( PDF ) Compósito de poliuretano de mamona e de vermiculita para isolação térmica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

COMPÓSITO DE POLIURETANO DE MAMONA E VERMICULITA PARA ISOLAÇÃO

TÉRMICA

Jacques Cousteau da Silva Borges

NATAL – RN

Janeiro 2009

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Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Borges, Jacques Cousteau da Silva.

Compósito de poliuretano de mamona e vermiculita para isolação

térmica / Jacques Cousteau da Silva Borges. – Natal, RN, 2009.

80f.

Orientador: George Santos Marinho.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do

Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Mecânica.

1. Isolação térmica – Dissertação. 2. – Poliuretano de mamona –

Dissertação. 3. – Vermiculita – Dissertação. I. Marinho, George Santos. II.

Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III Título.

RN/UF/BCZM

CDU 66.045.3(043.3)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

COMPÓSITO DE POLIURETANO DE MAMONA E VERMICULITA PARA ISOLAÇÃO

TÉRMICA

Jacques Cousteau da Silva Borges

Orientador: Prof. Dr. George Santos Marinho

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa

de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

como parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área:

Termociências.

NATAL – RN

Janeiro 2009

COMPÓSITO DE POLIURETANO DE MAMONA E VERMICULITA PARA ISOLAÇÃO

TÉRMICA

Jacques Cousteau da Silva Borges

Orientador: Prof. Dr. George Santos Marinho

Dissertação de Mestrado defendida em 23 / 01 / 2009,

sob o julgamento da seguinte Banca Examinadora

NATAL – RN

Janeiro 2009

Dedico este trabalho a dois grandes

mestres que em muito contribuíram, ao me

instruir e orientar na minha vida acadêmica

e pessoal, desde a época de monitor,

passando pela graduação e chegando a este

Mestrado.

Zanoni e Leonel, este trabalho é Dedicado

a vocês! Muito Obrigado por tudo!

Agradecimentos

A Deus, Uno e Trino, pelos dons da ciência e da sabedoria e acima de tudo pelo dom da vida.

A minha esposa Geizy e demais familiares, pelo incentivo dado ao cumprimento de

mais essa etapa da minha vida. E também pela paciência comigo necessária!

Ao Prof. George S. Marinho, pela amizade, orientação e apoio para o desenvolvimento

deste trabalho, sem o qual, certamente não seria possível determinar os objetivos e atingir as

metas.

Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFRN.

A Direção do Centro de Tecnologia da UFRN.

A Direção do Núcleo de Tecnologia Industrial da UFRN.

A Diretoria de Pesquisa do CEFET-RN.

Aos meus caros colegas professores da Licenciatura em Física do CEFET-RN.

Por fim, um Agradecimento Especial a equipe dos Laboratórios:

Laboratório de Transferência de Calor – CT – NIT - UFRN

Laboratório do GGEMMA – UFRN

Laboratório de Materiais para Construção Civil – CEFET – RN

Laboratório de Física - CEFET – RN

Laboratório de Química - CEFET – RN

“Nós topamos com uma grande variedade de fenômenos

que [...] em linguagem inequívoca falam da sabedoria e da

bendita mão do grande mestre de obras”

James Prescott Joule (1818-1889)

“A engrenagem da vida não é de grosseira manufatura

humana, mas da mais requintada obra prima já conseguida pelas

leis quânticas do Senhor”

Erwin Schöedinger (1887-1961)

Sumário

LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................................iii

LISTA DE TABELAS ...............................................................................................................v

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...............................................................................vi

LISTA DE SÍMBOLOS ...........................................................................................................vii

RESUMO ................................................................................................................................viii

ABSTRACT ..............................................................................................................................ix

1 - INTRODUÇÃO..............................................................................................................1

2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA............................4

2.1 ISOLAÇÃO TÉRMICA.............................................................................................4

2.2 PROPRIEDADES TÉRMICAS .................................................................................5

2.2.1 Condutividade Térmica ......................................................................................5

2.2.2 Capacidade Calorífica.........................................................................................6

2.2.3 Difusividade Térmica .........................................................................................6

2.3 ISOLANTES TÉRMICOS .........................................................................................7

2.3.1 Isolantes Naturais ...............................................................................................8

2.3.2 Isolantes Sintéticos ...........................................................................................11

2.3.3 Isolantes Minerais.............................................................................................12

2.4 ANÁLISES DE DESEMPENHO TÉRMICO..........................................................13

2.5 RESINAS POLIURETANO.....................................................................................18

2.5.1 Poliuretano derivado do Óleo da Mamona.......................................................19

2.6 VERMICULITA.......................................................................................................24

3 - METODOLOGIA.........................................................................................................29

3.1 MATERIAIS ............................................................................................................29

3.1.1 Resinas Poliuretanos.........................................................................................29

3.1.2 Lã de Vidro e lã de Rocha ................................................................................30

3.1.3 Vermiculita.......................................................................................................30

3.2 ENSAIOS PROPRIEDADES TÉRMICAS .............................................................33

3.3 ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO CALOR .............................................................34

3.4 ENSAIO DE DESEMPENHO TÉRMICO ..............................................................36

4 - RESULTADOS ............................................................................................................43

4.1 ENSAIO PROPRIEDADES TÉRMICAS ...............................................................43

4.1.1 Massa específica...............................................................................................44

4.2 ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO CALOR .............................................................44

4.3 ENSAIO DE DESEMPENHO TÉRMICO ..............................................................47

4.3.1 Isolantes convencionais....................................................................................47

4.3.2 Compósitos.......................................................................................................51

4.4 ANÁLISE DE CUSTOS ..........................................................................................55

5 - CONCLUSÕES............................................................................................................58

5.1 CONTINUIDADE DA PESQUISA.........................................................................59

APÊNDICES ............................................................................................................................61

ANEXO ....................................................................................................................................68

REFERÊNCIAS .......................................................................................................................71

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Câmara de desempenho térmico. Fonte: Daré (2005)...............................................16

Figura 2: Reação de obtenção do uretano.................................................................................20

Figura 3: Reação de obtenção do poliuretano ..........................................................................20

Figura 4: Reação de obtenção do pré-polimero........................................................................21

Figura 5: Estrutura cristalina da vermiculita. Fonte: Gomes, 2007a........................................24

Figura 6: Lã de vidro (a) e Lã de Rocha (b).............................................................................30

Figura 7: Peneiras da serie Normal utilizadas na determinação da granulometria da

vermiculita................................................................................................................................31

Figura 8: Agitador mecânico do conjunto de peneiras;............................................................32

Figura 9: Quick-line: Medidor das propriedades: Condutividade, difusividade e capacidade

calorífica...................................................................................................................................33

Figura 10: Dimensões Mínimas de corpo de prova – propriedades térmicas: Quick-line

Analaser....................................................................................................................................34

Figura 11: Chapa quente ajustável empregada no ensaio de resistência ao calor ....................35

Figura 12: Detalhes da acomodação do corpo de prova sobre a chapa aquecedora.................35

Figura 13: Construção dos moldes e suas dimensões...............................................................36

Figura 14: Etapas da confecção dos corpos de prova de desempenho Térmico.......................37

Figura 15: Desmoldagem: desmontagem do molde e retirada do material de revestimento....38

Figura 16: Aplicação da espuma de poliuretano petroquímico para confecção de corpo de

prova para ensaio de desempenho térmico...............................................................................39

Figura 17: Corte das lãs de vidro e de rocha ............................................................................39

Figura 18: Corpos de Prova para ensaio de Desempenho térmico: Compósito 15% (a);

Compósito 10% (b); Compósito 20% (c); Poliuretano de Petróleo (d); Poliuretano de Mamona

(e); Lã de Rocha (f); Lã de vidro(g) .........................................................................................40

Figura 19: Bancada de Fabricação de Termopares - LTC: (a) Fonte ajustável; (b) Banco de

capacitores; (c) Ferramenta de solda; (d) Microscópio; (e) Termopares; (f) Tubulação de gás.

Fonte: Costa (2004) ..................................................................................................................41

Figura 20: Distribuição dos termopares nas Câmaras de desempenho ....................................42

Figura 21: Corpos de prova sendo ensaiados quanto a resistência ao calor.............................45

Figura 22: Superfície de contatado queimada dos corpos de prova após atingirem a

temperatura limite de resistência ao calor. ...............................................................................46

Figura 23: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais sob placa de aço obtidas a

partir da câmara de análise de Desempenho Térmico. .............................................................48

Figura 24: Esquema da taxa de transferência de calor do sistema MEIO–PLACA–Material

Isolante .....................................................................................................................................48

Figura 25: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais sob forro de MDF................49

Figura 26: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais para temperaturas no interior

da câmara de desempenho térmico...........................................................................................50

Figura 27: Curvas de aquecimento para temperaturas na face inferior interna da câmara (piso)

de desempenho térmico ............................................................................................................51

Figura 28: Curvas de desempenho dos compósitos sob placa de aço obtidas a partir da câmara

de análise de Desempenhos Térmicos......................................................................................52

Figura 29: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais sob forro de MDF................53

Figura 30: Curvas de desempenho dos compósitos para temperaturas no interior da câmara de

desempenho térmico.................................................................................................................54

Figura 31: Curvas de aquecimento para temperaturas na face inferior interna da câmara (piso)

de desempenho térmico ............................................................................................................54

Figura 32: Gráfico comparativo entre a lã de rocha e o compósito a 20% em massa de

vermiculita................................................................................................................................55

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Fluxo de calor da cobertura para o ambiente e temperatura da superfície para

emissividades............................................................................................................................17

Tabela 2: Produção de PU na América Latina 1998 – 2008 (1000t)........................................19

Tabela 3: Composição Típica do Óleo de Mamona .................................................................20

Tabela 4: Capacidade de Troca Catiônica dos argilos minerais...............................................26

Tabela 5: Especificações da Resina Respan.............................................................................29

Tabela 6: Resultados de análise química por FRX de amostras de vermiculita de Santa Luzia

..................................................................................................................................................31

Tabela 7: Massa e percentual retido de vermiculita em peneiras da serie Normal da

granulometria............................................................................................................................32

Tabela 8: Proporção em massa dos componentes dos corpos de prova – Desempenho Térmico

..................................................................................................................................................37

Tabela 9: Valores de propriedades térmicas dos materiais ......................................................43

Tabela 10: Massa específica dos compostos. Corpos de prova após medição de propriedades

térmicas.....................................................................................................................................44

Tabela 11: Média das temperaturas máximas de uso para os materiais compósitos e matriz

sem carga..................................................................................................................................46

Tabela 12: Valor e volume preenchido por um quilo de material compósito ..........................56

Tabela 13: Aumento proporcional de custos e de volume preenchido dos compósitos...........56

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ASHRAE –

American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers

ASTM –

American Society for Testing Materials

CEFET-RN –

Centro Federal de Educação Tecnológica do Rio Grande do Norte

–

Dióxido de Carbono

CTC –

Capacidade de Troca Catiônica

CTR –

Carga Térmica Radiante

DMTA –

Análise Térmica Dinâmico Mecânica

DSC –

Calorimetria Exploratória Diferencial

DTA –

Análise Térmica Diferencial

DTG –

Diferencial Termogavimétrica

EPS –

Poliestireno expandido

FRX –

Florescência de Raio X

GEMMA –

Grupo de Pesquisa em Geologia Marinha e Monitoramento Ambiental

IDEC –

Institudo Brasileiro de Defesa do Consumidor

INPI –

Instituto Nacional de Produção Intelectual

IQSC –

Instituto de Química de São Carlos

ITGU –

Índices de Temperatura de Globo de Umidade

LTC –

Laboratório de Transferência de Calor

MDF –

Medium Density Fiber

NaOH –

Hidróxido de Sódio

NCO –

Isocianato

NIT –

Núcleo de Incubação Tecnológica

OH –

Grupo Hidroxila

PE –

Polietileno

PET –

Poli (tereftalato de etileno)

PP –

Polipropileno

PROQUINOR

–

Produtos Químicos do Nordeste LTDA.

OS –

Poliestireno

PU –

Poliuretano

PVC –

Poli (Cloreto de vinila)

SIGAA

Sistema Integrado de Gestão de Atividades Acadêmicas

TG –

Análise Termogravimétrica

UFRN –

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

USP –

Universidade de São Paulo

vii

LISTA DE SÍMBOLOS

–

Área (m²)

–

Capacidade Calorífica (j/m³.K)

–

Calor especifico ( j/Kg.K)

–

Espessura do corpo de prova (m)

–

Condutividade Térmica (w/m.K)

–

Comprimento do corpo de prova (m)

–

Taxa de transferência de Calor ( j)

S(x)

–

Desvio padrão da variável “x”

–

Temperatura (K)

–

Temperatura média (K)

–

Difusividade térmica (m²/s)

–

Massa especifica (g/cm³)

viii

RESUMO

BORGES, Jacques Cousteau da Silva (2009). Compósito de poliuretano de mamona e de

vermiculita para isolação térmica. Natal, 2009. 78p. Dissertação (mestrado) – Programa de

Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Apresentam-se nesta pesquisa os resultados experimentais obtidos da análise de desempenho

térmico do material compósito confeccionado a partir de uma matriz vegetal de poliuretano

derivado do óleo de mamona e carga do argilo-mineral denominado vermiculita expandida.

Corpos de provas nas proporções em massa de 10%, 15% e 20% foram fabricados para

determinação das propriedades térmicas: condutividade (k), difusividade (ά) e capacidade

calorífica (C), para efeito de comparação, também foram realizadas as medições de

propriedades do poliuretano de mamona sem carga e também do poliuretano de petróleo (PU),

Ambos já empregados em isolamento térmico. Placas de 0,25 m² dos materiais analisados

foram fabricadas para uso como material de isolação em uma câmara de desempenho térmico

de cobertura. Termopares foram distribuídos na superfície da cobertura, no interior dos

materiais e no interior da câmara de teste e esta, por sua vez, foi submetida a aquecimento

artificial, constituído por um banco de lâmpadas incandescentes de 3000 w. Os resultados

obtidos com os materiais compósitos foram comparados com dados obtidos em ensaios

idênticos realizados com a câmara isolada com: (a) poliuretano de petróleo (PU); (b)

poliuretano de óleo de mamona; (c) lã de vidro; (d) lã de rocha. Testes de resistência ao calor

foram realizados com esses compósitos, obtendo temperaturas limites de uso na faixa de

100ºC a 130 ºC. Com base na análise dos resultados de desempenho e propriedades térmicas,

foi possível concluir que os compósitos de poliuretano de mamona com carga de vermiculita

expandida apresentam comportamentos muito próximos daqueles exibidos pelos materiais de

isolação comerciais.

Palavras-Chave: Isolação térmica; Poliuretano de mamona; Vermiculita

ABSTRACT

BORGES, Jacques Cousteau da Silva (2009). Composite polyurethane of mamona and

vermiculite for thermal insulation. Natal, 2009. 78p. Dissertation (Masters) – Programa de

Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

They are in this study the experimental results of the analysis of thermal performance of

composite material made from a plant matrix of polyurethane derived from castor oil of

kernel of mamona (COF) and loading of clay-mineral called vermiculite expanded. Bodies of

evidence in the proportions in weight of 10%, 15% and 20% were made to determine the

thermal properties: conductivity (k), diffusivity (ά) and heat capacity (C), for purposes of

comparison, the measurements were also performed the properties of polyurethane of castor

without charge and also the oil polyurethane (PU), both already used in thermal insulation.

Plates of 0.25 meters of material analyzed were manufactured for use as insulation material in

a chamber performance thermal coverage. Thermocouples were distributed on the surface of

the cover, and inside the material inside the test chamber and this in turn was subjected to

artificial heating, consisting of a bank of incandescent lamps of 3000 w. The results obtained

with the composite materials were compared with data from similar tests conducted with the

camera alone with: (a) of oil PU, (b) of COF (c) glass wool, (d ) of rock wool. The heat

resistance tests were performed with these composites, obtaining temperature limits for use in

the range of 100 º C to 130 º C. Based on the analysis of the results of performance and

thermal properties, it was possible to conclude that the COF composites with load of

expanded vermiculite present behavior very close to those exhibited by commercial insulation

material.

