Durante a década de noventa, nos EUA, surgiram algumas tecnologias que visavam à utilização de plásticos reciclados em perfis substitutos à madeira natural, para a fabricação de deques e cercas. Esses materiais foram denominados madeira plástica reciclada (RPL), cuja sigla origina-se do inglês recycled plastic lumber. Fabricavam-se tais perfis de plásticos reciclados ou a partir de composições com fibras de madeira (WPC), cuja sigla provém do inglês wood polymer composites. A expressão madeira plástica, segundo a American Society for Testing and Materials (ASTM), se aplica aos produtos manufaturados com conteúdo de plástico superior a 50% em massa e que possuem genericamente seção transversal retangular e apresentam dimensões típicas dos produtos de madeira industrializada. A partir dessa definição, o termo madeira plástica foi ampliado para artefatos com seção transversal circular ou que contenham outros formatos.
Ainda no início da década de noventa, pesquisas pioneiras sobre a reciclagem de plásticos e o desenvolvimento de madeira plástica foram realizadas no Brasil, no Instituto de Macromoléculas (IMA) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), sob coordenação da professora Eloisa Biasotto Mano. Esses estudos culminaram no desenvolvimento de uma formulação de madeira plástica, que consiste em uma mistura de polietilenos reciclados (cerca de 75% de polietileno de baixa densidade (LDPE) e 25% de polietileno de alta densidade (HDPE)), e cuja marca foi registrada como IMAWOOD®.
Atualmente, o mercado de madeira plástica norte-americano, o maior do mundo, gira em torno de 5,2 bilhões de dólares por ano. Os compósitos com fibra de madeira (WPC) representam o segmento com o maior e mais rápido crescimento do mercado mundial da madeira plástica. Além da produção de deques, fabricantes norte-americanos estão introduzindo WPC em outros produtos, tais como cercas, janelas, bancos, telhas e lâminas para substituir a madeira compensada. Além desses empregos, existe um potencial para aplicação da madeira plástica em mobiliários residenciais como mesas, cadeiras, estantes, armários, etc.
A madeira plástica apresenta vantagens sobre a madeira natural, tais como impermeabilidade superior, maior resistência à deterioração, ao mofo e aos cupins e não requer pintura ou manutenção regular.
Outro fator importante é que, no trabalho com esse tipo de material, utilizam-se ferramentas convencionais de carpintaria, permitindo que a madeira plástica seja aplainada, serrada, aparafusada e pregada como a natural.
A maioria de produtos de madeira plástica no mercado atual é feita a partir de polietilenos (PE) reciclados, sendo utilizado principalmente o polietileno de alta densidade (HDPE). Contudo, ela pode ser obtida também a partir de outras resinas como o polipropileno (PP), poliestireno (PS) e o poli(cloreto de vinila) (PVC) ou, até mesmo, de misturas de diferentes resíduos plásticos.
Em algumas formulações de madeira plástica, são utilizados compósitos com cargas vegetais, tais como fibras naturais e serragem de madeira, ou ainda minerais como carbonato de cálcio, talco e fibras de vidro sintéticas. Essas cargas são utilizadas com o propósito de melhorar as propriedades físicas, térmicas e mecânicas dos produtos de madeira plástica e, assim, garantir um maior número de aplicações e melhores resultados.
Embora existam diferentes composições de madeira plástica, atualmente o mercado mundial divide-se entre empresas que produzem a madeira plástica a partir de HDPE expandido e aquelas que utilizam compósitos de plástico e fibra de madeira, chamados WPC. Os produtos de WPC correspondem a aproximadamente 80% da madeira plástica produzida, enquanto o setor de polímero puro é responsável pelo restante do mercado. Os compósitos WPC representam o segmento com o maior e mais rápido crescimento do mercado da madeira plástica. Esse fato tem contribuído para um maior interesse na busca por tecnologias para o processamento de compósitos de plástico com fibra de madeira.
