CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORÇADOS POR FIBRAS ALINHADAS DA FOLHA PRIMÁRIA
DA PALMEIRA DO UBUÇÚ
I. S. Gomes (1); A. I. Pereira (1); I. S. da Silva (1); D. S. Silva (1); T. O. Rocha (1); G. O.
Miranda (1); V. S. Reis (1); C. T. N. M. Branco (1); J. S. Andrade (1); F. X. da Silva Lima (1); R. T. Fujiyama (1)
(1) Universidade Federal do Pará – UFPA
E-mail: igorgomes-@live.com
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo utilizar recurso da biodiversidade da floresta Amazônica, mais especificamente da floresta de várzea da Ilha de Marajó, para o desenvolvimento de material compósito reforçado por fibras longas, alinhadas e unidirecionais, provenientes da folha primária da Palmeira do Ubuçú (Manicaria saccifera Gaertn). Os laminados foram fabricados através da técnica de laminação manual hand-layup, a partir dos quais se produziram corpos de prova em conformidade com a norma ASTM D3039, de modo a serem submetidos ao ensaio de tração. Foi verificado que a variação da fração mássica da fibra de 17,47% para 21,17%, levou, tal como sugere a regra das misturas, ao aumento nas propriedades mecânicas, como tensão máxima, de 23,09 MPa para 29,93 MPa, módulo de elasticidade, de 1,64 GPa para 1,76 GPa. Além disso, estas propriedades foram correlacionadas com os aspectos da fratura dos materiais.
Palavras-chave: Propriedades mecânicas, compósitos poliméricos, laminados, fibras naturais, ubuçuzeiro.
INTRODUÇÃO
Os compósitos reforçados por fibras vegetais são provenientes de fonte abundante, em virtude grande variedade de espécies vegetais existentes na biodiversidade da floresta Amazônica. O estudo destas fibras é interessante também no sentido de possuírem características mecânicas relevantes, as quais dependem principalmente da orientação destas e o seu desempenho estrutural pode ser avaliado na direção do alinhamento das fibras e em diferentes frações volumétricas destas (1).
As fibras naturais de origem vegetal recentemente utilizadas em aplicações de compósitos provêm do caule e da folha. Dentre estas, podem ser citadas o linho, cânhamo, juta, sisal, kenaf, coco, sumaúma, banana e muitas outras (2). Na Tabela 1 tem-se o algumas destas usadas em compósito polimérico como reforço na forma de alinhados unidirecionais e ensaiado com a norma ASTM D3039 (3).
Tabela 1. Comparativo dos materiais compósitos da literatura.
Material Compósito Fração Mássica (%) Tensão Máxima (MPa)
(4) Fibra da Bananeira S. Tomé/Matriz
Poliéster 18,40 228,6 ± 37,71 (4) Fibra de Curauá/Matriz Poliéster 19,56 272,6 ± 51,24 (4) Fios de Juta/Matriz Poliéster 25,48 74,9 ± 14,08 (5) Fibra de Palha da Costa/Matriz
Poliéster 43,53 36,81 ± 1,98 (6) Fibra de Sisal/Poliéster 54,88 80,48 ± 10,29 (7) Fibra de Bambu/Matriz Poliéster 51,37 124,16 ± 14,07
Dentre tais fibras, têm-se as provenientes da palmeira do Ubuçú, cujas particularidades são mostradas na Figura 1. Partes desta palmeira, em específico a fibra do tururi, foi estudada por (8), que produziu laminado polimérico de madeira reforçado por tal fibra, mostrando que esta pode ser uma nova alternativa para a fabricação de novos materiais, por apresentar qualidades como biodegradabilidade, matéria prima abundante e renovável.
Figura 1. Partes da Palmeira Manicaria saccifera Gaertn. Fonte: (9), adaptada.
Foram avaliadas por (10) as propriedades de compósito utilizando como matriz a resina poliéster reforçada com tecido de fibra de tururi. Os resultados dos ensaios de tração evidenciam que os tecidos sem abertura, quando comparados com os que foram alongados transversalmente em 50% e 100%, apresentam as melhores características para atuar como reforço em compósitos.