Key-Words: Thermal insulation; Castor oil foam; Vermiculite

1 - INTRODUÇÃO

Com o aumento da preocupação mundial com o meio ambiente, a utilização de

recursos materiais renováveis, os quais não agridem o meio ambiente e representam uma

fonte alternativa de grande potencial econômico, tornou-se vital para a sobrevivência das

grandes indústrias em um mercado globalizado e competitivo (SILVA, 2003b).

Dentre os ramos da atividade humana, o setor da construção civil é um dos que mais

exige recursos e esforços de nosso planeta. Segundo a Agenda 21 para a Construção

Sustentável, nos países industrializados a construção consome cerca de 50% dos recursos

naturais, produzindo 50% dos resíduos, absorvendo 40% da energia, e produzindo cerca de

30% das emissões de CO

. Só as edificações são responsáveis por 42% do consumo de

energia elétrica, sendo a maior parte devido aos sistemas mecânicos de climatização utilizados

para reduzir os efeitos da carga térmica solar, principalmente em regiões de baixa latitude,

que é o caso do nordeste brasileiro, onde cerca de 70% da carga térmica em habitações

provêm da radiação solar incidente sobre coberturas (HENRIQUES, 2007 E MASCARO et

al, 1988)

Porém, é bastante comum encontrarmos materiais sintéticos ou derivados do petróleo

sendo empregados em obras de construção civil, seja como componente de execução da obra,

a exemplo das fôrmas para colunas e coberturas, escoras, cercas plásticas de isolamento e

proteção, seja como materiais permanentes, a exemplo das caixas d’água, dos tubos de PVC

ou dos isolantes térmicos, sendo este último item o objeto de estudo desse trabalho.

Os isolantes térmicos mais comuns são as fibras sintéticas lã de vidro e a lã de rocha,

como também o tecido de amianto (à base de fibra mineral), poliuretano (PU – à base de

poliol) e PVC (Policloreto de Vinila), sendo a maior parte do emprego desses isolantes na

cobertura da estrutura. A principal finalidade desses materiais é economizar energia através da

diminuição do processo de transferência de calor no ambiente construído.

Os primeiros estudos brasileiros sobre essa transferência de calor e sua relação com

conforto térmico, datam de meados de 1930 com os precursores Paulo Sá e Benjamin Alves

Ribeiro, que procuram adaptar padrões internacionais, voltados para o clima europeu e norte-

americano, à realidade brasileira. Os pesquisadores buscavam estabelecer uma relação entre a

sensação individual de conforto térmico e os índices obtidos pelos métodos utilizados na

época (OLIVEIRA, 2003).

A ASHRAE define o conforto térmico como sendo “um estado de espírito que reflete a

satisfação com o ambiente térmico que envolve o usuário”. Na busca pelo conforto térmico

em edificações, é cada vez maior a utilização de aparelhos e equipamentos de refrigeração e

climatização que demandam um alto consumo energético (BEZERRA, 2003).

Mediante o exposto, constata-se que a isolação térmica de cobertura e estruturas é item

essencial para um conforto térmico no interior das habitações. Mas como a maior parte dos

isolantes convencionais são de natureza não-renovável, existe uma necessidade eminente da

obtenção de materiais biodegradáveis ou de natureza renovável que isolem tão bem (ou

melhor) que os isolantes convencionais.

O presente estudo se encaixa bem nessa tendência, pois faz uso de recursos

renováveis, e outros provenientes da natureza para formação de um material compósito

aplicado ao isolamento térmico constituído de uma matriz de resina termoplástica de origem

vegetal e um agregado do argilo-mineral conhecido como vermiculita expandida.

Tal mineral movimenta uma produção voltada principalmente para o mercado nacional

com ampla aplicação como isolante térmico e acústico, embora apenas um pouco mais de

12% dessa produção tenha sido de vermiculita expandida e, que vem sendo empregada na

indústria de concreto leve, argamassa de reboco, argamassa termoisolante e também na

agricultura (CAVALCANTI, 2001).

Com uma grande capacidade de isolamento térmico, a vermiculita expandida contribui

com melhorias nas propriedades térmicas da matriz polimérica de poliuretano derivado de

óleo de mamona. Diante disso, são traçados os objetivos principais desta pesquisa:

• Desenvolver novo material para isolação térmica, com eficiência comparável a

dos isolantes comerciais;

• Analisar propriedades térmicas e o desempenho térmico do novo material.

E os objetivos específicos, que complementam as etapas da pesquisa:

• Fabricar corpos de prova com diferentes proporções de carga em massa (10%,

15% e 20%)

• Realizar medições de propriedades térmicas;

• Realizar ensaios de desempenho térmico dos compósitos e comparar com

materiais de isolação térmica comerciais;

• Realizar ensaio de resistência ao calor;

• Realizar análise de custos do compósito.

Dessa forma, foram aqui analisadas as propriedades térmicas e o desempenho térmico

desse compósito termoisolante, fruto de pesquisas desenvolvidas no Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM), do Centro de Tecnologia (CT) da

Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).

Os resultados obtidos na presente pesquisa, através da análise comparativa de

desempenho térmico, de propriedades térmicas em relação a materiais convencionais, os

credenciam como uma alternativa para a isolação térmica de coberturas, estruturas e sistemas.

2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E FUNDAMENTAÇÃO

TEÓRICA

São apresentados conceitos sobre os temas desenvolvidos na pesquisa e discutidos

trabalhos atinentes aos temas. Após uma breve discussão sobre a importância da isolação

térmica, são definidas as propriedades térmicas que serão aqui analisadas. Logo após, serão

apresentados os mais diferentes isolantes térmicos naturais, sintéticos e minerais, bem como

os recentes trabalhos e pesquisas desenvolvidos sobre tais isolantes. Diferentes formas e

resultados de análises de desempenho térmico são descritas ao longo do próximo subtópico.

As resinas poliuretanos são apresentadas logo em seguida, descrevendo em detalhes o

processo de obtenção do poliuretano derivado do óleo de mamona. Após um levanto das

pesquisas desenvolvidas sobre essa resina encerra-se a revisão de literatura com a

apresentação das principais característica e aplicações do argilo-mineral vermiculita em

sistemas de isolamento e demais aplicações.

2.1 ISOLAÇÃO TÉRMICA

Nos dias atuais, a palavra “energia” vem possuindo um sentido novo, um pouco

diferente do utilizado há algumas décadas, pois nunca o setor industrial se preocupou tanto

com o “desperdício de energia”. Este sentimento é partilhado pelos mais diversos setores da

sociedade, que passam a exigir uma utilização racional da energia, buscando meios de evitar

perdas ou formas de transferência energética com a máxima eficiência.

Quando se pensa em energia, rapidamente surge a idéia de eletricidade. Embora seja

elemento fundamental, a eletricidade não é a única forma de energia útil para a sociedade.

Eletricidade e calor já se relacionavam em experimentos que envolviam o calor produzido

pela corrente elétrica, desenvolvidos por James P. Joule em 1840. O mesmo Joule, em 1847

mostrou que o calor é também uma forma de energia (enunciando a 1º Lei da termodinâmica)

(COVOLAN, 2003).

Isso significa que um sistema que perde calor para o meio em sua volta, está perdendo

energia. Para evitar essas perdas de calor é necessária a utilização de materiais adequados,

com boas propriedades físicas, diretamente relacionadas com mudanças de temperatura

(SANTOS, 2004).

Sendo assim, a principal finalidade do isolamento térmico é reduzir ao máximo as

trocas térmicas indesejáveis, procurando manter constante a temperatura de um dado

ambiente fechado.

Um bom isolamento térmico é definido, entre outros fatores, pelo material empregado

no revestimento interno e/ou externo do ambiente que se deseja isolar. Este material é

conhecido como isolante térmico, que será discutido nos tópicos a seguir.

2.2 PROPRIEDADES TÉRMICAS

As propriedades térmicas relevantes a esta pesquisa são a condutividade térmica, a

capacidade calorífica e a difusividade térmica. Todas tratadas em detalhes a seguir. Essas

propriedades são de extrema importância para caracterizar termicamente um material,

definindo-o como bom ou mal isolante.

2.2.1 Condutividade Térmica

A condutividade Térmica (k) é uma propriedade que quantifica o fluxo de calor sobre

um dado material, em função de seu gradiente de temperatura, sendo um dos parâmetros mais

importantes para o estudo da transferência de calor.

O valor numérico da condutividade pode ser alterado devido a vários fatores. Os

autores Ito (2003) e Neira e Marinho (2005) citam entre tais fatores os seguintes: composição

química, conteúdo de matéria fluida, estrutura física, estado, densidade, temperatura,

umidade, emissividade da superfície, pressão, dimensão e localização dos poros.

Quando se pretende minimizar as perdas de calor, é exigido um material que possua

baixos valores de condutividade térmica, esse material é definido como um bom isolante

térmico. Por outro lado, quando se deseja que grandes quantidades de calor sejam transferidas

entre dois meios, se aplicam materiais com condutividade térmica alta. Estes são os bons

condutores de calor. O valor ideal da condutividade térmica está diretamente relacionado com

a natureza de sua aplicação (SANTOS, 2004).

A condutividade térmica em uma transferência de calor unidimensional pode ser

definida através da Lei de Fourier-Biot, dada pela equação 01:

KAq

⋅⋅=

Onde: K= condutividade Térmica

= taxa de transferência de calor (W)

A = área da secção transversal, normal a direção do fluxo de calor (m²)

dT/dX = gradiente de temperatura (K/m)

2.2.2 Capacidade Calorífica

A capacidade calorífica (C) é definida como sendo o produto da massa (m) pelo calor

especifico (c

). Lembrando que a massa de dado material pode ser definida como sendo o

produto da massa especifica (ρ) pelo volume. Dessa forma é possível definir a Capacidade

calorífica a partir do volume, sendo conhecidos o valores da massa especifica e do calor

especifico de um dado material.

O calor específico de uma substância é a quantidade de energia térmica (J) necessária

para elevar a temperatura de um corpo em um grau Celsius por unidade de massa, no caso o

grama.

2.2.3 Difusividade Térmica

A difusividade térmica (α) é uma medida da rapidez com a qual o calor se propaga

através de um material. A difusividade térmica mede a relação entre a capacidade de o

material conduzir energia térmica e a sua capacidade em acumular energia térmica.

Materiais com difusividade grande respondem rapidamente às variações do ambiente

térmico, em outras palavras, uma alta difusividade implica em um aquecimento mais rápido e

uma homogeneização do gradiente de temperatura sob o material também mais rápido,

quando comparado a um corpo com baixa difusividade. (ANDRADE, 2004a).

A difusividade pode ser quantificada através da relação das propriedades térmicas já

mencionadas. Assim a difusividade é dada pela razão da condutividade e da capacidade

calorífica (equação 2).

⋅

(1)

(2)

2.3 ISOLANTES TÉRMICOS

Os bons isolantes são em geral, porosos, para que assim camadas de ar fiquem pressas

em seu interior. A maior parte da transferência de calor é feita por condução, mas radiação e

convecção ainda são atuantes, mas com valores muitas vezes desprezíveis. (CHAGAS, 2007)

Chagas (2007) ainda lista algumas propriedades de um bom isolante térmico, tais como:

• coeficiente de transferência de calor de acordo com o custo do isolamento;

• boa impermeabilidade à água e umidade;

• um baixo coeficiente de expansão térmica;

• pouca variação da condutividade térmica devida à utilização;

• baixa densidade; especialmente para isolamento do piso e do teto,

E completa Torreira (1980) apud Neira e Marinho (2005),

• Baixa condutividade térmica;

• Boa resistência mecânica;

• Baixa massa especifica;

• Baixa difusividade térmica;

• Alto calor especifico;

• Resistência à combustão;

• Estabilidades química e física;

No mercado existe uma enorme quantidade de materiais classificados como isolantes

térmicos. A utilização de cada um deles dependerá de cada aplicação, com especificidades

que vão deste ao gradiente de temperatura empregado até o próprio clima da região, por isso

deve-se analisar com cuidado as características do material antes de utilizá-lo.

2.3.1 Isolantes Naturais

De acordo com Neira e Marinho (2005), As fibras naturais vegetais estão sendo

amplamente empregadas no isolamento térmico, já que apresentam uma estrutura com,

normalmente, inúmeros espaços vazios, o que reduz a condutividade térmica da fibra,

melhorando o seu emprego como isolante.

Segundo Morassi (1994), as fibras podem ser classificadas conforme a sua origem na

natureza. Dessa forma, existem as fibras de semente (algodão), de folhas (sisal, curauá), as de

caule (juta, linho), de fruto (coco) e as fibras de raiz (zacatão).

Essas fibras apresentam enorme vantagem em relação às comumente utilizadas fibras

sintéticas, Salazar (2006) coloca como vantagens das fibras naturais em comparação às

sintéticas a sua densidade e abrasividade baixas, consumo de energia e custos baixos,

atoxidade, biodegradável, reciclável, altas propriedades de resistência mecânica específica,

geração de empregos rurais e excelentes propriedades termoacústicas.

Além dessas, Silva (2003b) descreve como vantagem das fibras naturais o fato destas

serem abundantes e de rápida renovação. Também descreve algumas das desvantagens das

fibras naturais. São elas a não uniformidade de propriedades que estão diretamente ligadas à

origem das fibras, da região de plantio e da habilidade manual durante a colheita. Assim como

a alta absorção de umidade da fibra, que pode ocasionar em inchaço destas após a aplicação

como isolante.

Entre as pesquisas recentes de isolantes térmicos naturais, encontra-se em diversos

trabalhos a fibra de Sisal (Agave sisalana), que pode ser aplicada como isolante em sua forma

in natura, ou como fibra em um material composto, atuando como reforço mecânico.

Amaral et al. (2004), fizeram uso de mantas de sisal em um sistema “frio”, onde estes

analisaram o desempenho da manta de sisal como isolante em tubulações de sistemas de

climatização/refrigeração, quantificando a eficiência dessa fibra.

Neira e Marinho (2005) utilizaram mantas de sisal in natura e também com tratamento

de hidróxido se sódio (NaOH) como isolante térmico de tubulações de fluidos aquecidos, e

puderam concluir que as mantas podem ser empregadas como isolante térmico em aplicações

onde a temperatura não ultrapasse 112°C.

Stancato (2006) adicionou o sisal e outros agregados poliméricos a uma argamassa

cimentícia, na produção de blocos vazados. A caracterização do compósito foi baseada nos

ensaios de argamassas de acordo com as normas da ABNT. Dentre outras variáveis,

determinou-se a condutividade térmica pelo método fluximétrico. Segundo Stancato (2006),

os resultados de resistência e absorção indicaram que a utilização do sisal como agregado

vegetal é adequada ao atendimento às normas específicas para os blocos vazados de vedação.

Silva (2003b) utilizou uma resina poliuretano derivada do óleo de mamona e fibras de

sisal e coco como reforço, confeccionado corpos de prova a partir do método de prensagem, e

realizando a caracterização através de ensaios de tração, flexão, impacto, DMTA e outros.

Nestes ensaios foram avaliados os efeitos da aplicação das fibras em diferentes formas, como

fibras curtas, fibras longas, tecidos e fios contínuos, bem como o efeito do tratamento de

NaOH nessas fibras.

O poliuretano derivado do óleo de mamona também foi utilizado por Mothé e Araújo

(2004), que realizaram a caracterização térmica de um compósito constituído pela resina e

fibras de curauá em diferentes proporções.

O coco também é empregado como isolante térmico natural. Além de Silva (2003b),

outros autores utilizam esta propriedade do coco em isolamento. Passos (2005) utilizou as

fibras de coco em matriz de papel reciclado para a confecção de telhas, que receberam a

denominação de telhas ecológicas. Santos e Sydenstricker (2006b) empregaram as fibras de

coco no compósito polipropileno/coco, a partir de um compósito comercial PP / 20% fibra de

vidro, foram analisados os efeitos da adição de fibras de coco de diferentes comprimentos e

tratadas com distintas concentrações de solução NaOH.

Silva, et al. (2004a) conseguiram reduzir a condutividade térmica de tijolos solo-

cimento ao utilizarem o pó da fibra da casca de coco como agregado na composição desses

tijolos. Os tijolos foram fabricados na concentração de 6% em pó com relação ao cimento. O

coco também foi utilizado por Ferreira e Marinho (2004) em um composto latex/coco, a ser

aplicado em isolamento térmico de coberturas e ensaiado em câmaras de desempenho

térmico, sujeitas a fonte de radiação térmica controlada. Costa et al (2004b;) aplicaram a

casca de coco in natura para o isolamento térmico de coberturas, utilizando a mesma câmara

de testes, obtendo isolamento satisfatório, para uma manta de 3 mm de espessura.

