Modificação Química do Rejeito Caulinítico Para Uso Como Cargas em Materiais Compósitos de Matriz Polimérica

ÁREA

Química de Materiais

Autores

Santos, J.C.P. (UFPA) ; Viana, L.G.M. (UFPA) ; Santos, M.B. (UFPA) ; Matos, R.M. (UFPA) ; Ramos, J.S. (UFPA) ; Costa, D.S. (UFPA) ; Hildebrando, E.A. (UFPA)

RESUMO

O trabalho tem o objetivo de realizar a modificação química de rejeito caulinítico afim da aplicação como carga de reforço em materiais compósitos de matriz poliéster. O rejeito foi caracterizado por difração de raios X e posteriormente feito tratamento químico com acetato de potássio (CH3CO2K), onde a solução ficou sob agitação magnética (temperatura ambiente/8h), foi filtrado e secado para realizar a confecção dos corpos de prova com carga de 10% e 20% em uma matriz poliéster, para serem realizados os ensaios físicos de absorção de água (AA), porosidade aparente (PA) e massa específica aparente (MEA). Após análises, observou-se que a carga de 10% não causou mudanças significativas na AA para a matriz, logo a inserção de carga não altera de forma deletéria as propriedades do compósito.

Palavras Chaves

modificação química; rejeito caulinítico; ensaios físicos

Introdução

A produção de rejeito é uma parte, muitas vezes, inevitável de um processo produtivo. No setor da mineração, nos últimos anos, devido ao aumento da demanda por minerais, houve um significativo crescimento das atividades de mineração permitindo a extração e beneficiamento de minérios com teores cada vez mais baixos. Como resultado, tem acontecido um aumento proporcional na geração de resíduos provenientes da mineração, chamados de "rejeitos" (IBRAM, 2019). Esses rejeitos são geralmente armazenados em grandes reservatórios, por isso, essa questão tem gerado preocupação, especialmente depois de eventos trágicos, como o rompimento da represa da mineradora Samarco, em Mariana/MG (2015), e o recente desastre da barragem de rejeitos em Brumadinho/MG (2019). Ambos os incidentes resultaram em terríveis catástrofes ambientais e sociais, o que gera reflexão sobre a importância de lidar de forma adequada com esses rejeitos (DE AGUIAR LIMA, 2022). Afim de evitar o descarte na natureza, fomenta-se a importância de aplicações como a confecção de novos materiais, como os compósitos. Os compósitos são resultantes da combinação de diferentes materiais, consistindo de uma matriz contínua que envolve uma fase dispersa. A fase dispersa desempenha um papel fundamental nas propriedades do compósito, influenciado por fatores como geometria, distribuição, orientação e compatibilidade interfacial. Por conseguinte, é imperativo que haja uma afinidade entre os componentes constituintes do compósito, acompanhada do entendimento das propriedades químicas e físicas individuais de cada parte (NUNES, 2023). Tal combinação entre matriz e fase dispersa pode ser feita por um polímero e um rejeito, como no caso do rejeito caulinítico, que pode ser utilizado como carga nos materiais compósitos. Caulim é o nome comercial de um tipo de argila branca, que abrange aplicações industriais como pigmento, carga e cobertura de papel, matéria-prima para indústria cerâmica, entre outros. Por ser aplicável em vários setores, o caulim passa por muitos processos de beneficiamento com intuito de facilitar o aumento de propriedades como alvura, opacidade, pureza, etc (FALCÃO, 2004). No beneficiamento do caulim são gerados dois tipos de rejeitos: o primeiro formado por quartzo, 10% da produção bruta, e o segundo formado por caulinita, 26% da produção bruta (LIMA, 2022). Devido a grande geração de rejeito, faz-se necessário que os mesmos ganhem uma finalidade afim de diminuir a criação de reservatórios de grandes proporções e com isso reduzir os riscos de problemas como contaminação do solo e da água, comprometimento da biodiversidade e problemas sociais, que o rompimento destes podem acarretar. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é a realização da modificação química de rejeito caulinítico visando sua aplicação como cargas minerais de reforço na produção de materiais compósitos de matriz poliéster.

