Avaliação de painéis sanduíche produzidos com núcleo de caixas de ovos e lâminas de paricá

Evaluation of sandwich panels produced with egg carton core and paricá veneers

Resumo

Em busca de novos materiais a partir de resíduos industriais, visando ao custo, à eficiência e à redução do passivo ambiental, este trabalho teve como objetivo avaliar as características físicas, mecânicas, acústicas e térmicas de painéis sanduíche produzidos com lâminas de Schizolobium amazonicum (paricá) e núcleo de caixa de ovos feitos de papelão coladas com o adesivo fenol-formaldeído (FF) e com o adesivo ureia-formaldeído (UF), intercalando-se estas com lâminas coladas com ambos (FF+UF). Os painéis foram avaliados por meio de ensaios térmicos, acústicos, físicos e mecânicos. Os adesivos FF e UF influenciaram nas propriedades físico-mecânicas dos painéis. Para a condutividade térmica e resistência térmica, verificou-se que todos os painéis atingiram as exigências normativas da NBR 15220 (ABNT, 2005), com destaque para os painéis produzidos com FF. Sendo assim, a utilização das lâminas de paricá de 32x12x0,2 cm (comprimento, largura e espessura respectivamente) e de caixa de ovo como núcleo com adesivo se mostrou promissora para algumas aplicações na construção civil, além de agregar valor aos resíduos de caixa de ovo como isolantes térmicos e acústicos, por minimizar o descarte de matéria-prima no meio ambiente.

Palavras-chave:
Adhesives; Painel sanduíche; Paricá; Sustentabilidade

Abstract

In search of new materials from industrial waste, aiming at cost, efficiency and reduction of environmental liabilities, this study aimed to evaluate the physical, mechanical, acoustic and thermal characteristics of sandwich panels produced with sheets of Schizolobium amazonicum (paricá) and egg carton core made of cardboard, glued with adhesive phenol formaldehyde (FF), urea formaldehyde (UF) and interleaved the sheets glued with both. The panels were evaluated through thermal, acoustic, physical and mechanical tests. The FF and UF adhesives influenced the physical-mechanical properties of the panels. For thermal conductivity and thermal resistance, it was found that all panels met the normative requirements of NBR 15220 (ABNT, 2005) with emphasis on panels produced with FF. Therefore, the use of paricá sheets 32x12x0.2 cm (length, width and thickness, respectively) and egg box as a core with adhesive, proved to be promising for some uses in civil construction, in addition to adding value to the egg crate residues as thermal and acoustic insulators, can minimize the disposal of raw material in the environment.

Keywords:
Adhesives; Sandwich panel; Paricá; Sustainable

Introdução

A indústria da construção civil é um dos segmentos industriais mais críticos com referência aos impactos ambientais, sendo considerada um dos principais geradores de resíduos sólidos da sociedade (EVANGELISTA et al., 2010). Os resíduos decorrentes do processo construtivo das paredes de alvenarias, por exemplo, são responsáveis por uma grande parte do desperdício na obra, com mais degradação do meio ambiente, maior tempo de mão de obra e impacto no custo final da construção (PINHO; LORDSLEEM JUNIOR, 2009). As alvenarias são consideradas um dos elementos mais utilizados no processo construtivo tradicional, uma vez que possuem uso comum para divisórias de ambientes internos, como unidades portantes. Além disso, apresentam características de isolamento térmico e acústico (JOYKLAD et al., 2022).

De modo a reduzir os impactos causados pela construção civil, observa-se na literatura corrente a preocupação de pesquisadores no desenvolvimento de métodos e materiais alternativos que gerem menos impactos na natureza e que permitam desempenho satisfatório das estruturas nas quais serão empregados (SILVA et al., 2018). Uma alternativa é o sistema construtivo em que se utilizam painéis sanduíche, o qual pode proporcionar boas características de resistência, durabilidade e isolamento térmico e acústico, podendo ser uma alternativa vantajosa em relação a outros métodos construtivos tradicionais, como os que utilizam paredes de alvenaria ou sistemas pré-fabricados de concreto (MOTTA et al., 2016; GAGLIARDO; MASCIA,2010).

