Sustentabilidade e rentabilidade com fibra P84

[Textile Industry]

Fonte:|meiofiltrante.com.br|

Fibra de P84
A fibra de poliimida aromática (PI), conhecida comercialmente como P84, pode ser utilizada como matriz polimérica em compósitos reforçados com fibras e
mais recentemente, como um material formador de interfase em mangas
filtrantes aplicadas à indústria cimenteira e aciaria. Além de serem
usadas na filtração, também se utilizam na fabricação de roupas
protetoras para os pilotos de fórmula 1 e para bombeiros, devido à ótima
estabilidade térmica.
As poliimidas de alto desempenho representam uma importante classe de fibra, por apresentarem vantagens como:
excelente estabilidade térmica, resistência a solventes, boa resistência
mecânica, boa tenacidade, excelente estabilidade dimensional, baixo
coeficiente de atrito, baixa emissão de gases e resistência à fluência e
ao desgaste. A cor característica de amarelo ouro caracteriza a fibra
como uma das mais bonitas.

A fibra de P84 tem boa resistência química quando submetida a condições
adversas ácidas ou alcalinas. Sofre oxidação acima de 15% de O₂
em volume no processo. Não propaga chama ao ar atmosférico, pois tem
LOI de 38%, necessitando de oxigênio para propagar a chama. Boa
resistência à hidrólise, pois resiste até 40% de H₂O em volume.
Com gases ácidos no processo, resiste até 20% de H₂O em volume. Temperatura de trabalho até 240ºC e picos em 250ºC. Tem T_g em torno de 349ºC e temperatura de início de decomposição em 378ºC.
A estrutura química básica da fibra mostra que ela consiste de unidades aromáticas, que dão resistência a cadeia carbônica.

Rota Sintética de Obtenção da P84
As poliimidas aromáticas podem ser preparadas por uma variedade de rotas
sintéticas. A rota sintética mais utilizada, que consiste de um
procedimento em duas etapas:
1- A produção do poli(ácido âmico), PAA, utilizando-se um dianidrido aromático e uma diamina aromática em
solventes polares apróticos, tais como n-metil-pirrolidona (NMP),
dimetil acetamida (DMAc) ou dimetil formamida (DMF); e
2- A conversão do PAA em PI pela reação de condensação (desidratação do PAA), chamada de imidização.

Geometria da Fibra
Comparada com outras formas de fibras, a principal vantagem da PI é a sua estrutura multilobal (Figura 4a). A seção transversal irregular dos
poros, cujo formato oferece 90% a mais de superfície filtrante, permite
um ótimo fluxo de ar com maior probabilidade de incidência dos
particulados finos por interceptação direta ou difusão nas fibras.

 

A geometria multilobal da fibra, com diâmetro 30% maior (Figura 5a) em relação a fibras circulares (Figura 5b), aumenta proporcionalmente a probabilidade de captura de particulados finos
devido à maior área de contato com a fibra (Figura 6a).

 

Filtração
No começo do processo de filtração, temos a fibra limpa (Figura 7a).
Após a formação da torta sobre a fibra (Figura 7b), temos uma área
multilobal superior de acúmulo de particulados, que garantem uma
homogeneidade maior na filtração. Fibras com alta área de captura
proporcionam menor variação de perda de carga no filtro, devido a ter
uma espessura de torta constante sobre o meio filtrante.

Características de filtração com P84:
· Facilidade na coesão e adesão das partículas as fibras de P84.
· A estrutura de filtração do meio filtrante é transferida para a torta permanente.
· Torta de filtração permanente, evitando variação de perda de carga no filtro.
· Baixo título da fibra, o que significa uma diminuição do tamanho do poro dos feltros utilizados na filtração.
· Sentido construído a partir de fibras multilobais finas (área de superfície elevada).

Devido à estrutura multibal do P84, fechando os interstícios do não tecido,
proporciona desenvolver materiais com maior gramatura
(g/m²), dependendo apenas do título da fibra (dtex). Este incremento na
gramatura não eleva a espessura do material, que repercute em eficiência
de filtração e aumento da vida útil do elemento filtrante. Uma fibra
com desempenho próximo ao P84 é a PPS trilobal. Mas mesmo a fibra PPS
trilobal, não atinge os padrões da poliimida aromática, conforme mostra a
Figura 9.

Para particulados grandes, acima de 25 μm, a filtração representa a “batida”
da partícula contra um obstáculo, fazendo diminuir sua energia e
separar-se do fluxo gasoso por intercepção no corpo coletor. Entretanto,
para partículas pequenas, menores que 3 μm, o seu movimento é aleatório
pelos caminhos do gás, baseado na sua temperatura maior do que seu
peso. Para estas partículas, aumentar a gramatura do não tecido sem
alterar a espessura conduz a uma probabilidade maior de incidência por
difusão pelo têxtil, até a retenção final dos particulados finos na
fibra, mostrado por MEV na Figura 10.

