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ANÁLISE DA VIABILIDADE DA SUBSTITUIÇÃO DE CONEXÕES INJETADAS EM

PVC POR PET NO RAMO DE CONSTRUÇÃO CIVIL

P. P. Wilbert(1),M. Briesemeister(2), M. A. T. Duarte(3), E. J. Molinari(4) UNISOCIESC - Rua Albano Schmidt, 3333, CEP: 89206-001 - Joinville – SC

Telefone: (47) 3461-0191 – e-mail: [email protected] (1,2,3) Mestrado Profissional em Engenharia Mecânica - UNISOCIESC;

(4)Centro Universitário SOCIESC- Engenharia de Materiais - UNISOCIESC

RESUMO

Por várias décadas o PVC é utilizado na fabricação de tubos e conexões para a construção civil. Porém, a sua utilização requer um alto investimento pelas indústrias, devido à necessidade de se comprar equipamentos específicos que resistam à exposição do ácido. O objetivo desta pesquisa é estudar a substituição do PVC pelo PET, sendo esse um polímero que possui excelentes propriedades mecânicas e térmicas. Com o uso do PET estimou-se reduzir os altos custos de processamento, devido à facilidade de processá-lo em relação ao PVC. Além de propiciar o uso de câmara quente nos moldes e evitar a exposição dos trabalhadores ao ácido clorídrico. Porém, devido à estrutura semicristalina do PET as conexões se tornaram muito rígidas e com um comportamento quebradiço durante os testes determinados pela ABNT, comportamento ao calor, achatamento e pressão hidrostática interna, não sendo o PET viável para esta aplicação. Palavras-chave: Poli(etileno tereftalato); Conexões para Construção Civil; Poli(cloreto de vinila); Moldagem por Injeção. INTRODUÇÃO

O Poli(cloreto de vinila) - PVC é considerado um dos polímeros mais versáteis

devido sua possibilidade em absorver diferentes aditivos. Por esse motivo, ele pode

apresentar características de rigidez ou flexibilidade, estando apto a atender um

amplo espectro de aplicações (1). Apesar de todas as vantagens que o PVC possui,

os moldadores enfrentam problemas ao processá-lo. Pois o mesmo pode vir a

degradar-se mais facilmente que a maioria dos polímeros, e assim liberar ácido

clorídrico, o que gera a oxidação dos ferramentais e máquinas (2). Em função dessa

característica, as máquinas e ferramentais utilizados para seu processamento são

mais caros que os usados para os demais polímeros, além de necessitar de uma

etapa de preparação do composto polimérico, onde são inseridos os aditivos na sua

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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formulação. Apesar do uso de equipamentos específicos para o PVC, em pouco

tempo de utilização os mesmos já apresentam sinais de oxidação bastante

acentuada. Outra desvantagem do PVC é a dificuldade do uso de câmara quente

nos moldes devido à liberação do ácido clorídrico e degradação acelerada, o que

diminuiria consideravelmente os custos de produção e reprocesso.

Dentro do contexto apresentado, um polímero proposto que possa vir a

substituir o PVC na fabricação de conexões é o Poli(etileno tereftalato), mais

conhecido como PET, sendo ele um dos materiais termoplásticos com maiores

volumes de venda a nível global (3), o sucesso deste material deve-se à excelente

relação entre suas propriedades mecânicas, térmicas e o custo de produção (4).

Com o uso do PET estima-se reduzir os altos custos de processamento, devido

à facilidade de processar o PET em relação ao PVC. Além de propiciar o uso de

câmara quente nos moldes e evitar a exposição dos trabalhadores ao ácido

clorídrico.

Além das características atrativas como a versatilidade e baixo custo de

produção do PET, o mesmo já foi utilizado para a fabricação de tubos para esgoto

(porém, na sua forma reciclada), com o intuito de oferecer ao cliente uma proposta

de produto mais econômico. Dado os fatos, a presente pesquisa visa propor a

substituição do PVC pelo PET na produção de conexões injetadas para uso na

construção civil.

