ADRIANE SHIBATA SANTOS
ESTUDO DA VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE FIBRAS DA PUPUNHEIRA (Bactris gasepaes H. B.K) COMO ALTERNATIVA À FIBRA DE VIDRO NO
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS
Dissertação de mestrado apresentada como requisito parcial para obtenção de título de Mestre em Saúde e Meio Ambiente, na Universidade da Região de Joinville. Orientador: Profª. Drª. Denise Abatti K. Silva. Co-orientador: Profª. Drª. Ana Paula T. Pezzin.
JOINVILLE 2007
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Termo de Aprovação
Estudo da viabilidade de aplicação de fibras da pupunheira (Bactris gasepaes H. B.K) como alternativa à fibra de vidro no desenvolvimento de produtos.
por
Adriane Shibata Santos
Dissertação julgada para obtenção do título de Mestre em Saúde e Meio Ambiente, área de concentração Meio Ambiente e aprovada em sua forma final pelo Programa de Mestrado em Saúde e
Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville.
Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva Orientadora (UNIVILLE)
Profa. Dra. Ana Paula Testa Pezzin Co-orientadora (UNIVILLE)
Profa. Dra. Mônica Lopes Gonçalves
Coordenadora do Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente
Banca Examinadora:
Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva Orientadora (UNIVILLE)
Profa. Dra. Ana Paula Testa Pezzin Co-orientadora (UNIVILLE)
Prof. Dr. Rogério de Almeida Vieira (UNIVILLE)
Profa. Dra. Elizabete Maria Saraiva Sanchez (UNICAMP)
A meu querido Eduardo, aos meus pais e irmãs pelo apoio, amor
AGRADECIMENTOS
Ao Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville e ao Programa de Qualificação Docente desta mesma instituição. À Fundação Municipal de Desenvolvimento Rural 25 de Julho pelo apoio técnico e auxílio na escolha dos materiais a serem trabalhados e propriedades parceiras. Ao seu Vigano e dona Agnes, por nos permitir por diversas vezes a “invasão” em sua propriedade para a coleta dos resíduos vegetais. Às empresas Busscar Ônibus S.A, principalmente divisão de Plásticos, Cray Valley de Joinville, Cicloterm Indústria e Comércio de Plástico e CCT/Udesc Joinville pelo apoio, materiais doados e serviços prestados. À orientadora, Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva pela colaboração, incentivo e acompanhamento competente. À Profa. Dra. Ana Paula T. Pezzin, pela co-orientação, à Marina e ao Carlos e a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.
SUMÁRIO RESUMO ... 7 ABSTRACT ... 8 LISTA DE FIGURAS ... 9 LISTA DE TABELAS ... 12 1 INTRODUÇÃO ... 13 2 REVISÃO... 15 2.1 COMPÓSITOS ... 15
2.2 APLICAÇÕES DE FIBRAS EM COMPÓSITOS ... 19
2.2.1 Compósitos poliméricos com fibra de vidro ... 21
2.2.2 Compósitos com fibras vegetais... 24
2.3 PUPUNHEIRA (BACTRIS GASEPAES H.B.K.): CULTURA E APLICAÇÃO DE RESÍDUOS ... 31
2.4 ANÁLISES MORFOLÓGICAS E TÉRMICAS ... 34
2.4.1 Análise morfológica por microscopia eletrônica de varredura (MEV)... 35
2.4.2 Ensaio térmico - Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG)... 37
2.5 MÉTODOS DE ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS ... 41
2.5.1 Ensaio de resistência à tração ... 42
2.5.2 Ensaio de resistência ao impacto ... 45
2.6 DESIGN E O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL ... 47
2.6.1 Ecodesign ... 52
2.6.2 Aumento da vida útil de um produto - o produto durável... 55
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 60
3.1 MATERIAIS ... 60
3.2. MÉTODOS... 61
3.2.1 Extração e obtenção das fibras ... 61
3.2.2 Tratamentos superficiais... 63
3.2.2.1. Tratamento com hidróxido de sódio ... 63
3.2.2.2. Tratamento com acrilonitrila ... 64
3.2.2.3.Tratamento com peróxido de hidrogênio ... 64
3.2.3 Análise morfológica das fibras... 65
3.2.4 Análise térmica ... 65
3.2.5 Obtenção dos compósitos e preparação dos corpos de prova ... 66
3.2.6 Ensaios Mecânicos... 66
3.2.6.1 Ensaio de Tração... 67
3.2.6.2 Ensaio de Impacto Izod ... 68
3.2.7 Método estatístico... 68
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 70
4.1 ANÁLISE DA APLICAÇÃO DE FIBRA DE VIDRO EM COMPÓSITOS ... 70
4.2 IDENTIFICAÇÃO E SELEÇÃO DAS FIBRAS VEGETAIS ... 70
4.3 EXTRAÇÃO E OBTENÇÃO DAS FIBRAS ... 72
vi 4.4 ANÁLISE DO EFEITO DO TRATAMENTO SUPERFICIAL NA MORFOLOGIA DAS FIBRAS... 75
4.4.1 Superfície da fibra sem tratamento... 76
4.4.3 Superfície da fibra com tratamento acrilonitrila ... 78
4.4.4 Superfície da fibra com tratamento H2O2 20 V em 144 h... 78
4.5 EFEITO DOS TRATAMENTOS SUPERFICIAIS NA ESTABILIDADE TÉRMICA DAS FIBRAS... 80
4.5.1 Fibras sem tratamento... 80
4.5.2 Fibras tratadas com NaOH ... 82
4.5.2 Fibras tratadas com C3H3N ... 83
4.5.3 Fibras tratadas com H2O2 20 V 144 h ... 85
4.6 CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ... 86
4.7 ENSAIOS DE TRAÇÃO... 89
4.8 MICROGRAFIAS DAS FRATURAS ... 93
4.9 ANÁLISE DOS ENSAIOS DE IMPACTO IZOD ... 94
5 CONCLUSÃO... 96
RESUMO
Questões tocantes aos cuidados com o meio ambiente estão em evidência nos dias atuais, principalmente devido à escassez de recursos naturais e aos impactos causados pela ação do homem. Além disso, apesar da fibra de vidro ser muito utilizada no desenvolvimento de produtos, principalmente por suas propriedades físico-mecânicas, é um material considerado tóxico. Visando contribuir com o desenvolvimento sustentável, minimizar a exposição de trabalhadores à fibra de vidro, melhorando sua saúde e qualidade de vida e verificar a possibilidade de agregar valor a resíduos agroindustriais da extração do palmito de pupunha, cultura que está em ascensão na região de Joinville, averiguou-se a oportunidade de aplicar estes resíduos em compósitos do tipo resina poliéster/fibra vegetal. Deste modo, o presente estudo investigou a viabilidade de aplicação da fibra da folha da pupunheira como alternativa à fibra de vidro no desenvolvimento de compósitos e fez-se uma análise preliminar da aplicação desses em produtos. Para o estudo foram retiradas as fibras das folhas das palmáceas, resíduos gerados na extração do palmito. Estas fibras foram submetidas a três tratamentos químicos para que posteriormente fossem verificadas as alterações promovidas sobre a morfologia e estabilidade térmica destas fibras e seus reflexos no comportamento mecânico dos compósitos obtidos. Os tratamentos usados foram peróxido de hidrogênio (H2O2) 20 V, hidróxido de sódio (NaOH) 5 % v/v e acrilonitrila (C3H3N) 3 % v/v, a 144 h, 72 h e 24 h respectivamente. As fibras tratadas foram aplicadas em resina poliéster insaturada ortoftálica na proporção de 10 % m/m. Os compósitos obtidos foram submetidos aos ensaios de tração conforme norma ISO 527 e impacto, norma ASTM D-256 e o efeito dos tratamentos químicos puderam ser avaliados utilizando Teste t das amostras. As fibras tratadas com acrilonitrila registraram um ataque mais agressivo nas primeiras 24 h que aquelas tratadas com NaOH. Os resultados do ensaio de tração mostraram que os compósitos obtidos com fibras sem tratamento não têm propriedades significativamente diferentes daqueles com fibras tratadas, embora sejam evidenciadas alterações na superfície das fibras. Nos ensaios de impacto observou-se que os compósitos com fibras tratadas com H2O2 apresentaram características superiores às demais, mostrando que esse tratamento permite ampliar a resistência ao impacto desse material com as fibras na proporção de 10 %.
