ; Silveira, M.R.S. (UFRGS) ; Ferreira, C.A. (UFRGS)

Resumo

As tintas intumescentes são revestimentos eficientes na proteção do aço contra o fogo, mas é necessário o desenvolvimento de tintas capazes de manter as suas propriedades frente a ambientes agressivos. Neste trabalho, foram preparados revestimentos intumescentes com tanino como fonte de carbono e dois fosfatos como retardantes de chama: trifenil fosfato (TPP) e fosfato de zinco. Foi verificado se o fenômeno de intumescência permanecia após um período de imersão em NaCl 3,5% por uma semana. As amostras foram caracterizadas por teste de resistência ao fogo e por microscopia óptica. Houve uma diminuição na temperatura do substrato com o uso de uma fonte de fósforo no sistema intumescente. O fenômeno de intumescência se manteve após a imersão, apresentando melhores resultados com o uso de TPP.

Palavras chaves

Tanino; Intumescência; Envelhecimento em NaCl

Introdução

O aço é uma matéria-prima estrutural muito utilizada na atualidade. No entanto, este material é muito suscetível a exposição a ambientes agressivos, como atmosfera salina. Além disso, ele perde as suas propriedades estruturais quando atinge temperaturas superiores a 500°C (ALONGI et al ,2015). Logo, é necessário que haja algum material ou revestimento capaz de proteger o aço contra o fogo, mas que seja capaz de manter as suas propriedades mesmo quando exposto a ambientes agressivos. Os revestimentos intumescentes vêm ganhando espaço na proteção de substratos metálicos contra o fogo, como é o caso do aço. De uma forma geral, a tinta intumescente é formada por três componentes principais: uma fonte ácida (um ácido inorgânico ou um composto capaz de liberar espécies ácidas sob aquecimento), uma fonte de carbono (capaz de formar a camada carbonosa protetora) e um agente de expansão (deve decompor para proporcionar a expansão da camada) (ULLAH et al,2013). Quando ela entra em contato com o fogo, reações químicas ocorrem e há a formação de gases inertes, que ficam aprisionados na forma de bolhas na ordem de micrômetros e causam a expansão da camada. A camada carbonosa formada age como uma barreira isolante térmica entre o substrato e a fonte de calor (SORATHIA et al,1996). Um outro componente que pode ser adicionado ao sistema intumescente é um retardante de chama. Os halogenados são os mais conhecidos e eficientes, mas eles liberam gases tóxicos durante o seu processo de queima (ZHU et al,2013). Assim, compostos fosforados estão em evidência, já que não ocorre a liberação de voláteis perigosos ao meio ambiente e à saúde humana durante a sua combustão. O trifenil fosfato é uma fonte de fósforo já utilizada em sistemas intumescentes, principalmente por atuar como retardante de chama na fase condensada e na fase gasosa, como a maioria dos compostos fosforados (RAKOTOMALALA et al,2010). Quando há exposição prolongada a condições ambientais extremas, pode ocorrer a perda de alguns dos componentes do sistema intumescente, ocorrendo uma queda na sua eficiência ou até desaparecimento do fenômeno de intumescência (WANG et al,2013). Estudos apontam que a imersão em solução salina é muito prejudicial a sistemas contendo polifosfato de amônio. Ocorre uma troca iônica entre o polifosfato de amônio e o íon sódio, o que acarreta em um aumento na sua solubilidade e consequente dissolução na solução de ensaio (JIMENEZ et al, 2013). Para estes sistemas, o uso de topcoats está sendo avaliado (JIMENEZ et al,2016;WANG et al,2016). Este trabalho tem como objetivo avaliar a possibilidade de utilização do fosfato de zinco como fonte de fósforo no lugar do trifenil fosfato em tintas intumescentes formuladas com tanino. Além disso, verificar se fenômeno de intumescência se mantém após um período de imersão de sete dias em solução de NaCl 3,5% (m/v). Foram preparadas tintas intumescentes com tanino como fonte de carbono e com a alteração da fonte de fósforo do sistema (trifenil fosfato e fosfato de zinco), tendo como branco uma amostra sem nenhum retardante de chama. As amostras foram caracterizadas por ensaio de resistência ao fogo e a morfologia da camada carbonosa foi avaliada por microscopia óptica.