Dentre os fatores que determinam a qualidade do produto de madeira plástica, destacam-se as propriedades do material a ser processado, a forma como o resíduo plástico chega à etapa de processamento, a presença de cargas e aditivos e a umidade do material. Esses requisitos conduzem à necessidade de extrusoras com características técnicas altamente específicas comparadas ao processamento de polímeros virgens. Assim, trabalhos têm sido publicados sobre o estudo abordando diferentes processos e equipamentos de reciclagem para a obtenção da madeira plástica.
Madeiras plásticas do tipo WPC têm sido manufaturadas em extrusoras do tipo mono-rosca, dupla-rosca cônica e paralela, dupla-rosca contra-rotativas e co-rotativa e extrusoras em série. A configuração do processo é projetada especificamente para alimentar a fibra e o polímero, promover mistura suficiente a fim de dispersar a fibra de forma eficaz e uniforme no polímero e, finalmente, conformar a mistura na forma de perfis contínuos, com geometria desejada. Além da configuração da extrusora, as condições de processamento também são determinantes das características finais dos produtos de madeira plástica do tipo WPC.
Um fator limitante do processo de fabricação de WPC consiste na baixa temperatura de degradação do pó da madeira, em torno de 200°C a 220°C. A exposição do resíduo de madeira a temperaturas acima dessa faixa libera compostos voláteis, provocando descoloração, aparecimento de odor e fragilização do compósito. Isso tem restringido o uso de termoplásticos de baixa temperatura de processamento em WPC, tais como poliolefinas, plásticos estirênicos (PS, HIPS, ABS) e o PVC.
Ainda em relação à degradação da madeira, além do perfil de temperaturas adequado na extrusora, há que se estabelecer um grau de cisalhamento e um tempo de residência compatíveis para que se obtenha boa mistura e homogeneização do WPC e se evite a degradação excessiva da madeira no interior do equipamento quando sob temperatura, pressão e cisalhamento.
Outro fator que se constitui em uma dificuldade no processamento de WPC é o elevado teor de absorção de umidade da fibra de madeira. Portanto, uma secagem prévia do pó de madeira e uma boa degaseificação durante o processamento tornam-se essenciais para a produção de WPC. Um dos fatores afetados mais diretamente pelo teor de umidade do reforço de madeira é a produtividade da linha de extrusão: quanto maiores os teores de umidade das partículas, menor a produtividade por conta do maior tempo de residência necessário para devolatilização do compósito. Por outro lado, com uma maior permanência dentro da extrusora, o material torna-se mais suscetível à degradação devido à ação da temperatura e do cisalhamento.
A umidade e o tamanho granulométrico do pó da madeira também devem ser controlados de forma cuidadosa a fim de evitar descontinuidades de processo e peças com características inaceitáveis devido à presença de bolhas ou manchas superficiais.
Outro fator que requer um cuidado especial no processamento de WPC é a baixa densidade da fibra de madeira, que dificulta a sua entrada através das pequenas aberturas de alimentação, típicas de equipamentos transformadores de plásticos, levando a uma diminuição da velocidade de processamento.
Existe, atualmente, uma grande discussão entre os maiores fabricantes de equipamentos, tais como Bauzzano, Davis-Standard, Leistritz, Millacron Inc., Krupp Werner & Pfleiderer etc., sobre a melhor configuração de máquina para processamento de compósitos termoplásticos com madeira. Esses equipamentos podem ser classificados em quatro categorias distintas.
No processo que utiliza a madeira pré-seca e a mistura pré-homogeneizada (Pre-dry; Pre-mix), são utilizados equipamentos em que a fibra de madeira é submetida a processos de pré-secagem em níveis de umidade inferiores a 1% e alimentada em uma extrusora rosca-dupla contra-rotacional juntamente com o polímero, normalmente na forma de pó. A mistura polímero-madeira e aditivos é preparada em misturadores intensivos do tipo Henschel antes de ser alimentada na extrusora. A mistura pulverizada de madeira e polímero pode, então, ser alimentada em uma extrusora usando um dispositivo de alimentação Crammer. Devido à distribuição estreita de tempos de residência do material no sistema e à geração limitada da energia térmica, são usados sistemas com dupla-rosca contra-rotacional, principalmente para a conversão do PVC, por sua instabilidade térmica.