ABSTRACT
Moving questions to the cares with the environment are in evidence in the current days, mainly due to scarcity of natural resources and the impacts caused for the man’s action. Moreover, despite the fiberglass being a material very used in the development of products, mainly for its physical-mechanical properties, it is considered a material toxic. Aiming at to contribute with the sustainable development, to minimize the exposition of workers to the fiberglass, being improved its health and quality of life and to verify the possibility to add value to agro-industrial residues of the pejibaye palm extraction, culture that is in ascension in the region of Joinville (SC, Brazil), inquired the chance to apply these residues in composites type polyester resin/vegetal fiber. In this way, the present study investigates the viability to apply the fiber of pejibaye leaves as alternative to the fiberglass in the development of composites and makes a preliminary analysis of this application in products. For the study were used the fibers of pejibaye leaves that turn residues when the extraction of the fruit palm of pejibaye. These fibers had been submitted for three chemical treatments so that later it was verified the alteration promoted on the morphology and thermal stability of these fibers and its consequences in the mechanical behavior of the gotten composites. The used treatments had been hydrogen peroxide (H2O2) 20 V, (sodium hydroxide) NaOH 5 % v/v and acrylonitrile (C3H3N) 3 % v/v, 144 h, 72 h and 24 h respectively. The treated fibers had been applied on unsaturated orthophtalic polyester resin in the ratio of 10 % m/m. The gotten composites had been submitted to the assays of in agreement traction norm ISO 527 and impact, ASTM D-256 norm and the effect of the chemical treatment could be evaluated using Test t of the samples. The fibers dealt with C3H3N had registered a more aggressive attack in first 24 h that those treated with NaOH. The results of the traction assay had shown that the composites gotten with fibers without treatment do not have significantly different properties of those with treated fibers, even so are evidenced alterations in the surface of fibers. In the impact assays it was observed that the composites with fibers dealt with H2O2 had presented superior characteristics to the others, showing that this treatment allows extending the resistance to the impact of this material with fibers in the ratio of 10 %.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Representações esquemáticas das diversas características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar as propriedades dos compósitos: (a) concentração, (b) tamanho, (c)
forma, (d) distribuição e (e)
orientação... 17
Figura 2 – Esquema de classificação para os tipos de compósitos ... 18 Figura 3 – Representação esquemática de compósitos reforçados com fibras: (a)
contínuas e alinhadas; (b) descontínuas e alinhadas; (c) descontínuas
aleatórias... 19 Figura 4 – Efeito do tratamento com acrilonitrila nas propriedades de resistência à
tração e módulo de elasticidade do compósito de resina/fibra de
cânhamo. A= resina pura; B= compósito sem tratamento; C=
compósito com tratamento de
acrilonitrila... 25
Figura 5 – Micrografia de superfícies rompidas por tração: (a) compósito sem
tratamento; (b) compósito com tratamento de acrilonitrila (ampliação 150x)... 26 Figura 6 – Micrografias da superfície de fratura do corpo de prova do compósito de
resina poliéster com fibras de bagaço de cana após ruptura no teste de impacto: (a) sem tratamento; (b) com tratamento de NaOH a 10%. (ampliação
800x)... 27
Figura 7 – Fibra da bananeira: (a) com tratamento em solução de NaOH 5%; (b) sem
tratamento... 28
Figura 8 – Fruto da pupunha... 32 Figura 9 – Palmito da pupunha. ... 32 Figura 10 – Aparador revestido com o compensado da madeira da pupunha... 33 Figura 11 – Exemplo de micrografia de uma fibra da folha da pupunheira sem tratamento (ampliação 500x)... 35 Figura 12 – Modos de termogravimetria: (a) TG quase-isotérmica; (b) TG dinâmica ou convencional ... 37 Figura 13 – Características de uma curva TG de uma reação de decomposição
térmica que ocorre em uma única etapa... 38 Figura 14 – Curvas TG (linha tracejada) e DTG (linha sólida) de uma reação de
decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Características
da curva DTG.
... 40 Figura 15 – Representação esquemática do dispositivo de
ensaio de tração uniaxial. ... 43 Figura 16 – Designação dos parâmetros no ensaio de tração... 44 Figura 17 – Representação esquemática: (a) equipamento de ensaios; (b) corpos
de prova Charpy e
Figura 18 – Roda de Deming... 55 Figura 19 – Chaise long LC4 Cheval de Le Corbusier, projetada em 1928... 58 Figura 20 – Fluxograma do processo de obtenção, limpeza, caracterização das
fibras das folhas de palmito pupunha e sua aplicação em compósitos de
resina poliéster/ fibra vegetal... 61 x
Figura 21 – Plantação de Palmito de Pupunha em propriedade localizada na
Estrada do
Quiriri... 62
Figura 22 – Resíduos fibrosos da Pupunha. ... 62 Figura 23 – Equipamento de ensaio de tração
(marca EMIC, modelo DL 10000/700) ... 67 Figura 24 – Aparelho de Impacto AIC da marca EMIC... 68 Figura 25 – Pontos de localização de cultivo
da pupunha na região de Joinville...71 Figura 26 – Fibras existentes no caule secundário... 73 Figura 27 – Fibras existentes nas folhas... 73 Figura 28 – Fibras trituradas do resíduo do caule
secundário da pupunheira... 74 Figura 29 – Processo de obtenção das fibras das folhas da palmácea... 75 Figura 30 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma
fibra de pupunha sem tratamento: (a) ampliação 500x;
(b) ampliação 1000x... 76 Figura 31 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma
fibra de pupunha com tratamento NaOH 5%: (a) 24h; (b) 48h;
(c) 72h (ampliação 500x)... 77 Figura 32 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma
fibra de pupunha com tratamento acrilonitrila: (a) 24h;
(b) 48h (ampliação 500x)... 78 Figura 33 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma
fibra de pupunha com tratamento com H2O2 20V com agitação: (a) 24h; (b) 48h; (c) 72h; (d) 96h; (e) 120h; (f) 144h (ampliação 1000x) ... 79 Figura 34 – Curvas de TG e DTG para as fibras fina e grossa de
palmito pupunha sem tratamento... 81 Figura 35 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha
tratadas com NaOH 5% - 1) 24h, 2) 48h, 3) 72h
e fibra sem tratamento... 82 Figura 36 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha tratadas
com acrilonitrila 3%: 1) 24h, 2) 48h e sem tratamento... 84 Figura 37 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha sem
tratamento e tratadas com H2O2 20V – 144h... 85 Figura 38 – Estudos preliminares de resina/fibra vegetal variando a espessura e a
percentagem de fibra: (a) 16%, (b) 12% (c) 12%, (d) 10%... 87 Figura 39 – Placa de compósito resina/fibra 10% (m/m) fibra/ resina para
confecção de corpos de prova para ensaios de tração... 88 Figura 40 – Comparação entre os dados: (a) Resistência à tração (MPa),
(b) Módulo de Young (MPa) e (c) Alongamento (%)
obtidos dos ensaios de tração... 90 Figura 41 – Curvas com os valores médios do Módulo de Young dos
compósitos: sem tratamento; NaOH; C3H3N; H2O2; FV 10%... 92 Figura 42 – Micrografias das superfícies de fraturas dos corpos de prova
obtidas por MEV dos compósitos de resina/fibra de pupunha após o ensaio de tração: (a) C3H3N; (b) H2O2; (c) NaOH; (d) sem tratamento (ampliação 500x)... 93 Figura 43 – Comparação entre os dados obtidos nos ensaios de resistência ao impacto Izod (J/m) ... 95
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Resultados obtidos na caracterização mecânica dos compósitos... 28 TABELA 2 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de
degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa, determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas ... 81 TABELA 3 – Tabela 3 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima
de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com NaOH... 83 TABELA 4 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de
degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com C3H3N... 84 TABELA 5 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de
degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com H2O2 20V... 86 TABELA 6 – Resultados obtidos no ensaio de tração dos compósitos... 90 TABELA 7 – Resultados obtidos no ensaio de impacto... 94
1 INTRODUÇÃO
A fibra de vidro é o material mais utilizado no desenvolvimento de produtos,
principalmente por apresentar excelente resistência à corrosão e à umidade,
retenção das propriedades mecânicas em altas temperaturas, facilidade de
processamento e baixo custo. Além disso, quando usado em um compósito, permite
o trabalho com formas complexas e de grande porte, tais como cascos de barcos,
peças para frentes e traseiras de ônibus e caminhões, carrocerias de carros
esportivos, piscinas, tubos para esgoto, etc. Porém, é bastante poluente; seus
resíduos sólidos são de difícil reaproveitamento, além de ser altamente tóxico às
pessoas que estão em contato direto com o produto, podendo ocasionar doenças
respiratórias, entre elas o câncer de pulmão.
