UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
GABRIEL NORCIA e TARGA
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
DE UM COMPÓSITO DE FIBRA DE JUTA
E RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO
FLORIANÓPOLIS 2006
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
GABRIEL NORCIA e TARGA
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
DE UM COMPÓSITO DE FIBRA DE JUTA
E RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO
Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Guilherme M. de O. Barra, Dr. Co-Orientador: Hazim Ali Al-Qureshi, Ph.D.
FLORIANÓPOLIS 2006
GABRIEL NORCIA e TARGA
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
DE UM COMPÓSITO DE FIBRA DE JUTA E
RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO
Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina.
___________________________________ Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M.Sc.
Coordenador
___________________________________ Prof. Guilherme Mariz de Oliveira Barra, Dr.
Orientador
___________________________________ Prof. Hazim Ali Al-Qureshi, Ph.D.
Co-Orientador Banca Examinadora:
Ficha Catalográfica
Targa, Gabriel Norcia e, 1980-
Produção e caracterização mecânica de um compósito de fibra de juta e resina de poliéster insaturado: / Gabriel Norcia e Targa. - 2006.
42 f. : il. color. ; 30 cm
Orientador: Guilherme Mariz de Oliveira Barra, Dr. Co-orientador: Hazim Ali Al-Qureshi, Ph.D.
Trabalho de conclusão de curso (graduação) – Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, 2006.
1. Compósito. 2. Fibra de Juta. 3. Resina de Poliéster Insaturado. I. Barra, Guilherme M. de O. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais. III. Produção e caracterização mecânica de um compósito de fibra de juta e resina de poliéster insaturado.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a meus pais e minha irmã por terem me apoiado em todos os momentos de minha vida.
AGRADECIMENTOS
Meu maior agradecimento é para os meus orientadores, Prof. Dr. Guilherme M. de O. Barra e Prof. Ph.D. Hazim Ali Al-Qureshi, pela inestimável orientação profissional e moral despendidas nesses meses de trabalho.
Agradeço aos colegas, engenheiro Richard Rachadel Martins e engenheiro Fábio Angheben Weber, pelas dicas e sugestões dadas ao longo do trabalho.
Agradeço também ao Prof. Dr.-Ing. Márcio Celso Fredel por permitir a utilização da Máquina Universal de Ensaios em seu laboratório, e também à pesquisadora MSc. Marli Soldi, por ajudar-me com o ensaio de tração dos mono filamentos de juta.
Finalmente, registro a minha satisfação de ter estudado na Universidade Federal de Santa Catarina, uma das poucas instituições do Brasil que fornecem ensino gratuito e de qualidade.
RESUMO
O aumento da consciência ecológica da sociedade moderna tem criado um esforço mundial para diminuir o impacto ambiental do ser humano no meio ambiente. Esta tendência tem gerado esforços para encontrar soluções para o eminente esgotamento de recursos naturais, como por exemplo o petróleo, e para incentivar o desenvolvimento de pesquisas de materiais naturais renováveis. Neste trabalho, foram preparados compósitos de fibra de juta e resina de poliéster insaturado através de diferentes técnicas de fabricação: i) laminação manual, ii) moldagem por compressão, e iii) moldagem por infusão a vácuo. As fibras de juta foram caracterizadas por microscopia ótica com o objetivo de se determinar a sua área de seção transversal média, permitindo assim calcular a resistência à tração e módulo elástico. Os corpos-de-prova da resina de poliéster insaturado e dos compósitos foram ensaiados sob tração em uma máquina universal de ensaios. Os resultados do ensaio mecânico para os diferentes compósitos foram comparados com valores teóricos calculados a partir da Regra das Misturas Modificada. Conclui-se que as técnicas de fabricação dos compósitos, além de fornecerem diferentes frações volumétricas de fibras, podem estar afetando a adesão interfacial fibra-matriz, exercendo assim, uma influência significativa nas propriedades finais do material compósito.
ABSTRACT
The modern society’s increasing ecological awareness has created a global effort to decrease the environmental impact of man on the planet. This has generated scientifical efforts to find new alternatives to the depletion of fossil fuels, like petroleum, and to the development of new ecollogically friendly and renewable technologies. In this work jute fiber reinforced polyester resin composites were prepared through three different lamination techniques: i) hand lay-up, ii) press molding, and iii) Vacuum Assisted Resin Transfer Molding. The jute fibers were characterised with an Optical Microscope with the objectiv of determining its mean cross sectional area, allowing the tensile strength and the modulus fo elasticity to be calculated. The tensile specimen of the composites and the unsaturated polyester resin were tested under tension in a universal testing machine. The mechanical testing results of the different composites were compared with theoretical values calculated with the Modified Rule of Mixtures. One can conclude that the composites’ fabrication techniques may be affecting the fiber-matrix adhesion and consequently the composites’ final mechanical properties. The fabrication techniques also provide different fibers volume fractions.
ÍNDICE
DEDICATÓRIA 5 AGRADECIMENTOS 6 RESUMO 7 ABSTRACT 8 Índice 9 1. INTRODUÇÃO 10 1.1PROBLEMA E JUSTIFICATIVA 10 1.2 OBJETIVO GERAL 13 1.2.2. objetivos Específicos 132. REVISÃO DA LITERATURA E FUNDAMENTOS TEÓRICOS 14 2.1 COMPÓSITOS 14
2.1.2 métodos de fabricação de compósitos 16
2.1.2.1 Laminação Manual 16
2.1.2.2 Moldagem Por Compressão 16 2.1.2.3 Bolsa De Vácuo 17
2.1.2.4 Infusão a Vácuo 17 2.2FIBRAS VEGETAIS 18
2.2.1 a FIBRA de juta 23
2.3 RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO (RPI)23
3. MATERIAIS E MÉTODOS 27 3.1MATERIAIS27
3.2METODOLOGIA27
3.2.1 Preparação dos Corpos-de-prova de resina pura 27 3.2.2 Preparação dos compósitos 28
3.2.2.1 Laminação Manual 28
3.2.2.2 Moldagem por Compressão 29 3.2.2.3 Infusão A Vácuo 29
3.2.3 Preparação dos corpos-de-prova para ensaio de tração 30 3.2.4 caracterização dos materiais 32
3.2.4.1 Microscopia Óptica 32 3.2.4.2 Ensaio de Tração 32 3.2.4.3 Medida da Densidade 33
4. ANÁLISE, DISCUSSÃO dos resultados, e considerações finais 35
4.1 CARACTERIZAÇÃO DAS FIBRAS 35
4.1.1 microscopia óptica 35
4.1.1.1 Método 1 - Análise das Micrografias 37 4.1.1.2 Método 2 - Análise do Fio de Juta 38
4.1.1.3 Método 3 - Análise das Fibras Embutidas 39 4.1.1.4 Avaliação dos Resultados 40
4.1.2 ensaio de tração 41 4.1.3 medida da densidade 43
4.2 CARACTERIZAÇÃO DA RESINADEPOLIÉSTERINSATURADO(RPI)44
4.2.1 efeito do tratamento térmico na resistência à tração 44 4.2.2 resistência à tração padrão 46
4.3 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DO COMPÓSITO 46
4.4 COMPARAÇÃO COM A REGRA DAS MISTURAS 47
5. CONCLUSÕES 49 5. CONCLUSÕES 49
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 50 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 51
ÍNDICE DE FIGURAS
Está faltando!
