Tintas: Os velhos moinhos trocam as bolas pelos contínuos

Após cem anos de evolução, eles se tornam menores, mais eficientes e mudam os rumos da moagem.

A infinidade de tipos de tintas disponíveis no mercado, entre imobiliárias, automotivas, industriais, gráficas e tantas outras, guarda entre si algumas semelhanças. Esses produtos são sempre constituídos por misturas complexas de resinas não-voláteis, pigmentos finamente divididos, solventes para as resinas e aditivos especiais. Algumas operações unitárias que compõem sua fabricação também se repetem: após uma pré-mistura dos componentes, normalmente é necessário moer o produto, antes da fase de completagem.

A moagem, na fabricação de tintas, tem a finalidade de desaglomerar os grumos de pigmentos, diminuir o tamanho das partículas e provocar sua dispersão na resina dissolvida. Os moinhos pioneiros utilizados para isso foram os de rolos, muito parecidos com os empregados em moendas, mas há muito preteridos na produção industrial. Já os primeiros a ganhar largo emprego e ainda hoje presentes em algumas linhas de produção foram os de bolas, de início desenvolvidos para o processamento de cargas minerais e produtos cerâmicos.

Um moinho de bolas é constituído por um cilindro horizontal rotativo parcialmente preenchido com esferas cujo diâmetro varia entre uma e três polegadas. Ao girar, esse cilindro provoca o cascateamento das esferas, e as ações combinadas de choque e cisalhamento provocam a dispersão dos pigmentos. Esses equipamentos são indicados para os pigmentos de difícil dispersão (os mais duros), mas apresentam o inconveniente de serem ruidosos e operarem em bateladas, portanto sem grande flexibilidade no volume de produção.

O tempo de operação também é muito longo e pode se estender por dias. Além disso, a potência transmitida ao elemento de moagem, influente na eficiência de dispersão, deriva apenas da força da gravidade. O aumento do efeito de dispersão poderia ser obtido com o uso de esferas de maior volume ou peso específico, ou com maiores velocidades de rotação no cilindro, mas o manejo dessas variáveis é restrito. Velocidades de rotação muito altas provocam a centrifugação das esferas (elas passam a descrever uma trajetória circular de raio próximo ao do cilindro) ou seu lançamento em direção às paredes da câmara, em uma região onde não há material a moer.

Níveis de desempenho maior exigiam alguma mudança conceitual. A saída foi criar um meio pelo qual a potência transmitida fosse aumentada. Para isso, foram desenvolvidos os moinhos do tipo atrito, com uma diferença essencial: possuíam sistemas agitadores de braços, pelos quais transmitiam maior energia as esferas. Esses moinhos são compostos por um cilindro vertical estacionário, um eixo giratório montado com braços e uma carga de esferas. A base de moagem é alimentada no topo da câmara e uma tela em sua base separa esferas de tinta. O movimento desse eixo, com velocidades ao redor de 5 m/s, provoca o movimento circular das esferas em diferentes planos horizontais. Como a potência transmitida é maior, o elemento de moagem utilizado nesse tipo de máquina em geral é menor que o empregado em moinhos de bolas. Isso também aumenta a eficiência de dispersão, pois esferas menores oferecem mais pontos de contato com a base de moagem – o volume das esferas é inversa e exponencialmente proporcional ao número de pontos de contato. O atrito maior no interior da câmara, entretanto, tornou necessário o resfriamento dos moinhos, que passaram a ser encamisados.

Areia na moagem – Uma variante de muito sucesso desse novo modelo foram os moinhos de areia, desenvolvidos pela DuPont de Nemours, no final da década de 40. Eram moinhos contínuos, carregados com um tipo de areia do Canadá, denominada sílica de Ottawa, e equipados com um eixo giratório com discos anulares montados eqüidistantemente, com velocidade periférica em torno de 10 m/s. Nessa situação, a força atuante nos elementos de moagem pode ser até 100 vezes maior que a gravidade. A grande novidade, no entanto, foi o uso de elementos de moagem com diâmetro bem menor que os predecessores, entre 0,75 mm e 1 mm. Mas os moinhos de areia demandam alimentação com material homogêneo, seu uso requer a pré-dispersão da base de moagem e havia outros inconvenientes.

