Propriedades mecânicas de juntas adesivas e substratos de papel

As propriedades mecânicas foram avaliadas em ensaios mecânicos de tração conduzidos em três tipos de juntas adesivas: de face unida seca (face), de face unida úmida (face úmida) e de topo. Tiras de papel de filtro e sulfite foram utilizadas como controle. Foram testadas também tiras de papel de filtro impregnadas com solução de celulose. As curvas apresentadas nas Figuras 15a e 15b apresentam os resultados próximos à média gaussiana de um conjunto de 10 corpos de prova de cada tipo de amostra preparados em papel de filtro e sulfite. Nos diagramas, pode ser observado um extenso regime de deformação plástica e as curvas terminam com uma diminuição abrupta de tensão, indicando o rompimento do corpo de prova.

Os resultados obtidos com as amostras de papel de filtro na Figura 15a mostram que a tensão máxima obtida em todas as juntas adesivas é de aproximadamente 12 MPa, sendo o mesmo valor obtido para uma tira de papel de filtro íntegra, sem junta adesiva. O valor de tensão máxima é muito próximo em todos os grupos, pois o rompimento das amostras nunca ocorre na região, evidenciando que as juntas são mais resistentes à tração que o substrato. As tiras de papel de filtro impregnadas por solução de celulose apresentaram tensão máxima média de 18 MPa, sendo mecanicamente mais resistentes que o controle. Além disso, o alongamento máximo é de cerca de 15%, três vezes o valor obtido para tiras de papel de filtro inalteradas (5%). A área abaixo das curvas é proporcional o trabalho de dissipado até a ruptura, sendo evidente que o trabalho dissipado nas amostras de papel impregnado é muito superior ao do substrato, mostrando que a tenacidade do papel é muito aumentada depois de impregnado com o adesivo.

Além de papel de filtro, a resistência à tração também foi avaliada em substrato de papel sulfite, para os mesmos tipos de juntas adesivas (Figura 15a). Tiras secas de papel sulfite unidas por juntas de face apresentam tensão máxima próxima a 60 MPa, como o próprio substrato. As curvas são aproximadamente similares ao papel inalterado devido ao rompimento dos corpos de prova não ocorrer na região da junta, evidenciando que as juntas adesivas são mais resistentes mecanicamente que o substrato. No entanto, corpos de prova unidos por juntas de topo sofrem rompimento na interface adesivo-substrato e a tensão máxima média obtida para esta geometria é 25 MPa menor que a do controle. A falha na interface

ocorre devido à geometria da junta, que confere uma pequena área de contato entre as duas tiras de papel, proporcionando menor resistência mecânica.

Para avaliar a adesão de amostras úmidas, juntas de face preparadas em papel de filtro e sulfite foram submetidas a ensaio mecânico úmidas (Figura 15b). Pode ser observado que a resistência mecânica das amostras úmidas é muito inferior comparado às amostras secas. Estudos anteriores exploraram o efeito da umidade nas propriedades mecânicas de papéis, verificando que o aumento da umidade provoca o aumento da plasticidade do papel.100 A diminuição da resistência mecânica em papéis úmidos tem sido comumente explicada como um efeito decorrente da competição de moléculas de água pelos sítios de ligações de hidrogênio nos pontos de contato entre as superfícies das fibras, diminuindo as interações entre estas.58 No entanto, a adesão entre fibras de celulose foi estudada recentemente por Hirn e colaboradores utilizando AFM em diferentes condições de umidade e concluindo que as interações por ligações de hidrogênio são pouco relevantes para a adesão entre fibras. De acordo com os trabalhos recentes, a adesão entre fibras é promovida por deformações plásticas que ocorrem durante a secagem das fibras intumescidas, cuja superfície é um hidrogel. Dessa forma, o intumescimento das fibras provoca a perda de contato entre as cadeias de celulose da superfície, resultando em uma menor coesão da matriz e tornando-se mecanicamente menos resistente.

A Figura 15b mostra os valores de tensão máxima obtidos para tiras de papel unidas por juntas de face, de 1,8 MPa para papel de filtro e 1,5 MPa para sulfite. Os valores são próximos aos obtidos nos controles, sendo que também nas amostras úmidas o rompimento ocorre fora da região da junta. Como mostrado na análise de DRX (Figura 14), o hidróxido de sódio do adesivo reage formando carbonato de sódio e, de acordo com os ensaios mecânicos em corpos de prova úmidos, o carbonato residual não é necessário para as propriedades adesivas, visto que as juntas adesivas imergidas em solução de cloreto de sódio, na qual o Na2CO3 é

solúvel, são resistentes à tração.

Por fim, as Figuras 15c e 15d apresentam fotos de amostras testadas secas e úmidas, respectivamente, mostrando que o rompimento dos corpos de prova nunca ocorre na junta adesiva.

Figura 15. (a) Curvas de tensão vs. deformação de tiras secas de papel de filtro (PF) e de papel sulfite (PS), unidas por adesivo de celulose; (b) diagramas tensão- deformação de tiras de PF e PS unidas por adesivo de celulose, ensaiadas úmidas; (c) fotos de tiras de PF unidas por junta de face, ensaiadas secas e (d) fotos de tiras de PS unidas por junta de face, ensaiadas úmidas. As curvas apresentadas são curvas individuais das amostras que apresentaram tensão de ruptura mais próxima à média de 10 ensaios individuais, considerando distribuição gaussiana.

A Tabela 5 apresenta os valores de tensão de ruptura média de 10 corpos de prova ensaiados mecanicamente, considerando distribuição gaussiana. Os valores mostram que as pequenas diferenças entre as curvas mostradas nas Figuras 15a e 15b de corpos de prova de cada substrato são menores que os respectivos desvios padrão e, portanto, não são estatisticamente significativas.

Tabela 5. Tensão máxima obtida em ensaios de tração uniaxial de corpos de prova de papel de filtro (PF) e papel sulfite (PS).

Tensão máxima (MPa)

PF controle 12,1 ± 0,4

PF topo 11,7 ± 0,7

PF face 12,5 ± 0,6

PF face unida úmida 11 ± 1

PF impregnado 18 ± 2

PF controle ensaiado úmido 1,8 ± 0,2 PF face ensaiada úmida 1,7 ± 0,1

PS controle 60 ± 9

PS topo 37 ± 7

PS face 67 ± 10

PS face unida úmida 60 ± 4 PS controle ensaiado úmido 1,6 ± 0,1 PS face ensaiada úmida 1,4 ± 0,2

4.3.2. Estudo da microestrutura de juntas adesivas e substratos impregnados