Material e métodos

As placas de materiais compósitos foram produzidas a partir do método hand lay-up (manual). O rejeito de caulim passou pela técnica de difração de raios-X (DRX) para ser caracterizado. O rejeito seguiu para a estufa em 105 °C para retirada de qualquer umidade e, então, foi classificado granulometricamente em peneira de 100 mesh da série Tyler. Depois de peneirado, o rejeito seguiu para o tratamento químico com acetato de potássio (CH₃CO₂K), onde uma solução de 170 g de rejeito, 64,5 g de CH₃CO₂K e 340 mL de água destilada, ficou sob agitação magnética por 8h em temperatura ambiente e em seguida em repouso. Ao final de 24h, realizou-se a filtragem do material para então ser levado à estufa em temperatura de 60 °C. Posteriormente à secagem, o rejeito de caulim tratado quimicamente foi desagregado utilizando um pistilo e um gral, assim, para ser utilizado como carga mineral para produção de materiais compósitos, misturou-se em ordem e quantidade predefinida, a resina poliéster cristal (matriz polimérica), o acelerador Solução de Octoato de cobalto 1,5%, o rejeito e o iniciador MEK-P. A quantidade de cada componente utilizado foi calculada através de parâmetros predefinidos. A mistura foi vazada em molde metálico, de dimensões de 320 mm x 172,5 mm x 5 mm, e sofreu compressão em prensa hidráulica por 20 minutos com carga de 25 kN. Ao fim do desmolde das placas, as mesmas passaram pelo processo de cura por 24h e então foram cortadas com uma máquina de corte, conforme normas ASTM D570, ASTM D2734 e ASTM D792 para os ensaios físicos.

Resultado e discussão

Difração de raios-X (DRX) Com a caracterização do rejeito in natura por DRX, pode-se observar a composição da amostra conforme os picos principais do argilomineral caulinita (Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O) em 2θ = 12,45° (7,10 Å); 20,49° (4,33 Å) e 24,95 (3,56 Å), e demais picos formados por quartzo (SiO₂) e anatásio (TiO₂). Ensaios Físicos Percebe-se que os compósitos, principalmente para carga de 10% (RCT-10), obtiveram valores estatisticamente muito próximos da resina plena para os ensaios realizados. O aumento, mesmo que pequeno, pode ser resultado da característica hidrofílica do material reforçado com rejeito de caulim, e também pela confecção manual das placas, elevando a probabilidade da formação de defeitos – bolhas, trincas e vazios. TAVARES (2021) e MORAES et al (2019) realizaram incorporação de rejeito de caulim em matriz polimérica, caracterizaram fisicamente e os resultados apresentaram tendência de crescimento nas propriedades de AA e PA dos materiais compósitos. O gráfico da Figura 2 expõe um comparativo entre os testes de absorção de água, porosidade aparente e massa especifica aparente. O rejeito de caulim possui um alto teor hidrofílico, e segundo a afirmação de SOUSA (2022), a absorção de água em materiais compósitos se dá pela presença de poros e da interface entre as fases, indicando maior ou menor compatibilidade entre os componentes. Com isso é esperado que o compósito conforme obtenha mais carga disponha de um aumento tendencioso nos resultados para tais testes. O compósito com carga de 20% (RCT-20) evidenciou uma maior absorção de água e porosidade aparente quando comparado ao compósito RCT-10, onde possivelmente a dispersão da carga na resina foi realizada de maneira efetiva, diminuindo a possibilidade de presença de bolhas e poros, gerando uma menor absorção de água e porosidade aparente no material. A massa específica aparente (MEA) da resina isoftálica utilizada é de, aproximadamente, 1,15 g/cm³ segundo ficha técnica, enquanto do caulim utilizado é de 2,42 g/cm³, conforme calculado por técnica de picnometria. Observa-se nos resultados um comportamento linear de elevação da MEA de acordo com o aumento da carga mineral, a relação da resina plena com a proporção RCT-10 tem um crescimento de 1,2093 g/cm³ para 1,2698 g/cm³. Segundo MORAES (2019), materiais compósitos com partículas grandes seguem a regra da mistura, a qual cada fase do material favorece as propriedades do mesmo, ainda que as formulações realizadas possibilitem apenas estimativas aproximadas. Assim, pode-se dizer que o crescimento da massa especifica aparente é consequência do aumento de percentual de carga inserida no compósito, como é notado quando comparado com MEA da resina plena.

