Caracterização das fibras de reforço

Neste subcapítulo são apresentadas as propriedades físicas e mecânicas das fibras utilizadas.

De acordo com as investigações anteriores, não foram calculadas a resistência à tração das fibras. Portanto, um dos pontos essenciais deste subcapítulo é tentar encontrar esses valores para as fibras. Assim sendo, no laboratório de Engenharia Têxtil realizaram-se ensaios, essencialmente às fibras vegetais (banana e sisal), pois são as fibras que apresentam maior dispersão e as que necessitam de melhor caracterização de resultados. A realização deste ensaio necessita de uma fibra com um comprimento mínimo e como as fibras têxteis são uma espécie de granulado e as fibras acrílicas já foram cedidas por um fornecedor cortadas com um comprimento de 6mm não foi possível a realização do ensaio.

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3.2.1. Descrição das fibras

Para este ponto da dissertação pretende-se a obtenção dos seguintes parâmetros relacionados com as fibras: aspeto, comprimento e diâmetro.

Em relação às fibras têxteis, a sua caracterização foi feita em trabalhos anteriores, nomeadamente no Projeto SipdECO, Relatório 1 (2009).

A determinação do diâmetro das fibras foi obtida com recurso a um microscópico ótico (Figura 4 e Figura 5).

Figura 4 – Fibras têxteis de pneu (escala 20x3.3) (Cunha, 2010)

Figura 5 – Fibras têxteis de pneu (escala 2x1,67) (Cunha, 2010)

Para caracterizar as fibras têxteis, foram realizados ensaios de microscopia para determinação dimensional e identificação dos seus constituintes recorrendo a ensaios FTIR. Os ensaios foram realizados nas instalações do Laboratório de Polímeros na Universidade do Minho utilizando equipamento próprio para o efeito (Projeto SipdECO, Relatório 1, 2009).

A análise dimensional foi realizada através da determinação do comprimento das fibras e do seu diâmetro e para tal, foi usado um microscópico ótico com registo fotográfico (Cunha, 2010).

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Verificou-se uma grande dispersão no comprimento de fibras (Figura 4 e Figura 5), sendo o valor mínimo encontrado de 108,20µm e o valor máximo de 12469,13µm. O valor medio foi de 2109,42µm com um desvio padrão de 1993,23µm. Em relação ao seu diâmetro este é também variável tendo sido o valor mínimo encontrado de 7,19μm e o valor máximo de 34.14μm com uma média de 20,69μm (Cunha, 2010).

Para as fibras acrílicas, como dito anteriormente, foram fornecidas pelo fabricante já cortadas com dimensão de 6mm, sendo o diâmetro médio encontrado através de várias medições de 20 amostras diferentes (Figura 6).

Figura 6 – Aspeto da fibra acrílica: ampliação de 400X

Em relação às fibras de origem vegetal: banana e sisal achou-se conveniente fazer duas ou três medições por cada filamento, sendo verificadas 20 filamentos para cada tipo de fibra, obtendo-se um diâmetro médio representativo (Figuras 7 e 8). O comprimento das fibras foi obtido manualmente e tem a dimensão de 10mm. Na tabela 7 estão apresentados os resultados obtidos.

26 Luciana Silva Figura 8 – Aspeto da fibra de sisal: ampliação de 400X

Tabela 7 – Valores médios do diâmetro das fibras de banana e de sisal

Fibra de Banana Fibra de Sisal

Diâmetro médio (µm) 325,89 269,40

Desvio Padrão 62,81 63,37

Coeficiente de Variação (%) 19,27% 23,52%

Em relação às fibras de vidro e de basalto, foram retirados os valores da dissertação de Vila-Chã (2012), dado que foram usadas os mesmos tipos de fibras e os valores adotados são os valores pesquisados nas tabelas técnicas do fabricante (Tabela 8).

Tabela 8 – Características físicas das fibras de vidro e basalto (Vila-Chã, 2012)

Tipo de fibra

Diâmetro médio das fibras (μm)

Basalto 10

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Na tabela 9 apresentam-se os resultados para o comprimento e diâmetros médios das fibras.

Tabela 9 – Tabela resumo com comprimento e diâmetro médio das fibras

Tipo de fibras Comprimento médio (mm) Diâmetro médio (μm) Têxtil 2,1 20,7 Acrílica 6,0 22,4 Banana 10,0 325,9 Sisal 10,0 269,4 Vidro 10,0 13,0 Basalto 10,0 10,0

Na Figura 9 apresenta-se o aspeto das fibras: as fibras minerais de vidro e basalto são comercializadas enroladas em bobinas, já as fibras de caracter natural de banana e sisal apresentam um aspeto bastante diferente. As fibras acrílicas apresentam-se como foram fornecidas, assim como as fibras têxteis.

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3.2.2. Caracterização da resistência à tração

Como referido anteriormente, para a determinação da resistência à tração das fibras utilizadas, recorreu-se ao Laboratório de Engenharia Têxtil da Universidade do Minho.

