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COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS, VACUUM FORMING E
HAND LY UP, PARA A PRODUÇÃO DE COMPÓSITOS
POLIÉSTER/TECIDO TRAMADA DE JUTA
Raul Freire de Morais Diniz¹
Joselito M. F. Cavalcante²1
Resumo:O processo de compósitos reforçados com fibras naturais integra umprisma atual do desenvolvimento sustentável, e potencializa a produção de materiais eco eficientes. Estes novos materiais passam pelos ajustes de técnicas de fabricação de compósitos, eas características peculiares e específicas das fibras naturais podem ser a solução para tornar economicamente viável e ambientalmente favorável. Sendo assim, o presente artigo estuda as principais variações na utilização de processos de infusão, como ele afeta as propriedades mecânicas do mesmo, e a demonstração dos ganhos direto ao utilizar a fibra de juta em ensaios mecânicos de tração, variando entre 27% á mais 118% no ganho de tenacidade. Bem como, visa expor relações de custo benefícioao usar camadas excessivas de fibra.
Palavras-chave: Compósitos; Eco Eficientes; FibrasNaturais; Juta. 1. INTRODUÇÃO
Os avanços tecnológicos, a preocupação nas limitações de recursos não renováveis e a preservação ao meio ambiente, geroua crescente necessidade de procurar matérias que possam substituir os materiais não renováveis por materiais ecologicamente eficientes. Dentre esses materiais, o que tem maior destaque são os reforços nos compósitos, já que o mesmo tem um impacto positivo nas emissões de dióxido de carbono, capacidade de reciclagem, e trata-se de um recurso ilimitado, de modo que, podem ser facilmente descartados sem poluir. Esses e outros fatores fazem com que os reforços de compósitos, sejam biologicamente sustentáveis e uma opção vantajosa para a produção.[1]
Os compósitos reforçados com biofibras (biofibercomposites) vem evoluindo desde 1990, mas, atualmente vem se destacando de maneira positiva, vez que, esses reforços, se mostramcada vez mais eficientes para a produção de peças mecânicas, materiais artesanais e outros. A crise do petróleo elevou osbiocompósitosa um patamar de importância,pois, eles transformam materiais de engenharia com uma grande variedade de propriedades. Porém, como todos os materiais,torna-se difícil competir em um mercado global, já que, os compósitos reforçados não têm, ainda, uma grande produção em massa e um desenvolvimento contínuo por ser algo relativamente novo e em desenvolvimento na engenharia. [1]
Entretanto,o compósito reforçado a fibra vegetal (biofibra) tem suas perdas, como o módulo de elasticidade que tem um baixo valor, se comparado a outros reforços não ecologicamente corretos.Exibe, ainda, ampla variabilidade em suas propriedades para uma mesma espécie de fibra vegetal, como se ver em árvores, que existe uma diferença de um fruto para outro,ainda que originalizado de uma mesma árvore. No entanto, segundo Ghavami e Tolêdo Filho (1992), todos esses aspectos podem ser superados, e, para isso, pesquisas futuras devem ser feitas para que se possa usar esse material com segurança e economia [1-2]
Neste contexto, a proposta desse artigo é estudar e categorizar os ganhos da fibra vegetal de juta, e quais os ganhos que a mesma irá oferecer para o compósito em relação a matriz pura. Será analisado, ainda, se o sistema de infusão a vácuo(VacuumInfusionProcess - VIP), apresenta algum ganho comparado ao handlayup em testes mecânicos com fibras naturais, e caso ocorra ganhos, se estes, podem ou não substituir as fibras vegetais pelos
1Graduando no curso superior de Ciência e Tecnologia pela UFERSA de Angicos
²Professor Orientador
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO - UFERSA CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
reforços que não são eco amigáveis.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Compósitos
Os compósitos são formados, em regra, por uma aglutinação de dois produtos não diluídos entre si e denominados de fases. Sendo elas, a fase matriz e a fase de reforço, porém, elas se distinguem no tocante as suas finalidades na obtenção do resultado. Vez que, a ação de uma matriz em um compósito tem como objetivo a proteção do material envolvido contra as ações externas, pois, ao manuseá-lo ele protege o compósito e mantém a proteção de reforço. Já o reforço pode aumentar as propriedades de resistência mecânica, física e química do compósito, a depender do tamanho, do cumprimento, e de suas ligações [3]. A exemplo, têm-se a Figura 1
Figura 1. Demonstração de Fibras de Compósito.(Biscainho, 2017) [4]
A Figura 1, demonstra a relação entre a matriz e a fibra em uma estrutura composta, e como ela é distribuída, sendo a primeira imagem, disposta em um arranjo alinhada, a segunda laminada e a terceira distribuída.