O processo que utiliza a madeira pré-seca e a alimentação polímero-madeira em separado (Pre-dry; Split Feed) propicia um melhor controle do tempo de residência da madeira durante o processamento. Nesse caso, utilizam-se normalmente extrusoras dupla-rosca de grande capacidade, com portos laterais de alimentação, onde a fibra é misturada ao polímero fundido, passando por zonas de mistura distributiva e degaseificação da umidade residual.
Um terceiro processo utiliza primeiro a madeira úmida e, em seguida, a alimentação do polímero fundido (Wood First; Melt Feed). São necessárias duas extrusoras, que operam simultaneamente; uma extrusora primária, secando a farinha de madeira e uma outra menor, plastificando o polímero e os aditivos. A empresa Davis-Standard dos EUA patenteou um equipamento dedicado ao processamento de compósitos termoplásticos com essas características, denominado Woodtruder®. Essa extrusora equipada com dupla-rosca contra-rotante foi projetada para remover a umidade da fibra de madeira mesmo em altos níveis (umidade entre 1% e 8%). O processo inclui uma extrusora principal de dupla-rosca paralela contra-rotativa (L/D 28:1) e outra satélite para o polímero, a qual pode ser mono ou dupla-rosca, dependendo da resina empregada. A principal seca e depois mistura a madeira ao polímero. A satélite funde o polímero e entrega-o fundido à madeira seca na extrusora principal.
O processamento de fibras de madeira em extrusora de roscas duplas paralelas é similar em muitas maneiras ao processamento de polímeros puros. Apesar de se utilizarem alimentadores comuns para polímeros, neste caso, emprega-se um dosador gravimétrico a fim de suprir as fibras de madeira para a extrusora dupla-rosca. A alimentação automaticamente ajustada pelo dosador gravimétrico enche os canais das roscas para aumentar a eficiência de alimentação e eliminar as variações de densidade das fibras de madeira. As roscas transportam as fibras para frente à medida que o calor do barril (canhão) e da rosca é transferido para o material. O calor transferido para as fibras de madeira não somente aquece a madeira mas também a água contida nelas até o ponto de vapor, liberando a umidade.
No processo WoodTruder®, as fibras de madeira são submetidas a uma zona ou ponto de vazão (escape atmosférico - degasagem) para remoção da umidade, entrando na zona de alimentação contendo até 8% de umidade. À proporção que a madeira é aquecida, a umidade na superfície evapora e escapa através da degasagem.
A extrusora satélite processa o polímero até o ponto de fusão desejado. Isso é feito com desenho apropriado de rosca e ajuste da temperatura do canhão. A mistura entra na seção de compressão da extrusora principal para facilitar a fusão dos dois componentes.
Um ponto de degasagem está localizado após a zona de compressão para remoção de voláteis do polímero ou umidade residual das fibras de madeira. A mistura completamente seca e homogeneizada segue para outra seção a fim de aumentar a pressão do fluxo através do cabeçote.
O último dos quatro processos usualmente empregados na produção de WPC utiliza primeiro a madeira úmida, mantendo sua alimentação separada do polímero e dos aditivos (Wood First, Split Feed). Nesse processo, a farinha de madeira pode ser alimentada ainda úmida na zona de alimentação e a mistura de resina e aditivos introduzida posteriormente no barril através de um alimentador lateral. Todavia, esse processo requer normalmente equipamentos com extrusoras muito longas (L/D 44 ou 48:1) e com zonas de degaseificação próximas à zona de alimentação para remover a umidade da madeira, o que nem sempre é possível. Muitos produtores têm obtido artefatos com conteúdo de madeira entre 50 a 60% em peso.
Nos processos nos quais a extrusora é utilizada na secagem da farinha de madeira, pode haver problemas de consistência da massa fundida devido a alterações de umidade. Os custos associados a essa prática ainda têm sido objeto de calorosas discussões entre fabricantes de equipamentos e processadores. Dessa forma, a alternativa mais segura ainda tem sido a utilização de madeira pré-seca, adquirida dos fornecedores de farinha ou fibra de madeira.
