UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS

Gabriel Norcia e Targa

COMPSITO REFORADO POR LAMINADO DE BAMBU COM MATRIZ DE POLIURETANO E EPXI:

DESENVOLVIMENTO, PRODUO E CARACTERIZAO MECNICA

Florianpolis

2011

Gabriel Norcia e Targa

COMPSITO REFORADO POR LAMINADO DE BAMBU COM MATRIZ DE POLIURETANO E EPXI:

DESENVOLVIMENTO, PRODUO E CARACTERIZAO MECNICA

Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina para a obteno do Grau de mestre em Engenharia de Materiais Orientador: Prof. Dr. Guilherme M. de O. Barra Co-orientador: Prof. Ph.D. Hazim Ali Al-Qureshi

Florianpolis

2011

Catalogao na fonte elaborada pela biblioteca da Universidade Federal de Santa Catarina

A ficha catalogrfica confeccionada pela Biblioteca Central.

Tamanho: 7cm x 12 cm

Fonte: Times New Roman 9,5

Maiores informaes em:

http://www.bu.ufsc.br/design/Catalogacao.html

Gabriel Norcia e Targa

COMPSITO REFORADO POR LAMINADO DE BAMBU COM MATRIZ DE POLIURETANO E EPXI:

DESENVOLVIMENTO, PRODUO E CARACTERIZAO MECNICA

Esta Dissertao foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia de Materiais e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais do Departamento de Engenharia Mecnica.

Florianpolis, 16 de Setembro de 2011.

________________________

Prof. Dr. Carlos Augusto Silva de Oliveira, Coordenador PGMAT

Banca Examinadora:

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Prof., Dr. Guilherme M. de O. Barra, Presidente

Universidade Federal de Santa Catarina

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Prof. Dachamir Hotza. Dr. Ing. Membro

Universidade Federal de Santa Catarina

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Prof. Gean Vitor Salmoria, Dr. Ing. Membro

Universidade Federal de Santa Catarina

________________________

Prof. Cludia Sayer, Dr. Eng. Membro Externo

Universidade Federal de Santa Catarina

Dedico este trabalho a minha famlia, Celina, Heitor e Marina.

A meu orientador Prof. Dr. Guilherme M. de O. Barra.

AGRADECIMENTOS

A meu orientador Prof. Dr. Guilherme M. de O. Barra, pelo apoio, confiana, dedicao, autonomia e amizade despendidos ao longo de todo o trabalho.

Aos colegas de laboratrio, Bruna Rosa, Daliana Mller, Jaqueline Mandelli, Karine Kfer, Luiz Gustavo Ecco, Nilda Martins, Slvia Rama, Tiago Cardoso, pela amizade, boa convivncia e companheirismo.

Ao Sr. Nicolau Palm pelo fornecimento dos colmos de bambu, pelo apoio e pela troca de idias.

A meu co-orientador Prof. Hazim Ali Al-Qureshi pela ajuda na parte terica das fibras.

Aos companheiros da equipe Baja/SAE UFSC pelo convvio e ajuda na oficina.

Aos tcnicos e funcionrios dos laboratrios Labsolda/UFSC e Usicon/UFSC pela ajuda.

Ao Sr. Thomas da empresa Ao e Widea, que gentilmente doou a faca de desempeno utilizada na extrao dos laminados.

Aos professores: Prof. Dr. Waldir Soldi e Prof. Dr. Alfredo Tibrcio do Departamento de Qumica da UFSC por disponibilizarem os equipamentos de seu laboratrio.

A Marly Soldi pela ajuda e confiana despendidos em seu laboratrio.

Ao Sr. Donizete da empresa Imperveg pela doao da resina poliuretano.

Aos colegas da Associao Catarinense do Bambu BambuSC, pelo espao de divulgao, pelas discusses e pelas sugestes: Eng. Marcos Marques, Sr. Hans J. Kleine, Eng. Thiago Grecco, Marcelo Venturi.

Ao Programa de Ps-Graduao em Cincia e Eng. de Materiais PGMAT/UFSC e ao CNPQ/MCT pela bolsa recebida e pela oportunidade de pesquisa concedidos.

Depois de plantada esta incrvel gramnea, durante quatro anos, no se v nada, absolutamente nada, exceto o lento desabrochar de um diminuto bulbo. Durante esses quatro anos, todo o crescimento subterrneo, numa macia e fibrosa estrutura de raiz, que se estende vertical e horizontalmente pela terra. No entanto, no quinto ano, o bambu chins cresce, at atingir 24 metros. Um sbio escreveu: Muitas coisas na vida (pessoal e profissional) so iguais ao bambu chins. Voc trabalha, investe tempo e esforo, faz tudo o que pode para nutrir seu crescimento, e s vezes no se v nada por semanas, meses ou mesmo anos. Mas, se tiver pacincia para continuar trabalhando e nutrindo, o quinto ano chegar e o crescimento e a mudana que se processam o deixaro espantado. O bambu chins mostra que no podemos desistir facilmente das coisas... Nos nossos trabalhos, especialmente projetos que envolvem mudana de comportamento, cultura e sensibilizao para aes novas, devemos nos lembrar do bambu chins para no desistirmos facilmente frente s dificuldades que surgem e que so muitas...

Provrbio chins, autor desconhecido

RESUMO

Os compsitos polimricos, em especial polmeros reforados com fibras vegetais, se comparados com outros materiais polimricos ou mesmo metais, possuem baixa densidade e alta resistncia especfica, o que os torna adequados para serem utilizados principalmente nas indstrias automotiva, moveleira e de construo civil. Estes materiais tambm apresentam como vantagens baixo custo e sustentabilidade devido utilizao das fibras vegetais que so provenientes de fontes renovveis. Dentre as diversas plantas fibrosas que fornecem fibras vegetais aplicveis em compsitos, a grande maioria pode ser cultivada no Brasil, podendo-se destacar os bambus. Alm das inmeras utilizaes do bambu como material de construo e matria prima industrial, possvel extrair suas fibras e utiliz-las como reforo em compsitos. Neste trabalho foram desenvolvidos compsitos de matriz epxi ou poliuretano derivado do leo de mamona com fibras de bambu atravs do processo de laminao manual seguido de moldagem por compresso. Laminados contnuos de bambu foram extrados pelo processo de torneamento utilizando-se um dispositivo desenvolvido e construdo em laboratrio. As propriedades mecnicas dos compsitos foram avaliadas atravs dos ensaios de trao, flexo, impacto e anlise dinmico-mecnica. A microestrutura dos bambus, dos laminados e dos compsitos foi analisada por Microscopia ptica e Eletrnica de Varredura. Os compsitos obtidos neste trabalho apresentaram baixa densidade e excelentes propriedades mecnicas de trao, flexo e impacto. Suas propriedades especficas so quase cinco vezes de um ao baixo carbono e comparveis s propriedades de compsitos de fibras de vidro. Os compsitos obtidos possuem propriedades adequadas para serem utilizados em diversas aplicaes tecnolgicas, principalmente nos setores automotivo, moveleiro e de construo civil.

Palavras-chave: Compsito polimrico. Laminado torneado de bambu. Resina de poliuretano vegetal. Resina epxi. Torneamento de bambu.

ABSTRACT

Polymer composites, especially vegetable fiber reinforced polymers, have low density and adequate specific strength to be used in the automotive, furniture and civil construction industries. These are low cost and sustainable materials produced with vegetable fibers which are renewable sources. Among the innumerous plants from which biofibers are produced, most of them can be grown and cultivated in Brazil especially the bamboos. Besides the utilization of bamboo as a construction material and industrial raw material, it is also possible to extract its fibers and use them as reinforcement in composites. Polymer matrix composites made from polyurethane or epoxy resin reinforced with bamboo veneers were developed in this work using the hand layup technique followed by compression molding. It was used a castor oil derived polyurethane resin which comes from renewable sources. Rotary cut continuous bamboo veneers were extracted through an especially designed apparatus which was developed and constructed in laboratory. The composites mechanical properties were evaluated by tensile, flexural and impact testing, as well as the dynamic-mechanical analysis. The bamboo microestructure was evaluated by optical and scanning electron microscopy. Composites obtained in this work presented low density and excellent tensile, flexural and impact strengths. Its specific properties were almost five times greater than low carbon steel and even comparable to fiber glass reinforced composites. The composites have adequate properties to be used in innumerous technological applications, especially in the automotive, furniture and construction sectors.