2.2. Compósitos reforçados com fibra
Cientificamente, os compósitos fibrosos tendem a apresentarmaior rigidez, e/ou, alta resistência em relação à sua massa. Suas características se enquadram em resistência e módulo específico, dos quais se classificam pelo limite de tração e seu peso específico entre o módulo de elasticidade. O resultado mecânico do compósito reforçado com fibra, consiste em diversos aspectos, como aqueles que integram a atuação tensão-deformação da fase da matriz e da fibra. O volume das fases está intrinsicamente relacionado a direção que a força é aplicada na estrutura ou carga, já que o mesmo, depende da direção da medição da fibra. [5]
Outro fator inerente aos compósitos de fibra, é a forma da distribuição e a organização de como o reforço está aplicado dentro da matriz, existindo duas categorias primordiais de divisão, são elas, a distribuição de direções alinhadas, e a distribuição de direções descontínuas. A direção alinhada tem como vantagem sua maximização de aumento de resistência em direção aonde as fibras estejam alinhadas, baseando-se em forças axiais, já que a mesma, apoia-se totalmente na resistência da fibra com o acréscimo da matriz, mas, em contrapartida, o mesmo não ocorre em relação a direção oposta ao alinhamento da fibra, que seu acréscimo de resistência é classificado quase como nulo, não agregando, assim, em quase nada a resistência do próprio compósito. Com relação as direções descontínuas, em sua maioria, as fibras usadas na estrutura desse compósito, têm uma pequena área, obtendo, assim, um ganho distribuído, em questões de forças axiais e cisalhante, que obtêm um ganho relativamente moderado. [5]
2.3. Compósitos Laminados
O compósito laminado é constituído por painéis bidimensionais e superfícies planas, que, em regra, possui estrutura de alta resistência, como, por exemplo, a estrutura encontrada em MediumDensityFiberboard (MDF). As camadas do compósito laminado são sobrepostas e unidas umas às outras. Dessa forma, a trajetória da orientação da lamina, tem variação com cada ordem a ser colocada para a melhor distribuição de força para evitar pontos de fraqueza. Em uma matriz de plástico, os compósitos laminados podem ser formados utilizando materiais de tecidos, como o papel, fibras de vidro e algodão. Assim, o compósito laminado apresenta resistência parcialmente alta em duas direções opostas. Porém, a resistência em qualquer ângulo diminui quando equiparado a todas as fibras em um mesmo ângulo. A exemplo, têm-se a Figura2 abaixo, chamada de esquimoderno. [5]
Figura 2.Demonstração de Compósito Laminado. [5] 2.4. Produção dos compósitos
O presente artigo, foi divido em dois sistemas de modelagem, são eles, o sistemade molde à vácuo e o sistema de molde handlayup. Estes, foram feitos de sete placas baseados nos moldes, sendo três no molde à vácuo, e quatro no molde handlayup, que teve como variação a quantidade de fibra natural de juta usado como reforço, distinguindo-se no tocante ao handlayup, que inicia com zero fibras de juta, com limitação de três camadas laminadas de fibra de juta, já o molde à vácuo inicia com um, e termina com três camadas compósita de fibra de juta tendo ações distinta a ser seguida em cada modelo.
