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DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA DE UTILIZAÇÃO DA
FIBRA DE BANANEIRA COM RESINA SINTÉTICA EM
COMPÓSITOS
RUI CARLOS DE SOUSA MOTA
O
rientador: Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes
Co-Orientador: Prof. Dr. José Hilton Ferreira da Silva
Natal
2010
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DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA DE UTILIZAÇÃO DA FIBRA
DE BANANEIRA COM RESINA SINTÉTICA EM COMPÓSITOS
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RUI CARLOS DE SOUSA MOTA
O
rientador: Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes
Co-Orientador: Prof. Dr. José Hilton Ferreira da Silva
Natal,
Fevereiro de 2010
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DE BANANEIRA COM RESINA SINTÉTICA EM COMPÓSITOS
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Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes
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Natal - 2010
Talhado para as grandezas
P'ra crescer, criar, subir,
O Novo Mundo nos músculos
Sente a seiva do porvir.
—Estatuário de colossos —
Cansado doutros esboços
Disse um dia Jeová:
"Vai, Colombo, abre a cortina
"Da minha eterna oficina...
"Tira a América de lá".
Castro Alves
Dedico este trabalho a minha mãe, meu pai (
in memorian
), minha esposa e minha
filha, e aos irmãos e amigos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a minha família, que me deu todo o apoio neste trabalho, a meus amigos,
que de uma forma direta e/ou indireta contribuíram de forma incisiva nos momentos
mais difíceis;
Ao meu orientador, que de forma incondicional apoiou este projeto;
Ao IFBA - Simões Filho, que através de seus gestores proporcionaram o meu
ingresso neste mestrado;
Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFRN, a qual, através
de convênio IFBA /UFRN, fizeram acontecer este curso;
À empresa Gerdau, na pessoa do Engº. Sandro Gonçalves, que disponibilizou o
laboratório de microscopia óptica para a realização de alguns ensaios;
Aos alunos do IFBA - SF que, de forma voluntária, muito contribuíram e
incentivaram, fazendo com que este trabalho acontecesse.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...................................................................................................9
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S...............................................................................................11
LISTA DE QUADROS...............................................................................................12
LISTA DE GRÁFICOS ..............................................................................................13
LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES .....................................................................14
RESUMO...................................................................................................................15
ABSTRACT...............................................................................................................16
1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................17
1.1
OBJETIVO GERAL.....................................................................................18
1.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................18
1.3
JUSTIFICATIVA .........................................................................................18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................20
2.1
DEFINIÇÃO DE MATRIZES POLIMÉRICAS .............................................20
2.2
CLASSIFICAÇÃO DAS MATRIZES POLIMÉRICAS..................................20
2.2.1 Matrizes Termoplásticas e Termofixas...................................................21
2.2.2 Resina Poliéster........................................................................................23
2.3
MATERIAIS COMPÓSITOS.......................................................................24
2.3.1 Definições de materiais compósitos ......................................................24
2.3.2 Classificações dos materiais compósitos .............................................27
2.3.3 Aplicabilidade dos compósitos...............................................................30
2.4
FIBRAS SINTÉTICAS ................................................................................31
2.4.1 Fibra de vidro............................................................................................31
2.4.2 Fibra de carbono ......................................................................................35
2.4.3 Aramida .....................................................................................................37
2.5
FIBRAS NATURAIS ...................................................................................38
2.5.1 Fibras Vegetais.........................................................................................39
2.5.2 Principais fibras de origem vegetal ........................................................43
2.5.2.1 Fibra de coco..............................................................................................43
2.5.2.2 Fibra de juta ...............................................................................................44
2.5.2.3 Fibra de curauá ..........................................................................................45
2.5.2.4 Fibra de sisal ..............................................................................................46
2.5.2.5 Fibra de rami ..............................................................................................47
2.5.2.6 Fibra de licuri..............................................................................................48
2.5.2.7 Fibra de bananeira .....................................................................................51
2.6
MATERIAIS COMPÓSITOS.......................................................................53
2.6.1 Definições, Classificação e Propriedades dos compósitos .................53
2.6.1.1 Compósitos Particulados............................................................................55
2.6.1.2 Compósitos com Fibras ou Fibroso ............................................................56
2.6.1.3 Compósitos Laminados ..............................................................................56
2.6.2 Compósitos Poliméricos .........................................................................57
2.6.2.1 Características dos Compósitos Poliméricos .............................................58
2.6.2.2 Compósitos Poliméricos Reforçados por Fibras Naturais ..........................59
2.6.3 Influência da interface nas propriedades dos compósitos ..................60
2.6.4 Mecanismo de dano .................................................................................61
2.6.5 Métodos e processos de fabricação de um laminado...........................64
2.6.5.1 Laminação Manual (Hand Lay Up).............................................................64
2.6.5.2 Laminação a pistola....................................................................................65
2.6.5.3 Centrifugação .............................................................................................66
2.6.5.4 Enrolamento ...............................................................................................66
3 MATERIAIS E MÉTODOS .........................................................................69
3.1
METODOLOGIA APLICADA ......................................................................69
3.1.1 Fórmulas Utilizadas..................................................................................72
3.1.2 Teor de Cera ...........................................................................................723
3.1.3.1 Hexano .....................................................................................................733
3.1.4 Preparação das placas para a fabricação dos corpos de prova ........744
3.1.5 Testes ......................................................................................................777
3.1.6 Ensaio de absorção de umidade...........................................................777
3.1.7 Ensaio de tração uniaxial ........................................................................80
3.1.8 Ensaio de termogravimetria ....................................................................82
3.1.9 Ensaio de flexão em três pontos.............................................................83
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...............................................................855
4.1
IMAGENS DA MICROSCÓPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA PARA AS
TRÊS CONCENTRAÇÕES DE FIBRA
ERRO! INDICADOR NÃO
DEFINIDO.
5
4.2
MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA MEV - 9% DE FIBRAS
TRAÇÃO UNIAXIAL .................................................................................866
4.4
MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA MEV – FIBRAS 6%...888
4.4.1 MEV – fibra 6 % seca.....................................
Erro! Indicador não definido.
9
4.5
GRÁFICOS DE RESULTADOS DA ABSORÇÃO DE UMIDADE.............923
4.6
GRÁFICOS TERMOGRAVIMÉTRICOS...................................................945
5 CONCLUSÕES ........................................................................................977
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................999
REFERÊNCIAS.......................................................................................................100
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Tecido bidirecional de fibras de vidro...................................................34
Figura 2: Manta de fibras de vidro. ........................................................................34
Figura 3: Formas têxteis encontradas para as fibras de vidro............................35
Figura 4: Fibra de carbono .....................................................................................36
Figura 5: Colete balístico........................................................................................38
Figura 6: Estrutura da fibra vegetal .......................................................................40
Figura 7: Fibras do bagaço de coco seco.............................................................44
Figura 8: Tecido de fibra de juta. ...........................................................................45
Figura 9: Fibras de Curauá prontas para impregnação em plástico reforçado .46
Figura 10: Fibras de Sisal.......................................................................................46
Figura 11: Fibra de rami..........................................................................................48
Figura 12: Árvore de Licuri (Syagrus coronata) ...................................................49
Figura 13: Licuri (a) inteiro e (b) descascado .......................................................50
Figura 14: Fibras de Licuri (Syagrus coronata)....................................................50
Figura 15: Esquema geral de uma bananeira com suas diversas partes
constituintes .......................................................................................51
Figura 16: Bananeira e suas fibras ........................................................................53
Figura 17: Compósito particulado .........................................................................55
Figura 18: Exemplo de arranjo de fibras em matriz para compósito fibroso.....56
Figura 19: Compósito laminado.............................................................................57
Figura 20: Fissuração em matriz polimérica.........................................................62
Figura 21: Superfície de fratura de corpos de prova ensaiados em flexão -
Ruptura das fibras de juta. ................................................................62
Figura 22: Desaderência fibras de vidro/matriz....................................................63
Figura 23: Delaminação entre as camadas de fibras. ..........................................63
Figura 24: Microflambagem em fibras...................................................................64
Figura 25: Hand Lay Up ..........................................................................................65
Figura 26: Laminação a Pistola..............................................................................65
Figura 27: Centrifugação ........................................................................................66
Figura 28: Enrolamento ..........................................................................................67
Figura 29: Moldagem por Compressão .................................................................67
Figura 30: Moldagem por Injeção ..........................................................................68
Figura 31: Moldagem por Pultrusão ......................................................................68
Figura 32: Medição do diâmetro da fibra...............................................................70
Figura 33: Preparação das fibras para limpeza de cera (1) .............................7272
Figura 34: Preparação das fibras para limpeza de cera (2) .................................73
Figura 35: Fibras sendo lavadas............................................................................74
Figura 36: Balança analítica de precisão – Lab. IFBA - Simões Filho ................75
Figura 37: Fresadora tipo Router T- 30..................................................................75
Figura 38: Lixamento ..............................................................................................76
Figura 39: Polimento...............................................................................................76
Figura 40: Microscopia Ótica CP3% ......................................................................77
Figura 41: Microscopia Ótica CP6% ......................................................................78
Figura 42: Microscopia Ótica CP9% ......................................................................79
Figura 43: Máquina de Tração SHIMADZU – AG1.................................................81
Figura 44: Corpo de Prova Tracionado .................................................................81
Figura 45: Analisador Termogravimétrico ............................................................83
Figura 46: Analisador Termogravimétrico ............................................................83
Figura 47: Corpo de prova no início do carregamento ........................................84
Figura 48: Corpo de prova tensionado..................................................................85
Figura 49: Microscopia Eletrônica de varredura (1) .............................................85
Figura 50: Microscopia Eletrônica de varredura (2) .............................................86
Figura 51: Microscopia Eletrônica de varredura (3) .............................................86
Figura 52: Microscopia Eletrônica de varredura CP 9% (1).................................87
Figura 53: Microscopia Eletrônica de varredura CP 9% (2).................................87
Figura 54: Microscopia Eletrônica de varredura CP 9% ......................................87
Figura 55: Microscopia Eletrônica de varredura CP 3% ......................................88
Figura 56: Microscopia Eletrônica de varredura CP 3% (1).................................88
Figura 57: Microscopia Eletrônica de varredura CP 3% (2).................................88
Figura 58: Microscopia Eletrônica de varredura CP 6% (1).................................89
Figura 59: Microscopia Eletrônica de varredura CP 6% (2).................................89
Figura 60: Microscopia Eletrônica de varredura CP 6% (3).................................90
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Tabela 1: Mercado por participação por segmento..............................................31
Tabela 2: Participação do mercado por região.....................................................31
Tabela 3: Propriedades mecânicas de fibras vegetais e vidro............................52
Tabela 4: Diâmetro das fibras de bananeira secas e sem tratamento (mm) ......70
Tabela 5: Propriedades mecânicas do compósito seco ......................................90
Tabela 6: Propriedades mecânicas do compósito úmido saturado ...................91
Tabela 7: Propriedades mecânicas do compósito seco ......................................92
Tabela 8: Propriedades mecânica do compósito úmido saturado .....................93
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: Ácidos e glicóis usados na fabricação de resina poliéster ...............24
Quadro 2: Classificação dos materiais compósitos segundo a natureza dos
constituintes .......................................................................................28
Quadro 3: Classificação dos materiais compósitos quanto à natureza da matriz.
.............................................................................................................29
Quadro 4: Classificação dos compósitos quanto à forma, tamanho e
distribuição das fibras. ......................................................................29
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1: Aumento de Peso X Dias (1) .................................................................79
Gráfico 2: Aumento de Peso X Dias (2) .................................................................79
Gráfico 3: Aumento de Volume X Dias (1).............................................................80
Gráfico 4: Aumento de Volume X Dias (2).............................................................81
Gráfico 5: Gráficos de deflexão (valores médios) ................................................90
Gráfico 6: CP Seco: Força X Deflexão...................................................................91
Gráfico 7: Deformação X Tensão (Valores Médios) .............................................92
Gráfico 8: Deformação X Tensão (Valores Médios) .............................................93
Gráfico 9: Dias X Incremento de Peso (%) ............................................................94
Gráfico 10: Dias X Incremento de Peso (%) ..........................................................94
Gráfico 11: Dias X Volume......................................................................................95
Gráfico 12: Termogravimétrico CP 3% ..................................................................96
Gráfico 13: Termogravimétrico CP 6% ..................................................................96
Gráfico 14: Termogravimétrico CP 9% ..................................................................97
LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES
ASTM American Socity for Testing and Materials
CP Corpo de prova
CPGS Corpo de prova grande e seco
CPGU Corpo de prova grande e úmido
CPPS Corpo de prova pequeno e seco
CPPU Corpo de prova pequeno e úmido
CTGás Centro de Tecnologia Petróleo e Gás
Ɛ Deformação Longitudinal do Material
E Módulo de Elasticidade
F Força
FAO Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação
FB Fibra Bananeira
IFBA-SF Instituto Federal da Bahia – Campus Simões Filho
σ Tensão
Ɛ Tensão Cisalhamento
UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte
θ Limite Resistência / Resistência Última
S Área transversal
T Tensão
E Modulo de elasticidade na flexão
P Carga
l Comprimento útil do corpo de prova
w Largura do corpo de prova
h Altura do corpo de prova
v Flecha
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo apresentar a viabilidade de um compósito
utilizando material descartado da lavoura da bananeira (pseudocaule), o qual é
fibrilado juntamente com resina sintética em substituição à fibra de vidro, a ser
utilizado em elementos estruturais que não demandem grandes esforços mecânicos,
tais como reservatórios, calhas, domos, tubulações de esgotamento etc. Para isso
foram efetuados estudos sobre as propriedades mecânicas de um compósito de
resina poliéster e fibra de bananeira (musa s.p., musácea), nos quais foram retiradas
as talas do pseudocaule, sendo feita a fibrilização de forma manual, com o auxílio de
uma escova de aço, seguido de secagem ao natural. Após tratamento para limpeza
e retirada de cera, a fibra foi cortada em pedaços de aproximadamente 60 mm a 100
mm para, juntamente com a resina sintética, fabricar placas de um compósito de
características fibrosas com orientação aleatória em relação ao peso da resina.
Foram utilizadas três percentagens distintas de fibras (3%, 6% e 9%), a fim de se
efetuar um estudo comparativo entre elas e determinar qual seria aquela com o
melhor desempenho mecânico. Foram fabricados corpos de prova de cada material,
sendo então submetida aos ensaios de tração uniaxial, flexão em três pontos,
absorção de umidade e características térmicas. Os resultados demonstram que, de
forma geral, o uso de fibra de bananeira é viável, bastando uma melhoria no seu
processo de obtenção (mecanização do procedimento) e um maior cuidado durante
a fabricação das peças.
Palavras-chave:
Fibra natural. Fibra vegetal. Fibra de bananeira. Compósito híbrido.
ABSTRACT
This paper aims to present the feasibility of using a composite using discarded
material from the cultivation of banana tree (pseudostem), which is fibrillated together
with synthetic resin replacing glass fiber to be used in structural elements that do not
demand large mechanical stress such as reservoirs, troughs, domes, sewage pipes
etc.. For this, there were studies about the mechanical properties of a composite
made with polyester resin and fiber of banana tree (
Musa sp, musac
), in which the
splints were removed from the pseudostem, being made fibrillation by hand, with the
aid of a brush steel, followed by natural drying. After treatment for cleaning and
removal of wax, the fiber was cut into pieces of approximately 60 mm to 100 mm, for,
together with synthetic resin, make cards of a features fiber composite with random
orientation relative to the weight of the resin. We used three different percentages of
fiber (3%, 6% and 9%), in order to make a comparative study between them and
what would be the one with the best performance. Were manufactured specimens of
each material and then subjected to uniaxial tensile tests, three point bending,
moisture absorption and thermal characteristics. The results show that, in general,
the use of banana tree fiber is feasible simply by an improvement in the production
process (machining of the procedure) and greater care in the manufacture of parts.
Keywords: Natural fiber. Fiber plant. Banana tree fiber. Hybrid composite.
