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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
FACULDADE DE ENGENHARIA
CAMPUS DE GUARATINGUETÁ
CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS
DE MATRIZES POLIMÉRICAS REFORÇADAS
COM FIBRAS DE SISAL E DE VIDRO
Guaratinguetá
2008
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ANDRESSA CECÍLIA MILANESE
CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE MATRIZES POLIMÉRICAS
REFORÇADAS COM FIBRA DE SISAL E DE VIDRO
Dissertação apresentada à Faculdade de
Engenharia do Campus de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista, para a
obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica na área de Projetos
e Materiais.
Orientador: Profa. Dra. Maria Odila Hilário Cioffi
Co-orientador: Prof. Dr. Herman Jacobus Cornelis Voorwald
Co-orientador: Prof. Dr. Antonio Wanderley Terni
Guaratinguetá
2008
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unesp
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá
CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS DE MATRIZES POLIMÉRICAS
REFORÇADAS COM FIBRA DE SISAL E DE VIDRO
ANDRESSA CECÍLIA MILANESE
DISSERTAÇÃO PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
“MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA”
PROGRAMA: ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA: PROJETOS E MATERIAIS
PROGRAMA
DE PÓS-GRADUAÇÃO
Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira
Coordenador
BANCA EXAMINADORA:
Profa. Dra. MARIA ODILA HILÁRIO CIOFFI
Orientador / UNESP-FEG
Profa. Dra. MIRABEL CERQUEIRA REZENDE
CTA
Prof. Dr. JOSÉ ARANA VARELA
UNESP-IQ
Fevereiro de 2008
DADOS CURRICULARES
ANDRESSA CECÍLIA MILANESE
NASCIMENTO 19.04.1980 – FLORIANÓPOLIS / SC
FILIAÇÃO Edio João Milanese
Eva Albertina Medeiros Milanese
1998/2002 Curso de Graduação em Engenharia Civil
Universidade Federal de Santa Catarina
2005/2007 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica,
nível de Mestrado, na Faculdade de Engenharia do
Campus de Guaratinguetá da UNESP
DEDICATÓRIA
de modo especial, aos meus pais Edio e Eva, e ao meu esposo
Marcelo, meus amores e grandes incentivadores...
AGRADECIMENTOS
A Deus, em quem sempre confio e ilumina meu caminho...
Aos meus pais, Edio João Milanese e Eva Albertina Medeiros Milanese pelo incentivo
e apoio;
Ao meu esposo, Marcelo Bailone Alvares Leite pela compreensão e carinho;
A todos que de alguma forma contribuíram à realização desta pesquisa;
Especialmente, às professoras,
M
a
Odila Hilário Cioffi, minha orientadora e amiga por me fazer amar a pesquisa;
Rosa M
a
Bittencourt, pela motivação e incentivos;
Mirabel Cerqueira Rezende, pela colaboração e apoio;
M
a
Lúcia Caetano Pinto da Silva, pela dedicação;
Aos professores,
Herman Jacobus Cornelis Voorwald, pelos ensinamentos e incentivos;
Carlos Yujiro Shigue, Paulo Atsushi Suzuki e Edson Cocchieri Botelho, pelos
esclarecimentos;
Às empresas,
Indústrias Kehl, representada por Ricardo Vicino, pelo fornecimento da poliuretana à
base de óleo de mamona;
Owens Corning Fiberglass A. S. Ltda, representada pelo Sr. Angelo, pelo
fornecimento da fibra de vidro;
Aos técnicos,
Manoel Francisco dos Santos Filho, Domingos Hasmann Neto, Maria Lúcia Brison de
Mattos, Andreza de Moura, Rodolfo de Queiroz Padilha e Suellen Cristina dos Santos,
pelo esforço e dedicação;
E aos meus amigos,
Midori Yoshikawa Pitanga Costa, Daniella Regina Mulinari, Tessie Gouvêa da Cruz e
Paulo Henrique Fernandes Pereira pelo apoio e amizade.
APOIO FINANCEIRO
Este trabalho contou com o apoio:
- CNPq – através dos contratos nº 134015/2005-3 e nº 310215/2006-4
MILANESE, A. C. Caracterização de compósitos de matrizes poliméricas
reforçadas com fibras de sisal e de vidro. 2008. 130f. Dissertação (Mestrado em
Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2008.
RESUMO
A madeira foi o material mais empregado em estruturas, sendo amplamente encontrada
em edificações históricas. Esse material sofre constantemente com a atuação de
agentes físicos, químicos e biológicos que comprometem sua durabilidade, por isso
muitas vezes, as peças estruturais acabam sendo restauradas e reforçadas com
materiais que apresentam alta densidade, baixa resistência às altas temperaturas, no
caso de incêndios, e susceptibilidade às intempéries, tornando complexo seu trabalho
de recuperação. Diante do exposto, esta pesquisa se propôs a desenvolver compósitos
poliméricos reforçados por fibras naturais e vidro para uso como material de reforço
nas ligações de estruturas em madeira e a estudar o comportamento destes materiais.
São apresentados os estudos e as caracterizações dos materiais empregados nos
compósitos, tais como, síntese das resinas, cinética química de cura, análise térmica
por meio das técnicas de termogravimetria (TG) e calorimetria exploratória diferencial
(DSC), difração dos raios X, resistências à tração e à flexão e análise fractográfica com
o auxílio do microscópio eletrônico de varredura (MEV). Em seqüência, o trabalho
apresenta o processamento e as caracterizações térmica, física e mecânica de quatro
placas laminadas formadas pelas matrizes, poliuretana à base de óleo de mamona e
fenólica, reforçadas com fibras de vidro e sisal. Os laminados compostos por uma
camada de tecido são ensaiados em tração e flexão, TG e por difração dos raios X. As
análises termogravimétricas indicaram que os laminados podem ser utilizados em
ambientes, onde a temperatura local não exceda 175ºC. Os dados de tração mostraram
baixos valores para as resinas poliuretana e fenólica, 2,5 MPa e 4,9 MPa,
respectivamente. Porém, uma vez reforçadas com fibras de sisal e de vidro foi
observado aumento significativo nas resistências à tração encontradas para os todos os
laminados produzidos, indicando a importância do uso das fibras como reforço. Os
valores das resistências à tração foram de 17 MPa, 95 MPa, 25 MPa e 205 MPa para
os laminados poliuretana/sisal, poliuretana/vidro, fenólica/sisal e fenólica/vidro,
respectivamente. Com relação à resistência à flexão, os valores encontrados foram de
0,45 MPa, 8,6 MPa, 3,7 MPa, 14 MPa, 11 MPa e 22 Mpa, para as resinas poliuretana e
fenólica, e para os laminados poliuretana/sisal, poliuretana/vidro, fenólica/sisal e
fenólica/vidro, respectivamente.
PALAVRAS-CHAVE: Compósito polimérico, Fibras naturais, Fibra de sisal, Fibra
de vidro, Resina poliuretana à base de óleo de mamona, Resina fenólica, Reforço em
estruturas de madeira.
MILANESE, A. C. Composites characterization of polymeric matrix
reinforcement sisal and glass fibers. 2008. 130f. Dissertation (Mastership in
Mechanical Engineering) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2008.
ABSTRACT
Wood was the material used in higher amount to structures application and nowadays
is noticed in historic buildings. This material is susceptible to the physical, chemical
and biological degradations, which influence the usefulness and consequently the
structures should be restored using high density material with low temperature
resistance characteristic, environmental suitable make complex the restore process.
This work proposes processing polymeric composites and studies the behavior of those
materials which will be applied as reinforcement connection into wood structures.
Characterizations of base materials as cure kinetic studies, thermal analysis by
thermogravimetric and differential scanning calorimetric, X-ray diffraction, tensile
tests and scanning electron microcopies are conducted. It will also present the thermal,
physical and mechanical characterization of four composites laminates: PU resin based
on castor oil reinforced by glass and sisal fibers and phenolic reinforced by glass and
sisal fibers. Composites laminates produced by one fabric layers are tested in tensile
and flexural modes, by thermogravimetric and X-ray diffraction. Thermogravimetric
analyses show that the laminates can be used in environments, which the place
temperature does not exceed 175ºC. Tensile tests results show low values to
polyurethane and phenolic resins, 2.5 MPa and 4.9 MPa, respectively. However, it was
observed that the presence of fibers in the laminates show an increase of tensile
strength when compared to matrixes. Tensile strength values were 17 MPa, 95 MPa,
25 MPa and 205 MPa for polyurethane/sisal, polyurethane/glass, phenolic/sisal and
phenolic/glass fibers laminates, respectively. Flexural strength presents values about
0.45 MPa, 8.6 MPa, 3.7 MPa, 14 MPa, 11 MPa and 21.8 MPa for polyurethane and
phenolic resins and polyurethane/sisal, polyurethane/glass, phenolic/sisal and
phenolic/glass laminates, respectively.
KEYWORDS: Composite, Natural fibers, Woven sisal fabric, Glass fiber,
Polyurethane based on castor oil, Phenolic resin, Timber structure reinforcement.
LISTA DE FIGURAS
FIGU
RA
1.1 - Ruptura por flexão do corpo-de-
prova reforçado na parte
inferior pelo laminado epóxi/sisal ................................................
2
3
FIGURA
1.2 -
na emenda entre as peças, b) co
rte transversal da emenda e
c) fotografia da intervenção ..........................................................
24
FIGURA
2.1 - Reação química de uma uretana ...................................................
2
9
FIGURA
2.2 - Reação química de uma poliuretana .............................................
2
9
FIGURA
2.3 - Glicerídeos do óleo de mamona ...................................................
30
FIGURA
2.4 - Sementes da mamoeira .................................................................
30
FIGURA
2.5 -
fenólicas ........................................................................................
33
FIGURA
2.6 - Classificação das fibras .................................................................
3
4
FIGURA
2.7 - Linha de produtos com fibra de vidro ...........................................
3
5
FIGURA
2.8 - Sisal: a) antes do 1º corte, b) após o corte ....................................
3
6
FIGURA
2.9 -
para gatos ......................................................................................
3
8
FIGURA
2.10
- Processame
nto da fibra de sisal: a) corte, b) máquina de
desfibramento e c) secagem ..........................................................
3
9
FIGURA
2.11
-
40
FIGURA
3.1 - 4,4’ Difenilmetano diisocianato ....................................................
4
6
FIGURA
3.2 - Tecido bi-direcional com fibras de sisal .......................................
50
FIGURA
4.1 - Modelo do corpo-de-
prova do tecido de sisal para ensaio em
tração .............................................................................................
5
7
FIGURA
4.2 - Dimensões do corpo-de-
prova tipo I, em mm, para ensaio de
tração em plásticos ........................................................................
5
8
FIGURA
4.3 - Molde para confecção dos corpos-de-
prova para ensaio de
tração na resina .............................................................................
5
9
FIGURA
5.1 -
fratura em
laminados com uma camada de tecido de sisal e
matriz PU, proporções: a) 2:1 e b) 3:1 ..........................................
6
5
FIGURA
5.2 - Curva TG e DTG da fibra de sisal ................................................
6
6
FIGURA
5.3 - Curva TG e DTG da PU 2:1 .........................................................
6
7
FIGURA
5.4 - Curva TG e DTG da resina fenólica .............................................
6
8
FIGURA
5.5 -
DTG ..............................................................................................
6
9
FIGURA
5.6 -
b) curvas DTG ..............................................................................
6
9
FIGURA
5.7 -
a) curvas TG e b) curvas DTG ......................................................
70
FIGURA
5.8 -
b) curvas DTG ..............................................................................
7
1
FIGURA
5.9 - Curva DSC dinâmica da poliuretana 2:1 ......................................
7
4
FIGURA
5.10
- Curva DSC dinâmica da resina fenólica .......................................
7
4
FIGURA
5.11
-
40°C, 60°C e 80°C da PU 2:1 obtidas por DSC ...........................
7
6
FIGURA
5.12
- Curva
DSC da primeira varredura dinâmica da resina fenólica
curada a 40ºC ................................................................................
7
7
FIGURA
5.13
- Curva DSC da segunda varredura dinâ
mica da resina fenólica
curada a 40ºC ................................................................................
7
7
FIGURA
5.14
- Curva DSC da segunda varredura di
nâmica da resina PU 2:1
curada a 40ºC ................................................................................
7
8
FIGURA
5.15
-
40ºC, 60ºC e 80°C da PU 2:1 obtidas por DSC ............................
80
FIGURA
5.16
- Gráfico de ln k em função de 1/T da PU 2:1 ................................
81
FIGURA
5.17
-
nos tecidos de sisal não-tratados e tratados a 60
o
C por 1, 3, 48 e
72 h ...............................................................................................
82
FIGURA
5.18
- Efeito do tratamento térmico
no limite de resistência à tração e
na redução do teor de umidade das fibras de sisal ........................
84
FIGURA
5.19
- MEV na fibra de sisal não-tratada ................................................
8
4
FIGURA
5.20
-
longitudinais entre as microfibrilas das fibras não-
tratadas e
ruptura das fibras tratadas por: b) 3 h, c) 48 h e d) 72 h ...............
8
5
FIGURA
5.21
- Delaminação entre as microfibrilas
das fibras de sisal.
a) amostras não-tratadas e b) amostras tratadas por três horas .....
8
6
FIGURA
5.22
-
tração .............................................................................................
8
7
FIGURA
5.23
- MEV da superfície da resina PU 2:1, amostra 6:
a) presença de
vazios, b) concentrador de tensão .................................................
8
8
FIGURA
5.24
-
b) amostra 5 e c) amostra 3 ...........................................................
88
FIGURA
5.25
- MEV da superfície da fratura da PU 2:1, amostra 6 .....................
8
9
FIGURA
5.26
-
a) material não-homogêneo e microfissuras e b) bo
lhas e
microfissuras .................................................................................
91
FIGURA
5.27
-
pull-out e vazios na resina e c) adesão fibra/matriz .....................
92
FIGURA
5.28
- MEV das fraturas nas pontas das fibras de sisal do laminado
PU/sisal úmido ..............................................................................
93
FIGURA
5.29
-
c) presença de pull-out .................................................................
94
FIGURA
5.30
- MEV das fratura
s nas pontas das fibras de sisal do laminado
PU/sisal seco .................................................................................
9
4
FIGURA
5.31
-
de vazios na resina, b) adesão fib
ra/matriz e presença de
pull-out e fratura na fibra .............................................................
9
6
FIGURA
5.32
-
c) ponta da fratura .........................................................................
9
6
FIGURA
5.33
-
a) presença de matriz entre as fibras e b) ponta da fibra de sisal ..
9
8
F
IGURA
5.34
- Figura 5.34 –
Fractografia da resina fenólica após ensaio de
tracionada em direção ao centro da amostra e e) início da t
rinca
pela borda tracionada ....................................................................
102
FIGURA
5.35
-
a) início do ensaio e b) após 6 min de ensaio ...............................
104
FIGURA
5.36
-
b) resina fenólica e laminados ......................................................
10
9
FIGURA
5.37
- Difratograma da fibra de vidro e das fibras de sisal variando t
eor
de umidade ....................................................................................
10
9
FIGURA
5.38
- Gráfico do teor de umidade versus
índice de cristalinidade das
fibras de sisal ................................................................................
111
FIGURA
5.39
-
óleo de mamona 2:1 (poliol/isocianato) .......................................
1
11
FIGURA
5.40
- Difratogramas por raios X da resina PU 2:1, fibra de v
idro e
laminado de PU/vidro ...................................................................
1
12
FIGURA
5.41
-
laminado de PU/sisal ....................................................................
1
13
FIGURA
5.42
-
laminado de fenólica/vidro ...........................................................
1
13
FIGURA
5.43
- Difratogramas por raios X da resina fenólica, fibra de sis
al e
laminado de fenólica/sisal .............................................................
1
14
LISTA DE TABELAS
TABELA
2.1 -
Composição média do óleo de mamona ...................................
31
TABELA
3.1 -
Características da resina Cascophen RS 216 M ....................... 48
TABELA
3.2 -
Características do tecido com fibras de vidro .......................... 49
TABELA
3.3 -
Características do tecido de sisal ..................................................
50
TABELA
5.1 -
Temperaturas de degradação e perda de massa dos materiais e
dos laminados a partir da termogravimetria em atmosfera de
nitrogênio ..................................................................................
72
TABELA
5.2 -
Resultados da análise por DSC das resinas ..............................
75
TABELA
5.3 -
Resultados da análise isotérmica por DSC da resina fenólica ..
76
TABELA
5.4 -
Resultados de entalpia das isotermas (∆H) e parâmetros
cinéticos (k e n) ........................................................................
79
TABELA
5.5 -
Valores médios dos ensaios em tração nas fibras de sisal ........
83
TABELA
5.6 -
Valores dos ensaios em tração da fibra de vidro ......................
86
TABELA
5.7 -
Valores dos ensaios em tração da resina PU 2:1 ......................
87
TABELA
5.8 -
Valores dos ensaios em tração da resina fenólica .................... 90
TABELA
5.9 -
Valores dos ensaios em tração do laminado de resina
poliuretana reforçada com fibra úmida de sisal com teor de
umidade igual a 17,32% ...........................................................
91
TABELA
5.10
-
Valores dos ensaios em tração do laminado de resina
poliuretana reforçada com fibra de sisal seca em estufa com
teor de umidade igual a 4,08% .................................................
93
TABELA
5.11
-
Valores dos ensaios em tração do laminado de resina
poliuretana reforçada com fibra de vidro .................................
95
TABELA
5.12
-
Valores dos ensaios em tração do laminado de resina fenólica
reforçada com fibra úmida de sisal com teor de umidade igual
a 16,54% ...................................................................................
97
TABELA
5.13
-
Valores dos ensaios em tração do laminado de resina fenólica
reforçada com fibra de sisal seca em estufa com teor de
umidade igual a 6,66% .............................................................
98
TABELA
5.14
-
Valores dos ensaios em tração do laminado de resina fenólica
reforçada com fibra de vidro ....................................................
99
TABELA
5.15
-
Valores dos ensaios em flexão da resina poliuretana ...............
100
TABELA
5.16
-
Valores dos ensaios em flexão da resina fenólica ....................
101
TABELA
5.17
-
Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina fenólica
reforçada com fibra de vidro ....................................................
103
TABELA
5.18
-
Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina fenólica
reforçada com fibra úmida de sisal com teor de umidade igual
a 17,1% .....................................................................................
104
TABELA
5.19
-
Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina fenólica
reforçada com fibra de sisal seca em estufa com teor de
umidade igual a 6,00% .............................................................
105
TABELA
5.20
-
Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina
poliuretana reforçada com fibra de vidro .................................
106
TABELA
5.21
-
Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina
poliuretana reforçada com fibra úmida de sisal com teor de
umidade igual a 17,1% .............................................................
107
TABELA
5.22
-
Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina
poliuretana reforçada com fibra de sisal seca em estufa com
teor de umidade igual a 6,00% .................................................
107
TABELA
5.23
-
Índice de cristalinidade das fibras de sisal em função da
umidade ....................................................................................
110
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AMR -
Divisão de Materiais
ASTM -
American Society for Testing and Materials
BA -
Estado da Bahia
CNPq -
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
CO
2
-
Gás carbônico
CTA -
Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial
CTE -
Coeficiente de Expansão Térmica
DEMAR -
Departamento de Materiais
DEQUI -
Departamento de Química
DMA -
Análise Mecânica Dinâmica
DSC -
Calorimetria Exploratória Diferencial
DTG -
Termogravimetria Derivada
EDS -
Espectro de Energia Dispersiva
EEL -
Escola de Engenharia de Lorena
ER -
Resina Epóxi
FEG -
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
FISPq -
Ficha de Informação de Segurança do Produto Químico
GO -
Estado de Goiás
INPE -
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
IPHAN -
Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional
IPDI -
Diisocianato de Isoforone
Isso -
International Organization for Standardization
MA -
Estado do Maranhão
MDI -
Diisocianato de Difenilmetano
MEV -
Microscopia Eletrônica de Varredura
MLC -
Madeira Laminada Colada
MG -
Estado de Minas Gerais
NaOH -
Hidróxido de sódio
NFPA -
National Fire Protection Association
PE -
Estado de Pernambuco
PU -
Poliuretana
PVAc -
Poli(acetato de vinila)
SC -
Estado de Santa Catarina
SP -
Estado de São Paulo
TG -
Termogravimetria
T
g
-
Temperatura de Transição Vítrea
UNESCO
-
Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a
Cultura
UNESP -
Universidade Estadual Paulista
USP -
Universidade de São Paulo
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
PARTE I – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
1
INTRODUÇÃO
................................................................................................ 22
1.1
OBJETIVO GERAL
.................................................................................. 26
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
.................................................................... 26
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
.......................................................................
28
2.1
RESINAS
...................................................................................................
28
2.1.1
Poliuretana à base de óleo de mamona
.........................................
28
2.1.2
Fenol-resorcinol-formaldeído
.......................................................
32
2.2
FIBRAS
......................................................................................................
34
2.2.1
Fibra de vidro
..................................................................................
34
2.2.2
Fibra de sisal
..................................................................................
36
2.3
MATERIAIS COMPÓSITOS
....................................................................
39
2.3.1
Compósitos poliméricos reforçados por fibras
...........................
41
2.3.1.1
Compósitos poliméricos reforçados por fibras de sisal
..........
43
PARTE II – PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
3
MATERIAIS
............................................
........................................................
46
3.1
POLIURETANA À BASE DE ÓLEO DE MAMONA
.........................
46
3.2
FENOL-RESORCINOL-FORMALDEÍDO
............................................. 47
3.3
FIBRA DE VIDRO ................
...................................................................
49
3.4
FIBRA DE SISAL
...................................................................................
50
4
MÉTODOS
................................................................
