FB como reforço em compósitos de Engenharia

As inovações na engenharia de superfície/interface são consideradas, por muitos autores, como promissoras no mercado de materiais compósitos. Seguindo ainda uma notória tendência de sustentabilidade, as empresas e indústrias investem intensamente em pesquisas de novas matérias-primas provenientes de fontes naturais e, principalmente, fontes

renováveis. A FB apresenta grande potencial de pesquisa, com um propósito de utilização como reforço em MP destinada às aplicações de engenharia.

A presença de grupos polares nos componentes, características das fibras lignocelulósicas, principalmente de hidroxilas, resulta em uma interação interfacial fraca com a MP, quando estas são apolares. Esse fator tem limitado o desenvolvimento da área de compósitos reforçados com FVs, pois em condições de grande umidade ocorre a delaminação do material, devido às fracas interações na interface fibra/matriz [54].

A adesão fibra/matriz nesses materiais compósitos pode ocorrer por: encaixe mecânico das cadeias da MP em rugosidades existentes na superfície da fibra, atração eletrostática, forças de van der Waals ou formação de ligações químicas mais fortes [55].

O grau de polimerização da celulose sofre algumas alterações de acordo com o tipo de FV, o que pode influir em suas propriedades mecânicas [28]. Diferentemente das fibras convencionais utilizadas para o reforço de MP, como fibras de vidro e de carbono, que podem ser produzidas com um intervalo específico de propriedades, as fibras lignocelulósica variam consideravelmente suas propriedades mecânicas, pois dependem de diferentes fatores como: proporção dos três componentes (celulose, hemicelulose e lignina), do diâmetro da fibra, orientação molecular (proporção de regiões cristalinas e não cristalinas), vazios em sua morfologia (porosidade, rugosidade e imperfeições), as quais são dependentes das condições climáticas, do plantio e do tempo que leva para produzir a fibra [56], [57].

Uma forte ligação na interface fibra/matriz é importante para uma eficiente transferência da carga aplicada sobre a matriz para as fibras, o que acarreta em um aumento da resistência do material compósito. As fibras, responsáveis por suportarem a maior parte da carga aplicada, são mais resistentes que a matriz. A força de adesão existente em uma interface é dada pelo trabalho termodinâmico de adesão que está relacionado à energia de superfície da fibra e da matriz [58], e sob a aplicação de uma tensão, a ligação fibra-matriz cessa nas extremidades da fibra [59]. A adesão das FVs com a MP pode ser melhorada através de diferentes tratamentos químicos ou físicos da superfície das fibras que causam mudanças na morfologia superficial e aumento do número de grupos reacionais que poderão reagir com a matriz [60]. O aumento da acessibilidade de grupos hidroxilas na superfície da fibra de bananeira pode gerar maior número de ligações covalentes entre a fibra e a matriz, aumentando, portanto, a adesão interfacial que resulta no incremento na resistência à tração dos compósitos com fibras tratadas [61].

cercania da matriz as mantém na localização e direção desejada, agindo como um transportador médio de carga e protegendo as fibras de danos externos [62].

As propriedades mecânicas do reforço fibroso em compósitos poliméricos dependem, principalmente, de três fatores: módulo de resistência da fibra, estrutura química da MP e ligação efetiva entre matriz e reforço na transferência de forças através da interface. Portanto, as propriedades de materiais compósitos fibrosos também serão fortemente dependentes de parâmetros como o diâmetro, comprimento, fração volumétrica, orientação e modo de dispersão da fibra [63].

Um dos fatores que governa as propriedades dos compósitos é o modo de dispersão das fibras no mesmo. A mistura de fibra polar e higroscópica com uma matriz não polar e hidrofóbica pode resultar em dificuldade de dispersão da fibra na matriz. Agrupamentos e aglomerações de fibras impossibilitam a produção de compósitos com boas propriedades [64]. A eficiência de um compósito também depende da transferência de forças entre matriz e a fibra. Isto pode ser maximizado intensificando-se a interação e adesão entre as duas fases e também pela maximização do comprimento da fibra no compósito. O uso de filamentos longos pode resultar em uma melhor distribuição. Entretanto, fibras longas algumas vezes causam o aumento na quantidade de agrupamentos, que resultam em áreas com alta concentração de fibras e área com excesso de matriz, o que reduz a eficiência do compósito [65].

A descontinuidade da fibra natural, quando usada como reforço, exerce uma forte influência na resistência à tensão e resistência nos compósitos. Fatores como comprimento e orientação das fibras são determinantes na melhoria das propriedades dos mesmos. Um exemplo é a resistência à tração de compósitos com fibras descontínuas que é menor quando comparada aos compósitos com fibras contínuas [66].

Um dos maiores desafios de se trabalhar com as FBs é a definição do método apropriado de extração, seja ela por processos químicos ou mecânicos. Os métodos químicos apresentam boa processabilidade e aceleram o processo de extração, porém geram uma quantidade significativa de resíduos tóxicos e provocam alterações na estrutura das fibras.

Já os processos mecânicos apresentam algumas vantagens peculiares como melhor desempenho e rendimento, redução de custos com agentes químicos e fácil operação, contribuindo também para a preservação do meio ambiente. Estes processos mecânicos também geram resíduos orgânicos, que ainda podem servir como fonte de pesquisa para desenvolvimento de novos materiais, energia (biomassa) ou para adubação.

A extração das FBs em grande escala ainda é incipiente, sobretudo é muito promissora no sentido de alavancar o setor de cultivo de bananeiras, o qual é de extrema relevância para os estados produtores de banana, como Minas Gerais.

De acordo com a Figura 15, a fratura de compósitos reforçados com fibras curtas ocorre por etapas.

Figura 15 – Mecanismo de fratura em compósitos reforçados com fibras curtas.

Fonte: Adaptado de [67].

A Figura 16 retrata como as propriedades mecânicas de um compósito são afetadas por determinados fatores.

Figura 16 – Fatores de influência nas propriedades mecânicas dos compósitos.