BR102015017470A2 - processo de obtenção e produto do tipo espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos - Google Patents

Abstract

processo de obtenção e produto do tipo espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos. a presente invenção descreve o processo de obtenção e produto do tipo espuma vitrocerâmica obtido a partir de rejeitos de vidro, preferencialmente de vidro plano, que é composto por sio2, na2o, cao, mgo e outros óxidos. após moagem do material, obtém-se pós de vidro com granulometria inferior a 75 micrômetros. aos pós de vidro foram adicionados preferencialmente, calcário dolomítico (0% a 10% em massa), como agente espumante, e acetato de polivinila ou carboximetilcelulose (0% a 10% em massa) ou bentonita (0% a 5% em massa), como aditivos. espumas vitrocerâmicas são obtidas após a conformação e tratamento térmico entre 600 °c e 800 °c por um tempo de 1 hora a 3 horas com taxa de aquecimento de 1 °c min-1 a 20 °c min-1, preferencialmente. as espumas vitrocerâmicas apresentam densidade aparente entre 0,2 g cm-³ e 1,0 g cm-³, resistência mecânica à compressão e à flexão entre 200 kpa a 1400 kpa e 350 kpa a 1800 kpa, respectivamente, e resistência aos ataques químicos em ácido clorídrico e hidróxido de sódio. essas propriedades físicas combinadas tornam as vitrocerâmicas do tipo espuma obtidas, adequadas para a utilização como isolante térmico e/ou acústico em tubulações e equipamentos, podendo também ser usado em meios externos e subterrâneos. uma das principais vantagens da presente invenção em relação ao estado da técnica são as baixas temperaturas utilizadas no processamento, utilização de grandes quantidades de rejeitos de vidro, iguais ou superiores a 80% e o uso de agente espumante de baixo custo.