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 1 Composição de algumas fibras vegetais. Fonte: [11]. ... 21
Quadro 2 Propriedades mecânicas das fibras ... 43
Quadro 3 Densidades dos materiais utilizados ... 43
Quadro 4 Propriedades Mecânicas dos Compósitos ... 46
Quadro 5 Regra das Misturas Modificada aplicada para os três processos desenvolvidos. ... 47
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 <Af>, carga de rompimento Ft, σt, ε e E dos monofilamentos. ... 411. INTRODUÇÃO
1.1 PROBLEMA E JUSTIFICATIVA
Em um mundo onde a natureza fornece recursos naturais em abundância, é necessário desenvolver técnicas de extração de matérias-primas, produção, consumo e descarte de materiais que não prejudiquem o meio ambiente. Atingindo-se esse objetivo, com tecnologias limpas e materiais renováveis, a presença humana na terra torna-se muito menos prejudicial para
a natureza e proveitosa para os seres humanos que ganham maior qualidade de vida.
O cultivo de fibras vegetais existe desde os primórdios da humanidade e vem suprindo algumas das principais necessidades humanas, como, por exemplo, vestimenta e abrigo. Até o final do século XIX, a maior parte dos tecidos utilizados pelo homem era constituída de fibras vegetais, como o linho, o cânhamo e a juta. Com o surgimento das fibras sintéticas e a alta mecanização da lavoura de algodão, principalmente na Europa e nos Estados Unidos da América, a importância do cultivo de plantas fibrosas caiu tremendamente e quase desapareceu [1].
Recentemente os produtos de origem renovável ganharam novamente grande importância no cenário mundial devido à mudança de comportamento de uma parcela da população e dos governos em direção a uma maior consciência ecológica. Esta mudança está sendo causada por diversos fatores incluindo mudanças climáticas, esgotamento de recursos naturais, e constante instabilidade do preço do petróleo [1].
Com o alto custo das fibras sintéticas usadas em compósitos, como a fibra de carbono e o Kevlar®, e o potencial risco à saúde oferecido por algumas delas, como a asbestosis causada pelo amianto e a insalubridade no manuseio da fibra de vidro (FV), é necessário que se explore as fibras vegetais como possíveis substitutas destas fibras convencionais [2].
Apesar de as fibras vegetais apresentarem baixas propriedades mecânicas se comparadas com as fibras sintéticas, o seu uso é vantajoso em muitas situações, como nos casos em que a propriedade mecânica não seja um requisito indispensável, e que o seu baixo custo e densidade as tornem atrativas [2].
Neste cenário, o uso de fibras vegetais como agente de reforço de polímeros termoplásticos e termofixos aparece com grande destaque: as fibras vegetais são atualmente o aditivo que mais cresce na indústria de polímeros [1]. Os principais mercados potenciais para as fibras vegetais estão nas indústrias de transportes, moveleira, náutica e de construção civil.
Em geral, os polímeros não têm boa resistência, rigidez, e estabilidade dimensional para aplicações estruturais. Já as fibras vegetais, possuem todas estas qualidades, porém não têm utilidade na forma solta como são obtidas. A união desses dois materiais cria um compósito normalmente de baixo custo, baixa densidade, e boas propriedades específicas (propriedade/densidade).
As principais vantagens das fibras vegetais em relação às fibras sintéticas tradicionais são: abundância, baixo custo, baixa densidade, boas propriedades específicas, facilidade de obtenção e manuseio, baixa abrasão de equipamentos e moldes, retirada de dióxido de carbono do meio-ambiente, biodegradabilidade, e o aspecto ecológico e renovável. Por outro lado, as fibras também possuem desvantagens que restringem sua aplicação em muitas situações e ambientes, como por exemplo: alta absorção de umidade, alta variação de propriedades mecânicas, baixa resistência a microorganismos e ao ambiente exterior, e baixa estabilidade térmica [1].
A interface fibra-matriz tem um importante papel na resistência mecânica dos compósitos. Esta interação entre a superfície da fibra e a matriz polimérica, depende principalmente da composição química da fibra e da matriz e a sua interação [3].
As fibras vegetais são compostas principalmente por celulose e lignina e possuem grande afinidade com a umidade ambiente (hidrofilia) e pouca afinidade com matrizes poliméricas hidrofóbicas, que é caso da maioria das resinas empregadas em compósitos. A exposição excessiva dos compósitos à umidade pode provocar inchamento, perda de propriedades mecânicas, e falta de estabilidade dimensional dos mesmos. A celulose é o principal agente acoplador entre a fibra e a matriz polimérica, no entanto, a matriz de lignina interfere negativamente nessa adesão. Existem técnicas para se eliminar parte da lignina e promover uma melhor interação entra a fibra e a matriz e um conseqüente melhoramento da adesão fibra matriz[2].
Visando o aproveitamento de recursos renováveis disponíveis em nosso país e a aquisição de conhecimento prático no processamento de compósitos de fibras vegetais para o laboratório, desenvolveu-se um compósito de fibra de juta e resina de poliéster Insaturado (RPI). Três técnicas de processamento,
bem como a preparação dos corpos-de-prova (cdps) para o ensaio de tração, foram desenvolvidos. Em seguida, foi verificada a sua adequação com a Regra das Misturas Modificada [4].
1.2 OBJETIVO GERAL
Produzir um compósito de fibra de juta e resina de poliéster insaturado, caracterizá-lo mecanicamente através do ensaio de tração e comparar os resultados experimentais com a Regra das Misturas Modificada.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar microscopicamente as fibras de juta, determinando a sua área transversal média.
Desenvolver um método de preparação de cdps para ensaio de tração e laminação de compósitos que forneça baixa dispersão de resultados e boa repetibilidade de propriedades.
Caracterizar mecanicamente a resina, as fibras, e o compósito através do ensaio de tração.
Comparar os resultados experimentais de resistência à tração (σt) e módulo
de elasticidade (E) com os valores teóricos obtidos com a Regra das Misturas Modificada.
2. REVISÃO DA LITERATURA E FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1 COMPÓSITOS
Segundo Al-Qureshi, 2002, “material composto é o material que apresenta dois ou mais constituintes quimicamente diferentes que na escala macroscópica mostra uma interface bem definida separando esses elementos constituintes. O material assim obtido pela associação dessas diferentes fases exibe quase sempre melhores qualidades que seus elementos componentes que separadamente não possuem” [5].
A classificação mais comum dos compósitos divide-os em particulados, laminados, e fibrosos.
Os materiais particulados são compostos de partículas dispersas em uma matriz, que de acordo com o seu tamanho, formato, distribuição e dispersão (posição relativa em relação ao todo), promovem o reforço do material.
Os laminados são compostos por pelo menos duas camadas de materiais ou lâminas diferentes ligados por uma matriz contínua, e que juntas fornecem a propriedade desejada, na orientação desejada.
Compósitos reforçados por fibras utilizam fibras contínuas ou descontínuas. Uma fibra é considerada como contínua quando as propriedades do compósito não variam mais aumentando o seu comprimento, ou quando o comprimento da fibra (lf) é muito maior do que o seu comprimento crítico (lc). “O
lc é o comprimento mínimo para o aumento da resistência e rigidez do
compósito” [6]. As fibras contínuas podem ser unidirecionais, alinhadas em direções específicas e na forma de mantas ou tecidos. Além disso, os seguintes parâmetros influenciam no desempenho dos compósitos fibrosos: a vf, distribuição, alinhamento, dispersão das fibras, e a adesão fibra-matriz[1].
