Folha de Alumínio: Material Premium e Versátil para Isolamento Térmico e Aplicações Industriais

Contexto

Folha de alumínio é feita de liga de alumínio contendo entre 92 e 99 por cento de alumínio. Geralmente entre 0,00017 e 0,0059 polegadas de espessura, folha produzida em muitas larguras e resistências para literalmente centenas de aplicações. Usada para fabricar isolamento térmico para construção, aletas para condicionadores de ar, bobinas elétricas para transformadores, capacitores para rádios e televisões, isolamento para tanques de armazenamento, produtos decorativos, e recipientes e embalagens. Popularidade da folha de alumínio para tantas aplicações deve-se a várias vantagens principais, uma das principais sendo que matérias-primas necessárias para sua fabricação são abundantes. Folha de alumínio é barata, durável, não tóxica e à prova de gordura. Além disso, resiste a ataque químico e fornece excelente blindagem elétrica e não magnética.

Remessas (em 1991) de folha de alumínio totalizaram 913 milhões de libras, com embalagens representando setenta e cinco por cento do mercado. Popularidade da folha como material de embalagem deve-se à sua excelente impermeabilidade a vapor de água e gases. Também estende vida útil, usa menos espaço de armazenamento, e gera menos resíduos que muitos outros materiais de embalagem. Preferência por alumínio em embalagens flexíveis tornou-se fenômeno global. No Japão, folha de alumínio usada como componente de barreira em latas flexíveis. Na Europa, embalagens flexíveis de alumínio dominam mercado de blísteres farmacêuticos e embalagens de doces. Caixa de bebida asséptica, que usa fina camada de folha de alumínio como barreira contra oxigênio, luz e odor, também é popular mundialmente.

Alumínio é o mais recentemente descoberto dos metais que indústria moderna utiliza em grandes quantidades. Conhecido como "alumina", compostos de alumínio usados para preparar medicamentos no Egito antigo e fixar corantes em tecidos na Idade Média. No início do século XVIII, cientistas suspeitavam que estes compostos continham metal, e em 1807, químico inglês Sir Humphry Davy tentou isolá-lo. Embora seus esforços falhassem, Davy confirmou que alumina tinha base metálica, que inicialmente chamou "alumium". Davy depois mudou para "alumínio", e enquanto cientistas em muitos países soletram "alumínio", a maioria dos americanos usa soletração revisada de Davy. Em 1825, químico dinamarquês Hans Christian Ørsted isolou alumínio com sucesso, e vinte anos depois, físico alemão Friedrich Wöhler criou partículas maiores do metal; porém, partículas de Wöhler ainda eram apenas tamanho de cabeças de alfinete. Em 1854, Henri Sainte-Claire Deville, cientista francês, refinou método de Wöhler o suficiente para criar pedaços de alumínio tamanho de bolas de gude. Processo de Deville forneceu base para indústria moderna de alumínio, e primeiras barras de alumínio exibidas em 1855 na Exposição de Paris.

Neste ponto, alto custo de isolar metal recém-descoberto limitava usos industriais. Porém, em 1866 dois cientistas trabalhando separadamente nos EUA e França desenvolveram concurrentemente o que ficou conhecido como método Hall-Héroult de separar alumina de oxigênio aplicando corrente elétrica. Enquanto tanto Charles Hall quanto Paul-Louis-Toussaint Héroult patentearam descobertas, na América e França respectivamente, Hall foi primeiro a reconhecer potencial financeiro de seu processo de purificação. Em 1888 ele e vários parceiros fundaram Pittsburgh Reduction Company, que produziu primeiros lingotes de alumínio naquele ano. Usando hidroeletricidade para alimentar grande nova fábrica de conversão perto de Niagara Falls e suprindo demanda industrial crescente por alumínio, empresa de Hall — renomeada Aluminum Company of America (Alcoa) em 1907 — prosperou. Héroult mais tarde estabeleceu Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft na Suíça. Encorajados pela demanda crescente por alumínio durante Guerras Mundiais I e II, a maioria das nações industrializadas começou a produzir seu próprio alumínio. Em 1903, França tornou-se primeiro país a produzir folha de alumínio purificado. EUA seguiram exemplo uma década depois, seu primeiro uso do novo produto sendo bandas de perna para identificar pombos de corrida. Folha de alumínio logo usada para recipientes e embalagens, e Segunda Guerra Mundial acelerou esta tendência, estabelecendo folha de alumínio como material de embalagem principal. Até Segunda Guerra Mundial, Alcoa permaneceu único fabricante americano de alumínio purificado, mas hoje existem sete grandes produtores de folha de alumínio nos Estados Unidos.

