Estudo
da viabilidade TÉCNICA do processamento de resíduos de espuma
flexível de poliuretano por um moinho de facas

Study of the TECHNICAL viability of flexible
polyurethane foam waste processing by a knife mill

Marcio Eduardo Marquez
[email-masked]

Mestre em Tecnologia dos Materiais e Processos Industriais
pela Feevale (Novo Hamburgo/Brasil)

Fabrício Celso [email-masked]

Doutor em Ciências dos Materiais pela UFRGS (Porto
Alegre/Brasil)

Resumo

A necessidade de
encontrar meios para reciclar materiais que até então eram apenas
descartados no meio ambiente traz também a necessidade de conhecermos a
viabilidade de alguns processos em meio industrial, avaliando-os não
apenas financeira, mas também tecnicamente, por meio do uso de
equipamentos de fácil acesso, manuseio e manutenção.
Pensando nisso, este trabalho busca aplicar o processo de
trituração por moinho de facas a espumas flexíveis de
poliuretano, nas quais ainda se percebe carência de estudos em se
tratando de sua redução de partículas por meio de
processos industriais. Com o uso de um moinho de facas, buscou-se moer aparas
da fabricação de assentos sanitários, sendo que a
capacidade do processo e a granulometria final do material triturado foram
quantitativamente avaliados e o fluxo de material bem como a moagem em si,
foram avaliados qualitativamente. Com uma capacidade aproximada de 1 kg/h, uma
granulometria apresentando 46,3% das partículas com dimensões de
2,01 a 4,00mm, fluxo e moagem insatisfatórios, este processo, tal como
estudado neste trabalho, foi considerado ineficiente na busca de
trituração da espuma flexível de poliuretano, mantendo a
necessidade de buscar ainda, em meio industrial, solucionar um problema de
processo de reciclagem deste material.

Palavras-chave: Espuma Flexível
de Poliuretano. Moinho de facas. Capacidade. Granulometria.

ABSTRACT

The need of to find ways to recycle
materials those only were leave on the environment, brings the need in to know
the viability of some processes in industrial scale, evaluating them not just
financially form but technically to, by the use of commun,
and cheaps, and easily maintenece
equipements.Therefore, this paper aims to apply the
grind process by knife mill to flexible polyurethane foams those don’t
has a great variety of studys about their reduction
particle size by processes in industrial scale. Using a knife mill, some foam burrs
from the toilet seat fabrication were grinded, and the process capability, as
much as the material granulometry, were quantitatively measured. The material
flow into the knife mill and the grinder process were qualitatively evaluated.
With a capability around 1 kg/h and a granulometry with 46,3% of the particules size around 2,01 to 4,00mm, and flow, and grind unsatisfactory,
this process, in that way, was considerd inefficient
in find a form of to grind flexible polyurethane foam, and it takes necessary,
in industrial way, to solve a problem for reciclyng these kind of material.

Keywords:
Flexible polyurethane foam. Knife mill. Capability.
Granulometry.

1 Introdução

A poluição causada por resíduos industriais tem
gerado grande impacto ambiental o que leva a frequentes estudos de maneiras
diferentes de reaproveitamento e reciclagem dos mesmos. Para tanto, é
necessário que além de estudos em meio laboratorial, sejam
necessários estudos de viabilidade técnica, uma vez que, o que
torna um processo factível, em meio industrial, é sua
complexidade, sendo que quanto mais complexo e dispendioso, menor sua
probabilidade de ser absorvido pela indústria.

Dentro deste cenário, levanta-se a necessidade de estudos voltados
para experimentos que visam as aplicações em meio industrial,
focando nos equipamentos que normalmente as empresas possuem em suas áreas
de manufatura e a forma como o processo se comportará na busca pela transformação
física dos resíduos, habilitando estes para um novo processamento
e, finalmente, reduzindo ou até mesmo eliminando um resíduo
industrial, potencialmente nocivo para o meio ambiente.