A aplicação de fibras vegetais como substitutas da fibra de vidro em matrizes
poliméricas para a confecção de compósitos vem sendo estudada principalmente
porque são consideradas fontes renováveis e compreendidas como importantes para
o desenvolvimento sustentável. Para este trabalho selecionou-se a fibra do palmito
de pupunha entre as fibras provenientes de resíduos agroindustriais da região de
Joinville (SC), tanto para criar uma alternativa de reaproveitamento desses resíduos,
quanto buscar a minimização da exposição de trabalhadores à fibra de vidro, o que
pode refletir na saúde e qualidade de vida desses indivíduos. Este trabalho pondera
tanto questões ambientais como os reflexos sobre a saúde dos trabalhadores,
evidenciando a inter-relação saúde e ambiente.
Utilizar fibras vegetais, com ou sem tratamento, em substituição à fibra de
vidro e caracterizar algumas propriedades desse material antes e depois de
aplicações desses compósitos em produtos. A caracterização térmica das fibras e
mecânica dos compósitos, bem como o perfil do produto a ser viabilizado por esses
sistemas foi verificado e será apresentado neste estudo.
Na seção 1 é apresentado o estado da arte, apontando o que já foi
trabalhado a respeito do tema. São abordados os materiais compósitos e suas
aplicações, a cultura e aplicação dos resíduos do palmito de pupunha, os métodos
de análise: morfológica, térmica, das propriedades mecânicas de compósitos, além
de abordar o Design e o desenvolvimento sustentável.
A seção 2 descreve a metodologia e os instrumentos de pesquisa usados
para o estudo, mostrando as etapas e atividades desenvolvidas. Apresenta desde a
análise da aplicação da fibra de vidro em compósitos, identificação e seleção,
extração e obtenção das fibras vegetais, os processos de tratamentos químicos
realizados, para melhoramento das propriedades das fibras, até a obtenção dos
compósitos, a confecção de corpos de prova e caracterização mecânica desse novo
material.
Na seção 3 são apresentados e discutidos os resultados deste estudo,
2 REVISÃO
2.1 Compósitos
A evolução tecnológica e a crescente demanda por novos produtos exige
materiais altamente capacitados para a execução das aplicações propostas. O
desenvolvimento de materiais compósitos surgiu da necessidade de se obter
materiais que pudessem atender a algumas exigências técnicas, tais como:
- Leveza e facilidade de transporte: produtos fabricados a partir de
compósitos apresentam um baixo peso específico, sendo amplamente utilizados nos
setores aeronáutico, naval, automobilístico e outros.
- Resistência química: esta característica permite sua utilização em uma
ampla gama de ambientes quimicamente agressivos, além dos aditivos especiais e
resinas específicas que estão à disposição para aplicações que requeiram
propriedades além das usuais.
- Resistência às intempéries: umidade, vento, sol, oscilações térmicas
tem baixa ação prejudicial sobre os compósitos e quando características não usuais
são requeridas, aditivos como protetores de UV, agentes anti-pó, resinas especiais
são amplamente utilizados.
- Flexibilidade arquitetônica: moldes com formas complexas são
facilmente adaptáveis aos processos em utilização.
- Durabilidade: devido à sua composição e à reticulação polimérica
formada durante o processo de moldagem, apresenta como característica uma alta
- Fácil manutenção: apresentam técnicas simples de reparo e
manutenção.
- Resistência mecânica: apresentam excelente resistência mecânica que
possibilita a sua aplicação em peças de grande porte.
Essas exigências são consideradas as principais características dos
compósitos segundo a Associação Brasileira de Materiais Compósitos (ABMACO,
2007).
Os compósitos são materiais criados através da combinação de dois ou mais
componentes distintos, de maneira a alcançar uma melhor combinação de
propriedades. Muitas tecnologias modernas requerem materiais com propriedades
incomuns que não podem ser atendidas por materiais convencionais, ligas metálicas
ou cerâmicas (CALLISTER, 2002).
Para um material ser considerado compósito, deve atender a alguns critérios:
ser composto por dois ou mais materiais insolúveis, ou seja, que mantêm sua
identidade no material final, mas com formas e/ou propriedades distintas; as
propriedades finais dos compósitos necessitam ser diferentes das de seus materiais
constituintes, que devem estar presentes em proporções razoáveis (no mínimo 5%);
e as diferentes fases devem estar separadas por uma interface de escala
microscópica (AMICO, 2006).
Dentre os segmentos de mercado que utilizam compósitos como
matéria-prima, destacam-se segundo a ABMACO (2007):
- Saneamento básico: fabricação de tubos e estações de tratamento de
água e efluentes.
- Transporte (automotivo, ferroviário, marítimo e aéreo): o Brasil é um dos
investimentos das montadoras internacionais em nosso país e ao constante
crescimento deste segmento, sinaliza um excelente potencial de desenvolvimento
para a indústria de compósitos. A destacada atuação do Brasil nos setores de
transporte ferroviário e aeronáutico também abre boas perspectivas para as
empresas.
- Químico e Petroquímico: 20% das plataformas de petróleo da Petrobrás
já utilizam produtos fabricados a partir de compósitos, substituindo, por exemplo, as
grades de piso em aço.
- Construção Civil: o compósito já é amplamente utilizado por este
segmento, principalmente na fabricação de caixas d'água, tanques, coberturas,
perfis, mármore sintético, banheiras e telhas.
- Eletro-eletrônico: as concessionárias de telefonia e energia elétrica já
estão utilizando amplamente o compósito em suas obras de manutenção e
expansão em leitos para cabos, antenas, elementos de isolação e cabines
telefônicas.
- Lazer: utilização de compósitos de fibra de vidro para fabricação de
materiais para parques temáticos e piscinas.
A maioria dos materiais compósitos é constituída por duas fases distintas: a
matriz, que é contínua e envolve a outra fase, chamada de fase dispersa,
normalmente mais dura, mais rígida e mais resistente que a matriz (com algumas
exceções). Como as duas fases estão ligadas por uma interface, a carga aplicada ao
compósito é compartilhada pela fibra e pela matriz, sendo o reforço quase sempre
responsável pela maior sustentação do esforço (AMICO, 2006).
As propriedades finais dos compósitos são uma função das propriedades de
distribuição e orientação das partículas (CALLISTER, 2002). A geometria do reforço
é um dos fatores que determinam sua efetividade, pois as propriedades mecânicas
dos compósitos são diretamente influenciadas por seu formato e dimensões
(AMICO, 2006). Na Figura 1 são apresentadas algumas representações referentes
às diversas características da fase dispersa dos compósitos.
Figura 1 – Representações esquemáticas das diversas características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar as propriedades dos compósitos: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição e (e) orientação. Fonte: Callister (2002).
Os materiais compósitos podem ser classificados em três divisões principais:
os compósitos reforçados com partículas, os reforçados com fibras e os estruturais,
Figura 2 – Esquema de classificação para os tipos de compósitos. Fonte: Callister (2002).