Material e métodos

Os compostos utilizados no preparo das tintas e no ensaio de imersão foram: resina epóxi base solvente Araldite 488 N-40 (Huntsman), trifenil fosfato (TPP) (Tokyo Chemical Industry), ácido bórico (Synth), melamina (Sigma- Aldrich), dióxido de titânio (TiO2) (Polimerum), cloreto de sódio (Dinâmica Química Contemporânea Ltda.), fosfato de zinco PZ20 (SNCZ) e tanino (Tanac). Foram preparadas três amostras de tinta, sendo elas o Branco (sem nenhum retardante de chama), TTPP (amostra contendo trifenil fosfato) e TFZn (amostra contendo fosfato de zinco) com base em uma formulação presente na literatura (ULLAH et al,2013). A formulação da tinta Branco é: 71,80% de resina, 6,19% de tanino, 6,19% de ácido bórico, 6,19% de melamina e 9,63% de dióxido de titânio. Já a formulação da amostra TTPP é: 71,80% de resina, 6,19% de tanino, 6,19% de ácido bórico, 6,19% de melamina, 3,43% de trifenil fosfato e 6,20% de dióxido de titânio. A terceira amostra (TFZn) tem como formulação: 71,80% de resina, 6,19% de tanino, 6,19% de ácido bórico, 6,19% de melamina e 9,63% de fosfato de zinco. Todas as tintas foram preparadas em um dispersor de tintas modelo DISPERMAT N1 (WMA-GETZMANN GMBH) a uma rotação de 3000 rpm por 30 minutos (o tempo começou a ser contado após a incorporação de todos os componentes) e, em seguida, aplicadas em uma placa de aço AISI 1010 com uma espessura de camada seca de 1,5 mm (ajustada com o auxílio de um molde com abertura circular). O ensaio de imersão em NaCl 3,5% (m/v) foi realizado a temperatura ambiente e com o auxílio de um dispositivo de polietileno (com o mesmo diâmetro da abertura do molde) fixado na placa com o vedante Elastil®. É importante ressaltar que a imersão só iniciou após a secagem completa da película de tinta, assim como o ensaio de resistência ao fogo só foi realizado após a secagem dos corpos de prova. O ensaio de imersão teve uma duração de sete dias (168 horas). No teste de resistência ao fogo, os corpos de prova foram fixados com o auxílio de garras e submetidos a chama de um maçarico VersaFlame modelo 2200 (Dremel) com monitoramento de temperatura. O monitoramento de temperatura foi feito na parte de trás do substrato, no ponto onde a chama encontrava a camada formada, com um termopar do tipo K (Thermomax). O maçarico utilizou butano, que gera uma chama que atinge uma temperatura máxima de 1150°C. Por fim, a morfologia da camada carbonosa protetora foi analisada com o auxílio de um microscópio digital portátil USB Dino-Lite modelo AM3111 com capacidade de aumento de até 200 vezes.