Portanto, a possibilidade de obter diferentes composições de madeira plástica permite uma grande variedade de propriedades e aplicações. Entretanto, é importante, na substituição de qualquer material tradicional por um material novo, considerar o desempenho requerido para o produto, a aplicação em particular e também a relação custo-benefício dessa substituição. Assim, evitam-se alguns problemas técnicos devido às diferenças de características dos dois materiais, conduzindo a aplicações que sejam bem-sucedidas.
Por fim, pesquisas para desenvolvimento de novas tecnologias com a finalidade de obter materiais reciclados com propriedades melhores e a um menor custo devem ser realizadas a fim de viabilizar o aumento do número de aplicações da madeira plástica em substituição à madeira natural e auxiliar na redução de resíduos plásticos.
Atualmente, o mercado de madeira plástica norte-americano, o maior do mundo, gira em torno de 5,2 bilhões de dólares por ano. Os compósitos com fibra de madeira (WPC) representam o segmento com o maior e mais rápido crescimento do mercado mundial da madeira plástica. Além da produção de deques, fabricantes norte-americanos estão introduzindo WPC em outros produtos, tais como cercas, janelas, bancos, telhas e lâminas para substituir a madeira compensada. Além desses empregos, existe um potencial para aplicação da madeira plástica em mobiliários residenciais como mesas, cadeiras, estantes, armários, etc.
A madeira plástica apresenta vantagens sobre a madeira natural, tais como impermeabilidade superior, maior resistência à deterioração, ao mofo e aos cupins e não requer pintura ou manutenção regular.
Outro fator importante é que, no trabalho com esse tipo de material, utilizam-se ferramentas convencionais de carpintaria, permitindo que a madeira plástica seja aplainada, serrada, aparafusada e pregada como a natural.
A maioria de produtos de madeira plástica no mercado atual é feita a partir de polietilenos (PE) reciclados, sendo utilizado principalmente o polietileno de alta densidade (HDPE). Contudo, ela pode ser obtida também a partir de outras resinas como o polipropileno (PP), poliestireno (PS) e o poli(cloreto de vinila) (PVC) ou, até mesmo, de misturas de diferentes resíduos plásticos.
Em algumas formulações de madeira plástica, são utilizados compósitos com cargas vegetais, tais como fibras naturais e serragem de madeira, ou ainda minerais como carbonato de cálcio, talco e fibras de vidro sintéticas. Essas cargas são utilizadas com o propósito de melhorar as propriedades físicas, térmicas e mecânicas dos produtos de madeira plástica e, assim, garantir um maior número de aplicações e melhores resultados.
Embora existam diferentes composições de madeira plástica, atualmente o mercado mundial divide-se entre empresas que produzem a madeira plástica a partir de HDPE expandido e aquelas que utilizam compósitos de plástico e fibra de madeira, chamados WPC. Os produtos de WPC correspondem a aproximadamente 80% da madeira plástica produzida, enquanto o setor de polímero puro é responsável pelo restante do mercado. Os compósitos WPC representam o segmento com o maior e mais rápido crescimento do mercado da madeira plástica. Esse fato tem contribuído para um maior interesse na busca por tecnologias para o processamento de compósitos de plástico com fibra de madeira.
Dentre os fatores que determinam a qualidade do produto de madeira plástica, destacam-se as propriedades do material a ser processado, a forma como o resíduo plástico chega à etapa de processamento, a presença de cargas e aditivos e a umidade do material. Esses requisitos conduzem à necessidade de extrusoras com características técnicas altamente específicas comparadas ao processamento de polímeros virgens. Assim, trabalhos têm sido publicados sobre o estudo abordando diferentes processos e equipamentos de reciclagem para a obtenção da madeira plástica.
Madeiras plásticas do tipo WPC têm sido manufaturadas em extrusoras do tipo mono-rosca, dupla-rosca cônica e paralela, dupla-rosca contra-rotativas e co-rotativa e extrusoras em série. A configuração do processo é projetada especificamente para alimentar a fibra e o polímero, promover mistura suficiente a fim de dispersar a fibra de forma eficaz e uniforme no polímero e, finalmente, conformar a mistura na forma de perfis contínuos, com geometria desejada. Além da configuração da extrusora, as condições de processamento também são determinantes das características finais dos produtos de madeira plástica do tipo WPC.