2 REVISÃO DA LITERATURA

Os poliuretanos foram desenvolvidos primeiramente pelo
alemão Otto Bayer em meados da década de 1930, primeiramente com
o intuito de substituir a borracha. Hoje, este material é cada vez mais
aplicado em soluções diversas para a humanidade, tais como componentes
para tintas, peças para a indústria automotiva, brinquedos,
equipamentos esportivos, industriais, soluções para construção
civil, como isolamentos térmico e/ou acústico e também no
segmento de conforto, principalmente como colchões, travesseiros e
assentos (VIEIRA et al., 2018).

Segundo Simón et al. (2018), o poliuretano hoje é o 6º
polímero mais consumido no mundo, com 18 milhões de toneladas
produzidas por ano e, segundo Singh et al.
(2019), pouco mais de 50% desta produção é de espuma
flexível.

Os poliuretanos são oriundos da reação entre um poliol, que pode ser poliéter
ou poliéster, como, por exemplo, um monômero contendo hidroxila reativa
(um diálcool ou um álcool com mais de
dois grupos hidroxilas reativos), como um polipropileno glicol (PPG), politetrametileno glicol (PTMG); com diisocianato
ou um isocianato polimérico, como, por exemplo,
diisocianato difenilmetano
(MDI) ou tolueno diisocianato (TDI), na
presença de catalisadores e aditivos, especialmente prolongadores de cadeia
(NIKJE et al., 2011).

Devido a estas características de obtenção do
poliuretano, ele torna-se um polímero termofixo,
o que lhe confere a impossibilidade de ser reciclado por meio de transformações
que envolvam uma nova fusão, como os meios utilizados para os
termoplásticos (CARMO et al.,
2020).

Conforme Suleman et al. (2014), as espumas de poliuretano se classificam em dois
tipos, as espumas rígidas e as flexíveis, que se diferenciam
primeiramente pela estrutura de suas células, que são abertas nas
flexíveis e fechadas nas rígidas, sua apresentação
mecânica, em termos de rigidez e, consequentemente, suas
aplicações, onde as espumas flexíveis são para
aplicações em colchões, assentos e travesseiros e a espuma
rígida para isolamentos tanto térmicos quanto acústicos.

No processo para
obtenção de espumas de poliuretano, os resíduos fazem-se
presentes de maneira praticamente inevitável, uma vez que a
reação gera uma expansão do material, e se pretende que ele
preencha espaços vazios (moldes ou peças ocas) que contêm
apenas o ar interno, que vai sendo pressionado com o avanço da espuma.
Para promover um bom preenchimento, alguns pontos geralmente permanecem abertos,
permitindo um vazamento da espuma para posterior fechamento. Mesmo processos
eficientes apresentam um índice de resíduo de 3% a 5%, sendo que
os processos mais artesanais podem apresentar 5% a 15% de resíduos (FÓRUM
INTERNACIONAL DE RESÍDUOS SÓLIDOS, 2016).

Estes resíduos do processo que, de alguma forma são descartados
pelas empresas, geram um grande problema ambiental que traz consigo
questões regulatórias, as quais, todos os países devem
obedecer acerca de seus resíduos e que se não obedecidos em
conformidade impactam também nos custos de fabricação,
seja através de adequações ambientais ou até
sanções aplicadas por órgãos responsáveis, e
que tem origem, basicamente, no esgotamento dos aterros (ZIA et al.,
2007).

Sendo assim, novas soluções em reciclagem estão
sendo buscadas para solucionar este problema que cresce assim como o consumo do
poliuretano. Segundo Post et al.
(2019) os termofixos, como o poliuretano, apesar de
terem suas ligações cruzadas que limitam sua reciclabilidade,
podem ser reciclados de forma mecânica, térmica ou química.
Porém, de forma geral, isto requer muita energia e não se chega a
matéria prima de origem, sendo então recomendado que esta
família de materiais, no pós consumo, seja aplicado como carga,
fibra ou substrato, como forma de reciclagem ou reaproveitamento.

Dentro de um contexto geral,
o método mais comum de reciclagem de polímeros é a
reciclagem mecânica (SANTOS, 2019; YANG et al., 2012), que consiste basicamente na granulação
em partículas passíveis de reprocessamento, sendo que moinhos
são os equipamentos mais comuns e também aplicados com maior frequência.

Na tabela 1, é
apresentada a literatura encontrada nesta pesquisa, que serviu como base de
conhecimento sobre a reciclagem de espumas de poliuretano assim como
comparações de resultados.