Adesão fibra-matriz é a interação entre a superfície das fibras e a matriz polimérica.
Os compósitos combinam comumente alta rigidez com baixo peso e são adequados principalmente em aplicações em que a massa seja um fator chave.
Estes materiais vêm sendo utilizados em diversas áreas como a aeronáutica, náutica, de transporte, de material desportivo, construção civil, e móveis [5][1].
A indústria aeroespacial sempre teve uma forte demanda por materiais leves e resistentes. Durante a Segunda Guerra Mundial, diversos componentes foram desenvolvidos com polímeros reforçados com fibra de vidro, pois não havia um único material que tivesse as propriedades desejadas para tal aplicação [7]. As ligas de alumínio, por oferecerem alta resistência e rigidez com baixo peso, sempre foram usadas nessas aplicações, porém apresentavam limitações de corrosão e fadiga, que só muitas décadas depois foram resolvidas [7]. Hoje em dia, muitos produtos são feitos de resina e FV e são extensivamente usados nos mercados de consumo, industrial, militar, e aeroespacial. Compósitos avançados têm como fator limitante para o emprego comercial o alto custo de suas matérias-primas, porém, no âmbito aeroespacial eles são largamente utilizados pelo seu alto desempenho, relativa facilidade e rapidez de fabricação e baixa manutenção [7].
O papel das matrizes é o de manter as fibras juntas e nas direções desejadas, e transferir carga para e entre elas. Elas são o ponto fraco do material, pois apresentam propriedades mecânicas inferiores se comparadas com as das fibras. Elas normalmente determinam a temperatura limite de uso do compósito e a resistência ao cisalhamento [7].
A RPI e a resina éster-vinílica são as mais utilizadas em aplicações comerciais, industriais e na área de transportes [7]. Alguns dos utensílios produzidos são: tanques, piscinas, carenagens, proteções, reatores, tubulações para uso químico, portas, pranchas de surf e windsurfe, e barcos [7]. Consegue-se uma boa magnitude de propriedades com as diversas formulações e aditivos disponíveis. Elas podem ser de uso geral, resistentes quimicamente, e para uso em altas temperaturas [8].
Os polímeros mais comumente usados como matrizes de compósitos fibrosos são os termoplásticos Polipropileno (PP), Polietileno (PE) e Poliestireno (PS), e as resinas termorrígidas como a RPI, a éster vinílica, a epóxi e a fenólica. Há uma grande variabilidade de afinidade química entre as resinas e as fibras [7].
2.1.2 MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE COMPÓSITOS
Três processos de fabricação de compósitos foram utilizados neste trabalho: laminação manual, moldagem por compressão, e moldagem por infusão a vácuo.
2.1.2.1 Laminação Manual
É o processo de impregnar manualmente com resina sucessivas camadas de material em um molde. É o método mais antigo e mais simples, onde o reforço pode ser aplicado em forma de fibras unidirecionais, fibras curtas, mantas ou tecidos.
Neste processo, a fibra é posicionada em um molde, impregnada por resina com ajuda de pincéis ou rolos de forma que a mesma seja molhada por completo e que as bolhas em excesso sejam removidas. O laminado é deixado curar à pressão e temperatura ambientes.
O método é mais adequado para pequenas produções de peças, ou para peças grandes e complexas. Alta produtividade já não é economicamente ideal com esse método. Os moldes podem ser feitos de madeira e outros materiais baratos, mas raramente de materiais caros como os metais [7].
A aplicação mais comum dessa técnica é em barcos, tanques químicos, dutos, piscinas e banheiras [7].
Como a orientação e a vf não podem ser precisamente controladas, essa
técnica não é utilizada em compósitos avançados [7].
2.1.2.2 Moldagem Por Compressão
Nesta técnica, o laminado é fabricado manualmente, acomodado entre duas placas de metal, e, em seguida, pressionado por uma prensa até que cure e torne-se rígido. A ação de prensagem expulsa a resina e as bolhas em excesso e promove uma melhor molhabilidade da resina nas fibras, ocasionando uma melhor adesão fibra-matriz. No entanto, pressão em excesso
pode danificar as fibras, degradar parcialmente a resina, e não permitir o molhamento adequado da resina na fibra ocasionando um decréscimo na resistência do laminado.
2.1.2.3 Bolsa De Vácuo
Processo no qual um laminado produzido manualmente sofre uma baixa pressão de forma a perder a resina em excesso e diminuir a quantidade de vazios. O laminado é coberto por um filme destacável (“peel ply”), um filme perfurado (“release film”), material absorvedor (“bleeder”), e um filme plástico flexível de alta resistência que é selado com fita adesiva [9]. A primeira camada que vai sobre o laminado é o filme destacável, depois vem o filme perfurado que permite a que a resina em excesso do laminado passe através e seja absorvida pelo filme absorvedor. Por último, vem o filme flexível que tem o papel de se acomodar corretamente sobre a superfície e selar o molde. O vácuo é feito através de um canal no filme flexível que é conectado a uma bomba. A resina e as bolhas em excesso são, desta maneira, retiradas do laminado, tornando-o mais enxuto, mais resistente e com uma vf maior do que
a atingida na laminação manual.
2.1.2.4 Infusão a Vácuo
O processo de infusão a vácuo, ainda pouco conhecido no Brasil [9], é conhecido mundialmente como “Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding” (“VARTM”) [10], que significa “Moldagem por transferência de resina assistida por vácuo”. O processo de infusão pertence à família de processos de Moldagem por Transferência de Resina, mais conhecido como “Resin Transfer Molding” (“RTM”)[7]. A grande diferença entre o processo RTM e o de VARTM é que no primeiro a resina é bombeada para dentro do molde, e no segundo a resina é puxada para dentro do molde devido à baixa pressão causada pelo vácuo [7].
O processo VARTM também pode ser chamado de “Vacuum-assisted Resin Injection” (VARI) [7], que significa Injeção de Resina Assistida por Vácuo. Neste processo as fibras são colocadas sobre um molde rígido e cobertas por uma cobertura flexível para formar um ambiente totalmente selado. A resina entra no molde através de entradas estratégicas e é puxada pelo vácuo formado dentro do molde [10].
2.2 FIBRAS VEGETAIS
Existem diferentes formas de se classificar as fibras, porém a seguir na Figura 1 está uma das mais comumente utilizadas. A primeira distinção que se faz é entre fibras sintéticas e naturais. Em seguida, as fibras naturais são divididas em vegetais, animais e minerais, e depois podem ser separadas em lenhosas e não lenhosas. Por último, as fibras vegetais são separadas de acordo com a sua origem na planta, isto é: fibras de semente, de fruto, de caule ou “fibras moles”, de folha ou “fibras duras”, de talo, e de cana/capim [11][1]. Exemplos de cada tipo de fibra também estão na Figura 1.
Figura 1 Classificação das fibras e alguns exemplos [1]
As principais vantagens das fibras vegetais em relação às fibras sintéticas tradicionais são: abundância, baixo custo, baixa densidade, boas propriedades específicas, facilidade de obtenção e manuseio, baixa abrasão de equipamentos e moldes, retirada de dióxido de carbono do meio-ambiente, biodegradabilidade, e o aspecto ecológico e renovável. Por outro lado, também possuem desvantagens que prejudicam a sua aplicação em muitas situações e ambientes, como por exemplo: alta absorção de umidade, alta variação de propriedades, baixa resistência a microorganismos e ao ambiente exterior, e baixa estabilidade térmica.