Além do tururi, as folhas ou palhas da palmeira despertam a atenção, uma vez que quando novas possuem coloração avermelhada e são denominadas folhas primárias, mostradas na Figura 2(a), as quais amadurecem e tornam-se folhas secundárias, mostradas na Figura 2(b). As folhas secundárias são utilizadas pelos ribeirinhos na cobertura de suas casas, as quais chegam a durar de 5 a 7 anos, em meio ao clima úmido e ensolarado da Amazônia.
Figura 2. (b) Folhas primárias e (c) folhas secundárias.
Foi fabricado por (11) compósito polimérico reforçado por fibras da folha secundária da Palmeira do Ubuçú e observou que o aumento de 3,46% na fração
Copa ou coroa
Inflorescência
a b
Inflorescência envolvida pela espata Cicatriz foliar
Estipe ou tronco
Raiz fasciculada Folha serrilhada
mássica da fibra acarretou aumento nos valores de resistência à tração e módulo de elasticidade, além de alongamento e deformação.
Neste contexto, este trabalho tem como objetivo fabricar material compósito reforçado por fibras longas, alinhadas e unidirecionais, provenientes da folha primária da Palmeira do Ubuçú (Manicaria saccifera Gaertn) através da técnica de laminação manual hand-layup, de modo a avaliar as propriedades mecânicas de tração em conformidade com a norma ASTM D3039.
MATERIAIS E MÉTODOS Materiais
Foi utilizada como matriz o poliéster tereftálico insaturado, (tipo CRISTAL), fabricada pela CENTERGLASS RESINAS & FIBRAS DE VIDRO. O agente de cura foi o peróxido de metil-etil-cetona (MEKP). Estes são mostrados na Figura 3.
Foram utilizadas as fibras da folha primária da Palmeira do Ubuçú, mostradas na Figura 3, extraídas da floresta de várzea no entorno da comunidade ribeirinha da Vila Recreio do Piriá, município da Cidade de Curralinho, localizada na Ilha de Marajó.
Figura 3. (a) Resina poliéster, (b) agente de cura MEKP e (c) Fibras da folha primária da Palmeira do Ubuçú.
Metodologia
As fibras retiradas da folha primária da referida palmeira são mostrada na Figura 4, cada uma com dimensões de 340 mm de comprimento, 4 mm de largura e massa de 0,13 g.
Figura 4. Fibras do Ubuçú, extraídas manualmente da folha primária.
Foi utilizado um tear para o alinhamento das fibras. Confeccionaram-se 4 alinhados, com 340 mm de comprimento e 140 mm de largura. Em cada tecido utilizou-se 37 fibras. Estes são mostrados na Figura 5.
Figura 5.(a), (b) Confecção dos alinhados em tear e (c) alinhados confeccionados.
De modo a prepará-los para a laminação, os alinhados foram cortados sobre molde de madeira nas dimensões de 280 x 140 mm e, de dois em dois, levados ao forno a 50 °C para a retirada da umidade, por 5 min.
Na Figura 6 tem-se o fluxograma da preparação ao processo de laminação da matriz no alinhado de fibra da palha do Ubuçú, utilizando-se a técnica hand-layup. Ao final desse, valendo-se da prensa hidráulica Marcom, modelo MPH – 10, com manômetro, aplicou-se o equivalente a 0,5 t, para conferir a união fibra-matriz.
Figura 6. Fluxograma da fabricação de compósito reforçado por fibra do Ubuçú.
A Figura 7 mostra o esquema da placa que se levou à prensa. Durante a laminação, utilizou-se bloco de madeira para suporte, colocando-se sobre este uma película de filme poliéster para proporcionar bom acabamento superficial às lâminas.
Sobre as duas camadas de película de poliéster, depositaram-se aproximadamente 10 g de resina; enquanto que sobre as conseguintes camadas de tecido foram depositados aproximadamente 15 g. Tais quantidades foram suficientes para que a matriz envolvesse a fibra e proporcionasse boa molhabilidade. A cura se deu em temperatura ambiente, no tempo de 15 min.
Figura 7. Esquema da placa levada à prensa.
