COMPORTAMENTO MECÂNICO SOB FLEXÃO E IMPACTO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA E FIBRA DE AÇAÍ
L. M. C. Luz¹, M. L. P. de S. Baganha¹, M. dos R. Rodrigues¹, N. S. S. Santos¹, M. R. da Silva²
nubiatrib@yahoo.com.br
¹Universidade do Estado do Pará, ²Universidade Federal de Itajuba
RESUMO
Este trabalho possui como finalidade o desenvolvimento de um compósito de matriz polimérica (resina poliéster) reforçado por fibras de açaí, resíduo gerado pela indústria alimentícia da região Norte. Desenvolveram-se placas com percentuais de 10% e 20% de fibras de açaí em relação à matriz. Por ser reforçado por uma fibra curta, caracteriza-se por sua distribuição não homogênea, formando pequenos aglomerados ao longo da placa, característica que prejudicaria os resultados mecânicos desta. A partir disso, foram feitos testes de flexão e impacto para observar suas propriedades mecânicas, que foram realizados de acordo com as normas ASTM D790-92 e ASTM D5942. Os resultados dos ensaios mecânicos mostram como a adição de fibras de açaí influenciou na performance do compósito fibra/poliéster, indicando sua viabilidade de aplicação em produtos de baixa solicitação mecânica.
Palavras-chave: Materiais, Compósitos, Fibras naturais, Açaí.
INTRODUÇÃO
Uma iniciativa inovadora para a produção de novos materiais com baixos custos é a substituição das fibras sintéticas pelas fibras naturais na fabricação de materiais, por sua baixa abrasividade, atoxicidade, baixa densidade e baixo consumo de energias complementadas por suas altas propriedades mecânicas e termo acústicas. Apresentam melhor reciclabilidade e biodegrabilidade conseqüentemente, vantagens
ecológicas e sociais, aumentando a qualidade de vida dos habitantes locais da região do cultivo (1).
Sendo assim, para melhorar as propriedades dos materiais já existentes como, ligas metálicas, materiais cerâmicos e materiais poliméricos puros, são feitas combinações destes para a criação de materiais novos e mais eficientes. Esses materiais compósitos são, geralmente, formados por duas fases: a matriz, material que envolve a próxima fase; e a fase dispersa. As propriedades do compósito dependem das quantidades e propriedades dos materiais (matriz e fase dispersa) que serão combinados, além de outros fatores como, distribuição e orientação da fase dispersa, formas e tamanhos das partículas (2).
O desenvolvimento de novas tecnologias e a constante demanda para a melhor qualidade dos produtos lançados no mercado, tanto em questões de durabilidade quanto em segurança e eficácia, torna indispensável à produção de novos materiais capazes de suprir estas necessidades de maneira eficiente. Com suas propriedades, incluindo resistência mecânica e rigidez, melhoradas pelo acréscimo de um reforço de partículas ou fibras, os materiais compósitos possuem um melhor desempenho em relação a materiais poliméricos sem reforço (3). Além de amplamente utilizado em produtos industriais, construção civil, peças automotivas e mobiliárias, este tipo de material é objeto de pesquisa de diversos trabalhos, que procuram trazer inovação aos materiais e propriedades utilizados em compósitos.
O compósito pode minimizar, também, o descarte de resíduos ao meio ambiente, com o reaproveitamento destes para a elaboração de novos materiais. Visando o aproveitamento de recursos naturais Tita et al.(4) realizou moldagens de compósitos de matrizes fenólica e lignofenólica com reforço de fibras de bagaço de cana-de-açúcar não tratadas, buscando alternativas economicamente viáveis para o reforço de matrizes fenólicas utilizando uma fibra residual proveniente das usinas de álcool e açúcar. Por isso, mostra-se tão vantajosa a criação de compósitos poliméricos com fibras naturais, que substituam ou minimizem a utilização de fibras sintéticas, uma vez que estas não são biodegradáveis.
No desenvolvimento de um compósito reforçado com um material residual proveniente no comercio alimentício, fibra do caroço do açaí, são agregadas três
características importantes ao material, a inovação, a sustentabilidade e a de origem natural da Amazônia. O fruto do açaizeiro (euterpe olerácea) (5), palmeira típica da Amazônia, tem um mercado de consumo tradicional e consolidado, na sua própria região de origem, decorrente do hábito da população de tomar o ‘vinho’ da fruta. Isto ocorre principalmente nos Estados do Pará e Amapá, onde o açaí constitui importante componente da alimentação básica e renda de seus habitantes (6). Na produção do “vinho” do açaí utiliza-se principalmente a poupa do fruto, já as sementes são descartadas sem nenhum tratamento adequado, sendo despejados em ruas e lixões das cidades prejudicando o escoamento da água em dias de chuva.
