DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
CARLOS ALFREDO ALVES JUNIOR
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER COM GRAVETOS OU FIBRAS DE TAQUARA (Merostachys
sp.)
CARLOS ALFREDO ALVES JUNIOR
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER COM GRAVETOS OU FIBRAS DE TAQUARA (Merostachys
sp.)
Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT.
Orientador: Prof. Ricardo Pedro Bom, Dr.
FICHA CATALOGRÁFICA
A474d
Alves Jr., Carlos Alfredo. Desenvolvimento e caracterização mecânica de compósitos de matriz poliéster com gravetos ou fibras de taquara (Merostachys sp.)/ Carlos Alfredo Alves Junior;orientador: Ricardo Pedro Bom. – Joinville, 2012.
94 f. : il ; 30 cm.
Incluem referências.
Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.
1. Polímeros. 2. Compósitos. I. Bom, Ricardo Pedro.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a Deus por tudo!
Aos meus pais Carlos e Mônica, por terem me proporcionado tudo, desde a minha vida e a minha educação.
À minha namorada Laila, pela paciência e por todos os momentos que passamos juntos.
Ao professor Ricardo Pedro Bom, pela orientação, amizade, apoio e por ter acreditado em mim.
Aos colegas da área de polímeros (em ordem alfabética: Carlos Opelt, Delne, Denilso, Eduardo, Elton, Irineu, João, Jonas, Juliana, Katiusca, Kelen, Mariana, Tarcísio, Thyago), por toda a ajuda prestada e pelo companheirismo.
Aos colegas das outras áreas, pela amizade: cerâmica (Carine, Fábio, Fernanda, Gisele, Guilherme, Jailson, Nelson, Raquel, Sônia, Thaís), metais (Amanda, André, Carlos Onofre, Everton, Sacha, Vinícius) e simulação (Joânesson)
Às secretárias e ex-secretárias do PGCEM, Maria Eugênia, Juliana e Leidiane, pela ajuda em toda a parte burocrática existente durante o curso.
Ao Prof. Masahiro e o estagiário Eduardo “Gurizão”, pela ajuda nos ensaios mecânicos e confecção dos compósitos.
RESUMO
ALVES JR., Carlos Alfredo. Desenvolvimento e caracterização mecânica de compósitos de matriz poliéster com gravetos ou fibras de taquara (Merostachys sp.). 2012. 94 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais – Área: Polímeros) – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.
Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de compósitos de matriz de resina poliéster e gravetos ou fibras de “taquara-lixa” (Merostachys sp.) e a caracterização mecânica por ensaios de flexão dos compósitos e por ensaios de tração da taquara. Inicialmente, foi realizada a determinação da massa média de um lote de gravetos de taquara de 150 mm de comprimento, o seu teor de umidade médio e a realização de ensaios de tração da taquara. Os compósitos confeccionados foram feitos em um molde de 150 x 50 x 50 mm e caracterizados por ensaios de flexão. Após a observação do efeito de delaminação nos compósitos, devido a fraca interação entre a matriz e a taquara, foi realizado um estudo de tratamento químico dos gravetos com hidróxido de sódio, para realizar a remoção parcial da lignina e hemicelulose e permitir que as fibras do graveto se reorganizassem e reduzissem a sua hidrofilicidade. Corpos de prova de taquara foram confeccionados e sofreram tratamento químico, variando o tipo de enxágüe em cada lote, e os mesmos foram ensaiados na máquina de flexão para verificar as suas propriedades mecânicas. Em outro experimento, foi determinada a massa média de um lote de gravetos de taquara de 280 mm de comprimento e os compósitos foram produzidos em um molde de dimensões de 280 x 60 x 50 mm. Para verificar o efeito do tratamento escolhido e da força de compressão durante a confecção dos compósitos, foram produzidos compósitos com gravetos in natura e sem compressão, gravetos tratados e sem compressão, gravetos in natura e sem compressão, gravetos tratados e com compressão, e pedaços de taquara tratados quimicamente e que tiveram as fibras separadas com o auxílio de uma calandra e com compressão. Os corpos de prova foram extraídos dos compósitos e foram realizados ensaios de flexão para a determinação da tensão máxima de flexão, tensão de flexão na 1ª delaminação, o deslocamento máximo e o deslocamento sofrido no momento da 1ª delaminação e o módulo de elasticidade em flexão. Foi observado que tanto o tratamento químico quanto a força de compressão exerceram influência nas propriedades mecânicas dos compósitos, aumentando sua tensão de flexão e seu módulo de elasticidade e reduzindo o deslocamento durante o ensaio de flexão.