Tornando-se viável o uso de conexões em PET, estimou-se reduzir

consideravelmente os custos de transformação e aquisição de equipamentos. Pois o

PET não necessitaria de equipamentos e ferramentais de alto custo para prevenir a

oxidação causada pelo ácido clorídrico liberado pelo processo de degradação do

PVC. Ainda propiciando o uso de câmaras quentes nos moldes, diminuindo ainda

mais os custos de reprocesso devido à eliminação dos canais de distribuição.

MATERIAIS E MÉTODOS

A pesquisa consiste na comparação do desempenho das propriedades

mecânicas de peças injetadas com diferentes materiais (PVC e PET). As peças são

conexões hidráulicas prediais, usadas na construção civil. O desempenho das

propriedades foi testado conforme as normas vigentes da ABNT. Para peças da

linha predial água fria, a NBR vigente é a 5648. Para conexões esgoto, a NBR 5688.


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Primeiramente, foram selecionados dois produtos distintos para serem injetados

como corpo de prova (conforme o subitem Corpos de Prova). Foi usado como

critério de seleção, um produto usado na linha de conexões para água fria, e outro

usado para tubulações de esgoto. Ambos os materiais possuem diferenças entre si,

sendo que as peças para água fria tendem a possuir espessuras maiores que as

peças de uso em esgotos. Essa diferença fornecerá dados importantes para analisar

cada um dos comportamentos característicos entre elas.

Após selecionado os produtos, os mesmos foram injetados em PVC (matéria

prima usada atualmente), e posteriormente em PET. Ambos foram testados

conforme os ensaios descritos nos itens a seguir.

Ensaio de Comportamento ao Calor

As conexões quando submetidas à temperatura de 150 ºC (+/- 2), durante 15

minutos para peças de espessura menor ou igual a 3 mm, ou 30 minutos para peças

com espessura maior de 3 mm, em estufa com circulação forçada de ar, não devem

apresentar após o resfriamento, bolhas ou escamas, assim como fendas,

rachaduras ou fissuras nas linhas de emenda de outra região , com profundidade

superior a 50% da espessura da parede; e danos superficiais na vizinhança do ponto

de injeção com profundidade superior a 50% da espessura da parede da peça. O

ensaio é realizado conforme a ABNT NBR 7231 e é realizado tanto nas conexões

para água fria, quanto para as de esgoto.

Ensaio de Achatamento

As conexões para água fria devem resistir a uma deflexão de 20% do maior

diâmetro externo da peça na temperatura de 20 ºC (+3 / -2), e as conexões para

esgoto devem resistir a 30%, ambas sem estilhaçar, apresentar trincas, rasgos e

delaminações nas superfícies internas e externas. Pequenas fissuras que não

ultrapassem a parede da conexão não devem ser considerados defeitos. O ensaio é

realizado conforme a ABNT NBR 6483

Ensaio de Pressão Hidrostática Interna (PHI)


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As conexões para água fria devem resistir, à temperatura de 20 ºC (+3 / -2),

durante os tempos especificados, às pressões de ensaio conforme Tabela 3.

Tabela 1 – Requisitos do Ensaio de Pressão Hidrostática Interna (NBR 5248:2010)

Temperatura de Ensaio Pressão de Ensaio Duração do Ensaio

(°C) (Bar) (minutos)

20 (+3 / -2) 36 6

32 60

Fonte: Adaptado de ABNT NBR 5248:2010 (2010, p. 15)

Quando todos os corpos de prova forem aprovados no ensaio de 6 minutos,

não será necessário efetuar o teste de duração de 60minutos. Porém, se pelo

menos um corpo de prova for reprovado no ensaio de 6 minutos, todos os corpos de

prova devem ser submetidos ao ensaio de 60 minutos. Porém, em função das

reprovas dos demais testes, esse ensaio em última estância não foi realizado. O

ensaio de PHI deve ser realizado conforme ABNT NBR 8218.

Corpos de Prova

Os produtos escolhidos para este trabalho como corpos de prova são: para a

linha de conexões de água fria, a Curva 90° Soldável de 20mm (Figura 1), tendo o

molde 4 cavidades e a massa média do produto injetado é 26,9g (em PVC).

Figura 1 – Peça da linha Água Fria escolhida para a Pesquisa

Fonte: O autor (2016)

Para a linha de conexão esgoto, foi escolhido a Luva Esgoto Secundária de

40mm, (Figura 2) o molde possui 4 cavidades, e a massa média do produto injetado

é 15,7g (em PVC).