1. Introdução
17
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, com a preocupação crescente com o meio ambiente e a
inevitável redução de custos para otimizar a produção e tornar o produto final mais
acessível, torna-se imprescindível a utilização de matérias-primas alternativas e com
boa aceitação no mercado; neste contexto, novos materiais compósitos a base de
resina polimérica e fibras vegetais surgem a cada dia. Tudo isso leva em
consideração as propriedades e características desses materiais (alongamento,
peso específico, resistência mecânica, estabilidade térmica etc.), pois são
determinantes na definição de aplicabilidade, estando diretamente ligadas à matriz,
que é a resina, e ao reforço, que é a fibra, sendo que a empregabilidade e aderência
destes poderão criar uma interface na qual as propriedades individuais praticamente
desaparecem, dando lugar às propriedades que vão caracterizar o compósito.
A aplicação estrutural principalmente em peças de pouca solicitação
mecânica vem crescendo de forma singular, o que leva um crescente número de
recentes pesquisadores a buscar novos materiais e a aperfeiçoar processos já
existentes de obtenção de fibras e modos de fabricação e estruturas das mais
diversas. No Brasil, das fibras com maior aceitação no mercado estão as de sisal,
curaua, algodão, linho, juta, rami, licuri, bananeira e outras.
Neste contexto, o presente estudo objetiva apresentar a viabilidade da
utilização de uma fibra vegetal (bananeira – musácea) em um compósito com resina
sintética ortoftálica. A escolha desta fibra se dá pela facilidade de obtenção das
mesmas, já que todos os anos várias toneladas do pseudocaule são descartadas
após a colheita dos frutos, pois seu aproveitamento é quase nulo ou, mesmo quando
utilizado de forma artesanal, não é valorizado ou agrega em si um valor irrisório para
o produtor. Logo, este trabalho está abalizado na fabricação de um material em que
serão utilizadas fibras secas de bananeira, resina sintética ortoftálica, com as quais
foram confeccionados corpos de prova, sendo estes submetidos a ensaios e testes
laboratoriais de acordo com as normas, e posteriores testes para comprovações
técnicas dos resultados obtidos.
1. Introdução
18
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
1.1 OBJETIVO GERAL
Apresentar a viabilidade de um compósito utilizando material descartado da
lavoura da bananeira (pseudocaule), o qual é fibrilado juntamente com resina
sintética em substituição à fibra de vidro, a ser utilizado em elementos estruturais
que não demandem grandes esforços mecânicos, tais como reservatórios, calhas,
domos, tubulações de esgotamento etc.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•
Desenvolver um compósito com fibras de bananeira;
•
Estudar a viabilidade técnica deste compósito;
•
Efetuar análise microscópica e macroscópica da fratura;
•
Caracterizar termicamente este compósito;
•
Determinar as características e propriedades mecânicas deste compósito;
•
Dar continuidade aos estudos de materiais compósitos com ênfase em fibras
vegetais, criado no Campus de Ensino do Instituto Federal da Bahia – IFBA -
Simões Filho.
1.3 JUSTIFICATIVA
Existe atualmente a real necessidade de se produzir um material mais barato
que possa ser utilizado tanto pela indústria de transformação mecânica como pela
construção civil e pelo agronegócio (tanques, telhas, palhetas, aletas, carcaças etc.),
com uma durabilidade compatível com a dos produtos convencionais. O crescente
uso de fibras naturais em substituição ou em composição com as fibras sintéticas
tais como as de vidro, carbono, poliéster, poliamida, poliaramida, entre outras,
demonstra e reforça a preocupação em se obter materiais que possuam
propriedades exigidas sem agredir o meio ambiente. Dentro deste contexto, a fibra
de vidro é a que mais vem sendo substituída, por ser de uma utilização mais ampla e
de custo relativamente baixo, porém de alta agressividade ao meio ambiente e ao
homem.
1. Introdução
19
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
O estudo da aplicabilidade das fibras naturais tem a vantagem sobre a
primeira em relação à abrasão e tenacidade, chegando a suportar temperaturas de
até 180°C, e sendo utilizada como reforço de resinas em geral. Assim, vem tendo
uma aceitação cada vez maior na fabricação de peças e estruturas, principalmente
quando não se requer grandes esforços mecânicos das mesmas e principalmente
quando não há perigo de choque ou impacto, o que significa dizer que a utilização
das mesmas é ideal para peças pequenas e médias.
A bananeira, planta herbácea, cujo nome cientifico é
Musa Musaceae –
paradisiaca
, pode ser encontrada em quase todas as partes do mundo, tendo uma
produção estimada em aproximadamente 80 milhões de toneladas/ano, segundo a
Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO, 2004,
apud
DONATO
et al.,
2006). No Brasil, a Bahia ocupa lugar de destaque entre os maiores
produtores, sendo que as regiões do Recôncavo, Baixo Sul, Sudoeste e Sudeste
constituem-se nas zonas de maiores concentração do cultivo. A bananeira possui
um porte de 2,0 a 8,0 metros de altura e um diâmetro médio em sua base de 30 a 45
cm e na parte superior entre 10 e 15 cm. Suas raízes são fibrosas e superficiais, seu
caule é subterrâneo (rizomas) e suas folhas têm bainhas (pecíolos) que, quando
justapostos, formam o pseudocaule ou falso caule (que é o foco deste estudo). Sua
florescência é de flores masculinas e femininas, podendo haver também flores
hermafroditas. Os frutos são as bananas, de vários tipos (maçã, da terra, prata, roxa,
nanica, nanicão, d’água) etc., ricas em vitaminas e sais minerais, de alto valor
calórico e energético; por serem de baixo custo comercial, são parte integrante do
cardápio da alimentação da população de baixa renda, podendo ser consumida
in
natura
, na forma de doce, seca (passa), como aguardente (licor), entre outras. As
fibras desta árvore vem tendo atualmente grande utilização na produção artesanal,
com a fabricação de bolsas, chapéus, cordas, cortinas, tapetes etc., e em algumas
regiões serve também de cobertura para moradias.
Assim, a partir deste estudo, pretende-se dar a oportunidade a comunidades
que tradicionalmente utilizam esta fibra de forma artesanal a terem mais uma fonte
de renda com o beneficiamento de um resíduo que seria descartado ou queimado,
transformando-o em algo muito mais rentável e socialmente aplicável.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 DEFINIÇÃO DE MATRIZES POLIMÉRICAS
A matriz nos materiais compósitos, além de dar a forma ao produto final, tem
por finalidade básica atuar como um meio de transferência de carga para os
reforços, através da área de contato entre a fibra e a matriz, e proteger o reforço da
abrasão mútua, danos e meios de degradação (LEÃO, 2008; CORREIA, 1988).
As matrizes se classificam em: orgânicas (poliméricas), metálicas e
cerâmicas. As matrizes poliméricas são as mais utilizadas pela versatilidade de
formulação e baixo custo de processamento, quando comparadas com outras
matrizes (LEÃO, 2008; VINCENZINE, 1995).
Por reações de polimerização entendem-se aquelas em que substâncias
simples (monômeros) reagem entre si, combinando suas moléculas e formando
moléculas maiores, caracterizadas pela repetição de uma unidade básica (“mero”).
Por essa razão, os produtos desse tipo de reação são também conhecidos como
polímeros (LEÃO, 2008; MANO, 1985).
O número de vezes que a unidade básica na molécula do polímero é repetida
representa o grau de polimerização. Normalmente, maiores graus de polimerização
asseguram melhores propriedades físicas do produto e, por isso, o objetivo da
produção de polímeros será o de obter os chamados altos polímeros, para materiais
plásticos em geral. Entretanto, ao contrário do que ocorre com os produtos químicos
comuns, os polímeros se constituem, na verdade, de uma mistura de moléculas com
pesos moleculares variados, estatisticamente distribuídos em torno de um valor
médio. Assim sendo, também o grau de polimerização é um valor médio, que dá
uma indicação do comprimento médio das moléculas presentes na resina (LEÃO,
2008; MANO, 1985).
2.2 CLASSIFICAÇÃO DAS MATRIZES POLIMÉRICAS
Os polímeros podem ter suas cadeias sem ramificações, admitindo
conformação em ziguezague (polímeros lineares) ou podem apresentar ramificações
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cujo grau de complexidade pode ir até o extremo da formação de retículos,
resultando então no que se denomina polímero reticulado, ou polímero com ligações
cruzadas, ou polímero tridimensional. Como consequências imediatas, surgem
propriedades diferentes no produto, especialmente em relação à fusibilidade e
solubilidade (ODIAN, 1991,
apud
LEÃO, 2008).
Os ramos laterais dificultam a aproximação das cadeias poliméricas, portanto
diminuindo as interações moleculares, acarretam prejuízo às propriedades
mecânicas, “plastificando” internamente o polímero (ODIAN, 1991,
apud
LEÃO,
2008).
Os polímeros podem ser agrupados em função do tipo de reação utilizada em
sua obtenção e quanto à técnica de polimerização empregada. Esses fatores afetam
significativamente as características dos polímeros produzidos. Existem quatro
técnicas industriais empregadas na polimerização de um monômero: a polimerização
em massa, em dispersão, em suspensão e em emulsão. Cada uma dessas técnicas
possui condições específicas, originando polímeros com características diferentes
(BOTELHO, 2006,
apud
LEÃO, 2008).
Em função do comportamento mecânico, os polímeros são classificados em
três grupos (MILLER e BRISTON, 1975,
apud
LEÃO, 2008, p. 36):
•
Borrachas ou elastômeros
– possuem longa faixa de elasticidade na
temperatura ambiente, baixo módulo e deformações elevadas;
•
Plásticos (termoplásticos ou termofixos)
– possuem como componente
principal um polímero orgânico sintético, tendo usualmente por base resinas
sintéticas ou polímeros naturais modificados e são passíveis de receber
diferentes formas;
•
Fibras
– são filamentos que possuem elevada razão entre o comprimento e
sua seção transversal, módulo elevado, deformação relativamente pequena.
2.2.1 Matrizes Termoplásticas e Termofixas
As características tecnológicas, que impõem diferentes processos
tecnológicos, são a base da classificação dos polímeros termoplásticos e termofixos
(termorrígidos). Os polímeros lineares ou ramificados, que permitem fusão por
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aquecimento e solidificação por resfriamento, são chamados termoplásticos. Os
polímeros que, por aquecimento ou outra forma de
tra
t
amento, assumem estrutura
tridimensional, reticulada, com ligações cruzadas, tornando-se insolúveis e
infusíveis, são chamados termorrígidos (PROGRAMA EDUCAR, 2003).
Os polímeros termoplásticos, sob efeito de temperatura e pressão, amolecem,
assumindo a forma do molde. Uma nova alteração de temperatura e pressão reinicia
o processo, sendo, portanto, recicláveis. Em nível molecular, à medida que a
temperatura é elevada, as forças de ligação secundárias são diminuídas (devido ao
aumento do movimento molecular), de modo tal que o movimento relativo de cadeias
adjacentes é facilitado quando uma tensão é aplicada. Os termoplásticos são
relativamente moles e dúcteis e compõem-se da maioria dos polímeros lineares e
são aqueles que possuem algumas estruturas ramificadas com cadeias flexíveis
(FIGUEIREDO
et al.,
2006,
apud
LEÃO, 2008).
As matrizes termoplásticas possuem como parâmetros de escolha na
impregnação dos plásticos, a alta tenacidade, o baixo custo de processamento e
temperatura de uso de até 225°C. Os tipos mais comuns são: o polipropileno, a
poliamida (Nylon) e os policarbonatos.
As principais desvantagens do uso das resinas termoplásticas com fase
contínua nos compósitos podem ser caracterizadas pela baixa resistência mecânica
e baixo módulo elástico, limitando a sua aplicação estrutural (sempre com o uso de
fibras curtas).
As principais características que essas resinas podem levar aos seus
compósitos são: alta resistência à abrasão e ao ataque químico, elasticidade e
tenacidade. A temperatura que afeta as propriedades pode variar de 150ºC a 170ºC,
dependendo do tipo de resina. Pode possuir também alta resistência à chama e ao
impacto, baixa resistência ao ataque de solventes orgânicos, tornando-se frágeis e
quebradiços (apresentando microfissuras), como no caso dos policarbonatos.
Os polímeros termofixos ou termorrígidos, sob efeito de temperatura e
pressão, amolecem, assumindo a forma do molde. Nova alteração de temperatura e
pressão não faz efeito algum, tornando-os materiais insolúveis, infusíveis e não-
recicláveis. Durante o tratamento térmico inicial, ligações cruzadas covalentes são
formadas entre cadeias moleculares adjacentes; essas ligações prendem as cadeias
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entre si para resistir aos movimentos vibracionais e rotacionais da cadeia a
temperaturas elevadas, sendo que o rompimento destas ligações só ocorrerá sob
temperatura muito elevadas. Os polímeros termofixos são geralmente mais duros,
fortes e frágeis do que os termoplásticos, e possuem melhor estabilidade
dimensional (FIGUEIREDO
et al.,
2006,
apud
LEÃO, 2008).
As matrizes termofixas podem ser escolhidas para o processo de
impregnação em função dos muitos parâmetros, tais como: são mais baratas, mais
leves e a maioria apresenta certa resistência à exposição ambiental. Os tipos mais
comuns são: a resina epóxi, a resina poliéster insaturada e a resina fenólica.
As principais desvantagens dessas resinas são: apresentam comportamento
quebradiço, impõem limites no uso pela temperatura, apresentam, em geral,
sensibilidade à degradação ambiental devido à umidade e sensibilidade à radiação e
oxigenação no espaço.
A sua temperatura de uso pode variar de 180°C (epóxi) a 300°C (polimida). A
principal característica que essas resinas podem levar aos seus compósitos é sua
resposta ao calor, já que em geral são isotrópicas, não se dissolvendo ao aquecer-
las. No entanto, perdem suas propriedades elásticas à temperatura de distorção
térmica. Algumas, como a resina fenólica, têm excelentes características elétricas,
boa resistência às altas temperaturas, ao fogo, ao choque, à abrasão, ao ataque
químico e a dissolventes orgânicos. Os compósitos a base de resinas poliéster
(insaturado) apresentam ampla versatilidade em suas propriedades físicas e
mecânicas, já que dependem de constituintes e processo de curado, baixo custo e
fácil manuseio e processamento.
2.2.2 Resina Poliéster
A resina poliéster constitui uma família de polímeros de alta massa molar,
resultantes da condensação de ácidos carboxílicos com glicóis, classificando-se
como resinas saturadas ou insaturadas dependendo especificamente dos tipos de
ácidos que irão caracterizar a ligação entre os átomos de carbono da cadeia
molecular (BLASS, 1988,
apud
LEÃO, 2008). O Quadro 1 apresenta os ácidos e
glicóis usados na fabricação de resina poliéster.
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Ácidos Insaturados Ácidos Saturados Glicóis
Maleico Ortoftálico Propileno
Fumárico Isoftálico Etileno
Hexacloro-endo-metileno-
tetra-hidroftálico (HET ácido)
Neopentil (NPG)
Dihidróxido dipropóxido
bisfenol “A”
Maleico na forma de anidrido
maleico
Ortoftálico na forma de
anidrido oftálico
Dibromoneopentil
Quadro 1: Ácidos e glicóis usados na fabricação de resina poliéster
Fonte: HOLLAWAY, 1994, apud NEVES, 2006, p. 3.
As resinas poliésteres são classificadas de acordo com o material utilizado na
sua fabricação (SILAEX, 2006):
Resina Poliéster Ortoftálica – Mais comum e de uso generalizado;
Resina Poliéster Isoftálica – Aplicada em moldes feitos de fibras de vidro, em
tubulações e piscinas;
Resina Poliéster Isoftálica com NPG – Apresenta alta cristalinidade e boa
flexibilidade, além de ser resistente a temperaturas elevadas, água natural e às
manchas;
Resina Poliéster Tereftálica – Possui resistências físicas pouco superiores a
ortoftálica, porém, baixa resistência a UV;
Bisfenólicas – Possui melhores características químicas e térmicas.