ABSTRACT
ALVES JR., Carlos Alfredo. Development and mechanical characterization of composites of polyester matrix with taquara (Merostachys sp.) sticks or fibers. 2012. 94 p. Dissertation (Master’s degree on Materials Science and Engineering – Area: Polymers) – Santa Catarina State University, Post Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2012.
The aim of this work was the development of polyester matrix and “taquara-lixa” (Merostachys sp.) sticks or fibers composites and mechanical characterization by means of flexural tests for the composites and tension tests for taquara. First, it was determined the average mass distribution from a group of taquara sticks with 150 mm length, taquara medium moisture content and tension tests. Billets measuring 150 x 50 x 50 mm were prepared and were characterized by flexural tests. After the observation of the delamination effect in the composites, due to the poor interaction between matrix and fiber, a study of a chemical treatment of the sticks with sodium hydroxide was performed, for the partial removal of lignin and hemicellulose and to allow the stick’s fibers to reorganize and reduce its hydrophilicity. Taquara specimens were made and suffered chemical treatment, varying the type of washing for each group, and flexural tests were performed to verify its mechanical properties. In another experiment, the average mass of a stick with 280 mm length was determined and the composites were made in a mold with 280 x 60 x 50 mm dimensions. To check the effect of the chosen treatment and the compression force during the confection of the composites, it was produced composites with dried taquara sticks and without compression, chemically treated sticks and without compression, dried sticks and with compression, chemically treated sticks and with compression and chemically treated taquara pieces that have its fibers separated by a rolling machine, and with compression. Specimens were extracted from the composites and flexural tests were performed to determine the maximum flexural stress, 1st rupture flexural stress, maximum displacement, 1st rupture displacement and flexural modulus. It was observed that both chemical treatment and the compression force had influence on composites mechanical properties, raising its flexural stress and elasticity modulus and reducing its displacement during flexural tests.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Proposta de classificação hierárquica de compósitos sintéticos e naturais...19
Figura 2: Reação de esterificação...21
Figura 3: Mistura de peróxidos formadores da MEK-P...22
Figura 4: (a) ácido ortoftálico e (b) ácido isoftálico...23
Figura 5: Estrutura da celulose...24
Figura 6: Módulo de elasticidade em função da fração volumétrica de fibra...32
Figura 7: Feixe de taquaras...36
Figura 8: Dispositivo de corte de gravetos, detalhando a abertura de lâmina...37
Figura 9: Procedimento de corte da taquara em gravetos...37
Figura 10: Calandra com taquara esmagada...38
Figura 11: Comparativo entre um graveto seco e outro que passou pela calandra...38
Figura 12: Molde de madeira utilizado no primeiro experimento...39
Figura 13: Projeto do molde...40
Figura 14: Molde montado...40
Figura 15: Molde forrado com um filme de polietileno...45
Figura 16: Gravetos alinhados dentro do molde...46
Figura 17: Transferência da resina para o molde...47
Figura 18: Molde com o êmbolo envolvido pela tira de borracha...47
Figura 19: Molde pronto para o início da compressão...48
Figura 20: Molde sofrendo 3.000 kgf de compressão...48