Rossi et al. (2005) confeccionaram placas com argamassa de cimento, areia e cascas

de arroz, em diferentes proporções, e constataram que o composto com casca de arroz se

mostrou um bom isolante térmico, ao ser empregado como piso em viveiros.

Diversos materiais também podem ser empregados como isolantes térmicos na forma

in natura, e sem a necessidade de tratamento, já que muitos desses materiais apresentam uma

baixa condutividade térmica. Muitos autores se dedicam a determinação dos valores não

apenas da condutividade, mas também de outras propriedades térmicas dos mais diferentes

produtos extraídos diretamente da natureza. É o caso de Rossi et al. (1982) que determinou as

propriedades térmicas de castanha de cajú e raspa de mandioca e Andrade et al. (2004a) que

encontrou os valores de condutividade térmica, calor específico e difusividade térmica do

milho em função do teor de água do produto. Ambos verificaram os valores de propriedades

térmicas, permitindo a aplicação destes como isolantes térmicos.

De forma análoga, Ito (2003) desenvolveu formas de medir os valores de

condutividade e difusividade térmica dos grãos de soja, através de um sistema térmico de

medição constituído por cilindros concêntricos e entre os quais é colocada a amostra de soja

inteira. A fonte de calor é colocada em seu eixo central, e os valores das propriedades são

obtidos a partir da 1ª Lei de Fourier (em regime) e através da solução numérica da 2ª Lei de

Fourier (Estado Transitório).

Segundo Santos e Nascimento Filho (2002b), vários outros materiais naturais secos

como o algodão, a palha de milho, a casca de arroz, bagaço de cana, capim e o sisal podem ser

utilizados para isolamento de alguns de coletores solares. Os autores destacam que todos esses

materiais podem ser encontrados no meio rural, de forma bastante acessível.

Um outro isolante natural é a cortiça, que de acordo com Eires (2005), casca da planta

Quercus Suber L, vulgo sobreiro, é secularmente conhecida pela sua reduzida densidade,

elasticidade, compressibilidade, impermeabilidade e eficiência como isolante térmico,

acústico e vibrátil. O resíduo de cortiça é um produto resultante da aglutinação de granulado

de cortiça, subproduto resultante do fabrico de produtos de cortiça, com substâncias diversas,

como borracha, plástico, asfalto, cimento, gesso, caseína, resinas naturais e sintéticas, colas e

químicos. Em função disto, desenvolveu um novo material utilizando resíduos de cortiça e de

papel, a serem empregados na construção civil.

De forma semelhante, Heitor (2001) desenvolve placas de aglomerados de cortiça,

com o objetivo de melhorar o isolamento térmico e acústico, e reduzir os efeitos vibracionais

sobre determinadas estruturas, para comprovar a sua viabilidade. Para isso, comparou o

desempenho térmico da cortiça com placas de Lã de Rocha e Poliestireno.

Morais (2004) ainda coloca a utilização de coberturas verdes (espécies de jardins sobre

o telhado dos edifícios) como uma forma de isolamento térmico, melhorando o conforto no

ambiente construído. Este tipo de cobertura foi por ela avaliada na cidade de São Carlos-SP,

tendo um bom resultado como isolante térmico, melhorando os índices de conforto dos

ambientes abaixo das cobertas.

2.3.2 Isolantes Sintéticos

Além dos isolantes naturais, existe uma série de materiais poliméricos aplicados ao

isolamento térmico, conhecidos também como isolantes sintéticos. Os polímeros são

classificados como termoplásticos (plásticos), termofixos, borrachas e fibras. O termo plástico

vem do grego, plastikus, que significa material adequado à moldagem. São exemplos de

termoplásticos o PE, o PP, o PET, o PVC e o poliestireno (PS). Os termoplásticos são

moldáveis a quente e possuem baixa densidade, são resistentes ao impacto, possuem baixo

custo e também são bons como isolantes térmicos e elétricos (SPINACÉ, 2005).

O poliestireno expandido (EPS) é o isolante térmico sintético mais utilizado

comercialmente. Também conhecido como isopor, o EPS é empregado tanto em sistemas de

refrigeração como em sistemas trocadores de calor, isolando parte dos componentes.

No Brasil, o consumo de EPS (isopor), variou de 9 mil toneladas em 1992 para 36,5 mil

no ano de 2004, um aumento de quase 300% (MEDEIROS, 2004).

A maior parte do consumo é devida às atividades do setor da construção civil, no qual o

isopor vêm sendo amplamente empregado como agregado ao concreto, a lajes e a outros

sistemas construtivos, com a intenção de melhorar o desempenho térmico das estruturas,

isolando pisos, tetos e paredes.

Bezerra et al. (2003) realizaram uma análise experimental do desempenho térmico de

sistema construtivo (parede) fabricado com blocos de concreto leve com EPS como agregado

graúdo, além de ensaio mecânico. Comparando os resultados com o bloco de concreto

comum, o composto se mostrou melhor em termos de desempenho térmico.

Costa et al. (2004a) analisaram o desempenho térmico de um sistema para

armazenamento de água aquecida, construído com blocos de concreto leve (cimento Portland,

areia e flocos de EPS). Os reservatórios foram preenchidos com água (60 ºC). E seu

resfriamento foi monitorado por termômetros digitais. O bloco concreto+EPS se mostrou

melhor que o bloco convencional.

De forma semelhante, Medeiros et al. (2004) utilizaram embalagens de alimentos de

EPS pós-consumos como isolante térmico de coberturas. Para isso, foram confeccionadas

placas, (reciclando o material que iria ao lixo), que foram ensaiadas em câmaras de testes sob

fonte de radiação térmica artificial. Os ensaios reafirmaram o bom desempenho do EPS.

2.3.3 Isolantes Minerais

Os isolantes minerais, como o próprio nome sugere são materiais de origem mineral.

Entre os principais isolantes minerais podemos citar a lã de vidro, altamente empregado no

ramo da construção civil. Este isolante é comercializado na forma de mantas, e possui um

grande uso no isolamento de ambientes.

Um outro isolante mineral, que causa muita polêmica é o amianto. De acordo com

Martines (2008), o amianto, também chamado de asbesto, é uma fibra mineral natural

pertencente ao grupo dos silicatos cristalinos hidratados. A palavra asbestos vem do grego e

quer dizer "incombustível". Já amianto é latina (amianthus) e significa "incorruptível". As

duas expressões são sinônimas, porém, nos países de línguas neolatinas, entre eles o Brasil o

termo amianto é mais empregado.

Ainda segunda Martines (2008), o amianto foi amplamente utilizado nas décadas de

40 e 50, na América do Norte, na Europa, na Austrália e no Japão, como isolante térmico e

elemento de proteção contra o fogo. Sua aplicação era feita por jateamento de fibras e pó de

amianto em estruturas metálicas, em caldeiras, geradores, vagões e cabinas de navios e trens,

com o objetivo de proteger os passageiros e instalações de um eventual incêndio. Dessa

forma, os trabalhadores eram expostos no processo a grandes quantidades de fibras em

suspensão. Por esse e outros motivos o jateamento foi sendo progressivamente proibido em

muitos países e hoje é praticamente inexistente.

Apesar de unir propriedades como um bom isolamento térmico, resistência mecânica e

resistência à abrasão, a utilização do amianto vem sendo banida nos em vários países devido à

sua toxicidade. Crespim (2007) cita que se tem atribuído a ele doenças pulmonares como

asbestose, câncer de pulmão e mesotelioma à exposição aos diferentes tipos de amianto.

Giannasi (2002) destaca também as lutas travadas no Brasil para o banimento do

amianto e para o reconhecimento da existência das doenças e das vítimas, que foram direta ou

indiretamente, ocupacional, paraocupacional ou ambientalmente expostas. No Brasil, desde

2001, o Instituto Brasileiro de Defesa do Consumidor (IDEC) juntamente aos Ministérios do

Trabalho e da Saúde vêm trabalhando para banir o uso do amianto.

Por isso, varias pesquisas vêm sendo feitas para reduzir os efeitos ou substituir o

amianto em suas aplicações. Como o trabalho de Crespim (2007), que sugere a substituição

do amianto por um silicato de alumínio hidratado (SA) e pela grafite expansível (GE), em um

compósito de poliuretano e amianto, utilizado no revestimento interno de paredes de motor-

foguete, conferindo proteção térmica e garantindo a adesão entre o propelente e as paredes do

motor.

Um outro isolante térmico mineral-fibroso que possui potencialidade de substituir o

amianto em muitas aplicações, segundo Schiavon (2007), é o Basalto, apesar de na forma de

fibras o basalto ainda é ser pouco empregado. Os basaltos são rochas vulcânicas abundantes

no planeta originadas de extensos derrames de lava em muitas regiões. Pertencem à categoria

das rochas ígneas, que são formadas devido ao resfriamento e conseqüente solidificação do

magma.

Schiavon (2007) também realizou caracterizações térmicas e morfológicas de fibras de

Basalto, e concluiu que estas fibras apresentaram excelente estabilidade térmica, resultando

em alterações de massa menor que 1% sob aquecimento até a temperatura de 1000 °C,

demonstrando assim a viabilidade da aplicação do basalto como isolante térmico na forma de

fibras.

A partir da fusão da rocha de origem basáltica, de acordo com Mendes (2004), é

obtida a lã de rocha, isolante térmico amplamente empregado sob a forma de mantas em

forros de coberturas na construção civil. A lã de rocha é tão empregada no isolamento térmico

quanto à lã de vidro, os valores das propriedades térmicas de ambos são bem semelhantes.

Mas não apenas na construção civil que a lã é empregada, Garcia (2004) utilizou em

sua pesquisa lã de rocha para o isolamento térmico de forno elétrico tubular com potência de

2,5 kVA, dimensionando para fornecer uma temperatura máxima de 1200 ºC na parte central

do tubo. Este forno é destinado ao tratamento térmico de amostras de metais, bem como ao

uso laboratorial em estudos de transferência de calor.

Purificação et al (2003) utilizaram de uma câmara de desempenho térmico para

realizar análises do desempenho térmico de seixos com diâmetro médio de 0,015 m

empregados com isolante de coberturas, e puderam realizar constatações experimentais de

uma redução de 16% no valor da temperatura da base da câmara de analise de desempenho

térmico, 15% na temperatura do ar no interior e 18% na parte interna da cobertura da câmara.

2.4 ANÁLISES DE DESEMPENHO TÉRMICO

O isolamento térmico não é aplicado apenas nos processos industriais e

armazenamento e/ou transporte de produtos e substâncias. O isolamento térmico é de extrema

importância para garantir determinado nível de conforto térmico em ambientes e estruturas,

sendo necessário o isolamento térmico de paredes e coberturas. Lembrando que cada tipo de

ambiente necessita de um isolamento térmico que possa se adequar às suas necessidades

particulares. Por isso a necessidade de análises de desempenho térmico a partir de protótipos

experimentais, auxiliados em alguns casos por simulações, verificando assim a eficiência real

do material isolante.

Segundo Oliveira (2003), os primeiros estudos sobre conforto térmico no Brasil,

datam de meados de 1930 com os pesquisadores Paulo Sá e Benjamin Alves Ribeiro, que

procuraram adaptar métodos internacionais, voltados para o clima europeu e norte-americano,

à realidade brasileira. Os pesquisadores buscavam estabelecer uma relação entre a sensação

individual de conforto térmico e os índices obtidos pelos métodos utilizados na época,

principalmente em catatemperaturas e a temperatura efetiva.

Paulo Sá desenvolveu as suas pesquisas na cidade do Rio de Janeiro. Ele buscou um

índice de conforto que satisfizesse seus habitantes, a partir da análise das condições climáticas

e das sensações térmicas. Foi baseado em seu trabalho que Benjamim Ribeiro iniciou seus

estudos em São Paulo, observando que o conforto térmico para os paulistas era bem diferente

dos índices obtidos no Rio de Janeiro (OLIVEIRA, 2003).

Ainda segundo Oliveira (2003), o primeiro a analisar o conforto térmico a partir de

protótipos com monitoramento de temperatura foi Ole Fanger (em 1970) que trabalhou com

estudantes em sua pesquisa, os “ensaiando” com câmaras climatizadas.

A ASHRAE define conforto térmico como sendo “um estado de espírito que reflete a

satisfação com o ambiente térmico que envolve o usuário” (Bezerra, 2003). Na busca pelo

conforto térmico em edificações, é cada vez maior a utilização de aparelhos e equipamentos

que demandam alto consumo energético. Segundo Lamberts et al. (1997), as edificações são

responsáveis por 42% do consumo de energia elétrica, sendo a maior parte devido aos

sistemas mecânicos de climatização utilizados para reduzir os efeitos da carga térmica solar.

Mascaro et al (1988) completa afirmando que em regiões de baixa latitude, que é o caso do

nordeste brasileiro, cerca de 70% da carga térmica em habitações provêm da radiação solar

incidente sobre coberturas.

Mediante o exposto, constata-se que a isolação térmica é item essencial para um

conforto térmico no interior das habitações. Pereira (2004) realizou uma pesquisa, em oito

cidades, com entidades ligadas ao setor da construção civil (75 ao todo), e constatou que

isolamentos térmicos e acústicos são considerados os fatores mais importantes no ato da

decisão da escolha de um imóvel.

A temperatura no interior das estruturas é dependente de diversas variáveis,

relacionadas com as propriedades térmicas das estruturas do ambiente, como paredes, janelas,

coberta, as condições climáticas de temperatura, umidade, direção e velocidade dos ventos, e

até mesmo de questões antropológicas, como o número de indivíduos em um ambiente, o

tempo de ocupação, dentre outros. Então, como avaliar o desempenho térmico?

Uma metodologia amplamente empregada em diversos trabalhos é a aferição da

temperatura no interior de ambientes. Sejam estes situações reais de usos, sejam protótipos em

laboratório. Como é o caso de Papst (1999), que em sua pesquisa de mestrado usou de

medições horárias de temperatura de bulbo seco em três edificações durante 9 meses,

objetivando verificar que o uso de inércia térmica em edificações na cidade de Florianópolis –

SC. É uma importante estratégia bioclimática, já que a cidade possui um verão quente e

úmido e freqüentes frentes frias.

Mas não apenas o homem sofre com o desconforto térmico. A criação de certos

animais é prejudicada quando certo nível de conforto térmico não é atingido. Em temperaturas

elevadas, um animal sofre de stress térmico, pois produz mais calor do que pode dissipar. Para

compensar este efeito, seu organismo passa a reduzir o consumo de alimentos e sua produção

necessariamente declina (BOND, 1954 apud Sevegnani, 1994).

Como exemplo Rossi (2005) cita em seu trabalho as temperaturas necessárias para um

bom desenvolvimento de aves e suínos: “os pintinhos precisam ser mantidos a temperatura

em torno de 35 °C na 1ª semana; 32 °C – 2ª; 29 °C – 3ª; 26 °C – 4ª, e 23 °C na 5ª semana”, e

os “leitões devem ser mantidos a 26 °C nos primeiros dias de idade, descendo gradativamente

de 15,5 a 18,3 °C durante seu desenvolvimento”. Para conseguir, confeccionou placas

compósitas de argamassa e casca de arroz em diferentes proporções, com um elemento

resistivo em seu interior, para obter uma variação de temperatura controlada nesse ambiente.

Mas aquecer nem sempre é o problema. Em muitos casos é necessário evitar grandes

taxas de transferência de calor, principalmente devido à incidência da radiação solar sobre a

coberta, como já citado. Pensando nisso, Oliveira (2000) realizou um experimento com

frangos de corte, alojados em galpões distintos em diferentes densidades. Um grupo de

frangos ficou alojado em galpão convencional de criação, e outro grupo foi alojado em galpão

com isolamento térmico refletivo, conhecido como “foil” de alumínio sob a cobertura. O autor

constatou que desempenho das aves no ambiente com isolante térmico foi superior, já que

aves tiveram um maior consumo de ração, maior ganho de peso, melhor conversão alimentar,

menor mortalidade e maior produção por área em comparação as aves alojadas sem

isolamento.