Um fator limitante do processo de fabricação de WPC consiste na baixa temperatura de degradação do pó da madeira, em torno de 200°C a 220°C. A exposição do resíduo de madeira a temperaturas acima dessa faixa libera compostos voláteis, provocando descoloração, aparecimento de odor e fragilização do compósito. Isso tem restringido o uso de termoplásticos de baixa temperatura de processamento em WPC, tais como poliolefinas, plásticos estirênicos (PS, HIPS, ABS) e o PVC.
Ainda em relação à degradação da madeira, além do perfil de temperaturas adequado na extrusora, há que se estabelecer um grau de cisalhamento e um tempo de residência compatíveis para que se obtenha boa mistura e homogeneização do WPC e se evite a degradação excessiva da madeira no interior do equipamento quando sob temperatura, pressão e cisalhamento.
Outro fator que se constitui em uma dificuldade no processamento de WPC é o elevado teor de absorção de umidade da fibra de madeira. Portanto, uma secagem prévia do pó de madeira e uma boa degaseificação durante o processamento tornam-se essenciais para a produção de WPC. Um dos fatores afetados mais diretamente pelo teor de umidade do reforço de madeira é a produtividade da linha de extrusão: quanto maiores os teores de umidade das partículas, menor a produtividade por conta do maior tempo de residência necessário para devolatilização do compósito. Por outro lado, com uma maior permanência dentro da extrusora, o material torna-se mais suscetível à degradação devido à ação da temperatura e do cisalhamento.
A umidade e o tamanho granulométrico do pó da madeira também devem ser controlados de forma cuidadosa a fim de evitar descontinuidades de processo e peças com características inaceitáveis devido à presença de bolhas ou manchas superficiais.
Outro fator que requer um cuidado especial no processamento de WPC é a baixa densidade da fibra de madeira, que dificulta a sua entrada através das pequenas aberturas de alimentação, típicas de equipamentos transformadores de plásticos, levando a uma diminuição da velocidade de processamento.
Existe, atualmente, uma grande discussão entre os maiores fabricantes de equipamentos, tais como Bauzzano, Davis-Standard, Leistritz, Millacron Inc., Krupp Werner & Pfleiderer etc., sobre a melhor configuração de máquina para processamento de compósitos termoplásticos com madeira. Esses equipamentos podem ser classificados em quatro categorias distintas.
No processo que utiliza a madeira pré-seca e a mistura pré-homogeneizada (Pre-dry; Pre-mix), são utilizados equipamentos em que a fibra de madeira é submetida a processos de pré-secagem em níveis de umidade inferiores a 1% e alimentada em uma extrusora rosca-dupla contra-rotacional juntamente com o polímero, normalmente na forma de pó. A mistura polímero-madeira e aditivos é preparada em misturadores intensivos do tipo Henschel antes de ser alimentada na extrusora. A mistura pulverizada de madeira e polímero pode, então, ser alimentada em uma extrusora usando um dispositivo de alimentação Crammer. Devido à distribuição estreita de tempos de residência do material no sistema e à geração limitada da energia térmica, são usados sistemas com dupla-rosca contra-rotacional, principalmente para a conversão do PVC, por sua instabilidade térmica.
O processo que utiliza a madeira pré-seca e a alimentação polímero-madeira em separado (Pre-dry; Split Feed) propicia um melhor controle do tempo de residência da madeira durante o processamento. Nesse caso, utilizam-se normalmente extrusoras dupla-rosca de grande capacidade, com portos laterais de alimentação, onde a fibra é misturada ao polímero fundido, passando por zonas de mistura distributiva e degaseificação da umidade residual.