.......................................
51
4.1
SÍNTESE DAS RESINAS
.....................................................................
51
4.1.1
Poliuretana à base de óleo de mamona
..................................
51
4.1.2
Fenol-resorcinol-formaldeído
...................................................
51
4.2
ANÁLISE TÉRMICA
..............................................................................
51
4.2.1
Termogravimetria
..........................................................
...........
52
4.2.2
Calorimetria Exploratória Diferencial
....................................
52
4.3
CINÉTICA QUÍMICA DE CURA
.........................................
.................
54
4.3.1
Poliuretana à base de óleo de mamona
.................................... 55
4.4
PROCESSAMENTO DOS COMPÓSITOS
.......................
.....................
56
4.5
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
...........................................
.......................
56
4.5.1
Fibras
.............................
..............................................................
56
4.5.2
Resinas
.........................................................................................
58
4.5.3
Laminados
...........................................................
........................
59
4.6
RESISTÊNCIA À FLEXÃO
..................................................................
60
4.7
DIFRAÇÃO DE RAIOS X
.....................................................................
61
4.7.1
Fibras
.............
..............................................................................
61
4.7.2
Resinas
.........................................................................................
62
4.7.3
Laminados
...........................................
........................................
62
4.8
MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
...........................
63
5
RESULTADOS E DISCUSSÕES
..................................................................
64
5.1
SÍNTESE DAS RESINAS
.............
...........................................................
64
5.1.1
Poliuretana à base de óleo de mamona
....................................
64
5.1.2
Fenol-resorcinol-formaldeído
.....................................................
65
5.2
ANÁLISE TÉRMICA
..............................................................................
66
5.2.1
Termogravimetria
.....
...................................................................
66
5.2.1.1
Fibra de sisal
...............................
.........................................
66
5.2.1.2
Resinas
................................................................................
67
5.2.1.3
Laminados
...........................................................................
68
5.2.2
Calorimetria Exploratória Diferencial
.......................................
73
5.2.2.1
Resinas
................................................................................
73
5.3
CINÉTICA QUÍMICA DE CURA
...................................
.......................
79
5.3.1
Poliuretana à base de óleo de mamona
....................................
79
5.4
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
..................................................................
81
5.4.1
Fibras
...........................
................................................................
81
5.4.1.1
Fibra de sisal
........................................................................
81
5.4.1.2
Fibra de vidro ..........................................................
...........
86
5.4.2
Resinas
.........................................................................................
87
5.4.2.1
Poliuretana à base de óleo de mamona
..............................
87
5.4.2.2
Fenol-resorcinol-formaldeído ......
......................................
89
5.4.3
Laminados
...................................................................................
91
5.4.3.1
Resina poliuretana reforçada por fibras de sisal
................
91
5.4.3.2
Resina poliuretana reforçada por fibras de vidro
................
95
5.4.3.3
Resina fenólica reforçada por fibras de sisal
......................
96
5.4.3.4
Resina fenólica reforçada por fibras de vidro
......................
99
5.5
RESISTÊNCIA À FLEXÃO
.....
.............................................................
100
5.5.1
Resinas
.........................................................................................
100
5.5.1.1
Poliuretana à base de óleo de mamona .............................
.
100
5.5.1.2
Fenol-resorcinol-formaldeído
............................................
101
5.5.2
Laminados
...................................................................................
102
5.5.2.1
Matriz fenólica reforçada por fibras de vidro
......................
103
5.5.2.2
Matriz fenólica reforçada por fibras úmidas de sisal
...........
103
5.5.2.3
Matriz fenólica reforçada por fibras secas de sisal
.............
104
5.5.2.4
Matriz poliuretana reforçada por fibras de vidro
................
105
5.5.2.5
Matriz poliuretana reforçada por fibras úmidas de sisal
.....
106
5.5.2.6
Matriz poliuretana reforçada por fibras secas de sisal
........
107
5.6
DIFRAÇÃO DE RAIOS X .................................................
....................
109
5.6.1
Fibras
...........................................................................................
109
5.6.2
Resinas
.........................................................................................
111
5.6.3
Laminados
...................................................................................
112
6
CONCLUSÕES
...........................................................................................
115
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............
......................................................
117
ANEXOS
.......
.............................................................................................................
129
22
PARTE I - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
1 INTRODUÇÃO
A madeira é o recurso natural, renovável, mais antigo que o homem dispõe
(PFEIL, 2003). No campo construtivo, durante séculos, a madeira foi o material mais
empregado em estruturas sendo amplamente encontrada em Edificações Históricas.
Contudo, com as rápidas transformações do meio ambiente e dos grupos sociais, as
edificações históricas acabaram sofrendo modificações ao longo da sua existência e
problemas relacionados à durabilidade são comumente encontrados nas estruturas
dessas edificações (MILANESE e BITTENCOURT, 2006).
Segundo o Iphan (2005), o Brasil possui dezenove monumentos culturais e
naturais considerados pela Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência
e a Cultura - UNESCO como patrimônio histórico mundial, correspondentes a
aproximadamente 20 mil edifícios tombados, 83 centros e conjuntos urbanos e 12 mil
sítios arqueológicos cadastrados, dentre os quais estão os Centros Históricos de
Diamantina (MG), Goiás (GO), Olinda (PE), Salvador (BA), São Luiz (MA) e o
Conjunto Arquitetônico e Urbanístico de Ouro Preto (MG).
As histórias das diversas construções consideradas patrimônio arquitetônico
apresentam aspectos coincidentes: as estruturas são em madeira, passaram várias
décadas sem qualquer manutenção, devido à estagnação econômica da região, as
estruturas estiveram submetidas ao ataque de agentes de degradação, e atualmente os
projetos de revitalização urbanística dos centros históricos requerem mudanças de uso
dos imóveis (CARVALHO, 2005).
Atualmente, a reabilitação de peças estruturais de madeira pode ser realizada por
meio dos métodos tradicionais – pelos quais a estrutura original é substituída por nova
peça nas mesmas dimensões e propriedades semelhantes à original, mecânico – os
reparos estruturais são realizados com conectores metálicos e adesivos – sendo
utilizados adesivos poliméricos combinados com peças metálicas para a recuperação
23
da estrutura (FIORELLI
1
, 2002 apud METTEM e ROBINSON, 1991).
Considerando que, muitas vezes, a restauração de peças estruturais de madeira
ocorre com a utilização de materiais que apresentam alta densidade, baixa resistência
às altas temperaturas, no caso de incêndios, e susceptibilidade às intempéries tornando
complexo o trabalho de recuperação (CRUZ, 2004), o desenvolvimento de novos
materiais e métodos que auxiliem na realização desses serviços em obras especiais é
fundamental e pode permitir que ocorram boas condições de resistência às solicitações
mecânicas e durabilidade, como ilustra a Figura 1.1.
Figura 1.1 – Ruptura por flexão do corpo-de-prova reforçado na parte inferior
pelo laminado epóxi/sisal (CARVALHO, 2005)
Diante do problema exposto e baseado no projeto realizado na restauração de
uma obra tombada na cidade de Salvador (BA), propôs-se desenvolver e estudar o
comportamento de compósitos poliméricos reforçados por fibras para uso como
material de reforço nas ligações de estruturas em madeira.
O projeto de restauração desenvolvido por Cruz, Presa e Oliveira (2004) consiste
em uma técnica, não-convencional, com o uso de placas de resina poliéster reforçada
por fibras de vidro nas emendas das peças de madeira entre as estruturas nova e antiga
(original), como mostra a Figura 1.2 a, c. Para sua fixação, as placas foram coladas
com resina poliéster, além da colocação de barras transversais, Figura 1.2 b.
______________________
1
METTEM, C. J.; ROBINSON, G. C. The repair of structural timber. In: INTERNATIONAL TIMBER
ENGINEERING CONFERENCE LONDON, 1991, London. Anais… London. p. 4.56-4.65.
24
Figura 1.2 – Restauração em estrutura de madeira. a) Localização do reforço na
emenda entre as peças, b) corte transversal da emenda e
c) fotografia da intervenção. (CRUZ et al., 2004)
Há, aproximadamente, 60 anos os materiais compósitos foram empregados pela
primeira vez em projetos estruturais da indústria aeronáutica. Atualmente, os
compósitos são também utilizados nos setores náuticos, automobilísticos, construção
civil e área médica.
Segundo Kaw (1997), compósito é um material multifásico que combina dois ou
mais constituintes, não solúveis entre si. Normalmente, são materiais que contêm um
reforço, como fibras e partículas, suportado pela matriz aglutinante.
As resinas são materiais poliméricos de alta massa molar, acima de dez mil, cuja
estrutura pode ser representada por pequenas unidades repetidas, denominadas mero
(ASM INTERNATIONAL, 1993). Classificam-se, segundo sua origem, em naturais,
semi-sintéticos e sintéticos (MANO; MENDES, 1999).
Este trabalho estuda duas resinas como matriz: uma resina fenólica, composta por
fenol, resorcinol e formaldeído e uma resina poliuretana à base de óleo de mamona.
Ambas resinas são adesivos capazes de curar à temperatura ambiente e resistentes à
ação d’água após cura.
O emprego da resina fenólica se justifica neste estudo uma vez que, as ligações
formadas durante sua polimerização são inofensivas às fibras da madeira
(CARRASCO, 1984).
Quanto à resina poliuretana à base de óleo de mamona, os primeiros estudos no
Brasil começaram a surgir a partir da década de oitenta. O principal objetivo era o de
a)
b)
c)
25
desenvolver materiais com aplicação na área de telecomunicações. Araújo (1992)
estudou a síntese de intermediários para resina poliuretana; e Carrasco et al. (1988)
contribuíram com o estudo do adesivo poliuretano aplicado em madeira.
A resina poliuretana à base de óleo de mamona tem em sua composição uma
matéria-prima natural renovável, pois o óleo de mamona é obtido da semente da
mamoeira, sendo assim, é menos agressiva ao meio ambiente (FIORELLI, 2002).
Trata-se de uma tecnologia nacional desenvolvida pelo Laboratório de Química
Analítica e Tecnologia de Polímeros, que atualmente trabalha em parceria com o
Laboratório de Madeiras e de Estruturas, ambos da Escola de Engenharia de São
Carlos – USP.
Como material de reforço, a pesquisa analisa as fibras de vidro e as fibras de
sisal. Salienta-se que, a caracterização da fibra de vidro também apresentada neste
trabalho tem como função a comparação com a fibra de sisal, sendo esta natural e
ainda pouco utilizada na construção civil.
A fibra de vidro é um material sintético muito utilizado como material de reforço
em polímeros termoplásticos e termorrígidos, pois produz compósitos com alta
resistência específica, além de ser inerte em ambientes corrosivos. Apresenta
propriedades tais como alta durabilidade, flexibilidade, transparência, dureza,
resistência a ataques químicos, estabilidade dimensional e fácil processabilidade, além
de baixo custo quando comparado a outras fibras sintéticas (ASM
INTERNATIONAL, 1993).
A fibra de sisal é uma fibra vegetal retirada das folhas da planta Agave sisalana.
No Brasil, a cultura do sisal é comumente encontrada nas regiões semi-áridas do
Nordeste (VORTAL, 2005). Em relação às fibras sintéticas, essa fibra apresenta
inúmeras vantagens: renovação rápida, baixo custo, tem baixa densidade, é menos
abrasiva aos equipamentos de produção, não é tóxica e é biodegradável (SAHEB e
JOG, 1999; CALIL JR. e CARVALHO, 2002; SILVA, 2003; MOTHÉ e ARAUJO,
2004).
O principal interesse em estudar a fibra de sisal como matéria-prima na produção
de compósitos é pelo fato desse material derivar de recurso renovável e biodegradável,
contribuindo assim para a preservação ambiental. Matérias-primas provenientes de
26
recursos naturais são de grande interesse à área de pesquisa, pois podem substituir
algumas fibras originadas de derivados petroquímicos.
A fibra de sisal apresenta cerca de 38% do valor da resistência da fibra de vidro,
mostrando que o desenvolvimento de compósitos com fibras de sisal, destinado ao uso
estrutural, justifica-se como um projeto consistente e uma alternativa para aplicações
específicas (CALIL JR. E CARVALHO, 2002).
Inicialmente, o trabalho apresenta as caracterizações físicas e os comportamentos
térmicos e mecânicos das matérias-primas empregadas na confecção dos laminados,
tais como: síntese das resinas, cinética química de cura, análise térmica, resistência à
tração e à flexão, análise fractográfica por microscopia eletrônica de varredura e
difração de raios X.
A seguir, são apresentados: o processamento, as caracterizações como difração
de raios X, as propriedades térmicas obtidas por meio da Termogravimetria (TG) das
placas laminadas em uma única camada de reforço.
Finalmente, são apresentadas as propriedades mecânicas em tração e flexão das
placas laminadas compostas por uma camada de reforço.
1.1 OBJETIVO GERAL
Contribuir para o aumento do uso de compósitos no campo da construção civil,
além de propor novas técnicas de restauração utilizando esse material como reforço em
estrutura de madeira, principalmente no caso em que a técnica e/ou financeiramente
medidas convencionais não são recomendadas.
Trata-se de uma pesquisa de caráter aplicativo, apoiada no princípio da
engenharia contemporânea, pelos quais as soluções para as patologias construtivas de
edificações de interesse sócio-cultural são feitas.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Especificamente, a pesquisa analisa o comportamento de quatro compósitos
poliméricos, em forma de placas, formados por:
27
1) Resina fenólica reforçada com fibras de vidro;
2) Resina fenólica reforçada com fibras de sisal;
3) Resina poliuretana à base de óleo de mamona reforçada com fibras de vidro e
4) Resina poliuretana à base de óleo de mamona reforçada com fibras de sisal.
28
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica foi organizada com o intuito de apresentar o histórico e
aplicações dos materiais, as recentes pesquisas correlatas e os fundamentos necessários
à compreensão do trabalho por profissionais de diferentes formações.
2.1 RESINAS
As resinas são materiais poliméricos de alta massa molar, acima de dez mil, cuja
estrutura pode ser representada por pequenas unidades repetidas, denominadas mero
(ASM INTERNATIONAL, 1993).
Classificam-se, segundo sua origem, em naturais, semi-sintéticas e sintéticas.
Para Mano e Mendes (1999), as resinas naturais são obtidas por meio de fontes
animais, vegetais e minerais. As semi-sintéticas derivam de produtos naturais que
sofreram modificação química, tais como a poliuretana derivada de óleo de mamona e
o nitrato de celulose. As resinas sintéticas são formadas através de reações de adição e
condensação como, por exemplo, a poliuretana – PU, a resina epóxi – ER e o
poli(acetato de vinila) – PVAc.
2.1.1 Poliuretana à base de óleo de mamona
As poliuretanas são compostas por macromoléculas lineares contendo a ligação
uretana repetidas vezes (CARVALHO, 2005).
A uretana é formada pela condensação de isocianatos orgânicos com
componentes que contêm grupos hidroxilas, como mostra a Figura 2.1 (ASM
INTERNATIONAL, 1993). Uma uretana também é chamada de carbamato porque
formalmente é um éster de um álcool –OH e um ácido carbâmico –NHCO
2
H
(SOLOMONS; FRYHLE, 2002).
29
R OH O C N R
1
R O C NH
R
1
O
+
Alcool Isocianato Uretana (Carbamato)
Figura 2.1 – Reação química de uma uretana
As poliuretanas são normalmente obtidas pela reação de um diol, caracterizado
pela presença do grupo hidroxila –OH com um poliisocianato, que possui o grupo
funcional –NCO, conforme Figura 2.2 (KEHL, 2006). A reação é exotérmica e sua
velocidade depende tanto da estrutura do isocianato quanto do poliol utilizado
(SILVESTRE FILHO, 2001).
OCN R NCO
OH R
1
OH
NH
C O R
1
ORNHC
O
O
+
Poliisocianato Poliol Poliuretana
Figura 2.2 – Reação química de uma poliuretana
Como os compostos contendo grupos isocianatos são altamente reativos,
geralmente é feita uma pré-polimerização com um poliol, nas proporções determinadas
para que se obtenha um teor desejado de isocianato livre, então, a reação de
polimerização da poliuretana ocorre pela mistura do pré-polímero com o poliol final,
resultando numa poliuretana de alta massa molar (SILVESTRE FILHO, 2001).
O poliol utilizado na sínteze da PU à base de óleo de mamona é um poliéster
derivado do ácido ricinoléico, encontrado no óleo de mamona. Possui grupos
hidroxilas, sendo freqüentemente utilizado como um poliol na síntese de poliuretanas
(TRÂN; VIALLE; PHAN, 1997).
O óleo de mamona é um triglicerídeo natural (Figura 2.3), não alimentar, sob a
forma de líquido viscoso, geralmente obtido pela prensagem, a frio ou a quente, ou por
extração com solvente das sementes da planta Ricinus communis, da família
Eurphorbiacae, conforme citam Vilar (2006) e Ogunniyi (2006).
30
C
O
R
1
OCH
2
CH O C R
1
O
CH
2
O C R
1
O
C
O
R
1
OCH
2
CH O C R
1
O
CH
2
O C R
2
O
+
7 5
R
1
R
2
outros derivados do ácido graxo
=
onde:
CH
2
=
CHCH CH
OH
CH
2
CH
2
CH
3
Figura 2.3 – Glicerídeos do óleo de mamona
A planta da mamona cresce em países de climas tropicais e subtropicais, com
temperaturas médias em torno de 20ºC a 26°C e baixa umidade. Os principais
produtores desse óleo são a Índia, a China e o Brasil que participaram, em 2001, com
92% da produção mundial (BIODIESEL, 2006). A produção mundial de sementes da
mamona é estimada em 1 milhão de toneladas e de óleo extraído em torno de 500.000
toneladas (OGUNNIYI, 2006; SANTOS e BARROS, 2006).
Existem diferentes variedades de sementes de mamona (Figura 2.4), mas cada
semente contém, em média, 46% a 55% em peso, de óleo (OGUNNIYI, 2006).
Figura 2.4 – Sementes da mamoeira
(CAVALCANTE, 2005)
Segundo Trân; Vialle; Phan (1997) e Silvestre Filho (2001), esse óleo é uma das
poucas fontes naturais que se aproxima de um composto puro, sendo que entre 87% a
90% do ácido graxo presente na sua composição é o ácido ricinoléico. Os restantes,
10% a 13%, são constituídos de ácidos graxos não hidroxilados, principalmente pelos
ácidos oléicos e linoléicos. Portanto, a funcionalidade do óleo de mamona é cerca de
2,7 (VILAR, 2006). Uma composição média do óleo de mamona pode ser visualizada
na Tabela 2.1.
sendo:
31
Tabela 2.1 – Composição média do óleo de mamona
Componentes Concentração (%)
Ácido ricinoléico 89
Ácido linoléico 4,2
Ácido oléico 3,0
Ácido esteárico 1,0
Ácido palmítico 1,0
Ácido dihidroxiesteárico 0,7
Ácido linolênico 0,3
Ácido eicosanóico 0,3
Fonte: Ogunniyi (2006)
O óleo de mamona é um dos óleos vegetais que apresenta vasta aplicação. Serve
como matéria-prima para tintas, revestimentos e lubrificantes. Por causa da sua
funcionalidade, o óleo é apropriado para uso em reações com isocianatos para
produção de poliuretanas elastoméricas, adesivos, tintas e espumas de poliuretano
(OGUNNIYI, 2006 e RODRIGES et al., 2004).
A poliuretana à base de óleo de mamona também é utilizada como biomaterial,
em implantes e em agentes terapêuticos e é aplicada em dispositivos ópticos e
eletrônicos. Algumas espumas semi-rígidas, que tem uso potencial em isolamento
térmico, são produzidas quando a mistura de óleo de mamona/poliéter reage com
tolueno diisocianato (OGUNNIYI, 2006 e RODRIGES et al., 2004).
O óleo de mamona age quimicamente como um triól, ou seja, tem três
grupamentos –OH secundários (não terminais), sendo pouco reativo em relação aos
grupamentos –NCO (ARAUJO, 1992).
Conhecido internacionalmente por castor oil, o óleo de mamona utilizado na
síntese de poliuretano produz um polímero semi-sintético que cura a frio, menos
agressivo ao homem e ao meio ambiente, pois o óleo é um recurso natural e renovável
(FIORELLI, 2002).
32
2.1.2 Fenol – Resorcinol – Formaldeído
A resina fenol-resorcinol-formaldeído foi introduzida comercialmente a partir de
1943 para atender às necessidades de tempos de guerra, pois consiste em um adesivo
líquido capaz de curar à temperatura ambiente, produzindo aderência à prova d’água e
de elevada durabilidade (CARRASCO, 1984).
Trata-se de um polímero sintético que contém ligações cruzadas entre as cadeias,
as quais permitem a formação de uma estrutura tridimensional, formando materiais
rígidos, insolúveis e infusíveis (ASM INTERNATIONAL, 1993).
As resinas fenólicas curam à temperatura ambiente somente se catalisadas por um
ácido forte, mas a mistura fenol-resorcinol elimina esse problema, além de apresentar
custos moderados (CARRASCO, 1984).
Apesar das suas limitações, como custo elevado e disponibilidade limitada, as
resinas com resorcinol formam ligações de durabilidade muito alta, adequadas para
madeiras expostas às intempéries, além de serem neutras e inofensivas às fibras da
madeira (CARRASCO, 1984).
O formaldeído propicia a formação de ligações adicionais entre as cadeias e,
então, se forma um produto termorrígido – sofre uma mudança permanente (uma
reação química) durante a polimerização, fornecendo um sólido que não pode ser
fundido. Assim, o polímero final é uma rede tridimensional rígida e insolúvel
(ALLINGER et al., 1976).