Tabela
1 - Autores, tipos de espuma, reciclagem e equipamentos utilizados.

Autores

Tipo de espuma

Tipo de reciclagem

Equipamento

REVJAKIN et al., 2000

Rígida

Mecânica

Não informa

BECKER, 2002

Rígida

Mecânica

Moinho analítico

ROSA et al., 2003

Elastômero

Mecânica

Moinho

LUCKMANN, 2005

Rígida

Mecânica

Trado

PAGLICAWAN et al., 2007

Rígida

Mecânica

Moagem criogênica

BOM, 2008

Rígida

Mecânica

Não informa

MOUNANGA et al., 2008

Rígida

Mecânica

Não informa

FRAJ et al., 2010

Rígida

Mecânica

Não informa

DATTA et al., 2011

Não informa

Mecânica

Não informa

LOPES; BECKER, 2012

Rígida

Química

Lixa

PEREIRA, 2012

Rígida

Mecânica

Não informa

FERNANDES, 2013

Flexível

Mecânica

Aglutinador

PARK et al., 2015

Não informa

Química

Não informa

FÓRUM INTERNACIONAL DE
RESÍDUOS SÓLIDOS, 2016

Rígida

Mecânica

Moinho de duplo rolo

PINTO et at., 2017

Rígida

Mecânica

Moinho

STELLER et al., 2017

Rígida

Mecânica

Moinho de duplo rolo

ULIANA, 2018

Não informa

Química

Moinho

VIEIRA et al.,2018

Não informa

Mecânica

Esmeril

CARMO et al., 2020

Rígida

Mecânica

Não informa

Fonte: Elaborado pelo autor (2020)

Como granular o material
é de suma importância para seguimento dos processos de reciclagem,
cabe salientar que a característica física dos materiais a serem
moídos é extremamente relevante, isto se mostra por meio dos
estudos publicados sobre reciclagem de poliuretanos, sendo que se encontra na
literatura, uma grande quantidade de trabalhos com reciclagem de espumas
rígidas de poliuretano (FÓRUM INTERNACIONAL DE RESÍDUOS
SÓLIDOS, 2016; BOM, 2008; BECKER, 2002; LUCKMANN, 2005; CARMO et al., 2020; PEREIRA, 2012; PINTO et
at., 2017) ou então perfis extrusados de
poliuretanos (ROSA et al., 2003) que são
flexíveis mas não espumas.

Sendo assim torna-se
importante uma análise sobre eficientes formas de
granulação de espumas flexíveis de poliuretano, uma vez
que este tipo de espuma não apresenta características
mecânicas favoráveis para granulação e acabam sendo
trituradas de forma experimental para reciclagem química (LOPES; BECKER,
2012; ULIANA, 2018; SPIANCÉ; PAOLI, 2004) ou por meio de equipamentos
menos comuns, como aglutinador (FERNANDES, 2013) ou trado (BECKER, 2002).

Portanto, o objetivo deste
trabalho é utilizar resíduos de processo de
fabricação de assentos sanitários, que são
classificados dentro dos tipos de poliuretano como espumas flexíveis, em
um processo de granulação por meio de moinho de facas e analisar quantitativa
e qualitativamente o resultado deste processo por meio de sua capacidade, granulometria
do material pós moagem, fluxo do material e a moagem em si, para posteriormente
possibilitar futuras aplicações, como por exemplo, carga em
materiais termoplásticos para processos de injeção ou
sopro.

O interesse pela capacidade
do processo de moagem do poliuretano justifica-se pela possibilidade de
industrialização do mesmo, onde a viabilidade técnica
é de suma importância para a concretização deste. Diversos
autores (LUCKMANN, 2005; CARMO et al.,
2020; PARK et al., 2015; VIEIRA
et al.,2018; BOM, 2008; REVJAKIN et
al., 2000; PINTO et al., 2017) apresentam,
em seus trabalhos, como o processo de moagem ocorreu, porém sem
explanações detalhadas sobre o resultado particular deste
processo.