Um terceiro processo utiliza primeiro a madeira úmida e, em seguida, a alimentação do polímero fundido (Wood First; Melt Feed). São necessárias duas extrusoras, que operam simultaneamente; uma extrusora primária, secando a farinha de madeira e uma outra menor, plastificando o polímero e os aditivos. A empresa Davis-Standard dos EUA patenteou um equipamento dedicado ao processamento de compósitos termoplásticos com essas características, denominado Woodtruder®. Essa extrusora equipada com dupla-rosca contra-rotante foi projetada para remover a umidade da fibra de madeira mesmo em altos níveis (umidade entre 1% e 8%). O processo inclui uma extrusora principal de dupla-rosca paralela contra-rotativa (L/D 28:1) e outra satélite para o polímero, a qual pode ser mono ou dupla-rosca, dependendo da resina empregada. A principal seca e depois mistura a madeira ao polímero. A satélite funde o polímero e entrega-o fundido à madeira seca na extrusora principal.
O processamento de fibras de madeira em extrusora de roscas duplas paralelas é similar em muitas maneiras ao processamento de polímeros puros. Apesar de se utilizarem alimentadores comuns para polímeros, neste caso, emprega-se um dosador gravimétrico a fim de suprir as fibras de madeira para a extrusora dupla-rosca. A alimentação automaticamente ajustada pelo dosador gravimétrico enche os canais das roscas para aumentar a eficiência de alimentação e eliminar as variações de densidade das fibras de madeira. As roscas transportam as fibras para frente à medida que o calor do barril (canhão) e da rosca é transferido para o material. O calor transferido para as fibras de madeira não somente aquece a madeira mas também a água contida nelas até o ponto de vapor, liberando a umidade.
No processo WoodTruder®, as fibras de madeira são submetidas a uma zona ou ponto de vazão (escape atmosférico - degasagem) para remoção da umidade, entrando na zona de alimentação contendo até 8% de umidade. À proporção que a madeira é aquecida, a umidade na superfície evapora e escapa através da degasagem.
A extrusora satélite processa o polímero até o ponto de fusão desejado. Isso é feito com desenho apropriado de rosca e ajuste da temperatura do canhão. A mistura entra na seção de compressão da extrusora principal para facilitar a fusão dos dois componentes.
Um ponto de degasagem está localizado após a zona de compressão para remoção de voláteis do polímero ou umidade residual das fibras de madeira. A mistura completamente seca e homogeneizada segue para outra seção a fim de aumentar a pressão do fluxo através do cabeçote.
O último dos quatro processos usualmente empregados na produção de WPC utiliza primeiro a madeira úmida, mantendo sua alimentação separada do polímero e dos aditivos (Wood First, Split Feed). Nesse processo, a farinha de madeira pode ser alimentada ainda úmida na zona de alimentação e a mistura de resina e aditivos introduzida posteriormente no barril através de um alimentador lateral. Todavia, esse processo requer normalmente equipamentos com extrusoras muito longas (L/D 44 ou 48:1) e com zonas de degaseificação próximas à zona de alimentação para remover a umidade da madeira, o que nem sempre é possível. Muitos produtores têm obtido artefatos com conteúdo de madeira entre 50 a 60% em peso.
Nos processos nos quais a extrusora é utilizada na secagem da farinha de madeira, pode haver problemas de consistência da massa fundida devido a alterações de umidade. Os custos associados a essa prática ainda têm sido objeto de calorosas discussões entre fabricantes de equipamentos e processadores. Dessa forma, a alternativa mais segura ainda tem sido a utilização de madeira pré-seca, adquirida dos fornecedores de farinha ou fibra de madeira.
Portanto, a possibilidade de obter diferentes composições de madeira plástica permite uma grande variedade de propriedades e aplicações. Entretanto, é importante, na substituição de qualquer material tradicional por um material novo, considerar o desempenho requerido para o produto, a aplicação em particular e também a relação custo-benefício dessa substituição. Assim, evitam-se alguns problemas técnicos devido às diferenças de características dos dois materiais, conduzindo a aplicações que sejam bem-sucedidas.
Por fim, pesquisas para desenvolvimento de novas tecnologias com a finalidade de obter materiais reciclados com propriedades melhores e a um menor custo devem ser realizadas a fim de viabilizar o aumento do número de aplicações da madeira plástica em substituição à madeira natural e auxiliar na redução de resíduos plásticos.
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