Figura 21: Histograma dos gravetos do primeiro experimento, com as médias aritméticas de cada intervalo e a curva de Gauss...52
Figura 22: Curva normalizada...53
Figura 23: a) Variação da massa dos lotes durante a secagem e b) Percentual de perda de massa dos lotes durante a secagem...54
Figura 24: Corte da seção transversal de um CP, com gravetos orientados aleatoriamente...55
Figura 25: a) Comportamento da taquara em um ensaio de tração e b) comportamento do compósito em um ensaio de flexão...56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: nº de gravetos para cada intervalo de massa (g) e massas médias (g)...51 Tabela 2: Valores de A, µ, σ e R2 obtidos da distribuição de massas dos gravetos do primeiro experimento...52 Tabela 3: Massa (g) e percentual de perda de massa (%) dos lotes pelo tempo de secagem (h)...53 Tabela 4: Dados do ensaio de tração da taquara...56 Tabela 5: Dados do ensaio de flexão do compósito...57 Tabela 6: Módulo de elasticidade em flexão e tensão de flexão da taquara obtido por Halpin-Tsai...57 Tabela 7: Valores médios da tensão de flexão (MPa) e módulo de elasticidade em flexão (GPa) do compósito, taquara e resina poliéster, e da tensão de ruptura (MPa) e módulo de elasticidade (GPa) em tração da taquara...58 Tabela 8: Valores médios da tensão de flexão (MPa) e rigidez à flexão (N.mm2) com os respectivos erros experimentais...59 Tabela 9: nº de gravetos para cada intervalo de massa (g)...61 Tabela 10: Valores de A, µ, σ e R2 obtidos da distribuição de massas dos gravetos do terceiro experimento...62 Tabela 11: Massa dos blocos e seus constituintes...63 Tabela 12: Condições de processo, massa, dimensões, massa e FVT dos CPs...64
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
A – altura da curva gaussiana
Aseção– área da seção
Ah– contribuição em área correspondente aos gravetos na posição horizontal
Av– contribuição em área correspondente aos gravetos na posição vertical
Al2O3 – óxido de alumínio AlN – nitreto de alumínio b – largura do corpo de prova
c1 - distância entre o primeiro apoio e o ponto de flexão
c2 – distância entre o ponto de flexão e o segundo apoio
CH3COOH – ácido acético CO2 – dióxido de carbono CP – corpo de prova CPs – corpos de prova Cu – cobre
DM – dispersão da medida
x – razão de aspecto do reforço
E – módulo de elasticidade
EC - módulo de elasticidade do compósito
Ef– módulo de elasticidade da fibra
Em– módulo de elasticidade da matriz
E.I – rigidez à flexão
fmáx – deslocamento máximo
frup – deslocamento no momento da 1ª delaminação ou ruptura
Fmáx – força máxima
Frup – força no momento da 1ª delaminação ou ruptura
FMT – fração mássica de taquara
FMR – fração mássica de resina
FVT – fração volumétrica de taquara
H2SO4 – ácido sulfúrico I – momento de inércia
L – comprimento entre os apoios μ - média
MEK-P – peróxido de metiletilcetona
mi– massa inicial em t = 0
mf– massa medida após um período de tempo
n – número de amostras analisadas ηθ– fator de Krenchel
NaOH – hidróxido de sódio NbTi – titanato de nióbio OH- - ânion hidroxila PEEK – poliéter éter cetona PVC – poli(cloreto de vinila) R2 – coeficiente de determinação
σC – tensão de flexão do compósito
σf – tensão máxima de flexão
σfrup – tensão de flexão no momento da 1ª delaminação ou ruptura
σT– tensão de ruptura em tração da taquara
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 15
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
1.1 Compósitos ... 18
1.2 Compósitos com fibras naturais ... 19
1.2.1 Matriz ... 20
Resina poliéster ... 21
1.2.2 Fibras naturais ... 23
Bambu e suas fibras ... 25