2.5. Oreforço
A fibra de juta é uma fibra têxtil vegetal, que foi trazida pelos japoneses e se tornou uma das principais fontes de renda na população Ribeirinha da Amazônia, contando com mais de 15 mil famílias, que dependem direta e indiretamente da sua produção. A produção da fibra de juta é realizada nas margens dos rios Solimões e Amazonas no início da vazante, não necessitando de queimadas ou qualquer técnica para limpeza do terreno, pois o próprio rio tem essa função quando está cheio, e o que é deixado serve de fertilizante natural, tornando a fibra mais eco amigável, pois não precisa de adubos químicos, além de que, quando a juta perde sua utilidade é descartada,e desintegrada pela natureza completamente em poucos anos, sem deixar nenhum resíduo ou dano ambiental.[6]
2.6. Experimento
O experimento consiste na avaliação e descoberta de quais dos, entre duasformas de produção seria mais eficiente com a juta, sendo ela, o molde à vácuo e o handlayup, e qual apresentaria um melhor desempenho de resistência mecânica.
2.6.1 Handlayup
Handlay-up é um processo simples de fabricação de compósitos, ele consiste em aplicar a fibra manualmente em um molde aberto. Primeiro preparasse o molde, após a preparação do molde aplica-se a fibra e a resina, posteriormente ao processo de laminação a peça passa por um processo de cura e terminando com a desmoldagem. [7]
2.6.2. Infusão a vácuo
O processo de infusão a vácuo é uma técnica de injeção de resina sob pressão em molde fechado. Este processo aplica material de reforço no interior de um molde, utilizando uma bomba a vácuo A absorção do compósito ocorre pela pressão negativa criada pelo vácuo, tendo em vista que a peça absorve apenas a quantidade
necessária de resina, criando um compósito com uma porcentagem maior de fibra sendo seu produto mais leve.
2.6.3. Ensaio mecânico
O ensaio mecânico é a utilização de forçasde arrasto uniaxial progressiva em um corpo de prova especifico até a ruptura. Por fornecer dados específicos de cunho mecânico do material, é bastante utilizado na indústria de itens mecânicos. O ensaio mecânico tem suas deformações distribuídas uniformemente no corpo de prova, até o ponto de chegar ao seu limite de ruptura, de modo que, a carga máxima exercida possibilita analisar o corpo de prova, e o teste obtém uma velocidade lenta. Ao atingir a carga máxima suportada pelo corpo de prova, é cessada sua uniformidade. [9]
Antes de atingir o limite de ruptura, alguns corpos de prova entram na fase de estricção, de modo que, seu valor de tensão tende a cair antes de chegar ao limite de ruptura,como visto no experimento ao fazer uma variação de valores de ruptura mesmo em corpos de prova com a mesma composição. Além de que, foi observado que o material em questão é frágil, pois demonstra uma deformação específica após a ruptura do corpo-de-prova menor que 5% [9]
Figura 3.Máquina de ensaio.
3. METODOLOGIA 3.1.1. Materiais
Os materiais usados foram dois moldes de madeira, com o tamanho 20x20 cm,doisobjetos, com massa aproximadamente 3,5 kg, uma peça de vidro temperado de aproximadamente 35x35 cm. Foram utilizados fibra de juta, resina poliéster (incolor) R190, da marca AdvancedVacuum, catalizador da marca AdvancedVacuumpara resina com proporção de 1% à 2%, filme perfurado Figura 4.(a),tacky tape Figura 4.(b), Filme de Vácuo Figura 4.(c) etecido peelply Figura 4. (d),filme absorvente, cera de desmoldar de carnaúba, uma tesoura, uma bomba à vácuo TE-058, um recipiente para mistura e um misturador, uma balança científica de marca AAKER, e uma balança de precisão, da marca SHIMADZU, modelo AY220, uma máquina de corte à laser, e uma máquina de ensaio de tração DL10.000, com acessório de garra GR001. Além disso, foram utilizados EPIs, como luvas, máscaras e botas, bem como EPC à capela.