2.3 MATERIAIS COMPÓSITOS
2.3.1 Definições de materiais compósitos
Os materiais compósitos são aqueles que possuem dois ou mais constituintes
quimicamente distintos numa escala microscópica, separados por uma interface,
sendo muito importante para a especificação destes constituintes. A matriz é o
constituinte contínuo, mas nem sempre presente em maior quantidade. O segundo
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constituinte, disperso na matriz, é citado como uma fase de carga ou reforço, que
atua aprimorando as propriedades mecânicas da matriz (OLIVEIRA, 2007;
MATHEWS e RAWLINGS, 1994).
Oliveira (2007), Hull (1988) e Aquino (2004) definem materiais compósitos
como sendo derivados da combinação de dois ou mais materiais (componentes)
diferentes quando analisados macroscopicamente ou microscopicamente, cujo
objetivo é a obtenção de propriedades específicas e características desejadas,
definição também compartilhada por Vlack (1988) e vários outros.
Para Al-Qureshi (1983,
apud
OLIVEIRA, 2007), materiais compósitos (ou,
abreviadamente, compósitos) são materiais de moldagem estrutural (também
chamados de materiais de engenharia) feitos de dois ou mais materiais constituintes,
com suas próprias propriedades, e que, juntos, resultam em um material com
propriedades realçadas ou diferentes das dos materiais originais.
Existem duas categorias de materiais constituintes: matriz e reforço, sendo
necessária ao menos uma porção de cada tipo. O material do tipo matriz envolve e
suporta os materiais reforços, mantendo-os em sua posição relativa. Os materiais de
reforços conferem propriedades físicas (elétricas ou mecânicas) especiais ao todo.
Além disso, uma sinergia entre o material matriz e os materiais reforços pode
produzir propriedades não disponíveis nos materiais originais.
Outros autores definem compósitos como a combinação heterogênea de dois
ou mais materiais, ou seja, aqueles que possuem fases distintas, com o objetivo de
se obter propriedades específicas e características desejadas. É certo que tal
definição depende do nível de análise do material, pois todos eles podem ser
considerados heterogêneos se a escala analisada for muito pequena (OLIVEIRA,
2007; HERAKOVICH, 1997). Pensando desse modo, os compósitos não possuem
uma definição criteriosa e, conforme Hull (1987), para um material ser considerado
"compósito", no que diz respeito às aplicações estruturais, deve-se considerar os
três fundamentos citados abaixo:
•
União de dois ou mais materiais fisicamente distintos e separáveis
mecanicamente;
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•
Podem ser produzidos de modo a ser possível controlar a proporção de
cada um dos elementos utilizados para a sua fabricação, objetivando-
se obter propriedades ótimas;
•
As propriedades obtidas no composto são superiores e, possivelmente,
únicas, se comparadas aos componentes em separados.
Os principais componentes dos compósitos poliméricos são basicamente
dois: o componente estrutural, que pode ser de natureza fibrosa ou pulverulenta, e o
componente matricial, que pode ser de natureza termoplástica ou termofixa
(OLIVEIRA, 2007; MANO 1991). Como componentes estruturais de reforço podem
ser utilizados materiais orgânicos ou inorgânicos, sendo os mesmos de grande
importância, pois, além de darem resistência e rigidez ao compósito, podem
melhorar, também, propriedades físicas e químicas. A escolha de um reforço é
bastante complexa, pois existem variações de tipos, formas e tamanhos, entre
outros fatores, podendo ser usado, assim, mais de um tipo de reforço, formando uma
combinação híbrida (OLIVEIRA, 2007; FONSECA, 1998).
Os principais requisitos para escolha de um reforço são: melhoria nas
qualidades desejadas, baixa absorção de umidade, baixo custo, disponibilidade e
compatibilidade com a matriz. Reforços utilizando fibras são os mais utilizados em
compósitos poliméricos: fibras de vidro, boro, carbono, kevlar e fibras vegetais, entre
outras. Em geral, reforços sintéticos se apresentam sob a forma de fios contínuos,
mantas (fios picotados multidirecionais) ou tecidos (fios entrelaçados nas mais
variadas formas e espessuras) (OLIVEIRA, 2007; FONSECA, 1998).
As matrizes mais utilizadas são de polímeros sintéticos. O processamento de
um compósito de matriz polimérica não envolve, necessariamente, altas pressões e
não requer altas temperaturas. Além disso, os problemas associados com a
degradação do reforço durante a manufatura são menos significativos para os
compósitos com matrizes poliméricas do que para os compósitos com outras
matrizes (metálicas, concreto, etc.). Ainda, os equipamentos necessários para se
obter compósitos com matrizes poliméricas são simples de usar. Por estas razões,
os compósitos com matrizes poliméricas se desenvolveram rapidamente e logo se
tornaram aceitos para aplicações estruturais (OLIVEIRA, 2007; MATTHEWS e
RAWLINGS, 1994).
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A qualidade da interface entre a matriz e o reforço é fator fundamental no
desempenho mecânico do compósito. Para que ocorra interação entre componentes
de naturezas químicas diferentes e de quaisquer dimensões ou formas, é essencial
a existência de uma área de contato entre elas. Quanto maior for essa área, maior a
possibilidade de ocorrer entre os dois componentes uma interação de natureza
física, química ou físico-química (OLIVEIRA, 2007; MANO, 1991).
A interface envolve a existência de uma região de transição química e física
ou gradiente na fronteira. Em um compósito reforçado com fibras, por exemplo,
pode-se dizer que existem três fases: a superfícies da fibra, a interface fibra/matriz e
a matriz (YOSOMIYA
et al.,
1989,
apud
OLIVEIRA, 2007).
As características da interface dependem da união na interface, da
configuração, da estrutura ao redor da interface e das propriedades físicas e
químicas dos constituintes. Como resultado, a interface tem uma forte influência na
propriedade mecânica do compósito. Em geral, as ligações na interface são
descritas em termos de forças intermoleculares e energia livre na superfície. Na
prática, os fatores que influenciam na interação interfacial são: umidade, reação
química, adsorção e difusão, camada de tensão residual, morfologia da superfície e
efeito da rugosidade (OLIVEIRA, 2007; YOSOMIYA
et al.,
1989).
Dentre os materiais compósitos de ocorrência natural, podem-se citar os
ossos de animais e as madeiras de árvores. Dentre os materiais criados pelo
homem, pode-se citar o concreto armado, que é um material compósito de cimento
portland e de aço, e a fibra de vidro.
2.3.2 Classificações dos materiais compósitos
Os materiais compósitos são usualmente classificados pela natureza dos
materiais que os compõem e estão divididos em duas grandes categorias: materiais
compósitos naturais e sintéticos, conforme apresentados no Quadro 2. Dentre os
materiais compósitos sintéticos, existe ainda uma subdivisão que os classifica em
microcompósitos e macrocompósitos (OLIVEIRA, 2007; HULL, 1988).
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NATUREZA DOS MATERIAIS EXEMPLOS
Naturais Madeira, osso, músculos
Microcompósitos Plástico reforçado
Materiais
Compósitos
Sintéticos
Macrocompósitos Concreto Armado
Quadro 2: Classificação dos materiais compósitos segundo a natureza dos constituintes
Fonte: Adaptado de HULL, 1988.
Oliveira (2007) e Hull (1988) fazem uma abordagem quanto aos materiais
compósitos microcompósitos, tomando como base o tamanho, forma e distribuição
das duas ou mais fases. Contudo, a exemplo deste material (plásticos reforçados),
pode existir a combinação da alta resistência aliada à grande flexibilidade, na qual
se pode exemplificar a alta resistência da fibra ao ser utilizada numa matriz de baixa
rigidez, na qual as fibras estão alinhadas na direção do carregamento.
Oliveira (2007) e Hull (1988) explicam ainda que, com o conhecimento básico
do comportamento dos materiais de reforço dos compósitos, é possível superar
alguns problemas que influenciam no desenvolvimento destes materiais, tais como:
•
Quebra da fibra quando utilizada em matrizes termoplásticas;
•
Variação das propriedades devido à umidade e variação de
temperatura;
•
Volume ideal de fibras para a fabricação do produto;
•
Projeto do produto para que o mesmo tenha a capacidade de absorver
energia;
•
Desenvolvimento de materiais com resistência à tração e a corrosão;
•
Resistência ao desgaste, entre outras.
Dentro da classe dos materiais microcompósitos poliméricos, os que mais se
destacam com relação ao grande número de aplicações estruturais podem ser
listados conforme o Quadro 3.
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CLASSIFICAÇÃO TIPOS DE MATRIZES
TIPOS DE REFORÇOS
MAIS USADOS
Compósitos de matriz
polimérica
Termoplásticas
Termofixas
Fibras de vidro
Fibras de carbono
Fibras de aramida (Kevlar)
Fibras vegetais
Quadro 3: Classificação dos materiais compósitos quanto à natureza da matriz.
Fonte: adaptado de ANTEQUERA, JIMENES e MIRAVETE, 1991.
Segundo Hull (1988), os mais relevantes parâmetros dos microcompósitos
são quanto ao tamanho, forma e distribuição dos reforços, como mostrado no
Quadro 4.
FORMA TAMANHO DISTRIBUIÇÃO
Fibras imersas em matrizes
Contínua
Curta
Alinhada
Aleatória
Particulados imersos em matrizes
Indefinido Aleatória
Estrutura laminar Indefinido
Ordenada
Aleatória
Multicomponentes (híbridos) - -
Quadro 4: Classificação dos compósitos quanto à forma, tamanho e distribuição das fibras.
Fonte: adaptado de HULL, 1988.
Al-Qureshi (1983,
apud
OLIVEIRA, 2007) classifica os materiais compósitos
com base na estrutura formada pelos materiais componentes, conforme descrição
abaixo:
•
Materiais compósitos fibrosos – são materiais nos quais as fibras
geralmente são recobertas ou encontram-se unidas por uma matriz,
podendo apresentar uma disposição orientada ou aleatória;
•
Materiais compósitos laminados – consistem de uma combinação de
várias camadas de compósitos. Classificam-se em três tipos: lâminas
fortemente aderidas de mesmo material, porém com reforço em uma
ou em várias direções, sanduíche e esqueletos (colmeias);
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•
Materiais compósitos particulados – são caracterizados por partículas
dispersas numa matriz, na qual se podem destacar as seguintes
formas: esféricas, planas, elipsoidais, maciças, ocas, entre outros;
•
Materiais compósitos híbridos – São materiais que apresentam em sua
constituição combinações de vários tipos de reforços, tais como: fibras
e partículas, ou vários tipos de partículas ou fibras.
2.3.3 Aplicabilidade dos compósitos
Segundo a Associação Brasileira de Materiais Compósitos (ABMACO, 2009),
dentre as principais aplicações dos compósitos, podem-se destacar:
Saneamento básico
(tubos e estações de tratamento de água e efluentes):
segmento com expressiva atuação do setor de compósitos e com grande expectativa
de crescimento, uma vez que, até o ano de 2010, a Política Nacional de
Saneamento prevê investimentos da ordem de R$ 34 bilhões.
Transporte
(automotivo, ferroviário, marítimo e aéreo): o Brasil é um dos
maiores fabricantes mundiais de ônibus, microônibus e vans. Este fato, aliado aos
investimentos das montadoras internacionais no país e ao constante crescimento
deste segmento, sinaliza um excelente potencial de desenvolvimento para a
indústria de compósitos. A destacada atuação do Brasil nos setores de transporte
ferroviário e aeronáutico também abre boas perspectivas para as empresas.
Químico e Petroquímico
(plataformas de petróleo): 20% das plataformas de
petróleo da Petrobrás já utilizam produtos fabricados a partir de compósitos,
substituindo, por exemplo, as grades de piso em aço.
Construção Civil
(caixas d'água, tanques, coberturas, perfis, mármore
sintético, banheiras, telhas): o compósito já é amplamente utilizado por este
segmento e possui um grande potencial de crescimento por se tratar de um setor em
franca expansão no Brasil.
Eletroeletrônico
(leitos para cabos, antenas, elementos de isolação, cabines
telefônicas): as concessionárias de telefonia e energia elétrica já estão utilizando
amplamente o compósito em suas obras de manutenção e expansão.
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Lazer
(materiais para parques temáticos e piscinas): As empresas
fornecedoras de matérias-primas e equipamentos disponibilizam cerca de 430 itens
para o setor, como fibras de vidro, resina poliéster, agentes desmoldantes, agentes
tixotrópicos, aceleradores, peróxidos e outros, a maior parte fabricada
nacionalmente.
Nas Tabelas 1 e 2, percebe-se a participação econômica dos compósitos por
segmento e por região brasileira:
Tabela 1: Mercado por participação por segmento
Construção Civil 38%
Transporte 22%
Distribuição 19%
Saneamento e Industrial 9%
Elétrico e telecomunicação 3%
Náutico 3%
Vestuário e assessórios 2%
Outros 3%
Fonte: ABMACO, 2009.
Tabela 2: Participação do mercado por região
Sudeste 58%
Sul 28%
Nordeste 9%
Centro-Oeste 4%
Norte 1%
Fonte: ABMACO, 2009.
2.4 FIBRAS SINTÉTICAS
2.4.1 Fibra de vidro
As fibras de vidro ocupam posição de grande destaque na indústria de
plásticos reforçados, que as consideram como um dos principais agentes de reforço
empregados para obtenção de materiais compósitos. Comercializados para esta
finalidade desde a década de 1940, as fibras de vidro têm permitido o uso crescente
dos plásticos reforçados em aplicações antes reservadas exclusivamente aos metais
e suas ligas. Possuem, também, baixo coeficiente de dilatação térmica e boas
propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso e custo inferior ao de
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algumas fibras, também muito utilizadas nos plásticos reforçados, como as fibras de
carbono. As principais características das fibras de vidro, que a tornam tão
atraentes, proporcionando vantagens significativas são (CARVALHO, 1992,
apud
OLIVEIRA, 2007; AQUINO e OLIVEIRA, 2004;):
•
Excelente aderência fibra-matriz;
•
Boas propriedades dielétricas;
•
Baixo custo;
•
Alto alongamento na ruptura;
•
Facilidade no processamento.
Outras características de destaque são:
•
Alta resistência à tração – comparada com outras fibras têxteis, sua
resistência à tração específica (por densidade volumétrica) é superior a
maioria delas;
•
Resistência ao calor e ao fogo – devido à sua origem inorgânica
(mineral), as fibras de vidro são incombustíveis. Por seu alto ponto de
fusão, estas são indicadas para aplicações em meios com temperatura
elevada;
•
Resistência química elevada – não sofrem praticamente nenhum tipo
de ataque ou degradação por parte dos agentes químicos;
•
Resistência à umidade – as fibras de vidro não absorvem umidade,
portanto não se dilatam ou desintegram, além de manter em sua
máxima resistência mecânicas na presença de umidade;
•
Resistência térmica – estas fibras apresentam um coeficiente de
dilatação linear térmico muito baixo e um baixo coeficiente de
condutividade térmica, a que garante um excelente desempenho em
ambientes com variações térmicas bruscas;
•
Resistência elétrica – por não serem condutoras, as fibras de vidro são
ideais para serem usadas como isolantes elétricos.
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A composição do vidro é um fator determinante nas propriedades das fibras
de vidro. A fibra de vidro mais comercializada é a de vidro-E. Sua composição típica
e suas respectivas propriedades são descritas a seguir.
Vidro-E: representa mais de 90% dos reforços nos materiais compósitos de
uso geral. Possuem baixo teor de álcali e excelentes propriedades elétricas, além de
boas propriedades de resistência, rigidez e desgaste. As fibras de vidro-E são mais
baratas que o aço e mais resistentes à corrosão química. Além disso, são mais
versáteis porque podem substituir o aço, concreto, alumínio, mármore e outros. As
mesmas podem ser aplicadas, ainda, na construção civil, aeronáutica, indústria
automobilística, náutica, eletroeletrônica, indústria química, agricultura, pecuária,
segurança, móveis, saneamento, lazer, arte e artesanato (SEBRAE-MA, 2002,
apud
OLIVEIRA, 2007).