Como exposto por Carrasco (1984), as principais aplicações dessa resina como
adesivo, separados ou misturados são:
• Compensado naval: na fabricação de compensado de madeira de fino
acabamento para uso exterior, de elevada resistência ao calor e às intempéries;
• Ligações de madeira, para obter elementos mais longos e ou de seção
composta para as estruturas de madeira como tesouras, vigas e arcos
estruturais;
• Madeira laminada submetida às solicitações elevadas e severas;
• Ligação de certos plásticos entre si e a madeira e,
• Ligação de metal à madeira.
33
A Figura 2.5 ilustra a síntese de resinas fenólicas, que se dividem em dois tipos:
novolacas e resóis. As resinas novolacas, conhecidas como de dois estágios, são
normalmente sintetizadas com menor quantidade de formaldeído, sendo necessária a
adição de um produto capaz de fornecer o restante de formaldeído para cura
(endurecedor). As resóis, conhecidas como de um estágio, são sintetizadas com
catalisadores básicos e com formaldeído na quantidade necessária para permitir reação
completa (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
Figura 2.5 – Diagrama esquemático da síntese e reações de cura de resinas fenólicas
(LEVI NETO e PARDINI, 2006)
34
2.2 FIBRAS
Em termos gerais, as fibras são filamentos que possuem pequenos diâmetros
variando em torno de 1 µm a 25 µm. Podem ser obtidas a partir de materiais naturais
ou químicos, com estruturas policristalinas ou amorfas, Figura 2.6 (ASM
INTERNATIONAL, 1993).
O comprimento da fibra pode ser contínuo ou descontínuo (fibra curta),
normalmente não inferior a 3,2 mm.
Figura 2.6 – Classificação das fibras
(ABRAFAS, 2007; PALMA, 2007; SILVA, 2004 e ROMERO et al, 1995)
2.2.1 Fibra de vidro
A fibra de vidro é uma fibra sintética produzida a partir do vidro estirado na
forma de fibras. O vidro é utilizado como um material de reforço por meio da
Fibras
Naturais Químicas
Animais Minerais Artificiais
Sintética
s
Semente
:
Algodão
Palha
Paina
Caule
:
Linho
Rami
Juta
Cânhamo
Malva
Folhas:
Sisal
Caruá
Tucum
Frutos:
Coco
Secreções:
Seda
Pêlos:
Lã
Angorá
Lhama
Coelho
Cashemira
Raiom
Viscose
Amianto
Wollastonita
Poliéster
Poliamida
Poliacrílico
Elastano
Metálica
Carbono
Vidro
Vegetais
35
aglutinação de finíssimos filamentos flexíveis, pois é facilmente estirado na forma de
fibras de alta resistência (CALLISTER, 2000).
É um material amplamente utilizado como reforço na produção de compósitos
com alta resistência específica, além de ser inerte em ambientes corrosivos
(FIORELLI, 2002).
A produção comercial da fibra de vidro em forma de filamentos contínuos
começou em 1936 pela Owens Illinois Glass Company. Em 1938 essa companhia se
fundiu a Corning Glass Works para formar a Owens Corning Fiberglass
Corporation, principal produtora atual (ASM INTERNATIONAL, 1993 e
WIKIPEDIA, 2006).
A fibra de vidro é formada quando a sílica, totalizando mais de 50% em peso e
em forma de areia, é misturada a outros componentes, como calcário, alumina,
boratos, entre outros e acondicionados ao forno de fusão, em torno de 1400ºC,
formando uma massa fundida. Em seguida, essa massa fundida flui para bandejas de
platina altamente resistentes ao calor, as quais possuem milhares de pequenos orifícios
tubulares, sendo puxada verticalmente e atenuada em um diâmetro preciso, e resfriada
por água e ar para garantir o diâmetro, formando filamentos contínuos (OWENS-
CORNING, 2005 e KAW, 1997).
Os filamentos são tratados superficialmente, sendo revestidos por uma mistura
química à base de água com a finalidade de proteção, além de fornecer uma melhor
adesão entre fibra e matriz (OWENS-CORNING, 2005 e KAW, 1997). Os filamentos
são, então, agrupados, formando fios com mais de 204 filamentos. Por fim, os fios de
vidro podem ser convertidos em diferentes formas, como fios, mantas e tecidos,
conforme mostra a Figura 2.7 (KAW, 1997).
Figura 2.7 – Linha de produtos com fibra de vidro
(OWENS-CORNING, 2005)
36
Segundo Kaw (1997), a fibra de vidro é a mais utilizada como reforço em
compósitos poliméricos. Apresenta como características: baixo custo, alta resistência
mecânica e boas propriedades isolantes, além de baixo módulo de elasticidade, fraca
adesão com polímeros, alta massa específica, sensibilidade à abrasão e baixa
resistência à fadiga.
2.2.2 Fibra de sisal
A fibra de sisal é uma fibra vegetal de natureza celulósica retirada das folhas da
planta Agave sisalana, uma monocotiledônea originária da região da península de
Iucatã, no México, desenvolvida pelos Maias antes da chegada dos europeus (SAHEB
e JOG, 1999; JACOB et al., 2006a; JACOB et al., 2006b).
Sua produção em larga escala começou a partir de 1888 sendo, então, sua
plantação propagada para regiões tropicais e subtropicais. Atualmente, existem 57
espécies de sisal catalogadas (SAHEB e JOG, 1999; JACOB et al., 2006a; JACOB et
al., 2006b).
A planta apresenta folhas estreitas e compridas com ápice pontiagudo, medindo
de 10 cm a 15 cm de largura e 120 cm a 160 cm de comprimento, de cor verde lustrosa
que crescem em torno de um bulbo central (Figura 2.8).
Figura 2.8 – Sisal: a) antes do 1º corte (VORTAL, 2005),
b) após o corte (WIKIPÉDIA, 2005)
a)
b)
37
No Brasil, a cultura sisaleira começou a ser difundida a partir de 1920, no estado
da Paraíba (SILVA, 2003). Devido à sua adaptação as regiões muito secas, com solos
rasos, pedregosos e com chuvas escassas, atualmente, os principais produtores são os
estados da Bahia com 93,5% da produção nacional, Paraíba com 3,5% e Rio Grande
do Norte com 3% (EMBRAPA, 2006). Sendo assim, o cultivo do sisal tem grande
importância sócio-econômica nos sertões do nordeste brasileiro, região semi-árida.
O Brasil é o maior exportador de sisal do mundo, com uma produção anual de
cerca de 119.000 toneladas, contribuindo com 56% da safra mundial, o equivalente a
204.000 toneladas, exportando a maior parte da sua produção para a Europa e Estados
Unidos da América (APEX, 2006).
Segundo Gomes (2005), a partir dos anos 60, com o início da produção das fibras
sintéticas e a falta de crédito para a recuperação dos campos de sisal, o mercado entrou
em declínio aumentando a pobreza nas regiões produtoras, crescendo a necessidade de
estudos para novos usos do sisal.
Do sisal utilizam-se principalmente as fibras das folhas que depois de
beneficiadas se destinam à indústria de cordoaria na confecção de fios, cordas,
cortinas, tapetes (Figura 2.9 a), sacos e vassouras; à indústria automobilística, nos
revestimentos das paredes traseiras e laterais dos caminhões leves e médios (Figura
2.9b), em substituição às fibras de vidro, e como material para estofamento; e aos
artigos ornamentais como artesanatos e acessórios: rede para pesca, esteira de praia,
bolsas, descanso de prato, arranhador para gatos (Figuras 2.9 c, d), etc.
As fibras de sisal classificam-se no grupo de fibras chamadas estruturais, cuja
função é a de dar sustentação e rigidez às folhas.
Cada folha de sisal contém, em média, 4% em peso de fibras. Dos 96% restantes,
87,25% são líquidos (suco) e 8,75% são os resíduos secos de desfibragem (resíduos da
mucilagem péctica e da seiva clorofílica) e podem ser utilizados como adubo orgânico
e ração animal (SAHEB e JOG, 1999; LI et al., 2000; MATTOSO et al.
2
, 1996 apud
SILVA, 2003).
38
Fonte: a) Fortaleza (2006), b) Daimler (2006), c) Copabe (2004), d) Natural (2006)
Figura 2.9 – Utilização das fibras de sisal em: a) tapetes, b) paredes traseiras
de caminhões, c) artesanato: cesta e d) acessório: arranhador para gatos.
A obtenção da fibra do sisal se processa em quatro etapas: corte das folhas
(Figura 2.10 a); desfibramento – esmagamento da folha para eliminação da polpa das
fibras (Figura 2.10 b); lavagem e secagem (Figura 2.10 c); e a limpeza das fibras
(EMBRAPA, 2006).
A microestrutura das fibras naturais é formada pela matriz amorfa de
hemicelulose e lignina reforçada pela celulose. Essa celulose consiste em micro-
fibrilas distribuídas ao longo do comprimento das fibras de sisal. Geralmente, as fibras
de sisal contêm 60-80% de celulose, 5-20% de lignina e de 5-20% de umidade
(LI et al., 1999).
Segundo Paiva e Frollini (2006), a celulose é um polissacarídeo natural
semicristalino formado por unidades de 1,4-β – D-glicopiranosil, a hemicelulose é
formada por copolímeros de diferentes monossacarídeos, que raramente existem na
forma cristalina e a lignina é constituída por anéis aromáticos fenólicos.
______________________
2
MATTOSO, L. H. C.; FERREIRA, F. C.; CURVELO, A. A. S. Sisal fiber: morphology and applications in
polymer composites. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LIGNOCELLULOSICS-PLASTICS
COMPOSITES, 1996, São Paulo. Anais… São Paulo: USP; UNESP. p. 241-266.
a)
b)
c)
d)
39
Figura 2.10 – Processamento da fibra de sisal: a) corte, b) máquina de desfibramento e
c) secagem. (EMBRAPA, 2006)
As propriedades da fibra dependem das propriedades de cada constituinte da
microestrutura, além de variar em função da origem e da idade da planta (LI et al.,
2000 e MISHRA et al., 2004). A hemicelulose é responsável pela biodegradação e pela
absorção de umidade da fibra, além de apresentar menor resistência, enquanto que a
lignina é termicamente estável, mas é responsável pela degradação ultravioleta
(SAHEB e JOG, 1999).
2.3 MATERIAIS COMPÓSITOS
Compósitos são materiais multifásicos que combinam dois ou mais constituintes,
não solúveis entre si. Normalmente, são materiais que contêm um reforço, como fibras
e partículas, suportado pela matriz aglutinante (KAW, 1997). Material com
propriedades resultantes mais atrativas do que a de seus constituintes individuais
(NOGUEIRA, 2004).
Uma das funções da matriz é envolver o reforço, e em seu papel de matriz
permite a transmissão dos esforços atuantes na peça por meio da interface (GAY,
HOA, TSAI, 2002).
A Figura 2.11 apresenta a classificação dos materiais compósitos, sendo que, para
os compósitos reforçados por fibras, a fase dispersa tem a geometria de uma fibra.
a)
b)
c)
40
Os compósitos podem ser formados por meio da combinação entre metais,
cerâmicas e polímeros (SILVA, 2003 e NOGUEIRA, 2004).
Com um processamento adequado, é possível a obtenção de compósitos com
baixa massa específica, inferior à dos metais e cerâmicas, alta tenacidade, estabilidade
térmica, resistência à fadiga, resistência mecânica e resistência à corrosão nas
condições ambientes e a altas temperaturas (NOGUEIRA, 2004).
Segundo Gay; Hoa e Tsai (2002), as características dos materiais compósitos são
definidas em função da combinação entre o reforço e a matriz. Essas características
dependem das proporções utilizadas entre reforço e matriz, da forma e formato do
reforço (fibras unidirecionais, aleatórias, em tecido), do processo de fabricação e da
adesão entre ambos.
Figura 2.11 - Classificação dos materiais compósitos (CALLISTER JR., 2000)
Segundo a ASM International (1993), para que num compósito o reforço atue
como tal, a fração volumétrica da fase descontínua (reforço) deve ser de
aproximadamente 10% ou mais.
Para Silva (2003), os polímeros são os materiais mais utilizados como matriz,
devido à sua leveza e facilidade na moldagem, e Kaw (1997) complementa com baixo
custo. Em relação ao peso, quando esse é um fator preponderante, os materiais
Compósitos
Reforçado com fibras Estrutural Reforçado com partículas
Partículas
grandes
Reforçado
por
dispersão
Contínuo
(alinhado)
Descontínuo
(curto)
Laminados
Painéis em
sanduíche
Alinhado
Orientado
aleatoriamente
41
compósitos poliméricos passaram a substituir os metais em aplicações estruturais nas
indústrias aeronáuticas e automotivas (NOGUEIRA, 2004).
2.3.1 Compósitos poliméricos reforçados por fibras
Resinas reforçadas com fibras são compósitos poliméricos, cuja matriz consiste
na resina possuindo as fibras como fase dispersa.
Dentre as matrizes termorrígidas mais utilizadas em compósitos são as resinas
fenólicas, bismaleimidas, poliésteres, poli(imidas) e éster-cianatos, que apresentam
boa resistência química a solventes e a altas temperaturas (PILATO, MICHNO
3
, 1994
e PAIVA
4
, 2001 apud NOGUEIRA, 2004).
As propriedades dos compósitos são definidas em função das características das
fases constituintes (material), das suas quantidades relativas e da geometria da fase
dispersa. Nesse contexto, a geometria da fase dispersa engloba a forma, o tamanho, a
distribuição e a sua orientação (KAW, 1997).
Material: o material das fibras tem influência direta sobre as propriedades do
compósito. Normalmente se espera que as fibras tenham alto módulo de elasticidade e
resistência.
Forma: a forma mais comum das fibras é a circular por ser fácil o
processamento. Formas hexagonais e quadradas das fibras são possíveis, mas suas
vantagens na resistência e alto fator de empacotamento da microestrutura não
compensam a dificuldade na manipulação e no processamento.
Tamanho: as fibras podem ser longas ou curtas. Fibras longas contínuas são
fáceis para orientar e processar, enquanto que fibras curtas não podem ser inteiramente
controladas para a orientação apropriada. As fibras longas fornecem muitas vantagens
sobre as fibras curtas, tais como resistência ao impacto, estabilidade dimensional.
Entretanto, fibras curtas proporcionam baixo custo, são fáceis de trabalhar e têm
rápido procedimento de fabricação, além de apresentarem poucos defeitos.
______________________
3
PILATO, L. A.; MICHINO, M. J. Advanced Composite Materials. Berlin: Springer Verlag, 1994, p.9-23.
4
PAIVA, J. M. F. Compósitos de matrizes termorrígidas fenólicas e lignofenólicas reforçadas com fibras
vegetais. 2001. 266f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Instituto de Química de São
Carlos, São Carlos.
42
Orientação: fibras orientadas em uma direção fornecem alta rigidez e resistência
nessa direção. Se as fibras estiverem orientadas em mais de uma direção, elas
fornecerão alta rigidez e resistência nas direções das orientações das fibras.
Para Kaw (1997) e Callister Jr. (2000), as características mecânicas de um
compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas
também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela
fase matriz.
A magnitude da ligação interfacial entre as fases fibra e matriz é importante para
a extensão dessa transmissão de carga. As ligações químicas, mecânicas e de reação
entre fibra e matriz são responsáveis pela formação dessa interface (KAW, 1997).
A ligação química é formada entre a superfície da fibra e a da matriz. Algumas
fibras se aderem naturalmente à matriz, enquanto outras não.
O travamento causado pela rugosidade natural ou marcas da superfície da fibra
pode formar uma adesão mecânica entre fibra e matriz.
A ligação de reação ocorre quando átomos ou moléculas da fibra e da matriz se
difundem na interface, onde essa interdifusão freqüentemente cria uma camada
interfacial distinta, chamada de interfase, com propriedades diferentes da fibra ou da
matriz (CIOFFI, 1996). Embora essa fina camada interfacial ajude a formar uma
ligação, ela também forma microfissuras na fibra que reduzem a resistência da fibra e,
conseqüentemente, a do compósito (KAW, 1997).
Interfaces fracas podem causar fissuras em compósitos, reduzindo suas
propriedades influenciadas pela matriz e permitindo que perigos ambientais como
gases quentes e a umidade ataquem as fibras (KAW, 1997).
Nos compósitos reforçados com fibras, essas fibras podem ser sintéticas ou
naturais, dispostas continua ou descontinuamente, podendo ser obtidas em uma
variedade de formas como tecidos e mantas de diferentes arquiteturas.
Os compósitos reforçados por fibras contínuas normalmente apresentam melhor
resistência mecânica do que os compósitos reforçados por fibras descontínuas, esses
últimos apresentam comportamento isotrópico em uma escala macroscópica e
propriedades mecânicas ortotrópicas que conduzem a mecanismos de falhas
específicas. Apresentam alta resistência e rigidez na direção das fibras, porém, baixo
43
desempenho na direção transversal às mesmas, e nesse caso a resistência e a rigidez
são controladas pelas propriedades da matriz (HYER
5
, 1998 apud SILVA, 2003).
Para carregamentos biaxiais, geralmente, são utilizados compósitos laminados,
formados pela união de várias lâminas com diferentes orientações, nesse caso o
desempenho dependerá do tipo de fibra e matriz, volume de fibra e seqüência de
empilhamento das lâminas.
2.3.1.1 Compósitos poliméricos reforçados por fibras de sisal
A utilização de fibras naturais como material de reforço em compósitos apresenta
inúmeras vantagens, tais como: baixa massa específica; baixo desgaste superficial em
equipamentos de produção como extrusoras; fácil manuseio; recurso renovável e
biodegradável; isolantes térmicos, elétricos e acústicos; não tóxica; aspecto estético;
além de baixo custo (SAHEB e JOG, 1999; CALIL JR. e CARVALHO, 2002; SILVA,
2003; MOTHÉ e ARAUJO, 2004).
Segundo Li, Mai e Ye (2000), o preço das fibras de sisal é o equivalente a 1/25
da fibra de carbono e a 1/9 da fibra de vidro.
O uso das fibras naturais pela indústria automobilística em revestimentos
internos de carros, ônibus e caminhões, pela construção civil como reforço em
concreto e estruturas caracterizam um mercado em expansão (MOTHÉ e ARAUJO,
2004).
Matérias-primas provenientes de recursos naturais são de grande interesse à área
de pesquisa, pois contribuem ao controle ambiental uma vez que substituem algumas
fibras originadas de derivados petroquímicos. Fibras lignocelulósicas, tais como
curauá (MOTHÉ e ARAUJO, 2004), coco (SILVA et al., 2006), sisal, rami, bagaço de
cana-de-açúcar (MULINARI et al., 2006), juta e abacaxi (MISHRA et al., 2004) têm
sido estudadas como material de reforço em compósitos.
______________________
5
HYER, M. W. Stress analysis of fiber-reinforced composite materials. New York: WCB/
McGraw-Hill, 1998.
44
Em geral, o teor de umidade das fibras naturais varia em torno de 5% a 20%, pois
essas fibras são hidrofílicas e constantemente trocam umidade com o ambiente. Essa
característica afeta diretamente as propriedades mecânicas dos compósitos porque a
umidade pode conduzir a processamentos desfavoráveis e a produtos porosos (SAHEB
e JOG, 1999).
Segundo Li, Mai e Ye (2000), para modificar a estrutura superficial da fibra, de
modo a melhorar o contato entre fibra e matriz, além de reduzir a absorção d’água, são
utilizados os tratamentos químicos e térmicos.
Paiva e Frollini (2006) estudaram a aderência das fibras de sisal não-tratadas e
tratadas quimicamente por mercerização (tratamento alcalino) usando uma solução
com 10% de NaOH, esterificação (anidrido succínico) e ar ionizado em compósitos
com matrizes fenólicas e ligno-fenólicas. O estudo mostra o aumento na adesão
interfacial fibra/matriz por mercerização e esterificação quando comparado com o
tratamento ao ar ionizado.
Mwaikambo, Ansell (1999) e Rong et al. (2001), observaram também alterações
na topografia da superfície e no índice de cristalinidade das fibras de sisal com o
tratamento de mercerização. Porém, dependendo da concentração de NaOH utilizada,
ocorrem reduções na resistência .
Bismark et al. (2001) relataram que a estabilidade térmica das fibras de sisal não
é afetada com o tratamento de desparafinação “dewaxing”, enquanto que os
tratamentos por mercerização e grafitização com metil metacrilato aumentam a
temperatura de degradação em 10ºC quando comparada com as fibras não tratadas.
Jacob, Varuguese e Thomas (2006b) investigaram a influência dos tratamentos
de mercerização (NaOH 4%), silano e térmico (150ºC por 8h) na resistência à tração
de compósitos de borrachas naturais reforçadas com fibras de sisal. O estudo mostra
que os maiores valores de resistência foram para os compósitos tratados termicamente,
além de fornecer a melhor adesão entre as interfaces, quando comparados às demais
modificações químicas.
Silva (2003) pesquisou o comportamento de placas com resina poliuretana à base
de mamona reforçadas com fibras de coco e de sisal, dispostas em forma de tecido
bidirecional, fibras curtas unidirecionais (10 mm de comprimento) e fibras longas
45
unidirecionais. Os resultados mostram que as fibras de sisal apresentam melhores
resultados quando comparada com as fibras de coco, e que o aumento da fração
volumétrica das fibras aumenta a resistência à tração, a rigidez e o nível de absorção
d’água, porém, diminuiu a resistência à flexão do compósito. As resistências à tração
dos compósitos com tecido de sisal e fibras custas de sisal, para ambos os casos, foram
de 40 MPa.