Figura 2 – Peça da linha Esgoto escolhida para a Pesquisa


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RESULTADOS E DISCUSSÃO

O que se observou na injeção das amostras, foi a dificuldade de obter as peças

com estruturas amorfas. Por mais que a refrigeração do molde tenha sido feita com

água gelada (cerca de 15 °C ), com o intuito de não propiciar a cristalização do

material (6), devido a espessura das peças não foi possível causar um choque

térmico efetivo nas amostras. Quanto maior a espessura da conexão, maior a

dificuldade. A luva esgoto, por exemplo, que possui uma espessura de 1,7mm foi

possível de se obter uma estrutura predominantemente amorfa (isso é observado

pela translucidez da peça), porém, na extremidade das peças (onde se está

localizado o anel de reforço, com uma espessura de 3mm), a peça ficou

semicristalina (região opaca), conforme Figura 3.

Em espessuras maiores, não foi possível dissipar eficientemente o calor das

peças após a injeção, tornando essas regiões cristalinas. A obtenção de uma

estrutura amorfa é algo desejável nesta pesquisa, para um melhor desempenho das

amostras em ensaios que envolvam esforços mecânicos, pois um módulo de

elasticidade muito grande tende a causar uma fragilidade maior nas peças.

Figura 3 – Observação das Regiões Cristalinas e Amorfas na Luva Esgoto



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A curva soldável por sua vez, com uma espessura de 3mm, toda a peça se

tornou semicristalina, conforme Figura 4.

Figura 4 – Curva Soldável inteiramente Semicristalina


As propriedades do PET dependem diretamente do seu grau de cristalinidade

(5), sendo que, por exemplo, o módulo de elasticidade do PET semicristalino é muito

maior que o do PET amorfo (6). Uma estrutura “Cristalina” significa que as cadeias

poliméricas são paralelas e estreitamente empacotadas, já uma estrutura "Amorfa"

significa que as cadeias poliméricas são desordenadas. Na maioria dos polímeros

existem estruturas complexas compostas de regiões cristalinas e amorfas

coexistindo. A cristalinidade é normalmente induzida por aquecimento acima da

temperatura de transição vítrea (Tg) e é frequentemente acompanhada pela

orientação molecular (7). Na Figura 5 está representada uma estrutura

macromolecular polimérica composta por regiões cristalinas e amorfas. Materiais

plásticos não podem ser 100% cristalinos devido a não uniformidade do seu peso

molecular, porém, com o controle e manipulação das variáveis e condições de

processo, o grau de cristalinidade pode ser diminuído ou aumentado.

Figura 5 – Representação de uma Estrutura Macromolecular Polimérica Amorfa e Cristalina

Fonte: Adaptado de Crystallization Behavior of PET Materials (2011, p. 32)


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Na Tabela 2, pode-se observar o desempenho das amostras injetadas em PET

e PVC no ensaio de comportamento ao calor.

Tabela 2 – Resultado dos Ensaios de Comportamento ao Calor

Amostras PVC Amostras PET

Nº Corpo de Prova

Resultado Nº Corpo de

Prova Resultado

1 - Linha Soldável Aprovado 1 - Linha Soldável Aprovado





6 - Linha Esgoto Aprovado 6 - Linha Esgoto Aprovado





Fonte: O Autor (2016)

Nota-se que todas as amostras foram aprovadas, com destaque ao PET, por

possuir uma deformação praticamente nula se comparado às amostras de PVC,

conforme Figura 6.

Figura 6 – Corpos de Prova Linha Esgoto após ensaio de Comportamento ao Calor


Embora os corpos de prova tenham sido aprovados pelos critérios deste teste,

é possível observar ainda na Figura 6, que as peças da linha esgoto ficaram opacas

(sendo que eram translucidas antes de serem colocadas na estufa). Essa perda de

transparência evidencia que houve uma cristalização a frio do material (6). Essa

situação ocorre devido temperatura da estufa estar próxima a temperatura de


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transição vítrea (Tg) do PET (aproximadamente 70°C). A Tg é uma característica

muito importante dos materiais plásticos, sendo ela uma transição térmica de

segunda ordem que marca o início da mobilidade segmental. Abaixo de Tg as

moléculas do material permanecem imóveis e acima de Tg já uma existe mobilidade

molecular, fazendo que elas se rearranjem em estruturas cristalinas ou

semicristalinas (6).