Os painéis sanduíche são geralmente confeccionados com duas chapas finas na face, tendo alta rigidez e resistência, no entanto o núcleo é flexível e leve, o qual mantém distância entre as faces e sustenta a deformação. Além disso, pode ter propriedades de isolamento (LAKREB et al., 2015). Os painéis à base de madeira, por exemplo, geralmente têm excelente desempenho mecânico, com peso mínimo, e são econômicos, podendo ser utilizados em muitas aplicações industriais e residenciais, como em telhados, fachadas, paredes, divisórias e pisos (HASELI et al., 2018).

Geralmente os painéis sanduíche à base de madeira têm suas faces feitas de tábuas, lâminas de madeira ou compensado (MARTÍNEZ et al., 2016). Os compensados apresentam múltiplas aplicações, e o tipo de uso depende principalmente do adesivo aplicado. Os painéis produzidos com adesivo fenólico, por exemplo, são utilizados na construção civil, como formas de concreto, pisos e alvenaria, entre outros, enquanto os painéis produzidos com adesivo ureico são utilizados principalmente na produção de móveis, como constituintes de divisórias ou outras aplicações de uso interior (CUNHA et al., 2016).

Os adesivos à base de ureia-formaldeído (UF) têm muitas vantagens e são um dos adesivos mais populares. Entre as vantagens estão o baixo custo, a cor e a facilidade de trabalho, porém possuem baixa resistência à umidade. O fenol-formaldeído (FF) é o mais utilizado na produção de painéis para fins estruturais destinados ao ambiente externo, com ou sem proteção, como compensados e OSB (IWAKIRI et al., 2019).

Para o núcleo dos painéis sanduíche, as propriedades de interesse incluem baixa densidade e boas características de isolamento térmico e acústico (ZENKERT, 1997; VINSON et al., 1999). No entanto, há diversos estudos em busca da utilização de resíduos para a confecção de núcleos de painéis sanduíche, como garrafa pet (SOUSA et al., 2018), isolante de resíduo industrial do setor calçadista (DELFINO, 2012) e partículas de bagaço de cana-de-açúcar (POZZERet al., 2020). Levando-se em conta isso, os resíduos comerciais de papelão, tais como as caixas de ovos, possuem características isolantes interessantes para reutilização em painéis sanduíche, devido à forma corrugada e à baixa densidade.

Diante do exposto, este trabalho teve como objetivo desenvolver e avaliar o desempenho de painéis sanduíche como um possível sistema construtivo utilizando-se lâminas de madeira de Schizolobium amazonicum (paricá) e núcleo de caixa de ovos feita de papelão, colados com adesivos FF e UF. Por ser a madeira de paricá uma espécie nativa das regiões Norte e Nordeste do Brasil, apresenta rápido crescimento (DUTRA et al., 2017), tolerância à baixa fertilidade do solo, facilidade de manejo (SILVA et al.,2020) e baixa incidência de defeitos, o que reflete no aumento do rendimento e na qualidade do compensado (IWAKIRI et al., 2011; MODES et al., 2014). Ainda, a reutilização das caixas de ovos proporciona diminuição da degradação ambiental e valorização do produto final.

Material e métodos

Produção dos compósitos

Para a produção dos compósitos, utilizou-se a madeira de Schizolobium amazonicum (paricá), nas seguintes lâminas:

1. de 12x12x0,2 cm para painéis destinados aos ensaios de isolamento acústico e térmico; e

2. de 32x12x0,2 cm para painéis destinados aos ensaios mecânicos e físicos.