Pode-se produzir com ela desde latrinas, banheiras de hidromassagem,
caixas d’água, protetores de ar condicionado, fossas sépticas, antenas parabólicas,
caixas de correio, portas, janelas e cortinas para a área de construção civil e
decoração, passando por placas de circuito impresso, isoladores elétricos, vara de
pesca, pranchas de surf, caiaques, barcos, piscinas, escorregadores infantis,
carcaças para eletrodomésticos, cadeiras, para-choques automotivos e ainda
equipamentos industriais, como tanques para áreas de alto grau de corrosão. As
fibras de vidro têm ainda muitas características importantes como, por exemplo, ser
isolante elétrico e térmico, resistência ao fogo, alta resistência mecânica e à
oxidação, resistência à umidade, baixo custo e peso mínimo (SEBRAE-MA, 2002,
apud
OLIVEIRA, 2007).
As fibras de vidro, de uma forma geral, se disponibilizam no mercado em
formas de: tecidos, mantas e
rovings
, que podem ser combinadas. Nas formas de
tecido e manta, são fornecidas em bobinas e utilizadas na laminação manual. Na
forma de fibras contínuas (
rovings
) são usadas para laminação à pistola, e outros
processos de fabricação, como enrolamento (
filament widing
), por exemplo.
Tecidos – são constituídos a partir de mechas de fios (
roving
) de títulos iguais
ou diferentes em trama e urdume. Comercialmente são encontradas em dois tipos:
Tecidos unidirecionais
– são aqueles em que o número de fios é
predominantemente mais elevado em um sentido e os fios estão dispostos em
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paralelo e unidos entre si por fios de dimensões muito pequenas, permitindo a
obtenção de elevadas propriedades mecânicas na direção das fibras.
Tecidos bidirecionais
– os fios estão dispostos a 90° uns sobre os outros, na
forma de trama e urdume. As Figuras 1 e 2 ilustram as formas mais comuns da
utilização da fibra de vidro-E nos plásticos reforçados em geral.
Figura 1: Tecido bidirecional de fibras de vidro
Fonte: OLIVEIRA, 2007.
Figura 2: Manta de fibras de vidro.
Fonte: OLIVEIRA, 2007.
As características de seleção de um tecido são as seguintes:
•
Facilidade de manipulação;
•
Regularidade de gramatura e espessura;
•
Continuidade do reforço;
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•
Facilidade de impregnação.
As fibras de vidro podem ser fornecidas em outras formas como: cordas
torcidas, redondas ou quadradas trançadas, gaxetas tubulares, fitas / tecidos. A
Figura 3 mostra as formas têxteis encontradas para as fibras de vidro.
Figura 3: Formas têxteis encontradas para as fibras de vidro
Fonte: ATHENAS ISOLANTES TÉRMICOS, 1998.
2.4.2 Fibra de carbono
Pesquisadores das Universidades do Texas (Estados Unidos) e Trinity
College (Irlanda) anunciaram a construção de uma nova fibra de carbono mais
resistente do que qualquer outra fibra conhecida. Feitas de nano tubos de carbono,
um dos mais promissores materiais no reino da nanotecnologia, as novas fibras de
carbono poderão um dia viabilizar a construção de tecidos que poderão funcionar
tanto como roupas quanto como baterias e sensores. A figura 4 mostra as fibras
(escuras) incorporadas em um tecido comum.
2. Revisão Bibliográfica
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Figura 4: Fibra de carbono
Fonte: INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2003.
A descoberta, publicada no número de 12 de junho de 2003 da revista Nature
e assinada conjuntamente por nove cientistas, poderá criar novos campos de
aplicação, como roupas eletrônicas capazes de armazenar energia, viabilizando os
"computadores de vestir", músculos artificiais para robótica e melhores vestimentas
e coletes à prova de balas (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2003).
O processo de construção das super-fibras começa com os nano tubos de
carbono, tubos até 50.000 vezes mais finos do que um fio de cabelo, cujas paredes
têm espessura de alguns poucos átomos ou mesmo de um único átomo. Os nano
tubos são os fios básicos com que é tecida a nova fibra de carbono. A capacidade
de absorção de energia dessas fibras super resistentes é quatro vezes maior do que
a resistência da seda das teias de aranha e 17 vezes maior do que a resistência do
Kevlar, material hoje utilizado em roupas e coletes à prova de balas. É com base
nesses comparativos que os cientistas afirmam ser este o material mais resistente já
criado. Além disso, as novas fibras de carbono têm o dobro da dureza e da
resistência e 20 vezes a tenacidade do aço.
Conforme o Dr. Ray H. Baughman, um dos autores do artigo:
As extraordinárias propriedades mecânicas e eletrônicas dos nano tubos
de carbono já são conhecidas há algum tempo. Entretanto, a
humanidade não tem tido sucesso ao tentar transformar bilhões dessas
nano fibras invisíveis em artigos úteis que possam explorar essas
propriedades. Nosso método de tecelagem é o primeiro a produzir fibras
de nano tubos de carbono adequadas para uso potencial em uma ampla
variedade de aplicações (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2003).
Fibra de carbono
2. Revisão Bibliográfica
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O Dr. Baughman destaca as aplicações que ele acredita serem viáveis para a
nova fibra de carbono:
•
Tecidos capazes de armazenar energia, da mesma forma que uma bateria,
podendo abastecer uma enorme diversidade de dispositivos eletroeletrônicos
portáteis;
•
Músculos sintéticos capazes de gerar 100 vezes a força de um músculo
natural de mesmo diâmetro;
•
Sensores capazes de monitorar o movimento e a saúde de doentes em salas
de emergência;
•
Fontes de energia para naves espaciais em longas viagens, através da
conversão de energia térmica em energia elétrica;
•
Uma nova geração de coletes à prova de balas e materiais antibalísticos,
mais eficientes do que os atuais;
•
Fibras multifuncionais para microveículos a ar, dispositivos do tamanho de um
inseto que poderão efetuar levantamentos e inspeções de áreas antes de
uma invasão militar.
2.4.3 Aramida
De acordo com a Companhia Brasileira de Cartuchos (CBC, 2009), as fibras
sintéticas de aramida foram desenvolvidas no final da década de 60 e lançadas
comercialmente pela DuPont, anos depois, sob a marca KEVLAR
®
. Por sua alta
resistência, cinco vezes maior que a do aço, a aramida tornou-se um material de
referência na confecção de coletes balísticos. A capacidade de manter sua
estabilidade em temperaturas de até 400°C, além da flexibilidade, elasticidade,
leveza e estabilidade química, em comparação com os materiais disponíveis na
época em que foi lançada, fez com que a aramida tivesse uma imensa aceitação no
mercado.
Com o passar do tempo, novas tecnologias e produtos foram desenvolvidos.
As fibras pioneiras de aramida, de elevada gramatura, foram sendo substituídas por
novas fibras de aramida, de menor gramatura e maior flexibilidade. Essa evolução
levou a indústria a desenvolver novas soluções para a fabricação de coletes
2. Revisão Bibliográfica
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balísticos, por meio da mistura de fibras e de acordo com características peculiares a
cada fibra. Os coletes balísticos confeccionados em aramida têm alta resistência e
absorção de energia. O fato de ser um material não inflamável é mais um diferencial
oferecido pela aramida (CBC, 2009).
Figura 5: Colete balístico
Fonte: COMPANHIA BRASILEIRA DE CARTUCHOS, 2009.
2.5 FIBRAS NATURAIS
As fibras naturais podem ser classificadas em vegetais, animais e minerais.
Todas as fibras vegetais, como algodão, juta e sisal têm celulose em sua
composição, enquanto fibras de origem animal, tais como lã e seda, consistem
basicamente de proteínas.
As vantagens de se utilizar fibras naturais em relação a materiais tradicionais
reforçantes, tais como fibras de vidro, talco e mica, são: baixo custo, alta tenacidade,
boas propriedades mecânicas e térmicas, redução do desgaste de máquina,
facilidade de separação e biodegradabilidade, dentre outras. Já foram relatados na
literatura compósitos reforçados com fibra de madeira com propriedades específicas
similares aos compósitos de polipropileno com fibra de vidro (FINKLER
et al.,
2005,
apud
LEÃO, 2008).
A fibra natural mais utilizada em tecidos é o algodão, composto basicamente
de celulose, contendo somente de 3% a 15% de material não celulósico. As fibras de
algodão representam cerca de 90% das fibras naturais utilizadas no Brasil
(RELATÓRIO MDIC, 2002,
apud
LEÃO, 2008, p. 22).
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2.5.1 Fibras Vegetais
O emprego de fibras vegetais para o reforço de resinas poliméricas não é
novo; contudo, houve preferência pelas fibras de vidro e cargas minerais como
materiais de reforço com alto desempenho, devido às fibras vegetais possuírem
grande volume (baixa densidade aparente), pouca estabilidade térmica e alta
absorção de umidade.
Na última década, porém, o interesse pelas fibras vegetais aumentou
novamente, devido ao fato de estas serem provenientes de fontes renováveis,
biodegradáveis, recicláveis e representarem uma nova fonte de renda para
população rural, além de trazerem economia de energia por meio da redução de
peso dos componentes.
Outras vantagens das fibras vegetais em relação aos reforços convencionais
(como as fibras de vidro), entre outras, são: baixo custo, baixa densidade, algumas
com elevada tenacidade, propriedades aceitáveis de resistência mecânica
específica, desgaste reduzido da ferramenta de corte, irritação respiratória reduzida,
biodegradabilidade, boas propriedades térmicas, baixo conteúdo energético e uso
reduzido de instrumentos para o seu tratamento ou processamento (RANA
et al.
2003
,
apud
LEÃO, 2008; NARAYAN
et al.,
1994,
apud
PAIVA
et al.,
1999).
Segundo Young (1997,
apud
LEÃO, 2008), as fibras vegetais são agrupadas
em cinco tipos, dependendo da parte e do tipo de vegetal do qual foi retirada, e
podem ser classificadas em:
•
Fibras de Gramíneas: retiradas das hastes das plantas monocotiledôneas,
tendo como exemplo os cereais (trigo, aveia, cevada, arroz e outros), além
do junco, bambu e bagaço de cana.
•
Fibras de Folhas: retiradas ao longo do comprimento das folhas, exemplos
típicos incluem a abacá, sisal e henequém.
•
Fibras de Caule: São de maços retirados do interior da casca (caule) de
hastes de plantas, tendo como exemplos, linho, Juta, cânhamo e kenaf.
•
Fibras de Sementes e Frutos: Os exemplos mais comuns são o algodão, a
paina e a esponja de
Luffa cylindrica
.
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•
Fibras de Madeiras: São fibras provenientes do xilema de vegetais
(angiospermas e gimnospermas), tendo como exemplos os eucaliptos,
abetuos, pinus, entre outros.
Cada fibra vegetal é constituída de várias fibras elementares fortemente
ligadas entre si por um material de cementação, constituído principalmente de
lignina. Esta possui uma parede espessa formada por várias microfibrilas que
formam espirais ao longo do eixo da fibra, tendo um lúmen no centro. Cada fibra
elementar é, em essência, um compósito em que as rígidas microfibrilas de celulose
estão envolvidas por uma matriz de lignina e hemicelulose. A lignina atua como o
material de cementação, unindo as microfibrilas e a hemicelulose como interface
entre a microfibrila de celulose e a lignina (IPT, 1988).
As fibras diferem em sua composição e na orientação das fibrilas (ângulo
espiral). Tais características dependem da origem da fibra e são determinantes nas
suas propriedades mecânicas. A Figura 6 mostra a estrutura de uma fibra vegetal.
Figura 6: Estrutura da fibra vegetal
Fonte: Banco de dados da BPMCC – DEM/UFRN, 2007.
Os principais componentes químicos das fibras vegetais são substâncias
polares, tais como a celulose, a hemicelulose (ou polioses) e a lignina, com menores
percentuais de outros componentes como pectina, cera e substâncias solúveis em
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água. A composição química varia ligeiramente de acordo com a região de cultivo,
tipo de solo e condições climáticas.
Em geral, o teor de celulose varia entre 60%-80%, o teor de lignina em torno
de 5%-20%, enquanto que outras misturas em cerca de 20%, exceto para algumas
espécies de algodão, em que o teor de celulose pode chegar a até 95% (LEÃO,
2008).
Os constituintes menores incluem compostos orgânicos de diversas funções
químicas e, em menor quantidade, os compostos inorgânicos. Os constituintes
solúveis em solventes orgânicos, em água, ou ainda em ambos, são normalmente
denominados extrativos. Os principais constituintes variam dentro de uma faixa
relativamente grande e são dependentes do tipo de fibra.
As propriedades de cada constituinte contribuem para as propriedades como
um todo.
Celulose:
A mais abundante substância polimérica natural, perfazendo
aproximadamente a metade das madeiras, tanto coníferas como folhosas. Sua
estrutura é formada por carbono, pontes de hidrogênio e hidroxilas. As forças
intermoleculares das pontes de hidrogênio, presentes nos grupos hidroxilas, fazem
com que a estrutura cristalina se torne inerte em solventes comuns (LEÃO, 2008;
MENDES, 1992,
apud
FONSECA, 1998);
A celulose, principal componente da parede celular da fibra, é um
polissacarídeo linear constituído por um único tipo de unidade de açúcar. É o
componente majoritário, perfazendo aproximadamente a metade das madeiras tanto
coníferas como folhosas. A celulose pode ser caracterizada como um polímero de
alta massa molar, constituído exclusivamente de b-D-glucose, que se liga entre si
através dos carbonos 1 e 4, dando origem a um polímero linear (MORRISON e
BOYD, 1981; IPT, 1988; FENGEL e WEGENER, 1989; FRAZ e BLASCHECK, 1990,
apud
LEÃO, 2008).
As moléculas de celulose tendem a formar ligações de hidrogênio
intramoleculares (entre unidades de glucose da mesma molécula) e intermoleculares
(entre unidades de glucose de moléculas adjacentes). O primeiro tipo de interação é
responsável por certa rigidez das cadeias unitárias, e o segundo, pela formação da
fibra vegetal. Assim, as moléculas de celulose alinham-se formado as microfibrilas,
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as quais formam as fibrilas que, por sua vez, se ordenam para formar as sucessivas
paredes celulares das fibras (SJÖSTRÖM, 1993,
apud
LEÃO, 2008).
A celulose exibe regiões cristalinas (altamente ordenada) e amorfas
(altamente ramificada e desordenada). Materiais gasosos, água e outros líquidos
podem penetrar facilmente nas fibrilas e nas microfibrilas devido aos inúmeros
capilares e pequenos orifícios encontrados nas regiões amorfas da parede celular. O
polímero por si é acessível à água e a agentes químicos através das regiões
amorfas e através da superfície das regiões cristalinas (BALÀZSY e EASTOP, 1999,
apud
LEÃO, 2008).
Hemicelulose:
As hemiceluloses constituem uma mistura de polissacarídeos
de baixa massa molar que variam entre 25.000 a 35.000, os quais estão em estreita
associação com a celulose e a lignina nos tecidos vegetais. O teor e a proporção dos
diferentes componentes nas hemicelulose de madeira e fibras variam grandemente
conforme a espécie de árvore. A maior parte das hemicelulose pode ser extraída por
tratamento com soluções alcalinas e aquosas. Soluções alcalinas de hidróxido de
sódio e potássio são as mais utilizadas para a extração de hemicelulose. A
hemicelulose é o componente responsável pela biodegradação, absorção de
umidade e degradação térmica da fibra (BROWNING, 1963; FENGEL e WEGENER,
1989,
apud
LEÃO, 2008).
Lignina:
A lignina é uma substância macromolecular componente da madeira,
ou seja, um polímero amorfo de composição química complexa que confere firmeza
e rigidez estrutural ao conjunto de fibras de celulose, atuando como um agente
permanente de ligação entre as células. As moléculas de lignina diferem dos
polissacarídeos, por serem constituídas de um sistema aromático composto por
unidades de fenil-propano. Há maior teor de lignina em coníferas do que em
folhosas e existem diferenças estruturais entre a lignina encontrada nas coníferas e
nas folhosas (CHAND
et al.