Keywords: Polymer Composites. Bamboo veneer. Castor Oil derived Polyurethane resin. Epoxy resin.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Painis, tampos e revestimentos internos utilizados no automvel Classe E da Mercedes-Benz produzidos com material polimrico reforado com fibras vegetais, como linho e sisal ..................................................................... 30 Figura 2 Esquema de classificao de materiais compsitos, segundo a geometria da fase dispersa. ................................................................................ 34 Figura 3 - Esquema ilustrativo de compsitos reforados: (a) por fibras contnuas unidirecionais, (b) fibras descontnuas unidirecionais, (c) fibras descontnuas aleatrias, d) fibras contnuas aleatrias. ...................................... 35 Figura 4 - Efeito da deformao ao redor da fibra na matriz sob tenso: (a) fibra descontnua sem deformao e (b) deformada. .................................................. 36 Figura 5 Esquema ilustrativo da classificao das fibras de acordo com sua composio (sinttica ou natural), origem (vegetal, animal ou mineral), lenhosa ou no-lenhosa e posio relativa na planta (caule, folha, fruto, etc.). .............. 39 Figura 6 Ilustrao dos principais elementos constituintes do bambu: i) rizoma subterrneo com razes, ii) um tronco ou colmo delgado, iii) ns externos e diafragmas internos que dividem o colmo em diversas sees, iv) entrens e v) ramos laterais com folhas .................................................................................. 40 Figura 7 Principal distino da constituio subterrnea dos rizomas dos bambus: a) Bambus entouceirantes (Leptomorfos) os quais formam touceiras e b) alastrantes (Paquimorfos), os quais tendem a formar florestas abertas. ........ 41 Figura 8 - Ampliao do corte transversal da parede de um colmo da espcie Guadua angustiflia, com espessura de 18,5mm, com as principais regies nomeadas: crtex ou parte externa, regio fibro-vascular, e lacuna ou parte interna do colmo. ............................................................................................... 42 Figura 9 Micrografia obtida por MEV da microestrutura de um bambu da espcie Guadua angustifolia Kunth, onde destacam-se os principais elementos constituintes: feixe vascular (FxV), feixe de fibras (FxF), vasos (V) e clulas parnquima (P) que constituem a matriz ........................................................... 43 Figura 10 a) Micrografia obtida por MEV mostrando o corte tridimensional da estrutura de um bambu, onde b) pode-se observar detalhes do Parnquima (MEV) e c) de um feixe vascular (MO) ............................................................. 44 Figura 11 - Painis estruturais de bambu: a) painel de esteiras ou esterillas de bambu, b) piso de SWB (Strand Woven Bamboo), c) painel e d) caibro de SWB. ................................................................................................................. 49 Figura 12 Principais mtodos de produo de laminados (ou folheados) de madeira: a) torneamento (ou desenrolamento) e b) faqueamento. ..................... 50 Figura 13 a) Extrao dos laminados de bambu pela tcnica de torneamento com centros e b) aplicao na produo de pranchas de surf ............................ 51 Figura 14 - Resina epxi a base de bisfenol A................................................... 52 Figura 15 - Reao entre um isocianato e um polil para formao do Poliuretano, sendo R, R1 e R2 cadeias carbnicas distintas. ............................. 55

Figura 16 Laminados torneados de bambo extrados por um dispositivo desenvolvido e construdo no laboratrio. .........................................................58 Figura 17 - Esquema ilustrativo do misturador mecnico a vcuo utilizado para a mistura dos componentes do compsito..........................................................59 Figura 18 - a) Ilustrao do dispositivo para a produo dos folhados de bambu acoplado ao torno mecnico, b) detalhes do suporte: faca de desempeno de Widea e c) ponteira rotativa e disco de nilon para fixao do colmo de bambu. ...........................................................................................................................60 Figura 19 - Esquema do procedimento utilizado para a extrao dos laminados: a) sangramento dos canais laterais; b) retificao da camada externa do colmo; c) e d) avano do suporte e extrao dos laminados de bambu. .............62 Figura 20 Prensa utilizada para a compresso e moldagem dos laminados de bambu e resina formando as chapas de material compsito. .............................64 Figura 21 - Ilustrao do mtodo usado para cortar os corpos de prova de um compsito. .........................................................................................................65 Figura 22 - Mquinas universais de ensaios, a) Emic DL2000 e b) DL3000, utilizadas para realizao dos ensaios de trao. ...............................................66 Figura 23 a) Ensaio de trao do bambu, com retirada de amostras, b) e c), para anlise e quantificao da microestrutura para futura comparao com os resultados mecnicos. ........................................................................................67 Figura 24 Ensaio de flexo no modo flexo em trs pontos, que consiste em aplicar a fora de flexo no centro do corpo de prova atravs de um cutelo at o mesmo romper-se ou deformar-se a um determinado valor ...............................68 Figura 25 a) Pndulo para ensaio de impacto do tipo Izod e b) corpo de prova aps o ensaio. .....................................................................................................69 Figura 26 Fresa de topo utilizada para se fazer os entalhes de maneira normatizada nos corpos de prova. ......................................................................69 Figura 27 - a) Equipamento utilizado para a realizao do ensaio de DMA das resinas puras e dos compsitos de bambu e b) garra de flexo em dois pontos (Single Cantilever Bending). ..............................................................................70 Figura 28 - Medio da gravidade especfica de um material ............................71 Figura 29 a) Microscpio ptico e b) eletrnico de varredura para realizao da investigao das microestruturas do bambu e dos compsitos. .....................73 Figura 30 - Medio da frao volumtrica das fases constituintes da microestrutura do bambu, atravs do clculo das reas relativas por saturao de cores. ..................................................................................................................74 Figura 31 a) Corte transversal de um colmo de bambu e b) detalhe da parede do colmo onde observa-se a maior concentrao de fibras na parte externa. .....75 Figura 32 a) Corte transversal da parede do colmo e b,c,d) micrografias da microestrutura da parede do colmo onde: a) observa-se a maior concentrao de fibras na parte externa (parte superior da foto) e b,c,d) a variao da morfologia dos feixes vasculares ..........................................................................................76 Figura 33 - Micrografia da seo transversal de um laminado de bambu embutido em resina, com cerca de 250 m de espessura, constitudo basicamente por feixes de fibras e clulas parnquima. .....................................77

Figura 34 - Resistncia trao em funo da posio na espessura do colmo. 78 Figura 35 Preparao dos corpos de prova para ensaio de trao e determinao do valor mdio de resistncia de um colmo de Dendrocalamus asper. ................................................................................................................. 79 Figura 36 - Resistncia a trao do bambu em funo da altura do colmo (basal, mdia, superior) e da posio na parede do colmo (Ext., Int.) ........................... 80 Figura 37 - Mdulo de elasticidade do bambu em funo da altura do colmo (basal, mdia, superior) e da posio na parede do colmo (Ext., Int.) ............... 81 Figura 38 Grfico da Resistncia a trao em funo da frao volumtrica de fibras para determinao de correlao matemtica entre estas propriedades ... 82 Figura 39 Grfico do Mdulo elstico em funo da frao volumtrica de fibras para determinao de correlao matemtica entre estas propriedades ... 83 Figura 40 a) Empilhamento bidirecional e b) unidirecional em um compsito de laminados torneados de bambu. .................................................................... 84 Figura 41 - Micrografia obtida por MEV da seo transversal de um compsito bidirecional de bambu: (A1,2,3) camadas perpendiculares ao plano da pgina, (B1,2,3) camadas paralelas ao plano, (P) parnquima cortado transversalmente, (P) parnquima cortado longitudinalmente, (F) feixe de fibras cortado transversalmente, (F) feixe de fibras cortado longitudinalmente, (R) resina ou matriz polimrica e (Vz) poros ou vazios .......................................................... 85 Figura 42 Resultados do ensaio de trao dos compsitos uni e bidirecionais mostrando em a) a resistncia trao, em b) o mdulo elstico e em c) a deformao na ruptura ....................................................................................... 87 Figura 43 - Propriedades mecnicas dos compsitos sob flexo. ...................... 89 Figura 44 - Resistncia ao impacto das resinas puras, do bambu in natura e dos compsitos uni e bidirecionais........................................................................... 91 Figura 45 - Resistncia ao impacto especfica, (divide-se o valor da resistncia pela densidade do compsito) ............................................................................ 92 Figura 46 - Curvas de E' e Tan em funo da temperatura para a resina epxi e seus compsitos. ................................................................................................ 95 Figura 47 Curvas de E' e tan em funo da temperatura para o poliuretano e seus respectivos compsitos .............................................................................. 96

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Composio qumica bsica das principais fibras vegetais utilizadas em compsitos e do bambu, espcie Phyllostachys pubescens com idade adulta. ........................................................................................................................... 37 Tabela 2 Comparao da resistncia a trao e mdulo de elasticidade dos bambus em diferentes formas de utilizao (ripa, BLC, e fibras tcnicas) com algumas fibras sintticas utilizadas em compsitos estruturais, alguns termoplsticos commodities e alguns metais utilizados em estruturas ............... 48 Tabela 3 - Velocidade relativa de reaes tpicas dos isocianatos ..................... 56 Tabela 4 - Tabela comparativa da resistncia trao de compsitos com diferentes fibras vegetais; MC: moldagem por compreso; LM: laminao manual. .............................................................................................................. 88 Tabela 5 - Tabela comparativa das propriedades de flexo, resistncia flexo e mdulo flexural, de alguns compsitos termofixos com fibras vegetais; MC: moldagem por compresso; LM: laminao manual; FV: fibra de vidro; PU: poliuretano; %(m/m): % em massa; %(v/v): % em volume; ............................. 90 Tabela 6 - Tabela comparativa da resistncia ao impacto de alguns compsitos polimricos termofixos de fibras vegetais; MC: moldagem por compresso; FV: fibra de vidro; PU: poliuretano; ......................................................................... 91 Tabela 7 - Tabela comparativa da resistncia ao impacto dos compsitos de bambu com alguns compsitos de alta performance ......................................... 93

LISTA DE ABREVIATURAS SIGLAS E SMBOLOS

%(m/m) Porcentagem em massa %v/v - Porcentagem em volume (t) Resistncia trao C Graus Celsius m - Micrometro ASTM American Society for Testing and Materials Bidir. Bidirecional BLC Bambu laminado colado BMC Bulk Molding Compound cm - Centmetro DMA Anlise Dinmico Mecnica E Mdulo elstico E Mdulo de armazenamento E Mdulo de perda FV Fibra de vidro FxF Feixes de fibras FxV Feixes vasculares g/cm - Densidade: gramas por centmetro cbico h Hora Hz Hertz INBAR International Network for Bamboo and Rattan ISSO International Standards Organization J.m/kg Joules metro quadrado por quilograma J/m Joules por metro kg Quilograma kg/m - Quilogramas por centmetro cbico LM: laminao manual m Metro m:m Relao em massa m - Metro quadrado MC - Moldagem por compresso MDP Medium Density Particleboard MDF Medium Density Fiberboard MDI Difenilmetano diisocianato MEV Microscopia Eletrnica de Varredura ou Microscpio Eletrnico de Varredura mm Milmetro MO Microscopia ptica ou Microscpio ptico MPa Megapascal