Algumas pesquisas para minimizar esse despejo irregular das sementes do açaizeiro são realizadas principalmente buscando uma solução sustentável ao descarte deste resíduo, por exemplo, utilizando o caroço como fonte de adubo para plantas ou como fonte de energia na alimentação de fornos no setor cerâmico; aplicando o caroço de açaí moído: como matéria prima para produção de laminas de madeira aglomerada (7), como reforço de compósitos poliméricas híbrido com fibra vegetal de bambu e sisal (8,9); aproveitando da semente como substrato para produção de enzimas por fermentação (10); briquetes energéticos a partir dos caroços (11) e a pesquisa vencedora do prêmio jovem cientista, apresenta o carvão do caroço de açaí e sua eficiência no tratamento de água para consumo (12), além da possibilidade de desenvolvimento de novos matérias com a extração das fibras do caroço do açaí.
Visando responder positivamente as preocupações crescentes, como a sustentabilidade, o reaproveitamento e a inovação, objetivou elaborar um compósito com reforço de fibra vegetal proveniente da semente do açaí contendo como matriz a resina poliéster e obter suas principais características mecânicas a partir de testes de flexão e impacto.
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho, utilizou-se a fibra obtida do caroço do fruto do açaizeiro, euterpe olerácea (5) (figura 1), cedidas por uma pequena empresa que comercializa o vinho da fruta na região e aproveita apenas a polpa do fruto para a venda.
Fig. 1: Fruto do açaí e seus resíduos.
Utilizou-se como matriz para a fabricação dos compósitos a resina poliéster insaturado Polylite 10316 fornecida pela Fiber Center, juntamente com catalisador MEK-P fornecido pela mesma empresa. A formulação usada consiste de 100 partes de resina por peso para 1% de catalisador.
As placas foram elaboradas com as fibras dispersas aleatoriamente, contendo 10% e 20% de fração de volume de fibra. Obteve-se os corpos de prova a partir de um molde metálico revestido de teflon, com 120mm de largura e comprimento. Separaram-se cinco corpos de prova em forma de tiras para os testes.
Os ensaios de flexão foram realizados em uma Máquina universal de ensaio mecânico da fabricante EMIC, modelo DL500, a uma velocidade de 5 mm/s em temperatura ambiente, no laboratório de eco compósitos da faculdade de engenharia mecânica da UFPA, utilizando a norma ASTM D790-92.
A norma ASTM D5942, para ensaios de Impacto Charpy foi usada como referência para estes testes.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Em uma análise visual das placas, mostrada na figura 2, é possível observar comportamento característico de fibras curtas, a aglomeração em pequenas áreas deixando outras desprovidas de fibra e impossibilita que o compósito seja totalmente homogeneizado, característica menos observada na placa com 20% de fibra, que contém maior volume de material de reforço. Estas características afetam a resistência do material compósito, tornando certas áreas das placas mais fragilizadas do que outras.
Fig. 2: à esquerda, placa 10%; à direita, 20% de volume de fibra.
A Figura 3 ilustra as variações de resistência e desvio padrão obtidas nos ensaios de flexão para corpos de prova com diferentes frações de volume de fibra de açaí, 10% e 20% comparados à resina poliéster sem o reforço. Observa-se que a adição de 10% em fração de volume de fibras resulta em um significativo aumento na resistência à flexão, se comparado à resina. Para o compósito de 20% o mesmo não acontece, uma vez em a resistência deste apresentou um acréscimo de apenas 9,8% em relação ao outro corpo de prova.
Fig. 3: Tabela de resistência à flexão.
É apresentada na Figura 4, a variação dos valores de energia de Impacto Charpy com a porcentagem de fibra de açaí contida no compósito. Apesar de apresentar um considerável desvio, a placa de 20% de volume de fibra aparenta um melhor desempenho se comparado à amostra de 10%, mostrando o potencial do material para receber cargas de energia de impacto.
Fig. 4: Tabela de Energia de Impacto Charpy.
Este comportamento é semelhante ao visto em trabalhos como os de Monteiro et al. (13) e Ratna Prasad et al. (14), onde compósitos com até 40% de volume de fibra proporcionam melhor e mais proveitoso desempenho mecânico em comparação a outros corpos de prova, de menor fração de fibra e de resina pura.
CONCLUSÕES
Os resultados mostram que conforme a fração de volume de fibra é aumentada no compósito, também é aumentada suas propriedades mecânicas. Em relação à resina poliéster, os compósitos de 10 e 20% de fibra não apresentam valores elevados, sugerindo que para um melhor desempenho do compósito, a porcentagem de fibra utilizada necessita ser aumentada.
Além das questões ambientais e de aspecto regional no desenvolvimento deste compósito, é visto a possibilidade de aplicação do material em produtos de baixa solicitação mecânica.
REFERÊNCIAS
1. MARINELLI, A. L.; MONTEIRO, M.R.; AMBRÓSIO J. D.; BRANCIFORTI, M. C.; KOBAYASHI , M. ; NOBRE, A. D. Desenvolvimento de compósitos poliméricos com fibras vegetais naturais da biodiversidade. In: Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Paulo, vol. 18, nº 2, p. 92-99, 2008.