Nos resultados dos demais ensaios observa-se que a cristalinidade do PET

afeta o seu desempenho nos testes que ocorrem esforços mecânicos, portanto,

observar que o PET se cristaliza a frio, é um ponto de atenção que deve ser levado

em consideração na análise de viabilidade. Pois, por mais que haja um choque

térmico no resfriamento das peças após a etapa de injeção, levando o PET a obter

uma estrutura amorfa após a injeção (no caso de peças com espessura fina), isso

significa que se a conexão por aplicada a uma situação que a elevem muito a sua

temperatura, o seu desempenha poderá ser comprometido.

O resultado do ensaio de achatamento para as peças da linha esgoto está na

Tabela 3. Nota-se que o comportamento do PET nesse ensaio ficou inferior ao PVC,

em alguns casos, sendo aprovado muito próximo do limite.

Tabela 3 – Resultado dos Ensaios de Achatamento Linha Esgoto


Nº CP

% Achatamento Resultado Nº CP

% Achatamento Resultado

1 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado 1 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado

2 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado 2 30,4% Aprovado

3 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado 3 32,6% Aprovado

4 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado 4 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado

5 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado 5 21,7% Reprovado


As peças da linha soldável tiveram um comportamento bastante diferente da

linha esgoto. No momento que a prensa iniciou a descida, as peças estilhaçaram-se,

ou seja, tiveram um achatamento nulo, não foram capazes de deformar-se sem

rompimento. Esse comportamento já era esperado, pois as peças com maiores

espessuras ficaram totalmente semicristalinas (aspecto opaco), o que resulta um

comportamento frágil, conforme Tabela 4.


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Tabela 4 – Resultado dos Ensaios de Achatamento Linha Água Fria


Nº CP

% Achatamento Resultado Nº CP

% Achatamento Resultado

1 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado 1 Nulo Reprovado






Um ensaio adicional foi realizado nas conexões de PET da linha esgoto,

simulando um ambiente quente e verificando se essa exposição pode afetar as

propriedades da peça. As amostras foram aquecidas numa estufa à temperatura de

60°C durante 5 horas, e após resfriadas a temperatura ambiente, foram submetidas

ao ensaio de achatamento, os resultados estão na Tabela 5.

Tabela 5 – Resultado dos Ensaios de Achatamento das Conexões PET após 5 horas à 60 °C

Nº CP % Achatamento Resultado

1 26,1% Reprovado

2 13% Reprovado

3 26,1% Reprovado

4 Fim do Curso da Prensa (72%) Aprovado

5 17,45 Reprovado


Conforme se observa na Tabela 5, o comportamento foi inferior. Essa situação

ocorre devido ao rearranjo das cadeias moleculares propiciadas pelo aquecimento

do material. Embora os corpos de prova não tenham sido submetidos a

temperaturas acima da Tg (o que ocasionaria uma cristalização a frio), já foi possível

observar que o comportamento mecânico foi alterado. É valido ressaltar que a 60 °C

durante 5 horas, os corpos não perderam sua transparência da forma que foi

observado nos ensaios a 150 °C (conforme Figura 6).

Os resultados dos ensaios de pressão hidrostática interna (PHI) também foram

inferiores ao PVC, conforme pode ser observado nas Tabelas 6 e 7. Sendo que na

Tabela 6, o resultado é obtido pelo ensaio conforme a ABNT.


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Tabela 6 – Resultado dos Ensaios de Pressão Hidrostática Interna (Conforme ABNT)


Nº CP

Resultado Observação Nº CP

Resultado Observação

1 Aprovado

1 Aprovado

2 Aprovado

2 Aprovado

3 Aprovado

3 Aprovado

4 Aprovado

4 Reprovado Estourou com 1:34 minutos

5 Aprovado

5 Aprovado


Na Tabela 7 o ensaio foi realizado aumentando progressivamente a pressão

nas amostras, até seu rompimento, com o intuito de observar o máximo de pressão

que elas suportariam.