(a) (b) (c) (d)
Figura 4. (a)filme perfurado, (b)tacky tape, (c)filme de vácuo, (d) peelply.
3.1.2. Handlayup
A produção handlayup, foi feita em quatro modelos para a obtenção de melhor parâmetro, sendo estes, uma com zero fibra de juta, uma fibra de juta, duas fibras de juta, e três fibras de juta queé demonstrado na Figura 5 em moldes, o molde utilizado é demonstrado na Figura 6. O experimento, por sua vez, consiste em, inicialmente, polir o molde com cera de carnaúba, para que fosse evitado no desmolde a colagem da resina ao molde, esse processo se repetiu de duas à três vezes, com intervalo de aproximadamente três minutos para melhor fixação da cera. Posteriormente, fora feito o mesmo processo no vidro temperado para a obtenção do mesmo resultado dito anteriormente. Após esse procedimento, iniciou-se a medição do peso da juta e da resina.
Figura 5.Fibra de juta, usada como reforço.
Após descoberto e pesado a quantidade real de resina poliéster (incolor) R190, fora colocado a equivalência de 1% á 2% do catalizador para assim, misturar o poliéster ao catalizador até chegar em uma consistência homogenia, e agilizar o processo de catalisação do mesmo. Em seguida, fora misturado a juta e a resina catalisada, e colocados no molde para ganhar a forma deste.
Figura 6. Molde de madeira usado nas modelagens.
Seguindo essas ações, foi disposto o vidro temperado em cima do molde de madeira, logo após, fora aplicado uma força axial causada por duas pedras de valores totais de aproximadamente 3,5 kg, obtendo, assim, uma força distribuída sob o material. Após o período de 24h, fora desmoldado a união entre a resina e a juta. Logo depois, cortou-se o material obtido no teste em uma máquina de corte à laser para tamanhos específicos, que se tornou,
em média, doze corpos de prova. Posteriormente, fora transportado os corpos de prova para a UFERSA de Mossoró, para que fosse feito os ensaios mecânicos. Todo esse processo foi repetido por mais três vezes, distinguindo-se apenas a quantidade de juta e resina poliéster em cada um.
3.1.3. Infusão a vácuo
Infusão a vácuo o procedimento para a obtenção dos corpos de prova foi, inicialmente, encerado o molde de 20x20 cm, para facilitar o desprendimento da resina e da juta quando estivessem prontas, esse processo se repetiu de duas à três vezes, com intervalo de aproximadamente três minutos para melhor fixação da cera. Logo após, fora cortado com uma tesoura, o tamanho de juta mais próximo ao encaixe total do molde para que fosse evitado qualquer espaçamento entre a juta e o molde. Fora cortando, ainda, o tecido de peelply, o filme perfurado, e o filme absorvente, em seguida, foram situados em cima do molde, e cortados em uma dimensão maior do que o espaço que ficaria a juta.Após essas ações, fora pego a juta cortada, medido e averiguado sua massa.
Ademais, fora medido a quantidade de resina a ser utilizada neste experimento, sendo esta resina poliéster (incolor) R190. Ao obter este valor, fora acrescido uma quantidade, de aproximadamente, 1% á 2% de catalizador no total do peso da resina, a Figura 7 apresenta a resina e o catalizador utilizados nos modelos. Após feita essa mistura, o material centrifugou, de tal modo, a obter um resultado homogêneo entre a resina e o catalizador. Assim, fora colocado a juta dentro do molde, passando por cima a resina com o catalizador, resultando, deste modo, uma mistura de resina com fibra de juta dentro do molde.
Figura 7. Resina e catalisador usados em todos os modelos.