OSB Oriented Strandboard P Parnquima PPG Poli(xido de propileno/etileno) glicol PU Poliuretano RIM Moldagem por Injeo e Reao RPM Rotaes Por Minuto SiO2 Dixido de Silcio: slica SMC Sheet Moulding Compound SWB Strand Woven Bamboo (Bambu tranado prensado) Tan Tangente delta TDI Tolueno diisocianato Tg Temperatura de transio vtrea Tmx Temperatura mxima U$ - Dlar americano Unidir. - Unidirecional V Canais vasculares Vf Frao volumtrica VOC Compostos Orgnicos Volteis Vz Poros, vazios, bolhas rup Deformao na ruptura Densidade mx Tenso mxima rup Tenso na ruptura

SUMRIO

LISTA DE ABREVIATURAS SIGLAS E SMBOLOS ........................................ 24

SUMRIO ................................................................................................ 26

1 INTRODUO E JUSTIFICATIVA ................................................. 29

1.1 PROBLEMA E CONTEXTUALIZAO ............................................... 29 1.2 OBJETIVOS E CONTRIBUIES ....................................................... 32

1.2.1 Objetivo Geral ............................................................... 32 1.2.2 Objetivos Especficos ..................................................... 32

2 REVISO BIBLIOGRAFICA ........................................................... 33

2.1 MATERIAIS COMPSITOS .............................................................. 33 2.1.1 Definio ....................................................................... 33 2.1.2 Caractersticas ............................................................... 33 2.1.3 Classificao .................................................................. 34 2.1.4 Compsitos polimricos reforados por fibras .............. 35 2.1.5 Fibras vegetais .............................................................. 37 2.1.6 O BAMBU ...................................................................... 39 2.1.7 Anatomia do colmo ....................................................... 42 2.1.8 Cultivo e manejo ............................................................ 44 2.1.9 Propriedades Mecnicas dos bambus ........................... 46

2.2 CHAPAS E LAMINADOS DE BAMBU ............................................... 48 2.3 FABRICAO DE LAMINADOS TORNEADOS .................................. 49 2.4 MATRIZES POLIMRICAS ............................................................... 52

2.4.1 Resinas epxi ................................................................. 52 2.4.2 Resina poliuretano derivada de leo de mamona ......... 54

2.5 PROCESSOS DE FABRICAO DE COMPSITOS ............................. 57 2.5.1 Moldagem por contato ou laminao manual.............. 57

3 MATERIAIS E MTODOS ............................................................ 58

3.1 MATERIAIS .................................................................................... 58 3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................. 59

3.2.1 Preparao dos corpos-de-prova de resina ................... 59 3.2.2 Extrao dos laminados de bambu ............................... 60 3.2.3 Preparao dos compsitos .......................................... 63 3.2.4 Produo dos corpos de prova dos compsitos ............ 64

3.3 CARACTERIZAO ......................................................................... 65 3.3.1 Ensaio de trao ............................................................ 65

3.3.2 Ensaio de flexo ............................................................ 67 3.3.3 Ensaio de impacto Izod ................................................. 68 3.3.4 Anlise dinmico mecnica DMA ............................... 69 3.3.5 Determinao da densidade relativa ............................ 70 3.3.6 Microscopia ................................................................... 72

4 RESULTADOS E DISCUSSES ..................................................... 75

4.1 FIBRAS DO BAMBU ........................................................................ 75 4.1.1 Caracterizao microestrutural .................................... 75 4.1.2 Morfologia dos laminados de bambu ........................... 77 4.1.3 Avaliao da resistncia trao dos laminados ......... 77 4.1.4 Determinao do valor mdio da resistncia trao e mdulo de elasticidade para o colmo ........................................... 79

4.2 COMPSITOS ................................................................................ 83 4.2.1 Microestrutura .............................................................. 83 4.2.2 Trao ........................................................................... 85 4.2.3 Ensaio de Flexo ............................................................ 88 4.2.4 Ensaio de impacto Izod ................................................. 90 4.2.5 Anlise Dinmico Mecnica DMA .............................. 93

5 CONCLUSES ............................................................................ 97

6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................. 99

7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................... 101

ANEXO A LISTA DAS ESPCIES PRIORITRIAS DE BAMBU DA REDE INTERNACIONAL DO BAMBU E RATTAN INBAR ................................. 106

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1 INTRODUO E JUSTIFICATIVA

1.1 PROBLEMA E CONTEXTUALIZAO

O esgotamento gradativo do petrleo e as novas leis ambientais que aos poucos entram em vigor no mundo todo, tm sido os principais fatores motivadores para o desenvolvimento de materiais de origem renovvel e que no agridam o meio ambiente. Neste contexto, intensificaram-se as pesquisas para a utilizao de fibras vegetais como reforo de matrizes polimricas em substituio s fibras sintticas, especialmente a fibra de vidro. Tais pesquisas apontam que as fibras vegetais possuem caractersticas vantajosas frente s fibras sintticas, tais como: baixo custo de beneficiamento, fcil manuseio, biodegradabilidade, ser proveniente de fonte renovvel, capturar carbono da atmosfera, possuir baixa densidade e provocar menor desgaste nos equipamentos convencionais de processamento de polmeros [1].

Constata-se que o interesse do uso de fibras vegetais est, entre outros fatores, diretamente relacionado obteno de materiais compsitos para aplicaes tecnolgicas voltadas principalmente para a indstria automotiva, moveleira e de construo civil. Uma das maiores aplicaes est na fabricao de painis, tampos e revestimentos internos de automveis, como realizado no automvel classe E da Mercedes Benz, Figura 1. Com isso, atinge-se uma reduo de peso de 20% e maior resistncia mecnica se comparados com os materiais utilizados anteriormente [2].

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Figura 1 Painis, tampos e revestimentos internos utilizados no automvel Classe E da Mercedes-Benz produzidos com material polimrico reforado com fibras vegetais, como linho e sisal Fonte: [3].

Dentre as fibras vegetais pesquisadas, destaca-se que as fibras de bambu possuem um imenso potencial a ser aproveitado como reforo em matrizes polimricas, pois possuem excelentes propriedades mecnicas especficas e podem ser facilmente cultivadas em territrio nacional.

Pas lder da indstria do bambu, a China fatura hoje com esta planta e seus produtos derivados U$10,33 bilhes por ano, possui 5,38 milhes de hectares de plantaes e ainda planta mais 100.000 hectares de bambu por ano [4]. No Brasil, apesar da grande oferta de algumas espcies de bambu, esta gramnea ainda totalmente sub-utilizada em relao ao seu potencial existente. Isto est relacionado basicamente falta de uma cultura de aproveitamento do bambu e inexistncia de uma cadeia produtiva, que formada por produo (plantio e colheita), comercializao, transformadores e consumidores [5].

Nos ltimos 10 anos, um grande interesse pelo bambu tem surgido no Brasil, porm, devido baixa oferta de matria prima adequada, diversas aplicaes esto deixando de ser desenvolvidas. Com isso, tm surgido diversas iniciativas para iniciar o cultivo desta planta e em poucos anos estabelecer a base da cadeia produtiva do bambu. A recente aprovao do projeto de lei 1180/07 pela presidncia da

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repblica, que institui a poltica nacional de incentivo cultura do bambu e os recentes acordos de cooperao com a China, apresentam-se como possveis marcos para o incio do desenvolvimento do bambu no Brasil [6].

Apesar do Brasil possuir a maior quantidade de espcies de bambu das Amricas, cerca de 130 [7], ainda as utiliza de forma muito primria e em muitos casos no as utiliza de maneira alguma. As espcies disponveisl em maior quantidade no Brasil so a Bambusa tuldoides, chamada popularmente de taquara, e a Bambusa vulgaris que so normalmente utilizadas em aplicaes simples e de baixo custo. As espcies de maior porte, chamadas comumente de gigantes, como por exemplo, o Gudua (Guadua angustifolia), o Moss (Phyllostachys pubescens), e o Gigante (Dendrocalamus asper ou giganteus), apresentam o maior potencial em aplicaes industriais tais como construes e laminados. Alm disso, outras espcies gigantes nativas do Brasil, como o Guadua chacoensis, Guadua Tagoara e Guadua Weberbaueri, so praticamente desconhecidas do grande pblico apesar de possurem um grande potencial de explorao comercial. Pesquisas sobre a propagao destas espcies devem ser realizadas para que elas possam ser utilizadas em futuros reflorestamentos e formar a base da cadeia produtiva do bambu no Brasil.

Dentre os polmeros comerciais utilizados como matriz para a obteno de compsitos polimricos reforados com fibras, as resinas epxi e poliuretano destacam-se devido grande variedade de escolha dos reagentes [8], o que permite obter materiais com diferentes propriedades fsicas e qumicas. Alm disso, o poliuretano um dos polmeros mais versteis que existe, podendo ser proveniente de recurso renovvel, tal como o poliuretano derivado do leo de mamona, podendo apresentar-se em diversas formas, tais como uma espuma, um elastmero ou um polmero rgido. Quanto reatividade qumica, as resinas epxi e poliuretanos apresentam grupos epxi e isocianatos, respectivamente, que podem interagir com grupos funcionais presentes nos materiais lignocelulsicos, como por exemplo seus grupamentos hidroxila (OH), facilitando assim a adeso interfacial entre estas matrizes e as fibras.

Baseado nos fatores acima citados, este trabalho visa aproveitar recursos renovveis disponveis no Brasil tais como as fibras de bambu, para a utilizao como reforo de matrizes polimricas e produo de materiais compsitos de alta qualidade.

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1.2 OBJETIVOS E CONTRIBUIES

1.2.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo produzir laminados torneados de bambu, utiliz-los na produo de compsitos com matriz epxi ou poliuretano e caracteriz-los mecanicamente para serem utilizados em futuras aplicaes tecnolgicas.