Description

PROCESSO DE OBTENÇÃO E PRODUTO DO TIPO ESPUMA VITROCERÂMICA UTILIZANDO REJEITOS VÍTREOS 001. A presente invenção descreve o processo de obtenção e produto do tipo espuma vitrocerâmica obtido a partir de rejeitos de vidro, preferencialmente de vidro plano, que é composto por Si02, Na20, CaO, MgO e outros óxidos. Após moagem do material, obtém-se pós de vidro com granulometria inferior a 75 micrômetros. Aos pós de vidro foram adicionados preferencialmente, calcário dolomítico (0% a 10% em massa), como agente espumante, e acetato de polivinila ou carboximetilcelulose (0% a 10% em massa) ou bentonita (0% a 5% em massa), como aditivos. 002. Espumas vitrocerâmicas são obtidas após a conformação e tratamento térmico entre 600 °C e 800 °C por um tempo de 1 hora a 3 horas com taxa de aquecimento de 1 °C min"1 a 20 °C min'1, preferencialmente. As espumas vitrocerâmicas apresentam densidade aparente entre 0,2 g cm"3 e 1,0 g cm"3, resistência mecânica à compressão e à flexão entre 200 kPa a 1400 kPa e 350 kPa a 1800 kPa, respectivamente, e resistência aos ataques químicos em ácido clorídrico e hidróxido de sódio. Os produtos vitrocerâmicos do tipo espuma obtidos apresentam baixa densidade aparente, adequada resistência mecânica à compressão e à flexão, estabilidade química e propriedades adequadas para isolamento térmico e acústico. 003. A destinação inadequada de rejeitos de vidros causa impactos ambientais. A reciclagem e o uso como matérias-primas na produção de outros produtos minimiza o acúmulo dos rejeitos em aterros sanitários. Uma das formas de destinar rejeitos de vidro é no desenvolvimento de espumas sólidas, que podem utilizar o rejeito em sua composição. As espumas sólidas podem ser utilizadas como materiais isolantes térmicos e/ou acústicos. 004. O mercado de materiais de isolamento térmico é dominado pela comercialização de espumas poliméricas (principalmente de poliestireno), concreto aerado, lã mineral e blocos vitrocerâmicos. Esses materiais possuem propriedades diferenciadas devido a sua composição, o que pode direcionar sua aplicação. As espumas poliméricas utilizadas na construção civil, além de apresentarem elevada combustibilidade, causam danos ambientais e a saúde quando queimadas, eliminando substâncias tóxicas. Esse material, após seis meses de uso, apresenta uma diminuição da sua resistência térmica e mecânica em 25%, devido a difusibilidade de gases em sua estrutura. 005. Isolantes de lã mineral apresentam problemas ambientais relacionados ao processo de fabricação, além de apresentarem baixa vida útil em ambientes úmidos. Concreto aerado não pode ser aplicado em ambientes úmidos e sofre carbonatação, quando em contato com o ar, ocorrendo mudanças na composição e microestrutura, levando a trincas no material. Esse material também não apresenta resistência química em ambientes ácidos. Um dos materiais mais promissores para isolamento térmico são os blocos vitrocerâmicos, que possuem uma série de vantagens sobre os demais materiais isolantes térmicos, tais como: maior durabilidade, estabilidade química, impermeabilidade aos vapores de água, baixa densidade e elevada resistência mecânica à compressão e à flexão (BOBKOVA, N. M.; BARANTSEVA, S. E.; TRUSOVA, E. E. Production of foam glass with granite siftings from the mikashevichi deposit. Glass and Ceramics, 2, 13-16 2007; MANEVICH, V. E.; SUBBOTIN, K. YU. Foam glass and problems of energy conservation. Glass and Ceramics, 65, 3-4, 105-108, 2008). 006. As primeiras espumas sólidas comercializadas foram as espumas de vidro, disponíveis desde a década de 30, utilizadas principalmente para fins de isolamento em construções. O antecessor deste material foi a espuma escória (“slag glass”), obtido a partir de resíduo proveniente do processo de fundição de metais (LIMBACHIYA, M.; MEDDAH, M.S.; FOTIADOU, S. Performance of granulated foam glass concrete. Construction and Building Materials, 28, 759-768, 2012). 007. Espumas vitrocerâmicas se incluem na classe de agregados leves (LWAs) e apresentam como principal vantagem a melhor combinação entre estabilidade mecânica, química e térmica do que as demais espumas empregadas no mercado (ΚΑΖ’ΜΙΝΑ,Ο. V.; VERESHCHAGIN, V. I.; SEMUKHIN B. S., 2011. Structure and Strength of Foam-Glass-Crystalline Materials Produced from a Glass Granulate. Glass Physics and Chemistry, 37, 4, 371-377; LIAO, Y-C; FIUANG C-Y. Glass foam from the mixture of reservoir sediment and Na2Ü03. Ceramics International, 38, 4415-4420, 2012). 008. O processo de produção das espumas vítreas pode utilizar vidro moído, entre outras matérias-primas, ao qual geralmente são adicionados agentes espumantes e aditivos. A massa cerâmica é tratada termicamente, liberando gases gerados pela decomposição ou reação dos agentes adicionados. O gás liberado promove a expansão gerando uma matriz porosa. As propriedades das espumas vítreas estão relacionadas com as variáveis durante o processo, que incluem: tipo de matéria-prima utilizada, moagem e controle de granulometria, variação na composição dos agentes espumantes e aditivos, taxa de aquecimento e temperatura de queima, dentre outros. De acordo com (PITTSBURGH Corning Foamglass Insulation, 2004. Disponível em: <http://www.foamglasinsulation.com>. Acesso em: 23 mar 2015), sua faixa de trabalho varia entre -268 °C a 482 2C. No seu aspecto físico, a espuma vítrea consiste em um sistema heterofásico com uma fase gasosa e uma fase sólida. 