Viabilidade técnica de produção de compósitos de polietileno (HDPE) reforçados com resíduos de madeira e derivados das indústrias moveleiras

Abstract

Resumo: Este trabalho teve por objetivos analisar os parâmetros de produção de compósitos poliméricos reforçados com resíduos de diferentes tipos de madeiras e de seus derivados, gerados no pólo moveleiro da serra Gaúcha. Inicialmente foi realizado o diagnóstico da geração de resíduos do pólo moveleiro, que incluiu os municípios de Bento Gonçalves, Caxias do Sul, Flores da Cunha e Lagoa Vermelha. Com materiais das indústrias foram realizados três experimentos de incorporação dos resíduos em compósitos com polietileno de alta densidade (HDPE), processados em misturador termocinético tipo Drais e um experimento de incorporação dos resíduos por extrusão. Foi analisada a qualidade das misturas realizadas com HDPE virgem e HDPE reciclado, a eficácia da utilização de agentes de acoplamento e a influência de três diferentes tipos de resíduo nas propriedades físico-mecânicas dos compósitos. Utilizou-se serragem de madeiras de pinus (Pinus taeda) e de Garapeira (Apuleia Ieiocarpa), e também serragem de chapas de fibra de média densidade (MDF). No experimento com misturas extrusadas, foi utilizada serragem de madeiras de eucalipto (Eucalyptus grandis), de pinus, de MDF e de chapas aglomeradas, combinadas com HDPE virgem. As misturas foram processadas em dois tipos de extrusoras: uma mono-rosca de 35 mm, com 150 rpm de rotação e outra duplarosca, co-rotante, de 30 mm. Após a mistura, foram confeccionados corpos-de-prova por injeção. Juntamente com o tipo de serragem, foram testadas diferentes proporções de serragem e os dois tipos de extrusão, num experimento fatorial incompleto que totalizou 16 tratamentos. Para avaliação das propriedades do material, foram realizados ensaios mecânicos de tração, flexão estática e impacto, além de análises de caracterização química e física dos compósitos. Os resultados mostraram influência de todos os parâmetros analisados nas propriedades dos compósitos. O uso de HDPE reciclado não afetou a qualidade dos compósitos quando comparado ao HDPE virgem e o uso de um agente de acoplamento comercial melhorou principalmente as propriedades de resistência à tração e à flexão, O tipo de serragem, utilizando-se misturador termocinético, mostrou influência significativa na densidade, na resistência à tração e na resistência à flexão das placas. A proporção de serragem influenciou os valores médios de densidade e de módulo de elasticidade (MOE) à flexão estática. Nesse experimento, o MOE melhor expressa as propriedades de flexão do que a resistência máxima. Houve a formação de bolhas na prensagem que provocou a porosidade das placas, afetando as propriedades de tração e de flexão estática, principalmente nos compósitos confeccionados com garapeira. Nos compósitos confeccionados por extrusão, a serragem agiu como carga de reforço e agente nucleante. A proporção de serragem apresentou correlação significativa com todas as propriedades mecânicas e com a densidade dos corpos-de-prova. Dessa forma, foi considerado como parâmetro de importância na determinação das propriedades dos compósitos HDPE/madeira. Houve melhor adesão entre fibra e matriz nos compósitos confeccionados por extrusão em relação aos confeccionados em misturador termocinético. Nesse experimento, a resistência à tração e a resistência à flexão foram influenciadas por todos os parâmetros estudados e as interações com todas as variáveis foram significativas. Numa análise geral, os melhores resultados foram obtidos com processo de dupla-rosca e para as maiores proporções de serragem usadas. A serragem de MDF proporcionou as maiores médias e a de pinus as menores médias de propriedades mecânicas dos compósitos. O tipo de serragem mostrou interações com o processo empregado e com a proporção usada. Confirmou-se a viabilidade técnica de utilização dos resíduos da indústria moveleira na produção de compósitos polímero-madeira, sendo que o controle do tipo de serragem é fundamental para a qualidade do produto final.

Abstract: The objective of this work was to analyze the production variables of polymeric composites reinforced with different type of wood and wood composites residues, generated by the furniture industries of Serra Gaucha. Firstly, a diagnostic of wood residues generation was performed in the cities of Bento Goncalves, Caxias do Sul, Flores da Cunha and Lagoa Vermelha. Three experiments of residue incorporations in composites with polyethylene were done with material supplied by the furniture industries (processed with a Drais mixer). The quality of the mixtures done with virgin and recycled HDPE, the efficacy of coupling agents and the influence of three different types of residues in the physical-mechanical properties of composites were analyzed. Wood sawdust of Pinus taeda and Apuleia leiocarpa, as well as medium density fiberboard (MDF) sawdust were utilized. Finally, a main experiment for the analysis of variables that influence extrusion process was performed. In this experiment, sawdust of Eucaliptus grandis and Pinus taeda wood was used with HDPE. It was also used MDF and particleboard sawdust. The mixtures were processed in two types of extruders: a 35mm single-screw, with rotation of 150 rpm and a co-rotational 30mm double-screw. After mixing, test specimens were injection molded. Four types of sawdust in proportions of 20, 30 and 40% and two processing methods were tested, in an incomplete factorial experiment that totalized 16 treatments. For material properties evaluation, mechanical tests of tensile strength, flexural strength and impact resistance were done, as well as composites chemical and physical characterization. The results showed influence of all analyzed variables in composites properties. The use of recycled HDPE did not affected composites quality, and the use of a commercial coupling agent improved tensile and flexural strength properties. The use of different types of sawdust in Drais mixer showed significant influence in density, tensile and flexural strength of the specimens. Sawdust proportion influenced average values of density and flexural modulus. In this experiment, elastic modulus expressed flexural properties in a better way than ultimate strength. There was the formation of bubbles in the pressing that caused increase in the porosity of the composite, affecting the tensile and flexural properties, mainly in the composites confectioned with Apuleia Ieiocarpa wood. In composites manufactured by extrusion, sawdust acted as a reinforcement filler and nucleation agent. The sawdust proportion showed significant correlation with all mechanical properties and with density of test specimens. Therefore, it was considered as parameter of importance in the determination of the composites HDPE/wood properties. There was better filler-matrix adhesion in composites fabricated by extrusion in relation to the confectioned in the Drais mixer. In this experiment, tensile and flexural strength were influenced by all studied variables and all interactions between variables were significant. In a general analysis, best results were obtained in double-screw extrusion process and for higher proportions of sawdust. MDF sawdust resulted in the largest while pine sawdust, the lowest mechanical properties values of the composites. The type of sawdust showed interaction with the process and proportion employed. It was confirmed the technical viability of furniture industry residue utilization in the production of wood-polymer composites. The control of sawdust type is fundamental for final product quality, being its choice dependent on the desirable quality and availability.