1.2.2 Objetivos Especficos

Desenvolver e construir um dispositivo para extrao de laminados delgados de bambu;

Caracterizar e quantificar a microestrutura do colmo do bambu atravs das tcnicas de Microscopia ptica e Microscopia Eletrnica de Varredura e correlacion-la com a sua resistncia trao;

Avaliar as propriedades mecnicas de trao, flexo, impacto e dinmico-mecnicas das resinas epxi, poliuretano e dos compsitos uni e bidirecionais reforados com laminados de bambu.

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2 REVISO BIBLIOGRAFICA

2.1 MATERIAIS COMPSITOS

2.1.1 Definio

Segundo a ASTM, entende-se como compsito um material formado pela mistura fsica de dois ou mais materiais, imiscveis entre si, combinados para formar um novo material til de engenharia que possui algumas propriedades diferentes em relao aos componentes puros [9]. Podem ser obtidos por combinaes entre metais, cermicas ou polmeros. Suas caractersticas e desempenho mecnico so fortemente influenciados pelas propriedades dos seus materiais constituintes, sua distribuio, frao volumtrica e interao entre eles. Tais propriedades podem ser aditivas ou os componentes podem interagir em sinergismo, levando obteno de propriedades do compsito usualmente superiores soma das propriedades individuais [10].

2.1.2 Caractersticas

Geralmente os materiais compsitos so formados por uma fase contnua chamada de matriz e uma ou mais fases dispersas, responsveis pela rigidez e resistncia do material. Compsitos polimricos so constitudos por uma matriz de um polmero termoplstico ou termofixo, e sua funo acomodar de maneira adequada a fase dispersa e transferir a esta a tenso aplicada. A fase dispersa pode atuar como reforo, quando ocorre aumento nas propriedades mecnicas em relao matriz polimrica, ou como carga de enchimento, quando h reduo de custo sem alterar significativamente as propriedades finais do material [10] [11].

As propriedades mecnicas dos compsitos dependem basicamente de trs fatores: da estrutura dos seus materiais constituintes, da frao volumtrica dos componentes, e da interao fsico-qumica entre estas fases. Outros fatores tambm so importantes, como por exemplo: a geometria, dimenso, concentrao e disperso do reforo.

Dentre os diversos tipos de compsitos, os compsitos polimricos reforados por fibras so extremamente atraentes em algumas aplicaes por possurem algumas das seguintes caractersticas: so projetveis de acordo com a necessidade de aplicao, possuem

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formato complexo no obtido facilmente por outros materiais, possuem alta resistncia qumica devido sua matriz polimrica e possuem alto mdulo elstico e resistncia trao especfica [12]. Desta maneira, so muito utilizados em aplicaes onde a alta resistncia e baixo peso de seus componentes so necessrios como, por exemplo, na indstria aeronutica [8].

A combinao nica de propriedades fsicas e qumicas existentes em matrizes polimricas propiciou a expanso de sua utilizao em vrios segmentos industriais e comerciais [11]. Com isto novas condies para uso foram criadas, possibilitando a abertura de diversas frentes de pesquisa, com o objetivo principal de avaliar o comportamento a longo prazo dos materiais nos diversos ambientes, bem como modificar estes materiais visando a obteno de propriedades mais adequadas.

2.1.3 Classificao

Dentre as diversas maneiras de se classificar os materiais compsitos, destaca-se a classificao de acordo com a forma da fase dispersa, como esquematizada na Figura 2. Nesta classificao, os compsitos so separados em fibrosos, particulados e estruturais. Os compsitos fibrosos por sua vez, so divididos em reforados por fibras contnuas e reforados por fibras descontnuas.

Figura 2 Esquema de classificao de materiais compsitos, segundo a geometria da fase dispersa. Fonte: [13](adaptado).

35

As fibras so materiais de formato filamentar que podem ser produzidos a partir de polmeros, metais e cermicas. Sua caracterstica principal o formato filamentar com razo de aspecto maior ou igual a 100 e alta resistncia, que est relacionada com o pequeno dimetro e volume das fibras e conseqente baixa quantidade de defeitos na microestrutura [14]. No caso das fibras polimricas, sua alta resistncia est relacionada ao alinhamento das cadeias polimricas ocorrido durante a fabricao das mesmas [12].

Os compsitos de laminados torneados de bambus podem ser considerados compsitos fibrosos reforados por fibras contnuas e podem ser produzidos tanto de maneira unidirecional, quando todos os laminados so alinhados na mesma direo, quanto bidirecional, quando estes so empilhados alternadamente em direes perpendiculares.

2.1.4 Compsitos polimricos reforados por fibras

Os compsitos polimricos estruturais geralmente utilizam fibras sintticas ou naturais como agentes de reforo. As fibras podem ser contnuas ou descontnuas, alinhadas ou com distribuio aleatria, podendo ser obtidas em uma variedade de formas, conforme esquema ilustrativo da Figura 3.

Figura 3 - Esquema ilustrativo de compsitos reforados: (a) por fibras contnuas unidirecionais, (b) fibras descontnuas unidirecionais, (c) fibras descontnuas aleatrias, d) fibras contnuas aleatrias. Fonte: [14] (adaptado)

Os polmeros reforados por fibras contnuas constituem os de melhor desempenho mecnico [8]. As propriedades destes compsitos so anisotrpicas, isto , apresentam alta rigidez e resistncia trao na

d)

36

direo das fibras, porm com baixo desempenho mecnico sob trao na direo transversal s mesmas, e neste caso a sua resistncia controlada pelas propriedades da matriz.

Os compsitos com fibras descontnuas apresentam menor eficincia de reforo do que as fibras contnuas, entretanto, estes materiais oferecem maior facilidade de processamento e menor custo. Nos compsitos com fibras descontnuas o carregamento na fibra funo de seu comprimento, sendo que seus extremos so pontos concentradores de tenso, que induzem tenses cisalhantes na interface, conforme pode ser observada na Figura 4.

Figura 4 - Efeito da deformao ao redor da fibra na matriz sob tenso: (a) fibra descontnua sem deformao e (b) deformada. Fonte: [14](adaptado).

A escolha da matriz polimrica depender das propriedades fsicas e qumicas exigidas para uma determinada aplicao, como tambm do processo de fabricao escolhido e do custo associado. A matriz tem o papel de manter a integridade estrutural do compsito atravs da ligao simultnea com as fibras em virtude de suas caractersticas coesivas e adesivas, alm de transferir o carregamento para as fibras e proteg-las contra o ataque ambiental.

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2.1.5 Fibras vegetais

As fibras vegetais, se comparados com as fibras sintticas utilizadas em compsitos estruturais, tais como fibras de vidro, fibra de carbono e fibras de aramida, possuem propriedades mecnicas inferiores como, por exemplo, resistncia trao e mdulo elstico. No entanto, as fibras vegetais possuem algumas caractersticas que tornam sua utilizao vantajosa em determinadas aplicaes. Estas caractersticas so principalmente: abundncia, baixo custo, baixa densidade, facilidade de obteno e manuseio, baixa abraso de equipamentos e moldes, biodegradabilidade e ser de fonte renovvel. Portanto, especialmente em aplicaes que solicitam baixo esforo mecnico do material, necessidade de baixa densidade e reduo de custo [15], os compsitos reforados com fibras vegetais podem ser utilizados.

Por outro lado, as fibras vegetais tambm possuem desvantagens que prejudicam a sua aplicao em muitas situaes e ambientes, como por exemplo: alta absoro de umidade, baixa resistncia ao intemperismo, alta variabilidade de propriedades devido a sua origem natural, baixa estabilidade trmica e baixa resistncia aos microorganismos.

As fibras vegetais so constitudas basicamente por celulose, hemicelulose, lignina, e outros compostos orgnicos. Possuem frmula e estrutura qumica complexa e, no caso da lignina, no totalmente decifradas. A Tabela 1 apresenta a composio bsica das principais fibras vegetais utilizadas como agente de reforo em compsitos.

Tabela 1 Composio qumica bsica das principais fibras vegetais utilizadas em compsitos e do bambu, espcie Phyllostachys pubescens com idade adulta. Fontes: bambu [7], demais fibras vegetais [16].

Sisal %(m/m)

Coco %(m/m)

Algodo %(m/m)

Juta %(m/m)

Linho %(m/m)

Bambu %(m/m)

Celulose 66-78 32-43 85-90 61-71,5 71 49 Hemicelulose 10-14 0,15-0,25 5,7 13-20 18-20 27

Lignina 10-14 40-45 4-6 12-13 2,2 26 Pectina 10 3-4 - 0,2 2,3 Ceras 2 0,6 0,5 1,7 Cinzas 1,31

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A celulose um polmero hidroflico, de caracterstica polar que contm seis grupos hidroxila em sua estrutura bsica, que fazem ligaes de hidrognio intra e intermoleculares, sendo que nas ligaes intramoleculares, as hidroxilas da prpria molcula ligam-se entre si, e nas intermoleculares ligam-se com outras molculas de celulose ou molculas polares presentes no ambiente. Por este motivo, as fibras vegetais no modificadas apresentam grande afinidade com a umidade ambiente, so hidroflicas, e pouca afinidade com matrizes polimricas, que so hidrofbicas, que o caso da maioria das resinas empregadas em compsitos. A exposio excessiva dos compsitos umidade pode provocar inchamento, falta de estabilidade dimensional e perda de propriedades mecnicas devido diminuio da adeso fibra-matriz. A quantidade de gua absorvida pelas fibras depende da umidade relativa do ambiente em que elas esto em equilbrio e das suas caractersticas fsico-qumicas [16].

Apesar das propriedades mecnicas das fibras vegetais, tais como mdulo de elasticidade (E) e resistncia trao (t) serem muito inferiores s das fibras de vidro (FV), a densidade das fibras vegetais, que varia de cerca de 0,7 a 1,4 g/cm [1], aproximadamente metade da densidade da FV (~2,5 g/cm). Desta maneira, as propriedades especficas das fibras vegetais chegam a ser comparveis s da FV [16], e podem substitu-las integral ou parcialmente em algumas situaes.