009. Uma das formas de obtenção de espumas vítreas utiliza como matérias-primas vidro sodo-cálcico, oriundo de embalagens de vidro transparentes, alumina (0% ou 4% em massa), que proporciona maior refratariedade para os corpos cerâmicos, e calcário dolomítico (3% ou 5% em massa), como agente espumante. Os blocos foram conformados por prensagem uniaxial e queimados entre 600 °C e 1000 eC (POKORNY, A.; VICENZI, J.; BERGMANN, C. P. Influência da adição de alumina na microestrutura da espuma vítrea. Cerâmica, 54, 97-102, 2008). 010. A seguir são descritos alguns pedidos de patente sobre a obtenção de vitrocerâmicas do tipo espuma. O pedido de patente WO 03/016232 A1, intitulado “Improved foam glass product” refere-se à utilização de vidros naturais como minério de perlita fina não expandida e perlita fina expandida, para fazer espumas de vidro, utilizando agentes espumantes como carbonato de sódio e carbonato de cálcio. 011. “Composição de vitrocerâmica porosa para produtos destinados ao isolamento térmico, processamento de produto vitrocerâmico poroso e produto cerâmico isolante térmico”, objeto do pedido brasileiro PI 1005227-5 A2, relata o desenvolvimento de um produto vitrocerâmico poroso que utiliza rejeitos de vidro de para-brisa automotivo como matéria-prima. Utilizou como agente espumante o carbeto de boro e o aditivo polimérico polivinilacetato, seguido de tratamento térmico. 012. O pedido PCT WO 1996/004211 descreve a produção de espumas de vidro utilizando vidros moídos sem triagem de cor. Aos pós de vidro são adicionados carbonato de cálcio (1,07% - 1,09% em massa) ou sulfato de cálcio (1,5% em massa) como agentes espumantes sendo tratados termicamente entre 800 °C a 1100 °C. 013. O pedido US 3975174 descreve o processo de obtenção de vitrocerâmica utilizando vidro finamente moído, ao qual são adicionados uma mistura de Sn02 e excesso de SiC como agente espumante, com tratamento térmico na faixa de 950 °C a 1100 °C. 014. O pedido PCT WO 2003/055815 A1 descreve a produção de materiais para utilização na construção civil, em particular da espuma de vidro. O método consiste na preparação de uma suspensão aquosa de pó de vidro moído, de origem doméstica e industrial, óxido de silício e silicato de sódio. Foi utilizada taxa de aquecimento entre 5 °C min'1 a 10 °C min'1 e temperatura variando entre 780 °C a 900 °C. 015. Outras patentes internacionais referentes à produção de vitrocerâmicas são: US 4992321, JP2001213638 A, US 20140237896 A1, US 3870496, JPS62207743 A, WO 2007/109646 A2, WO 1994/014714 A1, US 3628937, US 20080041104 A1, US 4833015. Todas elas sem correlação direta com o presente invento. 016. A análise da bibliografia citada demonstra que o produto e o processo propostos neste pedido de patente não foram descritos até o momento. Uma das principais vantagens da presente invenção em relação ao estado da técnica são as menores temperaturas utilizadas no processamento, que variam entre 600 °C e 800 °C, a utilização de grandes quantidades de rejeitos de vidro, iguais e superiores a 80% e o uso de agente espumante de baixo custo. Após tratamento térmico são obtidas espumas vitrocerâmicas de baixa densidade e adequada resistência mecânica. Estas propriedades físicas combinadas representam uma solução de alto potencial para isolamento térmico e acústico em tubulações, equipamentos e ambientes, podendo ser usado em meios externos e subterrâneos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO 017. A presente invenção consiste do processo de obtenção e do produto vitrocerâmico a base de rejeitos vítreos moídos, preferencialmente de vidros planos. Aos pós são adicionados agente espumante, preferencialmente calcário dolomítico, e aditivos, preferencialmente acetato de polivinila ou carboximetilcelulose ou bentonita. Esta mistura é conformada e submetida ao tratamento térmico obtendo-se vitrocerâmicas do tipo espuma com características adequadas para o uso como isolantes térmicos e/ou acústicos. 