Já alguns outros
autores abordam, em seus trabalhos, a trituração dos
resíduos de poliuretano, porém com processos distintos ao
proposto neste trabalho, como, por exemplo, o processo de aglutinação
(FERNANDES, 2013), moagem com moinho analítico (LOPES; BECKER, 2012),
uso de esmeril (VIEIRA et al.,2018)
onde a espuma foi lixada, reduzindo a pó, e moagem criogênica (PAGLICAWAN et al., 2007) mas ainda assim tratando a capacidade do processo
como um assunto não relevante, até mesmo porque os objetivos
destes trabalhos não vislumbravam viabilização
técnica industrial.

Com pouco mais de
relevância, mas sem um consenso encontrado, a granulometria é poucas
vezes relatada como uma característica do poliuretano moído,
oscilando na literatura pesquisada de 0,10mm a 2,00mm (BOM, 2008; LOPES, BECKER,
2012).

Nas questões
qualitativas, que abordam fluxo de material e a moagem, nenhuma destas variáveis
é contemplada nos trabalhos pesquisados, demonstrando assim uma
contribuição deste artigo para o ramo acadêmico bem como
para o ramo organizacional, trazendo a possibilidade de avaliar a industrialização
deste processo, trazendo para uma escala industrial o início do ciclo de
reciclagem deste material termofixo.

3
MATERIAIS E MÉTODOS

O resíduo de espuma flexível de poliuretano utilizado neste
trabalho é originado na fabricação de assentos para vasos
sanitários.

O processo consiste em fabricar um assento vazio pelo processo de sopro e
posteriormente injetar, sob pressão de um cabeçote, uma mistura
de poliol poliéter,
fornecido pela empresa Purcom, modelo TB 180 TR e um isocianato difenilmetano, de
mesmo fornecedor e modelo TB 250 TF, através do mesmo orifício ao
qual a peça foi anteriormente soprada. Esquema do processo pode ser
visto no fluxograma da figura 1.

Figura 1 - Fluxograma do processo

Fonte: Elaborado pelo autor
(2020)

A reação entre os dois materiais, dentro do assento vazio,
produz uma espuma flexível que para completar os espaços vazios,
necessita que o operador do processo permita vazar uma porção
desta espuma para o exterior da peça. Este material espumado
externamente gera o resíduo do processo assim como outros vazamentos
decorrentes de algumas falhas que o processo está exposto. Na figura 2
pode ser visto uma amostra dos resíduos do processo supracitado.

Figura 2 - Foto dos resíduos

Fonte: Elaborado pelo autor
(2020)

Para moer estes resíduos, foi utilizado um moinho de facas do
fabricante Mecanofar modelo MF160, com capacidade de
moagem de 30 a 60 kg/h e peneira de orifícios com 8 mm de diâmetro,
conforme figura 3.

Figura 3 - Foto do moinho de facas
utilizado para moer o resíduo

Fonte: Elaborado pelo
autor (2020)

O procedimento de
alimentação do moinho é manual, onde na parte superior do
equipamento existe uma entrada em forma de rampa que permite que o material a ser
moído desça por gravidade até o compartimento de moagem.

Assim que o material vai sofrendo cortes, ocasionados pelas facas fixas e
móveis, a peneira permite a passagem de materiais com granulometria
inferior ao seu diâmetro e é disposto em um recipiente de onde
pode ser removido manualmente.

Portanto, a principal variável quantitativa do processo trata-se
da capacidade do moinho, que é expresso em quilogramas por hora (kg/h). Posteriormente,
a granulometria, em milímetros, será avaliada por peneiras
granulométricas de malhas 0,30mm (48 mesh),
0,50mm (32 mesh), 2,00mm (9 mesh)
e 4,00mm (5 mesh), todas com 203,20mm (8 polegadas)
de diâmetro, e com um agitador de peneiras marca Bertel
atuando por 5 minutos a 10Hz de frequência.

Qualitativamente, serão analisadas outras duas variáveis que
são o fluxo de material até o compartimento de moagem e o comportamento
do material ao ser submetido a moagem, sendo que o resultado deverá ser considerado
satisfatório ou insatisfatório, uma vez que pela
característica física do material que é de baixa densidade
e elevada compressibilidade, pode ocorrer deficiência de descida do
material por gravidade e ao invés de moer pode ser compactado.