Laminados poliméricos de resinas epóxi e poliuretana à base de óleo de mamona
reforçados por fibras de sisal unidirecionais foram estudados por Carvalho (2005)
como reforço em vigas de madeira. Foi observado que o uso desses materiais
compósitos são viáveis tecnicamente para essa aplicação. O tratamento de
mercerização (NaOH 10%) por uma hora no tecido de sisal diminuiu
significativamente a variabilidade dos laminados no comportamento em tração,
entretanto, reduziu a sua rigidez e a sua resistência.
Fiorelli (2002) estudou a utilização de compósitos poliméricos, resinas epóxi,
poliuretana e fenólica, com tecidos unidirecionais de carbono e de vidro para reforçar
toda a parte inferior de estruturas de madeira em uso, e concluiu que o aumento da
resistência e da rigidez em flexão é proporcional ao número de camadas de tecido, e
que o uso de uma camada de carbono equivale a três camadas do tecido com fibras de
vidro.
46
PARTE II – PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
3 MATERIAIS
Para os compósitos estudados neste trabalho foram utilizados como reforços os
tecidos de sisal e de vidro e para as matrizes as resinas poliuretana à base de óleo de
mamona e fenólica. As propriedades, a preparação dos materiais utilizados, assim
como, os métodos de ensaios utilizados na avaliação dos materiais e dos compósitos
são descritos neste capítulo.
3.1 POLIURETANA À BASE DE ÓLEO DE MAMONA
A resina poliuretana à base de óleo de mamona utilizada pode ser curada a frio.
Apresenta-se sob a forma bicomponente, constando de um poliol e um pré-polímero,
fornecidos pela Indústria Kehl.
O pré-polímero IC201 é sintetizado a partir do 4,4’ difenilmetano diisocianato
(MDI) (Figura 3.1), é líquido, possui aspecto marrom escuro e massa específica
aproximada de 1,24 g/cm³, segundo o fabricante. Esse pré-polímero é insolúvel em
água, com o qual reage liberando CO
2
. Produz resíduo inerte e não-biodegradável.
CH
C
CH
CH
C
CH
CH
2
OCN
CH
C
CH
CH
C
CH
NCO
Figura 3.1 – 4,4’ Difenilmetano diisocianato
O poliol D405 é líquido, apresenta aspecto amarelado, massa específica em torno
de 1,0 a 1,2 g/cm³, segundo o fabricante. Solúvel em água e produz resíduo
biodegradável.
Síntese
A poliuretana à base de óleo de mamona foi obtida pela mistura em massa, do
47
poliol com o pré-polímero, conforme sua relação estequiométrica de 2:1,
respectivamente. Sua reação de polimerização é exotérmica, ficando em torno de
45°C.
Para os corpos-de-prova ensaiados em tração e flexão, os reagentes inicialmente
foram resfriados em geladeira para aumento do tempo de gel, sendo em seguida
misturados por 3 min a 5 min, conforme recomendação do fabricante, e submetidos ao
vácuo (pressão de -600 mm/Hg) por 10 min, à temperatura ambiente, para redução de
bolhas.
Ensaios e normas
Os estudos e ensaios realizados na resina poliuretana à base de óleo de mamona
envolveram: o estudo da proporção dos reagentes utilizados para a determinação da
quantidade de poliol e isocianato, cinética química de cura, resistência à tração e à
flexão, microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X e análise
térmica por meio das técnicas de Termogravimetria (TG)/Termogravimetria Derivada
(DTG) e Calorimetria exploratória diferencial (DSC).
Para a produção dos corpos-de-prova de tração e de flexão, a resina foi vazada
em moldes confeccionados em silicone de 3,3 mm de espessura, nas dimensões
recomendadas pelas normas ASTM D 638 - Standard Test Method for Tensile
Properties of Plastics e ASTM D 790 - Standard Test Method for Flexural
Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating
Materials, respectivamente. A moldagem sob pressão foi realizada em placas de vidro
sendo utilizadas folhas plásticas de, aproximadamente, 0,2 mm de espessura como
desmoldante.
3.2 FENOL-RESORCINOL-FORMALDEÍDO
A resina fenólica utilizada é conhecida comercialmente por Cascophen
RS 216 M, fabricada pela Alba Adesivos Ind. e Com. Ltda. Constituída a partir de uma
resina fenol-resorcinol, líquida de cor marrom avermelhada e seu endurecedor FM
(formaldeído), que se apresenta sob a forma de pó bege.
48
É uma resina sintética, à base de água, que cura a frio. Apresenta grau 1 de risco
à saúde e inflamabilidade, segundo a classificação NFPA – National Fire Protection
Association.
Os dois componentes depois de misturados resultam em um polímero à prova
d'água, resistente a fungos e às intempéries (ALBA, 2006).
Como consta em seu boletim técnico, esta resina apresenta características que
podem ser visualizadas na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Características da resina Cascophen RS 216 M, fabricante Alba Adesivos
Propriedades físico-químicas Valores
Viscosidade dinâmica (Brookfield, 2 / 30 / 25ºC), em Pa·s 0,53 – 0,65
Teor de sólidos (1g / 3h / 105°C), em % 53 – 58
Tempo de gelificação (21ºC), em horas 3,5 – 6,0
pH (25°C) 6,9 – 7,5
Ponto de ebulição, em °C ~ 102
Voláteis, em % 47
Fonte: FISPq (2004)
Síntese
A síntese da resina fenólica foi obtida pela mistura em massa, na relação
estequiométrica de 5:1, do fenol-resorcinol com o endurecedor, respectivamente. Os
componentes inicialmente foram misturados por volta de 5 min, conforme
recomendação do fabricante, e então, vazada nos moldes.
Ensaios e normas
Os ensaios realizados na resina fenólica foram: resistência à tração e à flexão,
MEV, difração de raios X e análise térmica por meio das técnicas de TG/DTG e DSC,
além do estudo da proporção dos reagentes utilizados.
No caso dos corpos-de-prova em tração e flexão, estes foram vazados em moldes
confeccionados nas dimensões recomendadas pela norma ASTM D 638 e ASTM
D 790, respectivamente. A moldagem sob pressão foi realizada em placas de vidro
com molde interno de silicone de 3,3 mm de espessura. Não foi necessária a utilização
de desmoldante.
49
3.3 FIBRA DE VIDRO
O tecido bi-direcional de fibras de vidro utilizado como reforço foi doado pela
Owens Corning. O tecido para laminação manual T366B é obtido por meio da
tecelagem com fibras contínuas 111A produzidas com o vidro Advantex. Esse material
foi desenvolvido para reforço em resinas poliéster, viniléster e epóxi e algumas
características estão indicadas na Tabela 3.2.
Segundo o fabricante, o vidro Advantex é livre de boro, o que minimiza os
poluentes do ar no processo de manufatura, além de combinar as excelentes
propriedades mecânicas e elétricas do vidro E com a resistência à corrosão de ácidos
do vidro E-CR, atendendo aos requisitos estabelecidos nas normas ISO 2078 – Textile
glass -- Yarns -- Designation e na ASTM D 578 – Standard Specification for Glass
Fiber Strands, tanto para o vidro E como para o vidro E-CR.
Tabela 3.2 – Características do tecido com fibras de vidro
Gramatura, em g/m² 350 ± 60
Umidade, em % 0,040 ± 0,040
Sólidos
1
, em % 1,10 ± 0,50
Diâmetro interno do rolo, em cm 9
Diâmetro externo do rolo, em cm 25 ± 2
Largura padrão, em cm 130
1
- Incluem o ligante do tecido e o binder do fio
Fonte: OWENS-CORNING (2004)
Ensaios e normas
Os ensaios realizados com as fibras de vidro foram: tração no tecido e difração de
raios X.
Os corpos-de-prova utilizados para o ensaio de tração no tecido foram
confeccionados baseados na norma ASTM D 3039 - Standard Test Method for
Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.
50
3.4 FIBRA DE SISAL
O tecido bi-direcional com fibras de sisal foi adquirido na loja Casa das Cordas,
São Paulo-SP. De acordo com ASM INTERNATIONAL (1993), esse tecido possui o
arranjo tipo plain weave, sendo entrelaçado um filamento da trama acima e abaixo dos
filamentos do urdume (Figura 3.2). O tecido possui aproximadamente dois milímetros
de espessura e suas características são apresentadas na Tabela 3.3.
Figura 3.2 – Tecido bi-direcional com fibras de sisal
Tabela 3.3 – Características do tecido de sisal
Distância média entre os filamentos do urdume, em mm 2,00
Distância média entre os filamentos da trama, em mm 3,50
Diâmetro da fibra*, em µm
100 - 200
* valores obtidos por MEV
Ensaios e Normas
Os ensaios realizados no tecido de sisal foram: tração, MEV, difração de raios X
e análise térmica por meio da TG/DTG.
Os corpos-de-prova utilizados para tração foram confeccionados baseados na
norma ASTM D 3039.
51
4 MÉTODOS
Este capítulo apresenta os estudos e ensaios realizados nas matérias-primas
empregadas na confecção dos laminados e nos laminados.
4.1 SÍNTESE DAS RESINAS
No trabalho foi realizado o estudo das proporções entre os componentes
utilizados na síntese das resinas.
4.1.1 Poliuretana à base de óleo de mamona
Para a resina poliuretana à base de óleo de mamona foram estudadas as
proporções de 5:1, 4:1, 3:1, 2:1 e 1:1 entre os reagentes poliol e isocianato,
respectivamente. Os reagentes foram misturados por três minutos e mantidos em
recipiente plástico sem o uso de pressão. A polimerização ocorreu à temperatura
ambiente, por volta de 25ºC.
4.1.2 Fenol-resorcinol-formaldeído
Para a resina fenólica foram estudadas as proporções de 10:1, 5:1 e 2,5:1 entre os
reagentes fenol-resorcinol e formaldeído, respectivamente. Os componentes foram
misturados por cinco minutos em recipiente plástico e vazado em molde de silicone
sobre placa de vidro até a cura sem o uso de pressão. A polimerização foi processada à
temperatura ambiente, por volta de 25ºC.
4.2 ANÁLISE TÉRMICA
A análise térmica abrange um grupo de técnicas nas quais uma propriedade física
da substância ou de seus produtos de reação é medida como função da temperatura ou
52
tempo, enquanto a substância é submetida a um programa controlado de temperatura
(IONASHIRO e GIOLITO, 2005).
O programa pode consistir em aquecer ou resfriar (dinâmico), ou manter a
temperatura constante (isotérmica), ou qualquer seqüência dessas (MOTHÉ e
AZEVEDO, 2002).
4.2.1 Termogravimetria
A termogravimetria estuda a variação da massa de uma amostra após
transformação física (sublimação, evaporação, condensação) ou química (degradação,
decomposição, oxidação) em função do tempo ou da temperatura (MOTHÉ e
AZEVEDO, 2002).
Na termogravimetria dinâmica, técnica mais utilizada, a amostra é aquecida em
um ambiente no qual a variação de temperatura está programada em velocidade linear.
Pela termogravimetria, os corpos-de-prova das resinas e dos laminados foram
obtidos a partir de uma seção retirada do material confeccionado conforme os corpos-
de-prova de tração. Para o corpo-de-prova de sisal, este foi obtido a partir de uma
seção retirada do tecido.
Os ensaios de TG necessários para análise da estabilidade e decomposição da
resina foram realizados na Divisão de Materiais (AMR) do Comando-Geral de
Tecnologia Aeroespacial (CTA) no equipamento da marca Perkin Elmer, modelo TGA
7, com razão de aquecimento de 10 ºC/min, numa célula de platina em atmosfera
inerte de nitrogênio.
Para analisar o comportamento térmico dos materiais utilizou-se uma faixa de
temperatura, em média, entre 25ºC a 860ºC.
4.2.2 Calorimetria Exploratória Diferencial
A Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) é uma técnica na qual se mede a
diferença de energia (fluxo de calor) fornecida à substância e a um material de
referência inerte de modo térmico, em função da temperatura enquanto ambos são
53
submetidos a uma programação controlada de temperatura (IONASHIRO e GIOLITO,
2005).
A caracterização térmica por DSC foi realizada somente nas resinas PU e
fenólica.
Nas análises térmicas que partiram da mistura, os componentes das resinas foram
misturados de 3 a 5 min, e em seguida, uma pequena quantidade foi depositada no
porta-amostra.
As análises que determinaram o tempo necessário para a cura da resina e a
temperatura de transição vítrea (T
g
) foram realizadas no Departamento de Materiais
(DEMAR) da Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo (USP-
Lorena) no equipamento TA Instruments, modelo DSC Q10, numa célula de alumínio
em atmosfera inerte de nitrogênio, com um fluxo de gás de 50 mL/min. A razão de
aquecimento utilizada para a análise dinâmica (determinação da T
g
) foi de 10 ºC/min.
As temperaturas isotérmicas utilizadas para o estudo do tempo de cura das resinas
foram 40ºC, 60ºC e 80ºC.
As demais análises dinâmicas por meio da técnica de DSC foram realizadas na
Divisão de Materiais (AMR) do Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA)
no equipamento da marca Perkin Elmer, modelo Pyris 1, com razão de aquecimento de
10 ºC/min, numa célula de alumínio em atmosfera inerte de nitrogênio, com um fluxo
de gás de 20 mL/min, entre as faixas de temperatura de 30ºC a 240ºC.
Inicialmente realizaram-se as análises dinâmicas para caracterização das misturas
e posterior definição das três temperaturas favoráveis termodinamicamente para
polimerização das resinas PU 2:1 e fenólica.
A partir das temperaturas inicial e de pico de polimerização foram determinadas
as temperaturas utilizadas nas análises de DSC isotérmicas - temperaturas constantes,
em seguida, as amostras foram conduzidas à dupla varredura dinâmica para
determinação da temperatura de transição vítrea (T
g
).
54
4.3 CINÉTICA QUÍMICA DE CURA
Um dos métodos mais utilizados para o estudo cinético da reação de cura de
termorrígidos é a análise térmica por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
pelos modos isotérmico e dinâmico. Nesse estudo cinético, supõe-se que a taxa de
geração de calor é proporcional à taxa de reação de cura (YOUSEFI; LAFLEUR e
GAUVIN, 1997).
Por meio de uma análise isotérmica é possível identificar os dois tipos de reação,
de ordem n e de ordem autocatalítica. Quando o pico máximo da velocidade da reação
ocorrer próximo ao tempo zero (t = 0), a reação obedece a equação de ordem n,
podendo ser estudado pelos modos isotérmico ou dinâmico. Nos casos em que, o pico
máximo seja formado entre 30% a 40% do tempo total da análise, a reação é
autocatalítica e deverá ser estudado exclusivamente pelo modo dinâmico (COSTA;
REZENDE; PARDINI, 2000 e 2005).
O modelo com velocidade de ordem n é expresso pela Equação 1 (YOUSEFI;
LAFLEUR; GAUVIN, 1997 e BROWN et al., 2005):
( )
n
k
dt
d
α
α
−= 1
(1)
na qual:
k = constante da taxa ou velocidade específica da reação na temperatura (1/s);
α
= grau de conversão após um tempo “t” (adimensional);
n = ordem da reação (adimencional);
dt
d
α
= taxa de reação (1/s).
Sendo que, a constante de velocidade depende da temperatura da Equação 2, de
Arrhenius:
)/( RTE
a
eAk
−
=
(2)
na qual:
A = constante pré-exponencial (1/s);
E
a
= energia de ativação (kJ/mol);
R = constante dos gases (8,314 J/mol.K);
T = temperatura absoluta, em Kelvin.
55
A equação de Arrhenius relaciona a freqüência das colisões entre as moléculas e
a probabilidade com que estas colisões são orientadas de maneira favorável, sendo que
à medida que a energia de ativação aumenta, as velocidades das reações diminuem
(BROWN et al., 2005).
Precedendo o logaritmo da Equação 2, obtém-se a Equação 3.
RT
E
Ak
a
−= lnln (3)
Plotando ln k versus 1/T obtém-se uma linha reta, onde a energia de ativação e a
constante pré-exponencial são obtidas pelos valores do coeficiente angular e pelo
coeficiente linear da reta, respectivamente. Mas, para que esses parâmetros sejam
obtidos, são necessários no mínimo três experimentos isotérmicos a diferentes
temperaturas (COSTA, REZENDE e PARDINI; 2000 e 2005).
4.3.1 Poliuretana à base de óleo de mamona
Para este estudo, os reagentes foram misturados conforme sua relação
estequiométrica de 2:1, em massa, de poliol e isocianato, respectivamente. Os
componentes foram misturados de 3 min a 5 min, e em seguida uma pequena
quantidade foi depositada no porta-amostra.
Inicialmente, sintetizou-se uma amostra da mistura em corrida dinâmica e foram
determinadas as temperaturas isotérmicas desejadas para o estudo cinético da reação.
Para as análises com faixa constante de temperatura foram sintetizadas três
amostras, uma para cada temperatura de cura. As amostras foram curadas em
temperaturas constantes de 40ºC, 60ºC e 80ºC.
Para a corrida dinâmica, utilizou-se o aparelho de Calorimetria Exploratória
Diferencial (DSC), marca Perkin Elmer, modelo Pyris 1, com razão de aquecimento de
10º C/min e fluxo constante de 20 mL/min de nitrogênio. O porta-amostra utilizado foi
de alumínio do tipo selado.
Nas análises com faixa constante de temperatura, utilizou-se o aparelho de DSC,
marca TA Instruments, modelo DSC Q10, com razão de aquecimento de 10 ºC/min e
56
sob fluxo constante de 50 ml/min de nitrogênio. Foram utilizados porta-amostras de
alumínio do tipo selado.
4.4 PROCESSAMENTO DOS COMPÓSITOS
Os laminados foram preparados por moldagem sob compressão. Os componentes
das resinas poliuretana e fenólica foram misturados manualmente como descrito nos
itens 3.1 e 3.2, respectivamente. Na seqüência, as fibras em forma de tecido foram
colocadas entre placas planas de vidro que posteriormente foram pressionadas por
grampos metálicos após a distribuição da resina com espátula e extração das bolhas
com o auxílio de um rolo metálico. A espessura do laminado é a equivalente a uma
camada de tecido.
Todo o processo foi realizado à temperatura ambiente e a desmoldagem dos
laminados com resina poliuretana e fenólica ocorreram, em média, quatro e oito dias
após a moldagem, respectivamente. Como desmoldante para os laminados com resina
poliuretana foram utilizadas folhas plásticas.
Até a realização dos ensaios, os laminados com resina fenólica foram mantidos
sob pressão para que não empenassem devido à retração por evaporação de água.
4.5 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
4.5.1 Fibras
Os corpos-de-prova das fibras em forma de tecido foram confeccionados
baseados na norma ASTM D 3039.
As dimensões utilizadas para largura e comprimento são de, no mínimo, 25 mm e
250 mm respectivamente. As espessuras são as correspondentes a uma camada de
tecido. As abas foram preparadas no próprio corpo-de-prova por meio da impregnação
das abas do tecido com resina epóxi, curada em temperatura ambiente, conforme
ilustra a Figura 4.1.
57
Figura 4.1 – Modelo do corpo-de-prova do tecido de sisal para ensaio em tração
Os ensaios foram realizados no Departamento de Materiais e Tecnologia da
Universidade Estadual Paulista - Campus de Guaratinguetá, na máquina universal de
ensaios, marca INSTRON, modelo 8801, à temperatura ambiente e velocidade
constante de 5 mm/min para as fibras de sisal e de 10 mm/min para as fibras de vidro,
com uma célula de carga de 10 ton.
Os corpos-de-prova de sisal foram ensaiados em condições naturais,
denominados não-tratados e após o tratamento térmico a 60ºC em estufa por 1, 3, 48 e
72 horas. Foram testados, no mínimo, cinco amostras para cada condição aplicada.
O alongamento no limite de resistência à tração (
ε
εε
ε
)
foi calculado pela Equação 4:
(4)
na qual:
ε
= Alongamento, em porcentagem;
L = Comprimento da amostra na carga máxima;
L
0
= Comprimento inicial da amostra.
A redução do teor de água (∆a) foi calculado pela diferença da massa antes e
após o tratamento térmico das fibras, sendo calculado de acordo com a Equação 5:
(5)
na qual:
∆a = Variação no teor de água, em porcentagem;
m = Massa após o tratamento térmico;
m
0
= Massa inicial.
Um valor negativo na variação indica uma redução, enquanto que valores positivos
indicam um aumento no teor de água.
100100(%)
0
0
0
x
L
LL
x
L
L
−
=
∆
=
ε
100100(%)
0
0
0
x
m
mm
x
m
m
a
−
=
∆
=∆
58
A determinação do teor de umidade (h) das fibras de sisal foi baseada na
norma ASTM D 1348, sendo calculada de acordo com a Equação 6:
100(%)
0
x
m
mm
h
f
f
−
=
(6)
na qual:
h = Teor de umidade, em porcentagem;
m
f
= Massa final após secagem em estufa a 105ºC por no mínimo 4 horas;
m
0
= Massa inicial.
Para a caracterização do tecido com fibras de vidro foram ensaiados cinco
corpos-de-prova.
4.5.2 Resinas
No caso dos corpos-de-prova em tração das resinas, estes foram misturados
conforme itens 3.1 e 3.2, e vazados em moldes confeccionados nas dimensões
recomendadas pela norma ASTM D 638, conforme Figura 4.2.
Figura 4.2 – Dimensões do corpo-de-prova tipo I, em mm, para ensaio de tração em plásticos.
A moldagem sob pressão foi realizada em placas de vidro com molde interno de
silicone de 3,3 mm de espessura, como mostra a Figura 4.3. Somente para PU à base
de óleo de mamona foram utilizadas, como desmoldante, folhas plásticas de
aproximadamente 0,2 mm de espessura.