Após sete dias, os laminados foram levados à máquina de corte de disco diamantado, de onde se obtiveram os corpos de provas (Figura 8) de acordo com as dimensões da norma ASTM D3039, sendo estas próximas de 250 mm de comprimento, 15mm de largura, 1mm de espessura e comprimento útil de 140mm.
Figura 8. (a) Dimensões da norma ASTM D3039 e (b) corpos de prova fabricados.
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de ensaio universal AROTEC WDW-100E, com célula de carga de 5 kN. O ensaio deu-se a uma velocidade de 2 mm/min.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Propriedades mecânicas dos materiais compósitos
As propriedades mecânicas dos materiais compósitos reforçados pela folha primária da Palmeira do Ubuçú (MC1 e MC2) são mostradas na Tabela 2.
Tabela 2. Propriedades mecânicas de compósitos poliméricos reforçados pelas fibras da folha primária da Palmeira do Ubuçú.
Material Compósito Fração Mássica (%) Força Máxima (kN) Tensão Máxima (MPa) Alongamento Máximo (mm) Deformação Máxima (mm/mm) E (GPa) MC1 17,42 0,3356 (±0,018) 23,089 (±0,786) 1,996 (±0,0428) 0,0142 (±0,0003) 1,639 (±0,420) MC2 21,17 0,3764 (±0,048) 29,933 (±4,204) 2,366 (±1,064) 0,0169 (±0,007) 1,759 (±0,433)
De acordo com a Tabela 2, MC1 e MC2 possuem frações mássicas de fibras, diferentes. Assim, ainda que se trate de materiais compósitos reforçados com a mesma fibra, são materiais distintos, uma vez que a variação de fração mássica de fibra implica na variação nos valores das propriedades de MC1 e MC2.
Na Figura 9 tem-se gráfico de barras que ilustra a influência da fração mássica de fibra em relação à tensão máxima de MC1 e MC2.
16 18 20 22 24 0 5 10 15 20 25 30 35 40 T en sã o ( M P a) Fração Mássica (%) MC1 MC2
Figura 9. Comportamento da Tensão pela Fração Mássica de MC1 e MC2.
Segundo o gráfico da Figura 9, nota-se que o aumento da fração mássica da fibra de 17,42% para 21,17% ocasionou um pequeno aumento na tensão máxima tal
como sugere a regra das misturas. A tensão máxima suportada por MC1 foi 23,089 MPa, enquanto que por MC2 foi de 29,933 MPa.
A representação do comportamento mecânico dos materiais compósitos (MC1 e MC2) é mostrada na Figura 10. 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0 5 10 15 20 25 30 35 MC1 MC2 T ens ão ( M P a) Deformação (mm/mm)
Figura 10. Curva característica de Tensão x Deformação de MC1 e MC2.
No gráfico da Figura 10 tem-se que a acentuada inclinação curva de MC2 indica o módulo de elasticidade deste é superior, em torno de 1,759 GPa, em comparação ao módulo de elasticidade de MC1, que é cerca de 1,639 GPa.
Os módulos de elasticidades de MC1 e MC2 são consideráveis e apresentam valores que podem indicar que o primeiro é frágil em relação ao segundo, uma vez que este possui deformação de 0,0169 mm/mm enquanto aquele 0,0142 mm/mm.
Tal como mostrado anteriormente, na Tabela 1 tem-se o comparativo dos trabalhos de diversos autores, os quais fabricaram material compósito polimérico reforçado por fibras alinhadas e ensaiado em conformidade com a norma ASTM D3039. Dentre estes, (7) realizou estudo em material compósito de matriz poliéster reforçado pelas fibras da bananeira São Tomé, com fração mássica de fibra 18,4%; fibra de curauá, com fração mássica de fibra 19,56%; e fios de juta, utilizando como fração mássica de fibra 25,48%. O referido autor obteve para as respectivas fibras 228,6 MPa, 272,6 MPa e 74,9 MPa.
Já (8), em estudo de material compósito polimérico, reforçado pela fibra de palha da costa, com 43,53% de fração mássica da fibra, obteve resistência à tração
em torno de 36,81 MPa. Enquanto que (9), com compósito polimérico reforçado pela fibra de sisal, sendo a fração mássica desta de 54,48%, alcançou resistência à tração de 80,48%.