Kawabata (2003) realizou ensaio semelhante para abrigos individuais de bezerros,

traçando comparações entre a freqüência respiratória e temperatura retal dos bezerros em

relação aos índices de conforto térmico em abrigos expostos ao solo, cobertos com telhas de

cimento amianto e cobertos com telhas de cimento celuloso. Os abrigos sob cimento celuloso

apresentarem melhores índices de conforto, e os bezerros nessa situação apresentaram

melhores resultados fisiológicos.

Isolamentos térmicos baseados em reflexão da radiação solar incidente sob a coberta

são bastante empregados nas edificações e estruturas. O trabalho de Oliveira (2000) com

frangos de corte mostra a viabilidade desse tipo de isolamento. Daré (2005) avalia a utilização

desses isolantes tipo “foil”. Para isso, construiu uma câmara de ensaios com fazendo uso deste

material como subcobertura de um protótipo de cobertura composta de telhas cerâmicas,

submetidas a uma fonte de aquecimento artificial composta por duas lâmpadas de 150W

(figura 1).

Figura 1: Câmara de desempenho térmico. Fonte: Daré (2005)

Foram dispostos seis termopares no interior da câmara, conectados a um

microcontrolador, que registra as temperaturas a cada minuto. Os resultados mostraram que a

câmara com isolamento obteve uma eficiência média de 68,6% nos telhados com a

subcobertura refletiva em relação aos telhados sem coberturas (Daré, 2005).

Uma das características do isolamento refletivo é a emissividade do material isolante.

Vitoriano (2003) mostra em seu trabalho que apenas modificando a emissividade do material

isolante (forro da cobertura) é possível obter grandes variações na taxa de transferência de

calor entre a coberta e o ambiente (tabela 1). Muitas vezes, isso é possível apenas

modificando a cor da superficial do material, tanto na face superior como na inferior.

Tabela 1: Fluxo de calor da cobertura para o ambiente e temperatura da superfície para emissividades.

Fonte: Vitoriano (2003)

Índices de Temperatura de Globo e Umidade (ITGU) e da Carga Térmica Radiante

(CTR) foram medidos sobre abrigos com diferentes tipos de coberturas por Seveganani

(1994). Ele realizou medições para abrigos com diferentes tipos de telhas: telha cerâmica de

barro, telha de cimento-amianto, de zinco, de alumínio, de fibra de vidro e a telha térmica,

composta por duas telhas de alumínio com um “recheio” de poliuretano expandido.

Seveganani (1994) constatou a alta ineficiência da telha de fibra de vidro, já que este é um

material translúcido, que permite a passagem de grande quantidade de cargas térmicas. Um

melhor conforto térmico foi atingido pelas telhas de barro, embora a telha térmica (Alumínio

+ Poliuretano) tenha atingido valores muito próximos a esta.

Análises de desempenho térmico de um compósito formado por matriz de látex (da

Hevea brasiliensis) e reforço de fibra do mesocarpo do coco foram feitas por Ferreira e

Marinho (2004), com objetivo de avaliar o uso do material composto em isolamento térmico

de coberturas. Para isso, os autores construíram uma câmara de ensaios

(0,50mx0,50mx0,50m), que simulava um ambiente construído, sendo a “coberta” da câmara

uma placa do material a ser ensaiado. Termopares foram distribuídos no interior da câmara e

conectados a um microcomputador, que registrou os valores de temperatura. puderam

constatar a eficiência térmica do material como isolante térmico de cobertura.

De acordo com Bezerra (2003), um sistema construtivo com elevada resistência

térmica (bem isolado termicamente) pode reduzir o fluxo de calor, e dessa formar reduzir

também o consumo de energia elétrica nas edificações. Ele cita que é possível reduzir em até

30% o consumo em edificações já construídas, e até em 50% em novas construções.

Isso significa que um isolamento térmico adequado não implica apenas em conforto

térmico, mas também em economia de energia, como também em preservação do meio

ambiente, já que muitos dos materiais aqui referidos foram reaproveitados na confecção de

novos compostos, quando poderiam estar agredindo o meio ambiente, após seu uso.

2.5 RESINAS POLIURETANO

As resinas poliuretano (PU) foram desenvolvidas e patenteadas pelo químico Otto

Bayer, em 1937, embora as reações de formação dos uretanos foram pospostas bem antes por

WURTZ, em 1849. Sua comercialização teve inicio ainda nos anos 30. Na década de 40, na

Alemanha e na Inglaterra foram originados os elastômeros de PU. Entretanto, durante o

período da Segunda Guerra Mundial o desenvolvimento das PU foi descontinuado, mas desde

1946 o seu mercado tem apresentado um crescimento enorme. Na década de 50 registrou-se o

grande desenvolvimento comercial dos PUs, como espumas flexíveis. Nos anos 80, o

crescimento de maior importância comercial foi a moldagem por injeção e reação (RIM),

dando ímpeto aos estudos das relações entre estrutura molecular e propriedades das PU

(SILVA, 2003A; SILVA, 2003B E SILVESTRE FILHO, 2001).

Silva (2003a) afirma que na América Latina, as aplicações das espumas flexíveis de

PU em colchões e estofados correspondem a 57 % da demanda total, enquanto que as

aplicações automotivas respondem por 10%, as espumas rígidas mobilizam a parcela de 16%

e são usadas principalmente em isolamento térmico 12% e na construção 4%.

Alves (2005) completa estes dados ao citar que desde os anos 90, o mercado latino

americano cresceu de 240 mil toneladas, para um consumo estimado em 600 mil toneladas em

2005, representando cerca de 6% do mercado mundial. É prevista uma taxa de crescimento de

4% ao ano, com um consumo de 720 mil toneladas, em 2008 (Tabela 2). Um dos fatores que

tem ajudado a impulsionar o crescimento do mercado, segundo Alves (2005) é a substituição

de outros materiais pelos PUs, como por exemplo, seu elevado nível de utilização nos

automóveis, adesivos e construção.

Ainda segundo Alves (2005), o PU ocupava, em 2005, a sexta posição entre os

plásticos mais vendidos no mundo, possuindo 5% do mercado de plásticos. Na América

Latina, o Brasil é o maior consumidor do PU, conforme a tabela 2.

Tabela 2: Produção de PU na América Latina 1998 – 2008 (1000t)

País 1998 2003 2008

México 131 156 191

Brasil 283 292 367

Argentina 55 34 36

Outros Países 109 110 129

Total

579 591 723

Fonte: Alves, 2005

2.5.1 Poliuretano derivado do Óleo da Mamona

As resinas de poliuretano podem derivar tanto do petróleo como de óleos de origem

vegetal, estes são os chamados “biomonômeros”. Estes óleos podem provir de vegetais como

o milho, girassol, soja, canola, alçafroa, oliva, amendoim como também da mamona

(Petrovic, 1999 apud Silva, 2003b). Embora o biomonômero mais utilizado seja o poliuretano

derivado do óleo de mamona, é possível encontrar trabalhos científicos com as mais

diferentes matérias primas para a obtenção de um poliuretano natural. Lopes (2008b) realizou

a síntese e caracterização de uma poliuretana a partir do óleo de Maracujá (Passiflora edulis).

Lopes (2008a) também sintetizou um poliuretano a partir do pracaxi (Pentaclethra

macroloba).

Segundo Villar (1993), o desenvolvimento dos poliuretanos derivados do óleo de

mamona tiveram origem nos primeiros trabalhos sobre os poliuretanos, na década de 40.O

óleo de mamona é obtido da semente da planta “Ricinus Communis”, muito abundante no

Brasil, já que este é típica de regiões tropicais e subtropicais. O óleo é um líquido viscoso.

Obtido pela compressão das sementes ou por extração com solvente.

De acordo com Silvestre Filho (2001), o óleo de mamona é uma das poucas fontes

naturais que se aproxima de um composto puro, já que em torno de 90% do ácido graxo

presente na composição dos triglicerídeos do óleo de mamona é o ácido ricinoléico. A grande

diferença do acido ricinoléico em relação aos demais ácidos graxos presentes na natureza é a

presença em sua estrutura molecular do grupo hodroxicila no carbono 12, o que torna a

triglicéride do acido ricinoléico um poliol natural. Os outros 10% são ácidos graxos não

hidroxilados, como os ácidos oléicos e linoléicos (tabela 3).

Tabela 3: Composição Típica do Óleo de Mamona

Acido Proporção

Ácido Ricinoleico 89,55%

Ácido Linoleico 4,2%

Ácido Oléico 3,0%

Ácido Esteárico 1,0%

Ácido Palmítico 1,0%

Ácido Dihidroxiesteárico

0,7%

Ácido Eicosanóico 0,3%

Ácido linolenico 0,3%

Fonte: Proquinor, 2007

Denomina-se uretano o produto da reação química entre um grupo isocianato e um

grupo hidroxila (figura 2). A letra R representa um radical qualquer.

Figura 2: Reação de obtenção do uretano

No poliuretano, como o próprio nome sugere, encontramos o uretano repetido na

estrutura molecular. A reação de polimerização (Figura 3) do poliuretano de mamona ocorre

quando um composto com dois ou mais isocianatos em sua estrutura reage com um poliol

(SILVESTRE, 2001)

Figura 3: Reação de obtenção do poliuretano

Hidroxila isocianato uretano

Diisocianato Poliol Poliuretano

Alves (2005) coloca que a polimerização pode ocorrer através de dois processos

distintos. O primeiro ocorre em etapa única, conforme a reação (figura 3). No segundo

processo, é preparado um pré-polímero através da reação de um isocianato orgânico com

poliois apresentando um teor pré-determinado (estequiométrico) de –NCO livre (figura 4).

Figura 4: Reação de obtenção do pré-polimero

A reação de polimerização neste segundo processo ocorre pela mistura a frio do pré-

polímero com o poliol final, que conduz a poli condensação uretano, gerando um PU de alto

peso molecular.

Nos poliuretanos a maioria das reações dos isocianatos ocorre por meio da adição da

dupla ligação C = N, ou seja, um centro nucleofílico contendo um átomo de hidrogênio ativo

ataca o carbono eletrofílico e o átomo de hidrogênio ativo é então adicionado ao nitrogênio.

Grupos aceptores de elétrons, ligados ao grupamento NCO, aumentam sua reatividade e os

doadores a reduzem, e por isso, os isocianatos aromáticos são mais reativos do que os

alifáticos (SILVA, 2003a).

A reação de expansão dos isocianatos com água (H

O) resulta na formação de uréia e

gás carbônico. Inicialmente é formado o ácido carbâmico que se decompõe em gás carbônico

e na amina correspondente. Esta reage imediatamente com o diisocianato, formando uréia,

que junto com o uretano podem reagir com o NCO, formando ligações cruzados de alofanato

e biureto. A difusão do gás carbônico para as bolhas de ar previamente nucleadas é

responsável pela expansão da espuma. A reação é exotérmica, liberando grande quantidade de

energia. Já as ligações cruzadas, ocorrem em temperaturas superiores a 110ºC. Estas ligações

são bem mais lentas e ocorrem principalmente na pós-cura dos Poliuretanos, dando-lhe

resistência mecânica após a expansão (VILLAR, 2002 E SILVA, 2003a).

Diisocianato + Poliol = Pré-polimero

Dessa forma, é possível utilizar o poliuretano derivado de fontes naturais sem muitas

dificuldades. Araújo (2004) lembra que “O desenvolvimento de materiais corretos de maneira

ecológica e a melhor adequação dos processos tem sido uma necessidade para minimizar os

problemas ambientais no Mundo”. A possibilidade de se poder trabalhar com um produto

proveniente de natureza renovável incentivou diversos trabalhos e pesquisas com este tipo de

material. Muitos novos materiais foram desenvolvidos, tomando essa resina expansiva como

matriz, para aplicações da natureza mecânica como também em isolamento térmico de

sistemas.

Cangemi (2006) destaca a biodegrabilidade do poliuretano derivado do óleo de

mamona, após uma serie de testes comparativos com o poliuretano petroquímico. As várias

técnicas empregadas indicaram, após o ataque de microorganismos, algumas mudanças na

estrutura química da espuma de origem vegetal caracterizando um processo de biodegradação,

enquanto nada semelhante ocorreu com a espuma derivada do petróleo, indicando a

manutenção da estrutura da macromolécula.

Assim, vários grupos de pesquisas passaram a trabalhar com o Poliuretano. O Instituto

de Química de São Carlos (IQSC) da Universidade de São Paulo (USP) deu início a um

estudo para desenvolvimento de PU mono componente derivado do óleo de mamona com

cura pela umidade do ar. Os estudos foram realizados objetivando-se sintetizar um verniz para

aplicação em pintura automotiva (SILVA, 2003a).

O Laboratório de Transferência de Calor (LTC – NTI/ UFRN), Atualmente trabalha

com o projeto de desenvolvimento de compósitos a partir de resinas e fibras vegetais, onde o

poliuretano de mamona atual como matriz para os compósitos desenvolvidos.

Claro Neto (1997) realizou caracterizações físico-químicas de um poliuretano

derivado de óleo de mamona, para ser utilizado em implantes ósseos. De forma semelhante,

Silvestre Filho (2007) caracterizou o composto de poliuretano de fibras de carbono, para ser

utilizado futuramente em implantes ósseos para quadris humanos.

Com o objetivo de avaliar a eficiência da prótese de poliuretano de mamona como

substituto parcial do tendão calcâneo comum, Rezende (2001) utilizou como cobaias 30

coelhas, entre dois e três meses de idade e peso médio de 2kg. Rezende concluiu que

clinicamente o poliuretano de mamona não induziu reação desfavorável que comprometesse a

cicatrização tendínea, podendo ser indicado como substituto temporário de tendão.

Silva (2003b) utilizou o poliuretano de mamona em compostos de fibra de coco e

sisal. Foram realizados ensaios de tração, flexão, impacto, tenacidade à fratura, absorção

d’água e DMTA. Foram observadas melhorias nas propriedades mecânicas do composto

PU/Sisal, diferente do composto PU/coco, onde não se obteve tantas melhoras.

O poliuretano derivado do óleo de mamona também foi utilizado por Mothé e Araújo

(2004), que realizaram a caracterização térmica e mecânica de um compósito constituído pela

resina e fibras de curauá nas proporções de 5%, 10% e 20%. A caracterização térmica foi feita

através de técnicas de análise térmica (TG, DTG, DTA e DSC).

Silva (2003a) confeccionou chapas de MDF, utilizando o poliuretano de mamona

como adesivo das placas, em substituição a resinas fenólicas, que são tóxicos ao homem e

prejudiciais ao meio ambiente. Utilizando a proporções de 5% e 10%, Silva (2003a) verificou

que o poliuretano de mamona se tornou uma alternativa viável na produção de MDF.

Alves (2005) desenvolveu um composto de poliuretano de mamona e Poli(o-

metoxianilina) e verificou a utilização desse composto como sensor, podendo também ser

utilizado como dissipador de cargas eletrostáticas em blindagens. Alves (2005) pôde variar a

capacitância, e outras características eletrostáticas, do novo material variando a proporção dos

componentes do compósito, já que a Poli(o-metoxinilna) é um polímero condutor, e o

poliuretano de mamona é um polímero isolante.

Almeida (2006) obteve as propriedades mecânicas e viscoelásticas do poliuretano

derivada do óleo de mamona após a sua exposição ao intemperismo artificial, com o objetivo

de avaliar a aplicação deste como revestimento polimérico para substratos de concreto na

Construção Civil. Os resultados alcançados mostraram que ao ser exposto ao intemperismo

artificial as propriedades do revestimento polimérico não tiveram mudanças significativas.

O envelhecimento térmico do composto poliuretano/sisal foi analisado por Pinto

(2005), que com um composto hibrido com 25% em massa de sisal, avaliou como as

propriedades mecânicas se alteram com a temperatura para os compostos formados por

Poliuretano de mamona / sisal / carga mineral de bentonita sódica, com diferentes tipos de

tratamento.

Comparações de desempenho térmico entre o poliuretano de petróleo e poliuretano de

mamona foram realizadas, os autores puderem verificar que o poliuretano de mamona

apresenta propriedades térmicas como isolante bem superior às propriedades do poliuretano

de petróleo. Para isso realizaram testes de desempenho térmico e medição de propriedades

(condutividade térmica, calor especifico e difusividade térmica) (BORGES, 2007).