Nos compósitos reforçados com partículas, a fase dispersa tem eixos iguais,
sendo as dimensões das partículas aproximadamente as mesmas em todas as
direções. Para os compósitos reforçados com fibras, a fase dispersa tem a
geometria de uma fibra, com uma grande razão entre o comprimento e o diâmetro; já
os compósitos estruturais são combinações de compósitos e materiais homogêneos
(CALLISTER, 2002).
2.2 Aplicações de fibras em compósitos
Os compósitos reforçados com fibras são classificados de acordo com o
comprimento das mesmas. As características mecânicas de um compósito reforçado
com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau
segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela matriz. Desta
resistência, além do fortalecimento do material compósito. Este comprimento crítico
(lc) vai depender do diâmetro da fibra (d) e de sua resistência final (σ*f), como
também da força de ligação entre a fibra e a matriz (Τc), de acordo com a equação 1
(CALLISTER, 2002):
lc= σ*f d (1) 2 Τc
A orientação, concentração e distribuição das fibras também exercem
influência na resistência e em outras propriedades dos compósitos reforçados com
fibras. Existem duas possibilidades de orientação: alinhamento paralelo ao eixo
longitudinal das fibras e alinhamento totalmente aleatório. Normalmente, as fibras
contínuas (longas) estão alinhadas e as fibras descontínuas (curtas) podem estar
alinhadas ou orientadas aleatoriamente (Figura 3). A melhor combinação das
propriedades dos compósitos se dá quando a distribuição das fibras é uniforme
(CALLISTER, 2002).
Figura 3 – Representação esquemática de compósitos reforçados com fibras: (a) contínuas e alinhadas; (b) descontínuas e alinhadas; (c) descontínuas aleatórias Fonte: Callister (2002).
A matriz pode ser metálica, cerâmica ou polimérica, sendo que de maneira
são rígidos e quebradiços e os metais têm resistência e módulos intermediários,
sendo também dúcteis. Devem dar suporte e proteção à fibra, evitando falhas de
superfície e suportando tensões de cisalhamento (AMICO, 2006).
Da mesma forma os reforços também podem ser metálicos, cerâmicos ou
poliméricos. Pode ser em partículas ou fibras, sendo que a fibra é geralmente usada
e pelo menos uma das dimensões desta fibra deve ser pequena (1-500µm) (AMICO,
2006).
2.2.1 Compósitos poliméricos com fibra de vidro
Compósitos poliméricos são materiais de moldagem estrutural, compostos por
uma fase contínua polimérica (matriz) reforçada por uma fase descontínua,
normalmente formada por fibra de vidro, aramida ou de carbono dependendo da
aplicação final. Estas duas fases agregam-se físico-quimicamente após um processo
de cura (reticulação polimérica) (ABMACO, 2007).
Dentre os compósitos, os que utilizam fibra de vidro são aplicados no
desenvolvimento de diversos produtos, como caixas d’água, piscinas, cascos de
barco, etc. Segundo Mano e Mendes (1999), a fibra de vidro ou fiberglass é ainda
um material comumente utilizado em alguns segmentos de mercado, devido às
características como resistência a variações de temperatura e por não permitir
alterações substanciais das propriedades mecânicas. É um material rígido, com
resistência química e às intempéries. Devido à sua facilidade de processamento,
corrugadas, cascos de barcos, carrocerias de carros, piscinas, silos, tubos para
esgoto industrial e luminárias decorativas.
Os compósitos com fibra de vidro utilizam fibras contínuas ou descontínuas
em uma matriz polimérica, sendo o vidro considerado um dos mais utilizados
compósitos por várias razões (CALLISTER, 2002):
- é facilmente estirado na forma de fibras de alta resistência a partir do seu
estado fundido;
- é um material amplamente disponível e pode ser fabricado
economicamente para formar um plástico reforçado com vidro, empregando-se uma
variedade de técnicas de fabricação de materiais compósitos;
- como uma fibra, ele é relativamente forte e, quando se encontra no
interior de uma matriz polimérica produz um compósito que possui resistência
específica muito alta;
- quando associado com diferentes polímeros, possui uma inércia química
que torna o compósito útil para aplicação em meio a uma variedade de ambientes
corrosivos.
As resinas mais utilizadas para constituir compósitos reforçados com fibra de
vidro são os poliésteres e as vinil ésteres; são também as de menor custo. Já as
resinas epóxi possuem um custo mais elevado, sendo muito utilizadas em
aplicações aeroespaciais, por apresentarem melhores propriedades mecânicas e
melhor resistência à umidade que as demais. Para aplicações a altas temperaturas
são usadas as resinas poliimidas e as termoplásticas (CALLISTER, 2002).
Apesar de suas características apropriadas para o desenvolvimento de
compósitos, a fibra de vidro é um material de manuseio complexo, tóxico para os
exige operações adicionais de tratamento, poluindo com maior facilidade o meio
ambiente. Estudos para melhorar estas condições de reciclagem vêm sendo
trabalhados. No trabalho de Sánchez et. al. (2007) é feita a aplicação do processo
de pirólise em materiais compósitos de poliéster insaturado/ fibra de vidro, de forma
a separar a fibra e recuperar o polímero na forma de gás e líquidos.
Segundo Ferreira (2004), a corrente da sustentabilidade entende que
poluição é uma forma de desperdício e ineficiência dos processos produtivos pela
perda de matérias-primas e insumos na fabricação de produtos. Assim, a busca da
qualidade ambiental passa pela concepção do produto e do próprio processo
produtivo, através de gerenciamento de resíduos, utilização de forma consciente das
matérias-primas, minimização do consumo energético e dos insumos necessários ao
processo.
Problemas relacionados à saúde das pessoas que ficam em contato direto
com a fibra de vidro também são levantados. Porém, existem controvérsias entre
alguns autores. Segundo Yam (1996) a inalação da fibra de vidro expõe seus
manipuladores a grandes riscos de câncer. O autor relata que estudos realizados
pelo Conselho de Defesa dos Recursos Naturais (NRDC; Washington), mostram que
os riscos de câncer ocasionados pela inalação da fibra de vidro são iguais ou
maiores que os ocasionados por amianto. O câncer pode ocorrer nos olhos, pele ou
sistema respiratório. Nos estudos feitos por Hesterberg et al. (1999) com hamesters,
todos os animais expostos à fibra tiveram inflamações pulmonares e elevada perda
das células pulmonares. Para os autores, tanto a fibra quanto o amianto induzem à
fibrose e mesotelioma pleural. Estas descobertas apoiam a idéia do potencial tóxico
da fibra de vidro. Para Baan e Grosse (2004) materiais como a fibra de vidro são
transportadas pelo ar e inaladas em sua produção, uso e eliminação. Segundo
afirmam, estas partículas têm propriedades físicas similares às do amianto. O
comportamento de suas fibras proporciona a mesma propriedade aerodinâmica e
leva à sedimentação das fibras transportadas por todo o sistema respiratório.
Analisando suas características, a fibra de vidro é muito fina, semelhante a um
alfinete, facilitando sua aspiração e sedimentação. Mas, ao contrário do amianto, a
fibra de vidro é sintética e amorfa e geralmente tem uma menor biopersistência no
pulmão. Os autores afirmam ainda que as fibras de amianto podem causar dois tipos
diferentes de malignidades em humanos: mesotelioma maligno, que surge no
revestimento das cavidades do corpo e o carcinoma do pulmão, que aparece nas
células epiteliais pulmonares. Por esta razão, estudos epidemiológicos da fibra de
vidro são focados principalmente nestes dois tipos de câncer. Entretanto, nas
avaliações feitas em um estudo de coorte em 2001 (FAYERWEATHER, 2002) existe
uma evidência inadequada para carcinogenicidade em humanos, com base em
informação epidemiológica. Segundo esse estudo, para a exposição de pessoas em
ambientes contendo 0,05 fibras/cm³, o risco de câncer não é estatisticamente
diferente daquelas que não se expõem à fibra de vidro. Os autores afirmam que não
há registro de relação tempo-dependente entre a primeira exposição e a presença
de tumor.