018. O processo de obtenção consiste das seguintes etapas: i) Triagem dos rejeitos de vidro, seguida de limpeza para retirada de qualquer impureza presente nos mesmos; ii) Adição dos rejeitos de vidro descritos em (i), na forma de cacos, no moinho almofariz pistilo para cominuição dos mesmos; iii) Moagem dos rejeitos de vidro descritos em (ii) em moinho de bolas (seco ou úmido), até obtenção de pós finamente moídos; iv) Separação granulométrica do pó obtido em (iii) em peneiras para obtenção de uma distribuição granulométrica média de partícula igual ou inferior a 75 pm; v) Caracterização dos pós de vidro obtidos nas etapas (i) a (iv) por espectroscopia de fluorescência de raios X e análise de distribuição de tamanho de partículas; vi) Adição de agente espumante, calcário dolomítico de granulometria inferior a 75 pm, preferencialmente entre 0% a 10% em massa, aos pós obtidos em (iv); vii) Adição de aditivo, acetato de polivinila, preferencialmente entre 0% a 10% em massa, ou carboximetilcelulose, preferencialmente entre 0% a 10% em massa ou bentonita, preferencialmente entre 0% a 5% em massa, à mistura descrita em (vi); viii) Homogeinização da mistura descrita em (vii) e adição de água, preferencialmente entre 0% a 20% em massa; ix) Conformação em molde da massa obtida em (viii) seguida de prensagem uniaxial, preferencialmente entre 5 MPa e 40 MPa; x) Tratamento térmico dos blocos obtidos em (ix) com temperaturas acima do ponto de amolecimento do vidro (583,5 °C). A taxa de aquecimento apresenta-se preferencialmente entre 2 °C min'1 e 20 °C min'1. O aquecimento é mantido até a temperatura de decomposição do agente espumante, que apresenta-se preferencialmente entre 600 °C a 800 °C, onde ocorre a maior perda de gás, sendo esta faixa de temperatura utilizada como patamar, que é mantida durante um intervalo de tempo preferencialmente entre uma e três horas; xi) Caracterização do produto obtido em (x) por difração de raios X, expansão volumétrica, análise microestrutural por microscopia eletrônica de varredura, densidade real (picnometria de hélio) e aparente (pelo princípio de Arquimedes por imersão em éter de petróleo), ensaios mecânicos de resistência à compressão e à flexão em máquina de ensaios em materiais e análise de resistência química em ácido clorídrico concentrado e hidróxido de sódio 6 mol/L por um período de 180 horas. 019. Como exemplo não limitante da invenção é descrita a obtenção e caracterização da amostra AM3C, na qual utilizou-se calcário dolomítico, como agente espumante, e carboximetilcelulose, como aditivo. Os pós de vidro obtidos conforme descrito nas etapas de (i) a (iv) e o calcário dolomítico foram caracterizados por espectroscopia de fluorescência de raios X, como apresentado na Tabela 1. Para o pó de vidro foi observada a composição em porcentagem de óxidos característica de vidro sodo-cálcico e para o calcário uma maior predominância de carbonato de cálcio. 020. Para a obtenção da mistura foram utilizados 3% em massa de calcário dolomítico, 5% em massa de carboximetilcelulose e 92% em massa de pó de vidro. A mistura foi homogeneizada e adicionou-se 20% em massa de água, que posteriormente foi compactada por prensagem uniaxial, com carga de 12,7 MPa para obtenção de blocos à verde. Estes blocos foram submetidos a tratamento térmico com taxa de aquecimento de 10 °C min"1 com patamar de 720 °C por duas horas. 021. Após tratamento térmico a amostra apresentou expansão volumétrica de 420%. Pela análise microestrutural (Figura 1) observou-se a presença de poros abertos e fechados com densificação das paredes em torno dos poros. Apresentou densidade real de (0,80 ± 0,12) g cm"3 e densidade aparente de (0,44 ± 0,05) g cm"3. Os produtos obtidos neste exemplo foram caracterizados por meio de difração de raios X, conforme difratograma da (Figura 2), onde foram identificados picos de difração correspondentes às fases cristalinas de Dolomita (CaMg(C03)2), Periclásio (MgO), Magnesita (MgC03), Calcita (CaC03), Quartzo (Si02), Enstatita (MgSi03), Diopsídio (CaMgSi206), Cristobalita (Si02) e pico característico de material amorfo. Os valores determinados de resistência à compressão e à flexão foram iguais a (620 ± 5) kPa e (800 ± 50) kPa, respectivamente. Os blocos apresentaram resistência ao ataque químico não ocorrendo alteração na superfície microestrutural, confirmada por microscopia ótica (Figuras 3 e 4). 022. Para outras composições contendo diferentes concentrações de calcário dolomítico e aditivos observaram-se as mesmas fases cristalinas que foram identificadas na amostra AM3C. Os valores de expansão volumétrica variaram entre 300% e 900%. As densidades real e aparente apresentaram valores entre 0,3 g cm"3 a 1,3 g cm"3 e 0,2 g cm"3 a 1,0 g cm"3, respectivamente. Os valores de resistência à compressão e à flexão encontram-se entre 200 kPa a 1400 kPa e 350 kPa a 1800 kPa, respectivamente. Estas variações observadas nas propriedades das amostras obtidas se deve à alteração na concentração do agente espumante e tipo de aditivo adicionado à mistura. A adição de carboximetilcelulose promove uma melhor homogeneidade da matriz porosa aumentando a resistência mecânica. O uso de acetato de polivinila levou a maiores valores de expansão volumétríca e menores valores de densidade real e aparente das vitrocerâmicas. A adição de bentonita aumenta os valores de resistência mecânica das vitrocerâmicas. 023. Tendo descrito modalidades preferidas da invenção, naturalmente, outras modalidades de realização da presente invenção podem ser concebidas por um versado na técnica, sem com isso sair do escopo nem do espírito da invenção.