O moinho de areia possui fundo fechado, com válvula de alimentação, e o topo aberto, com uma tela que retém os elementos de moagem mas deixa passar a tinta. Eventualmente, operações com bombas em alta vazão provocam a passagem de ambos, elementos e base de moagem. Por ser aberto, o moinho limita o grau de enchimento da carga de elementos de moagem a 50% a 70% do volume total, favorece a incorporação de ar ao produto e a evaporação do solvente. Além disso, a disposição vertical da câmara cria um perfil decrescente de energia de moagem, da entrada à saída do moinho.

O passo seguinte, então, foi o desenvolvimento de moinhos fechados, cujo advento propiciou o surgimento dos moinhos horizontais. Ao contrário dos verticais, eles proporcionaram distribuição de energia mais homogênea e possibilitaram graus de enchimento de até 85% do volume da câmara. Além disso, a energia cinética das esferas pôde ser duplicada e até triplicada, com o inconveniente do aumento de temperatura da câmara.

O estado da arte na fabricação de moinhos são os equipamentos fechados, com câmaras pressurizadas, bons sistemas de separação e operação em múltiplas passadas, segundo o engenheiro Theron Wolfgang Harbs, gerente da unidade de negócios moagem e dispersão da filial brasileira da alemã Netzsch, com fábrica em Pomerode-SC. “Os moinhos com saída pressurizada operam com maior flexibilidade de processo. Eles podem moer materiais de maior viscosidade e possibilitam maior carga de esferas, com enchimento de até 92%, combinadas a volumes de câmara menores e vazões maiores.”

Um ponto crucial para o funcionamento dos modelos modernos é o sistema de separação, que retém as esferas na saída da base de moagem. Seu desempenho pode limitar a capacidade dos moinhos e entupí-los. “Podem ser necessários sistemas de separação para forças superiores a 15 vezes a gravidade, em razão de duas necessidades da indústria de tintas: o uso de esferas de pequeno diâmetro, às vezes de 0,2 mm, e o processamento de tintas com alto teor de sólidos, de maior viscosidade”, ressaltou. Segundo ele, os moinhos abertos eram equipados com peneiras planas ou fendas dinâmicas, adequadas para moinhos de baixa capacidade.

No caso da fenda dinâmica, cuja abertura não pode ser superior a 25% do diâmetro das esferas, vazões ou capacidades maiores são inviabilizadas pelo aumento de pressão na fenda e qualquer incremento na viscosidade da tinta pode causar problemas de operação. “É um dispositivo adequado para moinhos piloto, impróprio para escalas industriais”. Sistemas dinâmicos de separação, como peneiras tubulares, têm melhor desempenho. A Netzsch, aliás, adota, um sistema ainda mais avançado, as peneiras tubulares com pré-classificação. “De fendas dinâmicas para peneiras tubulares, a capacidade de vazão dos moinhos duplicou e pode até triplicar”, afirmou Harbs.

A Netzsch é a líder na produção de moinhos para a indústria de tintas no Brasil, com domínio do mercado superior a 70%, fabricando equipamentos em aços liga resistentes ao desgaste, que podem ser internamente revestidos com poliuretano, cerâmicos ou borracha, em casos de excessivo desgaste mecânico ou químico. Os elementos de moagem são esferas (a indústria de tintas praticamente não utiliza elementos de outras formas geométricas, embora eles existam) de vidro, aço ou materiais cerâmicos, em especial silicatos e óxidos de zircônio ou alumina. Mas, segundo Harbs, as de vidro (devido ao desgaste) e as de aço (devido ao desgaste, à contaminação do produto e à falta de disponibilidade de tamanhos pequenos) começam a entrar em desuso.

Eficiência – Também caem em desuso os moinhos de bolas. “Eles são pouco eficientes. Por causa da baixa velocidade de rotação do cilindro, e a ação apenas da gravidade, são necessárias bolas maiores para uma intensidade de impacto adequada”, explicou o gerente da Netzsch.
Segundo ele, em sistemas dotados de eixo agitador, a intensidade de impacto não depende só do peso da esfera, e com velocidades de rotação maiores é possível diminuir-se o tamanho das esferas, obtendo intensidade de impacto igual ou superior.