2.2.2 Compósitos com fibras vegetais
Atualmente é crescente o número de pesquisas que envolvem compósitos
com fibras vegetais, principalmente referentes à substituição de fibras sintéticas.
Salazar et. al. (2005) destacam a utilização destas fibras em substituição a fibras
como fibra de vidro, amianto, Kevlar, nylon, boro e carbono, principalmente por estas
apresentarem uma ou mais das seguintes características: custo elevado, serem
abrasivas a equipamentos de processamento, possuírem alta densidade, não serem
biodegradáveis, além de gerar um alto custo de reciclagem e potenciais problemas à
saúde e ao ambiente. O uso de fibras vegetais se torna vantajoso justamente por ter
características opostas: baixo custo, baixa densidade, não serem abrasivas, serem
fonte de recursos naturais renováveis, biodegradáveis, não tóxicas, podendo ser
incineradas e facilmente modificadas por agentes químicos.
Metha et al. (2004) também destacam o estudo dos biocompósitos. Segundo
eles, são materiais do futuro por gerar a possibilidade de manter o balanço entre
ecologia e economia. Estes autores destacam que o interesse e a pesquisa nesta
área têm crescido de forma exponencial na última década e que o benefício maior
está na utilização de fibras naturais como reforço em componentes termoplásticos e
termofixos. Embora os termoplásticos tenham a vantagem de permitir a reciclagem,
os termofixos têm como meta o aperfeiçoamento de suas propriedades mecânicas
na utilização de biocompósitos. Como já visto, as fibras naturais oferecem muitas
vantagens, mas existem algumas limitações, pois as biofibras são hidrofílicas e têm
baixa compatibilidade com as respectivas matrizes poliméricas hidrofóbicas,
necessitando de tratamentos químicos para melhorar suas propriedades (METHA et
al., 2004).
Estudos demonstram que a adesão de fibras vegetais com uma matriz é um
fator crítico na melhoria das propriedades mecânicas dos compósitos e que as
soluções ainda estão sendo testadas. Estas recaem principalmente na utilização de
nas resinas, melhorando as características de interface entre a matriz e a fibra
(SANCHEZ et al., 2002; AZIZ et al., 2006; BRAHIM & CHEIKH, 2007).
Para Metha et al. (2004) a aplicação de um tratamento químico nas fibras
naturais pode tornar possível o emprego de compósitos com essas fibras e poliéster,
uma vez que consegue melhorar suas características mecânicas. Sem a aplicação
de tratamentos, a utilização destes biocompósitos pode ficar comprometida ou
limitada, pois a característica hidrofílica é responsável pela absorção de água, sendo
contrária à característica da fibra de vidro, por exemplo, de resistir às intempéries.
Nesse trabalho os autores mostram que a fibra de cânhamo, quando tratada com
acrilonitrila, aumenta em 80 % sua resistência à tração, comparando-se com o
compósito utilizando fibra sem tratamento, além de aumentar também seu módulo
de elasticidade (Figura 4).
Figura 4 – Efeito do tratamento com acrilonitrila nas propriedades de resistência à tração e módulo de elasticidade do compósito de resina/fibra de cânhamo. A= resina pura; B= compósito sem tratamento; C= compósito com tratamento de acrilonitrila. Fonte: Metha et al., 2004.
Nas micrografias realizadas neste estudo (Figura 5) verifica-se que nos
ensaios de tração, os compósitos com fibras tratadas com acrilonitrila apresentaram
Figura 5 – Micrografia de superfícies rompidas por tração: (a) compósito sem tratamento; (b) compósito com tratamento de acrilonitrila (ampliação 150x). Fonte: Metha et al., 2004.
Já Cavani et al. (2004) aplicaram sobre fibras de bagaço de cana, tratamentos
com solução de hidróxido de sódio (NaOH) a 10 % por 24 h e com solução metanol
e silano 2 %, também por 24 h. Os ensaios de impacto realizados mostraram que os
compósitos de resina poliéster confeccionados com o bagaço tratado com hidróxido
de sódio apresentaram resultados superiores aos compósitos com bagaço sem
tratamento. As análises por microscopia eletrônica de varredura - MEV (Figura 6) -
confirmaram a adesão entre as fibras tratadas e a matriz polimérica, o que evidencia
a mudança da superfície do bagaço em função do tratamento químico.
Figura 6 – Micrografias da superfície de fratura do corpo de prova do compósito de resina poliéster com fibras de bagaço de cana após ruptura no teste de impacto: (a) sem
tratamento; (b) com tratamento de NaOH a 10 % (ampliação 800x). Fonte: Cavani et al., 2004.
Campomanes-Santana et al. (2004) avaliaram o efeito de tratamentos
químicos em fibras de bambu nas propriedades destes compósitos. As fibras foram
submetidas a tratamento com água a 100 °C por 1 h e solução de NaOH em 3 diferentes concentrações de massa (1, 5 e 10 % m/m) a 85 °C por 15 min. O tratamento químico com alta concentração de NaOH exerceu forte influência nas
propriedades físicas dos compósitos, tais como decréscimo da densidade e aumento
da umidade e absorção de água.
Fibras extraídas do caule da bananeira foram utilizadas por Wessler et al.
(2004) que fizeram experimentos realizando tratamento superficial com solução
aquosa a 5 % de NaOH e tratamento de imersão na própria resina poliéster. De
acordo com os resultados dos experimentos (Tabela 1), o tratamento efetuado pela
imersão prévia das fibras na resina não resultou em compósitos com boas
propriedades. Embora o material preparado com fibras tratadas com NaOH tenha
apresentado maior resistência à tração, a resistência ao impacto foi comprometida.
Tabela 1 – Resultados obtidos na caracterização mecânica dos compósitos.
Compósitos - fibras com 10mm Compósitos - fibras com 50mm Propriedades Sem
tratamento Imersão em NaOH Imersão em resina tratamento Sem Imersão em NaOH Imersão em resina Resistência à tração (MPa) 12,02 (±0,99) (±1,51) 18,28 (±0,7899) 8,45 (±1,46) 13,33 (±0,97) 12,68 (±1,83) 7,10 Alongamento (%) (±0,37) 3,25 (±0,35) 3,68 (±0,33) 2,32 (±0,54) 3,12 (±0,34) 2,66 (±0,36) 2,43 Resistência ao impacto (KJ/m²) (±0,76) 7,46 (±0,26) 1,76 (±2,79) 5,88 (±2,84) 7,30 (±1,18) 3,40 (±3,81) 6,63
Nas micrografias obtidas por MEV no estudo com a fibra da bananeira (Figura
7), verifica-se que a fibra tratada apresentou uma superfície mais irregular que a não
tratada (que apresentou uma regularidade não esperada para uma fibra natural,
provavelmente atribuída ao método de raspagem no processo de extração da fibra).
Segundo Wessler et. al (2004), isto pode permitir uma maior adesão e maior
facilidade de dispersão na matriz polimérica.
Figura 7 – Fibra da bananeira: (a) com tratamento em solução de NaOH 5 %; (b) sem tratamento. Fonte: Wessler et al., 2004.
Nas curvas termogravimétricas obtidas para fibras de bananeira tratadas com
NaOH e sem tratamento, verificou-se que o teor de umidade situou-se próximo a 9
% nos dois casos. Quanto à temperatura de início de decomposição, averiguou-se
que o tratamento superficial efetuado apresentou uma variação de aproximadamente
15 °C na estabilidade térmica da fibra, sendo a temperatura de início de degradação para a fibra não tratada igual a 295 °C e para a fibra tratada, 270 °C.
No Brasil, outras fibras que estão se destacando em pesquisas de
biocompósitos são as de coco, sisal e curauá. A fibra de coco está sendo
amplamente usada em compósitos com látex, principalmente na fabricação de
Salazar et. al. (2005), este compósito apresentou várias vantagens em relação à
espuma de poliuretano, entre elas ótima aeração, biodegrabilidade, reciclabilidade,
custo equivalente ao da espuma, produto renovável e combustão sem gases tóxicos.