Matérias-Primas

Alumínio está entre elementos mais abundantes: após oxigênio e silício, é o mais abundante na superfície terrestre, compondo mais de oito por cento da crosta a profundidade de dez milhas e aparecendo em quase toda rocha comum. Porém, alumínio não ocorre em forma metálica pura mas sim como óxido de alumínio hidratado (mistura de água e alumina) combinado com sílica, óxido de ferro e titânia. Minério de alumínio mais significativo é bauxita, nomeada após cidade francesa Les Baux onde descoberta em 1821. Bauxita contém ferro e óxido de alumínio hidratado, com este representando seu maior constituinte. Atualmente, bauxita abundante o suficiente para que apenas depósitos com teor de óxido de alumínio de quarenta e cinco por cento ou mais sejam minerados para fazer alumínio. Depósitos concentrados encontrados em ambos hemisférios, com maior parte do minério usado nos EUA vindo de West Indies, América do Norte e Austrália. Como bauxita ocorre tão perto da superfície, procedimentos de mineração são relativamente simples. Explosivos usados para abrir grandes fossas em leitos de bauxita, após o que camadas superiores de terra e rocha removidas. Minério exposto então removido com carregadeiras frontais, empilhado em caminhões ou vagões, e transportado a plantas de processamento. Bauxita é pesada (geralmente, uma tonelada de alumínio produzida de quatro a seis toneladas de minério), então para reduzir custo de transporte, estas plantas frequentemente situadas o mais próximo possível de minas de bauxita.

Processo de Fabricação

Extrair alumínio puro de bauxita envolve dois processos. Primeiro, minério refinado para eliminar impurezas como óxido de ferro, sílica, titânia e água. Então, óxido de alumínio resultante fundido para produzir alumínio puro. Depois, alumínio laminado para produzir folha.

Refino — Processo Bayer

• 1. Processo Bayer usado para refinar bauxita compreende quatro etapas: digestão, clarificação, precipitação e calcinação. Durante etapa de digestão, bauxita moída e misturada com hidróxido de sódio antes de bombeada para grandes tanques pressurizados. Nestes tanques, chamados digestores, combinação de hidróxido de sódio, calor e pressão decompõe minério em solução saturada de aluminate de sódio e contaminantes insolúveis, que assentam no fundo.
• 2. Próxima fase, clarificação, envolve enviar solução e contaminantes através de conjunto de tanques e prensas. Durante esta etapa, filtros de pano retêm contaminantes, que são então descartados. Após nova filtração, solução restante transportada a torre de resfriamento.
• 3. Na próxima etapa, precipitação, solução de óxido de alumínio move-se para grande silo, onde, em adaptação do método Deville, fluido semeado com cristais de alumínio hidratado para promover formação de partículas de alumínio. À medida que cristais semente atraem outros cristais na solução, grandes aglomerados de hidrato de alumínio começam a formar. Estes primeiro filtrados e depois enxaguados.
• 4. Calcinação, etapa final do processo de refino Bayer, envolve expor hidrato de alumínio a altas temperaturas. Este calor extremo desidrata material, deixando resíduo de pó branco fino: óxido de alumínio.

