Enquadramento da tese

A utilização de matrizes termoplásticas na produção de compósitos tem aumentado nos últimos anos, devido às vantagens que estas apresentam em relação às matrizes termoendurecíveis, que vão de encontro às preocupações ecológicas globais. A melhor tenacidade e resistência ao impacto, a maior liberdade de projeto, a possibilidade de ciclos de produção mais rápidos, subsequentes aplicações de maior volume e a sua reciclabilidade, são alguns dos fatores impulsionadores do interesse por parte de vários sectores da indústria, nomeadamente a aeroespacial, automóvel, marítima, equipamentos de desporto e eólica [1]. Contudo, o facto dos termoplásticos tradicionais apresentarem uma elevada viscosidade no estado fundido limita as técnicas de fabrico disponíveis para o processamento de compósitos reforçados com fibras contínuas. De facto, a sua elevada viscosidade dificulta a impregnação das fibras de reforço e requer a utilização de temperaturas e pressões de processamento elevadas originando, muitas das vezes, produtos com porosidades elevadas e, consequentemente, com propriedades mecânicas deficientes. Contudo, atualmente, uma das práticas industriais usada para facilitar a impregnação consiste em proporcionar um contacto mais próximo entre o polímero e as fibras de reforço previamente à etapa final de moldação,

Compósitos de matriz termoplástica de baixa viscosidade reforçados com fibras naturais de origem vegetal

Introdução ou por outras palavras, reduzir a distância de escoamento requerida à matriz polimérica. Deste modo são produzidos produtos intermédios (e.g. semi-impregnados e pré-impregnados) que, depois de submetidos ao processo de moldação final, dão origem ao componente pretendido. Outra técnica recente, em fase de desenvolvimento e otimização, é o processamento reativo. Esta assenta na utilização de precursores poliméricos de baixa viscosidade (monómeros ou oligómeros) que, após mistura com um sistema ativador, impregnam as fibras de reforço e polimerizam in-situ, sem formação de sub-produtos de reacção, para formar a matriz pretendida. Devido ao seu baixo peso molecular, os precursores (também designados por termoplásticos reativos) possuem viscosidades no estado fundido extremamente baixas (na ordem dos mPa.s), permitindo a impregnação rápida e adequada do reforço a pressões e temperaturas de processamento significativamente mais baixas que as dos termoplásticos tradicionais. Além de esta ser uma alternativa menos dispendiosa, permite o fabrico de componentes com melhores propriedades mecânicas, de maior dimensão, espessura e complexidade, em relação às técnicas de processamento que envolvem a fusão dos polímeros [2]. Adicionalmente, e devido ao facto da maioria dos precursores termoplásticos possuírem uma viscosidade no estado fundido igual ou inferior à das resinas termoendurecíveis, é possível incorporar um teor de fibras equivalente ou superior no compósito, possibilitando o fabrico de componentes com propriedades mecânicas equiparáveis ou superiores aos de matriz termoendurecível [3]. Neste sentido, a investigação referente ao processamento reativo de compósitos termoplásticos reforçados com fibras longas tem estado focada essencialmente na utilização de precursores de termoplásticos de engenharia, nomeadamente os precursores da poliamida 6 (ε-caprolactama), da poliamida 12 (ω-laurolactama) e do polibutileno tereftalato (butileno tereftalato cíclico-CBT) [4, 5, 6].

A utilização de fibras de origem vegetal aumenta ainda mais o leque de vantagens dos compósitos de matriz termoplástica. A sua natureza renovável, o baixo custo, a densidade inferior, a melhor rigidez específica e o menor impacto ambiental (por serem biodegradáveis e recicláveis) são algumas das suas vantagens quando comparadas com as fibras de vidro. As imposições em termos ambientais e o melhor compromisso entre as suas propriedades de rigidez, resistência e peso, têm contribuído para a substituição das tradicionais fibras de vidro por fibras vegetais em alguns dos componentes em material compósito, utilizados na indústria automóvel. As fibras extraídas do caule das plantas, como por exemplo, a juta, o rami, o cânhamo e o linho, são consideradas como as mais promissoras em virtude das suas boas propriedades mecânicas [7, 8]. Contudo, existe ainda bastante trabalho a ser realizado

de modo a permitir a obtenção de compósitos que possuam propriedades mecânicas, térmicas e de durabilidade superiores aos compósitos reforçados com fibras de vidro e garantir a reprodutibilidade das suas propriedades.