A aplicação de fibras de sisal no reforço de matrizes poliméricas
apresentam-se como alternativa uma vez que apresentam-seus compósitos mostram elevada resistência ao
impacto, além de moderada resistência à tração e em flexão quando comparadas a
compósitos reforçados com outras fibras vegetais (JOSEPH et. al.,1999).
Outro material com potencial de aplicação é o curauá, que produz uma fibra
de alta resistência. Segundo Mothé e Araújo (2004), quando misturada a polímeros,
pode originar produtos com menor densidade, promover a diminuição de custo
referente à matéria-prima, além da vantagem de se empregar uma matéria-prima de
fonte renovável.
Estudos mais recentes apontam a utilização de duas ou mais substâncias
como reforço para uma mesma matriz, que originam os chamados compósitos
híbridos. Conforme Idicula et al. (2006), é crescente o interesse pela hibridização
com diferentes fibras naturais a fim de produzir materiais compósitos com maior
performance. Destacam o uso de fibras de banana/ sisal e fibras de folhas de
abacaxi/ fibra de vidro em compósitos híbridos de poliéster. Também são apontados
estudos de outros autores com híbridos de rami/ tecido de algodão em matriz
poliéster e sisal/ fibra de dendê como reforços de compósitos com borracha natural
2.3 Pupunheira (Bactris gasepaes H.B.K.): cultura e aplicação de resíduos
O Brasil é o maior produtor, consumidor e exportador de palmito do mundo.
Segundo Santos et. al. (2006), estima-se que aproximadamente 99% do palmito
comercial brasileiro, aproximadamente 70 mil toneladas, originam-se do extrativismo,
principalmente, do açaí, na região do delta do rio Amazonas, e, em menor escala, da
juçara na Mata Atlântica das regiões Sul e Sudeste do país. Para Chaimsohn e
Durigan (2006), em função do esgotamento das reservas naturais do palmito juçara
devido à acentuada devastação, o cultivo de palmáceas alternativas para produção
de palmito tem crescido no Centro-Sul do país. Esta cultura foi inicialmente
introduzida nesta região aproximadamente há 20 anos, tendo sua maior expansão a
partir de meados da década de 90. Neste contexto, Santos et. al. (2006) afirmam
que “o cultivo da pupunha e da palmeira real para palmito constituem-se em
importantes alternativas agroecológicas para diversificação e fonte de renda para
sistemas de produção em várias regiões brasileiras”.
A pupunheira é uma palmeira da família das palmáceas, nativa dos trópicos
úmidos americanos, cultivada por índios da América Central e Amazônia desde
aproximadamente 1545, porém não se sabe com exatidão a sua origem apesar do
conhecimento de seu uso por índios que ocupavam as regiões quentes desde o
Estado do Pará ao sul do México (CARMO et al., 2003).
Uma iniciativa do grupo de pesquisa com a Pupunha, liderado pelo Instituto
Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), a descreve como uma espécie
domesticada, ocorrendo apenas onde é plantada e sua abundância depende da
domesticada, a tolerância ecológica da pupunha é muito mais ampla do que
qualquer um de seus prováveis ancestrais”. (PUPUNHA-NET, 2006).
O habitat natural da pupunheira são regiões de mata úmida, com índices
pluviométricos variando entre 1500 a 6000 mm, com uma distribuição adequada de
chuvas. A altitude também é variável, indo desde o nível do mar a até
aproximadamente 2000 m. A temperatura média anual das regiões onde é
encontrada varia entre 22 e 28 ºC, com umidade relativa do ar acima de 80 %
(CARMO et al., 2003; PUPUNHA-NET, 2006).
Da pupunheira é usado praticamente tudo. Os principais usos destacados são
para consumo, seja in natura, a partir do fruto cozido (Figura 8), o fruto em forma de
farinha ou para ração animal, além do palmito (caule secundário), apresentado na
Figura 9. Também são usadas as sementes em consumo direto como noz e as
flores como condimentos para saladas (CARMO et al., 2003; PUPUNHA-NET,
2006).
Figura 9 – Palmito da pupunha. Fonte: INPA, 2006.
Também são destacados alguns usos secundários como a utilização do fruto
para óleo e a utilização dos espinhos como agulha pelos índios. O crescimento da
pupunha é muito rápido, tornando-se alta demais para a fácil coleta dos frutos,
sendo indicada a renovação periódica das plantações para frutos, eliminando-se
alguns dos estipes e utilizando a madeira de sua parte externa. Esta madeira pode
ser usada em pequenas construções, arcos e flechas, varas de pescar (CARMO et
al., 2003; PUPUNHA-NET, 2006). A madeira possui uma cor parda-escura com
fibras amarelas, é forte e durável, fácil de trabalhar, aceitando um bom acabamento.
Pesquisas do INPA identificaram qualidades especiais que também sugerem seu
uso em instrumentos musicais e artesanato. Outro uso obtido a partir de ripas do
estipe da pupunheira é o compensado (FIBRA DESIGN SUSTENTÁVEL, 2007). As
ripas são prensadas horizontalmente com adesivo de base vegetal. Este material
possui um acabamento final de alta qualidade proporcionada por sua textura fina. Na
Figura 10 é possível observar um aparador revestido com o compensado de
Figura 10 – Aparador revestido com o compensado da madeira da pupunha. Fonte: Fibra Design Sustentável, 2007.
Além disso, seu perfilhamento a torna uma espécie perene (ou semiperene),
propiciando o corte de mais de um palmito/planta a partir do corte da planta mãe,
aumentando o rendimento do agricultor. Os resíduos resultantes do corte do palmito
são suas folhas e resíduos do caule secundário, parte da palmácea usada na
alimentação como palmito.
2.4 Análises morfológicas e térmicas
Para acompanhamento dos efeitos de tratamentos químicos sobre as fibras
vegetais e da interação resina/ fibra são realizadas rotineiramente análises
2.4.1 Análise morfológica por microscopia eletrônica de varredura (MEV)
Dentre as formas de monitorar a qualidade mecânica dos compósitos
poliméricos e para o estudo da estrutura fina e da morfologia de materiais,
costuma-se usar técnicas de inspeção morfológica, destacando-costuma-se aqui a microscopia
eletrônica de varredura (MEV). Por meio de um microscópio eletrônico são obtidas
imagens tridimensionais a partir da utilização de elétrons (GONÇALVES, 2003).
Na utilização de um microscópio eletrônico em relação a um microscópio
óptico, a vantagem destacada é a alta resolução das imagens, garantindo obter alta
ampliação de detalhes próximos sem perder a nitidez. Por meio dos equipamentos
eletrônicos podem ser verificados detalhes menores que 1 nanômetro
(GONÇALVES, 2003).
Padilha (2004) ressalta que a microestrutura observada no microscópio
eletrônico apresenta uma descrição qualitativa dos diferentes microconstituintes e
dos defeitos presentes na mesma. O autor destaca ainda que as propriedades dos
materiais dependem da sua microestrutura, citando as influências do tamanho do
grão e da dispersão de uma segunda fase sobre as propriedades mecânicas.
As amostras para verificação devem ser preparadas, pois materiais não
condutores, como a maioria dos polímeros, devem receber revestimentos condutivos
ou o uso de baixa voltagem de aceleração do feixe de elétrons para evitar o acúmulo
de carga negativa. A montagem da amostra é feita sobre suportes metálicos,
aplicando adesivos condutivos como fitas de carbono. Os revestimentos condutivos
mais empregados são o ouro, liga ouro-paládio, platina, alumínio e carbono,
mascarar a topografia da superfície, mas a ponto de conduzir o excesso de carga
negativa (GONÇALVES, 2003).
Na Figura 11 observa-se o exemplo de uma micrografia obtida a partir de um
MEV.
Figura 11 – Exemplo de micrografia de uma fibra da folha da pupunheira sem tratamento (ampliação 500x). Fonte: arquivo pessoal.
O MEV é um método que permite visualizar a morfologia e o entrelaçamento
das fibras, verificando sua estrutura e a implicação do uso de tratamentos químicos.