A polimerização das resinas foi realizada em temperatura ambiente. A
desmoldagem dos corpos-de-prova da resina PU e fenólica foram realizadas, em
média, quatro e oito dias após a moldagem, respectivamente. Até a realização dos
59
ensaios, os corpos-de-prova da resina fenólica foram mantidos sob pressão para que
não empenassem, devido à retração por evaporação de água.
Figura 4.3 – Molde para confecção dos corpos-de-prova
para ensaio de tração na resina
Os ensaios de tração foram realizados no Departamento de Materiais e
Tecnologia da Universidade Estadual Paulista - Campus de Guaratinguetá, na máquina
universal de ensaios, marca INSTRON, modelo 8801, em temperatura ambiente.
A velocidade constante para a PU à base de óleo de mamona foi de 10 mm/min e
para a resina fenólica foi de 0,2 mm/min, com uma célula de carga de 10 ton.
Para a caracterização das resinas poliuretana à base de óleo de mamona 2:1
(poliol:isocianato) e fenólica 5:1 (fenol-resorcinol/endurecedor) foram ensaiados seis
corpos-de-prova cada.
4.5.3 Laminados
Os corpos-de-prova em tração dos laminados foram confeccionados nas
dimensões recomendadas pela norma ASTM D 3039, a partir das placas moldadas sob
pressão, conforme item 4.4.
Os ensaios de tração foram realizados no Departamento de Materiais e
Tecnologia da Universidade Estadual Paulista - Campus de Guaratinguetá, na máquina
universal de ensaios, marca Instron, modelo 8801, em temperatura ambiente.
60
A velocidade constante para os laminados de resina fenólica reforçados com fibra
de sisal foi de 10 mm/min e para os demais laminados foi de 5 mm/min, com uma
célula de carga de 10 ton.
Para a caracterização dos laminados de resina fenólica reforçada com fibra de
vidro e poliuretana com fibra de vidro foram considerados seis e cinco corpos-de-
prova, respectivamente.
Os laminados que receberam o reforço com fibra de sisal foram caracterizados
com a fibra úmida e seca.
4.6 RESISTÊNCIA À FLEXÃO
Os corpos-de-prova para o ensaio de flexão das resinas e dos laminados foram
confeccionados e realizados conforme a norma ASTM D 790.
Os ensaios foram realizados na Divisão de Materiais (AMR) do Comando-Geral
de Tecnologia Aeroespacial (CTA), São José dos Campos / SP, na máquina universal
de ensaios, marca Instron, modelo 4301, com uma célula de carga de 500 kgf e em
temperatura ambiente de aproximadamente 25
o
C.
As velocidades de ensaio foram de 1,5 mm/min para os corpos-de-prova da
resina fenólica e para os laminados reforçados com fibra de vidro. Para os corpos-de-
prova da resina poliuretana e para os laminados reforçados com fibra de sisal as
velocidades foram de 2,0 mm/min.
A razão utilizada entre a distância entre os apoios e a espessura dos corpos-de-
prova no ensaio de flexão foi 16.
Foram ensaiados, no mínimo, seis corpos-de-prova para cada condição analisada.
A tensão em flexão para o ensaio de flexão em três pontos é calculada segundo a
Equação 7:
2
3
h
b
LP
máx
máx
⋅
⋅
⋅
=
σ
(7)
61
na qual:
máx
σ
= tensão máxima de flexão (MPa);
máx
P
= carga máxima (N);
L = distância entre os apoios (mm);
b = largura da amostra (mm);
h = espessura da amostra (mm).
4.7 DIFRAÇÃO DE RAIOS X
Para a caracterização cristalográfica dos materiais por difração de raios X foi
utilizado um difratômetro da marca Shimadzu, modelo XRD-6000, configurado com
radiação de Cu Kα, corrente de 40 KW e 30 µÅ. As intensidades de difração foram
registradas entre os ângulos 10º e 70º (2θ).
As análises foram realizadas no Laboratório de Difratometria de Raios X,
Departamento de Materiais – DEMAR, Escola de Engenharia de Lorena/USP.
4.7.1 Fibras
As análises por difração de raios X foram realizadas nas fibras de sisal, com a
intenção de verificar a influência do teor de umidade no índice de cristalinidade do
sisal, e nas fibras de vidro.
As amostras de sisal para análise por raios X foram confeccionadas com as fibras
picadas fixadas com vaselina em suporte de vidro. A amostra contendo a fibra de vidro
utilizou o próprio tecido fixado com vaselina no suporte de vidro.
O índice de cristalinidade das fibras foi calculado de acordo com o método
empírico de Segal et al.
6
(1959 apud TSERKI et al., 2005), Equação 8
(MWAIKAMBO e ANSEL, 2002; RONG et al., 2001; ZAFEIROPOULOS,
BAILLIE, MATTHEWS, 2001).
______________________
6
SEGAL, L.; CREELY, J.; MARTIN JR., A. E; CONRAD, C. M. An empirical method for estimating the
degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile Research Journal, n.29,
p.786–794.
62
( ) ( )
( )
100
002
002
x
I
II
I
am
c
−
=
(8)
na qual:
I
c
= índice de cristalinidade, em porcentagem;
I
(002)
= pico de intensidade da difração que representa o material cristalino perto
de 2θ = 22º;
I
(am)
= pico de intensidade da difração que representa o material amorfo perto
de 2θ = 18º.
O uso dessa técnica para a determinação do índice de cristalinidade de fibras
celulósicas nos fornece um método simples e rápido, segundo Mwaikambo e Ansell
(2002).
4.7.2 Resinas
As amostras com as resinas foram retiradas a partir dos materiais sólidos,
moldados conforme os corpos-de-prova em tração, e confeccionadas em forma de
retângulo (1,0 x 1,5) cm com espessura em torno de quatro milímetros. Para a análise,
as amostras foram fixadas entre um suporte vazado.
4.7.3 Laminados
As amostras dos laminados foram extraídas a partir das placas moldadas
conforme os corpos-de-prova em tração, e confeccionadas em forma de retângulo
(1,0 x 1,5) cm com espessura equivalente a uma camada de tecido. Para a análise, as
amostras foram fixadas entre um suporte vazado.
O índice de cristalinidade das fibras de sisal contidas nos laminados foi calculado
de acordo com o método empírico de Segal (Equação 8).
63
4.8 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA - MEV
Para análise da superfície de fratura dos materiais foi utilizado um microscópio
eletrônico de varredura Jeol JSM5310 no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais -
INPE em São José dos Campos/SP.
Foram analisadas as fraturas dos corpos-de-prova de tração das fibras, resinas e
laminados.
64
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Este capítulo apresenta os resultados e as discussões referentes às matérias-
primas empregadas e aos laminados.
5.1 SÍNTESE DAS RESINAS
5.1.1 Poliuretana à base de óleo de mamona
Após a cura, os polímeros apresentaram as seguintes características para as
composições de poliol:isocinato:
• Composição 1:1 – polímero muito rígido e com muitos vazios;
• Composição 2:1 – proporção conforme relação estequiométrica, mas com
vazios;
• Composição 3:1 – polímero maleável com redução dos vazios, mas com
poliol não reagido, que se acumulou na superfície com aspecto pegajoso;
• Composição 4:1 – polímero com característica similar ao da proporção 3:1;
• Composição 5:1 – polímero com menor quantidade de vazios, porém com
excesso de poliol não reagido.
Complementando este estudo, foram realizados ensaios preliminares de tração
em laminados com uma camada de tecido de sisal, confeccionados com as matrizes de
PU nas proporções 3:1 e 2:1. Os laminados com a PU 2:1 (Figura 5.1a) apresentaram,
em média, a resistência à tração 37% maior do que a resistência dos laminados com
PU 3:1 (Figura 5.1b).
Além disso, o laminado com a PU 3:1 apresentou modo de ruptura similar ao
apresentado pelos tecidos com fibras de sisal, mostrando que, a matriz não exerceu sua
função de transferir os esforços solicitados para as fibras, justificando sua menor
resistência à tração em comparação com o laminado da PU 2:1.
Portanto, a proporção definida para a formulação da PU é a 2:1
(poliol:isocianato).
65
a) b)
Figura 5.1 – Ensaio de tração, segundo ASTM D 3039.
Comparação da fratura em laminados com uma camada de tecido de sisal
e matriz PU, proporções: a) 2:1 e b) 3:1.
5.1.2 Fenol-resorcinol-formaldeído
Após a cura, os polímeros apresentaram as seguintes características para as
composições de fenol-resorcinol:formaldeído:
• Composição 10:1 – polímero com menor retração superficial, com tensões de
tração na parte superior e compressiva na parte inferior (empenamento),
durante a cura;
• Composição 5:1 – proporção conforme relação estequiométrica, mas com
retração superficial;
• Composição 2,5:1 – retração superficial excessiva durante a cura.
Porém, quando a moldagem da resina fenólica 5:1 foi processada sob pressão, o
problema de retração superficial no polímero foi resolvido, sofrendo somente com a
retração volumétrica.
Portanto, a proporção definida para a composição da resina fenólica é a 5:1
(fenol-resorcinol:formaldeído).
66
5.2 ANÁLISE TÉRMICA
5.2.1 Termogravimetria
5.2.1.1 Fibra de sisal
As curvas TG/DTG da fibra de sisal são apresentadas na Figura 5.2.
100 200 300 400 500 600 700 800 900
0
20
40
60
80
100
Temperatura (
o
C)
Massa (%)
TG
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
863,25
o
C
19,20 %
359,51
o
C
28,87 %
315,27
o
C
46,05 %
155,03
o
C
89,56 %
133,74
o
C
90,24 %
56,66
o
C
94,86 %
Derivada da massa (%/min)
DTG
Figura 5.2 – Curva TG e DTG da fibra de sisal
A Figura 5.2 indica três estágios de perda de massa da fibra de sisal, sendo que o
primeiro estágio representa a perda de umidade da fibra que foi de, aproximadamente,
10%.
O segundo estágio está relacionado com a decomposição da lignina por volta de
260ºC, enquanto que, o terceiro a 315ºC ao da celulose (JOSEPH et al, 2003; MOTHÉ
e ARAÚJO, 2004; HANTY e NAYAK, 2006).
A temperatura inicial de degradação foi em torno de 160ºC, em 350ºC sua perda
de massa foi por volta de 70% e em 315ºC pode se observar um pico na curva de DTG
indicando onde a velocidade de decomposição foi máxima.
67
5.2.1.2 Resinas
As curvas TG/DTG das resinas PU 2:1 e fenólica são apresentadas nas Figuras
5.3 e 5.4, respectivamente.
100 200 300 400 500 600 700 800 900
0
20
40
60
80
100
Temperatura (
o
C)
Massa (%)
TG
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
863,12
o
C
7,26 %
446,34
o
C
24,71 %
543,56
o
C
8,67 %
300,18
o
C
87,13 %
220,01
o
C
99,53 %
350,36
o
C
67,27 %
Derivada da massa (%/min)
DTG
Figura 5.3 – Curvas TG/DTG da poliuretana 2:1
Três estágios de decomposição podem ser observados na Figura 5.3. A
temperatura inicial da degradação encontra-se em torno de 220ºC, indicando que este
material não deve ser exposto a temperaturas próximas a esta, pois atingido este valor,
a integridade da PU 2:1 será comprometida.
O início da degradação começa nas ligações uretanas, sendo que os resíduos a
partir de 500ºC estão correlacionados com a presença de isocianatos no polímero
(JAVNI et al., 2000).
A 500ºC a perda de massa é de 90%, sendo que em 860ºC seu resíduo é de 7,3%.
Quatro estágios de decomposição podem ser observados na Figura 5.4. O
primeiro estágio corresponde à perda da água presente na reação de polimerização da
resina e o segundo pode ser atribuído à temperatura inicial da degradação, em torno de
215ºC (MOTHÉ e AZEVEDO, 2003).
68
0 200 400 600 800 1000
0
20
40
60
80
100
214,75
o
C
72,83 %
994,28
o
C
46,204 %
534,94
o
C
57,131 %
314,96
o
C
47,07 %
262,35
o
C
63,04 %
60,30
o
C
92,90 %
Temperatura (
o
C)
Massa (%)
TG
-3
-2
-1
0
1
Derivada da massa (%/min)
DTG
Figura 5.4 – Curvas TG/DTG da resina fenólica
O início da degradação começa nos grupos com pequenas terminações, como o
–CH
2
OH. O segundo e o terceiro estágio de degradação correspondem aos pequenos
grupos e as fracas ligações entre as cadeias, como –OH e –CH
2
–, e o quarto estágio
pode corresponder à perda dos anéis de benzeno (LIU, GAO e ZHANG, 2002).
A 500ºC a perda de massa é de somente 40%, sendo que em 800ºC seu resíduo é
de 48,1%.
5.2.1.3 Laminados
As curvas TG/DTG do laminado de PU/vidro e do laminado de PU/sisal são
apresentadas nas Figuras 5.5 e 5.6, respectivamente.
A Figura 5.5a mostra que a temperatura de degradação do laminado de PU/vidro
de 220ºC é a mesma que a da poliuretana, não sofrendo alteração com a adição da
fibra.
A curva DTG do laminado de PU/vidro, Figura 5.5b, evidencia três picos: 299ºC,
355ºC e 449ºC, coincidentes com a curva DTG da resina poliuretana. O início da
degradação começa nas ligações uretanas, sendo que os resíduos a partir de 500ºC
estão correlacionados com a presença de isocianatos no polímero e da fibra de vidro.
A 500ºC a perda de massa é de 61%, sendo que em 800ºC seu resíduo é de
38,1%.
69
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
20
40
60
80
100
120
Resina poliuretana
Laminado PU/vidro
Massa (%)
Temperatura (
o
C)
0 100 200 300 400 500 600 700 800
-8
-6
-4
-2
0
2
Resina poliuretana
Laminado PU/vidro
Derivada da massa (%/min)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.5 – Resina PU e laminado de PU/vidro: a) curvas TG e b) curvas DTG
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0
20
40
60
80
100
Massa (%)
Temperatura (
o
C)
Resina PU
Fibra de sisal
Laminado PU/sisal
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
-12
-9
-6
-3
0
Derivada da massa (%/min)
Temperatura (
o
C)
Resina PU
Fibra de sisal
Laminado PU/sisal
Figura 5.6 – Resina PU, fibra de sisal e laminado de PU/sisal: a) curvas TG e b) curvas DTG
a)
b)
a)
b)
70
A Figura 5.6a mostra que a temperatura de degradação do laminado de PU/sisal
de 175ºC é maior do que a da fibra (160ºC), porém menor que a da poliuretana
(220ºC).
A curva DTG do laminado de PU/sisal, Figura 5.6b, evidencia quatro picos:
64ºC, 322ºC, 349ºC e 443ºC. O primeiro pico observado corresponde a vaporização da
água contida nas fibras, o segundo está correlacionado às degradações da lignina e da
celulose da fibra, que se sobrepõem, e das ligações uretanas da resina (JOSEPH et al,
2003; MOTHÉ e ARAÚJO, 2004; HANTY e NAYAK, 2006). O terceiro e o quarto
correspondem aos picos de degradação encontrados na curva DTG da resina.
A 500ºC a perda de massa é de 80,4%, sendo que em 800ºC seu resíduo é de
15,8%.
As curvas TG/DTG do laminado de fenólica/sisal e do laminado de
fenólica/vidro são apresentadas nas Figuras 5.7 e 5.8, respectivamente.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
20
40
60
80
100
120
Resina fenólica
Fibra de sisal não-tratada
Laminado fenólica/sisal
Massa (%)
Temperatura (
o
C)
0 100 200 300 400 500 600 700 800
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Resina fenólica
Fibra de sisal não-tratada
Laminado fenólica/sisal
Derivada da massa (%/min)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.7 - Resina fenólica, fibra de sisal e laminado de fenólica/sisal: a) curvas TG e b) curvas DTG
a)
b)
71
A Figura 5.7a mostra que a temperatura de degradação do laminado de
fenólica/sisal de 205ºC é maior do que a da fibra (160ºC), porém menor do que a da
resina fenólica (215ºC).
A curva DTG do laminado de fenólica/sisal, Figura 5.7b, evidencia os três
primeiros picos: 73ºC, 264ºC e 323ºC. O primeiro estágio corresponde à perda da água
presente na reação de polimerização da resina e na fibra de sisal. O segundo pode ser
atribuído ao início da degradação.
A 350ºC a perda de massa é de aproximadamente 43%, sendo que em 800ºC seu
resíduo é de 39,4%, maior que a da fibra (19,6%), porém menor que a da resina
(48,1%).
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0
20
40
60
80
100
120
Resina fenólica
Laminado fenólica/vidro
Massa (%)
Temperatura (
o
C)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
Resina fenólica
Laminado fenólica/vidro
Derivada da massa (%/min)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.8 - Resina fenólica e laminado de fenólica/vidro: a) curvas TG e b) curvas DTG
A Figura 5.8a mostra que a temperatura de degradação do laminado de
fenólica/vidro de 215ºC é bem próxima à da resina fenólica (215ºC).
A curva DTG do laminado de fenólica/vidro, Figura 5.8b, evidencia os três
primeiros picos: 63ºC, 258ºC e 323ºC, cujo valores coincidem com os picos
a)
b)
72
encontrados na resina fenólica. O primeiro estágio corresponde à perda da água
presente na reação de polimerização da resina. O segundo pode ser atribuído ao início
da degradação (MOTHÉ e AZEVEDO, 2003).
O início da degradação começa na resina, nos grupos com pequenas terminações,
como o –CH
2
OH. O segundo e o terceiro estágio de degradação correspondem aos
pequenos grupos e as fracas ligações entre as cadeias da resina, como –OH e –CH
2
–, e
o quarto estágio pode corresponder à perda dos anéis de benzeno da resina.
A 400ºC a perda de massa é de somente 17%, sendo que em 800ºC seu resíduo é
de 74,4%, maior que o da resina (48,1%) devido à presença da fibra de vidro.
A Tabela 5.1 apresenta as temperaturas do início da degradação dos materiais e a
perda de massa para as temperaturas de 110ºC, 350ºC e 500ºC, além do resíduo a
800ºC apresentados nas curvas TG/DTG.
Tabela 5.1 – Temperaturas iniciais de degradação e perda de massa dos materiais
a partir da termogravimetria em atmosfera de nitrogênio
Perda de massa (%) Características
Material
Temperatura inicial
da degradação (ºC)
110ºC 350ºC 500ºC
Resíduo à
800ºC (%)
Fibra de sisal
160 8,9 70,4 77,2 19,6
Laminado PU/sisal
175 3,4 51,3 80,4 15,8
Laminado fenólica/sisal
205 10,8 42,7 51,5 39,4
Resina fenólica
215 14,9 31,5 40,4 48,1
Laminado fenólica/vidro
215 7,7 10,1 20,1 74,4
Resina PU
220 0,2 32,6 90,3 7,5
Laminado PU/vidro
220 0,4 21,1 61,2 38,1
A Tabela 5.1 apresenta as características na ordem do material menos estável,
que é a fibra de sisal, para os materiais mais estáveis termicamente, a resina
poliuretana e o laminado PU/vidro.
Foi constatado que os valores apresentados para a temperatura inicial de
degradação dos laminados PU/vidro e fenólica/vidro foram similares aos das resinas
correspondentes. A quantidade de resíduo à 800ºC para o laminado PU/vidro foi
aproximadamente quatro vezes maior que o da resina poliuretana e para o laminado
73
fenólica/vidro foi 50% maior que o da resina fenólica, podendo ser atribuído à adição
do reforço com a fibra de vidro.
Para a aplicação dos materiais estudados como reforço em estruturas de madeira,
o principal parâmetro a ser considerado à estabilidade térmica é a temperatura inicial
de degradação. Portanto, o laminado poliuretana/vidro e a resina fenólica foram os
materiais que apresentaram maior estabilidade térmica, seguidos pelo laminado
fenólica/vidro.
Para os laminados que contêm a fibra de sisal como reforço, assim como para o
material sisal, observa-se que a perda de massa a 110ºC é atribuída à perda de água das
fibras, uma vez que esta é um material natural hidrófilo. Contudo, o laminado PU/sisal
apresentou menor perda de massa nesse primeiro pico, indicando menor teor de
umidade quando comparado à fibra de sisal, podendo ser atribuído à característica
hidrófoba da resina PU.
Os laminados PU/sisal e fenólica/sisal apresentaram maior estabilidade que a
fibra de sisal, porém menor que a resina pura. Ou seja, a adição deste reforço
favoreceu a diminuição da estabilidade do laminado, comparado com a resina pura.
Diferente da fibra de vidro que manteve a estabilidade térmica dos laminados quando
comparados com o comportamento da resina pura.
5.2.2 Calorimetria Exploratória Diferencial
5.2.2.1 Resinas
As análises dinâmicas para caracterização das misturas e posterior definição das
três temperaturas favoráveis termodinamicamente para polimerização das resinas PU
2:1 e fenólica são mostradas nas Figuras 5.9 e 5.10, respectivamente.
74
25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
20
22
24
26
28
30
32
34
36
Endo
Área = -1.005,715 mJ
∆H = -89,7960 J/g
Pico = 82,32
o
C
Fluxo de calor (mW)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.9 – Curva DSC dinâmica da PU 2:1
30 60 90 120 150 180 210 240
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Endo
Área = -2.433,059 mJ
∆H = -190,0828 J/g
T
pico
= 81,87
o
C
T
pico
= 160,34
o
C
Área = 8.980,911 mJ
∆H = 701,6337 J/g
T
início
= 156,34
o
C
Fluxo de calor (mW)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.10 – Curva DSC dinâmica da resina fenólica
A Tabela 5.2 apresenta os dados extraídos das curvas DSC das resinas PU 2:1 e
fenólica (Figuras 5.9 e 5.10), onde se observam as temperaturas inicial e final de
polimerização.
