Propriedades mecânicas e tribológicas de composto elastomérico com adição de cinza de casca de arroz

Abstract

A intensificação das discussões em torno da sustentabilidade e da minimização dos impactos ambientais tem impulsionado o desenvolvimento de alternativas mais ecológicas na formulação de compostos elastoméricos. Nesse contexto, a substituição parcial ou total do negro de fumo por cargas de sílica vem sendo estudada para a produção de compostos ecológicos de borracha, que proporciona economia e/ou eficiência energética. O presente trabalho teve como objetivo avaliar comparativamente o efeito da adição da cinza de casca de arroz (CCA), obtida por processos de queima distintos, na formulação de compostos elastoméricos, como carga alternativa substituinte ao negro de fumo. Corpos de prova foram produzidos e testados visando sua aplicação em bandas de rodagem de pneus, buscando menor impacto ambiental. Foram analisadas três amostras distintas de CCA: a primeira obtida por pirólise (decomposição térmica em meio inerte - CCA1), a segunda obtida por processo de combustão via leito fluidizado (CCA2) e a terceira obtida a partir da calcinação da CCA2 (CCA3). As amostras foram incorporadas à matriz elastomérica em substituições parciais ao negro de fumo nas proporções de 10, 15 e 20 phr, com base em uma formulação padrão para compostos de banda de rodagem. Essas substituições foram realizadas com base em um teor total de 65 phr de negro de fumo originalmente presente na formulação, de modo que as quantidades adicionadas de CCA correspondem à substituição parcial desse conteúdo. Adicionalmente, nas formulações contendo CCA, foi empregado organossilano de origem renovável como agente compatibilizante, com o objetivo de promover uma melhor interação interfacial entre a carga e a matriz elastomérica. Os compostos desenvolvidos foram caracterizados quanto às suas propriedades reológicas, físicas, mecânicas e dinâmico-mecânicas. Os resultados demonstraram que é possível obter um composto satisfatório ao substituir 10 phr de negro de fumo por cinza de casca de arroz, com propriedades de resistência ao rolamento aprimoradas, contribuindo para a redução do consumo de combustível, reforçando o potencial dessas formulações para aplicações que demandam maior eficiência energética e menor impacto ambiental ao longo do ciclo de vida do produto. Porém, acima de 10 phr, o impacto na resistência à abrasão torna a substituição do negro de fumo pela CCA inviável. Foi possível concluir, através dos resultados obtidos, que os diferentes métodos de obtenção da cinza de casca de arroz não impactaram significativamente nas características macroscópicas do material vulcanizado, tendo-se observado um comportamento semelhante nas formulações com as diferentes CCAs aplicadas, o que indica que a variabilidade do processo de obtenção da CCA não compromete o desempenho do composto. Esse resultado é positivo, pois amplia a flexibilidade na escolha do método de processamento da cinza, sem prejuízo às propriedades do material final, favorecendo sua aplicação industrial e a viabilidade técnica da substituição parcial do negro de fumo. Dessa forma, os resultados obtidos demonstram a viabilidade de alinhar práticas sustentáveis ao uso de matérias-primas oriundas de fontes renováveis, além de promover o reaproveitamento de resíduos, contribuindo para a redução de impactos ambientais e o desenvolvimento de materiais mais sustentáveis.

The intensification of discussions about sustainability and the reduction of environmental impacts has driven the development of more eco-friendly alternatives in the formulation of elastomeric compounds. In this context, the partial or total replacement of carbon black with silica-based fillers has been studied to produce environmentally friendly rubber compounds that provide energy savings and/or energy efficiency. This study aimed to comparatively evaluate the effect of rice husk ash (CCA), obtained through different processes, in the formulation of elastomeric compounds, to investigate its potential as an alternative filler to replace carbon black. Test specimens were produced and evaluated for potential application in tire tread compounds, seeking reduced environmental impact. Three distinct CCA samples were analyzed: the first produced by pyrolysis (thermal decomposition in an inert atmosphere – CCA1), the second by fluidized bed combustion (CCA2), and the third obtained by calcining CCA2 (CCA3). These samples were incorporated into the elastomeric matrix as partial replacements for carbon black at proportions of 10, 15, and 20 phr, based on a standard formulation for tire tread compounds. These substitutions were carried out considering a total content of 65 phr of carbon black originally present in the formulation, such that the amounts of CCA added correspond to a partial replacement of this content. Additionally, in the formulations containing CCA, a renewable-based silane coupling agent was employed to promote improved interfacial interaction between the filler and the elastomeric matrix. The developed compounds were characterized in terms of their rheological, physical, mechanical, and dynamic-mechanical properties. The results demonstrated that it is possible to achieve a satisfactory compound by replacing 10 phr of carbon black with rice husk ash, with improved rolling resistance properties, thus contributing to reduced fuel consumption and reinforcing the potential of these formulations for applications that require higher energy efficiency and lower environmental impact throughout the product life cycle. However, above 10 phr, the negative impact on abrasion resistance makes the replacement of carbon black with CCA unfeasible. The results also indicated that the different CCA production methods did not affect the properties of the vulcanized material, with similar behavior observed in the formulations with the different CCAs applied. This indicates that variability in the RHA production process does not compromise the overall performance of the compound. This outcome is positive, as it increases flexibility in the choice of ash processing method without detriment to the properties of the final material, thereby favoring industrial application and the technical feasibility of the partial replacement of carbon black. Thus, the results demonstrate the viability of aligning sustainable practices with the use of raw materials from renewable sources, while also promoting the reuse of agro-industrial waste, contributing to reduced environmental impact and the development of more sustainable materials.