Esferas de tamanho menor, são, de fato, desejáveis, e de modo geral também diminuem o desgaste da câmara. Mas, para Harbs, é preciso lembrar que esferas pequenas tem maior tendência à compactação, podendo gerar desgastes localizados em operações prolongadas.

Tintas com requisitos de demanda altos, caso das tintas automobilísticas (originais e de repintura), flexográficas e das preparações pigmentárias, costumam usar moinhos de múltiplas passadas, com esferas de diâmetro entre 0,2 mm e 0,5 mm. Na concepção de um moinho multipasse, o objetivo não é projetar o equipamento para realizar a dispersão em uma única passada, já que é necessário certo tempo para a umectação em nível microscópico. Como o produto flui pelo equipamento com baixa velocidade, mas o eixo gira em velocidades muito maiores, algumas partículas saem da câmara após alguns segundos de residência, resultando em produto de homogeneidade deficiente. “Construir moinhos contínuos sempre foi uma tendência almejada pela indústria”, diz Harbs.

A principal concorrente nacional da Netzsch é a Semco, instalada na zona sul de São Paulo. A empresa fabrica moinhos verticais fechados, equipados com esferas de vidro ou de zircônio. Segundo o técnico de vendas Adir Fassina, as esferas de vidro, por serem menos densas, ficam muito dispersas dentro da câmara de moagem, e o efeito de moagem é inferior, se comparado ao das esferas de zircônio, cujo peso específico é quase duas vezes maior. “As esferas de zircônio são mais caras e importadas, mas é o desempenho do moinho que acaba sempre pesando no bolso do cliente”, afirma.

Os moinhos da Semco são normalmente fabricados em aço carbono, sem nenhum tipo de revestimento especial, exceto quando são dedicados à produção de defensivos agrícolas, quando as partes em contato com o produto podem ser confeccionadas em aço inoxidável. Mesmo os moinhos para tintas à base d’água, segundo Fassina, podem ser fabricados em aço carbono.

Os maiores clientes da empresa são os fabricantes de tintas moveleiras e automobilísticas. “Em conseqüência da melhora da qualidade geral das matérias-primas, pigmentos e cargas minerais, fornecidos já micronizados, muitos fabricantes não precisam mais dos moinhos. Produtores de tintas industriais e imobiliárias resolvem a questão da dispersão utilizando apenas um dispersor”, diz Fassina.

Essa melhora na qualidade dos insumos refletiu, inclusive, nos negócios da Semco, que experimentou uma queda acentuada dos volumes de venda desse segmento na década de 90. Em comparação à “áurea” década de 80, segundo Fassina, o volume encolheu 50%. Já a venda de dispersores, alavancada principalmente pela construção civil (grande uso na produção de tintas PVA e de massa corrida), aumentou.

A empresa iniciou a fabricação de moinhos em 1978, com tecnologia adquirida da norte-americana Morehouse, e hoje também vende, por importações, os moinhos da marca Fryma. Outros moinhos vistos nas fábricas do Brasil, como os fabricados por Oliver Battle e Müller Drais, também são importados.

Escolha certa – Entre os diversos modelos e marcas de moinhos disponíveis, a viscosidade da tinta, a dureza do pigmento, e a demanda pelo produto (o volume de tinta que deverá ser produzido) determinam as escolhas, segundo o analista de processo Ricardo Souza dos Santos, da DuPont Performance Coatings, produtora de tintas automotivas. A empresa utiliza moinhos verticais e horizontais, mas encerrou o uso de moinhos de bolas, equipados com esferas de aço carbono ou vidro, há cerca de quatro anos, usados então para pigmentos muito duros e primers. “O maior tempo de operação e o alto custo de manutenção foram a causa de sua aposentadoria”, explica Santos. Em geral, os principais custos de manutenção de moinhos recaem sobre a reposição dos elementos de moagem e, no caso dos moinhos fechados, também sobre o sistema de vedação, feito com selos mecânicos. O analista diz que os moinhos fechados verticais multipasses permitem bom controle de temperatura, visto que aumentos de fluxo não provocam elevações exageradas.