75
Tabela 5.2 - Resultados da análise por DSC das resinas
Resina T
inicial
(°C) T
pico
(°C) T
final
(°C)
∆
∆∆
∆H (J/g)
PU 2:1 35,0 82,3 140,0 -89,8
Pico 1 42,0 81,9 109,7 -190,0
Fenólica
Pico 2 156,3 160,3 197,0 701,6
Observa-se que, as temperaturas iniciais de polimerização são de 35,0°C e 42,0ºC
para as resinas PU 2:1 e fenólica (pico 1), respectivamente.
As temperaturas de pico da reação de polimerização são aproximadamente as
mesmas para ambas as resinas, significando que em torno de 82ºC, a reação ocorre
com maior velocidade.
O valor negativo de ∆
∆∆
∆H evidencia que a reação de polimerização de ambas as
resinas são exotérmicas, liberando calor. Porém, na cura da resina fenólica, a entalpia
da reação é o dobro da envolvida na cura da PU 2:1.
A resina fenólica apresenta além do pico de polimerização um pico endotérmico,
entre as temperaturas de 156ºC a 197ºC, a presença desse pico pode ser explicada à
medida que na reação de polimerização o formaldeído é adicionado ao fenol para
formar o hidroxymetilresorcinol que se condensa para formar a macromolécula. A
presença de água associada ao sistema original e, conseqüentemente, ao sistema
produzido determina a produção desse pico endotérmico de vaporização (KENNY et
al., 1995).
A partir da temperatura inicial de polimerização e de pico determinaram-se as
temperaturas utilizadas nas análises de DSC com temperaturas constantes de 40ºC,
60ºC e 80°C. A partir das análises isotérmicas é possível conhecer o tempo mínimo de
cura para cada temperatura estudada.
A Figura 5.11 representa as curvas isotérmicas obtidas por DSC da resina PU
2:1. Analisando-se as curvas DSC da PU 2:1 conclui-se que para as temperaturas de
40°C, 60°C e 80°C, os tempos necessários para a polimerização da resina são de, no
mínimo, 100 min, 60 min e 40 min, respectivamente.
Para as temperaturas estudadas, quanto maior, menor o tempo necessário para a
polimerização da PU. Portanto, para a temperatura de 80
o
C, observou-se a maior
velocidade da reação de polimerização, confirmando com o valor encontrado na curva
76
dinâmica da mistura, Figura 5.9.
0 20 40 60 80 100
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
Tempo (min)
Isoterma a 40°C
Isoterma a 60°C
Isoterma a 80°C
Fluxo de calor (mW)
Figura 5.11 – Gráfico do fluxo de calor em função do tempo:
Isotermas a 40°C, 60°C e 80°C da PU 2:1 obtidas por DSC
A Tabela 5.3 baseia-se nos dados das curvas isotérmicas obtidas por DSC da
resina fenólica.
Tabela 5.3 - Resultados da análise isotérmica por DSC da resina fenólica
Temperatura de cura (
o
C) 40 60 80
Tempo de cura (min)
> 60
*
> 30
*
> 25
*
* Análises interrompidas antes do término da cura
O tempo utilizado para a cura a 40ºC, 60ºC e 80ºC da resina fenólica por DSC
isotérmico são inferiores aos necessários, sendo somente detectado após a primeira
varredura dinâmica nas amostras, Figura 5.12.
As amostras polimerizadas pelas análises isotérmicas foram, então, conduzidas à
dupla varredura dinâmica para determinação da temperatura de transição vítrea (T
g
).
Geralmente, a T
g
de sistemas termorrígidos está relacionada com a conversão de
grupos reagidos que dependem das condições em que foi processada a cura, como
temperatura, tempo e taxa de aquecimento.
77
A Figura 5.12 ilustra a curva DSC da primeira varredura dinâmica da resina
fenólica que indica uma T
g
por volta de 93,4ºC, provavelmente seguida de um pico
exotérmico. Como essa resina foi curada em baixa temperatura (40ºC) e por um curto
período (60 min), o pico é atribuído à continuidade da reação de cura de grupos que
ainda não estavam polimerizados (LIU; GAO e ZHANG, 2002).
Portanto, a T
g
da resina fenólica a ser considerada deve ser a indicada na curva
DSC da segunda varredura dinâmica, Figura 5.13.
40 60 80 100 120 140 160 180 200
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Exo
Fluxo de calor (mW)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.12 – Curva DSC da primeira varredura dinâmica da resina fenólica curada a 40ºC
40 60 80 100 120 140 160 180 200
-5
-4
-3
-2
-1
0
T
g
= 82,3
o
C
Exo
Fluxo de calor (mW)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.13 – Curva DSC da segunda varredura dinâmica da resina fenólica curada a 40ºC
T
g
= 93,4ºC
provável formação de um pico exotérmico
78
A curva de DSC da segunda varredura dinâmica da resina fenólica, Figura 5.13,
indica que a temperatura de transição vítrea ocorre por volta de 82,3ºC, então, à
temperatura ambiente esta resina se comporta como um material rígido.
A curva da segunda varredura da resina PU 2:1 pode ser visualizada na Figura
5.14.
-50 0 50 100 150 200 250
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
T
g
= 7,38
o
C
Exo
Fluxo de calor (mW)
Temperatura (
o
C)
Figura 5.14 – Curva DSC da segunda varredura dinâmica da resina PU 2:1 curada a 40ºC
A curva DSC da PU 2:1, Figura 5.14, indica que a temperatura de transição vítrea
(T
g
) desse material ocorre por volta de 7,4ºC. Valor próximo aos 10,5ºC encontrado
por Lu et al. (2005) para uma PU à base de óleo de mamona formulada com
diisocianato de isoforone (IPDI).
Então, à temperatura ambiente de 25ºC, a PU 2:1 se comporta como um material
borrachoso, pois a T
g
nos fornece a temperatura de passagem do material ordenado
para a condição de borracha (flexível e menos ordenado) (CANEVAROLO JR.,
2003).
Segundo a literatura, a temperatura de transição vítrea (T
g
) é a temperatura com o
qual um polímero amorfo deixa de ser frágil e vítreo e se torna menos rígido e
borrachoso. Quando um polímero é aquecido acima da T
g
, a rotação molecular em
volta de ligações simples apresenta uma maior mobilidade. A presença de estruturas
rígidas no polímero, como por exemplo os grupos fenóis, e a presença de ligações
intermediárias, podem aumentar a T
g
(STUART, 2003).
79
5.3 CINÉTICA QUÍMICA DE CURA
5.3.1 Poliuretana à base de óleo de mamona
A Tabela 5.2 apresenta os resultados da varredura dinâmica na mistura da PU
2:1, na qual pode ser observado que as temperaturas, inicial e de pico, referentes à
polimerização ocorrem em 35°C e em 82,3ºC, respectivamente.
A partir da temperatura inicial de polimerização e de pico foram determinadas as
temperaturas utilizadas nas análises de DSC com temperaturas constantes de 40ºC,
60ºC e 80°C. O conjunto de isotermas é utilizado para caracterizar a ordem de reação
da formulação em questão. A Figura 5.11 apresenta as curvas das isotermas obtidas
por DSC.
Utilizando-se os valores da Tabela 5.2 e da Figura 5.11, e com o auxílio do
programa Microsoft Excel, foram calculados os resultados cinéticos apresentados na
Tabela 5.4.
Tabela 5.4 – Resultados de entalpia das isotermas (∆H) e parâmetros cinéticos (k e n)
T (°C)
∆
∆∆
∆H
iso
(J/g)
k (T) n
40 39,41 5,154 x 10
-2
1,061
60 39,12 13,01 x 10
-2
1,355
80 27,53 27,62 x 10
-2
1,489
Pode ser observado na Tabela 5.4 que o valor de ∆H
iso
variou dentro de um
mesmo sistema, ou seja, o ∆Η
iso
diminuiu em módulo com o aumento da temperatura.
Observando-se os valores de n e de k para o sistema, nota-se que a ordem da
reação e a constante de velocidade aumentaram com o aumento de temperatura. O
aumento da temperatura provoca uma distribuição diferente de velocidades e energias
seguido de um aumento no valor médio da energia entre as moléculas, pois um maior
número de moléculas adquire energia suficiente para vencer a barreira de ativação da
reação através de colisões (COSTA; REZENDE; PARDINI, 2000).
Com os resultados obtidos, fluxo de calor versus tempo (Figura 5.11), é possível
calcular os valores da taxa de reação (Figura 5.15) e da conversão (α) em função do
80
tempo para as três isotermas estudadas.
O formato das curvas isotérmicas pode ser visualizado na Figura 5.15, na qual
pode ser observado que a evolução de calor máxima, ou seja, a taxa de reação máxima
(dα/dt) ocorre logo no início da reação de polimerização, próxima da conversão α
≅
0.
Portanto, o sistema confirma uma cinética de cura de ordem n para a formulação em
estudo, pois obedece a Equação 1.
No gráfico da Figura 5.15 verifica-se que a taxa de reação sofre grande influência
em função da temperatura de polimerização utilizada. Em temperaturas mais baixas,
como apresentado para a isoterma a 40
o
C, a curva é mais suave e, conseqüentemente,
leva maior tempo para atingir a taxa de reação máxima, por isso temperaturas menores
de polimerização permitem um maior controle dessa cura.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0,00
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
0,24
0,28
Isoterma a 40 °C
Isoterma a 60 °C
Isoterma a 80 °C
d
α
α
α
α/dt
Tempo (min)
Figura 5.15 – Gráfico da taxa de reação em função do tempo:
Isotermas a 40ºC, 60ºC e 80 °C da PU 2:1 obtidas por DSC.
Com a utilização dos dados da Tabela 5.4 e do programa Microsoft Excel plota-
se o gráfico da Figura 5.16, que exibe a relação de Arrhenius utilizada para a
determinação da energia de ativação, pois o coeficiente angular desta reta representa a
energia de ativação da PU 2:1.
81
0,0028 0,0029 0,0030 0,0031 0,0032
-3
-2
-1
ln k (T)
1/T (K
-1
)
Dados
Ajuste de curva
y = -4.645,67x + 11,88
Figura 5.16 – Gráfico de ln k em função de 1/T da PU 2:1
Segundo Costa et al. (2000), em geral, as reações químicas têm energia de
ativação entre 30 kJ/mol e 100 kJ/mol, sendo que, para sistemas muito viscosos a
energia varia entre 10 kJ/mol a 20 kJ/mol. Ou seja, quanto menor é a energia de
ativação, mais rápida é a velocidade da reação (BROWN et al., 2005).
O uso da técnica de DSC confirmou a sua adequação ao estudo da cinética de
cura de sistemas poliuretanos.
A formulação estudada apresentou cinética de polimerização de ordem n, sendo
que os valores da ordem da reação aumentam progressivamente com a temperatura.
Para a PU 2:1, o valor da energia de ativação encontrado é de 38,6 kJ/mol.
5.4 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
5.4.1 Fibras
5.4.1.1 Fibra de sisal
A Figura 5.17 ilustra os valores do limite de resistência à tração e seu respectivo
alongamento para todas as amostras testadas, incluindo os tecidos não-tratados e
tratados termicamente.
82
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
4 5 6 7 8 9 10
Alongamento na carga máxima (%)
Limite de resistência à tração (MPa)
Não-tratado
1 hora
3 horas
48 horas
72 horas
Figura 5.17 – Gráfico limite de resistência à tração x alongamento em tração nos tecidos de sisal
não-tratados e tratados a 60
o
C por 1, 3, 48 e 72 h
A partir da Figura 5.17, observa-se que as amostras não-tratadas apresentam as
maiores resistências à tração, bem como os maiores alongamentos, em comparação
com as amostras tratadas termicamente. Os valores das resistências à tração variaram
entre 19,6 MPa a 30,6 MPa, enquanto que os alongamentos foram de 6,8% a 8,6%.
Para os corpos-de-prova tratados termicamente, os valores da resistência à
tração variaram entre 16,1 MPa e 23,9 MPa, 16,8 MPa e 21,6 MPa, 17,3 MPa e
20,1 MPa, 15,2 e 20,3 MPa para 1, 3, 48 e 72 horas de tratamento, respectivamente. Os
valores dos alongamentos foram por volta de 5,1% a 7,2%, 5,9% a 6,9%, 7,0% a 8,7%
e 6,3% e 8,4% tratadas por uma hora, três horas, 48 e 72 horas, respectivamente.
Durante os ensaios de tração, a ruptura das fibras pode ser identificada pela
emissão de estalos, pois ocorreram rupturas localizadas de uma ou poucas fibras e a
posterior redistribuição dos esforços entre as fibras adjacentes que passam a atuar sob
novos níveis de tensão, também observado por Carvalho e Calil Jr. (2002).
Os resultados dos testes em tração, indicados na Tabela 5.5, mostram que,
independentemente do tempo de tratamento utilizado nas fibras, o tratamento térmico
diminui a resistência à tração das fibras de sisal, quando comparado com o material
não-tratado.
83
Tabela 5.5 – Valores médios dos ensaios em tração nas fibras de sisal
Termicamente tratadas
Fibras
Propriedades
Não-
tratadas
1 hora 3 horas 48 horas 72 horas
Alongamento médio no limite de
resistência à tração (%)
7,6 ± 0,6 6,1 ± 0,8 6,4 ± 0,4 8,0 ± 0,8 7,2 ± 0,8
Limite de resistência à tração (MPa) 24,4 21,2 19,4 18,7 17,4
Desvio padrão 3,6 2,8 1,7 1,2 2,0
Coeficiente de variação (%) 14,8 13,4 9,0 6,6 11,7
Considerando o tempo de exposição do material ao tratamento térmico, conclui-
se que, quanto maior o tempo de tratamento, menor é sua resistência à tração, podendo
ser confirmada pelo desvio padrão e com o coeficiente de variação em torno de 11%.
O tratamento térmico a 60°C por uma hora, três horas, 48 horas e 72 horas
apresenta uma redução na resistência à tração do tecido em torno de 13%, 20%, 23% e
29%, respectivamente, em comparação à condição não-tratada.
Não se observa uma influência no alongamento com a variação no tempo de
exposição ao tratamento, uma vez que seus valores não apresentaram uma redução
proporcional ao tempo de tratamento utilizado, sendo que para 48 horas de tratamento
houve aumento no alongamento, confirmado pela Figura 5.17. Em comparação com o
material não-tratado, a redução foi por volta de 5 a 20% e o aumento após 48 horas de
tratamento foi de 5%.
A Figura 5.18 mostra o valor médio do limite de resistência à tração versus a
redução média no teor de água com o tratamento térmico. A resistência apresenta
redução proporcional à redução de água presente nas fibras.
A redução média no teor de água da fibra depois de 72 horas em estufa a 60ºC é
menor que 1%, totalizando uma redução de aproximadamente 11%, valor confirmado
pela curva de TG da fibra de sisal, Figura 5.2.
A presença de grupos hidroxilas na celulose das fibras naturais forma pontes de
hidrogênio com a água e de acordo com Saheb e Jog (1999), pontes de hidrogênio e
outras ligações são responsáveis em promover a resistência e a dureza necessária às
fibras (MILANESE et al., 2007).
84
17,4
18,7
19,4
21,2
24,4
9,9
9,2
5,5
0,0
2,7
0
5
10
15
20
25
30
Não-tratadas 1 hora a
60°C
3 horas a
60°C
48 horas a
60°C
72 horas a
60°C
Limite de resistência à tração (MPa)
0
4
8
12
16
20
24
Redução média no teor de água
(% em peso)
Limite de resistência à tração (MPa)
Redução média no teor de água (% em peso)
Figura 5.18 – Efeito do tratamento térmico no limite de resistência à tração
e na redução do teor de água das fibras de sisal
As superfícies da fibra de sisal não-tratada, obtida por meio da técnica de
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), são indicadas na Figura 5.19.
As fraturas por tração das fibras não-tratadas e tratadas por três horas, 48 horas e
72 horas podem ser visualizadas na Figura 5.20.
Somente as amostras não-tratadas, Figura 5.20a, mostram fendas longitudinais ou
splitting, como ilustrado por Carr et al. (2006) e Franco (2003).
a) b)
Figura 5.19 – MEV na fibra de sisal não-tratada: a) 50x e b) 500x.
85
a) b)
c) d)
Figura 5.20 – Superfície de fratura por tração das fibras de sisal.
a) fendas longitudinais entre as microfibrilas das fibras não-tratadas (500x) e ruptura
das fibras tratadas por: b) 3 h (500x), c) 48 h (500x) e d) 72 h (500x).
Foram observadas delaminações entre as microfibrilas das fibras de sisal não-
tratadas (Figura 5.21a) e tratadas por uma hora e três horas (Figura 5.21b). As amostras
tratadas por 48 horas e 72 horas não apresentam delaminação.
Não foram observadas regiões de degradação em nenhuma das amostras
analisadas por MEV.
86
a) b)
Figura 5.21 – Delaminação entre as microfibrilas das fibras de sisal.
a) amostras não-tratadas (500x) e b) amostras tratadas por três horas (500x).
4.5.1.2 Fibra de vidro
A Tabela 5.6 exibe os valores do limite de resistência à tração, seu respectivo
alongamento e comprimento inicial das amostras.
Tabela 5.6 – Valores dos ensaios em tração da fibra de vidro
Amostra
Limite de resistência
à tração (MPa)
Alongamento no limite de
resistência à tração (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 162,9 1,4 251,2
2 143,0 1,3 252,3
3 148,5 1,5 252,2
4 147,1 1,3 251,7
5 144,3 1,4 254,3
Média 149,2 1,4 252,3
Desvio-padrão 8,0 0,1 1,2
Coeficiente de Variação (%) 5,34 8,03 0,48
O valor médio do limite de resistência à tração para o tecido com fibras de vidro
é de aproximadamente 149 MPa, enquanto que o alongamento é de 1,4%.
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 143,0 MPa a 162,9
MPa, enquanto que os alongamentos são de 1,3 a 1,5%.
Os resultados mostram precisão nos valores das resistências à tração e no
alongamento, pois apresentou baixa dispersão entre si, o que pode ser confirmado pelo
coeficiente de variação.
87
Durante os ensaios foi observado o estiramento das fibras longitudinais,
causando grandes deslocamentos até a ruptura. A Figura 5.22 ilustra o comportamento
do corpo-de-prova durante e após o ensaio.
Figura 5.22 – Comportamento do tecido com fibras de vidro no ensaio de tração
5.4.2 Resinas
5.4.2.1 Poliuretana à base de óleo de mamona
A Tabela 5.7 exibe os valores do limite de resistência à tração, seu alongamento
na carga máxima e na ruptura e o comprimento inicial das seis amostras ensaiadas.
O valor médio do limite de resistência à tração da PU 2:1 é de 2,5 MPa, enquanto
que os alongamentos médios na carga máxima e na ruptura são de 29,4% e 31,2%.
Tabela 5.7 – Valores dos ensaios em tração da resina PU 2:1
Amostra
Tensão máxima
(MPa)
Alongamento na
carga máxima (%)
Alongamento
na ruptura (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 2,0 32,0 38,2 166,0
2 1,9 31,2 32,3 167,0
3 2,9 29,2 29,9 166,5
4 2,8 29,1 29,8 165,5
5 2,8 29,5 30,2 167,0
6 2,6 25,5 26,6 166,0
Média 2,5 29,4 31,2 166,3
Desvio-padrão 0,45 2,2 3,9 0,61
Coeficiente de Variação (%)
17,8 7,62 12,4 0,36
88
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 1,9 MPa a 2,9 MPa,
enquanto que os alongamentos na carga máxima e na ruptura são de 25,5% a 32,0% e
entre 26,6% a 38,2%.
A resina PU apresenta grande alongamento até a ruptura, conforme mostra a
Tabela 5.7, caracterizando um comportamento dúctil.
Os baixos valores de resistência encontrados são conseqüência do grande número
de vazios formados durante o processo de cura, Figura 5.23a, pois atuaram como
concentradores de tensões. Esses vazios foram gerados por meio do aprisionamento de
gases voláteis durante sua polimerização, Figura 5.23b.
a) b)
Figura 5.23 – MEV da superfície da resina PU 2:1, amostra 6: a) presença de vazios (50x),
b) concentrador de tensão (5000x).
Devido a grande diferença entre os valores da resistência entre as amostras 1 e 3,
a microscopia eletrônica de varredura foi realizada nas amostras 1, 3 e 5 para verificar
a influência das bolhas (Figuras 5.24).
a) b) c)
Figura 5.24 – MEV da superfície de fratura da resina PU 2:1:
a) amostra 1 (15x), b) amostra 5 (15x) e c) amostra 3 (15x).
89
Observando a Figura 5.24, constatam-se dois parâmetros envolvidos: o tamanho
e a quantidade das bolhas. Comparando a Figura 5.24a da amostra 1, que apresentou a
menor resistência à tração de 2,0 MPa, com a Figura 5.24c da amostra 3, que
apresentou a maior resistência à tração de 2,9 MPa, conclui-se que a maior resistência
está correlacionada a uniformidade entre os tamanhos dos vazios e não à quantidade de
vazios presentes nas amostras.
Portanto, a presença de vazios apresenta grande influência na resistência à tração,
uma vez que quanto maior o tamanho do vazio, menor a resistência da resina. Porém, o
aumento do tamanho dos vazios tem pouca influência no alongamento, o que pode ser
confirmado pelos valores apresentados para as amostras 3 e 5, Tabela 5.7.
A superfície da fratura da resina pode ser visualizada na Figura 5.25.
a) b)
Figura 5.25 – MEV da superfície da fratura da PU 2:1 (5000x), amostra 6.
Observando a Figura 5.25 constata-se a presença de marcas de rio, indicando a
direção da propagação da trinca, e escarpas representando o desvio de plano.