Tabela 7 – Resultado dos Ensaios de Pressão Hidrostática Interna (Limite Máximo de Carga)


Nº CP

Comportamento Nº CP

Comportamento

1 Resistiu até o limite do equipamento (80 bar) 1 Rompeu em 61 bar




CONCLUSÕES

Embora o PET seja reconhecido como um material com boas propriedades

térmicas e mecânicas, para a sua aplicação em conexões para construção civil, ele

não se mostrou viável. A inviabilidade é basicamente em razão da dificuldade de

obter as peças com uma estrutura amorfa, tornando os corpos de prova bastante

frágeis, principalmente em espessuras acima de 2,5mm. Para o ensaio de

comportamento ao calor, o PET foi aprovado com um comportamento bem superior

ao PVC, porém as amostras tendem a se cristalizar a frio (tornando seu

comportamento frágil após essa exposição ao calor). Já ao aplicar esforços

mecânicos nos corpos de prova, as amostras se mostraram bastante quebradiças.

As amostras escolhidas para este teste são as menores bitolas de cada linha

de produto (água fria e esgoto), portanto, as bitolas maiores possuem maiores

espessuras e o comportamento aos testes tende a piorar.


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Os resultados dos testes sugerem que as conexões devem ser produzidas com

materiais que possuam uma maior tenacidade, ou seja, possam absorver maiores

esforços antes de romper-se. O PET, por sua vez, possui uma grande resistência

mecânica devido ao seu módulo de elasticidade, porém, essa característica vem

acompanhada de fragilidade, não sendo viável para produção de conexões para

construção civil. O PVC por sua vez, com um menor módulo de elasticidade, já é

capaz de suportar os esforços e romper-se com maior dificuldade, devido a sua

capacidade de deformar-se com maior facilidade que o PET.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a empresa que cedeu as injetoras, moldes e o PVC

para a realização dos testes; à UNISOCIESC, pela bolsa de estudos e pelo auxílio

nas diversas caracterizações realizadas e à INAN Plásticos pela disponibilização do

PET.

REFERÊNCIAS

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Antonio Jr. Reticulação de Plastissóis de PVC Utilizando Resina Epóxi Polifuncional: Síntese e Caracterização. Polímeros, São Carlos, v. 23, n. 4, p. 501-508, Junho. 2013.

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Nathassia D. de; SALVADOR, Vitor T.; BUENO, Maria Izabel M. S. Quantificação de Antimônio em Garrafas de Politereftalato de Etileno (PET) Brasileiras por Fluorescência de Raios-X e Avaliação Quimiométrica para Verificar a Presença de PET Reciclado Através do Teor de Ferro. Quim. Nova, São Paulo, v.34, n.8, p.1389-1393, Junho. 2011.

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6. RABELLO, M. S.; WELLEN, R. M. R. Estudo da cristalização a frio do poli

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7. DEMIREL, Bilal. YARAS, Ali; ELÇIÇEK, Hüsseyin. Crystallization Behavior of

PET Materials. BAÜ Fen Bil. Turquia, v. 3, p. 26-35. 2011. FEASIBILITY ANALYSIS FOR REPLACEMENT OF FITTINGS INJECTED IN PVC

FOR PET IN CIVIL CONSTRUCTION BRANCH

ABSTRACT

For several decades PVC is used in the manufacture of pipes and fittings for the construction industry. However, their use requires a high investment by industries due to the need to buy special equipment that can withstand exposure to the acid. The objective of this research is to study the replacement of PVC by PET, being this a polymer that has excellent mechanical and thermal properties. With the use of PET was estimated to reduce high processing costs due to the ease of processing it on PVC. In addition to providing the use of hot runner in the mold and prevent worker exposure to hydrochloric acid. However, due to the semicrystalline structure of PET (As noted in the DSC test), the connections become very rigid and with a brittle behavior during testing determined by ABNT (heat behavior, flattening and internal hydrostatic pressure) not being PET feasible for this application. Keywords: Poly(ethylene terephthalate); Fittings for Civil Construction; Poly(vinyl chloride); Injection Molding.


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