A quantidade de água absorvida e adsorvida pelas fibras depende da umidade relativa do ambiente em que elas estão em equilíbrio, fator este que influencia enormemente na adesão fibra-matriz [12]. Quanto mais úmido o ambiente maior é a absorção e adsorção de água pelas mesmas.
Apesar das propriedades mecânicas das fibras vegetais (E e σt ) serem
muito inferiores às da FV, a densidade das primeiras (~1,4 g/cm³) é aproximadamente metade da densidade da FV (~2,5 g/cm³). Por este motivo, as propriedades específicas das fibras vegetais chegam a ser comparáveis às da FV [1].
Fibras vegetais em sua forma individual, também chamadas de
monofilamentos ou fibras técnicas, possuem comprimento longo de até um
metro e diâmetro aproximado de 50-100 μm. Estas fibras são formadas por um feixe de células mortas de planta, também chamadas de fibras individuais, que possuem formato tubular, parede espessa e um orifício central chamado de
lúmen. Essas células ou fibras individuais têm comprimento aproximado de
1-50 mm, e diâmetro aproximado de 10-1-50 µm [1].
Cada camada das células ou fibras individuais é formada basicamente por micro-fibrilas de celulose semi-cristalina, circundadas por uma matriz de hemicelulose e lignina. As micro-fibrilas tem diâmetro de cerca de 10 a 30nm e são responsáveis pela resistência mecânica das fibras[1]. A matriz de hemicelulose é ligada por pontes de hidrogênio com as micro-fibrilas de celulose formando uma rede tridimensional. Já a lignina, forma outra rede que se intercala tridimensionalmente com a rede de hemicelulose e micro-fibrilas, e ajuda na rigidez da parede da célula. A Figura 2 ilustra bem o que foi discutido.
Figura 2 Representação esquemática de uma célula ou fibra individual. Fonte: [1][11].
As fibras vegetais, com exceção do algodão, são constituídas por celulose, hemicelulose, lignina, e outros compostos orgânicos. Elas possuem fórmula e estrutura química complexas e, no caso da lignina, não totalmente decifradas. O Quadro 1 apresenta a composição de algumas fibras vegetais.
A celulose é um polímero hidrofílico que contém seis grupos hidroxila em sua estrutura básica. Esses grupos hidroxila fazem ligações do tipo ponte de hidrogênio intra e intermoleculares. Nas ligações intramoleculares, as hidroxilas da própria molécula ligam-se entre si, e nas intermoleculares ligam-se com outras moléculas de celulose ou moléculas polares presentes no ambiente. Por este motivo, as fibras vegetais não modificadas apresentam grande afinidade com a umidade ambiente (hidrofilia) e pouca afinidade com matrizes poliméricas hidrofóbicas, que é o caso da maioria das resinas empregadas em compósitos. A exposição excessiva dos compósitos à umidade pode provocar inchamento, perda de propriedades mecânicas, e falta de estabilidade dimensional.
A celulose sólida é semicristalina, ou seja, contém na sua maior parte regiões cristalinas intercaladas por regiões amorfas. As fibrilas das fibras vegetais são formadas por esta celulose, e têm a forma de finos tubos sólidos e cristalinos. Elas são resistentes a soluções alcalinas de até 17,5%peso, mas são facilmente hidrolisadas por ácidos [1].
A lignina também é um polímero natural, de alto grau de polimerização, composto por constituintes aromáticos e alifáticos, e responsável por dar rigidez às plantas. A lignina é um composto ainda não totalmente conhecido quimicamente, amorfo, e hidrofóbico por natureza. Sua temperatura de transição vítrea é de cerca de 90 °C, temperatura de fusão de cerca de 170 °C, não hidrolisável em ácidos, porém solúvel em soluções alcalinas quentes [1].
A hemicelulose é um polissacarídeo com grau de polimerização de cerca de 50-300, não cristalino, e que forma a matriz que engloba as microfibrilas de celulose. Ela é hidrofílica, solúvel em soluções alcalinas, e facilmente hidrolisada em ácidos [1].
A fibra de celulose não é obtida da natureza sozinha, vem junto com compostos orgânicos como cimentos pectídeos, taninos, hemiceluloses, e lignina. Alguns métodos, como o curtimento em água, são usados para eliminar essas “impurezas”.
2.2.1 A FIBRA DE JUTA
A Juta se encaixa na classe de fibras naturais que são extensivamente exploradas pelo homem. Ela é extraída do caule da planta Corchorus
capsularis, da família das tiliáceas, e trata-se de uma erva lenhosa que alcança
de três a quatro metros de altura, e cerca de 20 mm de diâmetro. Ela é cultivada em climas quentes e úmidos em todo o mundo. É a segunda fibra vegetal mais usada, em quantidade, perdendo apenas para o algodão, e considerada uma das mais baratas de todas as fibras vegetais [1]. A fibra se encaixa na categoria de fibra da casca.
A Juta é considerada como a fibra mais ecológica de todas as fibras vegetais, pois, desde o seu plantio até sua reciclagem, tudo é aproveitado e nada é desperdiçado, e nenhum tipo de agrotóxico precisa ser utilizado. É nativa do Mediterrâneo, vem sendo usada desde a pré-história, e se espalhou posteriormente para a Ásia, principalmente sudeste asiático [13].
Duas espécies principais são cultivadas nos principais países produtores que são Índia, Bangladesh, Tailândia, China e Brasil: a Corchorus capsularis, conhecida como juta branca, e a Corchorus olitorius, conhecida como juta negra. Atualmente a maior produção ocorre na região formada pelos deltas dos rios Ganges e Brahmaputra na Índia e Bangladesh[1]. No Brasil, a região produtora de juta fica nos estados do Amazonas e Pará, nos afluentes do rio Amazonas [13].
A Juta é extremamente versátil e tem inúmeros usos em diversos setores como o de moda, de construção civil, e de artigos para o lar. Os principais produtos são: tecidos para acomodar fardos, sacas de café e batata, cortinas, tapetes, capas, e geotecidos.
2.3 RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO (RPI)
A RPI é preparada através da mistura de um anidrido maleico, etileno ou propileno glicol, e um ácido saturado (ortoftálico ou isoftálico). A mistura resultante é um poliéster líquido de alta viscosidade e que possui pontos de
insaturação em sua cadeia [14]. A Figura 3 mostra os principais componentes da RPI.
Figura 3 Componentes da Resina de Poliéster Insaturado. Adaptado de: [14].
Para se alterar a viscosidade usa-se um diluente, sendo o mais comum o monômero de estireno. Esta substância, também conhecida como monômero, apresenta pontos de insaturação em sua estrutura, e atua como um agente de reticulação conectando as moléculas através de ligações cruzadas [14]. O estireno é o diluente mais usado por ser eficiente, ter baixa viscosidade, e ser barato. Suas desvantagens são a inflamabilidade, o cheiro forte, e o potencial carcinogênico [8]. Traços de um inibidor também são adicionados para evitar uma polimerização prematura durante a estocagem [8][14].