, 1987,
apud
LEÃO, 2008; IPT, 1988; FENGEL e
WEGENER, 1989).
A maioria das ligninas contém quantidades variáveis de certos ácidos
carboxílicos aromáticos na forma de éster. A constituição da lignina não é a mesma
em todas as plantas, pois não é uma substância química definida, mas sim uma
classe de compostos correlatos. Assim, sua macromolécula não pode ser descrita
como uma combinação simples de algumas unidades monoméricas ligadas por
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alguns tipos de ligações, como no caso das celuloses e hemicelulose (IPT, 1988;
SJÖSTRÖM, 1993,
apud
LEÃO, 2008).
Extrativos vegetais:
Extrativos são compostos orgânicos (terpenóides,
ácidos graxos, flavonóides, esteróides e outros compostos aromáticos) que não
fazem parte da parede celular lignocelulósicas. São chamados de extrativos devido à
sua facilidade de serem extraídos com água, solventes orgânicos neutros, ou
volatilizados a vapor. Na sua maioria, esses materiais podem ser separados da
porção lignocelulósicas por extração com solventes orgânicos e água. Esses
constituintes são frequentemente responsáveis por determinadas características da
planta como: cor, sabor, cheiro e resistência natural ao apodrecimento (LEÃO, 2008,
BROWNING, 1963; BLEDKZI e GASSAN, 1999; LEWIN e GOLDENSTEIN, 1991).
Os extrativos compõem uma extraordinária diversidade de compostos e sua
ocorrência varia de acordo com a espécie vegetal, ocorrendo nas cascas, folhas,
frutos e sementes em quantidades variáveis, porém, quase sempre superiores às
encontradas na fibra. O teor de extrativos nas fibras gira em torno de 3% -10%
(FENGEL e WEGENER, 1989; IPT, 1988; ROWEL
et al.
, 2000; SJÖSTRÖM, 1993
apud
LEÃO, 2008).
2.5.2 Principais fibras de origem vegetal
2.5.2.1 Fibra de coco
As fibras de coco são materiais ligninocelulósicos obtidos do mesocarpo do
coco (
cocus nucifera
), e se caracterizam pela sua dureza e durabilidade atribuída ao
alto teor de lignina, em comparação às outras fibras naturais. Muito utilizadas em
assentos para automóveis, ônibus e caminhões, proporcionam maior conforto que os
assentos convencionais, principalmente térmicos, já que esquenta menos, além de
ser mais leve.
O reaproveitamento das cascas do coco, de onde são retiradas as fibras, é de
suma importância, já que as mesmas são materiais que possuem um tempo de vida
útil bastante reduzido, o que contribui para o aumento do lixo sólido, principalmente
nos grandes centros urbanos. Assim, é importante o desenvolvimento de novas
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tecnologias que visem à diminuição desse lixo. Outra vantagem é a de ser uma fonte
renovável e biodegradável, ao contrário dos produtos utilizados a base de petróleo,
como a espuma de poliuretano (GEETHAMMA
et al.,
1998,
apud
LEÃO, 2008). A
Figura 7 mostra fibras de coco.
Figura 7: Fibras do bagaço de coco seco.
FONTE : Foto do autor, 2008
A desvantagem desta fibra ainda é o maior preço em relação aos produtos
derivados do petróleo.
2.5.2.2 Fibra de juta
A juta é uma planta da família das
Filáceas
e sua fibra é obtida principalmente
das espécies
Corchorus
, cultivadas em grande escala na Índia e Bangladesh. Planta
de clima quente e úmido, necessita de solo fértil e bem drenado para seu
desenvolvimento. No Brasil, o seu plantio se dá na região alagadiça da Amazônia,
onde encontra água em abundância e altas temperaturas.
Apresentando excelentes propriedades ecológicas, pois é biodegradável e
durante seu crescimento controla a erosão, a fibra da juta é considerada longa,
variando de 25 até 300 milímetros, sendo utilizada em sacarias, especialmente para
armazenamento de produtos agrícolas e bolsas esportivas. No Brasil, são
amplamente utilizadas para acondicionamento de batata, café e açúcar,
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principalmente em produtos que serão exportados, sobretudo para países que
adotam criterioso controle ambiental (LEÃO, 2008; OLIVEIRA, 1997).
Figura 8: Tecido de fibra de juta.
Fonte: OLIVEIRA, 2007.
2.5.2.3 Fibra de curauá
O curauá é uma planta da família das Bromeliaceas, gênero
Ananas
e
espécie
Ananas Erectifolius
. Dentre as fibras naturais comumente utilizadas em
compósitos poliméricos, a fibra de curauá vem ganhando destaque por ser originária
e cultivada na Amazônia, região de destaque nas questões de preservação do meio
ambiente, além de apresentar propriedades físicas e mecânicas que superam às das
fibras de sisal e juta, mais conhecidas e utilizadas.
As fibras de curauá são originadas das folhas e podem apresentar
comprimentos variando de 40 cm a 60 cm. Os tipos de fibras de cuaruá mais
conhecidos são as dos tipos roxo e branco. A Figura 9 mostra as fibras já limpas e
“penteadas” e prontas para serem usadas com reforço (AQUINO e SILVA, 2008,
apud
LEÃO, 2008).
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Figura 9: Fibras de Curauá prontas para impregnação em plástico reforçado
Fonte: Banco de dados da BPMCC – DEM/UFRN, 2008.
2.5.2.4 Fibra de sisal
A fibra do sisal é retirada da folha de uma planta originária do México, a
Agave Sisalana Perrine
, sendo atualmente o Brasil o maior produtor do mundo e a
Bahia responsável por 80% da produção nacional. Planta altamente resistente a
clima seco e inóspido, pertence à família das fibras longas, as quais variam de 90
cm a 120 cm. A Figura 10 mostra a fibra do sisal já beneficiada e pronta para
comercialização.
Figura 10: Fibras de Sisal
Fonte: Banco de dados da BPMCC – DEM/UFRN, 2008.
É a fibra vegetal mais dura e resistente que existe. Apesar disso, conforme o
site Mecânica On Line (2009), “uma fibra sintética pode demorar até 150 anos para
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se decompor no solo, enquanto a fibra de sisal, em meses torna-se um fertilizante
natural”. O sisal é muito utilizado para confecção de produtos artesanais tais como
bolsas, chapéus, cintos, cortinas, cordas de vários usos, inclusive navais, barbantes
para vários tipos de embalagens, tapetes, na produção de estofados, adubos
orgânicos, biofertilizantes e sacaria, entre centenas de outros produtos.
A fibra de sisal se destaca entre as fibras foliares em termos de qualidade e
de aplicação comercial, e também por possuir um dos maiores valores de módulo de
elasticidade. Estudos recentes demonstram que o sisal pode ser utilizado como
reforço para polímeros comerciais, tais como o polietileno e a borracha natural
(VARGHESE
et al.,
1994, JOSEPH
et al.,
1995,
apud
LEÃO, 2008).
As fibras de sisal são também empregadas na indústria automobilística em
substituição à fibra de vidro, tendo como uma das vantagens a maior capacidade de
absorção da transpiração humana, o que resulta em maior conforto para os utilitários
de veículos automotivos, principalmente os profissionais que passam longos
períodos sentados. Empresas como a Mercedes Benz da Alemanha utilizam em
seus estofamentos fibras vegetais. Também a utilização do sisal como reforço de
peças plásticas na indústria automobilística tem sido bastante satisfatório.
2.5.2.5 Fibra de rami
O rami é uma planta da família da
Urticaceae,
e sua fibra é oriunda do líber da
Boehmeria Nivea
e da
Boehmeria Tenacissima
. Suas fibras pertencem à família das
fibras longas, variando entre 150 mm a 200 mm, apresentando alta resistência,
sendo esta três vezes superior à do cânhamo, quatro vezes à do linho e oito vezes à
do algodão. A Figura 11 mostra fibras de rami.
2. Revisão Bibliográfica
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Figura 11: Fibra de rami
Fonte: Banco de dados da BPMCC – DEM Fibra
/UFRN, 2008.
A fibra do rami é utilizada na fabricação de tecidos, cordas e barbantes,
gerando também, devido a sua resistência, a celulose para a produção de papel
moeda. É também usada na fabricação de mangueiras, pneus e fios de para-
quedas. Os tecidos feitos de rami são mais ásperos que o linho, porém com a adição
de outras fibras sintéticas este problema é minimizado, tornando-o um substituto do
linho, pelo seu menor custo (OLIVEIRA, 1997). O Brasil é o terceiro maior produtor
mundial, perdendo apenas para a China e as Filipinas, sendo no Paraná a maior
concentração da cultura.
2.5.2.6 Fibra de licuri
O licuri (
Syagrus coronata
) pertence à família das palmáceas (
Cocos
coronata
) e ocorre desde o sul de Pernambuco até o norte de Minas Gerais,
abrangendo toda a área oriental e central da Bahia, ocupando também os estados
de Sergipe e Alagoas (NOBLICK, 1986,
apud
LEÃO, 2008) em regiões de serras e
vales, sendo seus frutos ricos em cálcio, magnésio, cobre e zinco.
O licuri é uma das principais palmeiras da região semiárida do nordeste do
Brasil, de onde é nativo. Segundo Bondar (1938,
apud
LEÃO, 2008, p. 33) poder-se-
ia mesmo precisar que a palmeira licuri é baiana. Suas folhas também são muito
utilizadas para confecção de artesanatos por mulheres e crianças em todo o
semiárido baiano.
2. Revisão Bibliográfica
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Trata-se de uma planta reconhecida na composição da caatinga. Mede de 8
m a 11 m, tendo folhas com mais ou menos 3 m de comprimento, pinadas de pecíolo
longo com bainha invaginante, e seus folíolos, de coloração verde-escura, estão
arranjados em vários planos (LORENZI, 1992,
apud
LEÃO, 2008). O licuri é
essencial na região agreste, pois seus frutos e sementes são comestíveis e formam
a base alimentar de muitas aves silvestres. A ararinha-azul-de-lear, por exemplo, é
uma das espécies mais conhecidas e preciosas que faz uso desse coquinho.
Vivendo no sertão baiano, na região do Raso da Catarina, esse pássaro está
ameaçado de extinção – restam apenas cerca de 500 exemplares selvagens – e a
sua sobrevivência como espécie está intimamente ligada à existência do licuri
(CEMAVE, 2006,
apud
LEÃO, 2008).
As Figuras 12 e 13 mostram a árvore de licuri (
Syagrus coronata
) e seu fruto
inteiro e descascado.
Figura 12: Árvore de Licuri (Syagrus coronata)
Fonte: LEÃO, 2008.
2. Revisão Bibliográfica
50
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(A)
(B)
Figura 13: Licuri (a) inteiro e (b) descascado
Fonte: (A) Foto do Autor, 2008; (B) LEÃO, 2008.
Apesar de conseguir nascer e crescer sobre o cascalho e de precisar de
pouca umidade para sobreviver, ao contrário do que poderia parecer por sua
aparência agreste, ocorre naturalmente em solos de boa fertilidade. Segundo
Lorenzi (1992,
apud
LEÃO, 2008), as terras dos sertões são terras boas, que
produzem uma grande quantidade de sementes viáveis, disseminadas facilmente
por animais silvestres.
A Figura 14 apresenta as fibras do licuri.
Figura 14: Fibras de Licuri (Syagrus coronata)
Fonte: LEÃO, 2008.
Pouca ou nenhuma literatura é encontrada em relação às propriedades de
suas fibras, mas sabe-se experimentalmente de sua grande resistência pela
utilização das mesmas na confecção de redes de pesca.
2. Revisão Bibliográfica
51
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2.5.2.7 Fibra de bananeira
A bananeira, planta muito comum em áreas tropicais e subtropicais, cujo
nome cientifico é
Musa Musácea
, atinge uma altura entre 5 e 7 metros e diâmetro de
até 35 cm. Na mata, serve de alimento para vários tipos de animais silvestres, desde
macacos até aves. Tem seu cultivo basicamente para a retirada dos frutos que, por
serem baratos, saborosos e ricos em vitaminas e sais minerais, fazem parte do
cardápio de quase toda a população brasileira, independente de classe. O restante
da planta é cortado e descartado quase que na sua totalidade como resíduo. Existe
uma infinidade de tipos de bananeiras e todas elas se adaptaram ao tipo de solo e
clima do Brasil, portanto é muito comum o plantio desta árvore em todo o estado da
Bahia.
Na Figura 15 vê-se um esquema geral de uma bananeira com suas diversas
partes constituintes.
Figura 15: Esquema geral de uma bananeira com suas diversas partes constituintes
Fonte: CHAMPION, 1968, apud COELHO, MATA e BRAGA, 2001, p. 23.
As fibras com as quais estamos trabalhando são obtidas do pseudocaule da
bananeira, e possuem características similares às demais fibras (cf. Tabela 3), tendo
se tornado objeto de estudos por diversos pesquisadores nacionais e internacionais,
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objetivando sua aplicabilidade funcional na indústria de transformação mecânica, na
construção civil, no agronegócio, na indústria náutica, entre outras.
Para a extração das fibras, o pseudocaule é cortado e desfiado com o auxílio
de uma escova de aço, no qual é separado o que podemos chamar de parte liquida
(caldo), um emaranhado de fibras que gruda na escova e pode ser aproveitado em
outro trabalho, e as fibras propriamente ditas, que são lavadas em água corrente e
colocadas para secar ao ar livre. Essas fibras, após secas e em boa quantidade, são
fervidas por um período de 30 minutos e colocadas para secar ao ar livre mais uma
vez, para logo depois serem levadas para um tratamento químico a fim de reforçar a
retirada da cera, que é comum a todas as fibras, fator que confere melhor
molhabilidade no momento de confeccionar o compósito – o que afeta a adesão
fibra-matriz.
Na Tabela 3, é possível observar as propriedades mecânicas das fibras
vegetais, comparando-as com a fibra de vidro, dando-se destaque à fibra de banana.
Em seguida, nas Figura 16, vê-se a planta e suas fibras.
Tabela 3: Propriedades mecânicas de fibras vegetais e vidro
Fibras
Densidade
(g/cm
3
)
Resistência
À Tração
(MPa)
Módulo
à Tração
(GPa)
Alongamento
Máximo
(%)
Resistência
à Tração
(MPa)*
Módulo
à Tração
(GPa)*
Fibra de
vidro
2.6 1750 - 2.1 2000 70
Linho - - - - 390 26
Linho batido
1.4 195 22.3 1.2 - -
Linho verde 1.4 337 29 1.3 - -
Cânhamo - - - - 580 13
Cânhamo
batido
1.4 295 16.3 1.1 - -
Cânhamo
verde
1.4 173 7.5 1.9 - -
Sisal 1.3 126 3.8 - 835 37
Coco 1.2 149 - 23.8 - -
Rami 1.4 393 7.3 1.8 900 24
Banana 1.2 74 2.2 3.2 914 32
Fonte: SCHUH e GAYER*, 1997, apud SILVA, 2003.
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Figura 16: Bananeira e suas fibras
Fonte: Fotos do autor, 2009.
Resta afirmar que várias indústrias fornecedoras de peças plásticas para as
montadoras de automóveis, ônibus e caminhões já vêm utilizando fibras vegetais em
suas formulações, dentre os quais se destacam fibras vegetais nas seguintes peças:
revestimentos internos da cabina (teto, parede traseira e portas), apoio de cabeça e
encosto de banco, para-sol externo, painel de instrumentos, bolsa de ferramentas,
encapsulamento de cabina/motor e para-choque (MORASSI, 1994,
apud
LEÃO,
2008).
2.6 MATERIAIS COMPÓSITOS
Esta subseção constará da terceira e última etapa da pesquisa bibliográfica e
se refere a um dos temas específicos nesse trabalho de investigação que é a
utilização dos materiais compósitos poliméricos em suas variadas formas estruturais
e constituições.