2.6 VERMICULITA

O nome vermiculita vem do latim vermiculus que quer dizer pequeno verme e se deve

ao fato de que esse material se expande sob aquecimento, durante o qual suas partículas

movimentam-se de forma semelhante à dos vermes (UGARTE, 2005).

A vermiculita é uma argilomineral (mineral não-metálico) que pode existir na natureza

na forma de macro e micro cristais (Martins e Fernandes, 1992 apud Gomes, 2007a). Sua

estrutura básica é constituída por finas lâminas de cristais, normalmente ligadas face a face,

dando origem a célula unitária, constituída de duas folhas tetraédricas separadas por uma

octaédrica (figura 5). Dessa forma, os planos são unidos entre si através de ligações

covalentes de átomos de oxigênio, tornando-a estável. A estrutura também apresenta íons

livres em posições interlamelares, que podem ser trocados (GOMES, 2007b).

Figura 5: Estrutura cristalina da vermiculita. Fonte: Gomes, 2007a

De acordo com Gomes (2007a) e Ugarte (2005), a célula unitária pode ser

representada pela formula:

(Mg, Fe)

[(Si, Al)

] [OH]

Em síntese, Ugarte (2005) descreve a vermiculita como sendo um silicato hidratado de

magnésio, alumínio e ferro com uma estrutura micáceo-lamelar. De acordo com Gomes

(2007b) a estrutura da vermiculita é constituída por superfícies lamelares de silicatos, com

água na região interlamelar. Quando aquecida a temperaturas entre 650 ºC e 1.000 ºC, essa

água se transforma bruscamente em vapor. A pressão exercida provoca o distanciamento entre

as lamelas, causando assim uma deformação axial em sua estrutura. Esse processo, chamado

(3)

também de esfoliação, provoca a expansão da vermiculita, aumentando o seu volume de 15 a

25 vezes.

Essa propriedade torna promissor o uso do mineral como isolante térmico, já que a

vermiculita expandida apresenta baixa densidade: de 2,5 a 2,7g/cm

quando crua e de 0,06 a

0,2 g/cm

quando expandida (Lin, 1998 apud Gomes, 2007b). Materiais com baixa densidade,

em geral se apresentam como bons isolantes térmicos, já que a apresentam grandes espaços

vazios em seu interior. Por isso a vermiculita é amplamente empregada como material

isolante.

No Brasil existem depósitos de vermiculita nos estados da Bahia, Minas Gerais, Goiás,

São Paulo, Paraná, Piauí e Paraíba. A produção brasileira (26.500 t/ano) tem sido empregada,

principalmente, no mercado interno (76%) como isolante térmico e acústico. Apenas 12%

dessa produção são de vermiculita expandida, que vem sendo usada na indústria de concreto

leve, argamassa de reboco, argamassa termoisolante e na agricultura (CAVALCANTI, 2004).

Ainda segundo Cavalcante (2004), o Brasil detém 10% das reservas mundiais de

vermiculitas e ocupava, em 2004, com 5% da produção mundial, o quarto lugar. A produção

brasileira se concentra apenas em quatro produtores com um crescimento na ordem de 35%

nos últimos anos. De acordo com algumas estimativas, o consumo mundial no ano de 2003

foi da ordem de 600 mil toneladas de vermiculita.

Dentre os principais usos da vermiculita na construção civil, Ugarte (2005) destaca a

sua aplicação como isolante térmico e acústico em paredes, na forma de massa para

revestimento (reboco), graças à baixa condutividade térmica do material (60 cal/m

C, a

25oC) e pequena propagação sonora (coeficiente de redução de ruídos superior a 60%).

Ugarte (2005) coloca ainda a utilização dela na forma de blocos pré-moldados com argamassa

gesso/vermiculita usados em divisórias internas, na forma de placas constituídas de

aglomerados do mineral e como agregado para argamassa de reboco.

Mendes (2004) relata em seu trabalho o uso da vermiculita como agregado em

concreto leve, formando uma argamassa capaz de isolar termicamente, proteger o ambiente

construído em caso de incêndio, como também absorver óleos, como o petróleo. Mendes

(2004) cita que a argamassa de vermiculita é bastante empregada em plataformas de petróleo,

já que o material é capaz de unir isolamento térmico e absorção de óleos.

Os íons livres presentes na estrutura laminar da vermiculita podem ser empregados

para absorção de metais pesados e/ou óleos a partir de trocas iônicas, principalmente no caso

da vermiculita expandida, já que esta possui um espaço interlamelar bem maior,

possibilitando mais trocas. Suas propriedades de superfície, em particular, área superficial,

hidrofobicidade, porosidade e carga superficial negativa, fazem dela um material

recomendado para uso como material absorvente e carreador. (UGARTE, 2005)

Esses íons livres capazes de realizar trocas catiônicas estão presentes em todos os

Argilominerais. Aguiar (2002) analisou a remoção de metais pesados em efluentes nos mais

diferentes aluminossilicatos, entre eles a vermiculita, que apresentou um ótimo desempenho

por mostrar a maior capacidade de trocas catiônicas entre os argilominerais, determinada pelo

método de saturação com o cátion amônio (tabela 4). Logo, a vermiculita desempenhou um

ótimo papel quando se fala em adsorção de óleos e metais pesados, justificando assim os

trabalhos recentes sobre este tema, descritos a seguir.

Tabela 4: Capacidade de Troca Catiônica dos argilos minerais

Argila CTC (meq/ 100g da argila)

Caulinita 3-15

Haloisita 2H

O 5-10

Haloisita 4H

O 10-40

Ilita 10-40

Clorita 10-40

Sepiolita 20-35

Esmectita 80-150

Montmorilonita

80-200

Vermiculita 100-150

Fonte: Aguiar (2002)

Em seu trabalho, Chui (2005) estudou as propriedades de retenção dos íons dos

elementos Cd, Ni, Pb, Hg e Cr pela vermiculita Massapé Paulistana tendo em vista o

tratamento de efluentes líquidos. Chui (2005) verificou que 4 horas são suficientes para

atingir o equilíbrio em todos os casos e que a retenção dos íons pela vermiculita era

dependente do pH do meio, com exceção para Cr. Foi observado também que os níveis de

metais admitidos pelos órgãos de fiscalização para o descarte de efluentes em São Paulo

foram atendidos.

Vermiculita, bentonita sódica e cálcica foram caracterizadas antes e após serem

empregados em adsorção de íons de cobre, com a intenção de verificar a eficiência na

adsorção em função do pH da solução iônica. Santos (2002) observou que estas argilas

adsorvem metais pesados através da troca iônica e que a vermiculita foi mais eficaz no

processo, adsorvendo 40,9% de cobre da solução em estudo, em relação às outras argilas

envolvidas no processo.

Gomes (2007a) também utilizou dessas propriedades da vermiculita para remover íons

de prata e de cobre de águas resíduas de indústrias. Para isso, a vermiculita pura foi moída e

em seguida submetida a aquecimento de cerca de 800 ºC, provocando assim a expansão da

estrutura. Gomes (2007a) obteve resultados satisfatórios, principalmente em relação aos íons

, concluindo a possível implementação do uso de vermiculita em efluentes residuais

contaminados com esses íons.

Em um outro trabalho, Gomes (2007b) utilizou a vermiculita, agora hidrofobizada

com cera de carnaúba, para absorção de óleos derramados em águas industriais. Os ensaios

foram realizados em laboratório, e alcançaram resultados satisfatórios, observando assim a

viabilidade do uso de vermiculita nesta aplicação, reduzindo então os custos com tratamento

de efluentes.

Oliveira e Ugarte (2004) realizaram estudos de adsorção de óleos petroquímicos com

vermiculita hidrofobizada com óleo de linhaça na razão de 10% (em massa), e concluíram que

a vermiculita expandida hidrofobizada adsorve óleo em seus interstícios até atingir a

saturação (após cerca de 10 minutos) onde a partir desse ponto, a quantidade adicional de óleo

adsorvido é pequena.

Silveira (2006) utilizou-se de vermiculitas de origens distintas (Goiás e Piauí) e com

dois tipos de granulométrica (micro e fina) com o objetivo de avaliá-las quanto à adsorção do

ácido (graxo) oléico, podendo assim analisar qual vermiculita adsorve mais.

Foi observeado que no contato direto da vermiculita com óleo, a vermiculita fina de

Goiás apresentou uma maior capacidade de adsorção em relação às outras. As vermiculitas

micro são menos eficazes que as finas. As vermiculitas somente expandidas adsorveram

menor quantidade de ácido oléico e atingiram a saturação mais rapidamente que as

vermiculitas hidrofobizadas. (SILVEIRA, 2006).

A vermiculita natural, de acordo com Andrade (2004b) é fonte de Ca, K e Mg para as

plantas no período de estiagem, constituindo-se, também, num ótimo condicionador de solos

ácidos e argilosos. Partindo desse principio, alguns autores empregaram vermiculita como

reforço nutricional para o desenvolvimento de plantas. É o caso de Freitas (1980), que

comparou o desenvolvimento da planta de sementeiras da Erythrina falcata, nas idades de 45,

75 e 150 dias em viveiro ao ser aplicado vermiculita, em comparação à aplicação de matéria

orgânica. Houve aumento no peso e nitrogênio total das plantas com adição de matéria

orgânica em todo o desenvolvimento no viveiro (150 dias). Contudo, este efeito foi menor (ao

final dos 150 dias) quando se adicionou vermiculita, cuja contribuição beneficiou o

crescimento das plantas até os 75 dias de idade.

Rocha (1992) utilizou a vermiculita para avaliar o solo de regiões do Paraná e do

Amazonas. A vermiculita foi introduzida no solo, e após um ano, as amostra foram recolhidas

e caracterizadas quimicamente e por difração de raios X. Devido às habilidades de troca

catiônica e adsorção da vermiculita, foi possível analisar o percentual de íons (e quais íons)

estiverem presentes nesse solo no período de um ano. A partir dos resultados foi possível

monitorar a dinâmica geoquímica do solo, sem a necessidade de visitas periódicas em um

espaço de tempo mais curto.

Gouveia (2008) adicionou vermiculita expandida em pastas de cimento Portland. A

adição reduziu a densidade de pastas de cimento, permitindo a formulação de pastas leves

para aplicações em campos maduros de petróleo, mas com simultânea redução de resistência

mecânica. Apesar de não citar a aplicação como isolante em seu trabalho, pode-se perceber a

redução de densidade, que geralmente culmina na diminuição da condutividade térmica.

Já no trabalho de mestrado de Montedor (2004), vemos que este realizou um estudo de

uma argamassa especial, à base de cimento e acrescida de vermiculita, látex e fibras curtas

(PVA e vidro), visando a sua utilização em ligações entre elementos de concreto pré-moldado.

Para isso, realizou ensaios mecânicos para a determinação das características do compósito,

tais como: resistência à compressão, resistência à tração e módulo de elasticidade. De acordo

com os ensaios realizados, notou-se que ao se utilizar maiores quantidades de vermiculita, a

tendência era de diminuir as resistências à compressão e à tração e também o módulo de

elasticidade, que para uma almofada de ligação de estruturas não é tão ruim, já que o material

fica mais maleável.

Como se pode se observar, a vermiculita tem tido a sua utilização restrita a sua forma

in natura ou com tratamentos simples. A aplicação desta em compostos se restringiu em

agregado para concreto leve, com o intuito de melhorar o desempenho térmico da estrutura.

Com suas propriedades de superfície, a vermiculita pode ser empregada em dezenas de outras

aplicações, tanto para adsorção de óleos e íons metálicos, como para isolamento de estruturas.

3 - METODOLOGIA

3.1 MATERIAIS

Para o desenvolvimento desta pesquisa, foi empregada a resina expansiva de

poliuretano derivado do óleo da semente da mamona com matriz de material compósito

desenvolvido. A vermiculita foi empregada como carga dos compósitos desenvolvidos. Tais

materiais se encontram devidamente caracterizados.

Para efeito de comparação, também se utilizou o poliuretano petroquímico (PU), a lã

de vidro e a lã de rocha, todos isolantes comerciais disponíveis no mercado especializado.

3.1.1 Resinas Poliuretanos

A resina poliuretano utilizada foi fornecida pela empresa PROQUINOR – Produtos

Químicos do Nordeste Ltda., sob o nome comercial RESINA RESPAN® - D40. Segundo o

fabricante, esta resina se apresenta na forma bicomponente composta de um Poliol e um Pré-

Polímero. O Poliol foi sintetizado a partir do óleo de mamona, obtendo-se um poliéster

trifuncional com índice de hidroxila de 105 (Tabela 5). O pré-polímero foi sintetizado a partir

do diisocianato e pré-polimerizado com um poliol também derivado do óleo de mamona,

permanecendo com uma taxa de isocianto livre para uma posterior reação (PROQUINOR,

2007).

Tabela 5: Especificações da Resina Respan

CARACTERÍSTICAS ESPECIFICAÇÃO

Peso Líquido 200 g

Proporção Poliol : Prepolímero 1 : 1,63

Índice 105

Tempo de Creme 32 - 35 seg

Tempo de Evolução 58 - 65 seg

Densidade (média) 30 -70 Kg/m

Absorção de Água (média) 0,48 %

Estabilidade Dimensional (média) 0,098 %

Temperatura máxima de reação (média)

80ºC

Fonte: Proquinor (2007)

Uma outra resina poliuretano utilizada nesta pesquisa é resina derivada do petróleo. Os

corpos de prova fabricados utilizaram o produto comercial “Fischer foam PU 1/500”. Este

resina foi utilizada na confecção de apenas uma placa para ensaio de desempenho térmico e

em corpo de prova para as propriedades térmicas, com o objetivo de comparar os resultados

desse isolante comercial com os demais isolantes.

3.1.2 Lã de Vidro e lã de Rocha

A lã de vidro e a lã de rocha foram empregadas, com o objetivo de comparar o

desempenho térmico destas lãs em relação às resinas poliuretano e ao material compósito. As

mantas se encontram no formato comercial, e receberam cortes para adequação ao ensaio de

desempenho (figura 06).

Figura 6: Lã de vidro (a) e Lã de Rocha (b)

3.1.3 Vermiculita

A vermiculita expandida utilizada nesta pesquisa é proveniente de reservas paraibanas

na cidade de Santa Maria.

Souza (2004) realizou a caracterização e o processamento da vermiculita também

proveniente de reservas paraibanas, nas cidades de Santa Maria e Casserengue e encontrou

através de um processo de florescência em Raio X os percentuais médios dos constituintes da

vermiculita desta região (tabela 6). Tais valores podem ser tomados como referência para a

composição da vermiculita aqui empregada.

(a) (b)

Tabela 6: Resultados de análise química por FRX de amostras de vermiculita de Santa Luzia

TEOR (%) AMOSTRA

SiO

MgO CaO

TiO

MnO

P.F. Total

Santa Luzia 39,43 10,95 25,73 0,51 0,39 9,89 0,77 0,09 0,03 n.d. 12,09 99,88

Fonte: SOUZA (2004)

Também foi realizado um ensaio granulométrico da vermiculita expandida empregada.

Tal ensaio foi realizado no Laboratório de materiais para construção civil do CEFET-RN,

seguindo as normas brasileiras NBR 5734, NBR 7211 e NBR 7217, da ABNT.

Seguindo a NBR 5734, a serie de peneiras tomadas nesta caracterização é

caracterizada como “serie normal”, e é constituída pelas peneiras com abertura laterais de

4,80 mm; 2,40 mm; 1,20 mm; 0,60 mm; 0,30 mm e 0,15 mm. A figura 7 ilustra tais as

peneiras antes de seu uso.

Figura 7: Peneiras da serie Normal utilizadas na determinação da granulometria da vermiculita

A norma NBR 7217 detalha a metodologia a ser adotada. Seguindo as suas

orientações, utilizou-se uma massa total de 0,5 Kg de vermiculita. Para os ensaios,

primeiramente, encaixa-se as peneiras previamente limpas, de modo a formar um único

conjunto de peneiras, com abertura de malha em ordem crescente da base para o topo. Colocar

as porções da vermiculita sobre a peneira superior do conjunto. Em seguida promove-se a

agitação mecânica do conjunto por quinze minutos, para permitir a separação e classificação

prévia dos diferentes tamanhos de grão da amostra, conforme representado na figura 8.