A reação de cura é iniciada com a adição de um catalisador. A temperatura é um fator determinante nesta reação, portanto determina sobremaneira a cura do material. Os catalisadores iniciam a cura da resina, que é a interligação das macromoléculas criando uma rede tridimensional de ligações químicas. Os dois tipos principais de catalisadores são: o peróxido de metiletilcetona (PMEK) e o peróxido de benzoíla (BPO). Os fatores que influenciam na cura são: principalmente a dosagem de catalisador, e a temperatura ambiente [8]. A dosagem de catalisador depende da temperatura
Anidrido maleico Etileno/propileno glicol
Molécula de poliéster Molécula de estireno Catalisador (a) (b) (c)
ambiente e do tempo de cura desejado. Uma dosagem muito alta causa uma forte exotermia, podendo prejudicar o resultado final da peça [8]. Com a adição de calor, 107-163 °C [8], o catalisador se decompõe em radicais livres, que irão reagir com as moléculas de estireno quebrando as suas duplas ligações C=C. Os radicais de estireno por sua vez, se ligam com as moléculas de poliéster nos seus pontos de insaturação formando ligações cruzadas. O material resultante é uma resina rígida de poliéster. O tempo de cura depende da taxa de decomposição do catalisador, que por sua vez depende da temperatura. Existe uma temperatura ótima para que esta reação ocorra.
Em geral as propriedades mecânicas da RPI melhoram com o aumento da densidade de ligações cruzadas entre as moléculas, porém a sua resistência ao impacto diminui pois o material torna-se de comportamento mais frágil e absorve menos energia antes de romper-se [14]. O que influencia a densidade de reticulação é a quantidade de pontos de insaturação nas moléculas da RPI não curada que pode ser variada de acordo com a composição [14].
O monômero estireno também influencia nas propriedades mecânicas da resina. Aumentando a sua quantidade relativa diminui-se o módulo de elasticidade (E) da resina curada, pois o estireno afasta as cadeias de poliéster umas das outras [14]. Outra conseqüência do aumento de monômero de estireno é a diminuição do tempo de cura, pois o estireno também contribui com pontos de insaturação. Uma quantidade excessiva de estireno causa auto-polimerização e aparecimento do polímero poliestireno [14].
Após a resina estar curada, podem ser feitos vários ensaios para determinar as suas propriedades, por exemplo: ensaio de dureza, cálculo da massa específica, teor de cinzas, resistência à tração, flexão e impacto [14].
As RPI ortoftálicas possuem pouca resistência a meios básicos e ácidos, ao calor e radiação, porém podem ter boas propriedades mecânicas dependendo da formulação. Se comparadas com as isoftálicas, são menos resistentes mecanicamente, mais rígidas, e apresentam maior tempo-gel [8].
Resinas de poliéster insaturado agüentam temperaturas de cerca de 200°, desde que o regime não seja permanente. Nesta temperatura elas sofrem variação dimensional mas não amolecem [8].
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 MATERIAIS
Os seguintes materiais foram utilizados na realização deste trabalho: Resina Ortoftálica Elekeiroz 2080, com 23-54% de monômero
de estireno [15]: para a fabricação dos laminados e dos cdps de resina pura.
Tecido de fibra de juta da Companhia Têxtil de Castanhal, tela E9, e massa por unidade de área de cerca de 280 g/m²: usado como fibra de reforço nos compósitos de Juta-RPI.
Borracha de silicone da Central do Fiberglass: para fabricação dos moldes de resina pura e vedação do molde de infusão a vácuo.
Filme de PVC flexível 0,3 mm de espessura: para fabricação da bolsa de vácuo.
Silicone de diversas marcas: para vedação do molde.
Placas de vidro de diversas espessuras: para fabricação do molde de infusão a vácuo.
Chapas de aço de 12mm: para fabricação do equipamento de prensagem.
Desmoldante de cera de carnaúba e desmoldante poli(álcool vinílico) (PVA): para a desmoldagem do compósito ou resina após sua cura.
3.2 METODOLOGIA
3.2.1 PREPARAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA DE RESINA PURA
A resina já catalisada com 1% de catalisador foi misturada mecanicamente por três minutos e vazada em um molde aberto de borracha de silicone com 10 cavidades, como mostra a Figura 4.
Figura 4 Molde de borracha de silicone para vazamento de cdps
Aproximadamente 18 min depois da mistura, a resina atingiu seu ponto gel passando do estado viscoso para o gelatinoso e, tornando-se rígida algumas horas depois. A resina foi deixada curando ao ambiente por 24 h, e, em seguida, foi realizado um tratamento térmico de pós-cura para finalizar o processo de reticulação. O tratamento térmico foi feito em uma estufa a cerca de 65 °C e por duas horas.
3.2.2 PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS
Os compósitos foram produzidos por três processos de fabricação: laminação manual, moldagem por compressão e infusão a vácuo.
3.2.2.1 Laminação Manual
Foi realizada em uma superfície lisa e plana e protegida com uma camada de desmoldante de cera de carnaúba e outra de desmoldante PVA.
Em primeiro lugar, a resina foi espalhada na superfície, em seguida o tecido de juta foi impregnado com a ajuda de um pincel e rolo de laminação de forma que a fibra ficasse mais molhada e sem presença de vazios. Esse processo se repetiu para cada camada adicional. Para dar um bom
acabamento superficial na superfície superior do compósito, foi colocado por cima um pedaço de filme plástico não aderente e com um rolo de laminação foi retirado o excesso de resina e de bolhas.
O laminado foi deixado curando a temperatura ambiente por 24 h antes de ser desmoldado, e, em seguida, “pós-curado” na estufa por 2 h a 60 °C. A vf
média alcançada foi de cerca de 25%.
3.2.2.2 Moldagem por Compressão
Neste processo, o compósito foi laminado manualmente, e em seguida prensado em uma prensa de capacidade de 15 t da marca Skay, por pelo menos 4 h, antes de ser desmoldado. Foi alcançada uma vf relativamente alta,
cerca de 40%, devido à carga de prensagem que comprimiu o laminado expulsando resina e bolhas em excesso.
3.2.2.3 Infusão A Vácuo
A infusão a vácuo foi feita em um aparato desenvolvido no laboratório, cujos principais componentes podem ser observados na Figura 5. O sistema de infusão é constituído de: (1) alimentador de resina, (2) molde de vidro, (3) captador de resina ou “trap”, (4) manômetro, e (5) bomba de vácuo (marca Dosivac modelo DVR140, vazão máxima de 140l/min e pressão absoluta mínima de 2 Pa ou 15 mHg).
O molde foi operado da seguinte maneira: primeiro colocou-se o tecido na cavidade e fechou-se o molde, depois foi aplicada uma pressão absoluta de cerca de 34.663 Pa (260 Torr), em seguida a válvula do alimentador de resina foi aberta e, devido à diferença de pressão, a resina foi puxada pra dentro do molde impregnando assim o tecido. O fluxo de resina ajudou a arrastar as bolhas presentes no tecido para fora do molde, resultando assim em um laminado de boa qualidade e baixa fração de vazios (vv). Esta resina seguiu
Figura 5 Sistema de infusão a vácuo
3.2.3 PREPARAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA PARA ENSAIO DE TRAÇÃO Os cdps utilizados nos ensaios de tração foram do tipo I da norma ASTM D638 [16] a qual designa-se tanto para polímeros de comportamento frágil, quanto para laminados fibra-resina. Eles foram preparados de duas maneiras (i e ii), como mostra a Figura 6.