3. Para cada tratamento foram produzidos 9 painéis, totalizando 27.

Cada face dos painéis foi composta de três lâminas intercaladas de forma cruzada, conforme a direção da grã das lâminas adjacentes. Para colar as faces dos painéis com o miolo composto de caixas de ovos foram utilizados os adesivos FF para um tratamento e UF para outro. Já outros 9 painéis foram feitos intercalando-se as lâminas coladas com UF+FF, onde a face superior dos painéis foi composta de lâminas feitas com FF, sendo utilizado esse mesmo adesivo para colar a parte superior do miolo na lâmina. Já para a face inferior dos painéis, utilizaram-se as lâminas coladas com o adesivo UF, e para colar a parte inferior do miolo, ou seja, a caixa de ovo nas lâminas, foi usado o mesmo adesivo UF. A gramatura dos adesivos utilizada foi de 100 g/m².

Após o processo de colagem, foi aplicada uma prensagem a quente a 150 ºC a uma pressão de 0,1 MPa em prensa hidráulica por 8 min. Para a avaliação das propriedades físicas, mecânicas e acústicas, e análise de isolamento térmico, os painéis foram acondicionados na sala de climatização a uma temperatura de 20±2 ºC e umidade do ar de 65±3%.

Determinação das propriedades físico-mecânicas

Após a estabilização dos painéis em sala climatizada, eles foram submetidos aos ensaios físico-mecânicos. A propriedade física determinada foi a densidade aparente. O ensaio mecânico realizado foi o de flexão estática, no qual foram determinados os Módulos de elasticidade (MOE) e de ruptura (MOR), conforme a NBR 7190 (ABNT, 1997).

Isolamento térmico

Para a determinação do isolamento térmico dos painéis sanduíche, foi utilizado o método descrito por Mendes et al. (2021), através de um atuador térmico na parte inferior, mantendo a temperatura em torno de 60 ºC. As temperaturas foram registradas por meio de sensores. A taxa de aquecimento foi de 1 ºC/min, e o ciclo, de 1 h. Os dados foram registrados durante esse período por sensores utilizando equipamento data collector, modelo IM DC 100-01E. Os resultados de isolamento térmico do material foram obtidos pela diferença dos termopares da base do padrão e do topo, conforme ilustrado na Figura 1. Os valores referentes à condutividade térmica, à resistência térmica e à transmitância térmica foram obtidos conforme a NBR 15220 (ABNT, 2005).

Isolamento acústico

Para a avaliação do isolamento acústico foram utilizadas duas caixas confeccionadas com painéis de madeira sobrepostas uma sobre a outra (Figura 2a). O compósito ficou entre as duas caixas, apoiado sobre uma placa de espuma acústica, de modo que o ele formasse uma barreira acústica (Figura 2b). Foram utilizados um microcomputador, dois alto-falantes (50 W RMS e resposta de frequência de 22 Hz a 30.000 Hz), conforme a Figura 2c, e um decibelímetro. Na saída de áudio do microcomputador foi conectado o alto-falante, fixado no interior da caixa de painel de madeira, de modo que o som transmitido passasse pelo compósito e sem a presença do compósito. Todo o ruído transmitido foi medido pelo decibelímetro, seguindo as recomendações da NBR 12179 (ABNT, 1992) e da ISO 10534-2:1998 (INTERNATIONAL..., 2010).

Análise estatística

Os ensaios foram analisados obedecendo-se a um delineamento experimental inteiramente casualizado, sendo utilizados três painéis para cada parâmetro, conforme indicado na Tabela 1, totalizando três repetições para cada ensaio. Os dados obtidos com os ensaios físico-mecânicos, isolamento térmico e isolamento acústico foram analisados estatisticamente pelo Teste de Tukey, a 5% de significância, após a análise de variância. As análises foram realizadas com o auxílio do programa estatístico R.

Resultados e discussão

Determinação das propriedades físicas e mecânicas

Na Tabela 2 são apresentados os resultados de densidade aparente, de MOE e de MOR obtidos para os painéis sanduíche em valores médios. Nota-se que os painéis sanduíche apresentaram baixa densidade (0,12 g/cm3 e 0,14 g/cm3), pois são inferiores a 0,5 g/cm³ (SRIVARO et al., 2014). Observa-se também que os painéis produzidos com UF foram os que apresentaram maior densidade.