2.6.1 Definições, Classificação e Propriedades dos compósitos
O uso de materiais compósitos, ou seja, materiais formados a partir da
combinação de dois ou mais constituintes individuais têm alcançado cada vez mais
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espaço em vários segmentos da indústria. Esta crescente utilização deve-se ao fato
de que os materiais compósitos possibilitam uma boa sinergia na interação entre os
diferentes componentes que o formam, oferecendo melhores características
estruturais para determinadas aplicações que seus constituintes não ofereciam
individualmente. Somem-se a isto os fatores econômicos e ambientais que
dificilmente seriam alcançados com algum outro material não compósito (HAGE
JÚNIOR, 1989).
Os compósitos para aplicações mais sofisticadas só apareceram em larga
escala na primeira metade do século XX, com a chegada da produção comercial de
resinas plásticas. No início, utilizou-se fibra natural como reforço: madeira, tecidos,
serragem, etc. Em 1940 passou-se a utilizar compósitos com matriz polimérica
reforçados por fibras de vidro e isso deu origem à era dos compósitos avançados. O
que se observa é que períodos pós-guerra resultam em incremento do
desenvolvimento tecnológico e foi isso o que aconteceu com a utilização dos
compósitos, que teve o seu avanço depois da Segunda Guerra Mundial, passando a
serem bastante utilizados nas indústrias aeroespacial, aeronáutica, automobilística,
naval e eletroeletrônica (LEÃO, 2008).
Segundo Leão (2008, p. 40),
O principal objetivo da preparação de materiais compósitos é imprimir
novas propriedades aos materiais, principalmente no ponto de vista do
comportamento mecânico, como aumento de resistência mecânica
aliada a diminuição do peso. Um exemplo é o concreto que resiste bem
a compressão, mas tem baixa resistência à tração, entretanto ao formar
um compósito com o aço passa a ter boa resistência à tração. A adoção
e a importância da utilização de materiais combinados reportam-se a
História da humanidade, como fabricação de tijolos no antigo Egito e de
espadas medievais. O novo material obtido deverá possuir uma
estrutura com características homogêneas na análise macroscópica.
Os compósitos são materiais de moldagem estrutural, constituídos por uma
fase contínua conhecida como matriz e que abrange três tipos: cerâmica, polimérica
e metálica; e por uma fase descontínua ou dispersa chamada de reforço, de carga
ou de agregado, dependendo do tamanho ou do formato de suas partículas. Na
natureza também encontramos materiais compósitos, como é o caso da madeira que
é constituída por fibras de celulose (fase descontínua) envolvida por uma matriz
(fase contínua) de lignina. Por ser um material constituído de várias fases, além das
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propriedades de cada constituinte, o compósito apresenta ainda propriedades
intermediárias decorrentes da formação de uma região interfacial.
A adesão de um material a outro está associada ao estabelecimento de
interações que podem ser dos tipos: eletrostáticas, ligações de hidrogênio, ligações
covalentes ou forças de Van der Walls. A natureza destas interações está associada
à afinidade química entre a matriz e a fase dispersa. Geralmente as cargas (fase
dispersa) apresentam natureza hidrofílica enquanto que o polímero (matriz) tem
natureza hidrofóbica (NETO, 2006;
apud
LEÃO, 2008).
Quanto à classificação dos compósitos, a literatura apresenta vários tipos de
acordo com o tipo dos materiais constituintes e dos processos de fabricação. Um
desses tipos de classificação define compósitos em termos da morfologia de seus
agentes de reforço: compósitos particulados, com fibras ou fibroso e laminados.
2.6.1.1 Compósitos Particulados
Trata-se da imersão de partículas de um ou mais materiais em uma matriz de
composição. A Figura 17 mostra um exemplo de compósito particulado:
Figura 17: Compósito particulado
Fonte: LEPC – UFMG, 2007.
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2.6.1.2 Compósitos com Fibras ou Fibroso
São constituídos por uma união de fibras longas ou curtas em meio de uma
matriz atuante, como material de reforço. O arranjo das fibras pode ser unidirecional
ou em várias direções (aleatório). A Figura 18 mostra exemplo de arranjo de fibras
em matriz para compósito fibroso.
Figura 18: Exemplo de arranjo de fibras em matriz para compósito fibroso
Fonte: GUIMARÃES, 2006, p. 23.
2.6.1.3 Compósitos Laminados
Laminação de diferentes camadas, de materiais distintos, combinando suas
características mecânicas. Existem vários exemplos desta classe de material como
laminados bimateriais, ou estruturas “sanduíche”, em que o núcleo mais macio é
coberto com chapas de maior resistência mecânica. Consegue-se atingir uma alta
resistência à flexão nessas estruturas sanduíche, utilizando camadas finas de um
material rígido intercaladas por um núcleo espesso e de pouca resistência. A Figura
19 mostra um exemplo de compósito laminado.
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Figura 19: Compósito laminado
Fonte: LEPC – UFMG, 2007
Os compósitos podem apresentar-se também na forma de lâminas e, nesse
caso, o mesmo é caracterizado por uma única camada (tecido) impregnada pela
matriz. São também denominadas de unidades básicas de um material compósito,
sendo primordial a determinação de suas propriedades mecânicas de resistência e
rigidez na determinação da resposta mecânica para o caso dos laminados.
2.6.2 Compósitos Poliméricos
São materiais de moldagem estrutural constituídos por uma fase contínua
polimérica (plástico) reforçada por uma fase descontínua fibrosa e que se agregam
físico-quimicamente após um processo de polimerização (curado), ou seja, são
também denominados de plásticos reforçados com fibras.
Geralmente, a fase descontínua é formada por fibra de vidro, aramida ou de
carbono, dependendo da aplicação final. A fase polimérica é normalmente
constituída por uma resina termofixa do tipo poliéster insaturada (ortoftálica,
tereftálica, isoftálica ou bisfenólica), dissolvida em solvente reativo como o estireno
ou ainda uma resina éster vinílica ou epóxi.
Na moldagem destas duas fases ocorre um “endurecimento” polimérico
através de um processo de cura, que acopla as duas fases, proporcionando ao
material final, propriedades especiais que definem sua moderna e ampla
aplicabilidade. Propriedades como leveza, flexibilidade, durabilidade, resistência,
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adaptabilidade transformam os compósitos poliméricos nos materiais do futuro
(LEÃO, 2008).
Várias resinas termoplásticas e termofixas vêm sendo utilizadas como
matrizes em compósitos. As resinas termofixas mais utilizadas em compósitos de
alto desempenho são as fenólicas, epóxis, bismaleimidas e poliamidas. Essas
resinas exibem excelente resistência a solventes assim como a altas temperaturas.
Estima-se que mais de três quartos de todas as matrizes de compósitos poliméricos
sejam constituídas por polímeros termofixos (MATTHEWS
et al.,
1994
apud
PAIVA
et al.,
1999).
Nos últimos anos, a procura por materiais ecologicamente corretos tem
desenvolvido materiais de matrizes poliméricas com fibras naturais. Os baixos
custos destas fibras, originárias de fontes renováveis e inesgotáveis, a baixa
densidade, menor abrasão nas máquinas de processamento e a boa adesão à
matriz fazem com que o uso destas fibras em compósitos estruturais cresça no setor
industrial.
2.6.2.1 Características dos Compósitos Poliméricos
Leveza –
Devido ao peso específico das resinas e das fibras de reforço, os
produtos fabricados a partir dos compósitos poliméricos apresentam um baixo peso
específico, o que faz com que sejam amplamente utilizados nas indústrias
aeronáutica, naval e automobilística.
Resistência Química -
Apresentam excepcional inércia química, permitindo
sua utilização em ambientes agressivos quimicamente. Além disso, inúmeros
aditivos especiais e resinas específicas estão à disposição no mercado para
solucionar aplicações que requeiram propriedades além das usuais.
Durabilidade –
Apresentam alta durabilidade em consequência de sua
composição e ao
crosslinking
polimérico formado durante o processo de moldagem.
Resistência Mecânica –
Apresentam excelente resistência mecânica devido
às suas características e a variedade de combinações que podem ser realizadas
entre as resinas e os materiais de reforço.
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Resistência às Intempéries –
Apresentam grande resistência aos efeitos do
vento, da umidade, do sol e das oscilações térmicas. Além disso, quando
características não usuais são requeridas, aditivos como protetores de UV, agentes
anti-dust
, resinas especiais são amplamente utilizáveis.
Facilidade na Manutenção
– Apresentam fáceis e simples técnicas de
reparo e manutenção.
Flexibilidade Arquitetônica
– Os compósitos têm uma grande vantagem
sobre outros materiais estruturais, pois moldes com formas complexas são
facilmente adaptáveis aos processos em utilização.
2.6.2.2 Compósitos Poliméricos Reforçados por Fibras Naturais
Os compósitos reforçados com fibras naturais podem ser uma alternativa,
técnica e economicamente viável, em relação àqueles que usam fibras sintéticas,
como a fibra de vidro. A incorporação de materiais ligninocelulósicos como
componente reforçante em compósitos poliméricos tem recebido atenção crescente
devido aos seus preços e volume de aplicações. Esses materiais apresentam
diversas vantagens sobre materiais inorgânicos, podendo citar baixa densidade e
grande deformabilidade (PACHECO, SANTOS e DIAS, 2003).
O uso de fibras vegetais como reforço em compósitos poliméricos com o
objetivo de substituir total ou parcialmente as fibras sintéticas tem recebido muita
atenção nos últimos anos (AQUINO
et al.,
1997). A utilização de fibras sintéticas
para o reforço de plásticos e borrachas (polímeros) é uma técnica extensivamente
empregada na indústria para a obtenção de materiais com melhor desempenho
mecânico. A substituição de fibras sintéticas por fibras vegetais é uma possibilidade
bastante importante, pelo fato de esta fibra ser de uma fonte renovável,
biodegradável e de baixo custo e por provocar menor impacto ambiental (MATTOSO
et al.,
1996,
apud
LEÃO, 2008).
As principais desvantagens no emprego dessas fibras em compósitos
poliméricos são relacionadas à natureza polar e hidrofílica, bem como à
susceptibilidade destas fibras a ataques de fungos e bactérias. A natureza hidrofílica
das fibras vegetais resulta em pobre umectação e adsorção de grande parte dos
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polímeros em sua superfície, resultando em fraca adesão interfacial polímero-fibra
(MARROQUIM, 1994,
apud
LEÃO, 2008).
As fibras vegetais ou lignocelulósicas possuem menor densidade e provocam
menor desgaste do que as sintéticas nos equipamentos convencionais de
processamento de polímeros (LIGNOCELLULOSICS-PLASTICS COMPOSITES,
1996,
apud
LEÃO, 2008). Além disso, o Brasil é, sem dúvida, um dos países que
possuem a maior biomassa do mundo e a maior extensão territorial cultivável,
potenciais estes que devem ser mais bem explorados.
2.6.3 Influência da interface nas propriedades dos compósitos
A adesão na interface fibra/matriz exerce profunda influência sobre as
propriedades do material compósito. Se a interação ocorre via ligação química (e
não somente via ligações hidrogênio, por exemplo), as interações são as mais
intensas que se pode esperar (MORI
et al.,
2007,
apud
LEÃO, 2008).
As propriedades mecânicas de polipropileno (PP) reforçado com fibras são
fortemente influenciadas pelo tipo e grau de interações interfaciais alcançadas,
dependendo da eficiência do agente de acoplagem e do compatibilizante interfacial
polimérico usado no compósito.
O modelo clássico da micromecânica de reforço em compósitos poliméricos
estipula que a interface polímero/reforço seja composta de uma camada restrita fina
e rígida, de perfeita adesão interfacial ou com altas forças friccionais entre fibra e
matriz, para assegurar uma eficiente transferência de tensão (PLUEDDEMANN,
1991,
apud
LEÃO, 2008).
As características interfaciais dos materiais compósitos dependem dos
aspectos estruturais das vizinhanças e das propriedades físicas e químicas dos
constituintes dos compósitos (RANA
et al.,
1998; GU
et al.,
2000).
O desenvolvimento de uma ligação química ou de uma interação de natureza
física pode fornecer a adesão desejada entre a fibra e a matriz. Quando essa
interação não ocorre com a intensidade necessária, pode-se recorrer ao uso de
modificadores (GAUTHIER
et al.,
1998; RANA
et al.,
1998).
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Quando a ligação matriz-fibra é fraca pode ocorrer uma diminuição da
resistência à oxidação, por se estar facilitando a exposição da fibra, e ainda por se
estimular a oxidação no interior do compósito. Nem sempre uma melhoria na adesão
promove aumento na resistência do compósito, principalmente com relação ao
impacto (PAIVA
et al.,
1999).
2.6.4 Mecanismo de dano
Durante sua utilização um material compósito, pode ser submetido a vários
tipos de tensões, que dão origem a um mecanismo complexo com diversos tipos de
fratura, definidos como “dano”, devido ao prejuízo ocorrido nas propriedades
mecânicas dos mesmos durante o carregamento (REIFSNIDER e TALUG, 1980). O
tipo e a forma de dano podem ser influenciados por diversos fatores, como o tipo e o
sentido da carga aplicada, as propriedades físicas, químicas e mecânicas da fibra e
da matriz, o processo de fabricação, a configuração do material compósito, os
percentuais de fibra, matriz e vazios, a umidade absorvida e a temperatura de
trabalho (MARGARIA e AQUINO, 1997; YANG
et al.,
2000; FELIPE, 1997).
Devido à grande variedade de fatores, é extremamente difícil prever onde e
como um dano poderá se formar e, até mesmo, a sua propagação em um material
compósito. A literatura mostra que, mesmo quando variando apenas um dos fatores
acima mencionados, haverá alterações significativas na formação e propagação do
dano (HAMELIN, 1988; HULL, 1988). Segundo a literatura (HAMELIN, 1988; NAIK e
KUMAR
,
1999; HULL, 1988; MARGARIA e AQUINO, 1997; FELIPE, 1997; YANG
et
al.,
2000), os principais tipos de danos encontrados nos materiais compósitos
laminados são:
Fissuração na matriz – ocorrência de uma ou mais fissuras na matriz do
material compósito (fratura coesiva na matriz), conforme observado na Figura 20.
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Figura 20: Fissuração em matriz polimérica.
Fonte: base de pesquisa em compósitos, 2005.
Ruptura da fibra – ocorrência da ruptura transversal ou longitudinal da
fibra (fratura coesiva na fibra) (Figura 21).
Figura 21: Superfície de fratura de corpos de prova ensaiados em flexão - Ruptura das fibras
de juta.
Fonte: base de pesquisa em compósitos, 2005.
Desaderência fibra matriz – descolamento na interface entre fibra e
matriz (fratura adesiva) (Figura 22).
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Figura 22: Desaderência fibras de vidro/matriz.
Fonte: Base de pesquisa em compósitos, 2006.
Delaminação – Desaderência entre as camadas de um compósito
laminado (Figura 23).
Figura 23: Delaminação entre as camadas de fibras.
Fonte: Base de pesquisa em compósitos, 2006.
Microflambagem – deformação ocasionada nas fibras do laminado
quando submetido a esforços de compressão formando pequenas desaderência na
interface fibra/matriz (Figura 23).
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Figura 24: Microflambagem em fibras
Fonte: OLIVEIRA, 2007.
A fissuração na matriz, a ruptura de fibra e a desaderência fibra matriz são
tipos de danos que podem ocorrer em qualquer material compósito fibroso, porém a
delaminação ocorre em compósitos laminados. Com exceção da microflambagem
(que só ocorre com a aplicação de cargas compressivas), os demais tipos de danos
aqui descritos são encontrados em diversos tipos de carga aplicada (HAMELIN,
1988; YANG
et al.,
2000).
É importante salientar que o aumento do dano no material compósito
prejudica as propriedades mecânicas do laminado de modo que ocorre um
decréscimo das suas constantes elásticas (HAMELIN, 1988; MARGARIA e AQUINO,
1997; FELIPE, 1997; YANG
et al.,
2000).