Dentre as vrias maneiras de se classificar as fibras, utilizou-se neste trabalho a classificao mostrada na Figura 5. A primeira distino que se faz entre as fibras sintticas e naturais. Em seguida, sua origem na natureza: vegetal, mineral e animal. As fibras vegetais por sua vez, so primeiramente separadas em lenhosas (madeiras) e no-lenhosas, as quais so divididas de acordo com a sua origem na planta: fibras da semente, do fruto, do caule ou fibras moles, da folha ou fibras duras, do talo, e de cana [16]. O bambu est na categoria das gramneas.

Figura 5 Esquema ilustrativo da classificao das fibras de acordo com sua composio (sinttica ou natural), origem (vegetal, mineral), lenhosa ou no-lenhosa e posio relativa na planta (caule, folha, fruto, etc.). Fonte: [1](adaptado).

2.1.6 O BAMBU

Ao contrrio do que muitas pessoas pensam o bambu no uma rvore, uma gramnea arborescente gigante, pertencente famlia Gramineae (Poaceae) e subfamlia Bambusoideaedivididos basicamente em dois grupos, os bambus herbceos, parecidos com arbustos, e os bambus lenhosos parecidos com rvores.

Existem no mundo cerca de 1600 espcies de bambus, com aparncia que varia de poucos centmetros de altura e talo fino, at 40 m de altura e dimetro de mais de 30 cm. So distribudas em 121 gneros, 25 herbceos e 96 lenhosos e esto presentes nos climas tropical, subtropical e temperado. Esto presentes em todos os continentes, exceto o continente Europeu, na seguinte proporo: 67% sia e Oceania, 3%

FIBRAS

Fibras sintticas

Fibras Naturais

Vegetais

No -lenhosas

Semente

Algodo

Paina

Fruto

Cco

Caule

Linho

Cnhamo

Juta

Rami

Kenaf

Folha

Abacaxi

baca

Henequem

Sisal

Talo

Cevada

Aveia

Palha do arroz

Cana, grama,

capim

Bambu

Bagasso da cana

Animais

39

da classificao das fibras de acordo ), origem (vegetal, animal ou

lenhosa e posio relativa na planta (caule,

bambu no uma rvore, uma gramnea arborescente gigante, pertencente famlia

Bambusoideae. Podem ser os bambus herbceos, parecidos

com rvores. de bambus, com

de poucos centmetros de altura e talo fino, at 40 m distribudas em 121 gneros, tes nos climas tropical, sub-

presentes em todos os continentes, exceto o continente Europeu, na seguinte proporo: 67% sia e Oceania, 3%

Fibras Naturais

Cana, grama,

capim

Bambu

Bagasso da cana

Lenhosas

Madeiras

Animais Minerais

40

frica e 30% Amricas. A sia o continente com maior nmero de espcies, em torno de 1000 e onde o bambu encontra o maior nmero de aplicaes: como alimento, material de construo, artesanato, matria prima industrial, entre outras. No entanto, apenas 250 das espcies que so exploradas tm valor econmico, das quais 200 esto concentradas na China e 50 em outros pases [7].

Apesar do grande nmero de espcies e gneros, a Rede Internacional do Bambu e Ratan INBAR, escolheu atravs de um estudo 20 espcies consideradas de alta prioridade [17]. Nesta lista, mostrada no anexo A, encontra-se a espcie utilizada neste trabalho, Dendrocalamus asper, bem como outras espcies citadas anteriormente.

Os bambus possuem aparncia singular e so compostos basicamente dos seguintes elementos, mostrados na Figura 6: i) um rizoma subterrneo com razes, ii) um tronco delgado, chamado de colmo, oco na maioria das espcies, iii) ns externos e diafragmas internos que dividem o colmo horizontalmente em diversas sees, iv) entrens retos ou curvos de aparncia normalmente viva e lustrosa e v) ramos laterais com folhas que realizam a fotossntese da planta.

Figura 6 Ilustrao dos principais elementos constituintes do bambu: i) rizoma subterrneo com razes, ii) um tronco ou colmo delgado, iii) ns externos e diafragmas internos que dividem o colmo em diversas sees, iv) entrens e v) ramos laterais com folhas Fonte: [7](adaptado).

Rizoma Razes

Colmo

Entren

N

Ramos

41

Em geral, os bambus de clima tropical ou sub-tropical tendem a ser entouceirantes, enquanto que os de clima temperado tendem a ser alastrantes. Os bambus entouceirantes, chamados de leptomorfos, formam touceiras fechadas, e se propagam atravs do crescimento de rizomas volumosos subterrneos, Figura 7a). J os bambus alastrantes, ou paquimorfos, se propagam atravs de rizomas delgados e compridos e formam florestas abertas alcanando assim longas distncias de propagao, Figura 7b).

Figura 7 Principal distino da constituio subterrnea dos rizomas dos bambus: a) Bambus entouceirantes (Leptomorfos) os quais formam touceiras e b) alastrantes (Paquimorfos), os quais tendem a formar florestas abertas. Fonte: [7](adaptado).

Alm das diferenas anatmicas entre rvores e bambus, h tambm variaes em seus crescimentos internos. O crescimento das rvores ocorre atravs da formao de novas clulas por tecidos especializados chamados de meristema. Nas rvores o crescimento ocorre radialmente pelo crescimento do meristema, chamado de cmbio, situado entre a casca e a madeira, formando os chamados anis de crescimento. Desta forma, as rvores aumentam de dimetro com a idade. J no caso do bambu, no existe o cmbio, e ele no cresce em dimetro, apenas em comprimento. O crescimento do bambu se d atravs do broto, originado de uma gema no rizoma subterrneo [7].

O crescimento do bambu conhecido como o mais rpido de todas as plantas, sendo registrado um crescimento de 120,9 cm em um perodo de 24h em Kyoto no Japo, em um bambu da espcie conhecida como Madake (Phyllostachys reticulata) de 12 cm de dimetro [7].

a) b)

42

2.1.7 Anatomia do colmo

O colmo do bambu um tubo natural, oco na grande maioria das espcies, e quase sempre cilndrico. dividido ao longo de seu comprimento por ns que possuem diafragmas internos quase sempre fechados. Os ns, apesar de serem pontos de fraqueza do colmo, so importantes para evitarem a flambagem do tubo. O bambu afina em direo ponta e possui paredes que possuem uma estrutura gradiente, a qual muda radialmente, sendo mais resistente e densa de fibras na parte externa, e menos resistente e mais mole na parte interna, fornecendo grande dureza e resistncia a essa regio. Conforme mostrado na Figura 8, a seo transversal do colmo pode ser dividida em trs partes: i) o crtex externo, ii) a parte fibro-vascular intermediria, e iii) a parte interna vazia chamada de lacuna.

Figura 8 - Ampliao do corte transversal da parede de um colmo da espcie Guadua angustiflia, com espessura de 18,5mm, com as principais regies nomeadas: crtex ou parte externa, regio fibro-vascular, e lacuna ou parte interna do colmo. Fonte: do autor.

A estrutura do crtex formada pela cutcula, epiderme e hipoderme. A cutcula a camada mais externa e formada por celulose e pectina e coberta por uma camada de cera. Em seguida, a epiderme formada por duas clulas epidermais com alto contedo de slica (SiO2), o que a torna dura e resistente. Abaixo da epiderme, h a hipoderme, com clulas esclernquimatosas [18]. Estas camadas formam uma barreira intransponvel para os insetos xilfagos, principalmente brocas e carunchos, que se alimentam da estrutura interna do bambu, rica em amido. Portanto, somente rachaduras e furos so pontos vulnerveis para o ataque destes insetos.

A rea fibro-vascular possui uma estrutura tpica de um compsito e consiste basicamente de uma matriz de clulas parnquima

Fibro-vascular Crtex Lacuna

43

(P) que envolvem os feixes vasculares (FxV), formados por feixes de fibras (FxF) e canais vasculares (V) condutores de seiva e outros minerais, Figura 9. Em um colmo, 52% das clulas so de parnquima, 40% de fibras e 8% de canais condutores [18].

Figura 9 Micrografia obtida por MEV da microestrutura de um bambu da espcie Guadua angustifolia Kunth, onde destacam-se os principais elementos constituintes: feixe vascular (FxV), feixe de fibras (FxF), vasos (V) e clulas parnquima (P) que constituem a matriz Fonte: do autor.

A matriz envolve os feixes vasculares e formada por clulas de parnquima de cerca de 20-100 m, ligeiramente alongadas formando uma estrutura do tipo colmia tridimensional, conforme mostrado na Figura 10 [18]. Esta estrutura, que possui densidade mdia de 0,67 g/cm, portanto bem menos densa do que as fibras, com 1,14 g/cm [18], atua como um amortecedor dos feixes vasculares, contribuindo para a elasticidade dos colmos [19]. Por outro lado, o parnquima uma regio onde os gros de amido so depositados no interior da clula e, portanto, sujeito ao ataque de insetos xilfagos.

Os feixes vasculares, mostrados na Figura 10, so a parte restante da estrutura do bambu, e responsveis pela resistncia deste material,

P

FxV

V

FxF

44

uma vez que as fibras esto localizadas nesta regio, bem como pela conduo de gua e seiva durante todo o desenvolvimento do bambu.

Figura 10 a) Micrografia obtida por MEV mostrando o corte tridimensional da estrutura de um bambu, onde b) pode-se observar detalhes do Parnquima (MEV) e c) de um feixe vascular (MO) Fonte: a) [18], b) e c) do autor.