Tabela 1 - Composição química do pó de vidro e do calcário dolomítico em porcentagem em massa de óxidos obtida por fluorescência de raios X.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS 024. A Figura 1 apresenta a micrografia da amostra AM3C realizada por microscopia eletrônica de varredura apresentando microestrutura com poros abertos e fechados. 025. A Figura 2 apresenta o difratograma de raios X da amostra AM3C com análise qualitativa das fases cristalinas identificadas. 026. As Figuras 3 e 4 apresentam as micrografias da amostra AM3C, antes e após exposição, por período de 180 horas, a ácido clorídrico e hidróxido de sódio, respectivamente.

REIVINDICAÇÕES

Claims (9)

1. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, caracterizado por utilizar rejeitos de vidro moído, preferencialmente de vidro plano, aos quais são adicionados agente espumante, preferencialmente calcário dolomítico, e aditivos, preferencialmente acetato de polivinila ou carboximetilcelulose ou bentonita, seguido de mistura, conformação e tratamento térmico;

2. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado por utilizar rejeitos de vidro, preferencialmente de vidro plano de janela, cuja composição básica característica é S1O2, Na2Ü, CaO, MgO e outros óxidos em menor porcentagem;

3. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com reivindicações 1 e 2, caracterizado por obtenção de pós de vidro pela cominuição de rejeitos de vidro em moinho almofariz pistilo, seguido de moagem em moinho de bolas durante duas horas e peneiramento em malha com abertura de 75 micrômetros;

4. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por adição de calcário dolomítico, preferencialmente entre 0% e 10% em massa, como agente espumante, e acetato de polivinila, preferencialmente entre 0% e 10% em massa, como aditivo, aos pós de vidro, seguida por homogeneização da mistura;

5. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por adição de calcário dolomítico, preferencialmente entre 0% e 10% em massa, como agente espumante, e carboximetilcelulose, preferencialmente entre 0% e 10% em massa, como aditivo, aos pós de vidro, seguida por homogeneização da mistura;

6. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por adição de calcário dolomítico, preferencialmente entre 0% e 10% em massa, como agente espumante, e bentonita, preferencialmente entre 0% e 5% em massa, como aditivo, aos pós de vidro, seguida por homogeneização da mistura;

7. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com reivindicações 1 a 6, caracterizado por adição de água à mistura, preferencialmente entre 0% a 20% em massa, seguido pela conformação com prensagem uniaxial, preferencialmente entre 5 MPa e 45 MPa, para obtenção dos blocos à verde;

8. Processo de obtenção de espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com reivindicações 1 a 7, caracterizado por tratamento térmico da vitrocerâmica obtida durante o intervalo de uma a três horas, com taxa de aquecimento preferencialmente entre 1 °C min'1 e 20 °C min'1 e temperaturas acima do ponto de amolecimento do vidro e de decomposição do agente espumante, preferencialmente entre 600 °C a 800 °C;

9. Produto do tipo espuma vitrocerâmica utilizando rejeitos vítreos, de acordo com reivindicação 1, caracterizado por apresentar densidade aparente entre 0,2 g cm'3 e 1,0 g cm'3, resistência mecânica à compressão e à flexão com valores entre 200 kPa e 1400 kPa e 350 kPa e 1800 kPa, respectivamente e resistência aos ataques químicos em ácido clorídrico e hidróxido de sódio.