Fundição

• 5. Fundição, que separa composto alumínio-oxigênio (alumina) produzido pelo processo Bayer, é próxima etapa na extração de alumínio metálico puro de bauxita. Embora procedimento usado atualmente derive do método eletrolítico inventado contemporaneamente por Charles Hall e Paul-Louis-Toussaint Héroult no final do século XIX, foi modernizado. Primeiro, alumina dissolvida em célula de fundição, molde de aço profundo revestido com carbono e preenchido com condutor líquido aquecido consistindo principalmente de composto de alumínio criolita.
• 6. Em seguida, corrente elétrica passada através da criolita, causando formação de crosta sobre topo da fusão de alumina. Quando alumina adicional periodicamente mexida na mistura, esta crosta quebrada e mexida também. À medida que alumina dissolve, decompõe-se eletroliticamente produzindo camada de alumínio puro fundido no fundo da célula de fundição. Oxigênio funde com carbono usado para revestir célula e escapa como dióxido de carbono.
• 7. Ainda em forma fundida, alumínio purificado retirado das células de fundição, transferido para cadinhos, e vazado em fornos. Nesta etapa, outros elementos podem ser adicionados para produzir ligas de alumínio com características apropriadas ao produto final, embora folha geralmente feita de alumínio 99,8 ou 99,9 por cento puro. Líquido então vazado em dispositivos de fundição direta (direct chill), onde resfria em grandes placas chamadas "lingotes" ou "estoque para relaminação". Após recozimento — tratamento térmico para melhorar trabalhabilidade — lingotes adequados para laminação em folha.
• Método alternativo à fusão e fundição do alumínio chamado "fundição contínua". Este processo envolve linha de produção consistindo de forno de fusão, forno de espera para conter metal fundido, sistema de transferência, unidade de fundição, unidade combinada consistindo de rolos de pinça, cisalhamento e freio, e rebobinadeira e carro de bobina. Ambos métodos produzem estoque de espessuras variando de 0,125 a 0,250 polegada (0,317 a 0,635 centímetro) e várias larguras. Vantagem do método de fundição contínua é que não requer etapa de recozimento antes de laminação de folha, como faz processo de fusão e fundição, porque recozimento automaticamente alcançado durante processo de fundição.

Laminação de Folha

• 8. Após estoque de folha feito, deve ser reduzido em espessura para fazer folha. Realizado em laminador, onde material passado várias vezes através de rolos metálicos chamados rolos de trabalho. À medida que folhas (ou teias) de alumínio passam pelos rolos, são espremidas mais finas e extrudadas através do vão entre rolos. Rolos de trabalho emparelhados com rolos mais pesados chamados rolos de apoio, que aplicam pressão para ajudar manter estabilidade dos rolos de trabalho. Isso ajuda manter dimensões do produto dentro de tolerâncias. Rolos de trabalho e apoio giram em direções opostas. Lubrificantes adicionados para facilitar laminação. Durante este processo, alumínio ocasionalmente deve ser recozido (tratado termicamente) para manter trabalhabilidade.
• Redução da folha controlada ajustando rpm dos rolos e viscosidade (resistência ao fluxo), quantidade e temperatura dos lubrificantes de laminação. Vão do rolo determina tanto espessura quanto comprimento da folha saindo do laminador. Este vão pode ser ajustado elevando ou baixando rolo de trabalho superior. Laminação produz dois acabamentos naturais na folha, brilhante e fosco. Acabamento brilhante produzido quando folha entra em contato com superfícies dos rolos de trabalho. Para produzir acabamento fosco, duas folhas devem ser empacotadas juntas e laminadas simultaneamente; quando isso feito, lados que se tocam acabam com acabamento fosco. Outros métodos de acabamento mecânico, geralmente produzidos durante operações de conversão, podem ser usados para produzir certos padrões.
• 9. À medida que folhas de folha saem dos rolos, aparadas e cortadas com facas circulares ou navais instaladas no laminador. Aparagem refere-se às bordas da folha, enquanto corte envolve cortar folha em várias folhas. Estas etapas usadas para produzir larguras de bobina estreitas, aparar bordas de estoque revestido ou laminado, e produzir peças retangulares. Para certas operações de fabricação e conversão, teias quebradas durante laminação devem ser unidas novamente, ou emendadas. Tipos comuns de emendas para unir teias de folha simples e/ou folha com suporte incluem ultrassônica, fita de selagem térmica, fita de selagem por pressão, e solda elétrica. Emenda ultrassônica usa solda de estado sólido — feita com transdutor ultrassônico — no metal sobreposto.