Os feixes de fibras so formados por fibrilas de comprimento de 1,0-2,9 mm e dimetro de cerca de 10-24 m. Elas constituem cerca de 60-70% do peso do colmo, so longas e possuem razo de aspecto de cerca de 150:1 a 250:1 [7]. As fibras de bambu so em media maiores do que as madeiras duras, e menores do que as madeiras moles sendo adequada para a produo de pasta de papel [20].

2.1.8 Cultivo e manejo

A silvicultura do bambu a cincia que cuida da tecnologia e metodologia para o plantio e desenvolvimento do bambu. O bambu possui algumas caractersticas peculiares que tornam o seu cultivo diferente do cultivo de outras plantas. Algumas caractersticas como

Parnquima

Vasos

Feixe vascular

Feixe de fibras

a)

c)

b)

45

rpido crescimento, grande rendimento e renovao da touceira tornam o cultivo do bambu extremamente atrativo tanto para aplicaes industriais de grande porte como rurais de pequeno porte.

A escolha de uma espcie a ser plantada em um local determinado, deve ser baseada essencialmente nas condies climticas, topogrficas e do solo, e tambm no uso a ser feito com a planta. A topografia em que os bambus se desenvolvem melhor so terrenos levemente inclinados e encostas de vales [7].

A temperatura e umidade esto diretamente ligadas ao crescimento e desenvolvimento dos bambus, portanto em condies de abundncia destes recursos, seu desenvolvimento tende a ser rpido. Entretanto, o excesso de gua pode ser prejudicial para o crescimento dos bambus, que preferem solos bem drenados, podendo at morrer devido ao excesso de gua no solo.

Existem basicamente dois mtodos de propagao dos bambus sexual e assexuada. A primeira utiliza sementes, porm, como a florao doa bambus ocorre e intervalos muito longos, de cerca de 20 a 130 anos, contar apenas com este mtodo para a propagao do bambu invivel. As vantagens da florao so a grande quantidade de sementes obtidas, em contrapartida, todo um bambuzal pode secar e morrer em pouqussimo tempo, portanto, se uma comunidade ou empresa depender desta plantao, as conseqncias podem ser catastrficas do ponto de vista econmico [21].

A segunda opo, propagao assexuada, pode ser feita com diversas partes do bambu, e pode vir a ser bastante rentvel em alguns casos, pois de cada colmo podem ser feitas centenas de mudas. Os principais mtodos de propagao assexuada so: i) colmo com rizoma, ii) exclusivamente rizoma, iii) pedaos do colmo com ramos (mtodo do copinho), iii) pedaos dos ramos e at mesmo pelo enterramento do colmo inteiro (mergulhia) [22].

Um outro mtodo muito eficiente e especialmente interessante para espcies de difcil propagao o mtodo de propagao in vitro, a partir do qual de uma pequena amostra da gema do bambu podem ser feitas milhares de mudas. Dependendo da espcie e das condies do empreendimento este mtodo pode ser rentvel ou no [21].

Outra propagao bastante eficiente, que ocorre apenas na espcie Guadua angustifolia Kunth atravs da propagao dos chuskines, que so pequenos talos que crescem aleatoriamente em meio a um guadual (bambuzal de Guadua), e que se retirados do solo e cultivados adequadamente em viveiros, podem se transformar em uma fonte inesgotvel de mudas. Por exemplo, partindo-se de 2000 chuskines,

46

pode-se no perodo de um ano produzir mais de 1milho de mudas, nmero suficiente para se reflorestar cerca de 3000 hectares [21].

Uma vez plantado, o bambu forma touceiras ou florestas em questo de poucos anos e uma tima alternativa para o reflorestamento de grandes reas e recuperao de reas degradadas.

O seu ciclo de vida dura cerca de 11 anos passando pelos seguintes estgios: i) nascimento e crescimento do broto at atingir a altura mxima do colmo (~1 ano), ii) amadurecimento do colmo, aparecimento de todos os ramos e endurecimento da estrutura (~3 anos), iii) maturao do colmo (~3 anos) e declnio e apodrecimento (4 anos). Como todos os anos so gerados novos brotos, ento h em uma touceira colmos de todas as idades. Como o bambu no cresce em dimetro, os brotos j nascem no dimetro final e crescem apenas na altura.

O manejo da touceira deve ser feito para que esta continue saudvel e varia de acordo com o propsito da plantao (cultivo de colmos, cultivo de brotos, extrao industrial, etc.). Para a mxima produo de colmos uma touceira deve ser manejada todos os anos, sendo cortados os colmos com quatro anos de idade, quando j atingem prximo do mximo de sua resistncia.

A grande vantagem de uma plantao de bambu frente a outras plantas lenhosas poder extrair colmos de cada touceira todos os anos. Desta maneira, no h o corte e destruio total da plantao quando esta estiver pronta para a colheita, como o caso de plantaes de eucalipto ou pinus, por exemplo. Com isso, os ecossistemas da plantao de bambu e dos arredores permanecem praticamente inalterados no cultivo e manejo do bambu.

2.1.9 Propriedades Mecnicas dos bambus

Existem poucas normas que regulam os ensaios mecnicos dos bambus, por exemplo, o Relatrio Tcnico ISO/TC N315. Entretanto, existem algumas bibliografias, como Oscar Hidlago 2005, em que so apresentados procedimentos para se ensaiar corretamente este material.

Como a estrutura do bambu varia basicamente conforme i) a posio na altura do colmo, ii) a posio no entren e iii) a posio na parede do colmo, necessrio na divulgao de resultados mecnicos de bambu que se especifique claramente as condies de ensaio e as posies de onde os corpos de prova foram obtidos. Alm disso, devido grande variao morfolgica entre espcies, desejvel que as

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comparaes sejam feitas entre mesmas espcies ou entre espcies de mesmo gnero.

Se comparados com os principais tipos de madeiras, os bambus so superiores a todos eles, pois possuem melhores valores de resistncia a trao e mdulo elstico [7]. Mesmo levando-se em conta que a densidade do bambu maior que quase todos os tipos de madeira, suas propriedades especficas tambm so superiores.

Os bambus possuem excelentes propriedades mecnicas tanto quando aproveitados como tubos quanto quando extrados em ripas ou fibras e transformados em chapas. As propriedades gerais de resistncia trao, e seus respectivos mdulos de diferentes formas de utilizao dos bambus, ripas, bambu laminado colado ou BLC e fibras tcnicas [23] so apresentadas na Tabela 2 e comparadas com as propriedades de outras fibras vegetais utilizadas como reforo de compsitos, fibras sintticas utilizadas em compsitos estruturais, alguns termoplsticos commodities de uso genrico e alguns metais utilizados em aplicaes estruturais simples.

48

Tabela 2 Comparao da resistncia a trao e mdulo de elasticidade dos bambus em diferentes formas de utilizao (ripa, BLC, e fibras tcnicas) com algumas fibras sintticas utilizadas em compsitos estruturais, alguns termoplsticos commodities e alguns metais utilizados em estruturas

Material Densidade

(g.cm-3)

Resistncia a Trao

(MPa)

Resistncia a trao

especfica (MPa/(g/cm

))

Mdulo Elstico (GPa)

Mdulo Elstico Especfico

(GPa/(g/cm))

Referncias

Bambu - Ripas (D. asper) 0,81 245 302 20 25 [23]

Bambu - BLC (D. asper) 0,79 143 181 20 25 [23]

Bambu - Fibras

individuais (G.angustiflia)

1,14 860 754 46 40 [24]

Juta 1,30-1,49 393-800 264-615 13-26 9-20 [1] Rami 1,55 400-938 258-605 61-128 39-83 [1] Sisal 1,45 468-700 323-483 9 - 22 6-15 [1] Coco 1,15-1,46 131-220 89-191 4-6 2,7-5,2 [1]

Ao 1020 7,86 380 48 210 27 [13] Alumnio 2,75 35 7 69 27 [13]

Fibra de carbono 1,74 3600 2069 228 131 [8] Aramida 1,39 3000 2158 70 50 [8]

FV-E 2,54 3100-3800 1220-1496 76-79 30-31 [8] Polipropileno 0,90 31-41 34,4-45,5 1,08 1,2 [13]

PEAD 0,95 22-31 23,1-32,6 1,14-1,55 1,2-1,63 [13]

2.2 CHAPAS E LAMINADOS DE BAMBU

Dos diversos painis de madeira disponveis no mercado, como compensados, painis MDF e MDP, painis OSB, dentre outros, todos podem ser fabricados inteiramente de bambu, atingindo melhores propriedades do que os feitos com madeira [7].

Os painis de bambu podem ser fabricados com elementos de bambu em diversas formas como: fibras longas, fibras curtas, partculas, ripas, laminados, esteiras entre outros. Dependendo dos elementos constituintes e de sua configurao, estes painis podem ser considerados como estruturais, quando sua utilizao requer alta resistncia mecnica, como vigas, paredes e pisos, ou no-estruturais

49

quando utilizados para fins decorativos, como revestimentos de alguns painis e elementos estruturais, como painis de esteira (ou esterilla em espanhol), pisos, chapas e vigas de bambu tranado prensado (Strand Woven Bamboo ou SWB), so mostrados na Figura 11.

Figura 11 - Painis estruturais de bambu: a) painel de esteiras ou esterillas de bambu, b) piso de SWB (Strand Woven Bamboo), c) painel e d) caibro de SWB. Fonte: do autor.

Tratando-se dos laminados no estruturais, os quais so produzidos neste trabalho, estes so formados pelo empilhamento seqencial de pelo menos trs laminados em direes perpendiculares ou paralelas. Este folhados possuem espessura de cerca de 0,5 mm e so produzidos principalmente no Japo da espcie Phyllostachis pubescens [7].