No início da produção de tintas, granulometrias de cerca de 20 µ eram suficientes para as qualidades almejadas, mas aplicações mais severas dos dias de hoje podem demandar granulometrias da ordem de 1 µ, ou até menos. Na indústria, é comum o uso da escala de fineza Hegman para a expressão da granulometria; 7,5 H correspondem a 6,4 µ, e 4,0 H a 50,8 µ. Na DuPont, em geral, a moagem é realizada até que o tamanho das partículas atinja 8H, mas primers e produtos mais rústicos requerem apenas 6,5 H.

A Tintas Coral, fundada em 1954 e adquirida em 1996 pelo grupo britânico ICI, utiliza moinhos horizontais e verticais, equipados com bolas de zircônio. De acordo com o gerente da fábrica de óleo sintético e protective, situada em Mauá-SP, Luiz Fernando Batistucci, os horizontais operam com menor vazão, mas geram produto de melhor fineza, enquanto com os moinhos verticais a situação é inversa. “Os verticais são mais robustos, mas também há diferenças no volume da cuba, na configuração, na quantidade dos discos e na troca de calor”, afirma Batistucci. A escolha por um tipo, ou outro, é determinada pelo volume de produção a que se dedicará o moinho e pela fineza requerida pela tinta. Tintas de fundo, em geral, possuem maior rugosidade (para oferecerem maior aderência), e tintas de acabamento possuem rugosidade menor (para dar brilho).

Segundo o gerente, a capacidade de trocar calor é importante, por ser um dos fatores que podem limitar o volume de material a ser processado. Além disso, a dificuldade em dissipar calor pode provocar a queima da resina.

Ajuste fino eleva a produtividade

A principal vantagem da automação de moinhos é o ganho de produtividade, mas não conseguida, como erroneamente pode-se concluir, pela supressão de erros humanos de operação. Por quê?

As variáveis que definem os limites operacionais da moagem são a temperatura, a potência do moinho (que comanda a velocidade de rotação do eixo) e, eventualmente, a pressão da câmara. Moinhos nem sempre processam a mesma matéria-prima, pois as indústrias de tintas costumam fabricar diversos produtos e são raros aqueles com demanda tão grande (exceto tintas da cor preta) que justifiquem produção dedicada. Por esse motivo, conforme disse Harbs, da Netzsch, o operador ajusta a máquina sempre para a pior condição de operação. “Se uma determinada cor é mais difícil de ser processada, pode-se diminuir a carga de esferas ou a velocidade do eixo, e o moinho passa a operar sempre na condição que satisfaz o pior caso”, explica. Só que essa condição, em grande parte das vezes, não é a ótima. Além disso, a primeira passagem do material pelo moinho é a mais crítica, é quando ocorrem as maiores mudanças na suspensão e o material adquire alguma viscosidade. “Se houver problemas, será na primeira passada, pois a mudança é drástica”, ressalta Harbs. Então, a operação também é ajustada em função das condições da primeira passagem. Se ocorre aumento de temperatura muito alto nessa circunstância, o operador diminui a carga de esferas e a mantém baixa em outras passagens posteriores, quando ela poderia ser maior.

Esse tipo de ajuste fino nunca é feito pelo operador, mas o moinho automatizado o faz. A carga de esferas e a velocidade do eixo podem ser vinculadas a uma certa temperatura e o moinho incrementa ou diminui esses valores até que ela seja atingida. O set point também pode ser um valor de pressão, de modo que o moinho opere com vazões diferentes para diferentes produtos, mas sempre em condição otimizada. “O aumento de produtividade pode ser de 10% a 15%”, assevera Harbs.

O custo, entretanto, também é maior – algo ao redor de 30% – e a automação não dispensa por completo o operador. O equipamento automatizado necessita de um CLP (controlador lógico programável) e uma interface, que pode ser um computador ou uma IHM (interface homem-máquina). Também a Semco pode fornecer o equipamento automatizado, mas como o custo pode ser até 50% maior, a demanda é baixa. “Como a mão-de-obra no Brasil é muito barata, só as multinacionais, que já operam equipamentos automatizados em outros países, buscam moinhos automatizados”, explica Fassina.