4,80 mm 2,40 mm 1,20 mm

0,60 mm 0,30 mm 0,15 mm

Figura 8: Agitador mecânico do conjunto de peneiras;

No passo seguinte, é feito o agitamento manual de cada peneira, até que a massa

passante seja inferior a 1% da massa retida. Por fim, e determinada a massa total de material

retido em cada uma das peneiras e no fundo do conjunto. Nessa etapa de pesagem, foi

utilizada uma balança eletrônica de 0,1 g de precisão, e carga máxima de 40 Kg, presente no

Laboratório de Construção Civil – CEFET-RN.

Os valores retidos em cada uma das peneiras estão descriminados na tabela 7. Onde

também é possível observar os valores percentuais retidos.

Tabela 7: Massa e percentual retido de vermiculita em peneiras da serie Normal da granulometria

Abertura das

Peneiras

Massa Retida

(10

–3

Kg)

Percentual

Retido

> 4,80 mm

0.0

0.00%

2,40 mm

107.7

21.54%

1,20 mm

372.9

74.58%

0,60 mm

13.5

2.70%

0,30 mm

1.2

0.24%

0,15 mm

0.5

0.10%

< 0,15 mm

4.2

0.84%

Total

500.0

100.00%

Na vermiculita empregada não há massa retida com dimensões maiores que 4,80 mm.

Valores inferiores a 0,60 mm são praticamente desprezíveis, pois a sua soma representa

menos que 1,2 % da massa total. A grande faixa de vermiculita retida se encontra em

dimensões menores que 2,4 mm e maiores que 1,2 mm. No Apêndice E, se encontra a

distribuição percentual da graulometria da vermiculita.

Tomando por referência a norma NBR 7211, que especifica o tipo de agregado em

função da granulometria, define-se a vermiculita utilizada neste trabalho como agregado

miúdo tamanho médio ou mesmo “vermiculita expandida – tipo: média”.

3.2 ENSAIOS PROPRIEDADES TÉRMICAS

Ensaios de propriedades térmicas foram realizados com o objetivo de determinar a

condutividade, a difusividade e a capacidade calorífica dos corpos de prova. Esses ensaios

foram realizados no Laboratório do GGEMMA – Grupo de Pesquisa em Geologia Marinha e

Monitoramento Ambiental da UFRN, por meio do equipamento Quick-line 30 (Anter

Thermal Properties Corp.- Figura 9)

Figura 9: Quick-line: Medidor das propriedades: Condutividade, difusividade e capacidade calorífica.

Neste ensaio, uma sonda no formato de “agulha” é inserida no material. O manual do

equipamento exige que uma profundidade mínima de penetração de 0,15 m e uma distância

radial mínima de 0,03 m (figura 10).

Figura 10: Dimensões Mínimas de corpo de prova – propriedades térmicas: Quick-line Analaser

Os corpos de prova foram confeccionados em formatos cilíndricos, com 0,10 m de

diâmetro, respeitando as exigências do equipamento de análise. A altura é diferenciada para

cada material, já que o teor de vermiculita contida no material altera o volume total

expandido, embora nenhum corpo de prova tenha uma altura inferior aos 0,15 m mínimo.

A sonda realiza as medidas de condutividade, calor específico e difusividade emitindo

e recebendo calor na amostra em análise. São realizadas três medições para cada material. O

resultado final é dado pela média dos valores encontrados.

3.3 ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO CALOR

Pastilhas cilíndricas com 0,02 m de altura e 0,05 m de diâmetro foram produzidas, em

um número de cinco corpos de prova para a matriz sem carga e para cada proporção do

isolante compósito.

Com este ensaio é possível identificar a temperatura máxima em que o poliuretano de

mamona e os compósitos podem ser empregados sem apresentarem queimaduras ou

deformações em sua superfície de contato. Para isso, utilizou-se uma chapa aquecedora de

temperatura ajustável, presente no Laboratório de química do CEFET-RN (figura 11).

0,15 m

0,03 m

Sonda

Figura 11: Chapa quente ajustável empregada no ensaio de resistência ao calor

O equipamento possui um seletor de valores de temperatura, sendo possível

“programar” o aquecimento para o valor desejado. Acima do seletor se encontra um visor

digital onde é possível observar a evolução do aquecimento, pois este mostra a temperatura

atual da chapa-quente.

Com o aquecimento, o material em análise poderia aderir à chapa, impregnando-a com

parte de sua superfície deteriorada pela alta temperatura, o que dificultaria a observação dos

efeitos provocados pelo aumento da temperatura sobre a região de contato com a chapa. Por

isso, utilizou-se uma pequena folha de alumínio, que evita o contato direto sem trazer

prejuízos à transferência de calor entre chapa quente e a pastilha de material isolante, como

pode ser observado na figura 12.

Uma massa de 0,20 Kg foi colocada sobre cada amostra, para garantir que a superfície

do isolante esteja em contato com a chapa durante todo o processo, caso contrário, pode

ocorrer da pastilha deformar com o aquecimento, empenando e perdendo o contato com a

chapa.

Figura 12: Detalhes da acomodação do corpo de prova sobre a chapa aquecedora

Chapa quente

Temperatura atual da chapa

Temperatura selecionada

Massa de 0,20 Kg

Corpo de prova ensaiado

Papel Alumínio

Chapa quente

Com o intuito de garantir as mesmas condições de aquecimento, todos os materiais

foram ensaiados simultaneamente. Um teste prévio com um psicômetro mostrou que a

superfície da chapa aquece de forma uniforme. Para o aumento da temperatura adotou-se um

incremento de 5 ºC, sendo o primeiro valor a temperatura ambiente de 25 ºC. Após dado o

incremento, é aguardada a estabilização da temperatura. Em seguida cada um dos 20 corpos

de prova é levantado para verificar se a superfície de contato destes se encontra queimada ou

não. Se estiver queimada, ele é retirado do sistema, caso contrário, ele permanece. Após

observar todos, é dado mais um incremento de 5 ºC, repetindo assim todo o procedimento até

que não reste mais nenhum corpo de prova sobre a chapa aquecedora.

3.4 ENSAIO DE DESEMPENHO TÉRMICO

O Aparato experimental descrito a seguir se baseia no utilizado por Costa (2003),

Medeiros (2004), Ferreira (2004) e Costa (2004b), pois este experimento já mostrou que pode

ser empregado na análise de desempenho térmico com um bom índice de confiabilidade.

Apenas retomando alguns os trabalhos já discutidos na revisão bibliográfica, foi visto

que Medeiros (2004) analisou o desempenho térmico de placas de EPS pós-consumo e que

Costa (2004b) realizou análises de desempenho das mantas da fibra da casca de coco. Ferreira

(2004) em sua Dissertação de mestrado avaliou a eficiência do composto látex-fibra de coco.

Foram construídos dois modelos em madeira de dimensões 0,50 x 0,50 x 0,50 m

(simulando um cômodo de uma residência), cujas paredes externa e interna foram revestidas

de tinta branca, exceto na base interior que foi pintada de preto fosco.

Logo, os corpos de prova para o ensaio de desempenho térmico possuem o formato de

placas, para que encaixem sem folgas nas câmaras de desempenho. Para isso, moldes em

MDF foram construídos no Laboratório de Física do CEFET-RN, com as dimensões de 0,50

m x 0,50 m x 0,04 m (Figura 13).

Figura 13: Construção dos moldes e suas dimensões

As formas foram revestidas com material plástico, com o intuito de evitar à aderência

do compósito as paredes e ao fundo do recipiente. O molde possui um volume total de 10

litros. Segundo os fabricantes da Resina (PROQUINOR, 2007) a resina expande cerca de 10

vezes, sendo então necessário preparar uma mistura de 1 litro em volume para alcançar o

volume total da placa. Sabendo que a relação da resina é de 1 parte do componente A para

1,63 partes do componente B, temos uma relação massa (tabela 8), a partir da relação do

volume:

Tabela 8: Proporção em massa dos componentes dos corpos de prova – Desempenho Térmico

Material Componente A Componente B Vermiculita Massa Total

Matriz 292 g 608 g ---- 900 g

10% de Carga 262 g 548 g 90 g 900 g

15% de Carga 248 g 517 g 135 g 900 g

20% de Carga 235 g 485 g 180 g 900 g

Os corpos de prova, conforme as proporções acima, foram produzidos no Laboratório

de Química do CEFET-RN, onde adotou-se o seguinte procedimento (figura 14):

Figura 14: Etapas da confecção dos corpos de prova de desempenho Térmico

1 2

4 5 6

7 8 9

Segundo instruções do fabricante da resina, primeiro pesa-se o poliol (componente A),

logo em seguida é acrescida a massa de vermiculita do compósito. O Isocianato (componente

B) reage com o grupo hidroxila, que também se faz presente na água no interior da

vermiculita, por isso a vermiculita é misturada e homogeneizada junto ao poliol. Após a

pesagem do isocianato, este é acrescido a pré-mistura, que é homogeneizada até o início da

reação de expansão. Após completa, a mistura é inserida no molde, onde expande livremente

até concluir o processo de cura da resina.

Após a inserção da mistura sobre os moldes, são aguardadas 24 horas para ser efetuada

a desmoldagem das placas (Figura 15). Ao serem retirados, os corpos de prova ainda passam

por um rápido acabamento em suas bordas para melhor adequação às câmaras de

desempenho.

Figura 15: Desmoldagem: desmontagem do molde e retirada do material de revestimento

Também foi confeccionada uma placa de testes constituída do Poliuretano

Petroquímico, produzida seguindo procedimentos semelhantes, já que este material, em seu

formato comercial é aplicado como um adesivo spray expansivo. Logo, a espuma de

poliuretano petroquímico foi aplicada na placa, devidamente revestida (Figura 16). Deste

ponto em diante são adotados os mesmos procedimentos. Após 24 horas é feita a

desmoldagem e acabamento das bordas.

Figura 16: Aplicação da espuma de poliuretano petroquímico para confecção de corpo de prova para

ensaio de desempenho térmico.

As mantas de lã de vidro e lã de rocha, como não são moldáveis, receberam cortes nas

dimensões correspondentes às placas (figura 17). Também foi necessário unir mais de uma

manta da lã de vidro, para que esta possuísse a espessura mínima de 0,04 m, respeitando os

limites impostos pelas dimensões da câmara de desempenho.

Figura 17: Corte das lãs de vidro e de rocha

Após estas etapas, os corpos de prova estão prontos para o ensaio de desempenho

térmico. Como já mencionado, foram ensaiados as placas de material compósito na proporção

de 10%, 15% e 20%, as mantas de lã de vidro e lã de rocha, o poliuretanos derivado do óleo

de mamona e o poliuretano derivado do petróleo (Figura 18).

Figura 18: Corpos de Prova para ensaio de Desempenho térmico: Compósito 15% (a); Compósito 10%

(b); Compósito 20% (c); Poliuretano de Petróleo (d); Poliuretano de Mamona (e); Lã de Rocha (f); Lã

de vidro(g)

As câmaras de testes foram instrumentadas com termopares e submetidas a uma fonte

de radiação térmica artificial composta de um banco de 15 lâmpadas incandescentes, com

potência total de 3000 W.

Como cobertura utilizou-se uma placa de aço com espessura 6,7 mm pintada de preto

fosco, com o objetivo de maximizar os efeitos da radiação térmica e distribuir igualmente o

gradiente de temperatura sobre o material-teste. Para suportar a placa de aço foi utilizada uma

placa de MDF (Medium Density Fiber) com espessura de 4,0 mm

Os termopares foram fabricados no próprio Laboratório de Transferência de Calor –

NIT- UFRN, onde foi utilizada a bancada de fabricação de termopares (figura 19). Foram

construídos oito termopares tipo T (cobre-constantan) calibre 24 (bitola de 0,51mm) com

revestimento em PVC.

(a) (b) (c)

(g) (f) (e) (d)

Figura 19: Bancada de Fabricação de Termopares - LTC: (a) Fonte ajustável; (b) Banco de

capacitores; (c) Ferramenta de solda; (d) Microscópio; (e) Termopares; (f) Tubulação de gás. Fonte:

Costa (2004)

Após confecção, os termopares foram calibrados. Os valores de temperatura média,

desvio padrão e incerteza obtida na calibração encontram-se no Apêndice A.

A posição dos termopares foi a seguinte: Um sobre o centro da placa de Aço, ou seja,

logo acima do material isolante que está em análise. Ensaios prévios com um psicômetro

mostraram que a temperatura sobre a placa de aço é uniforme, devido incidência homogênea

de radiação sobre as câmaras de desempenho. O segundo termopar se localiza abaixo da placa

de MDF, que simula um forro de uma residência. Assim podemos coletar dados de

temperatura na parte interna do forro (aquela que está voltada para o ambiente). O próximo

termopar se localiza exatamente no meio do ambiente (interior da caixa) medindo assim a

temperatura no interior. Por fim, tem-se um termopar no piso do aparato, no interior do

ambiente. Este deve ser o último a sofrer os efeitos do aquecimento no interior da Câmara

(figura 20).

Figura 20: Distribuição dos termopares nas Câmaras de desempenho

Para fixação dos termopares, utilizou-se uma mistura de oxido de cobre e araudite,

com tempo de cura de 24 horas. Tal mistura não é condutora de eletricidade e também não

sofre com os efeitos das temperaturas mais altas atingidas pelo sistema de medição. Dessa

forma o termopar permanece bem fixado durante todo o processo.

Os termopares, depois de distribuídos em suas posições, são conectados a uma placa

de aquisição de dados, que realiza medições de temperatura em cada ponto de medição (em

cada termopar). São feitas medições em duas câmaras simultaneamente, por isso o sistema foi

configurado para gravar os valores de temperatura de oito termopares. O intervalo de registro

de medições pode ser ajustado, para este trabalho utilizou-se um intervalo de um minuto,

durante um tempo de medição de 12 horas. Após esse tempo de medição, o ambiente onde se

encontram as câmaras é submetido a sistemas de refrigeração com ar condicionado, para que

dessa forma o sistema de medição resfrie até atingir novamente a temperatura ambiente, e

assim repetir os ensaios. Cada material é ensaiado três vezes. Para a análise, foram tomados

os dados coletados pelo microcomputador, e gerados gráficos (Resultados) comparativos, para

analise das curvas de desempenho (aquecimento) de cada um dos materiais. Os valores

tomados são os valores médios entre as três aferições realizadas em cada material.

Placa de aço

Isolante

Placa de MDF

Ambiente

Piso da câmara

4 - RESULTADOS

4.1 ENSAIO PROPRIEDADES TÉRMICAS

Conforme a metodologia, as propriedades térmicas dos materiais foram mensuradas

utilizando o Quick-line 30 (Figura 9), do Laboratório do GGEMMA. Uma sonda em forma de

agulha (0,15 m) foi inserida nos materiais a serem analisados. Após algumas horas de análise

o equipamento nos fornece valores de condutividade Térmica, difusividade Térmica e Calor

específico do material analisado.

A tabela 9 expressa os valores médios das propriedades medidas. Os valores medidos,

bem como o desvio padrão e a incerteza nas medições encontram-se no apêndice B.

Tabela 9: Valores de propriedades térmicas dos materiais

Material

Condutividade

W/m°C

Calor Específico

J/m³°C

Difusividade

m²/s

Poliuretano (PU) 0,0484 0,079 0,620

Poliuretano Mamona 0,0406 0,112 0,362

Compósito 10% 0,0404 0,090 0,440

Compósito 15% 0,0365 0,075 0,489

Compósito 20% 0,0353 0,082 0,427

Lã de Rocha

0,0360 0,084 0,480

Lã de Vidro

0,0450 0,070 0,640

A partir desta tabela, pode-se observar que o aumento na proporção de vermiculita no

material compósito implica em uma redução na condutividade do material,

As condutividades dos compósitos também se aproximam bastante da condutividade

expressa pelas mantas isolantes, chegando a ser inferior a lã de rocha (compósito 20%).

Embora todos possuam uma condutividade inferior a lã de vidro, nenhum possui um calor

especifico compatível com esta, que por sinal é o menor entre os expressos pela tabela 9.