2.3 FABRICAO DE LAMINADOS TORNEADOS

O termo laminado de madeira, em ingls wood veneer, corresponde a uma fina camada de material extrada de uma tora de madeira atravs do corte com faca ou serra [7]. Esta extrao pode ocorrer basicamente por: i) torneamento (ou desenrolamento), onde uma tora macia rotacionada e pressionada contra uma lamina, Figura 12a),

b)

c)

a)

d)

50

e ii) pelo faqueamento onde uma tora fatiada por uma lmina que desliza no sentido longitudinal da mesma, Figura 12b).

Figura 12 Principais mtodos de produo de laminados (ou folheados) de madeira: a) torneamento (ou desenrolamento) e b) faqueamento. Fonte:[19](adaptado).

Para que a extrao do laminado seja facilitada, um tratamento de amolecimento com gua fervente (para laminados faqueados) ou vapor de alta presso (para laminados torneados) requerido antes da extrao. Muitos metros de laminados podem ser extrados de um tronco de madeira obtendo-se um grande rendimento para cada milmetro de espessura. A principal utilizao dos laminados de madeira no revestimento de chapas de madeira de baixa qualidade e tambm na fabricao de compensados.

Tratando-se dos laminados de bambu, Existem basicamente dois tipos: contnuos obtidos por torneamento e emendados obtidos por faqueamento de chapas de bambu, que so constitudas de ripas coladas.

Laminados de bambu, ou bamboo veneers do termo em ingls, so comuns principalmente na China e Japo e so utilizados principalmente para o revestimento de compensados de madeira e tambm para a produo de painis multi-camada [25]. Fora desses pases, no entanto, apesar do imenso potencial existente, raras so as aplicaes, como por exemplo, mveis, instrumentos musicais e pranchas de surf [26], Figura 13.

b) a)

51

Figura 13 a) Extrao dos laminados de bambu pela tcnica de torneamento com centros e b) aplicao na produo de pranchas de surf Fonte: [26].

Levando-se em conta o potencial existente para esses painis em diversas indstrias, pode-se afirmar que o seu desenvolvimento ainda totalmente incipiente, at mesmo em pases que possuem tecnologia de bambu, como a Colmbia, por exemplo. Mesmo no Brasil, que entretanto possui pouca oferta de bambus adequados para essa utilizao, devido ao grande rendimento fornecido por esta tcnica, a produo destes laminados pode vir a ser uma grande oportunidade comercial.

Os processos utilizados na fabricao de folhados de bambu dividem-se basicamente em: i) mtodos que utilizam mquinas (torneamento, faqueamento e corte por serra) e ii) mtodos manuais (painel de bambu aplainado) [7].

O torneamento (ou desenrolamento) consiste no corte circunferencial de um colmo de bambu de um ou mais entrens fixado em um torno. Normalmente a largura no passa de 60 cm, [7], no entanto possvel extrair-se laminados com at 150 cm de largura [27]. A principal dificuldade de se extrair os laminados a geometria desigual do colmo e o principal fator limitante a pequena espessura de parede.

a) b)

52

2.4 MATRIZES POLIMRICAS

2.4.1 Resinas epxi

Pertencem a uma classe de resinas termofixas, que oferecem um grande nmero de combinaes e propriedades no obtidas por outras classes de resinas e que so utilizadas nas mais diversas aplicaes, como por exemplo: revestimento de latas, placas de circuito impresso, encapsulantes de semicondutores, adesivos, tintas, e compsitos avanados de alta resistncia.

O termo epxi diz respeito a uma vasta gama de polmeros termofixos nos quais a reticulao das cadeias ocorre atravs da ligao de grupos epxi. Estes, so constitudos por um anel triplo formado por dois tomos de carbono e um de oxignio e pode ser ligado a diversos tipos de cadeia polimrica definindo assim as diversas classes desse material.

Sua estrutura no catalisada pode ser observada na Figura 14, e a parte designada como n ou mero define a sua viscosidade: desde lquida para (n 250), at rgida para cadeias longas (250 n). oferecida comercialmente em viscosidades que variam de 5.000 a 14.000 cP a 25 C.

Figura 14 - Resina epxi a base de bisfenol A

Os trs principais componentes que formam uma resina epxi so: i) uma resina base, ii) agente de cura e iii) agentes modificadores. Podem ser formuladas desde maneira simples, com uma resina base e um agente de cura, at formulaes complexas com diversos componentes.

As trs principais classes de resinas epxi so: ter de glicidil bisfenol, amina de glicidil aromtica e ciclo alifticas. As resinas ter de glicidil bisfenol so formada pela reao de condensao entre a epicloridrina e um grupo fenol e entre elas est a resina epxi mais produzida e utilizada e conhecida como DGEBA ou ter de diglicidil do bisfenol-A.

A maior parte dos sistemas epxi curados apresentam resistncia trao de aproximadamente 65 MPa, notvel resistncia qumica,

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umidade e corroso; propriedades trmicas adequadas, adesivas e eltricas; nenhuma emisso de volteis, e baixa variao dimensional quando da etapa de cura [8] [28] [29].

As resinas epxi podem ser formuladas de infinitas maneiras atravs da combinao de diversos reagentes. Dentre eles esto os agentes de cura que podem ajustar propriedades da resina tais como: cintica de cura, forma fsica, Tg e resistncias mecnica e qumica. A cura pode ocorrer em questo de segundos ou at mesmo dias, dependendo do tipo de agente de cura. Pode ocorrer em uma faixa de temperatura de 5 260 C podendo, portanto, ser ativada pela temperatura. Dentre os principais agentes de cura utilizados nas resinas epxi esto as aminas, derivados de aminas e anidridos e podem ser separados de acordo com a temperatura em que reagem com a resina:

i) Os que atuam a temperatura ambiente: aminas alifticas, poliamidas e amidoaminas;

ii) Os que atuam tanto a temperatura ambiente quanto a alta temperatura: amina de trifluoreto de Boro e imidazlicos;

iii) Os que atuam em altas temperaturas: aminas aromticas e anidridos.

Os agentes modificadores so utilizados para dar caractersticas especiais resina no curada e ao produto final. Os principais tipos de agentes modificadores so: borrachas (para melhorar a flexibilidade, resistncia fadiga e absoro de impacto), termoplsticos (mesmo que borrachas), diluentes (para diminuir a viscosidade, freqentemente perde-se propriedades mecnicas e trmicas), retardantes de chama, cargas (diminuir custo, carga de reforo, diminuir retrao, diminuir fluxo e escorrimento e aumentar a condutividade termia e eltrica) e pigmentos.

Os principais fatores que distinguem o uso das resinas epxi de acordo com a sua aplicao e processamento so: i) a resistncia mecnica (resinas estruturais e no-estruturais), temperatura de servio (temperatura ambiente e alta temperatura) e viscosidade. Alm disso, outros fatores so utilizados como critrio de seleo, tais como: resistncia a trao, mdulo elstico e deformao, resistncia ao impacto e tenacidade fratura, temperatura de deflexo trmica ou HDT e temperatura de transio vtrea ou Tg, inflamabilidade, durabilidade em servio, disponibilidade comercial do material, facilidade de processamento e preo.

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2.4.2 Resina poliuretano derivada de leo de mamona

Os poliuretanos tiveram o seu desenvolvimento a partir da dcada de 1930 em pases como Alemanha e Inglaterra, sendo um dos precursores o qumico alemo Otto Bayer. Desde ento sofreram um grande crescimento tanto produo e consumo quanto no campo de aplicao. Desde o seu incio at os dias atuais, os PUs foram sendo incorporados aos processos de fabricao de espumas rgidas, tintas elastmeros, espumas flexveis, espumas semi-flexeis e semi-rgidas, moldagem por injeo e reao ou RIM, entre outros. Nas ltimas duas dcadas, o desenvolvimento dos PUs tem focado nas questes ambientais, com produtos com baixo nvel de emisso de compostos orgnicos volteis ou VOCs, utilizao de poliis derivadas de leos vegetais como o leo de mamona e tambm o reaproveitamento atravs da reciclagem [30].

Devido ao grande nmero de reagentes que podem ser utilizados para a sua fabricao, os poliuretanos podem ser produzidos em diversas formas: rgido, flexvel, borrachoso e na forma de espumas.

Os poliuretanos so produzidos a partir da reao de poliadio de um di ou poliisocianato com um polmero hidroxilado de baixa massa molecular ou poliol, alm de outros reagentes e aditivos tais como: agentes de cura, extensores de cadeia, catalisadores, agentes de expanso, surfactantes, cargas, agente anti-envelhecimento, pigmentos, retardantes de chama, entre outros.

Conforme mostrado na Figura 15 1), a reao entre o grupo isocianato e hidroxila forma o grupo uretana, e a reao entre o di ou poli-isocianato com as hidroxilas do polil produz o poliuretano, Figura 15 2) [31].

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Figura 15 - Reao entre um isocianato e um polil para formao do Poliuretano, sendo R, R1 e R2 cadeias carbnicas distintas. Fonte: [31](adaptado)

As propriedades dos poliuretanos so influenciadas diretamente pelo isocianato e polil utilizados na reao, sendo que o primeiro fornece rigidez cadeia atravs dos grupos uretana e o segundo confere flexibilidade atravs da cadeia carbnica. Portanto, desta maneira propriedades como o mdulo de elasticidade, tenacidade e Tg podem ser ajustadas atravs da quantidade relativa dos reagentes utilizados.

Existem dois grupos principais de isocianatos, i) os alifticos e os ii) aromticos sendo que os dois tipos mais utilizados, tolueno diisocianato ou TDI e o difenilmetano diisocianato ou MDI, pertencem ao primeiro grupo.

Os isocianatos possuem o grupo NCO que reage com compostos que possuam tomos de hidrognio ativo, Tabela 3, tais como os poliis, a gua, os extensores de cadeia e os gupos hidroxila das fibras vegetais [30]. Dos diversos tipos de isocianatos comerciais, a grande maioria (95%) aromtico base de TDI ou dos diferentes tipos de MDI [30].

