Aplicação de cargas minerais: processamento e nanotecnologia

Processamento adequado e nanotecnologia agregam funcionalidades às cargas

A aplicação de cargas minerais aos mais distintos tipos de polímeros, misturas conhecidas como compósitos, é prática que quando surgiu, décadas atrás, tinha a finalidade de baratear os custos das linhas de produção da indústria do plástico. Com o passar do tempo se percebeu que as cargas aprimoravam as características físicas e químicas das resinas. Surgiu, então, o desafio que persiste até hoje para os fornecedores de cargas e as gigantes químicas produtoras de resinas, o de aprimorar essas misturas, desenvolver soluções voltadas para dar ao compósito as propriedades adequadas para atender a necessidade dos projetos finais das peças.

As cargas minerais são materiais sólidos, particulados orgânicos ou inorgânicos, encontrados em várias formas e tamanhos. Podem ser citados, como exemplo, o carbonato de cálcio (calcita), bastante procurado para materiais usados na construção civil, em especial quando adicionado ao PVC, embora também seja bastante incorporado ao polietileno e ao polipropileno.

O carbonato de cálcio natural, extraído de jazidas e beneficiado em diversas faixas granulométricas, é um mineral de constituição inorgânica, quimicamente inerte, extraído de jazidas e beneficiado em diversas faixas granulométricas de acordo com a aplicação desejada. É muito utilizada pelo baixo valor de mercado, e alta oferta.

Outro mineral bastante popular é o talco, muito aproveitado, por exemplo, em aplicações nas quais se utiliza o polipropileno. Trata-se de mineral de constituição inorgânica, quimicamente inerte, extraído de jazidas e beneficiado em diversas faixas granulométricas. Vários outros minerais (dolomita, pirofilita, quartzo, barita, etc) são aproveitados em compósitos os mais distintos, elaborados com a presença de várias resinas.

Os minerais mais usados são encontrados em abundância na natureza. Eles apresentam baixo custo de extração e estão disponíveis no mercado a preços relativamente compensadores. O Brasil possui jazidas e minas da maioria deles e isso permite a produção próxima do consumo final. Boa vantagem se lembrarmos do custo dos fretes de longas distâncias. O país conta com várias empresas que trabalham como extratoras e/ou distribuidoras desses materiais, casos, entre outras, da Ouro Branco, J.Reminas e Química Anastacio. As vendas nesse mercado dependem muito do desempenho da indústria do plástico como um todo.

O uso crescente ao longo dos anos dos minerais mais “populares” ocorre em paralelo ao surgimento de cargas altamente sofisticadas, cuja incipiente produção se concentra em países com tecnologia avançada. Hoje, o grande destaque entre os produtos com elevada tecnologia é o grafeno, nanomaterial que se torna a cada dia mais precioso. Mais forte que o aço, mais leve que o ar e mais fino que um fio de cabelo, despertou interesse mundial ao ser redescoberto e isolado em 2004 por pesquisadores da Universidade de Manchester, na Inglaterra. O feito rendeu aos cientistas André Geim e Konstantin Novoselov o Prêmio Nobel de Física de 2010.

Aditivos minerais: Processamento e nanotecnologia ©QD Foto: Divulgação
Caulim é um dos minerais com amplo uso nos plásticos

Um pouco de teoria


Um breve resumo pode ajudar a entender como a interação entre polímeros e cargas minerais se dá na prática. Os polímeros, quando puros, nem sempre apresentam características que atendem as especificações técnicas necessárias para satisfazer às exigências imaginadas pelos projetistas quando planejam fabricar uma peça. A aplicação de cargas minerais cobre essa lacuna, tornou-se indispensável para se chegar a propriedades como resistência mecânica, química, à tração, e aos raios ultravioleta, com maior estabilidade térmica, estabilidade dimensional, maior rigidez, possibilidade de retardar chamas e outras vantagens.

Generosas verbas são investidas em pesquisa e desenvolvimento para se chegar a fórmulas que permitam estabelecer as proporções adequadas para o compósito atingir o desempenho esperado na aplicação. A interação em quantidades que atendam as expectativas é operação que precisa ser desenvolvida caso a caso. Cada carga mineral e cada polímero apresentam características próprias, levadas em consideração para se atingir o equilíbrio ideal.

A obtenção do método mais correto para compatibilizar a união é outro desafio. Para compor os distintos materiais são necessários cuidados que variam conforme o compósito a ser desenvolvido. Os tamanhos dos grãos dos minerais utilizados é variável importante. Outra preocupação é de que forma o polímero aceitará a carga.