5.4.2.2 Fenol-resorcinol-formaldeído
A Tabela 5.8 exibe os valores do limite de resistência à tração, seu alongamento
na carga máxima e na ruptura e o comprimento inicial das seis amostras ensaiadas.
90
Tabela 5.8 – Valores dos ensaios em tração da resina fenólica
Amostra
Tensão máxima
(MPa)
Alongamento na
carga máxima (%)
Alongamento
na ruptura (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 4,0 0,10 0,22 148,0
2 7,6 0,22 0,22 148,0
3 6,8 0,19 0,19 145,0
4 3,9 0,12 0,13 150,0
5 4,0 0,10 0,11 148,0
6 3,3 0,08 0,10 149,5
Média 4,9 0,14 0,16 148,1
Desvio-padrão 1,8 0,06 0,05 1,7
Coeficiente de Variação (%)
36,5 41,3 34,0 1,18
O valor médio do limite de resistência à tração da resina fenólica é 4,9 MPa,
enquanto que os alongamentos médios na carga máxima e na ruptura foram de 0,14%
e 0,16%.
Os valores das resistências à tração variaram entre 3,3 MPa a 7,6 MPa, enquanto
que os alongamentos na carga máxima e na ruptura foram de 0,08% a 0,22% e entre
0,10% a 0,22%.
A resina fenólica apresentou pouco alongamento até a ruptura, conforme mostra
a Tabela 5.8, caracterizando o comportamento de uma fratura frágil.
A análise fractográfica da amostra 5, Figura 5.26, mostra a presença, por toda a
superfície, de trincas formadas a partir de impurezas e descontinuidades, como
microvazios ou bolhas.
Observa-se que a resina apresentou morfologia de fratura frágil, com ausência de
deformação plástica.
Segundo Paiva, Trindade e Frollini (1999), a presença de microvazios na resina
curada, acima de 20% do volume do material, é responsável por diminuir a resistência
da resina. Os microvazios são formados quando a massa molar aumenta, pois os
resíduos de água presentes na resina e a água que pode ser produzida durante a reação
de cura se tornam insolúveis na resina curada, se separando e evaporando logo em
seguida.
91
a) b)
Figura 5.26 – MEV da superfície de fratura da resina fenólica, amostra 5: a) trincas percorrendo
material não-homogêneo e microvazios (500x) e b) microvazio e trincas (1000x)
5.4.3 Laminados
5.4.3.1 Resina poliuretana reforçada por fibras de sisal
As Tabelas 5.9 e 5.10 exibem os valores do limite de resistência à tração e seu
alongamento na carga máxima e na ruptura das amostras confeccionadas com fibras
úmidas de sisal com teor de umidade igual a 17,3% e secas por 72 horas em estufa
com teor de umidade igual a 4,08%, respectivamente.
Tabela 5.9 – Valores dos ensaios em tração do laminado de resina poliuretana reforçada com
fibra úmida de sisal com teor de umidade igual a 17,3%
Amostras
Tensão
máxima (MPa)
Alongamento na
tensão máxima (%)
Alongamento
na ruptura (%)
1 15,8 7,5 12,3
2 17,8 7,9 8,4
3 15,3 7,8 13,6
4 20,7 8,1 8,9
5 15,6 8,4 11,2
6 17,1 8,6 13,2
Média 17,0 8,0 11,3
Desvio-padrão 2,0 0,4 2,2
Coeficiente de Variação (%) 11,9 4,82 19,3
92
O valor médio do limite de resistência à tração do laminado de poliuretana/sisal
úmido é de 17,0 MPa, enquanto que os valores médios dos alongamentos na carga
máxima e na ruptura são de 8,05% e 11,3%, respectivamente.
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 15,3 MPa a 20,7 MPa,
enquanto que os alongamentos na carga máxima e na ruptura são de 7,54% a 8,60% e
entre 8,44% a 13,6%, respectivamente.
O laminado de poliuretana/sisal úmido apresenta alongamento superior a 11% até
a ruptura, conforme mostra a Tabela 5.9, caracterizando um comportamento dúctil.
Analisando o valor de resistência encontrado para a resina poliuretana, Tabela
5.7, verifica-se um aumento de 6,5 vezes na resistência com a adição de uma camada
de tecido com fibras de sisal úmidas.
A superfície da fratura do laminado de poliuretana/sisal úmido pode ser
visualizada na Figura 5.27.
As Figuras 5.27a e 5.27b apresentam grande quantidade de vazios na resina
formados durante sua polimerização. Ainda na Figura 5.27b se verifica a presença de
pull-out no laminado. Observando as superfícies da fibra, Figura 5.27a, constata-se a
baixa adesão entre fibra/matriz, sendo confirmada pela Figura 5.27c onde não se
verifica a presença de matriz sobre sua superfície.
As fraturas nas pontas das fibras de sisal podem ser visualizadas na Figura 5.28.
a) b) c)
Figura 5.27 – MEV da superfície de fratura do laminado PU/sisal úmido: a) superfície da fibra sem a presença da
matriz (100x), b) presença de pull-out e de vazios na resina (100x) e c) adesão fibra/matriz (500x).
p
p
u
u
l
l
l
l
-
-
o
o
u
u
t
t
93
a) b)
Figura 5.28 – MEV das fraturas nas pontas das fibras de sisal do laminado PU/sisal úmido (1000x).
Tabela 5.10 – Valores dos ensaios em tração do laminado de resina poliuretana reforçada com
fibra de sisal seca em estufa com teor de umidade igual a 4,1%
Amostras
Tensão
máxima (MPa)
Alongamento na
tensão máxima (%)
Alongamento
na ruptura (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 15,2 6,3 9,1 250,0
2 18,0 6,0 6,8 250,0
3 17,4 6,2 7,8 251,5
4 16,1 6,8 7,3 252,0
5 17,4 5,8 6,6 253,0
6 16,7 6,4 8,4 251,0
7 17,6 5,9 9,9 253,0
Média 16,9 6,2 8,0 251,5
Desvio-padrão 1,0 0,34 1,2 1,3
Coeficiente de Variação (%)
5,86 5,52 15,2 0,50
O valor médio do limite de resistência à tração do laminado de poliuretana/sisal seco é
de 16,9 MPa, enquanto que os valores médios dos alongamentos na carga máxima e na
ruptura são de 6,20% e 8,00%, respectivamente.
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 15,2 MPa a 18,0 MPa,
enquanto que os alongamentos na carga máxima e na ruptura são de 5,79% a 6,77% e entre
6,63% a 9,95%, respectivamente.
O laminado de poliuretana/sisal seco apresenta alongamento superior a 8% até a
ruptura, conforme mostra a Tabela 5.10, caracterizando um comportamento dúctil.
Analisando o valor de resistência encontrado para a resina poliuretana, Tabela 5.7,
verifica-se um aumento de aproximadamente 6,5 vezes na resistência com a adição de uma
camada de tecido com fibras de sisal secas em estufa por no mínimo 72 horas.
A superfície da fratura do laminado de poliuretana/sisal seco pode ser visualizada na
Figura 5.29.
94
a) b) c)
Figura 5.29 – MEV da superfície de fratura do laminado PU/sisal seco: a) presença de matriz entre as
fibras (200x), b) adesão fibra/matriz (350x) e c) presença de pull-out (350x).
Observando as superfícies da fibra, Figuras 5.29a e 5.29b, constata-se a presença
de matriz entre as fibras de sisal secas em estufa, diferente do encontrado para as fibras
não-tratadas termicamente, Figuras 5.27a e 5.27c. Devido a este fato, conclui-se que a
ausência da umidade nas fibras de sisal favorece a adesão entre a fibra e a resina
poliuretana. Porém, as resistências à tração dos laminados com fibras úmidas e secas
não apresentaram diferença significativa entre os valores encontrados.
Foi constatada uma diminuição no desvio-padrão com a redução da umidade,
sendo esse um fator favorável ao material. Da mesma forma, a redução da umidade na
fibra causou a redução no alongamento do laminado, contudo, essa redução se mostra
desfavorável para a aplicação do laminado de poliuretana/sisal como reforço em
estruturas.
As fraturas nas pontas das fibras de sisal podem ser visualizadas na Figura 5.30.
a) b)
Figura 5.30 – MEV das fraturas nas pontas das fibras de sisal do laminado PU/sisal seco (750x).
pull-out
m
m
a
a
t
t
r
r
i
i
z
z
a
a
d
d
e
e
r
r
i
i
d
d
a
a
à
à
f
f
i
i
b
b
r
r
a
a
95
5.4.3.2 Resina poliuretana reforçada por fibras de vidro
A Tabela 5.11 exibe os valores do limite de resistência à tração, seu alongamento
na carga máxima e na ruptura e o comprimento inicial das cinco amostras ensaiadas.
Tabela 5.11 – Valores dos ensaios em tração do laminado de resina poliuretana reforçada com fibra de vidro
Amostra
Tensão
máxima (MPa)
Alongamento na
tensão máxima (%)
Alongamento
na ruptura (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 96,5 2,0 2,0 250,0
2 92,4 1,9 1,9 249,8
3 84,4 1,6 1,6 249,5
4 104,0 2,1 2,2 250,0
5 99,4 2,2 2,2 249,5
Média 95,4 2,0 2,0 249,8
Desvio-padrão 7,4 0,22 0,21 0,25
Coeficiente de Variação (%)
7,80 10,9 10,6 0,10
O valor médio do limite de resistência à tração do laminado PU/vidro é de 95,4
MPa, enquanto que os valores médios dos alongamentos na carga máxima e na ruptura
são para ambos 2,0%.
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 84,4 MPa a 104,0
MPa, enquanto que os alongamentos na carga máxima e na ruptura são ambos de 1,6%
a 2,2%.
O laminado PU/vidro apresenta pouco alongamento até a ruptura, conforme
mostra a Tabela 5.11, caracterizando um comportamento frágil.
Analisando o valor de resistência encontrado para a resina poliuretana, Tabela
5.7, verifica-se um aumento de 38 vezes na resistência com a adição das fibras de
vidro.
A superfície da fratura do laminado pode ser visualizada na Figura 5.31.
As Figuras 5.31a e 5.31b apresentam grande quantidade de vazios na resina
formados durante sua polimerização. Observando a Figura 5.31c, verifica-se a
presença de pull-out no laminado.
96
a) b) c)
Figura 5.31 – MEV da superfície de fratura do laminado PU/vidro: a) presença de vazios na resina (50x),
b) adesão fibra/matriz (100x) e presença de pull-out e fratura na fibra (1000x).
A superfície da fibra de vidro fraturada pode ser visualizada na Figura 5.32.
Observando as superfícies da fibra, Figura 5.32a, constata-se a baixa adesão entre
fibra/matriz, sendo confirmada pela Figura 5.32b que mostra o pouco contato entre a
resina com as fibras.
A Figura 5.32c apresenta a ponta da fratura na fibra de vidro com indicação do
início e direção de propagação da trinca.
a) b) c)
Figura 5.32 – MEV da superfície da fibra de vidro fraturada do laminado PU/vidro: a) adesão entre as
fibras (2000x), b) adesão fibra/matriz (2000x) e c) ponta da fratura (7500x).
5.4.3.3 Resina fenólica reforçada por fibras de sisal
As Tabelas 5.12 e 5.13 exibem os valores do limite de resistência à tração, seu
alongamento na carga máxima e na ruptura e comprimento inicial das amostras
matriz entre fibras
matriz
fibras
vazios Pull-out
97
confeccionadas com fibras úmidas de sisal com teor de umidade igual a 16,54% e
secas por 72 horas em estufa com teor de umidade igual a 6,66%, respectivamente.
Tabela 5.12 – Valores dos ensaios em tração do laminado de resina fenólica reforçada com fibra úmida de sisal
com teor de umidade igual a 16,54%
Amostras
Tensão
máxima (MPa)
Alongamento na
tensão máxima (%)
Alongamento
na ruptura (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 25,8 8,43 8,45 251,0
2 21,3 7,29 7,37 250,5
3 26,1 8,07 8,51 250,0
4 26,9 7,95 7,98 251,0
5 24,8 8,03 8,40 247,5
6 28,9 8,34 8,47 249,8
7 23,0 7,49 10,06 249,8
Média 25,2 7,94 8,46 249,9
Desvio-padrão 2,5 0,42 0,82 1,19
Coeficiente de Variação (%) 9,98 5,26 9,65 0,48
O valor médio do limite de resistência à tração do laminado de fenólica/sisal
úmido é de 25,2 MPa, enquanto que os valores médios dos alongamentos na carga
máxima e na ruptura são de 7,94% e 8,46%, respectivamente.
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 21,3 MPa a 28,9 MPa,
enquanto que os alongamentos na carga máxima e na ruptura são de 7,29% a 8,43% e
entre 7,37% a 10,06%, respectivamente.
O laminado de fenólica/sisal úmido apresenta alongamento superior a 8% até a
ruptura, conforme mostra a Tabela 5.12, caracterizando um comportamento dúctil-
frágil.
Analisando o valor de resistência encontrado para a resina fenólica, Tabela 5.8,
verifica-se um aumento de aproximadamente 5 vezes na resistência com a adição de
uma camada de tecido com fibras de sisal úmidas.
O valor médio do limite de resistência à tração do laminado de fenólica/sisal seco
é de 24,9 MPa, enquanto que os valores médios dos alongamentos na carga máxima e
na ruptura são de 8,72% e 9,09%, respectivamente.
98
Tabela 5.13 – Valores dos ensaios em tração do laminado de resina fenólica reforçada com fibra de sisal
seca em estufa com teor de umidade igual a 6,66%
Amostras
Tensão
máxima (MPa)
Alongamento na
tensão máxima (%)
Alongamento na
ruptura (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 23,1 8,03 8,20 251,2
2 24,4 8,63 9,02 249,8
3 23,9 8,64 9,30 247,2
4 26,6 9,43 9,80 250,8
5 25,0 8,95 9,23 248,5
6 26,2 8,62 8,98 250,2
Média 24,9 8,72 9,09 249,6
Desvio-padrão 1,32 0,46 0,52 1,50
Coeficiente de Variação (%) 5,32 5,29 5,75 0,60
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 23,14 MPa a 26,57
MPa, enquanto que os alongamentos na carga máxima e na ruptura são de 8,03% a
9,43% e entre 8,20% a 9,80%, respectivamente.
O laminado de fenólica/sisal seco apresenta alongamento superior a 9% até a
ruptura, conforme mostra a Tabela 5.13, caracterizando um comportamento dúctil-
frágil.
Analisando o valor de resistência encontrado para a resina fenólica, Tabela 5.8,
verifica-se um aumento de aproximadamente 5 vezes na resistência com a adição de
uma camada de tecido com fibras de sisal secas em estufa por no mínimo 72 horas.
A superfície da fratura do laminado fenólica/sisal seco pode ser visualizada na
Figura 5.33.
a) b)
Figura 5.33 – MEV da superfície de fratura do laminado fenólica/sisal seco:
a) presença de matriz entre as fibras (200x), b) ponta da fibra de sisal (750x).
99
Observando as superfícies das fibras, Figura 5.33a, constata-se a presença de
matriz entre as fibras de sisal secas em estufa. A Figura 5.33b ilustra a fratura na ponta
da fibra de sisal.
Comparando-se as resistências à tração do laminado de resina fenólica reforçado
com fibras de sisal úmidas e do laminado reforçado com fibras de sisal secas não se
verifica uma diferença significativa entre os valores encontrados que foram de
aproximadamente 25 MPa.
As diferenças constatadas com a redução da umidade na fibra foram a redução no
valor do desvio-padrão e o aumento no alongamento do laminado, ambos fatores
favoráveis para a aplicação do laminado de fenólica/sisal como reforço em estruturas.
Conclui-se, então, que a ausência da umidade nas fibras de sisal favorece a
adesão entre a fibra e a resina, sendo indicado o tratamento.
Com relação à introdução das fibras de sisal como reforço a matriz fenólica é
importante ressaltar que as amostras dos laminados apresentaram baixos coeficientes
de variação tanto para a resistência quanto para o alongamento. Diferente dos altos
valores dos coeficientes de variação apresentados para a resina fenólica, que podem
ser atribuídos ao processo manual de fabricação. Sendo assim, conclui-se que esses
laminados naturais apresentam boa adesão fibra/matriz.
5.4.3.4 Resina fenólica reforçada por fibras de vidro
A Tabela 5.14 exibe os valores do limite de resistência à tração, seu alongamento
na carga máxima e na ruptura e o comprimento inicial das seis amostras ensaiadas.
Tabela 5.14 – Valores dos ensaios em tração do laminado de resina fenólica reforçada com fibra de vidro
Amostra
Tensão
máxima (MPa)
Alongamento na
tensão máxima (%)
Alongamento
na ruptura (%)
Comprimento
inicial (mm)
1 206,0 2,39 2,46 252,0
2 192,9 2,21 2,54 252,0
3 206,2 2,33 2,45 251,0
4 211,1 2,33 2,55 251,5
5 197,2 2,31 2,32 252,0
6 216,0 2,32 2,38 252,0
Média 204,9 2,31 2,45 251,8
Desvio-padrão 8,6 0,06 0,09 0,42
Coeficiente de Variação (%) 4,19 2,42 3,70 0,17
100
O valor médio do limite de resistência à tração do laminado de fenólica/vidro é
de 204,9 MPa, enquanto que os valores médios dos alongamentos na carga máxima e
na ruptura são de 2,31% e 2,45%, respectivamente.
Os valores dos limites de resistência à tração variam entre 192,9 MPa a
216,0 MPa, enquanto que os alongamentos na carga máxima e na ruptura são de
2,21% a 2,39% e entre 2,32% a 2,55%, respectivamente.
O laminado de fenólica/vidro apresenta pouco alongamento até a ruptura,
conforme mostra a Tabela 5.14, caracterizando um comportamento frágil.
Analisando o valor de resistência encontrado para a resina fenólica, Tabela 5.8,
verifica-se um aumento de 42 vezes na resistência com a adição de uma camada de
tecido com fibras de vidro.
5.5 RESISTÊNCIA À FLEXÃO
5.5.1 Resinas
As propriedades mecânicas de resistência à flexão e as dimensões dos corpos-de-
prova das resinas poliuretana e fenólica são apresentadas nas Tabelas 5.15 e 5.16,
respectivamente.
5.5.1.1 Poliuretana à base de óleo de mamona
Tabela 5.15 – Valores dos ensaios em flexão da resina poliuretana
Amostra
Tensão (MPa)
x 10
-1
Deslocamento
(mm)
Força máxima
(N) x 10
-1
1 3,8 17,3 6,6
2 4,0 18,9 6,6
3 4,2 18,3 7,9
4 5,0 18,3 9,2
5 5,0 18,8 9,2
6 4,4 18,7 7,9
7 4,9 18,5 7,9
8 5,1 18,6 9,2
Média 4,5 18,4 8,1
Desvio-padrão 0,05 0,51 0,11
Coeficiente de Variação (%)
11,1 2,78 13,6
101
O valor médio da resistência à flexão da resina poliuretana à base de óleo de
mamona é de somente 0,45 MPa, enquanto que, o valor médio do máximo
deslocamento foi de 18,4 mm.
Os valores da resistência à flexão variam entre 0,38 MPa a 0,51 MPa, enquanto
que o deslocamento na carga máxima foi de 17,3 mm a 18,9 mm.
Foi observado que, os corpos-de-prova da resina poliuretana não apresentaram
ruptura na carga máxima.
Como os corpos-de-prova apresentaram baixa resistência à flexão e grande
deslocamento sem sofrer ruptura, a resina poliuretana pode ser caracterizada como
material dúctil-frágil, comprovando o comportamento encontrado em tração, Tabela
5.7.
5.5.1.2 Fenol-resorcinol-formaldeído
O valor médio da resistência à flexão da resina fenólica é de 8,6 MPa, enquanto
que, o valor médio do máximo deslocamento foi de 3,1 mm.
Tabela 5.16 – Valores dos ensaios em flexão da resina fenólica
Amostra
Tensão
(MPa)
Deslocamento
(mm)
Força máxima
(N)
1 9,0 3,1 18,7
2 10,7 3,5 25,1
3 6,9 2,2 15,3
4 11,2 4,2 24,5
5 10,3 3,6 20,5
6 4,6 2,3 9,6
7 7,2 2,5 15,0
Média 8,6 3,0 18,4
Desvio-padrão 2,4 0,74 5,6
Coeficiente de Variação (%) 28,2 24,4 30,2
Os valores da resistência à flexão variam entre 4,6 MPa a 11,2 MPa, enquanto
que o deslocamento na carga máxima foi de 2,2 mm a 4,2 mm.
Somente os corpos-de-prova da resina fenólica apresentaram ruptura na carga
máxima, Figura 5.34. Como podem ser observadas na Figura 5.34, as trincas partem da
borda tracionada em direção ao centro da amostra, comprovando que a fratura ocorreu
da região tracionada para a região comprimida.
102
Como os corpos-de-prova apresentaram pequeno deslocamento antes de sofrer
ruptura, a resina fenólica pode ser caracterizada como material frágil, comprovando o
comportamento encontrado em tração, Tabela 5.8.
a) b) c)
d) e)
Figura 5.34 – Fractografia da resina fenólica após ensaio de flexão: a) macrografia (35x); b) presença de vazios
na matriz (500x); c) presença de impurezas (750x); d) fissura partindo da borda tracionada em direção
ao centro da amostra (500x) e e) início da trinca pela borda tracionada (2000x)
5.5.2 Laminados
As propriedades mecânicas de resistência à flexão e as dimensões dos corpos-de-
prova dos laminados de matriz fenólica reforçados com fibras de vidro, fibras úmidas
de sisal (h=17,1%) e fibras secas de sisal (h=6%) são apresentadas nas Tabelas 5.17,
5.18 e 5.19, respectivamente.