Em continuidade, fora realizado laminações de diversos materiais, sendo eles, o tecido de peelply, o filme perfurado, e o filme absorvente, todos nessa ordem. O peelply ficou em contato com a resina, para servir como um filtro, usando ao redor do molde; a tacky tape, encaixando o filme de vácuo em cima, para assim, obter uma vedação à vácuo, com espaço suficiente para alcançar somente o encaixe de uma mangueira, esta, por sua vez, estava conectada a máquina à vácuo que é mostrada na Figura 8, ligada a uma pressão de 700apm, no período de 24h, após o termino deste período, fora desmoldado e coletado o resultado obtido. Por fim, fora cortado o material obtido neste experimento, usando uma máquina de corte à laser para as medidas necessárias a transformar o material em um corpo de prova, e o levando para a máquina de teste de ensaios mecânicos, chamada de DL10.000, com acessório de garra GR001. Esses procedimentos foram realizados mais duas vezes, distinguindo-se apenas em relação a quantidade de juta e resina poliéster (incolor) R190 utilizada em cada um.
4. Figura 8. Maquina a vácuo, com a modelagem a vácuo.
4. Resultados e Discussões
Foram feitos ensaios de tração nos corpos de prova, sendo eles, como dito anteriormente,sete placas com quantidade de fibras distintas e sistema de modelagem distinto buscando analisar qual delas têm o melhor desempenho de resistência a tração.A Tabela 1 demonstra as placas feitas na modelagem àHandLayUp, e a matrizem comparativo.
Tabela 1. Valores dos ensaios de tração nos corpos de prova a moldagem HandLayUp. Material Resistência Tração (MPa) Tração de Ruptura (MPa) Alongamento
(mm) Massa final da placa(g) Compósito Fibra no Compósito 1f 13,05 ± 4,09 6,98 ± 4,79 2,35 ± 0,31 157 6,35% Compósito 2f 17,20 ± 3,19 8,98 ± 4,86 3,24 ± 0,96 177,8 11,53% Compósito 3f 20,04 ± 4,08 11,33 ± 3,28 3,52 ± 1,56 190 15,68% Matriz 10,26 ± 4,66 5,88 ± 3,81 1,95 ± 0,79 166,2 0%
Os compósitos a handlayup teve um ganho bastante chamativo em todas as características do material, porém, a que demonstra maior vantagem, é o handlayup com três camadas de fibra de juta, que teve um ganho de 95,32% em relação a matriz sem nenhuma adição de reforço, demonstrando que o reforço de fibra tem um ganho total sobre o compósito,e pode, não só, ter um ganho expressivo em seu limite último, mas também um ganho em quesitos ecológicos, que foi um dos reais destaque, já que, nesse compósito tem uma quantidade de 15,68% de material eco amigável, e essa porcentagem não necessitade preocupações extremas sobre os impactos causados pelo material ao meio ambiente, nem o descarte neste, pois, em questão de tempo de degradação, a juta precisa de menos dedois anos para ser dissolvida pela natureza, bem como, temum recurso ilimitado da juta,e, comporta, ainda, um processo de fácil fabricação.
Em seguida, fora iniciado os testes em compósitos e feito a moldagem de infusão a vácuo, que obteve resultadosmelhores em relação ao outro molde como demostrado na Tabela 2, vez que alcançoutensões maiores com a mesma quantidade de camadas de fibra de juta usadaemhandlayup.A infusão a vácuoretira maior excesso de matriz, tendo assim, um corpo de prova menos largo comparado ao outro sistema de moldagem, com isso o teor de fibra tende a ser maior, mesmo que a massada fibra seja aproximadamente igualnos testes com a mesma quantidade de fibra. Assim, demonstra que a infusão a vácuo, ainda que, com menos matriz, se saiu melhor que o
handlayup.
Na Tabela 2 pode ser observado um ganho expressivo na fibra com duas camadas, obtendo ganho de 118,22% no total comparado com a matriz. Além de uma pequena variação no alongamento do corpo de prova, com uma fibra menor ao da resina pura, o que não era visto no outro tipo de moldagem. Analisando esses
fatores, estima-se que o resultado teve origem da fina espessura da placa, pois, ao tocar na placa é possível sentir as ondulações da fibra. A porosidade da resina e da juta em conjunto, criou um sistema que resulta em um limite último maior, deve um agravamento na parte frágil do material, que gera um alongamento reduzido, ainda que, em comparação a resina pura.