Para a resistência à tração das fibras é necessário a medição do TEX correspondente, que representa a relação entre o peso da fibra por quilómetro de fio. Este processo inicia-se com seleção de várias amostras de cada tipo de fibra. A equação utilizada para o cálculo do TEX é a equação (1):

Onde:

P – peso da amostra de fibra em gramas;

C – comprimento da amostra da fibra em quilómetros.

Para as fibras de banana e sisal foram utilizadas 20 amostras para cada tipo de fibras.

Como dito anteriormente, não foi possível medir o TEX para as fibras têxteis, nem a força máxima de rotura e consequentemente a tensão de rotura e a tenacidade. Relativamente às fibras acrílicas, o valor do TEX foi fornecido pelo fornecedor e tem valor de 0,25 TEX, mas não foi possível calcular a força de rotura devido ao comprimento insuficiente das fibras e, consequentemente, a tensão de rotura e a tenacidade.

Para as fibras de basalto e vidro, assim como na descrição das fibras, foram usados os valores da dissertação de Vila-Chã (2012), dado que foram usados os mesmos tipos de fibras.

Após a medição do TEX, procede-se ao ensaio de tração das fibras para obtenção da força máxima de rotura e, consequentemente, a tenacidade e a tensão de rotura.

A tensão de rotura é obtida através da divisão da força máxima de rotura pela área de secção das fibras. Salienta-se o facto de que a tensão de rotura é meramente representativa, dado que a probabilidade da fibras em ter uma secção completamente circular é muito reduzida.

Os ensaios de resistência à tração em fibras foram realizados segundo a norma ISO 5079 com as seguintes condições de ensaio: velocidade de 50 mm/min, com um comprimento entre maxilas de 50 mm, sendo que foram realizados 50 ensaios. O equipamento utilizado foi um dinamómetro Hounsfield H 10 KS, tal como se observa na Figura 10 (Carvalho, 2012).

Luciana Silva 29 Figura 10 - Dinamómetro Hounsfield H 10H-S

Este tipo de ensaio permite determinar a tenacidade das fibras, que é uma propriedade física dos materiais e define-se como a energia que um material absorve antes de atingir a rotura, e daí o conceito estar associado à resistência dos materiais. Sabe-se que quanto maior a tenacidade de um material maior a energia dissipada até à rotura, sendo calculada de acordo com a equação (2):

á Onde:

fmáx– Força máxima resistente (N) obtida no ensaio de tração

Outro parâmetro que dá noção da ductilidade, tal como a tenacidade, dos diferentes tipos de fibras é o alongamento máximo traduzido pela extensão máxima possível da fibra até que ocorra a rotura, dá uma noção da ductilidade da fibra.

Na tabela 10 apresenta-se o resumo dos resultados obtidos dos ensaios realizados para as fibras de sisal e banana.

30 Luciana Silva Tabela 10 – Características mecânicas das fibras de sisal e de banana

Tipo de Fibras Sisal Banana

Comprimento médio (cm) 45,11 36,98 Desvio Padrão 3,85 6,2 Coeficiente variação 8,54% 16.77% Peso médio (g) 0,01768 0,01146 Desvio Padrão 0,00291 0,0047 Coeficiente variação 16,46% 41,01% TEX Médio 39,67 29,98 Desvio Padrão 8,19 8,5 Coeficiente variação 20,64% 28,34% Força de rotura (N) 13,76 3,55 Desvio Padrão 4,81 1,49 Coeficiente variação 34,94% 41,84%

Resistência à tração (MPa) 275,16 41,49

Desvio Padrão 116,37 13,48 Coeficiente variação 42,29% 32,49% Tenacidade (N/TEX) 0,35 0,11 Desvio Padrão 0,1 0,05 Coeficiente variação 26,68% 41,58% Alongamento máximo (%) 5,84 3,91 Desvio Padrão 2,38 1,34 Coeficiente variação 41% 34,35%

Na tabela 11 apresentam-se as características mecânicas das fibras de vidro e de basalto.

Tabela 11 – Características mecânicas das fibras de vidro e de basalto

Tipo de Fibras Vidro Basalto

TEX 600 600

Força de rotura (N) 0,37 0,40 Resistência à tração (MPa) 2787,57 5092,96

Tenacidade (N/TEX) 0,61 0,66

Luciana Silva 31 Tabela 12 – Resumo das propriedades mais importantes das fibras

Tipo de Fibras Sisal Banana Acrílica Vidro Basalto Têxtil

Diâmetro médio (μm) 269,4 325,89 22,41 13 10 20,69

Comprimento médio (mm) 10 10 6 10 10 2,11

TEX Médio 39,67 29,98 0,25 600 600 -

Força de rotura (N) 13,76 3,55 - 0,37 0,40 -

Resistência à tração (MPa) 275,16 41,49 - 2787,57 5092,96 -

Tenacidade (N/TEX) 0,35 0,11 - 0,61 0,66 -

Alongamento máximo (%) 5,84 3,91 - - - -

Como resumo deste subcapítulo, verifica-se que as fibras de carácter mineral têm características mecânicas bastante superiores às de origem vegetal, quando se compara os valores da tenacidade, prevendo-se que aquelas talvez tenham um desempenho superior quando inseridas no material compósito.