1.3 Tratamentos físicos e químicos das fibras naturais ... 28
1.4 Ensaios mecânicos de compósitos de matriz polimérica ... 31
1.5 Modelos teóricos para a validação dos ensaios ... 31
1.5.1 Regra das misturas ... 31
1.5.2 Modelo de Halpin-Tsai ... 32
2 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL ... 35
2.1 Materiais ... 36
2.1.1 Resina poliéster ... 36
2.1.2 Taquara ... 36
2.1.3 Dispositivo de corte de gravetos ... 37
2.1.4 Calandra ... 38
2.1.5 Estufa a vácuo ... 38
2.1.6 Molde para a confecção dos compósitos ... 39
2.1.7 Balança ... 40
2.1.8 Microscópio óptico ... 40
2.1.9 Relógio comparador ... 41
2.2 Procedimento experimental ... 41
2.2.1 Primeiro experimento ... 41
Determinação da massa dos gravetos ... 41
Teor de umidade dos gravetos ... 41
Confecção dos compósitos ... 41
Ensaios de tração da taquara e flexão dos compósitos... 42
2.2.2 Segundo experimento ... 43
Ataque químico dos gravetos de taquara ... 43
Ensaios de flexão dos CPs de taquara ... 44
2.2.3 Terceiro experimento ... 44
Determinação da massa dos gravetos ... 45
Confecção dos compósitos ... 45
a) Compósito com gravetos in natura e sem compressão ... 46
b) Compósito com gravetos tratados quimicamente e sem compressão ... 46
c) Compósito com gravetos in natura e com compressão ... 46
d) Compósito com gravetos tratados quimicamente e com compressão ... 49
e) Compósito com a taquara tratada quimicamente, com as fibras separadas e com compressão ... 49
Preparo dos CPs para ensaios de flexão dos compósitos ... 49
Ensaios de flexão dos compósitos ... 49
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 51
3.1 Primeiro experimento ... 51
3.1.1 Determinação da massa dos gravetos ... 51
3.1.2 Teor de umidade dos gravetos ... 53
3.1.3 Ensaios de tração e flexão ... 54
3.2 Segundo experimento ... 59
3.3 Terceiro experimento ... 61
3.3.1 Determinação da massa dos gravetos ... 61
3.3.2 Dados dos compósitos ... 63
3.3.3 Ensaios de flexão ... 65
CONCLUSÃO ... 80
REFERÊNCIAS ... 84
APÊNDICE A - Massa de cada graveto do primeiro experimento... 91
INTRODUÇÃO
Um dos grandes problemas dos compósitos fabricados com fibra de vidro é a sua reciclagem. Em alguns casos, é possível moer o material e reutilizá-lo novamente no processo como carga, em outros o resíduo é destinado ao aterro, o que encarece o processo e não remove o passivo ambiental. A incineração de resíduos com fibra de vidro não é viável, pois podem danificar os incineradores pela formação de uma massa vitrificada (MAXIRUBBER, 2012).
Uma das soluções seria a substituição da fibra de vidro por fibras naturais, o que torna mais fácil a sua reciclabilidade. Este movimento motivou diversas indústrias, como automobilística, construção, moveleira, embalagens, entre outras, a produzir compósitos de fibras naturais, no lugar dos compósitos convencionais com fibras sintéticas (DEUS et al., 2005; MORAIS et al., 2006; BACHTIAR et al., 2008). A maioria das montadoras de carros na Alemanha utiliza compósitos de fibras naturais em vários componentes de automóveis. Como exemplos podem-se citar a BMW, que utiliza materiais naturais desde os início dos anos 90 nos modelos das séries 3, 5 e 7 em painéis de porta, forro, banco traseiro e carpetes. O Peugeot 406 utiliza compósitos com fibras naturais nos bancos traseiros e no tampão do porta malas (SUDELL, 2012). No ramo moveleiro, a Amazônia Fibras Naturais trabalha desde 1980 confeccionando móveis utilizando cipós parasitas e também produtos com fibras naturais misturadas a outros materiais nobres, como couro, madeira, vidro e alumínio (AMAZÔNIA FIBRAS NATURAIS, 2012).