Resultado e discussão

A avaliação do comportamento intumescente das amostras foi feita através do monitoramento da temperatura do substrato durante o ensaio de resistência ao fogo. Os perfis apresentados pelas amostras estão presentes na Figura 1, que também as compara com uma placa de aço não revestida. Em primeiro lugar, é possível verificar que as tintas intumescentes realmente protegem o substrato, já que o desenvolvimento de temperatura foi bem menor do que o da placa sem revestimento. A placa sem revestimento chegou a atingir temperaturas próximas a 500°C. Em relação ao uso de um retardante de chama fosforado no sistema, realmente houve uma diminuição da temperatura do substrato, quando é feita a comparação entre o Branco e as amostras TTPP e TFZn. Sem o uso de um retardante de chama, o tempo necessário para extinguir a chama foi maior e houve um maior alastramento da chama ao longo do corpo de prova, o que pode ter favorecido o aumento da temperatura do aço. Além disso, o uso do fosfato de zinco no lugar do trifenil fosfato foi satisfatório, já que a temperatura da amostra TFZn ao longo do ensaio foi menor do que a da amostra TTPP, apenas a ultrapassando nos minutos finais da análise. A maior quantidade de fósforo no fosfato de zinco e o fato de ter sido adicionada uma quantidade quase três vezes maior deste componente em comparação com o trifenil fosfato pode ter contribuído para este resultado. O ensaio de resistência ao fogo realizado nas amostras após a imersão em NaCl 3,5% (m/v) indicaram que houve a difusão de íons cloreto e íons sódio para a película de tinta. O tempo necessário para extinguir a chama foi menor (o que pode indicar a presença de cloretos) e, durante a queima, a chama alterava a sua coloração quando entrava em contato com a amostra (de azul para tons amarelos e alaranjados). No teste da chama, o sódio apresenta uma coloração nestes tons, o que pode explicar este fenômeno. Além disso, a expansão da camada foi menor, o que pode ter ocorrido pela perda de parte dos componentes por solubilização na solução de ensaio. É importante ressaltar que houve a formação da camada carbonosa protetora em todas as amostras, o que mostra que o fenômeno de intumescência de manteve após o envelhecimento em solução salina. No entanto, a amostra TFZn piorou muito o seu desempenho após a imersão. Houve a abertura de uma cavidade grande, que ocasionou o aumento acelerado da temperatura a partir da metade do ensaio. Já a amostra TTPP conseguiu manter a temperatura estável em torno de 170- 175°C (semelhante a do Branco antes da imersão), mesmo tendo piorado o seu desempenho, ela ainda protegeu o substrato metálico em que estava aplicada. O Branco apresentou uma melhora considerável no seu comportamento após a imersão, elevando gradualmente a temperatura até atingir a mesma temperatura final de ensaio que o Branco não imerso. É possível que isto tenha acontecido pelo fato do dióxido de titânio ser mais insolúvel em água do que os fosfatos e pela possível difusão de íons cloreto pela película, que podem ter auxiliado no processo de extinção da chama. A Figura 2 apresenta as micrografias das camadas carbonosas das amostras. A morfologia da camada sofre uma alteração com a mudança da fonte de fósforo. Enquanto a camada formada na amostra TTPP apresenta uma estrutura mais coesa e em tons mais brancos, a amostra TFZn apresenta uma camada mais porosa e em tons de cinza claro. Após a imersão, não houve a abertura dos poros do Branco, o que também pode ter contribuído para as menores temperaturas atingidas no substrato. A camada da amostra TTPP apresenta rachaduras após a imersão, enquanto antes só apresentava poros abertos. As rachaduras podem ter influenciado no maior desenvolvimento de temperatura na análise da amostra TTPP após a imersão. Por fim, a amostra TFZn apresenta uma estrutura com poros maiores (que diminuem após a imersão) e há a presença de esferas, que aumentam o seu tamanho após o envelhecimento em solução salina.

Monitoramento da temperatura do substrato durante o ensaio de resistência ao fogo.


Micrografias das camadas carbonosas formadas pelas amostras: (a) Branco, (b) TTPP, (c) TFZn, (d) Branco Imerso, (e) TTPP Imerso e (f) TFZn imerso.

Conclusões

A vantagem do uso de um aditivo retardante de chama (fonte de fósforo) foi evidenciada na comparação das amostras antes do ensaio de imersão em solução salina. A possibilidade de ter ocorrido difusão de íons cloreto pela película de tinta e o fato do dióxido de titânio ser mais insolúvel em água (em comparação ao TPP e ao fosfato de zinco), podem ter contribuído para o seu bom comportamento contra o fogo após a imersão. Além disso,a substituição do trifenil fosfato por fosfato de zinco foi eficiente, já que a amostra TFZn apresentou temperaturas inferiores no substrato durante grande parte do ensaio de resistência ao fogo (em comparação com a amostra TTPP), o que pode ser devido a maior quantidade de fósforo presente na sua composição. No entanto, após a imersão de uma semana em NaCl 3,5%, a eficiência da amostra TFZn como isolante térmica baixou muito. Ela apresentou as maiores temperaturas no substrato em relação a todas as amostras de tinta intumescente. É importante ressaltar que fenômeno de intumescência se manteve após o envelhecimento em solução de cloreto de sódio. Houve a formação da camada carbonosa em todas as amostras, mas o trifenil fosfato se mostrou mais resistente a esse ambiente agressivo. Por fim, é possível concluir que a fonte de fósforo influencia diretamente na morfologia da camada carbonosa protetora formada.

Agradecimentos

Os autores agradecem às agências governamentais brasileiras CNPq, CAPES e FAPERGS pelo apoio financeiro e bolsas de estudo.

Referências

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