Um exemplo: não raro é necessário realizar tratamentos superficiais nas cargas minerais com a ajuda de compostos químicos como silanos, ácidos graxos ou outros. Outra saída é a aplicação de cargas minerais aos compósitos via masterbatches.

Aplicação de cargas minerais: carga preciosa

No segmento de cargas minerais de alto desempenho, um divisor de águas surgiu no início do século XXI, quando a nanotecnologia passou a ser tratada como nova revolução no mundo da indústria. A ciência estuda o aproveitamento de partículas com tamanho na casa dos nanômetros, medida que corresponde a um bilionésimo do metro. Não é difícil imaginar a complexidade de se trabalhar com substâncias em dimensões tão diminutas.

A nanotecnologia hoje está presente em produtos de vários segmentos da economia e a indústria do plástico não foge à regra. Na primeira década do século, começaram a surgir os primeiros nanocompósitos, materiais com características bastante especiais. Dois eram (e ainda são) os desafios dos responsáveis por esses estudos, o de selecionar as nanopartículas mais adequadas às características que se deseja ao plástico e compartilhar essas matérias-primas com as propriedades dos polímeros.

Entre as primeiras cargas utilizadas se encontravam algumas argilas, entre as quais merecia destaque a bentonita, de origem vulcânica. Várias outras experiências do gênero foram tentadas. “Já testei até carbonato de cálcio nanométrico e funcionou muito bem”, explica Cláudio Marcondes, profissional com grande experiência na área, diretor da consultoria CA Marcondes Serviços. O elevado custo para a obtenção dessas argilas as tornou menos interessantes. Fora do universo dos minerais, existem outras nanopartículas hoje bastante aproveitadas, como as antimicrobianas e bactericidas feitas de prata, por exemplo.

“As argilas perderam espaço, com o advento do grafeno vai ser difícil surgirem outras partículas que entregam tudo o que ele proporciona”, explica Marcondes.

O grafeno é uma das formas alotrópicas do carbono, assim como o diamante, o carvão e o grafite. Trata-se de material bidimensional (2D) com espessura monoatômica (cerca de 0,4 nm), formada por átomos de carbono, na qual cada átomo está ligado a outros três em estrutura hexagonal. De acordo com especialistas, o material é cerca de 200 vezes mais resistente do que o aço – uma folha de grafeno de um metro quadrado pesa cerca de 0,0077 gramas e é capaz de suportar cargas de até 4 kg.

Quando utilizado em polímeros, o grafeno pode oferecer excepcionais propriedades a partir da adição de pequenas frações. Uma das principais vantagens da sua incorporação está relacionada à obtenção de materiais leves com características multifuncionais.

“Sua utilização em plásticos é feita geralmente a partir da adição de masterbatches”, ressalta o consultor. De acordo com o especialista, o grafeno melhora propriedades mecânicas (rigidez e tração), térmicas, promove proteção contra raios ultravioletas, permite condutividade elétrica, é retardante de chamas e tem funções antimicrobiana e bacteriostática, entre outras características. Ele ainda proporciona a melhora do fluxo do polímero nos processos de transformação, como injeção e extrusão.

Os compósitos que contam com grafeno devem revolucionar nos próximos anos o desenvolvimento de peças voltadas para aplicações em vários setores como automotivo, mecânico, têxtil, microeletrônica, celulose, aeroespacial, entre outros. “Embora com uso ainda incipiente por ter produção ainda limitada e custo elevado, ele já pode ser encontrado em vários produtos fabricados mundo afora”. Os exemplos vão de dispositivos eletrônicas portáteis, raquetes de tênis, solados, tecidos “inteligentes” e inúmeros outros.

Seu uso no Brasil é bastante limitado, mas já existem empresas interessadas em participar desse mercado. “Algumas empresas importam grafeno para comercialização; a Gerdau já lançou produtos com grafeno”, diz Marcondes, citando a multinacional brasileira fabricante de aço. No país também existem algumas produções de grafeno em pequena escala, quase todas restritas a pesquisas universitárias. “Se o mercado de plásticos comprar de vez a ideia, faltará material”.

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Adição de grafeno oferece maior desempenho

Argilas coloridas

O mercado brasileiro das cargas minerais mais usadas conta com a presença de várias empresas. O desempenho das vendas está intimamente ligado ao dos segmentos que utilizam compósitos, casos, por exemplo, dos da construção civil, grande usuária de compósitos de PVC, automobilística, que conta com peças técnicas presentes em todas as partes dos automóveis, e de embalagens, que conforme a necessidade precisam de propriedades como resistência mecânica, à temperatura ou de barreira, entre outras.