Tabela 2. Valores dos ensaios de tração nos corpos de prova a moldagem infusão a vácuo. Material Resistência Tração (MPa) Tração de Ruptura (MPa) Alongamento
(mm) Massa final da placa(g) Compósito Fibra no Compósito 1f 15,58 ± 2 8,95 ± 1,84 1,94 ± 0,33 86,1 11,81% Compósito 2f 22,39 ± 1,29 10,42 ± 5,64 3,12 ± 0,31 95,8 18,68% Compósito 3f 19,60 ± 3,88 8,34 ± 5,19 3,26 ± 0,18 138 21,58% Matriz 10,26 ± 4,66 5,88 ± 3,81 1,95± 0,79 166,2 0%
Figura 9. Gráfico das tensões máxima.
Após feito os testes entre os dois sistemas de moldagem, observado as variações de valores que o mesmo gerou, foi executado, no total,trinta e cinco testes mecânicos, sendo cinco ensaios de corpo de prova feito em cada placa, como especifica a norma ASTM D3039/D3039M, que determina as propriedades do estado do plano de tensão de materiais compósitos de matriz polimérica reforçados por fibras de alto módulo.Em alguns testes a classificação de “frágil”no material foi agravado, e sua elasticidade foi diminuída, contradizendo exatamente o que se esperava do compósito, que não obteve valores como a da fibra de vidro ou defibra de carbono, que são os mais usados atualmente, tendo valores que chega a 464MPa,a fibra de carbono, e 388,75MPa, a fibra de vidro em ensaios de tração, sendo esses compósitos reforçados com matrizes especificas que agregam valores para melhor obtenção do resultado. [10]
Ainda que,utilizando de baseo valor do compósito com reforço de fibra de juta, o melhor resultado obtido nesse artigo, é inferior a vinte vezes o valor de compósitos com fibra de carbono. Existem trabalhos e equipamentos que não têm a necessidade de uma resistência a valores tão alto, sendo uma opção a utilização desse reforço eco amigável para esses equipamentos, ou, simplesmente para confeccionar materiais artesanais, dentre outros.
Entretanto, o feito acima, demonstra que futuramente a fibras eco amigáveis, não apenas a juta, mas todas as outras, poderiam conquistar o lugar das fibras não ecológicas, poisa principal desvantagem é as propriedades mecânicas entre o eco amigável e não eco amigável, que vem perdendo seu espaço, e futuramente não terá mais a necessidade de usar outro material além do ecologicamente correto.
10,26 13,05 17,20 20,04 15,58 22,39 19,60 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 1 σ (M P a )
Valores Medios
5. CONCLUSÃO
Pode-se observar que o presente artigo cumpriu sua função em demonstrar o ganho do compósito com fibra natural de juta, e a influência que a escolha do processo tem sobre o compósito, como observado nafigura 10. Nota-se ganhos de, no mínimo 27% até 118,22%, além de um ganho em todas as características do material,como sua tenacidade até sua ductilidade,comparando a matriz pura sem reforço, bem como a infusão a vácuo, que, mesmo com em menor quantidade de matrizteve um ganho significativamente melhor com reforço da fibra de juta, sendo, até no máximo duas fibras, pois, quando colocadotrês fibras de juta no sistema de moldagem a vácuo existe uma perda, se assim compará-la a moldagem de duas fibras a vácuo. Um desses fatores ocorre em virtude da infusão a vácuo fazer uma boa ligação entre o reforço e a matriz nesse sistema,bem como, obter uma quantidade baixa de matriz,que acarretaa existência de falhas entre os ligamentos, quando ocorre a existência da quantidade demasiada de fibra, tendo assim, camadas de fibras em contato direto com a fibra, sem o ligamento apropriado da matriz, gerando,deste modo, uma perda nas propriedades dúcteis e tenacidade do material.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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<https://cursosmarinecomposites.com/portfolio/infusao-a-vacuo/>. Acesso em: 19 set. 2018.
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