As propriedades mecânicas de resistência à flexão e as dimensões dos corpos-de-
prova dos laminados de matriz poliuretana reforçados com fibras de vidro, fibras
Região tracionada
Região comprimida
103
úmidas de sisal (h=17,1%) e fibras secas de sisal (h=6%) são apresentadas nas Tabelas
5.20, 5.21 e 5.22, respectivamente.
5.5.2.1 Matriz fenólica reforçada por fibras de vidro
O valor médio da resistência à flexão do laminado de resina fenólica reforçada com
fibra de vidro é de 21,8 MPa, enquanto que, o valor médio do máximo deslocamento
foi de 7,4 mm.
Tabela 5.17 – Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina fenólica reforçada com fibra de vidro
Amostra Tensão (MPa) Deslocamento (mm) Força máxima (N)
1 16,9 7,3 2,9
2 18,0 7,2 3,0
3 20,2 7,0 2,5
4 21,7 7,2 2,8
5 25,4 7,6 2,4
6 28,5 8,1 2,6
Média 21,8 7,4 2,7
Desvio-padrão 4,45 0,37 0,25
Coeficiente de Variação (%) 20,4 5,08 9,13
Os valores da resistência à flexão variam entre 16,9 MPa a 28,5 MPa, enquanto
que o deslocamento na carga máxima foi de 7,0 mm a 8,1 mm.
Foi observado que, os corpos-de-prova do laminado de fenólica/vidro não
apresentaram ruptura na carga máxima.
Analisando o valor da resistência à flexão encontrado para a resina fenólica,
Tabela 21, verifica-se um aumento de aproximadamente 154% na resistência à flexão
com a adição de uma camada de tecido com fibras de vidro.
5.5.2.2 Matriz fenólica reforçada por fibras úmidas de sisal
O valor médio da resistência à flexão do laminado de resina fenólica reforçada
com fibra úmida de sisal é de 10,7 MPa, enquanto que, o valor médio do máximo
deslocamento foi de 14,0 mm.
Os valores da resistência à flexão variam entre 9,7 MPa a 12,5 MPa, enquanto
104
que o deslocamento na carga máxima foi de 13,5 mm a 14,4 mm.
Tabela 5.18 – Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina fenólica reforçada
com fibra úmida de sisal com teor de umidade igual a 17,1%
Amostra Tensão (MPa) Deslocamento (mm) Força máxima (N)
1 12,5 13,9 12,8
2 11,3 14,4 13,0
3 10,6 14,3 11,6
4 9,7 13,8 11,7
5 9,7 14,2 9,9
6 10,5 13,5 11,8
Média 10,7 14,0 11,8
Desvio-padrão 1,08 0,33 1,12
Coeficiente de Variação (%) 10,2 2,38 9,46
Foi observado que, os corpos-de-prova do laminado de fenólica/sisal úmido não
apresentaram ruptura na carga máxima, Figura 5.35.
a) b)
Figura 5.35 – Ensaio de flexão em 3 pontos no laminado fenólica/sisal úmido:
a) início do ensaio e b) após 6 min de ensaio
Analisando o valor da resistência à flexão encontrado para a resina fenólica,
Tabela 5.16, verifica-se um aumento de aproximadamente 24,8% na resistência à
flexão com a adição de uma camada de tecido com fibras úmidas de sisal (h=17,1%).
5.5.2.3 Matriz fenólica reforçada por fibras secas de sisal
O valor médio da resistência à flexão do laminado de resina fenólica reforçada
com fibra seca de sisal é de 11,2 MPa, enquanto que, o valor médio do máximo
deslocamento foi de 17,5 mm.
105
Tabela 5.19 – Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina fenólica reforçada
com fibra de sisal seca em estufa com teor de umidade igual a 6,00%
Amostra Tensão (MPa) Deslocamento (mm)
Força máxima (N)
1 9,9 17,4 8,4
2 11,5 17,3 12,4
3 11,1 17,4 12,4
4 11,4 17,1 12,0
5 11,8 17,3 11,2
6 11,2 18,6 10,9
Média 11,2 17,5 11,2
Desvio-padrão 0,68 0,53 1,49
Coeficiente de Variação (%) 6,06 3,02 13,3
Os valores da resistência à flexão variam entre 9,9 MPa a 11,8 MPa, enquanto
que o deslocamento na carga máxima foi de 17,1 mm a 18,6 mm.
Foi observado que, os corpos-de-prova do laminado de fenólica/sisal seco não
apresentaram ruptura na carga máxima.
Analisando o valor da resistência à flexão encontrado para a resina fenólica,
Tabela 5.16, verifica-se um aumento de aproximadamente 30,7% na resistência à
flexão com a adição de uma camada de tecido com fibras secas de sisal (h=6%).
Comparando as resistências à flexão do laminado de resina fenólica reforçado
com fibras de sisal úmidas e do laminado reforçado com fibras de sisal secas não se
verifica uma diferença significativa entre os valores encontrados que foram de
aproximadamente 11 MPa.
As diferenças constatadas com a redução da umidade na fibra foram: a redução
no valor do desvio-padrão da resistência à flexão e o aumento no alongamento do
laminado, ambos fatores favoráveis para a aplicação do laminado de fenólica/sisal
como reforço em estruturas.
Conclui-se, então, que a ausência da umidade nas fibras de sisal favorece a
adesão entre a fibra e a resina, sendo indicado o tratamento térmico para a fibra de
sisal quando utilizada como reforço à matriz fenólica.
5.5.2.4 Matriz poliuretana reforçada por fibras de vidro
O valor médio da resistência à flexão do laminado de resina poliuretana reforçada
106
com fibra de vidro é de 14,2 MPa, enquanto que, o valor médio do máximo
deslocamento foi de 7,3 mm.
Tabela 5.20 – Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina poliuretana
reforçada com fibra de vidro
Amostra Tensão (MPa)
Deslocamento (mm) Força máxima (N)
1 14,7 6,9 2,2
2 14,5 7,5 2,2
3 15,6 7,3 2,1
4 11,9 7,6 2,0
5 17,0 7,2 2,2
6 11,5 7,2 2,2
Média 14,2 7,3 2,2
Desvio-padrão 2,12 0,26 0,11
Coeficiente de Variação (%) 14,9 3,62 5,07
Os valores da resistência à flexão variam entre 11,5 MPa a 17,0 MPa, enquanto
que o deslocamento na carga máxima foi de 6,9 mm a 7,6 mm.
Foi observado que, os corpos-de-prova do laminado de poliuretana/vidro não
apresentaram ruptura na carga máxima.
Analisando o valor da resistência à flexão encontrado para a resina poliuretana,
Tabela 5.15, verifica-se um aumento de aproximadamente 30 vezes na resistência à
flexão com a adição de uma camada de tecido com fibras de vidro.
5.5.2.5 Matriz poliuretana reforçada por fibras úmidas de sisal
O valor médio da resistência à flexão do laminado de resina poliuretana reforçada
com fibra úmida de sisal é de 1,60 MPa, enquanto que, o valor médio do máximo
deslocamento foi de 17,2 mm.
Os valores da resistência à flexão variam entre 1,33 MPa a 1,84 MPa, enquanto
que o deslocamento na carga máxima foi de 16,5 mm a 18,8 mm.
Foi observado que, os corpos-de-prova do laminado de poliuretana/sisal úmido não
apresentaram ruptura na carga máxima.
107
Tabela 5.21 – Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina poliuretana
reforçada com fibra úmida de sisal com teor de umidade igual a 17,1%
Amostra
Tensão (MPa)
X 10
-1
Deslocamento (mm) Força máxima (N)
1 13,3 16,4 2,4
2 16,0 16,6 2,8
3 15,0 17,2 2,8
4 18,4 18,8 3,0
5 15,3 17,2 2,8
6 16,4 16,8 3,0
7 17,2 17,2 3,0
Média 16,0 17,2 2,8
Desvio-padrão 0,16 0,78 0,24
Coeficiente de Variação (%) 10,3 4,54 8,46
Analisando o valor da resistência à flexão encontrado para a resina poliuretana,
Tabela 5.15, verifica-se um aumento de aproximadamente 252% na resistência à
flexão com a adição de uma camada de tecido com fibras úmidas de sisal (h=17,1%).
5.5.2.6 Matriz poliuretana reforçada por fibras secas de sisal
O valor médio da resistência à flexão do laminado de resina poliuretana reforçada
com fibra seca de sisal é de 3,7 MPa, enquanto que, o valor médio do máximo
deslocamento foi de 16,8 mm.
Tabela 5.22 – Valores dos ensaios em flexão do laminado de resina poliuretana reforçada
com fibra de sisal seca em estufa com teor de umidade igual a 6,00%
Amostra Tensão (MPa) Deslocamento (mm) Força máxima (N)
1 3,7 16,3 4,6
2 4,0 16,9 4,6
3 3,5 17,3 4,2
4 4,3 16,7 5,4
5 3,5 16,8 4,1
6 3,5 16,4 4,2
7 3,4 17,6 4,0
Média 3,7 16,8 4,4
Desvio-padrão 0,34 0,46 0,49
Coeficiente de Variação (%) 9,26 2,71 11,1
Os valores da resistência à flexão variam entre 3,4 MPa a 4,3 MPa, enquanto que
o deslocamento na carga máxima foi de 16,4 mm a 17,6 mm.
108
Foi observado que, os corpos-de-prova do laminado de poliuretana/sisal seco não
apresentaram ruptura na carga máxima.
Analisando-se o valor da resistência à flexão encontrado para a resina
poliuretana, Tabela 5.15, verifica-se um aumento de aproximadamente 7 vezes na
resistência à flexão com a adição de uma camada de tecido com fibras secas de sisal
(h=6%).
Comparando-se as resistências à flexão do laminado de resina poliuretana
reforçada com fibras de sisal úmidas e do laminado reforçado com fibras de sisal secas
verifica-se uma diferença entre os valores encontrados, que foram o dobro para o
reforço com as fibras secas.
Com relação ao deslocamento dos laminados com fibras úmidas e secas não foi
encontrada diferença significativa entre os valores, que são por volta de 17 mm.
Foram constatadas diferenças entre os laminados com a redução da umidade da
fibra, tais como o aumento no desvio-padrão da resistência à flexão, fatores
desfavoráveis. Porém, houve reduções nos valores do coeficiente de variação da
resistência à flexão e do deslocamento.
Com base nos resultados experimentais obtidos, conclui-se que a ausência da
umidade nas fibras de sisal favorece a adesão entre a fibra e a resina poliuretana, sendo
indicado o tratamento térmico para o reforço da matriz quando o laminado for
utilizado para reforçar estruturas.
A Figura 5.36 apresenta uma comparação entre as resistências à flexão das
resinas e dos laminados. A resistência à flexão encontrada para a matriz poliuretana
(Figura 5.36a) e para a matriz fenólica (Figura 5.36b) foram representadas e servem
como referência para a análise dos resultados.
Como podem ser observados na Figura 5.36, os valores da resistência à flexão
dos laminados foram superiores aos encontrados as suas matrizes, ou seja, a adição do
reforço promoveu o aumento da resistência à flexão, diferente do encontrado por Silva
(2003).
Assim como o apresentado no ensaio em tração, o melhor desempenho em flexão
foi do laminado fenólica/vidro, seguido pelos laminados PU/vidro, fenólica/sisal e
PU/sisal, respectivamente;
109
Figura 5.36 – Resistências à flexão: a) resina poliuretana e laminados, b) resina fenólica e laminados
5.6 DIFRAÇÃO DE RAIOS X
5.6.1 Fibras
Os difratogramas de raios X da fibra de vidro e das fibras de sisal podem ser
visualizados na Figura 5.37.
10 20 30 40 50 60 70
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Intensidade (cps)
2θ
θθ
θ (grau)
Fibras de sisal: Umidade (%)
19,59
14,78
6,81
6,47
5,46
Fibra de vidro
Figura 5.37 – Difratograma da fibra de vidro e das fibras de sisal variando teor de umidade
0,454
1,6
3,69
14,2
0
5
10
15
20
25
1
Resistência à flexão (MPa)
PU PU/sisal úmido PU/sisal seco PU/vidro
8,57
10,7
11,15
21,8
0
5
10
15
20
25
Resistência à flexão (MPa)
Fen Fen/sisal úmido Fen/sisal seco Fen/vidro
a) b)
110
Os difratogramas das fibras de sisal exibem três picos bem definidos, em média,
16,2º; 22,8º e 35,1º de 2θ, correspondendo aos planos cristalográficos (101), (002) e
(040), respectivamente (MWAIKAMBO e ANSELL, 2002).
O difratograma da fibra de vidro, Figura 5.37, exibe uma banda bem definida em
27º de 2θ. Α análise comprova que a fibra é um material amorfo, confirmando a
caracterização indicada nas literaturas (ASM INTERNATIONAL, 1993;
ARVANITOYANNIS et al., 1995).
A partir dos difratogramas e com o uso da Equação 8, calculou-se o índice de
cristalinidade em função da variação no teor de umidade das fibras de sisal, Tabela
5.23 e ilustrados na Figura 5.38.
Tabela 5.23 – Índice de cristalinidade das fibras de sisal em função da umidade
Umidade (%) Índice de cristalinidade (%)
19,6 49,6
14,8 42,6
6,8 39,9
6,5 42,3
5,5 44,0
Observa-se na Tabela 5.23 que o índice de cristalinidade variou com o teor de
umidade da fibra de sisal. Os valores da cristalinidade ficaram em torno de 39,9% a
49,6%, evidenciando que a fibra é semicristalina, possuindo em sua composição a
celulose que é um material cristalino, além de lignina e hemicelulose
caracteristicamente amorfos. O índice de cristalinidade encontrado para o sisal por
Mwaikambo e Ansell (2002) e por Rong et al. (2001) foram de 70,9% e 62,8%,
respectivamente.
Analisando-se a Figura 5.38, constata-se que com a diminuição inicial no teor de
umidade, houve redução no índice de cristalinidade do sisal, caracterizando a
diminuição na organização dos cristalitos. Porém, com um teor de umidade inferior a
6,5%, o índice de cristalinidade começa a apresentar um aumento no índice de
cristalinidade, ou seja, inicia uma recuperação promovendo ordem no empacotamento
dos cristalitos (MWAIKAMBO e ANSELL, 2002).
111
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
5791113151719
Teor de umidade (%)
Índice de cristalinidade (%)
Figura 5.38 – Gráfico do teor de umidade versus índice de cristalinidade das fibras de sisal
5.6.2 Resinas
A Figura 5.39 mostra os difratogramas das resinas fenólica e poliuretana à base
de óleo de mamona, proporção 2:1, respectivamente.
10 20 30 40 50 60 70
0
500
1000
1500
2000
Intensidade (cps)
2θ
θθ
θ (grau)
Resina PU 2:1
Resina fenólica
Figura 5.39 – Difratogramas por raios X das resinas fenólica e
PU à base de óleo de mamona 2:1 (poliol/isocianato)
O difratograma da resina poliuretana mostra dois picos com bases largas e
difusos a 19,9º e a 41,5º, sugerindo um estado desordenado e indicando a natureza
112
amorfa da PU, também demonstrado por Zhou et al. (2003).
Com relação a resina fenólica, o difratograma mostra somente um pico de base
larga, máximo em 22,8º de 2θ, indicando que este material é amorfo.
5.6.3 Laminados
As Figuras 5.40, 5.41, 5.42 e 5.43 mostram os difratogramas dos laminados
PU/vidro, PU/sisal, fenólica/vidro e fenólica/sisal, respectivamente.
A partir do difratograma e com o uso da Equação 8, calculou-se o índice de
cristalinidade para o laminado de fenólica/sisal, pois o laminado poliuretana/sisal não
apresentou os dois picos que representam o material amorfo e cristalino.
O índice de cristalinidade para o laminado fenólica/sisal é igual a 29,50%, sendo
que a redução desse índice se deve à adição da resina, material amorfo.
10 20 30 40 50 60 70
0
500
1000
1500
2000
Resina PU 2:1
Fibra de vidro
Laminado PU/vidro
Intensidade (cps)
2θ
θθ
θ (grau)
Figura 5.40 – Difratogramas por raios X da resina PU 2:1, fibra de vidro e laminado de PU/vidro
113
10 20 30 40 50 60 70
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Resina PU 2:1
Fibra de sisal não-tratada
Laminado PU/sisal
Intensidade (cps)
2θ
θθ
θ (grau)
Figura 5.41 – Difratogramas por raios X da resina PU 2:1, fibra de sisal e laminado de PU/sisal
Os difratogramas dos laminados PU/vidro e PU/sisal, Figuras 5.40 e 5.41,
exibem um pico bem definido, por volta de 19,7º e 20,4º, respectivamente e outro pico
difuso a 38,6º e 38,7º, respectivamente. Os picos apresentaram os valores máximos de
intensidade próximo aos ângulos apresentados pela resina poliuretana.
10 20 30 40 50 60 70
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Resina Fenólica
Fibra de vidro
Laminado fenólica/vidro
Intensidade (cps)
2θ
θθ
θ (grau)
Figura 5.42 – Difratogramas por raios X da resina fenólica, fibra de vidro e laminado de fenólica/vidro
114
10 20 30 40 50 60 70
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Resina fenólica
Fibra de sisal não-tratada
Laminado fenólica/sisal
Intensidade (cps)
2θ
θθ
θ (grau)
Figura 5.43 – Difratogramas por raios X da resina fenólica, fibra de sisal e laminado de fenólica/sisal
Os difratogramas dos laminados fenólica/vidro e fenólica/sisal, Figuras 5.42 e
5.43, exibem um pico de base larga, máximo em 22,3º e 22,4º de 2θ, respectivamente,
indicando que o material é semi-cristalino.
Baseado nos difratogramas apresentados, nota-se que as curvas dos laminados se
assemelham às curvas apresentadas para as respectivas resinas puras, uma vez que a
presença da matriz exerce grande influência na cristalinidade do laminado.
115
6 CONCLUSÕES
1. A partir dos estudos de proporção poliol:isocianato concluiu-se que a melhor
proporção entre os reagentes da PU é a de 2:1, indicada pelo fabricante;
2. O estudo cinético de cura da resina poliuretana mostrou que a reação é
exotérmica, indicada pela negativa do valor de entalpia. O valor da energia de
ativação é de 38,6 kJ/mol, caracterizando rápida velocidade de reação;
3. Para a poliuretana foram realizadas três isotermas: a 40°C, 60°C e 80°C e foram
obtidos os tempos de cura de 100 min, 60 min e 40 min, respectivamente;
4. As resinas PU e fenólica e a fibra de sisal podem ser indicadas para aplicações
em que a temperatura local não exceda 220ºC, 215ºC e 160ºC, respectivamente;
5. A resistência à tração na carga máxima da matriz poliuretana foi 2,5 MPa com
um alongamento correspondente a 29%, caracterizando comportamento dúctil;
6. A fibra de sisal apresenta-se como material semicristalino, com resistência à
tração máxima de 24 MPa;
7. O tratamento térmico nas fibras de sisal diminui a resistência à tração e o
alongamento na carga máxima, sendo que a utilização da estufa é de suma
importância na preparação das amostras com fibras de sisal;
8. A reação de polimerização da resina fenólica é exotérmica. O material apresenta-
se como frágil e amorfo, sendo constatada heterogeneidade através da
microscopia eletrônica de varredura. Apresenta resistência à tração máxima de
4,9 MPa e alongamento de 0,13%. Ao final da cura foi observada uma grande
retração volumétrica;
9. O laminado fenólica/vidro apresentou maior estabilidade térmica, seguido pelos
laminados PU/vidro, fenólica/sisal e PU/sisal, respectivamente;
10. O tratamento térmico, nas fibras de sisal do laminado com resina poliuretana, não
foi favorável à aplicação do material como reforço estrutural, quando levado em
consideração seu comportamento em tração. Porém, o tratamento térmico se
mostrou favorável para a aplicação do laminado quando solicitado em flexão;
116
11. É indicado o tratamento térmico para as fibras de sisal dos laminados com resina
fenólica, pois além de reduzir o valor do desvio-padrão na resistência à tração,
aumenta o alongamento do laminado, quando consideramos seu comportamento
em tração;
12. O tratamento térmico nas fibras de sisal que reforçam a matriz fenólica também é
indicado, pois aumenta sua rigidez;
13. O laminado fenólica/vidro apresentou a maior resistência à tração, seguido pelos
laminados PU/vidro, fenólica/sisal e PU/sisal, respectivamente;
14. O laminado fenólica/vidro apresentou a maior rigidez, seguido pelos laminados
PU/vidro, fenólica/sisal e PU/sisal, respectivamente;
15. A utilização dos laminados como reforço em estruturas de madeira se mostra
viável, uma vez que apresentaram resistências consideráveis ao seu uso.
117
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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129
ANEXO A – Gráficos tensão de tração versus alongamento para amostras das
resinas fenólica e poliuretana e dos laminados
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
0
20
40
60
80
100
Laminado PU/sisal úmido (amostra 6)
Laminado PU/sisal seco (amostra 7)
Laminado PU/vidro (amostra 1)
Resina poliuretana (amostra 6)
Tensão (MPa)
Alongamento (%)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Laminado Fen/sisal úmido (amostra 4)
Laminado Fen/sisal seco (amostra 2)
Laminado Fen/vidro (amostra 3)
Resina Fenólica (amostra 5)
Tensão (MPa)
Alongamento (%)
0,00 0,05 0,10 0,15
0
1
2
3
4
5
130
ANEXO B – Valores médios de resistência e módulo de deformação longitudinal,
para umidade igual a 12%, de madeiras dicotiledôneas nativas e
de florestamento (NBR7190)
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