2. SANTOS, Núbia S. S. Análise experimental e teórica do comportamento mecânico sob carregamentos quase-estáticos de compósitos reforçados com fibras vegetais. 2010, 123p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, São Paulo.
3. SANTOS, Núbia S.; SILVA, Manoel R. Da; DIAS, Carmen G.B.T.; ZAVAGLIA, Cecília A. C. Elaboração de compósito com fibra vegetal da Amazônia: opção pela sustentabilidade. In: 1º encontro luso-brasileiro de engenharia de compósito. Porto, 2013.
4. TITA, S.P.S.; PAIVA, J.M.F.; FROLLINI, E. Resistência ao impacto e outras propriedades de compósitos lignocelulósicos: matrizes termofixas fenólicas reforçadas com fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.12, n. 4, p.228-239, 2002.
5. ALMEIDA, S.S. Palmeiras da Amazônia Oriental: importância paisagística, florística e econômica. In: 54° CONGRESSO NACIONAL DE BOTÂNICA, 2003, Belém. Anais 54° CONGRESSO NACIONAL DE BOTÂNICA, 2003. Belém: Museu Paraense Emilio Goeldi, 2003.
6. MINISTÉRIO DO DESENVOLVIMENTO, INDÚSTRIA E COMÉRCIO EXTERIOR. Projeto potencialidades regionais estudo de viabilidade econômica: Açaí. Manaus, SUFRAMA, 2003.
7. Tavares, F.F.C; Silva, J. A. P. Produção de Compósito a Partir do Caroço de Açaí. In: 20º CEBCIMAT. Santa Catarina, 2012.
8. COSTA, D. S. da; LOURINHO, R. G.; BANNA, W. R. El; FUJIYAMA, R. T. Resistência à tração de compósitos poliméricos híbridos reforçados com fibras de bambu e pó da semente de açaí. In: 20º CEBCIMAT. Santa Catarina, 2012.
9. COSTA, D. S. da; LOURINHO, R. G.; BANNA, W. R. El; FUJIYAMA, R. T. Resistência à tração de compósitos poliméricos reforçados com híbrido de fibras de sisal e carga de açaí. In: 20º CEBCIMAT. Santa Catarina, 2012.
10. REIS, Bruno de Oliveira; SILVA, Ivete Teixeira da; Silva, Isa Maria Oliveira da; Rocha Brigida Ramati Pereira da. Produção de Briquetes Energéticos a Partir de Caroços de Açaí. Belém: UFPA, s.d.
11. FARINAS, Cristiane Sanchez; SANTOS, Rodrigo Rafael Mendonça dos; NETO, Victor Bertucci; PESSOA, José Dalton Cruz. Aproveitamento do caroço do açaí como substrato para a produção de enzimas por fermentação em estado sólido. São Carlos: Embrapa Instrumentação Agropecuário, Boletim de Pesquisa e Desenvolvimento, 2009.
12. PEREIRA, Edivan Nascimento; RODRIGUES JÚNIOR, Aldemar Carneiro. Carvão do caroço de açaí (Euterpe oleracea) ativado quimicamente cm hidróxido de sódio (NaOH) e sua eficiência no tratamento de água para o consumo. Moju: CCIM, 2013. 13. MONTEIRO, Sergio N.; AQUINO, Regina Coeli M. P.; LOPES, Felipe P. D.; D’ALMEIDA, José Roberto M. Tenacidade ao entalhe por impacto Charpy de compósitos de poliéster reforçados com fibras de piaçava. In: Matéria, Rio de Janeiro, vol. 11, nº 3, 2006.
14. RATNA PRASAD, A. V.; MOHANA RAO, K.; NAGASRINIVASULU, G. Mechanical Properties of banana empty fruit bunch fibre reinforced polyester composites. In: Indian Journal of Fibre & Textile Research, vol. 34, p. 162-167, 2009.
MECHANICAL BEHAVIOUR UNDER FLEXURAL AND IMPACT TESTS OF POLYMER MATRIX AND AÇAÍ FIBER COMPOSITES
ABSTRACT
This work has as objective the development of a polymer matrix composite (polyester resin) reinforced by fibers of açaí, waste generated by the food industry in the Northern region of Brazil. Plates were developed with the percentages of 10% and 20% of açaí fibers in relation to the matrix. Due being reinforced by short fibers, they are characterized by their non-homogeneous distribution, forming small clusters along the plate, a characteristic that would damage their mechanical tests results. From this, flexural and impact tests were performed to observe the mechanical properties, which were conducted according to ASTM D790-92 and ASTM E-23 norms. The results of the mechanical tests show how the addition of açaí fibers influenced the composite of fiber/polyester performance, indicating its viability for use in products with low mechanical stress.