A seleção do binómio matriz termoplástica-reforço de origem vegetal deve ter em consideração a resistência térmica relativamente baixa deste tipo de fibras bem como o processo de fabrico que se pretende utilizar. As técnicas usuais de processamento de compósitos termoplásticos não permitem a combinação de termoplásticos de engenharia de elevado desempenho, que possuem temperaturas de fusão usualmente superiores a 220 °C, com reforços de origem vegetal, devido à baixa resistência térmica das fibras. De facto, a componente celulósica das fibras degrada-se rápida e irreversivelmente a temperaturas na ordem dos 200 °C, com a consequente emissão de compostos voláteis, perda de cor e redução das propriedades mecânicas do compósito [9, 10]. Por este motivo, o desenvolvimento e otimização destes compósitos amigos do ambiente está atualmente direcionada para a utilização de termoplásticos de baixo ponto de fusão (tais como polietileno, polipropileno, policloreto de vinilo, entre outros) em combinação com fibras curtas [11]. As técnicas de processamento mais utilizadas na produção destes materiais têm sido a moldação por injeção, a moldação por compressão e a extrusão [11]. Contudo, as propriedades mecânicas medianas desta classe de termoplásticos conjuntamente com a limitação de reforço com fibras curtas fazem com que os compósitos produzidos apresentem propriedades muito modestas e quase isotrópicas. Assim, tem sido realizada alguma investigação no sentido de desenvolver técnicas que possibilitem a utilização de termoplásticos de engenharia, tendo como objetivo a obtenção de compósitos com propriedades melhoradas. Um dos primeiros estudos remonta à década de 80 do século passado e reporta a combinação de fibras de celulose com as poliamidas 6 (PA-6) e 12 (PA-12) [12]. Neste trabalho os compósitos produzidos com base na PA-6 apresentaram uma descoloração acentuada e uma elevada degradação térmica por pirólise das fibras. Apesar de a técnica ter sido relativamente bem- sucedida com a PA-12 (temperatura de fusão inferior à PA-6 e compreendida entre 176 °C e 180 °C), a visão global em relação à utilização de fibras de reforço de origem vegetal em combinação com termoplásticos de elevado ponto de fusão foi desfavorável (opinião que persistiu durante mais de 15 anos). Num passado mais recente a degradação térmica das fibras de reforço foi significativamente reduzida pela utilização de fibras celulósicas de elevado grau de pureza e pelo desenvolvimento de uma técnica que permite o processamento dos materiais a temperaturas relativamente mais baixas [9, 13, 14]. A técnica consiste na

Compósitos de matriz termoplástica de baixa viscosidade reforçados com fibras naturais de origem vegetal

Introdução mistura prévia das fibras com o polímero fundido (PA-6, PA-12 e polibutileno tereftalato (PBT)) em extrusoras de duplo fuso com parafusos corrotativos, seguida de arrefecimento, de peletização da mistura solidificada e, finalmente, de injeção para obtenção da forma pretendida. Contudo, e como é óbvio, o método desenvolvido está limitado à produção de compósitos reforçados com fibras curtas. O processamento reativo de termoplásticos possibilita, como anteriormente mencionado, que certos termoplásticos de engenharia e de elevado desempenho possam ser processados com fibras de reforço contínuas para a produção de compósitos estruturais. Adicionalmente, e uma vez que os percursores termoplásticos possuem temperaturas de fusão significativamente inferiores à dos polímeros que produzem, a possibilidade de estender a sua aplicação à produção de compósitos reforçados com fibras de origem vegetal não deve ser descurada.