Um outro ponto importante, já constatado em pesquisas anteriores (BORGES, et al,

2007) é a grande diferença entre a condutividade do poliuretano de mamona e do poliuretano

de petróleo obtida por um ensaio comparativo entre as resinas poliuretano. Esta diferença

(praticamente 20 %,) evidencia que é bem mais acentuado o fluxo de calor através do PU. Em

Mendes (2004)

Ordenes (2003)

compensação, a mamona possui uma inércia térmica muito alta, possuindo um calor

especifico 40% mais alto que o PU. Tal característica foi herdada pelo material compósito,

que apresenta valores relativamente altos de calor especifico.

4.1.1 Massa específica

Após as medições de propriedades térmicas, os corpos de prova foram cortados em

forma de prismas retangulares, para a medição de sua massa especifica. O formato retangular

contribui para uma melhor medição do volume do material analisado. Os corpos de prova

foram cortados no laboratório de Física do CEFET-RN, e em seguidas pesados no Laboratório

de Química do CEFET-RN, empregando uma balança eletrônica com precisão de ± 0,5 mg.

O valor da massa especifica é fator fundamental na relação entre calor especifico e

capacidade calorífica. De forma geral, materiais com baixa massa específica apresentam

também uma baixa condutividade, o que é uma característica fundamental para um bom

isolante térmico. Os materiais compósitos apresentaram uma massa especifica bem abaixo da

matriz de poliuretano de mamona (tabela 10).

Tabela 10: Massa específica dos compostos. Corpos de prova após medição de propriedades térmicas.

Material Massa especifica

Matriz

0.0400 g/cm³

Compósito 10%

0.0390 g/cm³

Compósito 15%

0.0294 g/cm³

Compósito 20%

0.0285 g/cm³

Como já visto, o aumento da quantidade de vermiculita implica na redução da

condutividade térmica. O que se pode reafirmar ao observar que à medida que aumenta a

proporção de vermiculita no compósito, ocorre uma redução de densidade, que será discutida

mais a diante.

4.2 ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO CALOR

Conforme o procedimento descrito na metodologia, os copos de prova, sujeitos a

pressão de uma massa de 0,20 Kg, foram acomodados sobre uma chapa aquecedora, tendo

uma folha de papel alumínio entre a interface isolante-chapa. No total, têm-se 20 corpos de

(a)

prova, para os quatro materiais analisados (Poliuretano de mamona sem carga e com carga de

vermiculita nas proporções 10%, 15% e 20%), sendo possível observar esse sistema pronto

para iniciar o ensaio de resistência na figura 21.

Figura 21: Corpos de prova sendo ensaiados quanto a resistência ao calor

A temperatura da chapa se elevou gradualmente em incrementos de 5ºC até que fosse

possível identificar traços de degradação na superfície da amostra. Nenhum sinal de

queimadura ou degradação térmica foi observado até a marca dos 95 ºC. Porém, a partir de

100 ºC, já se tornou possível identificar danos térmicos na superfície de um dos corpos de

prova do compósito 20%, que foi o primeiro a ser retirado do sistema de medição. A partir de

então, a cada novo incremento de 5 ºC, mais amostras foram retiradas, até sobrar apenas

corpos de prova do poliuretano de mamona, que atingiram valores de até 130ºC sem

apresentarem marcas de danos devido a alta temperatura. Na figura 22, são mostrados os

corpos de prova, com destaque da superfície que ficou sujeita a aquecimento.

Figura 22: Superfície de contatado queimada dos corpos de prova após atingirem a temperatura limite

de resistência ao calor.

Os primeiros a sofrerem com os efeitos de temperaturas excessivas foram os

compósitos 20% e Compósito 15%. Como já comentado, a densidade caí a medida que

incorporamos vermiculita (tabela 10). Essa baixa densidade colaborou para a redução da

temperatura máxima suportável pelo material. Em contra partida, à medida que a matriz é

queimada, aumenta-se a quantidade de vermiculita na superfície de contato do material, já que

esta não sofre nenhum dano a essa temperatura, sendo praticamente incombustível.

Aparentemente, o fato de haver vermiculita como carga deve reduzir a propagação do calor ao

longo da amostra, evitando que camadas mais internas sejam afetadas. Isso se evidencia ao

observar que a profundidade da queimadura no poliuretano sem carga foi bem maior que nos

materiais compósitos.

Em fim, o melhor resultado observado foi a da matriz sem carga de vermiculita. Na

tabela 11 encontram-se os resultados obtidos a partir da média de temperatura dos cinco

corpos medidos para cada material. Os valores de temperatura de cada amostra, bem como os

desvios padrão e incerteza das medições se encontram no Apêndice C.

Tabela 11: Média das temperaturas máximas de uso para os materiais compósitos e matriz sem carga

PU de Mamona Compósito 10% Compósito 15% Compósito 20%

Temp. Max (ºC) 129 120 109 105

4.3 ENSAIO DE DESEMPENHO TÉRMICO

Os ensaios de desempenho térmico foram realizados em câmaras de desempenho, com

temperaturas monitoradas por computador, conforme descrito em Metodologia. Cada placa de

material foi submetida ao aquecimento artificial por um período de 12 horas de medição,

durante o turno noturno. Todas as medições foram repetidas três vezes, iniciando sempre às

18 horas, sendo então encerradas ás 6 horas da manhã do dia seguinte.

Inicialmente apresentam-se os resultados dos isolantes convencionais: Lãs de vidro e

de Rocha e os Poliuretanos Petroquímico e o derivado da mamona para cada um dos quatro

pontos analisados nas câmaras de desempenho. As curvas caracterizam o comportamento

térmico destes isolantes durante o período de aquecimento por radiação térmica, semelhante a

carga solar incidente sobre fachadas e principalmente sobre coberturas.

Logo em seguida é possível observar os resultados obtidos dos ensaios com o isolante

compósito com as cargas de 0%, 10%, 15%, 20% em massa. Tais resultados devem se

aproximar ao máximo do desempenho obtido pelos isolantes convencionais. Lembrando que

os resultados expressam as médias das três medições realizadas e que os resultados de cada

uma das medições por termopar e material se encontram no Apêndice D.

4.3.1 Isolantes convencionais

As mantas sintéticas lã de vidro e lã de rocha foram acomodadas nas câmaras de

desempenho térmico, sob a espessura padrão de 0,04 m. Lembrando que dois materiais são

ensaiados por vez. Sendo assim, a Lã de vidro e lã de rocha foram submetidas ao ensaio

térmico simultaneamente. Vale salientar que essas lãs são amplamente empregas como

isolantes térmicos, sendo utilizadas em inúmeras aplicações.

Após a série de medições das lãs, foram analisados os valores de temperatura

referente às placas do poliuretano petroquímico e do poliuretano de mamona. Os primeiros

valores de temperatura são coletados sob a placa de aço, acima do material isolante. Os

termopares empregados foram o Termopar 03 (Lã de Rocha e Poliuretano petroquímico) e o

Termopar 07 (Lã de vidro e Poliuretano de mamona). Esta placa tem por objetivo distribuir o

calor incidente de forma homogênea sobre a superfície do material isolante, bem como evitar

que haja transferência de calor entre a superfície do material isolante e o ambiente ao redor.

Os resultados obtidos apontam um aquecimento da placa maior para as poliuretanas, em

relação ao aquecimento obtido nas lãs sintéticas (Figura 23)

Isolantes convencionais - Temperatura sob Placa

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

Temp.(ºC)

Mamona

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Figura 23: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais sob placa de aço obtidas a partir da

câmara de análise de Desempenho Térmico.

Tanto as placas de poliuretano como as lãs possuem uma grande quantidade de

espaços vazios em seu interior. Porém, após a fabricação, tem-se uma homogeneidade nas

superfícies das placas, aumentando a sua área de contato. Um corte realizado em qualquer

sentido revela a porosidade do material. O ar fica preso nestes poros, dando ao material

características como baixa condutividade e baixa massa especifica. Já as lãs, embora sejam

tão “porosas” quanto às placas, não possuem poros localizados, mas sim espaços vazios entre

as suas fibras sintéticas, que podem se estender ao longo do material, reduzindo a área de

contato, o que é bom para um material isolante. Tal característica pode proporcionar pequenas

correntes convectivas no interior do isolante (figura 24).

Figura 24: Esquema da taxa de transferência de calor do sistema MEIO–PLACA–Material Isolante

Respeitando o principio de conservação da energia, de todo o calor que incide apenas

uma parte é absolvido pelo material, enquanto outra parte é refletida, devido a resistência

térmica do isolante. Essas são as temperaturas sobre o material isolante, logo, um material

isolante com uma maior área de contato e com maior resistência térmica (ou menor

condutividade) força a placa a manter uma taxa de transferência de calor também para o meio,

através da convecção. Por exemplo, A condutividade térmica da lã de vidro possui

aproximadamente um valor médio entre as condutividades do Poliuretano de Petróleo e o de

Mamona (tabela 9).

Essa taxa de transferência de calor no sentido do material isolante é dependente da

temperatura acima da placa, da condutividade do material e da espessura deste (40 mm), de

acordo com a equação 01. Como já mencionado, além do isolante, existe também um forro

em MDF de 4 mm de espessura, que simula um forro de uma residência, como também serve

de base para apoiar o corpo de prova em análise. O termopar

abaixo desse forro registra as

temperaturas da face superior interna da câmara de desempenho (figura 25). É equivalente a

um termopar no teto de nossas casas.

Isolantes convencionais - Temperatura sob MDF

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

Temp.(ºC)

Mamona

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Figura 25: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais sob forro de MDF.

De acordo com os dados, o material que apresentou o melhor isolamento térmico foi a

lã de rocha, seguida pela lã de vidro e pelo poliuretano de mamona, sendo o poliuretano de

petróleo o isolante que obteve o pior desempenho. Resultados semelhantes foram obtidos em

outros trabalhos, ao se comparar as propriedades térmicas dessas duas resinas (BORGES,

BEZERRA e MARINHO, 2007) e ao se verificar o desempenho térmico das lãs isolantes em

comparação as lãs sintéticas em aplicações para isolamento térmico de coberturas (BORGES,

OLIVEIRA NETO e MARINHO, 2008).

Termopar 02: Lã de Rocha e Poliuretano de Petróleo; Termopar 06: Lã de vidro e Poliuretano de Mamona

Como o Poliuretano de petróleo é o material que apresenta a maior condutividade

entre os quatro ensaiados (0,0484 W/mK ), é de se esperar que este permita uma maior taxa de

transferência de calor por condução. O mesmo é valido para a lã de rocha, que apresenta uma

condutividade (0,0360 W/mK ) bastante baixa, justificando a curva com menor aquecimento

em relação a lã de vidro (0,0450 W/mK) e o poliuretano de mamona (0,0406 W/mK).

A partir desse ponto o “teto” passa a atuar como a fonte da calor no interior da câmara

de desempenho térmico. De agora em diante o processo de transferência de calor ocorre por

convecção no interior da câmara. Como o ar aquecido já esta na parte superior do cômodo,

este processo se torna mais lento via convecção natural. Em geral, são mantidos os mesmos

perfis de aquecimento para o termopar

distribuído exatamente no centro da câmara, ou no

“meio” que simula o ambiente interno (Figura 26).

Isolantes convencionais - Temperatura Meio

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

Temp.(ºC)

Mamona

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Figura 26: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais para temperaturas no interior da câmara

de desempenho térmico.

O poliuretano de mamona permanece com o maior aquecimento, e a lã de rocha

permanece com a menor temperatura no interior do ambiente, sendo o poliuretano de mamona

e a lã de vidro as curvas de desempenho de comportamento médio. O mesmo se repete com o

termopar

fixado no piso interno da câmara. Este é o último a sentir os efeitos do aquecimento

da fonte de radiação, por isso a suas curvas de temperatura apresentam valores inferiores as

do meio ensaiado (Figura 27), embora essa diferença seja bastante pequena.

Termopar 01: Lã de Vidro e Poliuretano Petroquímico; Termopar 05: Lã de Rocha e Poliuretano de mamona

Termopar 00: Lã de Vidro e Poliuretano Petroquímico; Termopar 04: Lã de Rocha e Poliuretano de mamona

Isolantes convencionais - Temperatura Piso

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

Temp. (°C)

Mamona

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Figura 27: Curvas de aquecimento para temperaturas na face inferior interna da câmara (piso) de

desempenho térmico

O poliuretano de mamona possui um valor intermediário entre a lã de rocha e o

poliuretano de petróleo, respectivamente o melhor e pior isolante entre os analisados nesta

pesquisa. Como a matriz do material compósito aqui estudado é este poliuretano vegetal,

espera-se que a incorporação de cargas de vermiculita possa aumentar a sua capacidade de

isolamento térmico, o que já foi mostrado pelos resultados obtidos nas medições de

propriedades térmicas (tabela 9). Ou seja, quanto mais o comportamento do material

compósito se aproximar da Lã de rocha, melhor será para sua aplicabilidade como material

isolante.

4.3.2 Compósitos

O material compósito, como já citado, foi moldado em placas (0,50x0,50x0,04)m

confeccionado nas proporções de 10%, 15% e 20% (tabela 8) em massa do mineral

vermiculita em uma matriz de poliuretano natural, derivado do óleo de mamona. A matriz

obteve um bom resultado como isolante térmico, sendo uma opção intermediaria entre os

materiais analisados até então.

Os resultados a seguir repetem os já mostrados resultados do poliuretano de mamona.

Eles foram inseridos visando mostrar a evolução no comportamento térmico do material em

relação à matriz sem nenhuma carga atribuída (0%).

Seguindo a mesma metodologia, podem-se observar os resultados obtidos para o

termopar

fixado na parte inferior da placa de aço, logo acima do material compósito. Todos

obtiveram um desempenho melhor a matriz sem carga, apresentando menores valores de

temperatura em suas curvas de aquecimento (Figura 28)

Compositos - Placa

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

Temp. (ºC)

Mamona

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp.20%

Figura 28: Curvas de desempenho dos compósitos sob placa de aço obtidas a partir da câmara de

análise de Desempenhos Térmicos.

Como já mencionado, a vermiculita ao ser aquecida expande-se, aumentando de

volume em torno de 25 vezes. Tal mineral se expande semelhante a um leque, formando

várias lamelas. Geralmente têm-se água nessa região interlamelar. Durante a reação poliol-

isocianato, para formar o poliuretano, as hidroxilas do poliol regem com o isocianato,

formando dentre outras coisas, gás carbônico que é o grande agente da expansão da resina. É

essa liberação de gás carbônico que gera bolhas de ar no interior do material. A molécula de

água presente na vermiculita também reage com o isocianato contribuindo para a formação de

. Como perdeu água, o que resta na região interlamelar é um grande espaço vazio,

provavelmente preenchido com o gás da reação. Dessa forma têm-se um grande aumento de

espaços vazios (evidenciado pela diminuição da condutividade) e, por conseqüência, redução

da massa específica do material o que melhora a capacidade de isolamento térmico do

material compósito. Esta fato pode ser melhor visualizado tomando os valores presentes na

figura 29.

Termopar 03: Compósito 10% e Compósito 20%; Termopar 07: Compósito 15%

Composito - MDF

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

TempºC

Mamona

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp.20%

Figura 29: Curvas de desempenho dos isolantes convencionais sob forro de MDF.

Após a transferência de calor por condução, podemos perceber que o material

compósito apresentou uma resistência térmica bem superior a sua matriz de poliuretano de

mamona, com curvas de desempenho térmico bem abaixo do padrão sem carga. O que

apresentou um melhor comportamento foi o compósito a 20% de vermiculita. Este é o que

possui, dentro os materiais compósitos, a menor condutividade (0,0353 W/m.k), seguido pelo

compósito a 15% de vermiculita (0,0365 W/m.k) e o compósito a 10% de vermiculita

(0,0404). Este último possui uma condutividade praticamente igual ao poliuretano de mamona

(0,0406 W/m.k). Logo a princípio pode-se notar que quando maior o percentual de

vermiculita, menor valores de condutividade podem ser atingidos.

Os resultados obtidos pelos termopares no meio (figura 30) e no piso (figura 31)

confirmam a proporcionalidade entre a razão de vermiculita e a resistência térmica do

material, mantendo sempre os menores valores de temperatura para o compósito 20% e os

maiores para o compósito 0% (matriz sem carga).