A J.Reminas iniciou suas atividades em 1989. Inicialmente voltada para o mercado interno, ela ampliou sua atuação em 2002, ano em que começou a realizar exportações, em especial para países da América do Sul. “Fabricamos minérios britados, moídos, micronizados, flotados, ativados e blends”, explica Elaine Luciano, diretora e responsável pelo laboratório da empresa. A empresa destaca o planejamento estratégico que adota nas operações de logística da distribuição de produtos – ela adotou o conceito just in time, reduz desperdícios e visa otimizar a capacidade de produção dos clientes.

“As vendas para segmento de plásticos, termoplásticos e termorrígidos, estão estáveis. Não sentimos aumento significante em nossas vendas nesse segmento esse ano, mas se permanecerem as quantidades consumidas em 2023 já estaremos satisfeitos”, diz Elaine. Sua perspectiva é de crescimento de 2% a 4% em 2025. Para o setor do plástico, a empresa oferece carbonato de cálcio, caulim calcinado, silicato de alumínio, sílicas, bentonita ativada, argilas coloridas e talco. “No nicho do plástico, os minérios de maior consumo são caulim calcinado, talco e carbonato de cálcio”. A empresa também atende os segmentos de tintas, cosméticos, fertilizantes e nutrição animal.

Uma novidade da empresa foi o arrendamento, feito em novembro passado, de uma jazida de argila colorida. “Estamos micronizando essas argilas nas cores branca, verde, cinza, vermelha, marrom, amarela, rosa e preta; elas podem servir como base de corantes, além de serem cargas minerais inertes. Essa argila colorida é seca, não contém umidade, o que diminui o risco do surgimento de bolhas”.

Uma das características da J.Reminas é industrializar minérios naturais e sintéticos produzidos de acordo com as especificações dos clientes. Para tanto, conta com laboratório próprio e profissionais especializados. Entre os serviços prestados se encontra o desenvolvimento de blendas/misturas de diversos minerais em pó na proporção desejada pelo cliente. Também são efetuados serviços de moagem nas mais variadas granulometrias (alguns produtos, quando dispõem de granulometria mais baixas, adquirem propriedades antes não percebidas, podendo ser utilizados em novas áreas no mercado), micronização, aglutinação, britagem, aeroseparação e peneiramento.

Novas linhas


A Ouro Branco, fundada em 1968, é especializada no beneficiamento e venda de aditivos minerais, fibras celulósicas e na distribuição de especialidades químicas e pigmentos.

A empresa atende a vários segmentos industriais, entre eles o do plástico – também fornece para os setores de adesivos, alimentos, cosméticos, fármacos, papel e celulose, tintas e outros. Na indústria do plástico, tem como clientes os fabricantes de compósitos, masterbatches e transformadores de peças fabricadas em materiais commodities ou de engenharia.

A lista de produtos oferecidos ao segmento do plástico é extensa: agalmatolito, barita, carbonado de cálcio (nas versões natural, precipitado ou revestido), caulim calcinado, dolomita, silicato de magnésio, sulfato de bário precipitado, talco, fibras naturais de celulose, estearato de cálcio, estearato de zinco, sílica precipitada e pigmento de alumínio.

Aditivos minerais: Processamento e nanotecnologia ©QD Foto: Divulgação
Ana Júlia: linha Gold dispersa TiO2 com redução de custos

“Tivemos um primeiro quadrimestre com resultados acima do budget;. estamos crescendo não somente junto a indústria do plástico como em outros nichos de atuação, a exemplo de tintas, pet food, eletrodos e construção civil”, informa Ana Júlia Melo, executiva de vendas.

Entre os produtos da empresa, Ana Júlia destaca duas linhas lançadas recentemente. Uma delas é a Gold, desenvolvida para o mercado de masterbatches, em especial os indicados para usos em fios e cabos.

“Os fios e cabos necessitam de maior resistência mecânica e às intempéries”. Os produtos da linha Gold também são indicados para atuar como dispersores do dióxido de titânio. “Eles ajudam na redução do custo e aumentam o desempenho do processo e do produto final”, explicou.

Outra novidade é a chegada ao mercado do carbonato revestido com ácido esteárico OB-1170. “Esse revestimento torna os produtos hidrofóbicos e reduzem ou anulam a necessidade do uso de ceras para fluidez e compatibilização do material no polímero”. Outra vantagem apontada pela executiva é que o OB-1170 possui absorção de óleo menor, o que proporciona economia de resinas. “Também melhora a fluidez e minimiza as deformações plásticas quando ocorre colisão entre duas partículas de cargas”.