2.6.5 Métodos e processos de fabricação de um laminado
2.6.5.1 Laminação Manual (Hand Lay Up)
Nesse método, a superfície é devidamente preparada, sendo então utilizado
um molde com cera desmoldante e álcool desmoldante, no qual feltros de fibras
enrolados, mechas trançadas, mantas ou outros tecidos de fibras são colocados.
Impregna-se o molde com resina devidamente preparada, utilizando-se um pincel, e
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para melhorar o processo de impregnação, são usados rolos de alumínio com o
objetivo de eliminar bolhas. O processo continua com a colocação das camadas até
a obtenção da espessura (ou configuração) desejada para a peça. O moldado é
curado sem calor nem pressão (Figura 25).
Figura 25: Hand Lay Up
Fonte: Saint Gobain Vertrotex, 2008
2.6.5.2 Laminação a pistola
Neste método, também chamado
Spray Up
, os fios cortados e a resina são
projetados simultaneamente em um molde preparado e um rolo é passado para
melhorar o processo de impregnação (diminuindo a presença de bolhas), antes que
a resina endureça (Figura 26).
Figura 26: Laminação a Pistola
Fonte: Saint Gobain Vertrotex, 2008
2. Revisão Bibliográfica
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2.6.5.3 Centrifugação
Aqui, as misturas de fibras e resina são introduzidas em um molde rotatório e
curadas "
in situ
" (Figura 27).
Figura 27: Centrifugação
Fonte: Saint Gobain Vertrotex, 2008.
Legenda:
(1) Prepolímero; (5) cabeça misturadora;
(2) Agente de cura para revestimento macio; (6) cobertura elastomérica;
(3) Agente de cura para revestimento duro; (7) cilindro;
(4) suporte da cabeça misturadora; (8) acionador do cilindro.
2.6.5.4 Enrolamento
Ou
Filament Winding
. Neste, a modelagem é feita através de enrolamento das
fibras contínuas (
roving
) sobre molde rotatório. Também podem ser utilizados
mantas ou tecidos intercalados às etapas de enrolamento do
roving
. Este processo é
bastante utilizado na fabricação de peças cilíndricas e tubulações (Figura 28).
2. Revisão Bibliográfica
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Figura 28: Enrolamento
Fonte: Saint Gobain Vertrotex, 2008.
Os processos em molde fechado são caracterizados pela presença de molde
e contramolde, bem como pelo uso de alta tecnologia e produção em média e alta
escala. São eles:
Moldagem por compressão:
Processo utilizando o pré-impregnado (
preg-
preg
- SMC, BMC, HMC, etc.), ou seja, semiprodutos acabados, nos quais as fibras
já se encontram previamente impregnadas pela resina ao serem colocadas no molde
aquecido (Figura 29).
Figura 29: Moldagem por Compressão
Fonte: Saint Gobain Vertrotex, 2008
2. Revisão Bibliográfica
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Injeção:
Processo utilizado para alta produção e na confecção de peças de
formas variadas. A injeção da resina é feita por pressão em um molde fechado
contendo em seu interior um reforço pré-formado. Os processos mais conhecidos
são: RTM (
Resin Transfer Molding
), RIM (
Resin Injection Molding
) e R-RIM
(
Reinforced RIM
) (Figura 30).
Figura 30: Moldagem por Injeção
Fonte: Saint Gobain Vertrotex, 2008.
Pultrusão:
Neste processo, fibras impregnadas com resinas são tracionadas
através de moldes aquecidos, produzindo assim a polimerização da resina. É o
processo utilizado na obtenção de perfis (Figura 31).
Figura 31: Moldagem por Pultrusão
Fonte: Saint Gobain Vertrotex, 2008
4. Resultados e Discussão
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3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 METODOLOGIA APLICADA
Todo o desenvolvimento do projeto foi realizado nos laboratórios do IFBA-
Unidade de Ensino de Simões Filho, na unidade de Salvador e nos laboratórios da
UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, e em laboratórios de
empresas da região.
As lâminas foram retiradas do pseudocaule da planta “
in natura
”, de forma
manual, a aproximadamente quinze centímetro do solo e com um comprimento de
um metro; após isso, o pseudocaule foi seccionado em pedaços de 300 mm, sendo
que o mesmo possui em média 30 cm de diâmetro, e uma bananeira possui em
média de três a cinco metros de altura. As placas foram retiradas com auxílio de um
estilete e desfiadas utilizando-se uma escova de aço em um processo manual;
depois, foram colocadas para secar ao ar livre por um período de aproximadamente
3 a 4 dias e, após secas, foram cortadas com uma tesoura em um tamanho padrão
(30 mm a 120 mm). Utilizou-se uma resina pré-acelerada do tipo AZ-46 padrão,
produzida pela empresa AraAshland, e foram utilizados um molde de granito e cera
desmoldante de carnaúba, tendo o processo sido realizado através de laminação
manual (
Hand Lay Up
).
Foram confeccionadas três placas do compósito com as porcentagens de
fibras especificadas e dez corpos de prova (cinco grandes e cinco pequenos) na
seguinte configuração: 1ª placa com 3% em volume de fibras, 2ª placa com 6% e por
último a 3ª placa com 9%. O diâmetro médio da fibra de bananeira foi obtido de
forma aleatória com 15 (quinze) fibras e nelas foram feitas três medidas com um
micrômetro de resolução 0,01 mm, marca Mitutoyo em uma sala climatizada a
aproximadamente 22ºC. A decisão de serem tomadas três medidas foi em virtude da
não-conformidade das fibras, e vale salientar que as mesmas foram tratadas e secas
ao ar livre. As medidas número 1 e 3 foram feitas nas extremidades e a de número
2, no meio da fibra, conforme Tabela 4 abaixo.
4. Resultados e Discussão
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Tabela 4: Diâmetro das fibras de bananeira secas e sem tratamento (mm)
1ª medida 2ª medida 3ª medida média
1 0,11 0,12 0,11 0,11
2 0,12 0,13 0,11 0,12
3 0,09 0,1 0,08 0,09
4 0,11 0,11 0,1 0,1
5 0,13 0,15 0,17 0,15
6 0,16 0,14 0,13 0,14
7 0,04 0,05 0,05 0,04
8 0,09 0,1 0,1 0,09
9 0,17 0,14 0,11 0,14
10 0,09 0,09 0,08 0,08
11 0,13 0,12 0,11 0,12
12 0,1 0,09 0,09 0,09
13 0,05 0,04 0,04 0,04
14 0,09 0,07 0,08 0,08
15 0,08 0,09 0,08 0,08
Figura 32: Medição do diâmetro da fibra
Fonte: Foto do Autor, 2009.
4. Resultados e Discussão
71
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
3.1.1FÓRMULAS UTILIZADAS
S
F
=
σ
σ = tensão (MPa)
F = força (N/mm²)
S= área transversal (mm)
ε
Τ
=E
E= modulo de elasticidade na tração (GPa)
Ɛ = deformação (mm)
T = tensão (MPa)
v
h
w
l
.
.
.
4
.
..3
3
Ρ
=Ε
E = modulo de elasticidade na flexão (GPa)
P= carga ( N)
l = comprimento útil do corpo de prova (mm)
w = largura do corpo de prova (mm)
h = altura do corpo de prova (mm)
v = flecha (mm)
4. Resultados e Discussão
72
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
3.1.2 Teor de Cera
Conforme os estudos de Leão (2008), as ceras formam uma camada de
proteção nas fibras que confere um caráter oleofílico e hidrofóbico nas superfícies.
São constituídas de diferentes tipos de alcoóis, os quais são insolúveis em água fria
e em diversos ácidos (palmítico, oleaginosos, esteárico), porém podem ser extraídos
com solventes orgânicos e água quente.
O processo de limpeza da cera das fibras da bananeira se deu no laboratório
de química do IFBA – Campus de Salvador – e consistiu em imergir 160 g de fibras
em uma solução de Hexano por um período de 90 minutos, compreendendo a
lavagem e secagem em uma capela com exaustor, e depois lavagem e fervura por
um período de 30 minutos para auxiliar a retirada da cera das fibras. As Figuras 33 a
35 mostram o processo de retirada da cera da fibra de bananeira durante esta
pesquisa.
Figura 33: Preparação das fibras para limpeza de cera (1)
Fonte: Foto do Autor, 2009.
4. Resultados e Discussão
73
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 34: Preparação das fibras para limpeza de cera (2)
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Figura 35: Fibras sendo lavadas
Fonte: Foto do Autor, 2009.
3.1.3.1 Hexano
Neste ponto, faz-se necessário esclarecer o que vem a ser o Hexano. Trata-
se de um hidrocarboneto alcano com a fórmula química CH3(CH2)4CH3. O prefixo
"hex" refere-se aos seus seis átomos de carbono, ao passo que a terminação "ano"
4. Resultados e Discussão
74
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
indica que os seus carbonos estão conectados por ligações simples. Os isômeros de
hexano são altamente irreativos, e são frequentemente usados como solvente inerte
em reações orgânicas. São também componentes comuns da gasolina.
Dentre os perigos físicos e químicos, tem-se que o hexano é um liquido
inflamável e nocivo, com efeitos adversos potenciais à saúde humana, como
alteração do comportamento, por exemplo.
Os principais sintomas de contaminação, em casos de exposição prolongada,
são dor de cabeça, náuseas, tonteiras, perturbações visuais e auditivas, além de
excitação (COMPANHIA AMBIENTAL DO ESTADO DE SÃO PAULO, 2001;
OXFORD UNIVERSITY, 2005).
3.1.4 Preparação das placas para a fabricação dos corpos de prova
Primeiramente, foram pesadas em uma balança eletrônica, Quimis – 200
(Figura 36), as quantidades de cada placa a ser confeccionada respectivamente
para 3%, 6%, 9%; em seguida, as fibras foram colocadas no molde de mármore,
sendo então efetuada uma umidificação com água destilada com spray para
melhorar a moldagem e, depois, colocando-se em uma prensa hidráulica com uma
placa de madeira para dar uma melhor compressibilidade, formando uma manta.
Esta operação durou aproximadamente uma semana para cada placa, entre a
moldagem e secagem.
Após a retirada, as placas foram colocadas em um molde de granito com
dimensões de 400 mm x 250 mm x 7 mm, devidamente preparado para a
impregnação pelo método de fabricação
Hand Lay Up
com a resina poliéster
ortoftálica do tipo Arazen – 4.1 PA (fornecida pela Bahia Química S.A.), que foi
catalisada com 10% do volume total da resina, ou seja, 10 ml para cada 100 ml de
resina utilizada, levando um tempo de aproximadamente 40 minutos pra gelificar
(atingir o ponto de gel) e mais duas horas para atingir a cura total.
Em seguida, a placa foi colocada em uma estufa artesanal para efetuar a pós-
cura por mais quatro horas. Percebeu-se que a impregnabilidade ou a facilidade de
molhação (molhabilidade) da fibra com a resina é difícil e a absorção é grande por
4. Resultados e Discussão
75
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
parte das fibras, sendo necessária uma grande atenção para não haver fibras
descobertas, mascarando assim os resultados obtidos.
Figura 36: Balança analítica de precisão – Lab. IFBA - Simões Filho
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Depois de desmoldadas, as placas foram levadas para serem cortadas na
Acriplanos, empresa localizadas em Salvador, em uma fresadora do tipo Router T –
30 (Figura 37).
Figura 37: Fresadora tipo Router T- 30
Fonte : http://www.ibiubi.com.br
4. Resultados e Discussão
76
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_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Foi utilizada uma freza de 3 mm para efetuar os cortes de acordo com as
especificações da
American Society for Testing and Materials
(ASTM, 1990), ou
seja:
Tração uniaxial – 203 mm x 25 mm x 6 mm
Flexão em três pontos – 125 mm x 10 mm x 6 mm
Todos os corpos de prova ficaram com um sobrematerial de
aproximadamente 1 mm para posterior lixamento e polimento. Para isso, preparou-
se uma bancada metalográfica, na qual foi feito o lixamento dos corpos de prova de
maneira manual com as lixas d’água de números 220, 320, 400, 600, e 1200, por um
período de aproximadamente 60 minutos entre lixamento e polimento (tempo esse
baseado na analogia com a preparação de cp para metalurgia), a fim de se atingir as
dimensões desejadas (Figuras 38 e 39).
Figura 38: Lixamento
Fonte: Foto do Autor.
Figura 39: Polimento
Fonte: Foto do Autor.
4. Resultados e Discussão
77
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
3.1.5 Testes
Foram realizados testes de tração uniaxial para definir o módulo de
elasticidade e módulo de ruptura, absorção de umidade e flexão em três pontos,
para definir a tensão de ruptura e a resistência última, e a caracterização térmica, no
intuito de melhor especificar a aplicabilidade deste compósito de forma comercial.
3.1.6 Ensaio de absorção de umidade
Para o ensaio de absorção de umidade foram confeccionados trinta corpos de
prova, sendo cinco grandes e cinco pequenos para cada percentagem de fibra. Foi
feita uma microscopia óptica nos CPs, (laboratório da Gerdau) para identificar
possíveis defeitos de fabricação como bolhas e vazios etc. (Figuras 40 a 42).
Figura 40: Microscopia Ótica CP3%
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Bolhas
Fibra
Resina
4. Resultados e Discussão
78
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 41: Microscopia Ótica CP6%
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Figura 42: Microscopia Ótica CP9%
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Os corpos de prova foram pesados e colocados em um recipiente plástico
contendo água destilada, sendo este devidamente tampado, para a observação da
absorção de umidade por parte do compósito em decorrência do tempo de imersão
até a sua saturação, de acordo com a norma ASTM D 570-95 (ASTM, 1995). Todo
esse processo é lento, levando aproximadamente 120 dias, e o acompanhamento se
deu a princípio com a pesagem de duas em duas horas, sendo aumentado este
tempo gradativamente. Para realizar as pesagens, cada um dos corpos de prova foi
retirado com o auxílio de uma pinça metálica, evitando-se assim o contato com as
mãos e, consequentemente, não transferindo massa para os mesmos pela
Resina
Fibra
Fibra
Resina
4. Resultados e Discussão
79
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
oleosidade da pele; após isso, foram secados com papel absorvente e pesados em
uma balança de cinco dígitos da marca Quimis – Q 500L210C, com capacidade
máxima de 210g, a qual foi devidamente tarada, sendo os dados lançados em uma
tabela para posterior plotagem. Até então, a absorção ainda não tinha sido total,
porém, aos oitenta dias de imersão, pôde ser vista uma tendência a saturação. Este
ensaio foi totalmente realizado no laboratório de microscopia do IFBA – SF.
Gráfico 1: Aumento de Peso X Dias (1)
Gráfico 2: Aumento de Peso X Dias (2)
4. Resultados e Discussão
80
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Gráfico 3: Aumento de Volume X Dias (1)
Gráfico 4: Aumento de Volume X Dias (2)
3.1.7 Ensaio de tração uniaxial
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de ensaios
mecânicos SHIMADZU, modelo AG-1, com capacidade máxima de 250 KN, na qual
se utilizou uma placa de aquisição de dados para obtenção dos valores de
deslocamento e carga aplicada no material. Cuidados especiais foram tomados
antes da realização dos ensaios, como, por exemplo, ajustes prévios dos CPs nas
4. Resultados e Discussão
81
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
"garras" da máquina, de forma a amenizar problemas de "arrastes" no início do
carregamento; desta forma, consegue-se um melhor controle sobre os dados
relacionados ao deslocamento. Com isso, foi possível se obter o limite de
resistência, o módulo de elasticidade longitudinal (na direção de aplicação da carga)
e
a deformação de ruptura dos compósitos. Por último, efetuou-se o cálculo de um
valor médio para cada parâmetro estudado. As dimensões dos corpos de prova
seguiram a norma ASTM D3039 (1990). O valor da velocidade de deslocamento dos
ensaios foi de 1 mm/min., e os ensaios foram feitos à temperatura de 22ºC, com
uma umidade relativa do ar de 56%.