Figura 6 Duas possibilidades para a preparação de cdps de tração
No primeiro método (i), desenvolvido durante o trabalho, o tecido foi primeiro cortado próximo do formato final, depois laminado por um dos métodos descritos em “3.2.2”, curado, e finalmente retificado e lixado até ganhar as dimensões corretas especificadas na norma ASTM D638. Já no segundo método de fabricação (ii), método tradicional, tiras foram obtidas através do corte com guilhotina dos laminados, as quais foram retificadas e lixadas até ganharem a forma final dos cdps.
Conclui-se que o primeiro método (i) foi o menos trabalhoso, pois demandou menos lixamento e não produziu trincas laterais durante o corte na guilhotina.
3.2.4 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS
3.2.4.1 Microscopia Óptica
A microscopia óptica foi utilizada para se medir as áreas transversais dos monofilamentos.
As micrografias foram obtidas com o software IrfanView versão 3.98, e as imagens foram analisadas e medidas com o programa de uso livre ImageJ, obtido gratuitamente na internet.
3.2.4.2 Ensaio de Tração
Os ensaios de tração para os cdps de resina pura e dos compósitos foram feitos de acordo com a norma ASTM D638 [16] em uma Máquina Universal de Ensaios (MUE) da marca Emic, modelo DL2000 e célula de carga de 2 t. A velocidade de ensaio foi de 3 mm/min para todos os ensaios, e usou-se um extensômetro eletrônico diferencial da marca Emic, modelo EE04, para possibilitar a medição do E e da deformação específica (ε). O cálculo da tensão de ruptura (σt) do cdp foi feito dividindo-se a carga de ruptura (Ft) do cdp pela
seção transversal (Af) do cdp, que foi medida com um paquímetro.
O ensaio de tração das fibras (monofilamentos) foi feito no mesmo equipamento, só que com uma célula de carga mais sensível e de capacidade de 50 kgf (490,3 N), e garras especiais. Quinze filamentos foram aleatoriamente retirados de várias amostras de fios de juta, e em seguida testados até se romperem. Para ajudar no manuseio dos filamentos, foi utilizado o aparato mostrado na Figura 7.
Figura 7 Fixação da fibra
O procedimento adotado neste trabalho é similar ao que é recomendado na norma ASTM D3822 [16]. Para o cálculo da σt do monofilamento, a Ft do
monofilamento foi dividida pela Af do monofilamento, que foi obtida
utilizando-se microscopia óptica e programas de análiutilizando-se de imagens, como utilizando-será descrito em “4.1.1.1-4.1.1.3”.
3.2.4.3 Medida da Densidade
A densidade foi medida usando-se um balão volumétrico de 1000 ml (1000 cm³) e uma balança centesimal da marca Metler Toledo, modelo PG5002-S. Em primeiro lugar, calculou-se a densidade da água destilada para verificar a precisão do método, e o valor obtido foi de 0,99 g/cm³. Em seguida, uma pequena quantidade de tecido de juta de massa conhecida foi adicionada no balão seco, o qual foi preenchido com água até a marca dos 1000 ml. Mediu-se a massa da água adicionada, e, usando a densidade calculada i) As molduras de papel sulfite com o filamento colado foram encaixadas na garra e fixadas por pressão.
ii) Foi aplicada uma pré-tensão na moldura e na fibra.
iii) As duas partes laterais do papel foram cortadas deixando a fibra pré-tencionada e pronta para ser ensaiada. Fibra vegetal
anteriormente, foi obtido o seu volume. Como o volume ocupado pela água e pelas fibras era conhecido (1000 cm³), então, descontou-se o volume da água, e obteve-se o volume das fibras. Como já se conhecia a massa da fibra, a sua densidade foi calculada dividindo-se a sua massa pelo seu volume medido; ρ=(massa/volume). Esse procedimento foi feito três vezes para se obter a densidade média de cada fibra.
4. ANÁLISE, DISCUSSÃO DOS RESULTADOS, E
CONSIDERAÇÕES FINAIS
4.1 CARACTERIZAÇÃO DAS FIBRAS 4.1.1 MICROSCOPIA ÓPTICA
Os tecidos bidirecionais utilizados neste trabalho são compostos por vários fios, que, por sua vez, são constituídos por uma grande quantidade de fibras menores. Estas fibras são chamadas de filamentos e estão unidas e entrelaçadas entre si. A Figura 8 mostra a micrografia de um fio de juta embutido em resina, onde pode-se observar que o mesmo é composto por muitos filamentos de seção transversal quadrada ou retangular com alta variação de tamanhos.
Figura 8 Seção transversal de um fio de juta embutido em resina. Aumento: 77x.
Fio Monofilamento
A Figura 9 ilustra um monofilamento de fibra de juta embutido em resina constituído por fibras individuais que são, na verdade, células mortas de planta. Estas células possuem formato tubular e seção circular com um canal no centro chamado de lúmen (1). A parede da célula (2) é feita de um material compósito natural que constitui-se de microfibrilas de celulose envoltas por uma matriz de lignina e hemicelulose, cuja estrutura já foi anteriormente mostrada em detalhe na Figura 2. Essas microfibrilas são fios sólidos de celulose cristalina e de diâmetro aproximado de 10-30 nm [1].
Figura 9 Monofilamento de juta onde pode-se observar uma fibra individual (detalhe) que é uma célula morta de planta de geometria tubular onde o número (1) é o lúmen, e o número (2) é a parede da célula. Aumento: 1546x.
A variação das propriedades das fibras é um problema enfrentado por todo pesquisador que trabalha na área de compósitos de fibras vegetais. Tal problema está associado ao fato de que estes materiais são produzidos pela natureza e, portanto, as variações das condições climáticas durante seu cultivo (i.e., umidade, pluviometria, irradiação solar, composição do solo, entre outras), exercem influência direta em suas propriedades mecânicas finais, além de
provocarem uma imensa variabilidade geométrica. Outros fatores que podem modificar as propriedades estão relacionados ao método de cultivo, colheita, processamento e estocagem das fibras.
O maior desafio do trabalho foi determinar a área transversal média para o cálculo da resistência à tração dos filamentos. Segundo Al-Qureshi, 1997, a determinação da área transversal média das fibras vegetais é um grande desafio encontrado por pesquisadores que atuam na área de compósitos reforçados com fibras vegetais [2].
Três formas de medição foram utilizadas, mas apenas uma foi escolhida para se determinar o valor médio da área da seção transversal (<Af>), como é
descrito a seguir.
4.1.1.1 Método 1 - Análise das Micrografias
Para o cálculo da seção transversal dos filamentos, foram utilizadas cinco micrografias e o programa de análise de imagens “ImageJ”. A Figura 10 ilustra as etapas utilizadas para analisar a imagem dos filamentos obtida pelo microscópio óptico. As cores da micrografia original (a) foram saturadas com vermelho (b) e convertidas em máscaras (c), cujas áreas foram posteriormente calculadas pelo programa. Finalmente, a área total (em preto) foi dividida pelo número de filamentos presentes.
(a) (b) (c)
Figura 10 Exemplo da análise de imagem para a determinação da seção transversal das fibras de juta: (a) imagem original, (b) imagem saturada, e (c) máscara.
No total, foram medidos 199 filamentos e a área média da seção transversal obtida foi: <Af> = 1783 µm².