Caracterização da Fibra
Para a caracterização do polímero de P84, utilizaram-se as seguintes metodologias:
a) FTIR: espectroscopia infravermelha com transformada de fourier, para a identificação dos grupamentos da cadeia da poliimida aromática. O
aparelho mede a freqüência à qual esta absorve radiação, descrevendo o
sinal obtido em um gráfico bidimensional, com a variação na intensidade
da transmitância versus o número de onda.
As principais adsorções mostradas no espectro estão em: dublete em 1782 e 1676 cm^-1 proveniente do grupo C=O cetona; 1742 cm^-1 associada a contribuições de C=O imida; 1619 cm^-1 de C=C aromático; 1296 cm^-1 para CN imida; 818 cm^-1 para C=H aromático e 757 cm^-1 pela existência de pontes de H (Figura 11).

b) DSC: calorimetria diferencial de temperatura, para determinar a transição vítrea (T_g), que corresponde a uma transição de segunda ordem, caracterizada pelo
aumento na mobilidade das cadeias de polímeros amorfos ou
semi-cristalinos. Esta transição provoca mudanças em algumas
propriedades físicas do polímero, tais como: densidade, calor específico
e módulos mecânicos. Em muitas aplicações, as resinas poliméricas são
usadas em temperaturas bem abaixo da T_g. Geralmente, quando o material é colocado em ambiente higrotérmico a T_g sofre mudança e, portanto, a temperatura adequada de serviço do material muda. Estas modificações na T_g refletem o grau de plastificação ou fragilização da resina e as interações água/resina ocorridas no material.
Na Figura 12, a T_g é identificada em 349,945ºC e um fluxo de calor de 20,0779 mW. A temperatura de fusão (T_m), onde o material começa a fundir, é identificada em 378ºC no gráfico.

Simulação Laboratorial
Outros trabalhos técnicos de pesquisa foram desenvolvidos em laboratório com o
programa teste VESA (Variable Environmental Simulation Analysis), sob
condições controladas e padronizadas, para determinar o desempenho dos
têxteis em situações adversas e não para determinar para que fim o
tecido deva ser aplicado.
A maioria dos testes foi executada depois da ocorrência de falhas ou problemas, para se determinar sua causa e o
que fazer para evitá-las no futuro. Os principais resultados são
listados:
· Um dos fatores que contribui para o aumento do custo operacional na filtração é a queda de pressão no filtro, que usa um ventilador para movimentar os gases pelo filtro.
Nesta situação experimental (Figura 13), o filtro de P84 apresenta uma menor
queda de pressão em comparação ao PPS (Polifenilsufeto), NO (m-Aramida) e
PTFE GL (Fibra de Vidro com Membrana). A pressão diferencial está
relacionada à superfície da fibra, a “consistência batt” (com relação ao
tamanho dos poros). O desempenho e a eficiência da filtração estão
interligados ao baixo consumo de energia, para ter uma perda de carga
constantemente baixa e pequeno entupimento dos poros do têxtil. Assim, o
número total de ciclos de limpeza será dramaticamente reduzido.

· Uma das avaliações mais importantes está na taxa de emissão. Nota-se a vantagem da P84 multilobal, 47,9% menos de emissão, em comparação com a fibra de PPS. Ambas as fibras eram denier 2,0;
gramatura de 550 g/m² e superfícies chamuscadas (Figura 14). Outros resultados são obtidos se analisarmos a eficiência de ambos não tecidos, quanto relacionados com a taxa de 10 mg/Nm³ de emissão de particulado, com maior eficiência para o P84 (Figura 15).

· O segundo fator que contribui para o aumento do custo operacional é a queda de pressão no filtro de mangas, que usa um ventilador para movimentar os gases pelo filtro.
Nessa situação, o filtro com mangas de P84 apresenta uma menor queda de pressão do que com mangas de PPS.

 

· O bromo (Br2) está normalmente presente nos gases de combustão nas caldeiras acionadas por
carvão, dos incineradores de lama de esgoto e dos incineradores de lixo.
Neste sentido, os resultados mostram o P84 com boa resistência química
ao bromo em temperatura ambiente, já os outros materiais tiveram sua
tenacidade reduzida sensivelmente (Figura 17a). O segundo gráfico é
semelhante ao anterior, mostra a degradação acentuada das fibras de PPS e
NO. A diferença está no fato de a degradação das fibras aumentarem
devido o aumento da temperatura para 170ºC (Figura 17b).