Figura 1
Diagrama para obtenção da condutividade térmica dos painéis sanduíche

Figura 2
Equipamentos utilizados para a obtenção do isolamento acústico dos painéis sanduíche

Tabela 1
Plano experimental

Adesivos	Parâmetros	Repetições
UF	Densidade aparente e flexão estática
	Isolamento térmico	3
	Isolamento acústico
FF	Isolamento térmico
	Isolamento acústico	3
	Densidade aparente e flexão estática
UF + FF	Isolamento térmico
	Isolamento acústico	3
	Densidade aparente e flexão estática

Tabela 2
Valores de densidade aparente, módulo de elasticidade (MOE) e módulo de ruptura (MOR) dos painéis

Adesivos	Densidade Aparente (g/cm3)	MOE (MPa)	MOR (MPa)
UF	0,146A	22,30A	1,61A
FF	0,127B	14,71B	1,34C
UF+FF	0,133B	17,97B	1,52B
CV (%)	4,34	15,63	8,16

• Nota: médias seguidas pela mesma letra na coluna não diferem entre si pelo Teste de Tukey a 95% de probabilidade.

Segundo Matos et al. (2019) , a maioria das aplicações de painéis de baixa densidade é de uso não estrutural, como móveis, divisórias, paredes, etc., que podem ser utilizados sem restrições, tendo sua instalação inclusive facilitada, por serem mais leves. Logo, os valores encontrados para a densidade aparente dos painéis se mostram adequados, com destaque aos painéis produzidos com adesivo FF e UF+FF. Outra característica importante é que materiais menos densos possuem melhor absorção acústica e térmica, devido à presença de poros, logo podem ser utilizados para otimizar o isolamento térmico e acústico de forros e revestimentos de paredes.

Neste trabalho se verificou que a densidade influenciou diretamente as propriedades mecânicas dos painéis sanduíche, uma vez que foram encontrados maiores valores de MOE e de MOR para os painéis sanduíche produzidos com adesivo UF (Tabela 2). Para os painéis produzidos com adesivo FF e UF+FF não foram verificadas diferenças estatísticas nos valores de MOE. Já para os valores de MOR foram encontrados maiores valores para os produzidos com adesivo UF+FF em relação aos produzidos com adesivo FF, fato que chama a atenção, uma vez que o adesivo FF é o mais utilizado na produção de painéis para fins estruturais (IWAKIRI et al., 2019) e geralmente apresenta valores mecânicos maiores do que o adesivo UF (OLIVEIRA et al., 2021).

Bahrami et al. (2020), ao estudarem painéis sanduíche com o núcleo de papel picado com adesivo UF e FF, concluíram que a densidade do painel teve efeito significativo na melhoria da resistência à flexão, que aumentou com o aumento da densidade, fato também observado no presente estudo. O tipo de adesivo também teve efeito significativo na resistência à flexão do painel sanduíche. Neste caso, o adesivo FF melhorou a resistência à flexão em comparação com o adesivo UF, fato oposto do presente estudo.

Em contrapartida, estudos também indicam maiores valores de MOE para painéis compensados de pínus com adesivo UF em relação aos painéis de pínus com adesivo FF (MATOS et al., 2019). Conforme Matos et al. (2019), os painéis confeccionados com adesivo UF podem ter sido beneficiados com a presença de lâminas de lenho adulto, o qual apresenta densidade e propriedades mecânicas superiores. Entretanto, não houve controle desse fator no experimento, da mesma forma que no presente estudo.