4.1.1.2 Método 2 - Análise do Fio de Juta
A segunda técnica utilizada consistiu em medir a área de todos os filamentos de um fio de juta embutido em resina. Esta medição também foi feita com o programa de análise de imagens, e todos os filamentos do fio foram medidos. A Figura 11 apresenta a micrografia de um fio embutido em resina, onde pode-se observar os diversos monofilamentos.
Figura 11 Monofilamentos de Juta embutidos em uma matriz de RPI. Aumento: 309x.
A Figura 12 apresenta o histograma obtido a partir da área calculada para os 144 monofilamentos medidos. Nota-se que houve uma grande variação de área para os filamentos medidos, desde 434 µm² até 10.223 µm², demonstrando assim as dificuldades encontradas ao se caracterizar fibras
vegetais, como exposto anteriormente. O valor médio obtido foi: <Af> = 2530
µm².
Figura 12 Histograma que mostra a distribuição de áreas dos filamentos de um fio de juta.
4.1.1.3 Método 3 - Análise das Fibras Embutidas
Para realização do ensaio de tração foram escolhidos dez filamentos de um total de quinze rompidos em um ensaio de tração anterior. Esses filamentos foram embutidos em resina, preparados no laboratório de metalografia, e suas morfologias observadas através do microscópio ótico. A partir das micrografias obtidas, ver um exemplo na Figura 13, calculou-se a área de cada filamento utilizando-se o mesmo procedimento técnico descrito no item “4.1.1.1”. Dos dez filamentos analisados, obteve-se: <Af> = 3625 µm².
Área da seção transversal (µm²)
Quantid
ade d
Figura 13 Medição da seção do monofilamento. Aumento 773x.
4.1.1.4 Avaliação dos Resultados
Como pôde ser visto nas seções 4.1.1.1-4.1.1.3 o valor de <Af> varia de
acordo com o método utilizado, como demonstram os três valores obtidos: 1783 µm², 2530 µm², e 3625 µm².
A vantagem do Método 2 em relação ao Método 1 é a obtenção de uma curva do tipo “freqüência x Af”, onde pode-se visualizar a distribuição de valores
de Af.
O Método 3 obteve o maior valor de <Af> pelo fato dos filamentos terem
sido selecionados manualmente a partir de um fio de juta, e haver uma dificuldade de se manusear filamentos finos. Com isso, foram pegos os filamentos mais grossos do fio de juta.
Conclui-se que o Método 3 é o melhor para a determinação da σf, pois
garante que está medindo-se a Af do mesmo filamento que foi rompido no
ensaio de tração.
Para que este método fique ainda mais preciso, sugere-se que a medição da Af deveria ser feita antes do ensaio de tração. Como não é possível
embutir a fibra e depois ensaiá-la, deveria se escolher um filamento comprido e aproveitar metade para o ensaio e metade para a medição da Af. Ainda, como
a Af varia ao longo do comprimento do filamento deveria medir-se umas duas
4.1.2 ENSAIO DE TRAÇÃO
Os valores de σt e E obtidos no ensaio de tração (274 MPa e 31,9 GPa, respectivamente) são extremamente altos, como pode-se observar na Tabela 1, se comparados com os valores encontrados por Al-Qureshi, 2000 [3], para a fibra de juta de mesma origem (Estado do Pará): σt = 95-119 MPa, E: 3,5-17,4
GPa.
Tabela 1 <Af>, carga de rompimento Ft, σt, ε e E dos monofilamentos.
Este fato mostrou-se preocupante, pois demonstrava que havia algo de errado com os resultados obtidos.
Após minuciosa revisão dos dados e análise dos procedimentos experimentais, chegou-se a uma explicação plausível para o fato (propriedades mecânicas da fibra de juta acima da média): os monofilamentos eram, na verdade, multifilamentos e isto influenciava na σt dos mesmos. A Figura 14
mostra que um monofilamento observado a olho nu pode ser na verdade duplo triplo, etc.
Figura 14 Seção transversal de amostras com: (a) monofilamento; (b) dois filamentos; (c) três filamentos. Aumento: 773x.
A Figura 15 é, sem dúvida, a mais importante deste trabalho, pois mostra que há uma relação entre número de filamentos e σt, e que os monofilamentos apresentam uma σt < σt dos filamentos duplos triplos, etc.
Figura 15 Relação do número de filamentos com a resistência à tração.
A partir das considerações feitas, as propriedades mecânicas da fibra de juta foram recalculadas aproveitando-se apenas os valores de quatro dos dez filamentos utilizados, os quais eram realmente monofilamentos. O Quadro 2 apresenta as propriedades mecânicas dos dez filamentos misturados e apenas dos quatro monofilamentos.
Quadro 2 Propriedades mecânicas das fibras
Nota-se neste quadro que os valores dos monofilamentos (147 MPa, 23,7 GPa e 0,0062 mm/mm), foram aproximadamente 47%, 26% e 26% menores, aproximando-se assim dos valores obtidos por Al-Qureshi, 2000 [3]: σt = 95-119 MPa, E: 3,5-17,4 GPa.
Um dos problemas encontrados ao se ensaiar dois ou mais filamentos ao mesmo tempo é a ocorrência do tracionamento desigual dos mesmos e o fato de estarem torcidos um ao redor do outro, resultando em alteração da σf e
E calculados.
Ressalta-se que, para o cálculo da tensão, a carga de ruptura foi dividida pela área total dos filamentos, fossem eles monofilamentos ou multifilamentos.
Os monofilamentos tiveram tensão menor do que os filamentos duplos ou triplos, demonstrando que é necessário ensaiar apenas monofilamentos para se obter uma tensão de ruptura real.
4.1.3 MEDIDA DA DENSIDADE
Os valores de densidade obtidos da água (0,99 g/cm³), da RPI (1,22g/cm³), e da FV (2,63g/cm³), foram extremamente condizentes com os da literatura disponível [17], como mostra o Quadro 3.
Quadro 3 Densidades dos materiais utilizados
Quantidade de Amostras σt (MPa) E (GPa) ε (mm/mm)
Todos os filamentos (total 10) 278 31,9 0,0084 Apenas monofilamentos (total 4) 147 23,7 0,0062
Entretanto, os valores da densidade da fibra de juta (ρjuta= 1,08 g/cm³),
deram muito abaixo da literatura (1,3-1,49 g/cm3)[1]. Descobriu-se mais tarde que este erro era devido à presença de bolhas presas no tecido da juta. Para solucionar este problema, as fibras foram deixadas submersas em água por algumas horas e agitadas com uma haste para que as bolhas presas no tecido pudessem sair. O valor obtido dessa maneira (1,31 g/cm³) foi muito mais condizente com os valores da literatura.
4.2 CARACTERIZAÇÃO DA RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO (RPI)
A caracterização da RPI é importante, pois as suas propriedades mecânicas também determinam as propriedades finais do compósito.
Como as propriedades mecânicas da RPI dependem muito das reações químicas que ocorrerem durante o seu preparo e processamento, é necessário então que primeiro se discuta as influências dos mesmos na resistência à tração.
4.2.1 EFEITO DO TRATAMENTO TÉRMICO NA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO Foram comparadas amostras curadas à temperatura ambiente com amostras tratadas termicamente a 60 °C por duas horas para verificar-se o efeito deste tratamento na resistência à tração da resina. O tratamento térmico foi feito 24 h após o vazamento da resina, e serviu para finalizar o processo de interligação das cadeias poliméricas e dar mais resistência e rigidez à resina.