 

· O dióxido de nitrogênio (NO₂) é gerado a partir do óxido nítrico (NO) entre 600 e 800ºC no
incinerador. Os óxidos de nitrogênio em alta concentração são
encontrados nos fornos, nas caldeiras acionadas por carvão e nos
incineradores de lixo, devido às altas temperaturas de operação até
1400ºC. Semelhante aos SOx, os NOx contêm um certo nível de dióxido de
nitrogênio, dependendo do teor de oxigênio no gás combustível, da
temperatura e das condições do aquecedor. Comprovou-se que somente o
teor de dióxido de nitrogênio (NO₂) causa a degradação da
fibra por oxidação, com queda acentuada da tenacidade. Neste caso foi
usada uma temperatura muito elevada para diminuir o tempo dos testes
(Figura 18). Já o gráfico seguinte (Figura 19), mostra a degradação da
fibra em nível mais acentuado, menos tempo, devido ao ataque químico com
o dobro de dióxido de nitrogênio.

 

· Os testes em situações extremamente adversas a 240ºC e 6.500 mg/Nm³
de ácido clorídrico (HCl), demonstram o bom desempenho do P84 com pouca
perda de tração, frente aos outros materiais filtrantes possíveis a
serem utilizados (Figura 20), contando que não haja nenhuma situação
desfavorável e/ou ultrapassagem do ponto de orvalho ácido. Os resultados
demonstram a deterioração da fibra de vidro (GL) de uma maneira
bastante significativa. Este talvez seja um dos fatores que limitam a
vida útil das membranas em fibra de vidro (PTFE/GL).

· O dióxido de enxofre (SO₂) é um composto do gás combustível presente em altos níveis nos gases em
caldeiras acionadas por carvão e incineradores de lixo. Devido sua
natureza, este gás não produz ácido sulfúrico, é necessária a presença
de umidade para ocorrer a sulfonação, que é o principal problema para a
maioria dos meios filtrantes.
O ácido sulfúrico é gerado no ponto de orvalho ácido, permanece no
material filtrante e causa a deterioração da fibra. Os resultados
mostram que mesmo ultrapassando o ponto de orvalho ácido em tais
condições, não danifica a poliimida aromática, pois ocorreu uma baixa
perda de tração (Figura 21). Na prática, em processos industriais temos
sempre uma combinação de várias condições (acidez, óxido de enxofre, umidade e temperatura)
e isso interfere na performance das fibras, mostrada na Figura 22. A
alta temperatura e umidade associada, demonstrada neste caso, acelera o
processo de degradação e a perda da resistência da tração em maiores
níveis.

 

Produção da Tela de P84

Produção do não tecido de P84

Mangas de P84
As características de filtração superior são obtidas mesmo em
aplicações que não exigem tanto das propriedades térmicas próprias do
P84. Nestes casos, o véu superior da fibra aumenta a eficiência do
material filtrante, com menor perda de carga. Ainda assim, o produto tem
um custo moderado.

Principais Mercados
Asfalto, cerâmica, cimento e cal, fundição, geração de energia e siderurgia.

Conclusões
Uma sensível aplicação à hidrólise e ao entupimento do não tecido, são
as plantas de calcinação e gesso. O P84 superou o desempenho das fibras
m-aramidas e PPS, apresentando uma vida útil excepcional e ótimo
desempenho na filtração. As fibras de P84, mesmo nestes ambientes, fazem
enorme sucesso.
Excelentes taxas de emissão com apenas 4 mg/Nm³, para tratamento de lixo e geração de energia.
Aplicação em aciarias controladas operacionalmente com taxa de emissão de 1 a 2 mg/Nm³, com até 3 anos de uso de mangas de P84.
Certas operações como fornos de cimento e de despoeiramento de
moinhos, são de baixo consumo de energia para o ventilador, por causa do
tamanho da instalação. Uma estimativa da economia de energia, em
condições normais, com baixa perda de pressão, para a maioria de filtros
de mangas é de 200 kWh/m²/ano. Estes cálculos foram feitos a
partir de uma velocidade de filtração de 1,2 m/min e de uma perda de
carga de 120 mmCA, apresentando uma redução de 10% em ΔP.

Me. Luciano Peske Ceron Engenheiro Químico, Doutorando em Engenharia de Materiais (PUCRS), Mestre em Engenharia de Materiais (polímeros/não tecidos), Especializações em Gestão Ambiental e Gestão Empresarial. É responsável pela Engenharia da Renner Têxtil Ltda, atividade que integra as funções de engenharia de aplicação e assistência técnica. [e-mail] Skype: Luciano.rennertextil www.rennertextil.com.br