Esta figura mostra caracterização por DRX


Comparativo dos resultados de RP, RCT-10 e RCT-20

Conclusões

O efeito da inserção do rejeito caulinítico nas propriedades físicas em comparação as propriedades da resina plena apresentaram-se satisfatoriamente dentro de resultados estatísticos, principalmente em relação a resina plena e a adição de 10% de carga. Os compósitos apresentaram uma disposição de crescimento nos resultados de absorção de água, porosidade aparente e massa especifica aparente entre as porcentagem de carga RCT-10 e RCT-20 e a matriz polimérica à medida que há adição de rejeito na resina. De modo geral, a pesquisa obteve resultados satisfatórios e esperados, conforme literatura, e considerando que a incorporação de rejeito industrial em materiais compósitos salienta a importância do reaproveitamento de resíduos afim de contribuir na diminuição de impactos ambientais causados pelo processo de armazenamento e na queda de custo do produto final, pois parte do polímero está sendo substituído por um material mais barato.

Agradecimentos

Ao Laboratório de Processamento de Matérias-Primas e Tecnologia Cerâmica (LABCER), ao Laboratório de Engenharia Química (LEQ), à Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós Graduação (PROPESP).

Referências

FALCÃO, G. F. Modificação química do caulim pelo método de intercalação. In: Jornada de Iniciação Científica, 12, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: CETEM/MCT, 2004. Disponível em: http://mineralis.cetem.gov.br/handle/cetem/790
INSTITUTO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO - IBRAM. Guia de Boas Práticas: estão de Barragens e Estruturas de Disposição de Rejeitos. 1.ed. Brasília: IBRAM, 2019
INSTITUTO BRASILEIRO DE MINERAÇÃO - IBRAM. Informações sobre a Economia Mineral Brasileira: Ano Base 2019. 1.ed. Brasília: IBRAM, 2020
LIMA, G. A.; SANTIAGO, A. C. P.; FIGUEIRA, B. A. M.; MIRANDA, A. M. S.; OLIVEIRA, F. A. Adsorção de Corante Catiônico Por Zeólita Nap1 Obtida de Rejeitos da Mineração de Caulim da Amazonia. In: 5° Congresso Sul-Americano de Resíduos Sólidos e Sustentabilidade, 5, 2022, Gramado. Anais. IBEAS – Instituto Brasileiro de Estudos Ambientais, 2022.
MORAES, M. H. M. CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA COM ADIÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS. Orientador: Deibson Silva da Costa. 2019. 87 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Materiais) - Campus Universitário de Ananindeua, Universidade Federal do Pará, Ananindeua, 2019.
MORAES, M. H.; QUEIROZ, D. P.; NASCIMENTO, L. G. S.; SOUZA, J. A. S.; FUJIYAMA, R. T. Caracterização mecânica e resistência à chama de compósitos poliméricos com adição de resíduos de lama vermelha e caulim. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 23, 2018. Anais. Ponta Grossa: Atena Editora, 18 de novembro de 2019, p. 74-84.
NUNES, C. P. Materiais compósitos de matriz polimérica na indústria aeronáutica e perspectiva crítica de potencialidade: polímeros com memória de forma. Orientador: Juliano Marini. 2023. 51 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Engenharia de Materiais) – Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023.
SOUSA, A. P. S. INFLUÊNCIA DOS RESÍDUOS DO BENEFICIAMENTO DE CAULIM E COBRE NAS PROPRIEDADES FÍSICAS, MECÂNICA DE IMPACTO E FLAMABILIDADE DOS COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER ISOFTÁLICA. Orientador: Deibson Silva da Costa. 2022. 67 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Materiais) - Campus Universitário de Ananindeua, Universidade Federal do Pará, Ananindeua, 2022.
TAVARES, J. F. de S. Estudo da incorporação de resíduo industrial de caulim em compósitos de matriz polimérica. Orientador: Edemarino Araujo Hildebrando. 2021. 63 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Materiais) - Campus Universitário de Ananindeua, Universidade Federal do Pará, Ananindeua, 2021.