Para se visualizar melhor as influências deste tratamento foi traçada a curva exposta na Figura 16.
Figura 16 Influência do tratamento térmico e do tempo de cura na resistência à tração.
Observa-se que as amostras sem tratamento térmico apresentam um valor médio de resistência à tração inicial de 17 MPa e eleva-se até se estabilizar em um patamar constante, após cerca de sete dias do vazamento. Isso ocorre, pois apesar da resina estar rígida após 24 h de seu vazamento as reações químicas para a formação de ligações cruzadas no material ainda não ocorreram completamente.
As amostras tratadas termicamente apresentam um comportamento diferente dos cdps não tratados. As amostras com tratamento térmico não apresentaram variação dos valores médios de σt em função do tempo, ou seja,
a pós-cura nivelou os valores. Isto ocorreu, pois com o tratamento térmico foi fornecida energia suficiente para completar reações de ligação entre as cadeias que não tinham ocorrido. Com um dia de cura, a diferença de valores entre a amostra com e sem tratamento térmico foi de cerca de 200%.
4.2.2 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO PADRÃO
A <t> foi obtida de 52 cdps pós-curados, resultando em 35,7±1,6 MPa,
que é um valor muito próximo do fornecido pelo fabricante da resina (Elekeiroz S.A.) que foi de 35,9 MPa.
O módulo de elasticidade resultante foi de 1,71±0,11 GPa, obtido de 45 cdps, com <ε> = 1,46±0,12%. Estas propriedades não foram fornecidas pelo fabricante.
4.3 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DO COMPÓSITO
O Quadro 4 mostra as propriedades mecânicas dos compósitos de juta obtidas por três técnicas de fabricação: laminação manual, moldagem por compressão, e infusão a vácuo.
Quadro 4 Propriedades Mecânicas dos Compósitos
Técnica de fabricação
v
f (%) σtração (MPa) E (MPa) ε (%)Laminação Manual 20,4 23,5±2,4 - - Moldagem por Compressão 31,0 47,4±3,2 - -
38,0 46,2±2,8 - -
Infusão a Vácuo 25,9 34,6±2,7 1851±464 1,4±0,4
Neste quadro, observa-se que o compósito que apresentou maior resistência à tração foi o preparado por moldagem por compressão devido à maior fração volumétrica de fibras alcançada através da compressão do laminado. Observa-se também que a laminação manual produziu o pior resultado de tração e também menor fração volumétrica. Por último, observa-se que o método de infusão a vácuo obteve vf= 25,9% e <σt>= 34,6±2,7 MPa, uma
resistência muito melhor comparando-se com a laminação manual, mesmo que a vf seja um pouco diferente. Esta diferença deve-se, provavelmente, ao fato de
na infusão a vácuo os vazios poderem ser eliminados do tecido durante a sua impregnação.
Uma propriedade que poderia esclarecer este fato é a fração de vazios, porém esta não foi medida por dificuldades técnicas.
4.4 COMPARAÇÃO COM A REGRA DAS MISTURAS
A Regra das Misturas Modificada utilizada neste trabalho foi a desenvolvida por Al-Qureshi e apresentada em 1997 [4]:
σc= (β) (σf) (vf) + (λ) (σm) (vm)
sendo, σc a resistência à tração do compósito, β o fator de eficiência do
alinhamento das fibras (0,5 para tecidos bidirecionais), σf a resistência à tração
das fibras, vf a fração volumétrica das fibras, λ o fator de adesão (determinado
em 0,68 para juta-poliéster segundo Al-Qureshi [4]), σm a resistência à tração
da matriz e vm a fração volumétrica da matriz.
Com o intuito de verificar-se a adequação dos resultados experimentais com a Regra das Misturas, foi montado o Quadro 5, onde os resultados de todos os compósitos produzidos neste trabalho são comparados.
Quadro 5 Regra das Misturas Modificada aplicada para os três processos desenvolvidos.
O único parâmetro que foi alterado no Quadro 5 foi o λ (fator de adesão), que pode variar de 0 (totalmente desacoplado) até 1 (adesão total). Para cada processo de fabricação foram estipulados três valores de λ: 0,6 , 0,7 e 0,8. Esta faixa de valores é a mais típica de adesão entre RPI e fibra de juta [4]. Com
esta variação de λ, obteve-se diferentes valores de σc_teórico, e pôde-se inferir o
seguinte:
1. Laminação manual: quando o λ se aproximou de 0,6 a diferença entre σc_experimental = 23,5 MPa e σc_teórico = 32,3 MPa diminuiu.
Infere-se que o λ para esta técnica é bem abaixo de 0,6, pela grande diferença entre os valores experimental e teórico observada. Infere-se também que a adesão desta técnica é muito ruim, devido à pouca pressão de compactação e à grande quantidade de vazios do processo.
2. Infusão a vácuo: quando o λ se aproximou de 0,6 a diferença entre σc_experimental = 34,6 MPa e σc_teórico = 34,8 MPa ficou
praticamente nula. Infere-se que o valor de λ para este método seja muito próximo de 0,6, portanto, melhor do que o λ da laminação manual. O fato deste valor estar entre o da laminação manual e o da compressão é plausível, pois esta técnica tem valores intermediários de vf e vm em comparação com as técnicas
de laminação manual e moldagem por compressão.
3. Moldagem por Compressão: quando o λ se aproximou de 0,8 a diferença entre σc_experimental = 46,2 MPa e σc_teórico = 46,2 MPa
ficou nula. Infere-se que o λ desta técnica seja muito próximo de 0,8, e seja maior do que o λ da laminação devido à melhor molhabilidade da resina na fibra ocasionada pela compressão.
5. CONCLUSÕES
A partir dos resultados obtidos e do trabalho desenvolvido faz-se as seguintes conclusões:
Foi possível determinar a área média da seção transversal dos filamentos com sucesso. A técnica para a determinação da área de seção transversal influencia demasiadamente nos resultados de resistência à tração para as fibras.
O estudo do tratamento térmico da resina evidenciou que as propriedades finais da mesma são diretamente influenciadas pelos parâmetros tempo e temperatura do tratamento.
O compósito preparado através do processo de compressão apresentou propriedade mecânica superior aos compósitos obtidos por moldagem por infusão, laminação manual e da RPI pura.
Os resultados de resistência à tração dos compósitos (σc_experimental) preparados através da infusão a vácuo e moldagem por compressão foram condizentes com os valores previstos pela Regras da Mistura Modificada.
Conclui-se que as técnicas de processamento exercem grande influência no molhamento entre fibra e matriz, contribuindo para a alteração das propriedades finais do material compósito.
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Realização de ensaios mecânicos de flexão, impacto e absorção de umidade dos laminados de Juta-RPI.
Calcular o fator de adesão λ de maneira acurada para diversos processos de fabricação.
Fazer o tratamento das fibras de juta em solução alcalina, e determinar os parâmetros ótimos do tratamento: % massa de NaOH, temperatura da solução, e tempo de tratamento.
Verificar a influência dos tratamentos químicos na adesão fibra-matriz, através do ensaio de puxamento da fibra (“pullout”).
Fazer um estudo da absorção de umidade das fibras de juta para verificar-se: o percentual de umidade da fibra, os parâmetros ótimos de secagem (tempo e temperatura), e o comportamento de reabsorção de umidade das fibras.
A partir do estudo da absorção de umidade, verificar a influência da umidade das fibras na resistência â tração do compósito.
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