Também pode ser avaliado o grau de adesão interfacial das fibras na matriz
polimérica. Gonçalves (2003) também destaca a avaliação mais detalhada do
comportamento mecânico de um processo de fratura em experimentos de
deformação e os diferentes domínios em materiais multifásicos, aplicando-se
técnicas de ataque seletivo.
As análises térmicas permitem obter informações, tais como o perfil de
degradação do material, bem como a interação entre a resina e a fibra, no caso dos
2.4.2 Ensaio térmico - Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG)
A termogravimetria permite verificar a variação da perda de massa e
degradação térmica dos materiais durante o aquecimento e o tipo de decomposição
do material (SCHWEDT, 1999). Segundo Mothé e Araujo (2004) esta é uma
importante técnica analítica usada para avaliar a estabilidade térmica dos
compósitos e estabelecer um melhor entendimento da relação estrutura/propriedade,
fornecendo dados como o limite máximo de temperatura do compósito para sua
aplicação, possibilitando também a realização de um estudo cinético para
determinação de parâmetros cinéticos.
Dois modos de TG são comumente usados, como ilustrado na Figura 12.
Figura 12 – Modos de termogravimetria: (a) TG quase-isotérmica; (b) TG dinâmica ou convencional. Fonte: Matos e Machado, 2003.
Na Figura 12a tem-se uma TG quase-isotérmica, sendo a amostra aquecida a
uma razão de aquecimento linear enquanto não ocorre variação de massa; a partir
do momento em que a balança detecta a variação de massa, a temperatura é
para amostra, e assim sucessivamente; na Figura 12b é apresentada uma TG
dinâmica ou convencional, na qual a amostra é aquecida ou resfriada num ambiente
em que a temperatura varia de maneira pré-determinada, de preferência, à razão de
aquecimento ou resfriamento linear (MATOS; MACHADO, 2003).
O método termogravimétrico convencional ou dinâmico apresenta curvas de
massa da amostra (m) registradas em função da temperatura (T) ou do tempo (t),
conforme equação 2 (MATOS E MACHADO, 2003):
m = f (T ou t) (2)
Essas curvas são denominadas curvas termogravimétricas ou, simplesmente,
curvas TG (IONASHIRO & GIOLITO, 1980). A Figura 13 apresenta as
características de uma curva TG para um processo de decomposição térmica que
ocorre em uma única etapa. Observa-se que a substância X é termicamente estável
entre os pontos a e b (patamar inicial). O ponto b, correspondente a Ti (temperatura
na qual as variações acumuladas de massa totalizam o valor que a balança é capaz
de detectar), mostra o início do processo de decomposição térmica com a liberação
total do volátil Z e a completa formação da substância Y, que se torna termicamente
estável a partir do ponto C (início do patamar final). O degrau bc, correspondente à
diferença Tf -Ti (intervalo de reação), admite a obtenção de dados quantitativos
sobre a variação de massa sofrida pela amostra (Δm) em relação ao eixo de
ordenadas (IONASHIRO & GIOLITO, 1980). O início extrapolado do evento térmico
e que corresponde ao ponto de intersecção da linha base extrapolada é denominado
temperatura de onset. Esta temperatura (Tonset) é usada com o propósito de
comparação, visto que é mais fácil de ser determinada do que a Ti. Da mesma
forma, a temperatura de endset (Tendset) corresponde ao final extrapolado do
Figura 13 – Características de uma curva TG de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Fonte: Matos e Machado, 2003.
A termogravimetria derivada (DTG) corresponde à derivada primeira da
variação de massa em relação ao tempo (dm/dt) em função da temperatura ou do
tempo (IONASHIRO & GIOLITO, 1980). É registrada a partir da curva TG,
representada conforme a equação 3 (MATOS E MACHADO, 2003):
dm/dt = f (T ou t) (3)
Pode também ser representada pela derivada primeira da variação de massa
em relação à temperatura (dm/dT), também registrada em função da temperatura ou
do tempo, conforme a equação 4 (ibidem):
dm/dT = f(T ou t) (4)
Independentemente do caso, a curva resultante é a derivada primeira da
curva TG. Essa curva pode ser obtida por métodos de diferenciação manual da
curva TG ou por diferenciação eletrônica do sinal de TG. A Figura 14 apresenta as
características de uma curva DTG para um processo de decomposição térmica
Verifica-se que o degrau bc da curva TG, ilustrado na Figura 13, é submetido por um
pico bcd, que delimita uma área proporcional à variação de massa sofrida pela
amostra. Os patamares horizontais da curva TG (Figura 13) correspondem aos
patamares horizontais ab e de na curva DTG, pois dm/dt = 0. O ponto b corresponde
à Ti, temperatura em que dm/dt passa a ser diferente de zero, ou seja, temperatura
em que se inicia a decomposição térmica da substância X. O ponto c corresponde
ao máximo na curva DTG, obtido quando a curva TG apresenta um ponto de
inflexão, e a temperatura do pico (Tp) é aquela em que a massa está variando mais
rapidamente. O ponto d corresponde à Tf, temperatura em que dm/dt volta a ser
igual à zero, indicando o final da etapa de decomposição térmica (liberação total do
volátil Z) e início do patamar que caracteriza a estabilidade térmica do produto final
Y. A largura do pico bd, indicativo do intervalo de reação, está relacionada à cinética
do processo de decomposição térmica (MATOS; MACHADO, 2003; IONASHIRO &
GIOLITO, 1988).
Figura 14 – Curvas TG (linha tracejada) e DTG (linha sólida) de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Características da curva DTG. Fonte: Matos e Machado, 2003.
A curva DTG apresenta os mesmos dados da curva TG integral, porém de
uma forma diferente. De acordo com Matos e Machado (2003) pode ser resumida da
seguinte forma:
- as informações apresentadas pela curva DTG possuem um formato mais
facilmente visualizável;
- permite a pronta determinação da temperatura em que a taxa de variação de
massa é máxima (Tp), fornecendo informações adicionais para a Tonset e Tendset.
No entanto, as três temperaturas respondem às variações nas condições
experimentais e os valores de Tp são mais característicos de um material do que
aqueles de Ti e Tf;
- a área do pico sob a curva DTG é diretamente proporcional à variação de
massa;
- a altura do pico da curva DTG a qualquer temperatura fornece a razão de
variação de massa naquela temperatura. Com esses valores se obtêm informações
cinéticas, sendo a equação descrita por:
_ dm = Ae (-E/RT) f(m) (5)
dt
Na equação tem-se A como fator pré-exponencial, E como energia de
ativação e R, a constante da lei dos gases (MATOS; MACHADO, 2003).
2.5 Métodos de análise das propriedades mecânicas de compósitos
Para análise dos corpos de prova utilizando fibras naturais em compósitos é
aplicabilidade no desenvolvimento de produtos. Os dois ensaios mecânicos
comumente usados são descritos a seguir:
2.5.1 Ensaio de resistência à tração
O ensaio de resistência à tração consiste na aplicação de uma carga de
tração em um corpo, de maneira crescente até que este se rompa. Por meio deste
ensaio, são verificados dados quantitativos das características mecânicas dos
materiais, destacando-se o limite de resistência à tração, limite de escoamento,
módulo de elasticidade, módulo de tenacidade, ductibilidade, coeficiente de
encruamento e coeficiente de resistência. A resistência à tração, dada em kN/m, é
definida como a força máxima de tração por unidade de largura que um corpo
suporta antes de se romper, sendo a principal característica a ser observada neste
ensaio (GARCIA et.al., 2000).
Os ensaios de tração são executados em um aparelho chamado de “Máquina
Universal de Ensaios”. Este equipamento consiste basicamente de um arranjo
constituído por duas travessas (sendo uma fixa e outra móvel), uma célula de carga,
um mecanismo de direcionamento, acessórios de fixação dos corpos de prova e
extensômetros. A máquina de ensaios deve ter capacidade para manter velocidades
constantes em um intervalo de tempo de 1 a 500 mm/s, com tolerância de erro
geralmente menor que 20%. A célula de carga registra a carga durante o ensaio,
devendo ter uma precisão maior que 99% do valor real da carga. Normalmente tem
capacidade para 0,5, 5 e 50 kN, devendo ser escolhidas de modo a se obter uma
célula de carga, seu erro percentual e os valores estimados da carga necessária
máxima para ensaio do material (CANTO & PESSAN, 2003).