Tabela 2 - Variáveis,
características e medidas para análise

Variável

Característica

Medida

Capacidade

Quantitativa

Kg/h

Granulometria

Quantitativa

Mm

Fluxo
de descida

Qualitativa

Satisfatório
/ Insatisfatório

Moagem

Qualitativa

Satisfatório
/ Insatisfatório

Fonte: Elaborado pelo autor (2020)

Resumidamente o método é explicado no fluxograma da figura
4, onde pode ser notado que as etapas de alimentar o moinho e iniciar o
cronômetro são simultâneas. Isto foi possível devido
ao fato de o processo de alimentação ser feita pelo operador de
moinho e o controle do cronômetro feito pelo observador/analista do
processo, o qual é responsável por esta pesquisa. A
avaliação do fluxo e da moagem, também ficaram a
critério do operador do moinho que com aproximadamente 10 anos de
experiência ficou responsável por indicar qualquer irregularidade
no processo. O restante das tarefas foi realizado pelo observador/analista.

Figura 4 - Fluxograma da metodologia

Fonte: Elaborado pelo
autor (2020)

4
RESULTADOS E DISCUSSÃO

A quantidade de amostra de resíduos coletada para o teste
apresentava 1,66 kg e estava armazenada em uma caixa de papelão quando retiradas
e expostas ao processo normal de alimentação manual do moinho.

Ao mesmo tempo em que o processo iniciou, o tempo de processamento
começou a ser contado por um cronômetro para fins de
cálculo de capacidade, porém ao atingir 49 segundos de
processamento houve uma interrupção por parte do operador ao
perceber que o material não fluía por gravidade em
direção ao compartimento de moagem. Sendo assim, o material
até então moído foi recolhido sendo considerado resultado
da produção destes 49 segundos e apenas 0,62 kg da amostra foi
colocada no moinho.

Figura 5 - Aspecto granulométrico da
espuma que ficou em suspensão e não passou pela peneira
(esquerda) e a que passou pela peneira (direita)

Fonte: Elaborado pelo
autor (2020)

Observando o ocorrido destacado pelo operador do processo se pode
perceber que as aparas do resíduo sofreram uma primeira
ação das navalhas do moinho, onde parte desta ação
chegou a um tamanho de partícula suficiente para passar pela peneira,
porém, a grande maioria não ficou suficientemente pequena para passar
pela mesma (figura 5).

Esta redução parcial do tamanho das partículas
permitiu que a massa de cada uma destas se tornasse tão insignificante
que a própria corrente de ar, gerada pela rotação das
navalhas, as mantivessem em suspensão e aderidas por uma pequena carga
estática proveniente do atrito do processo, como pode ser observado na
figura 6.

Figura 6 - partículas do
resíduo em suspensão dentro do moinho

Fonte: Elaborado pelo autor (2020)

Consequentemente, a porção de material moído foi
muito pequena dentro do intervalo de tempo em que o processo decorreu. Na
figura 7 é mostrada a rampa de descarga do equipamento, onde o material
resultante da moagem pode ser recolhido por um recipiente.

Figura 7 - Descarga de espuma de
poliuretano flexível moída

Fonte: Elaborado pelo autor (2020)

Esta quantidade recolhida foi de 0,014 kg o que representa apenas 2,26%
do que foi colocado pelo operador até que este percebesse a
irregularidade no processo, que poderia causar danos ao equipamento, e parou de
alimentar o mesmo. Como o tempo utilizado para obter esta quantidade foi de 49
segundos, tem-se então a capacidade do processo apresentada na
equação 1.

Equação
1 - Capacidade do processo de moagem da espuma flexível de poliuretano

(1)

Fonte: Elaborado pelo
autor (2020)

Como são poucas as informações quantitativas de
processos de trituração de espuma flexível de poliuretano
(tabela 1), não foi possível realizar muitas
comparações. Apenas Fernandes (2013) informa que para obter 10kg
deste material em pó, por meio de um aglutinador, foram
necessárias 4 horas. Usando estas informações como base de
cálculo, de mesma forma como apresentado anteriormente, chega-se a uma
capacidade de processo de 2,5kg/h o que representa aproximadamente 143% a mais
do processo de moagem aqui testado. Lembrando que o equipamento utilizado
não foi o mesmo, foi utilizado um aglutinador ao invés do moinho
de facas.