A executiva ressalta que a Ouro Branco possui moderna infraestrutura de distribuição e atendimento, com alcance logístico para atender clientes em todo o Brasil. “Temos sempre estoques para pronta entrega, além de estar em constante busca por novos produtos visando atender as necessidades específicas do mercado”.

Distribuidora

Aditivos e cargas minerais para a indústria do plástico fazem parte do extenso portfólio de produtos distribuídos pela Química Anastacio.

Fundada em 1941, a empresa ingressou no mercado de distribuição de produtos químicos em 2001. Hoje se apresenta como maior distribuidora de produtos químicos e ingredientes do Brasil e uma das maiores da América Latina. Oferece portfólio de mais de 1,7 mil produtos e representa cerca de 400 fornecedores globais. Possui oito centros de distribuição estrategicamente localizados no Brasil, além de contar com escritórios na Argentina e México

A Química Anastacio atua em diversos mercados da indústria plástica e atende principalmente processadores de resinas termoplásticas, fabricantes de compostos de PVC e de masterbatches. A linha principal de produtos comercializados pela empresa para esse segmento é a de resinas PVC.

Aditivos minerais: Processamento e nanotecnologia ©QD Foto: Divulgação
Da Mata: linha de aditivos minerais está em crescimento

“No campo do PVC, temos grades para aplicações rígidas, perfis compactos e para a transformação de produtos que precisam de grande estabilidade térmica, assim como grades para filmes flexíveis”, informa Cristiano da Mata, gerente de vendas de plásticos, tintas e construção civil. Também distribui vários tipos de aditivos e cargas minerais. “Disponibilizamos linhas de estearatos de zinco, cálcio e manganês e carbonato de cálcio”.

O gerente informa que as vendas, apesar de o mercado estar em um momento não muito positivo, estão correspondendo às expectativas. Para ele, os negócios vão bem graças aos investimentos feitos no enriquecimento do portfólio, em pessoas e tecnologia. “Nossa participação no mercado está crescendo”.

O executivo destaca o comprometimento da empresa com a promoção de negócios acompanhados de impactos positivos na sociedade. Dentro dessa estratégia aderiu ao Pacto Global da ONU (lançado no ano 2000, o pacto é hoje a maior iniciativa de sustentabilidade corporativa do mundo, com mais de 21 mil participantes) e adotou os conceitos da cultura ESG (sigla em inglês da expressão governança ambiental e social), que orienta várias decisões tomadas pela companhia.

A partir dessa preocupação, da Mata divulga o lançamento de uma linha de aditivos para biodegrabilidade de plásticos, a Eco-One. “A linha é essencial para a aceleração da biodegradação dos termoplásticos e plásticos em geral na indústria de embalagens”. De acordo com da Mata, os produtos Eco-One são formados por compostos orgânicos que quando adicionados no polímero atraem micro-organismos ao serem colocados em um ambiente microbiano ativo (caso dos lixões e aterros sanitários, ricos em fungos e bactérias).

“A presença desses micro-organismos promove a formação de colônias de decomposição, promovendo a biodegradação dos materiais. Em pouco tempo, os plásticos se transformam em húmus, CH4, CO2 e H2O”, disse.

Cargas minerais mais usadas e propriedades geradas nos compósitos

  • Talco
    Utilizado para melhorar a refratariedade térmica, impermeabilidade, rigidez, estabilidade dimensional e térmica, resistência a ataques químicos, retardamento a chamas, isolamento elétrico, etc.
  • Pirofilita
    Usada na fabricação de tintas poliméricas para isolamento elétrico, para melhorar refratariedade térmica, resistência a ataques químicos, impermeabilidade, rigidez, etc.
  • Esmectitas
    Nos compósitos ajudam a melhorar a impermeabilidade, resistência a chama, estabilidade dimensional, refratariedade térmica, etc.
  • Materiais micáceos
    A mica mais comumente empregada é a muscovita. Os compósitos com mica apresentam maior refratariedade térmica, resistência elétrica, dielétrica e a ataques químicos.
  • Carbonatos – calcita e dolomita
    Ajudam a melhorar a resistência ao impacto. Muito usados nos compósitos de polipropileno.
  • Sílica
    Colabora com a estabilidade dimensional.
  • Wolastonita
    Aumento da resistência aos riscos.
  • Barita
    A barita, devido à sua alta densidade, é utilizada quando se deseja aumentar a massa específica do compósito. Também age como bloqueador acústico.
  • Caulim e Filito
    As duas cargas são indicadas para compósitos com borracha natural. Ajudam a reduzir custos na fabricação de tapetes e outros artefatos.

Fonte: Aplicações de cargas minerais em polímeros, de Antônio Bastos Torres Lima (Biblioteca de Dissertações da USP)

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