Os corpos de prova usados nestes testes utilizam geometrias, dimensões e
tolerâncias dimensionais que devem atender às normas ISO 527-1 ou ASTM D-638.
São normalmente preparados por injeção, chapas extrudadas, placas moldadas por
compressão, laminação, entre outros, sendo que um número mínimo de cinco
corpos de prova é exigido para este tipo de ensaio mecânico (CANTO & PESSAN,
2003).
Os corpos de prova devem ser fixados em garras acopladas às travessas fixa
e móvel do equipamento. A taxa de deformação é controlada pelo mecanismo de
direcionamento, sendo a tensão de tração registrada pela célula de carga (CANTO &
PESSAN, 2003). A Figura 15 representa esquematicamente o dispositivo utilizado
em ensaios de tração uniaxial.
Figura 15 – Representação esquemática do dispositivo de ensaio de tração uniaxial. Fonte: Canto e Pessan, 2003.
Conforme Canto e Pessan (2003), os principais parâmetros mecânicos
verificados nos ensaios de tração são descritos a seguir, sendo alguns identificados
- Tensão de tração nominal (σt): é a razão entre a carga ou força de tração
(F) e a área da seção transversal inicial do corpo de prova (Ao). Expressa em MPa (megapascal).
- Resistência à tração nominal: é a máxima tensão sob tração suportada pelo
corpo de prova durante o ensaio de tração. Quando a tensão máxima ocorre no
ponto de escoamento, a resistência à tração é chamada de Resistência à Tração no
Escoamento (ponto B da Figura 16). Quando a tensão máxima ocorre na ruptura, a
resistência à tração é chamada de Resistência à Tração na Ruptura (pontos A e E
da Figura 16). Expressa em MPa.
- Ponto de escoamento: é o primeiro ponto na curva tensão x deformação em
que um aumento de deformação ocorre sem haver aumento de tensão (pontos B e D
da Figura 16).
- Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young (E): é a razão entre a tensão
de tração nominal e a deformação correspondente, abaixo do limite de
proporcionalidade do material. Quanto maior é o módulo, menor é sua deformação
elástica. Também expresso em MPa.
Figura 16 – Designação dos parâmetros no ensaio de tração. Fonte: Canto e Pessan, 2003.
2.5.2 Ensaio de resistência ao impacto
A resistência ao impacto é capacidade de um material em suportar elevadas
taxas de deformação, quando submetido a solicitações de tensão elevada num curto
espaço de tempo (HAGE Jr., 2003).
A resistência ao impacto é uma das propriedades mais requisitadas na
especificação do comportamento mecânico de polímeros, mas apesar de sua
importância, é uma das propriedades mecânicas de menor confiança, pois não é
uma propriedade intrínseca do material (HAGE Jr., 2003). Apesar do resultado deste
ensaio apresentar indicações menos confiáveis sobre o comportamento de toda a
estrutura, permite observar as diferenças de comportamento entre materiais, o que
não é possível verificar em ensaios de tração. Desta forma, dados de resistência ao
impacto podem ser aplicados como uma etapa inicial de seleção de materiais,
baseando-se em um nível desejado de tenacidade sobre impacto (GARCIA et al.,
2000; HAGE Jr., 2003). A resistência ao impacto depende de uma série de variáveis,
tais como a temperatura do ensaio, a velocidade do impacto durante o teste, a
sensibilidade a entalhes padronizados, a força com que o corpo de prova sofre o
impacto, a geometria do corpo de prova, as condições de fabricação do corpo de
prova, as condições ambientais do ensaio, entre outras (HAGE Jr., 2003).
O impacto pode ser definido como a energia cinética necessária para iniciar a
fratura e continuá-la até que ocorra a ruptura do corpo de prova. Este ensaio pode
ser usado como comparação entre materiais em relação à resistência ou como
ensaio refere-se à caracterização do comportamento dos materiais, possibilitando a
determinação da faixa de temperatura na qual um material muda de dúctil para frágil
(GARCIA et al., 2000).
A tenacidade é a capacidade de um material se deformar durante uma
solicitação mecânica. Quando a tenacidade de um material é solicitada sob impacto
é conhecida como resistência ao impacto, mas talvez o termo mais adequado fosse
tenacidade sob impacto. Materiais com alto valor de tenacidade são classificados
como dúcteis, enquanto que os materiais com baixa tenacidade são classificados
como frágeis (HAGE Jr., 2003).
Os ensaios de impacto mais conhecidos são denominados Charpy e Izod,
dependendo da configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo
de prova na máquina. Tanto no ensaio de Charpy como no Izod, o corpo de prova
tem o formato de uma barra de seção transversal quadrada, na qual é usinado um
entalhe em forma de V. O equipamento de ensaio, juntamente com os tipos de corpo
Figura 17 – Representação esquemática: (a) equipamento de ensaios; (b) corpos de prova Charpy e Izod (Segundo ASTM E23-94a). Fonte: Garcia et. al, 2000.
O entalhe procura simular o processo de ruptura sob impacto de um material
que apresente um defeito estrutural inerente à sua constituição química ou gerado
no processo de fabricação do mesmo. Desta forma, o ensaio de impacto realizado
em corpos entalhados representa o caso extremo de solicitação mecânica no
mesmo (HAGE Jr., 2003).
As normas mais utilizadas que regulamentam o ensaio de impacto Izod são
ASTM D-256, ISO 180 e NBR 8425.
2.6 Design e o desenvolvimento sustentável
De acordo com dados do Population Reference Bureau (PRB, 2005), o
crescimento da população mundial é atualmente de 1,2 % ao ano, resultando num
adicional de mais 80 milhões de pessoas anualmente, colocando em perigo o
desenvolvimento econômico e social e repercutindo no meio ambiente com o
aumento do lixo e a exploração inadequada de recursos naturais. Desta maneira, é
essencial a formação de uma mentalidade que posicione o ser humano como parte
integrante e dependente dos recursos do planeta, para que seja possível reverter
este processo de degradação, como afirmam Fernandes e Armellini (2004).
Em 1967 na Conferência Intergovernamental pelo Uso Racional e
Conservação da Biosfera da Organização das Nações Unidas para Educação,
Ciência e Cultura (UNESCO), o conceito de desenvolvimento ecologicamente
ambiental, conforme Manzini e Vezzoli (2005), só foi introduzido no debate
internacional, pelo documento da Comissão Mundial pelo Desenvolvimento e Meio
Ambiente (WCED) em 1987. Esta idéia também foi base da Conferência das Nações
Unidas pelo Desenvolvimento e Meio Ambiente (UNCED), a Eco-92, que ocorreu no
Rio de Janeiro em 1992, sendo referência fundamental do Quinto Plano de Ação da
União Européia para o Ambiente.
O evento mais recente ocorreu em fevereiro de 2007 em Paris, a Conferência
Internacional sobre a Governança Ecológica Mundial, em que o então presidente
Jacques Chirac pede uma revolução para salvar o planeta após tomar conhecimento
das últimas conclusões do Grupo de Peritos Intergovernamental sobre a Evolução
do Clima (sigla em francês: GIEC), que detalham a gravidade do aquecimento
climático. As conclusões do GIEC também comprovam a necessidade de
solidariedade internacional e de estudos que auxiliem o financiamento de países
mais pobres na adaptação às conseqüências da mudança climática
(AMBAFRANCE, 2007).
Cada um dos milhões de produtos que são usados para "melhorar" a
qualidade de vida das pessoas tem alguma associação com impactos ambientais,
sendo que alguns produtos proporcionam pequenos impactos e outros podem
consumir recursos finitos em grande quantidade. Através do desenvolvimento
sustentável é possível objetivar a criação de novos produtos, partindo-se do princípio
do reaproveitamento de matérias-primas renováveis, visando à preservação do meio
ambiente e a minimização de custos. O grande desafio do design é impedir ou
minimizar os impactos ambientais dos produtos e que, como todo desafio, constitui