Em comparação aos painéis sanduíche com outros tipos de adesivo, Motta et al. (2016) encontraram valores de MOE para painéis produzidos com matriz de poliéster reforçada com fios de rami e miolo de bucha vegetal de 27,18 MPa, e para os miolos de EPS (poliestireno expandido) e adesivo epóxi incolor e EPS e adesivo epóxi cinza de 11,97 MPa e de 9,93 MPa respectivamente. Os valores de MOE encontrados neste trabalho para os painéis sanduíche se mostram próximos aos encontrados pelos referidos autores, fato vantajoso, uma vez que os adesivos UF e FF são mais baratos. Já Jin et al. (2015), estudando painéis sanduíche de núcleo de treliça 2D à base de madeira bétula (Betula platyphylla Suk) com adesivos EPI (emulsão polimerizada com isocianato),obtiveram para o MOR uma média de 7,74 MPa, valor superior quando comparado ao presente estudo, fato esperado, pois o adesivo EPI apresenta maior resistência mecânica.

A NBR 15575-4 (ABNT, 2013), que especifica os requisitos para sistemas de vedações verticais, não determina valores mínimos de MOR e de MOE, podendo os painéis ser utilizados como divisórias, desde que atendam aos requisitos das demais propriedades determinadas por essa normativa.

Isolamento térmico

Na Tabela 3 se verifica que os valores de condutividade térmica, resistência térmica e transmitância térmica dos painéis sanduíche produzidos com o adesivo FF foram diferentes estatisticamente em relação aos painéis produzidos com UF e UF+FF. Essa diferença pode ser explicada pelos tipos de adesivo e pelos valores de densidade aparente. Diante da literatura, afirma-se que painéis produzidos como adesivo UF apresentam excelentes propriedades térmicas em relação aos painéis produzidos com FF (MOSLEMI et al., 2020; CIRRIK, 2021). Observa-se também que os painéis produzidos com o adesivo FF apresentam menor densidade e que materiais com baixa densidade geralmente apresentam menor condutividade térmica (STEINHAGEN, 1977). A condutividade térmica é a propriedade de um material que desempenha um papel fundamental em todos os cálculos de transferência de calor, seja no contexto do projeto de edifícios energeticamente eficientes, seja no cálculo do perfil de temperatura (BATTACHERJEE; KRISHNAMOORTHY, 2004).

Conforme a NBR 15220 (ABNT, 2005), para que painéis apresentem característica de material isolante térmico, os valores de condutividade térmica devem ser inferiores a 2W/m.K. Sendo assim, todos os painéis estão em conformidade com o recomendado. Comparado a outros materiais de construção tradicionais, como tijolo de barro vermelho de 0,93 W/m.K e bloco de concreto oco de 0,68 W/m.K (RAMIREZ et al., 2012), a condutividade térmica encontrada nos três tratamentos do presente estudo apresentaram resultados adequados, do mesmo modo quando comparado a outros painéis de madeira, como painel de madeira laminada colada cruzada (MLCC) de pínus de 0,34 W/m.K (FURTINI et al., 2021) e painel cimento madeira de pínus de 0,29 W/m.K.

Wang et al. (2020) e Haseli et al. (2018) afirmam que painéis do tipo sanduíche possuem valor satisfatório de condutividade térmica. No entanto, quanto menor a condutividade térmica, maior é o isolamento térmico proporcionado pelo material, tornando-se interessante a aplicação desses painéis sanduíche como isolantes térmicos.

Em relação à resistência térmica, observa-se que os painéis feitos com adesivo FF apresentaram maior resistência, sendo esse fato favorável, pois, quanto maior a resistência térmica, menor será a transmissão de calor. De acordo com a NBR 15220 (ABNT, 2005), a resistência térmica deve ser acima de 0,02 m².K/W, logo todos os painéis se mostram resistentes à transmissão de calor. Conforme Costa (2003), a condutividade térmica tem ligação direta com a RT, logo, quanto menor for a condutividade térmica, maior será a resistência térmica, fato confirmado neste estudo.

Quanto à transmitância térmica, os valores encontrados não atendem à NBR 15220 (ABNT, 2005), que indica para vedações externas U≤3,60. Conforme Ahmad et al. (2014), a transmitância térmicadepende da orientação da parede e das condições climáticas locais, logo os valores encontrados no presente estudo podem sofrer variância em diferentes locais e orientações.