A granulometria dos 0,014kg de material que passaram pela peneira do
moinho, ficaram distribuídas da seguinte forma, conforme gráfico
1.

Gráfico 1 -
Distribuição da granulometria obtida após moagem

Fonte: Elaborado pelo
autor (2020)

Analisando a granulometria
obtida com base na literatura, onde ocorreu alguma forma de
trituração de espuma flexível de poliuretano, apenas
Fernandes (2013), com auxílio de um aglutinador remete a esta
variável, porém a descreve apenas como pó e não
especifica a granulometria atingida de fato.

Segundo Datta
et al. (2018), algumas tecnologias de
processamento são indicadas para obtenção de
granulometrias específicas para espumas flexíveis de poliuretano,
conforme tabela 3.

Tabela
3 - Tamanhos de partículas obtidos por alguns tipos de processos

Tamanho da partícula

Processo

< 0,30 mm

Moagem com facas de precisão

< 0,30 mm

Peletizador

< 0,20 mm

Extrusão e cisalhamento em estado sólido

< 0,20 mm

Moagem criogênica

< 0,20 mm

Mistura de alto cisalhamento

< 0,10 mm

Moinho de rolo duplo

Fonte: Adaptado de Datta
et al. (2018)

Ainda, segundo este autor,
alguns pesquisadores demonstraram trabalhos com espuma de poliuretano
moída (DATTA et al., 2011; FRAJ
et al., 2010; MOUNANGA et al., 2008; PARK et al., 2015; STELLER et al.,
2017), porém todas as citadas, assim como todas as anteriormente citadas
neste trabalho, utilizaram a espuma rígida, corroborando para a
deficiência de literatura para poder realizar comparações dos
resultados obtidos.

Sendo assim, a tabela 4 apresenta os resultados gerais, quantitativos e
qualitativos, deste trabalho.

Tabela 4 - Resultados da moagem de espuma
flexível de poliuretano

Variável

Característica

Medida

Capacidade

Quantitativa

1,0294 kg/h

Granulometria

Quantitativa

Até 0,30mm – 1,2%

0,31 a 0,50mm – 2,5%

0,51 a 2,00mm – 18,2%

2,01 a 4,00mm – 46,3%

Acima de 4,00mm – 31,8%

Fluxo
de descida

Qualitativa

Insatisfatório

Moagem

Qualitativa

Insatisfatório

Fonte: Elaborado pelo autor (2020)

Com os resultados resumidos na tabela 4, todas as variáveis
propostas, apresentadas na tabela 2, foram preenchidas e apresentam-se de forma
absoluta, tendo-se anteriormente sido comparadas e discutidas tendo-se em vista
que apenas uma literatura apresentou semelhança suficiente para tal,
conforme apresentado, também anteriormente. No capítulo seguinte,
a conclusão apresenta o fechamento geral de todo material aqui
apresentado.

4
CONCLUSÃO

Por meio do uso de um moinho de facas, os resíduos de poliuretano
flexível, oriundos de aparas de fabricação de assentos
sanitários, foram expostos a granulação por um moinho de
facas, mas o resultado se demonstrou insatisfatório qualitativamente e
em termos quantitativos pode ser medido em capacidade do processo e granulometria,
sendo que a capacidade obtida se mostra muito aquém do que o equipamento
pode oferecer, mas suficiente o bastante para analisar em laboratório a
granulometria.

A pouca literatura disponível sobre o tema não demonstrou base
muito sólida para concluir se as variáveis quantitativas
são aplicáveis para futuros processos, tais como carga ou mistura
para formação de blendas com polímeros
termoplásticos, como o polipropileno, por exemplo. Esta escassez de
material bibliográfico sobre a reciclagem da espuma flexível
também corrobora o quão complexo é a redução
dos tamanhos das partículas deste material devido a suas propriedades
mecânicas listadas anteriormente, sendo necessário continuar a
pesquisa por soluções viáveis tecnicamente, incentivando, assim,
a indústria a implementar processos de reciclagem e reduzir os impactos
ambientais que tal resíduo gera atualmente e, como demonstrado
anteriormente, com grande potencial de aumento.

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