Os compósitos com fibras naturais podem ser produzidos com resina termorrígida ou termoplástica, sendo que esta última apresenta um caráter de reprocessamento devido a plastificação da resina por aquecimento o que motiva diversos estudos, a desvantagem é que necessita de fibras de comprimento menores devido ao tipo de processo de transformação utilizado, implicando em propriedades mecânicas também menores. Quanto a reciclagem como fonte energética, as duas resinas podem ser utilizadas.
e avaliar o seu potencial técnico-econômico em aplicações específicas. Os problemas de processamento são de longa data conhecidos, pode-se citar a qualidade da interface fibra/resina que normalmente devido ao caráter polar da fibra e apolar da matriz reduz a qualidade de adesão entre os dois materiais, necessitando tratamentos químicos específicos para melhorar a adesão. Outro problema é a formação de vazios dentro do compósito que interfere e promove grandes variações das propriedades mecânicas.
As fontes de fibras naturais utilizadas são as mais diversas, desde o uso de curauá, sisal, piaçava, coco, bagaço da cana-de-açúcar, bambu, banana, dentre outras. Várias espécies de bambu são aplicadas para os mais diferentes tipos de compósitos, porém, a taquara não é uma dessas espécies. A taquara difere dos outros bambus, pois possui colmos ásperos, diâmetro de parede entre 2,0 a 3,5 cm, entrenós menores que 70 cm de comprimento e espessura inferior a 5 mm (SCHMIDT e LONGHI-WAGNER, 2009).
Diversos pesquisadores trabalharam com compósitos de matriz polimérica com fibras naturais de diversos tamanhos, tanto com fibras curtas (ANGRIZANI et al., 2006; d’ALMEIDA et al., 2006; FARIAS et al., 2009 SANTOS et al., 2009; MANO et al., 2010; WONG et al., 2010) como com fibras longas (SHIBATA et al., 2008; CHEN et al., 2009; KIM e NETRAVALI, 2010; KUSHWAHA e KUMAR, 2010; RAO et al., 2010; PRASAD e RAO, 2011). Angrizani e colaboradores (2006) trabalharam na confecção de compósitos com resina poliéster e fibras de sisal de diferentes tamanhos (1, 3 e 5 cm), e além de comparar compósitos com tratamento e sem tratamento das fibras, realizou uma comparação nas propriedades mecânicas dos compósitos com tamanhos de fibra diferentes, por meio de ensaios de tração, flexão e impacto. Foi constatado que, apesar da dispersão encontrada nos resultados que foi atribuída à heterogeneidade das fibras naturais, os compósitos com fibras de 5 cm de comprimento obtiveram um melhor desempenho geral nos ensaios mecânicos.
A taquara deste estudo foi coletada na região de Porto União – SC. A motivação de sua utilização neste estudo está focado nos itens, a seguir: a) a taquara é cortada para preservar as plantações de erva-mate, pois ela é uma praga que concorre com as plantações, além do mais, as taquaras cortadas são deixadas no local para apodrecer. b) uma aplicação comercial a este material agregaria valor ao mesmo, além de poder contribuir na renda familiar dos agricultores da região. c) O processo de extração poderia seguir paralelamente a colheita da erva-mate.
feito com gravetos de taquara secos. No segundo experimento, o objetivo foi o estudo de um tratamento químico para a taquara. O terceiro experimento teve como objetivo o desenvolvimento dos compósitos com gravetos secos, tratados quimicamente e com fibras de taquara, com a realização de uma força de compressão durante a confecção, além da realização de ensaios de flexão dos compósitos, a fim de se verificar a influência dos fatores “tratamento químico” e “compressão” nas propriedades mecânicas.