Isolamento acústico

Na Figura 3 se observa que os painéis sanduíche produzidos obtiveram comportamento semelhante independentemente do tipo de adesivo usado quanto ao isolamento acústico, atingindo a média de redução de ruídos de 30 dB. Segundo a normativa NBR 15575-4 (ABNT, 2013), em áreas de vedação externa de salas, cozinhas, lavanderias e banheiros, não há exigências específicas de intensidade sonora, logo todos os painéis produzidos, independentemente do tipo de adesivo, podem ser utilizados para vedação externa.

O documento normativo NBR 12179 (ABNT, 1992) ainda cita a exigência para o isolamento acústico de materiais de alvenaria de tijolo maciço com espessura de 10 cm e 40 cm, sendo os valores de isolamento de 45 dB e de 55 dB respectivamente. Esses valores de isolamento acústico citados pela norma NBR 12179 (ABNT, 1992) para tijolos maciços, se comparados aos encontrados neste trabalho para os painéis sanduíche produzidos com adesivo FF, atenderiam a esse requisito.

Já para o documento normativo NBR 10152 (ABNT, 2020), o nível sonoro de conforto acústico em hotéis (portaria, recepção e circulação) e ginásios poliesportivos compreendem uma faixa aceitável que varia de 45 dB a 55 dB e de 45 dB a 60 dB respectivamente. Portanto, os painéis produzidos com adesivo FF se enquadrariam em ambas as situações, enquanto os painéis produzidos com os adesivos UF e UF+FF se enquadrariam apenas para a utilização em ginásios poliesportivos.

Tabela 3
Valores de condutividade térmica (λ), resistência térmica (RT) e transmitância térmica (U) dos painéis sanduíche

Adesivos	λ (W/m.K)	RT (m2.K /W)	U (W/m2.K)
UF	0,5577A	0,0888B	11,38A
FF	0,4075B	0,0924A	10,89B
UF + FF	0,5025A	0,0893B	11,21A
CV (%)	16,75	8,59	7,88

• Nota: médias seguidas pela mesma letra na coluna não diferem entre si pelo Teste de Tukey a 95% de probabilidade.

Figura 3
Valores de intensidade sonora dos painéis sanduíche produzidos com lâminas de paricá e caixa de ovo

Conclusão

Os painéis sanduíche com lâminas de paricá e núcleo de caixa de ovo apresentaram baixa densidade, com destaque aos painéis produzidos com adesivos FF e UF+FF (0,12 g/cm³ e 0,13 g/cm³). Verificou-se que a densidade aparente e o tipo de adesivo influenciaram diretamente os valores de MOE e de MOR, ou seja, os painéis produzidos com adesivo UF apresentaram maiores valores em relação aos painéis produzidos com adesivo FF e UF+FF, por terem apresentado maior densidade.

Para a condutividade térmica e resistência térmica, verificou-se que todos os painéis estão dentro do limite recomendado pela NBR 15220 (ABNT, 2005), com destaque aos painéis produzidos com o adesivo FF, que apresentaram condutividade térmica de 0,407 W/m.K e resistência térmica de 0,092 m².K/W. Porém, os valores de transmitância térmica que variaram entre 10,89 W/m2.K e 11,38 W/m2.K não atenderam ao limite estabelecido pelo documento normativo. Segundo a normativa NBR 10152 (ABNT, 2020), para o isolamento acústico, os painéis produzidos com o adesivo FF se enquadram para conforto acústico em hotéis (portaria, recepção e circulação) e ginásios poliesportivos, já os painéis de UF e UF+FF, para ginásios poliesportivos. Sendo assim, a utilização de caixas de ovo como núcleo se mostrou promissora para algumas utilizações na construção civil, além de agregar valor como isolantes térmico e acústico, e pode minimizar o descarte dessa matéria-prima no meio ambiente.

Agradecimentos

Agradecemos à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (Fapemig) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  17 Mar 2023
• Data do Fascículo
  Apr-Jun 2023

Histórico

• Recebido
  06 Abr 2022
• Aceito
  07 Set 2022