Figura 43: Máquina de Tração SHIMADZU – AG1
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Figura 44: Corpo de Prova Tracionado
Fonte: Foto do Autor, 2009.
4. Resultados e Discussão
82
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
3.1.8 Ensaio de termogravimetria
Este é um ensaio que permite medir a perda de massa de uma determinada
substância ou material em função do aquecimento controlado e do tempo,
caracterizando assim o comportamento térmico dos materiais. A metodologia básica
da termogravimetria consiste em uma balança eletrônica de precisão acoplada a um
forno que tenha o aumento controlado da temperatura de forma linear com o tempo.
Nesta pesquisa, a amostra foi analisada em um analisador termogravimétrico, TGA-
51 H, marca SHIMADZU (Figuras 45 e 46), em uma atmosfera de ar normal, pois
reflete o ambiente em que o compósito será utilizado, um cadinho de platina, com
um gradiente de temperatura de 28°C a 500°C, a uma taxa de aquecimento de 10°C
por minuto. A amostra em forma de raspa foi colocada em um cadinho devidamente
tarado acoplado a uma plataforma; dentro dele foram colocados 5 mg de cada
amostra por vez, para serem determinadas as temperaturas de degradação para
cada concentração do compósito. O cadinho foi então envolvido pelo forno elétrico,
de maneira tal que a amostra pudesse ter sua temperatura monitorada em função da
variação da potência do forno.
Os resultados são apresentados em forma de curvas termogravimétricas
(TG), em que a variação do peso é constatada em relação ao aumento controlado
da temperatura ou do tempo. Assim sendo, qualquer mudança na massa que venha
a ocorrer em temperaturas próximas logo será identificada. Alguns fatores que
podem afetar o resultado de um ensaio termogravimétrico são: efeitos instrumentais
(velocidade do forno, atmosfera, forma e material do cadinho), características da
amostra (peso, granulometria, umidade, forma de preparação), entre outros.
Parâmetros :
a. Detector – TGA – 51 H
b. Celula – Platinum
c. Atmosfera – Ar
d. Taxa – 50.00ml/min.
e. Taxa temperatura – 10ºC/min.
f. Faixa de ensaio – 0º ate 500ºC
g. Peso – 5,0mg
4. Resultados e Discussão
83
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 45: Analisador Termogravimétrico
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Figura 46: Analisador Termogravimétrico
Fonte: Foto do Autor, 2009.
3.1.9 Ensaio de flexão em três pontos
O objetivo do ensaio de flexão em três pontos é determinar a resistência
última, rigidez (módulo de elasticidade) e deflexão máxima à flexão dos CPS e CPU.
Para este ensaio, foi utilizada uma máquina de ensaios mecânicos marca
SHIMADZU, modelo AG-1, equipada com dispositivo para ensaio de flexão em três
pontos, com célula de carga de 50 KN e uma velocidade de carregamento de 2,0
mm/min. (Figuras 47 e 48).
4. Resultados e Discussão
84
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_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
A resistência última à flexão foi definida como sendo a tensão originada da
carga responsável pela fratura do corpo de prova. A mesma é medida na superfície
inferior (na qual atuam as tensões de tração) do corpo de prova. Todos os ensaios
foram realizados à temperatura de 25ºC e uma umidade relativa do ar de 56%.
Os valores da resistência última à flexão, da rigidez e da deformação máxima
foram determinados através das equações normalizadas.
As tensões de flexão e o módulo elástico à flexão dos laminados foram
determinados utilizando a norma ASTM D790 (1990).
Figura 47: Corpo de prova no início do carregamento
Fonte: Foto do Autor, 2009.
Figura 48: Corpo de prova tensionado
Fonte: Foto do Autor, 2009.
4. Resultados e Discussão
85
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A expectativa maior deste projeto é possibilitar o desenvolvimento ou a
criação de subsídios para que alguma empresa (seja privada ou governamental)
desenvolva um compósito de baixo custo, que possa ser utilizado tanto na
construção civil como no agronegócio e também na indústria metal mecânico.
Busca-se reduzir-se, assim, o gasto com outros componentes que não são
biodegradáveis, vindo a contribuir desta maneira para um mundo mais limpo e
ambientalmente equilibrado.
São apresentados, a seguir, os resultados obtidos nos ensaios realizados
com o compósito estudado e suas pertinentes discussões.
4.1. Ensaios de microscopia eletrônica de varredura (MEV) para as três
concentrações de fibras escolhidas.
Figura 49: Microscopia eletrônica de varredura (1)
Fonte: Laboratório CTGás.
Figura 50: Microscopia Eletrônica de varredura (2)
Fonte: Laboratório CTGás.
Fissuração na matriz
Cabeça
de Fibras
Arranque
de Fibras
Resina
Arranque
de Fibras
Bolha
s
Cabeça
de Fibras
4. Resultados e Discussão
86
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 51: Microscopia Eletrônica de varredura (3)
Fonte:Laboratório CTGás
É possível perceber para as três imagens apresentadas uma fissuração na
matriz, com o arranque de fibras. Além disso, pode-se visualizar com nitidez que a
fibra partiu-se sem desaderir da matriz.
Entre várias fibras limpas, podem-se perceber bolhas provenientes da
laminação manual, o que caracteriza defeitos do processo utilizado para a fabricação
do compósito. Torna-se, portanto, necessário uma otimização do processo de
fabricação das amostras do compósito.
Aqui, configura-se que a aderência fibra-matriz foi muito boa, caracterizando a
fratura sem que, em alguns casos, haja a desaderência entre as mesmas.
4.2 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA MEV - 9% DE
FIBRAS - TRAÇÃO UNIAXIAL
Figura 52: Microscopia Eletrônica de varredura CP 9% (1)
Fonte: Laboratório CTGás.
Fibras
Resina
Aderida à
Fibra
Fibra
Impregnada
Fibra
Limpa
Resina
Cabeça
de Fibras
4. Resultados e Discussão
87
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_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 53: Microscopia Eletrônica de varredura CP 9% (2)
Fonte: Laboratório CTGás.
Figura 54: Microscopia Eletrônica de varredura CP 9%
Fonte: Laboratório CTGás.
4.3 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA – MEV –
FIBRAS 3% - TRAÇÃO UNIAXIAL
Figura 55: Microscopia Eletrônica de varredura CP 3%
Fonte: Laboratório CTGás.
Cabeça
de Fibras
Fissura
na Matriz
Bolha
A
rranque
de Fibras
Fissuração na
matriz
Arranque
de Fibras
Resina
Fibra
impregnada
de resina
Resina
4. Resultados e Discussão
88
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 56: Microscopia Eletrônica de varredura CP 3% (1)
Fonte: Laboratório CTGás.
Figura 57: Microscopia Eletrônica de varredura CP 3% (2)
Fonte: Laboratório CTGás.
4.4 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA MEV – FIBRAS
6%
Figura 58: Microscopia Eletrônica de varredura CP 6% (1)
Fonte: Laboratório CTGás.
Arranque
de Fibras
Resina
Resina
Fibras
Fibra
Partida
4. Resultados e Discussão
89
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 59: Microscopia Eletrônica de varredura CP 6% (2)
Fonte: Laboratório CTGás.
Figura 60: Microscopia Eletrônica de varredura CP 6% (3)
Fonte: Laboratório CTGás.
4.5. Resultados dos ensaios de flexão em três pontos
As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados dos ensaios de flexão em três
pontos para as três concentrações de fibra estudadas, secas e úmidas saturadas e
os gráficos das Figuras 61 e 62 o comportamento assumido pela deflexão e módulo
de elasticidade.
Fratura
coesiva
na matriz
Fibra preenchida
com resina
Resina
Lúmen
4. Resultados e Discussão
90
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Tabela 5: Propriedades mecânicas do compósito seco
PROPRIEDADES 3% 6% 9%
Tensão de flexão
(MPa)
36,8 44,0 31,8
Módulo de
elasticidade (GPa)
2,5 2,3 2,1
0 ,0 0 ,5 1 ,0 1,5 2,0 2 ,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0
20
40
60
80
100
120
Força(N)
D eslo ca m e n to (m m )
C P -S-3 %
C P -S-6 %
C P -S-9 %
Figura .61 Comportamento médio assumido pelos valores de deflexão.
Tabela 6: Propriedades mecânicas do compósito úmido saturado
PROPRIEDADES 3% 6% 9%
Tensão de flexão
(MPa)
31,0 34,4 29,0
Módulo de
elasticidade (GPa)
2,0 2,0 0,14
0,0 0 ,5 1,0 1,5 2,0 2 ,5 3 ,0 3,5 4,0 4 ,5 5,0 5,5 6,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Força (N)
D e sloca m e nto (m m )
C P -U -3%
C P -U -6%
C P -U -9%
Figura 62: CP Seco: Força X Deflexão
4. Resultados e Discussão
91
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
A Tabela 7 e 8 apresentam os resultados dos ensaios de tração uniaxial para
as três concentrações de fibras estudadas, secas e úmidas saturadas e os gráficos
das Figuras 63 e 64 mostram o comportamento assumido pela resistência última e
módulo de elasticidade.
Tabela 7: Propriedades mecânicas do compósito seco
PROPRIEDADES 3% 6% 9%
Resistência Última
(MPa)
9,2 8,4 9,3
Módulo de
elasticidade(GPa)
1,0 1,5 1,2
0 , 0 0 ,2 0,4 0 ,6 0 ,8 1 ,0 1 , 2
0
2
4
6
8
1 0
0 , 0 0 ,2 0,4 0 ,6 0 ,8 1 ,0 1 , 2
0
2
4
6
8
1 0
Tensao (MPa)
D e fo r m a ç a o (% )
C P .U .3 %
C P .U .6 %
C P .U .9 %
Figura 63: Deformação X Tensão (Valores Médios)
Tabela 8: Propriedades mecânica do compósito úmido saturado
PROPRIEDADES 3% 6% 9%
Resistência Última
(MPa)
9,8 9,8 11,2
Módulo de
elasticidade(GPa)
0,7 0,7 0,8
4. Resultados e Discussão
92
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0
2
4
6
8
10
12
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0
2
4
6
8
10
12
Tensao (MPa)
Deformaçao (%)
CP.S.3%
CP.S.6%
CP.S.9%
Figura 64: Deformação X Tensão (Valores Médios)
4.5 GRÁFICOS DE RESULTADOS DA ABSORÇÃO DE UMIDADE
Os gráficos das Figuras 65,66 e 67 apresentam o comportamento assumido pela
massa das amostras, pequenas e grandes, no teste de absorção de umidade para
oitenta dias.
4. Resultados e Discussão
93
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Incremento de Peso (%)
D ia s
C P 3 .P
C P 6 .P
C P 9 .P
Figura 65: Dias X Incremento de Peso (%)
0 10 20 30 40 5 0 60
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30 40 5 0 60
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Incremento de Peso (%)
D ia s
C P3.G
C P6.G
C P9.G
Figura 66: Dias X Incremento de massa(%)
4. Resultados e Discussão
94
_________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
0 20 40 60 80
30,5
30,6
30,7
30,8
30,9
31,0
31,1
31,2
31,3
31,4
0 20 40 60 80
30,5
30,6
30,7
30,8
30,9
31,0
31,1
31,2
31,3
31,4
VOLUME (mm
3
)
DIAS
CP3.G
CP6.G
CP9.G
Figura 67: Dias X Volume
Percebe-se que este compósito pode ter uma boa aceitação, pois apresenta
rápida saturação indicando que o material pode ser utilizado em locais de alta
umidade, como reservatórios, calhas etc. Observou-se, também, que não ocorreram
grandes deformações volumétricas e de massa.
Após os 80 (oitenta) dias de realização dos ensaios, com os CPs retirados
da água,efetuou-se medições e constatou-se que não ocorreram alterações
significativas,o que demonstra que pode ser aplicação onde se exija um controle
dimensional mais rígido.
4.6 GRÁFICOS TERMOGRAVIMÉTRICOS
Os gráficos das Figuras 68,69 e 90 apresentam o comportamento assumido
pelas amostras nos ensaios termogravimétricos para as três concentrações de fibras
estudadas.
4. Resultados e Discussão
95
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 68: Termogravimétrico CP 3%
Figura 69: Termogravimétrico CP 9%
4. Resultados e Discussão
96
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
Figura 70: Termogravimétrico CP 6%
Observou-se que o compósito começou a perder massa a partir de 90°C para as
concentrações de 3% e 6%,enquanto para a concentração de 9% esta temperatura
elevou-se para 120°C.
A partir deste ponto aconteceu um decréscimo lento porém continuo da massa
até a perda de aproximadamente 85% do total a uma temperatura média de 380°C.
Isso demonstrou que este material pode trabalhar numa faixa de temperatura de
85°C sem comprometer a segurança e propriedades.
5. Conclusões
97
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
5 CONCLUSÕES
Apresentam-se, a seguir as conclusões oriundas da análise dos resultados
encontrados nesta pesquisa.
•
A fibra da bananeira possui uma microestrutura semelhante às demais
fibras vegetais;
•
Em sua composição microestrutural, pode-se dar destaque ao alto
percentual das microfibrilas de celulose, conduzindo a bons resultados
nas propriedades mecânicas;
•
A fibra apresenta baixo teor de cera, o que facilita o processo de
impregnação na obtenção dos compósitos poliméricos;
•
Os percentuais de fibras escolhidos foram determinantes nos resultados
dos ensaios;
•
O módulo de tração da fibra é relativamente baixo, porém possui um
alongamento superior às demais fibras que hoje são utilizadas.
•
A resistência à tração também possui um valor superior a outras fibras;
•
A grande quantidade de fibras nas paredes das cavidades (buracos) na
matriz após o ensaio de tração leva a uma boa aderência entre a fibra e
matriz;
•
O compósito possui boa estabilidade térmica, o que possibilita sua
aplicação em temperaturas até 100°C;
•
A fibra possui bom alongamento;
5. Conclusões
98
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
•
Não foram registradas grandes alterações nos resultados dos ensaios de
tração e flexão entre os CPs seco e úmido;
•
Devido à boa impregnação da fibra, ocorreu uma saturação à umidade
com um baixo tempo de imersão;
•
O processo de fabricação (
Hand Lay Up
) influiu diretamente nos
resultados, o que foi comprovado pela característica da fratura mecânica
no compósito, ou seja, fratura frágil;
•
De forma geral, o uso de fibra de bananeira é viável, bastando uma
melhoria no processo de obtenção das fibras (mecanização do
procedimento) e um maior cuidado na fabricação das peças;
•
Caso haja um melhoramento no método de obtenção de fibras
(mecanização), ocorrerá a agregação de maior valor ao produto final;
•
Este compósito pode ser um diferencial na vida de comunidades carentes
e pequenos produtores de banana, pois, devido ao seu baixo custo de
fabricação, possui um grande potencial de ser implementado por
cooperativas de trabalhadores rurais.
•
O compósito com concentração de 9% de fibra teve um desempenho
superior aos demais,embora todos tenha obtidos resultados satisfatórios
6. Sugestões para trabalhos futuros
99
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
•
Ampliação dos estudos no compósito reforçado com fibras de bananeira,
através de ensaios mais detalhados (comportamento em água salgada,
resistência a degradação a raios ultravioleta)etc.
•
Desenvolvimento de novas configurações de compósitos, utilizando outras
fibras (como o sisal), vindo a constituir-se, com isso, uma composição híbrida.
•
Desenvolvimento de novos compósitos com a utilização de outros tipos de
resinas, principalmente a epóxi(melhor resistência a umidade).
•
Estudo mais detalhado da influência de parâmetros ambientais adversos,
como a absorção excessiva de umidade, incidência de raios UV e
temperatura nas propriedades dos compósitos reforçados com fibras de
bananeira.
•
Aplicar o compósito em trabalhos de pesquisa de outros campi e
universidades ( parábola de fogão solar,suporte para aquecedores solar de
piscina,palhetas de ventiladores) etc.
Apêndices
100
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Rui Carlos de Sousa Mota – Fevereiro / 2010
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