Composito - Meio

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

TempºC

Mamona

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp.20%

Figura 30: Curvas de desempenho dos compósitos para temperaturas no interior da câmara de

desempenho térmico

Composito - Piso

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

Temp.(ºC)

Mamona

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp.20%

Figura 31: Curvas de aquecimento para temperaturas na face inferior interna da câmara (piso) de

desempenho térmico

O compósito a 20% têm um comportamento semelhante a lã de rocha. Ao se tomar os

valores encontrados para os termopares situados no meio (figura 30) e no piso (Figura 31) do

ambiente experimental da câmara de desempenho, pode-se notar que o compósito a 20%

permanece obtendo os resultados mais satisfatórios, mantendo os valores mais baixos de

temperatura.

Através do cruzamento dos dados da lã de rocha e do compósito 20%, é possível notar

a semelhança no comportamento desses dois materiais (figura 32).

Comparativo - Lã de Rocha x Composito 20%

0 100 200 300 400 500 600 700 800

tempo (min)

Temp.(ºC)

Lã de Rocha

Composito 20%

Figura 32: Gráfico comparativo entre a lã de rocha e o compósito a 20% em massa de vermiculita

A lã de rocha ainda detém uma pequena vantagem em relação ao isolante compósito,

mas esta diferença é mínima se comparada ao comportamento observado nos outros materiais

isolantes empregados em larga escala.

4.4 ANÁLISE DE CUSTOS

Visto que o material isolante compósito desenvolvido nesta pesquisa pode ser

empregado atendendo níveis de isolante térmico equivalentes a isolantes comerciais, como a

lã de vidro, a lã de rocha e o poliuretano petroquímico, fez-se necessário um estudo a cerca

dos custos envolvidos em uma aplicação comercial do material desenvolvido nesta pesquisa.

Este estudo se viabilidade do isolante compósito foi efetuada em comparação a matriz

de poliuretano de mamona. Analisando inicialmente a matriz sem carga, pode-se chegar a um

custo de R$ 23,00 por quilo de produto. Cada quilo de resina expande até preencher um

volume total de vinte e cinco litros, ou 0,0250 m³ (tabela 12).

Tabela 12: Valor e volume preenchido por um quilo de material compósito

Materiais Custo

(R$/Kg)

Volume

(m³/Kg)

Matriz sem carga 23,00 0,0250

Compósito 10% 25,39 0,0256

Compósito 15% 26,58 0,0340

Compósito 20% 27,78 0,0351

A vermiculita incorporada acrescenta custos ao produto final do compósito. Diante de

uma pesquisa de mercado, a vermiculita expandida, tamanho médio, custa aproximadamente

R$ 46,00 o quilo. Como na tabela 12 são expressos valores de 10%, 15% e 20% de

vermiculita, são incorporados valores de 0,10 Kg, 0,15 Kg e 0,20 Kg, respectivamente.

Lembrando que para cada massa de vermiculita acrescida, têm uma redução equivalente em

resina de poliuretano de mamona. Ou seja, onde se emprega 0,10 Kg de vermiculita, têm-se

sempre 0,90 Kg de resina.

Como já detalhado, a medida que a proporção de vermiculita no compósito aumenta,

diminui-se a densidade do material. Esse fato também é devido ao aumento do volume final

do compósito após a expansão da mistura Poliol+isocianato+vermiculita. Se considerarmos

apenas um quilo dos compósitos têm-se um aumento no volume em relação a matriz sem

carga.

Em alguns casos as necessidades da aplicação tornam indiferente o uso compósito

20% ou usar a matriz sem carga. Nestas situações o usuário não esta interessado na resistência

mecânica superior do poliuretano de mamona ou na baixa condutividade do compósito 20%.

Ele esta interessado apenas em preencher um maior volume com um isolante térmico,

gastando o menos possível com isso. Na tabela 13 estão representados os aumentos

percentuais de custo e de volume preenchido pelos materiais compósitos em relação a sua

matriz sem carga.

Tabela 13: Aumento proporcional de custos e de volume preenchido dos compósitos

Aumento Proporcional Materiais

Custo Volume

Matriz sem carga 0,00% 0,00%

Compósito 10% 10,38% 2,56%

Compósito 15% 15,57% 36,05%

Compósito 20% 20,76% 40,35%

O que se pode observar é que os compósitos com 15% e 20% em massa de

vermiculita, obtêm um aumento de volume preenchido superior ao aumento do custo. Isso

significa que com esses materiais pode-se preencher um espaço até 40% maior, com um

isolante de densidade e uma condutividade bem menor, e pagando apenas 15% a 20% a mais

por isso.

Dessa forma, os compósitos de poliuretano de mamona e vermiculita mostram-se mais

viáveis economicamente que a matriz sem carga, pelo menos quando comparados em função

da relação custo x volume.

5 - CONCLUSÕES

Após a fundamentação sobre o tema, foram produzidos corpos de prova e realizados

os experimentos. Com base nos resultados obtidos, foi possível concluir que:

O poliuretano derivado do óleo da semente de mamona pode, também, ser empregado

como isolante térmico de sistemas construtivos, tais como coberturas e paredes. O seu

desempenho térmico se mostrou comparável a isolantes térmicos comercias, empregados em

larga escala, como a lã de Rocha e a lã de vidro. Em relação a essas lãs, o poliuretano de

mamona se mostrou um material bem mais versátil, já que, diferente das lãs aqui tratadas,

apresenta boa resistência mecânica, além da possibilidade de poder assumir qualquer formato,

já que se trata de uma resina expansiva moldável.

Além do mais, o poliuretano de mamona se mostrou um isolante com um desempenho

bem melhor quando comparado ao seu parente não-renovável, o poliuretano de petróleo (PU).

Neste ponto, a mamona desempenha um papel fundamental, pois se torna um substituiu

biodegradável, de matéria-prima renovável, e com desempenho térmico bem mais eficiente.

Assim como sua matriz (poliuretano de mamona), o compósito desenvolvido apresenta

características que indicam que se trata de um material passível de aplicação como isolante

térmico, sendo a condutividade térmica do material inversamente proporcional a proporção da

massa de vermiculita empregada.

Todas as proporções estudadas (10%, 15% e 20%), apresentaram um desempenho

térmico satisfatório, possuindo uma eficiência melhor que a matriz de poliuretano sem carga,

embora o compósito a 10% mantenha um comportamento mais próximo da matriz, este muito

se aproxima do comportamento da Lã de vidro, que é um isolante amplamente empregado no

mercado. Já o compósito a 20% em massa obteve desempenho compatível a lã de rocha,

alcançando os melhores valores de isolamento entre os sete materiais estudados.

Porém, a melhoria nas propriedades de isolamento térmico implicaram na redução da

resistência ao calor, já que a matriz sem carga suporta temperaturas de até 135 ºC e os

compósitos temperaturas inferiores a esta. O compósito a 20% em massa de vermiculita foi o

primeiro a sofrer os efeitos da alta temperatura, entrando em degradação a pouco mais de

100ºC. Os demais compósitos suportam em temperaturas intermediarias entre 100ºC e 130ºC.

Tal efeito destrutivo pelo calor pode ser justificado pela redução da densidade do

material, que chega a ser 30% menor, justificada pelo aumento do volume expandido após a

cura, já no melhor caso a expansão pode atingir até 40% mais, o que implica em uma redução

no custo, se observada a razão entre o volume preenchido e o valor pago.

Na análise de custos foi possível notar que o material compósito, em relação a matriz,

preenche um volume maior, tomando por referencia um mesmo investimento. Esse fato se

torna evidente para as proporções de 15% e 20%, enquanto a proporção 10% não é tão

eficiente, já que o aumento no custo foi superior ao aumento no volume total preenchido. Até

o momento não é possível ter detalhes da viabilidade econômica de mercado, já que o

material foi comparada apenas com a matriz sem carga.

Em síntese, conclui-se que o material analisado nesta pesquisa atingiu níveis de

isolamento térmico compatíveis com isolantes comerciais, mas com uma capacidade de

expansão superior, a um custo mais baixo e com a vantagem da biodegrabilidade. Em contra

partida massa especifica foi reduzida, da mesma forma que a temperatura máxima de uso, que

atingiu, em média, os 115ºC. Essas características foram mais evidentes nos materiais com

maior concentração de vermiculita.

Tais conclusões culminaram na solicitação do pedido de patente desse novo material

junto ao Instituto Nacional de Produção Intelectual - INPI, por meio do Sistema Integrado de

Gestão de Atividades Acadêmicas – SIGAA, da UFRN. Esta solicitação se encontra no

ANEXO.

Contudo, é imprescindível uma análise mais profunda dos resultados dos ensaios de

medição de propriedades térmicas, propriedades mecânicos e ataques de agentes externos para

que seja possível classificá-lo com material de isolação térmica em uso comercial;

5.1 CONTINUIDADE DA PESQUISA

Embora os resultados apresentados neste trabalho cumpram com os objetivos da pesquisa,

esta não é inacabada, sendo necessárias demais análises em etapas futuras. Dentre elas:

Mesmo tendo resultados sobre os valores de resistência ao calor dos materiais, é

necessária a realização de um ensaio de propagação de chamas, já que a vermiculita é

praticamente incombustível. Este fato pode retardar a propagação das chamas pelo material.

Vale salientar que um isolante não utilizado apenas para evitar que o calor penetra em

dado ambiente. Também é utilizado para evitar que o calor “saia”. Dessa forma pretende-se

realizar ensaios de desempenho térmico em sistemas de resfriamento, como refrigeradores e

outros.

Para compreender melhor a micro-estrutura do compósito e fatores como porosidade,

densidade e aderência carga-matriz, é necessário, inicialmente, uma análise da superfície do

material por meio de imagens de microscopia óptica. Em seguida segue-se um processo de

microscopia eletrônica de varredura, atrelada a ensaios de DRX e FRX nas diferentes fases do

material, se existirem. Tais ensaios podem revelar como a vermiculita realmente interage

com a matriz de poliuretano de mamona. O surgimento de moléculas não presentes

anteriormente na matriz e nem na vermiculita, por meio dos ensaios em raio X, ajudaram a

revelar as possíveis reações químicas entre carga e matriz, e essas novas moléculas são os

produtos dessas reações.

A realização de ensaios mecânicos é necessária para uma melhor determinação das

possíveis aplicações do isolante. Ensaio de compressão, de tração e flexão são

imprescindíveis. Testes de resistência ao impacto, tenacidade a fratura como também uma

análise Térmica Dinâmica Mecânica são essências para delimitar os níveis confiáveis de

esforços possíveis para o material isolante.

Como pretende-se aplicar o material como isolante térmico, é indispensável a

realização de diferentes ataques químicos, exposição controlada a radiação ultra-violeta, testes

de absorção de água e dentre outros ensaios que possam simular as condições ambientais e

usuais que são submetidos as superfícies de um material isolante convencional. Neste caso é

possível até mesmo a utilização do compósito em condições reais de uso, em uma pequena

estrutura monitorada e construída para tal fim.

De posse desses resultados é possível realizar uma análise mais detalhada do material

compósito isolante, e assim definir melhor os seus limites de aplicabilidade e segurança,

tornando possível a sua utilização efetiva como material de isolamento de para edificações,

sistemas térmicos de aquecimento, de resfriamento como também estruturas isolantes como

caixas térmicas, geladeiras e outros.

APÊNDICES

Apêndice A

Calculo da incerteza da medição de temperatura de calibração dos termopares, para

um nível de confiabilidade de 95%:

Distribuição dos termopares:

Termopar 00 e Termopar 04 – Piso interno da Câmara

Termopar 01 e Termopar 05 – Ambiente no interior da Câmara

Termopar 02 e Termopar 06 – Forro de MDF sob material Isolante

Termopar 03 e Termopar 05 – Placa de Aço sobre material Isolante

Termopar 00

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.50

28.60

28.57

0.06

±0.07

60.00 58.00

57.90

58.20

58.03

0.15

±0.17

90.00 86.80

86.60

86.80

86.73

0.12

±0.13

Termopar 01

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.40

28.40

28.50

28.43

0.06

±0.07

60.00 57.30

57.50

57.70

57.50

0.20

±0.23

90.00 86.30

86.40

86.50

86.40

0.10

±0.11

Termopar 02

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.40

28.40

28.50

28.43

0.06

±0.07

60.00 57.80

57.50

57.70

57.67

0.15

±0.17

90.00 86.40

86.40

86.50

86.43

0.06

±0.07

Termopar 03

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.30

28.30

28.40

28.33

0.06

±0.07

60.00 57.30

57.50

57.60

57.47

0.15

±0.17

90.00 86.20

86.10

86.20

86.17

0.06

±0.07

Termopar 04

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.30

28.30

28.40

28.33

0.06

±0.07

60.00 57.60

57.70

57.90

57.73

0.15

±0.17

90.00 86.30

86.10

86.20

0.10

±0.11

Termopar 05

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.30

28.30

28.40

28.33

0.06

±0.07

60.00 57.80

57.70

57.73

0.06

±0.07

90.00 86.40

86.40

86.70

86.50

0.17

±0.20

Termopar 06

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.30

28.30

28.40

28.33

0.06

±0.07

60.00 57.60

57.70

57.60

57.63

0.06

±0.07

90.00 86.10

86.10

86.40

86.20

0.17

±0.20

Termopar 07

temp. Padrão (ºC)

s(t) Incerteza

30.00 28.30

28.30

28.40

28.33

0.06

±0.07

60.00 57.60

57.70

57.60

57.63

0.06

±0.07

90.00 86.30

86.10

86.20

0.10

±0.11

Apêndice B

Calculo da incerteza das propriedades Térmicas dos materiais compósitos, para um

nível de confiabilidade de 95%:

K(condutividade térmica)(w/m.k)

CPs 1 2 3 Média S (k) Incerteza

10% 0.0404 0.0401 0.0407 0.0404 0.0003

±0.0003

15% 0.0376 0.0353 0.0367 0.0365 0.0012

±0.0013

20% 0.0350 0.0354 0.0356 0.0353 0.0003

±0.0003

a(difusividade térmica)*E-6(m²/s)

CPs 1 2 3 Média S(a) Incerteza

10% 0.4550 0.4440 0.4370 0.4453 0.0091

±0.0103

15% 0.5100 0.4660 0.4910 0.4890 0.0221

±0.0250

20% 0.4320 0.4310 0.4190 0.4273 0.0072

±0.0082

ρC(capacidade calorífica)*E+6(J/m³.k)

CPs 1 2 3 Média S (pC) Incerteza

10% 0.0890 0.0900 0.0930 0.0907 0.0021

±0.0024

15% 0.0740 0.0760 0.0750 0.0750 0.0010

±0.0011

20% 0.0810 0.0820 0.0850 0.0827 0.0021

±0.0024

Apêndice C

Calculo da incerteza da temperatura máxima dos materiais compósitos, para um nível

de confiabilidade de 95%:

Resistência ao Calor (ºC)

CP´S

tm S(tm) Incerteza

125.00 125.00 130.00 130.00 135.00 129.00 4.18 ±3.6668

10%

115.00 115.00 120.00 125.00

125.00

120.00 5.00 ±4.3826

15%

105.00 105.00 110.00 110.00

115.00

109.00 4.18 ±3.6668

20%

100.00

105.00

110.00

105.00 3.54 ±3.0990

Apêndice D

Gráficos Obtidos dos resultados de Desempenho Térmico

Temperaturas Médias - Placa aço

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (min)

temper. (ºC)

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Mamona

Poliuretato-PU

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp. 20%

Temperaturas Médias - MDF

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (min)

temper (ºC)

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Mamona

Poliuretato-PU

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp. 20%

Temperaturas Médias - Meio

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (min)

temper. (ºC)

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Mamona

Poliuretato-PU

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp. 20%

Temperatura Média - Piso

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (min)

Temper. (ºC)

Lã de Rocha

Lã de Vidro

Mamona

Poliuretato-PU

Comp. 10%

Comp. 15%

Comp. 20%

APÊNDICE E

Distribuição percentual da graulometria da vermiculita Expandida.

Distribuição granulométrica - Vermiculita

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Abertura da peneira (mm)

P e r c e n tu a l r e tid o

ANEXO

Pedido de Patente

Solicitação do pedido de Patente do Material isolantes desenvolvido nesta pesquisa

REFERÊNCIAS

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