No trabalho de (10) com fibra do bambu como reforço em material compósito de matriz poliéster foi utilizado 51,37% de fração mássica desta fibra, obtendo-se 124,16 MPa como resultado de resistência à tração.
Nota-se que a literatura possui autores, cujos resultados, em comparação os do presente trabalho, são consideravelmente superiores, exceto ao do compósito polimérico reforçado pela fibra de palha da costa, com valor de resistência à tração 42,48% superior em comparação ao compósito polimérico reforçado pela fibra da folha primária do Ubuçú.
A falta de aderência entre fibra e matriz é o principal fator de redução na resistência à tração de compósitos com fibras contínuas e alinhadas.
Aspectos da fratura de MC1 e MC2
Os aspectos da fratura do material compósito com a fração mássica de fibra de 17,42% (MC1) e do material compósito com a fração mássica de fibra de 21,17% (MC2) são mostrados na Figura 11.
Figura 11. (a) Aspectos da fatura de MC1 e (b) aspectos da fratura de MC2.
Tal como mostrado Figura 11(a), os corpos de prova de MC1 apresentaram fratura na garra/tab (setas pretas), bem como fratura em ângulo (seta pontilhada), as quais podem ter ocorridos devido ao desalinhamento dos corpos de prova durante ao ensaio de tração e/ou acúmulo de tensão no Tab e possível esmagamento da fibra.
Já na Figura 11(b), todos os corpos de prova de MC2 apresentaram fratura em ângulo, o que também pode estar relacionado ao desalinhamento dos corpos de
prova durante o ensaio de tração. Com relação à fratura ter ocorrido na garra/tab (setas pretas), pode-se dizer que ocorrera acúmulo de tensão na secção do Tab, provocando, assim, a ruptura do material.
Além disso, em ambos os materiais, MC1 e MC2, foi verificada a falta de aderência da fibra da folha primária da palmeira do ubuçú com a matriz de poliéster.
CONCLUSÃO
Os compósitos poliméricos reforçados por fibras longas, alinhadas e unidirecionais, provenientes da folha primária da Palmeira do Ubuçú, submetidos a ensaio de tração segundo a norma ASTM D3039, apresentaram bons resultados de tensão máxima, alongamento, deformação e módulo de elasticidade, os quais aumentaram com a elevação da fração mássica de fibra de 17,42% para 21,17%. Estes resultados, porém, em comparação com os de trabalhos encontrados na literatura, são mais de 40% inferiores.
Os aspectos da fratura evidenciaram, em sua maioria, não só a falta de aderência do reforço com a matriz, mas também fratura em ângulo e na garra/tab do corpo de prova, possivelmente devido ao desalinhamento do corpo de prova durante o ensaio de tração e esmagamento das fibras, respectivamente, contribuindo para o rompimento das amostras sem necessariamente terem atingidos o limite de resistência à tração.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio financeiro da CAPES, CNPq e Pró Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação da Universidade Federal do Pará.
REFERÊNCIAS
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MECHANICAL CHARACTERIZATION OF POLYESTER MATRIX COMPOSITIONS REINFORCED BY ALIGNED FIBERS OF THE PRIMARY LEAF OF THE UBUÇU
PALM
ABSTRACT
This work aims to use the biodiversity of the Amazon rainforest, more specifically the lowland forest of the Marajo Island, for the development of composite material reinforced by long, aligned and unidirectional fibers, from the primary leaf of the Ubuçu Palm (Manicaria saccifera Gaertn). The laminates were manufactured by hand-layup manual laminating technique, from which specimens were produced in accordance with ASTM D3039, in order to make the tensile tests. It was verified that the variation of the fiber mass fraction from 17.47% to 21.17% led, as suggested by the mixing rule, to increase in mechanical properties, as maximum tension, from 23.09 MPa to 29.93 MPa, modulus of elasticity, from 1.64 GPa to 1.76 GPa. In addition, these properties were correlated with the fracture aspects of the materials.
Key-words: Mechanical properties, polymer composites, laminates, natural fibers, Ubuçu Palm.