Processos de Acabamento

• 10. Para muitas aplicações, folha usada em combinação com outros materiais. Pode ser revestida com ampla gama de materiais, como polímeros e resinas, para fins decorativos, protetores ou de selagem térmica. Pode ser laminada a papéis, cartões e filmes plásticos. Também pode ser cortada, formada em qualquer forma, impressa, gofrada, cortada em tiras, folheada, gravada e anodizada. Uma vez que folha em seu estado final, embalada adequadamente e enviada ao cliente.

Controle de Qualidade

Além de controle em processo de parâmetros como temperatura e tempo, produto final de folha deve atender certos requisitos. Por exemplo, diferentes processos de conversão e usos finais requerem graus variados de secura na superfície da folha para desempenho satisfatório. Teste de molhabilidade usado para determinar secura. Neste teste, diferentes soluções de álcool etílico em água destilada, em incrementos de dez por cento por volume, derramadas em fluxo uniforme sobre superfície da folha. Se nenhuma gota forma, molhabilidade é zero. Processo continuado até determinar que porcentagem mínima de solução de álcool molhará completamente superfície da folha.

Outras propriedades importantes são espessura e resistência à tração. Métodos de teste padrão desenvolvidos pela American Society For Testing and Materials (ASTM). Espessura determinada pesando amostra e medindo sua área, e então dividindo peso pelo produto da área vezes densidade da liga. Teste de tração de folha deve ser cuidadosamente controlado porque resultados podem ser afetados por bordas ásperas e presença de pequenos defeitos, bem como outras variáveis. Amostra colocada em garra e força de tração ou puxamento aplicada até fratura da amostra. Força ou resistência necessária para quebrar amostra medida.

O Futuro

Popularidade da folha de alumínio, especialmente para embalagens flexíveis, continuará crescendo. Bolsas seladas nas quatro laterais ganharam ampla popularidade para aplicações militares, médicas e varejo de alimentos e, em tamanhos maiores, para embalagens de serviço de alimentação institucional. Bolsas também introduzidas para embalar 4-18 litros de vinho para mercados varejo e restaurantes, e outros mercados de food service. Além disso, outros produtos continuam desenvolvidos para outras aplicações. Aumento de popularidade de fornos micro-ondas resultou no desenvolvimento de várias formas de recipientes semi-rígidos baseados em alumínio projetados especificamente para estes fornos. Mais recentemente, folhas especiais para churrasco desenvolvidas.

Porém, mesmo folha de alumínio sendo examinada quanto à sua "amigabilidade" ambiental. Portanto, fabricantes aumentando esforços na área de reciclagem; de fato, todos produtores de folha nos EUA iniciaram programas de reciclagem mesmo though tonelagem total e taxa de captura de folha de alumínio muito menor que latas de alumínio fáceis de reciclar. Folha de alumínio já tem vantagem de ser leve e pequena, o que ajuda reduzir sua contribuição ao fluxo de resíduos sólidos. De fato, embalagens de folha de alumínio laminado representam apenas 0,17% dos resíduos sólidos dos EUA.

Para resíduos de embalagem, solução mais promissora pode ser redução na fonte. Por exemplo, embalar 29,51 kg de café em latas de aço requer 9,08 kg de aço mas apenas 4,08 kg de embalagem laminada incluindo folha de alumínio. Tal embalagem também ocupa menos espaço em aterro. Divisão de Folha da Aluminum Association até desenvolvendo programa educacional sobre folha de alumínio para universidades e designers profissionais de embalagem para ajudar informar tais designers dos benefícios de mudar para embalagens flexíveis.

Folha de alumínio também usa menos energia durante fabricação e distribuição, com sucata de fábrica reciclada. De fato, alumínio reciclado, incluindo latas e folha, responde por mais de 30 por cento do suprimento anual de metal da indústria. Este número vem aumentando há vários anos e espera-se que continue. Além disso, processos usados durante fabricação de folha sendo melhorados para reduzir poluição do ar e resíduos perigosos.