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Tabela 3 - Velocidade relativa de reaes tpicas dos isocianatos COMPOSTO COM

HIDROGNIO ATIVO ESTRUTURA TPICA VELOCIDADE RELATIVA*

Amina aliftica primria R-NH2 100.000 Amina aliftica secundria RRNH 20.000 50.000 Amina aromtica primria Ar-NH2 200 300

Hidroxila primria RCH2-OH 100 gua HOH 100

cido carboxlico RCOOH 40 Hidroxila secundria RRCH-OH 30

Uria R-NH-CO-NH-R 15 Hidroxila terciria RRRC-OH 0,5

Uretano R-NH-CO-O-R 0,3 Amida RCO-NH2 0,1

Nos PUs a maioria das reaes dos isocianatos ocorre atravs da adio dupla ligao C=N. Um centro nucleoflico contendo um tomo de hidrognio ativo ataca o carbono eletroflico e o tomo de hidrognio ativo ento adicionado ao nitrognio. Grupos aceptores de eltrons, ligados ao grupamento NCO, aumentam sua reatividade e os doadores a reduzem e, por isso, os isocianatos aromticos so mais reativos do que os alifticos. A ocorrncia de impedimento estrico tanto no grupo isocianato, quanto no composto com hidrognio ativo provocam diminuio na reatividade.

Isocianatos iro reagir com qualquer molcula que contenha um hidrognio ativo, portanto formando uria e gs carbnico quando em contato com a gua ou umidade. Desta maneira, para compsitos com fibras vegetais necessrio realizar a secagem das fibras antes do processamento.

Existem trs principais tipos de poliis, os i) politeres, ii) polisteres e iii) os de cadeia hidrocarbnica. Os poliis politeres so os mais utilizados e normalmente so derivados do poli(xido de propileno) glicol e copolmeros de poli(xidos de propileno/etileno) glicis ou PPGs. Os PPGs so utilizados principalmente em espumas flexveis, os poliis polisteres utilizados principalmente na produo de elastmeros microcelulares, os poliis polister alifticos nos PUs flexveis, os poliis polister aromticos nos Pus rgidos, os poliis PTHF em elastmeros de alto desempenho e finalmente poliis acrlicos em vernizes de acabamentos automotivos.

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2.5 PROCESSOS DE FABRICAO DE COMPSITOS

Existem diversos processos de fabricao de compsitos, dos mais simples aos mais complexos e especializados. Atravs deles transforma-se as matrias-primas, resinas, fibras, cargas, aditivos, etc., em peas e produtos finais. Os processos mais conhecidos e utilizados so: moldagem por contato ou laminao manual, laminao por projeo simultnea, laminao contnua, bolsa de vcuo, infuso a vcuo, moldagem por transferncia de resina ou RTM (light e alta presso), enrolamento filamentar, pultruso, processos de moldagem a quente como o SMC e o BMC, preenchimento e autoclave, dentre muitos outros especializados e com variaes [11].

De todos os processos disponveis, os que so mais atrativos para a fabricao de compsitos de laminados torneados de bambus so a laminao manual, laminao contnua, bolsa de vcuo e infuso a vcuo.

2.5.1 Moldagem por contato ou laminao manual

o mais simples de todos os processos de fabricao de compsitos e consiste em impregnar com uma resina termofixa diversas camadas de reforo usualmente dispostas em um molde cncavo. Para tal impregnao, utiliza-se rolos ou pincis e, aps a laminao do laminado este pode ser submetido a uma compresso para que haja melhor adeso entre as camadas e que as bolhas em excesso sejam expulsas. A frao de fibras obtida na laminao de cerca de 30 %m/m, porm maiores valores podem ser alcanados com a maior permeabilidade do reforo, menor viscosidade da resina e maior presso de compresso.

um mtodo simples, que requer poucos investimento e equipamento, porm custoso do ponto de vista da mo de obra e ineficiente do ponto de vista da produtividade. aplicado principalmente na fabricao de cascos de barcos, piscinas, carenagens de veculos, entre outros.

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3 MATERIAIS E MTODOS

3.1 MATERIAIS

A resina poliuretano (Imperveg RP1315A) constituda por dois componentes, um pr-polmero (componente A) e um poliol (componente B), foi doada gentilmente pela empresa Imperveg localizada em Agua SP. uma resina semi-rgida, isenta de solventes e derivada do leo de mamona. Os componentes A, B e a mistura final possuem, respectivamente, densidades de 0,98 g/cm, 1,22 g/cm, e 1,05 g/cm. Sua resistncia trao de ~15MPa e deformao na ruptura de cerca de 8%.

A resina epxi foi obtida no comrcio de So Jos SC, da fabricante Triepox em dois componentes, resina epxi do bisfenol A com massa molar 700 g.mol-1 (Triepox TCR-550) e agente de cura base de amina (XR-435). Resina e agente de cura possuem, respectivamente, densidade de 1,10 - 1,6 g/cm e 1,00 1,01 g/cm. Sua resistncia trao de 61 MPa e deformao na ruptura de cerca de 16%.

Os laminados torneados de bambu foram obtidos em laboratrio a partir de um dispositivo prottipo adaptado de um torno desenrolador. Os folhados possuem espessura de 0,2-0,5 mm, 20 cm de largura e comprimento definido pela extrao, Figura 16.

Figura 16 Laminados torneados de bambo extrados por um dispositivo desenvolvido e construdo no laboratrio. Fonte: do autor.

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3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.2.1 Preparao dos corpos-de-prova de resina

Os componentes do poliuretano ou da resina epxi foram misturados sob vcuo por doze minutos em um misturador mecnico a 275 RPM, conforme ilustrado na Figura 17. As propores utilizadas na mistura do poliuretano e da resina epxi foram de 1,0:1,2 (m:m) (componente A: componente B) e 2:1 (m:m) (resina epxi:agente de cura), respectivamente.

Figura 17 - Esquema ilustrativo do misturador mecnico a vcuo utilizado para a mistura dos componentes do compsito. Fonte: do autor.

Para a fabricao dos corpos-de-prova de trao, As misturas de pr-polmero/poliol e resina epxi/agente de cura foram vertidas em um molde de silicone nas dimenses dos corpos de prova da norma ASTM D638-08. Para a confeco das amostras de flexo e impacto, as misturas foram vertidas em uma placa retangular at atingirem a espessura desejada e, depois de curadas, foram cortadas com uma microretfica Dremel nas dimenses das normas ASTM D7264-07 e ASTM D256-06, respectivamente.

60

Os compsitos com matriz de resina de poliuretano foram curados temperatura ambiente por uma semana, enquanto que os com resina epxi foram curados em estufa 60 oC por 60 minutos.

3.2.2 Extrao dos laminados de bambu

Devido total indisponibilidade dos laminados contnuos de bambu no Brasil, foi necessrio produzi-los em laboratrio, tornando-se a sua obteno uma etapa bastante laboriosa, uma vez que foi necessrio desenvolver e construir um equipamento de extrao. Desta forma, foi desenvolvido um dispositivo para se extrair os laminados de bambu, conforme ilustrado na Figura 18.

Figura 18 - a) Ilustrao do dispositivo para a produo dos folhados de bambu acoplado ao torno mecnico, b) detalhes do suporte: faca de desempeno de Widea e c) ponteira rotativa e disco de nilon para fixao do colmo de bambu. Fonte: do autor.

Carrinho do torno

Suporte

Colmo

Ponteira rotativa

Disco de nilon a)

b)

c)

Faca

Castanha

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Este dispositivo simples e robusto e facilmente acoplvel a um torno mecnico. Sua construo foi baseada em um projeto de um torno desenrolador utilizado para a produo de laminados de madeira. O dispositivo constitudo basicamente por um suporte de ao e uma ferramenta de corte (faca de desempeno de 30 cm de largura, gentilmente doada pela empresa Ao e Widea de Joinvile SC), conforme ilustrado na Figura 18a). Este suporte fixado no carrinho do torno, o qual possui movimento transversal ao eixo principal, detalhe da Figura 18a), e pode ser precisamente controlado pelo operador do torno.

Para a correta fixao do colmo de bambu no torno, uma de suas extremidades fixada pela castanha e a outra por um suporte adaptvel de nilon que preso ponteira rotativa do torno, Figura 18c). Outra alternativa inserir um eixo por dentro do colmo, fazendo o suporte pela parte interna para o corte externo.

Aps a fixao do colmo realizada a extrao das fibras, que consiste nas seguintes etapas: i) fixar um colmo de bambu com seo de aproximadamente 30 cm de comprimento no torno, ii) sangrar dois canais laterais para a sada do laminado; iii) realizar a retificao da camada externa do colmo para facilitar a extrao dos laminados e por ltimo iv) avanar o suporte com a faca de forma a pressionar a superfcie do colmo, extraindo finos laminados de bambu. A espessura do laminado obtido ajustada pela rotao do torno, e pelo avano do carrinho. Os laminados so extrados no sentido circunferencial, como o desenrolar de uma bobina de papel e, como as fibras do bambu so todas alinhadas paralelamente ao eixo longitudinal do colmo, so obtidos laminados unidirecionais. As principais etapas da extrao dos laminados so mostradas na Figura 19.

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Figura 19 - Esquema do procedimento utilizado para a extrao dos laminados: a) sangramento dos canais laterais; b) retificao da camada externa do colmo; c) e d) avano do suporte e extrao dos laminados de bambu. Fonte: do autor.

Comparando-se com uma tora de madeira, os colmos de bambu possuem uma pequena espessura disponvel para extrao dos laminados. Por outro lado, o rendimento por milmetro de espessura grande e depende de alguns fatores como, i) espessura dos laminados, ii) espessura da parede do colmo, iii) dimetro do colmo e iv) largura da faca, neste caso 20 cm. Para um tpico colmo de bambu gigante com 12 cm de dimetro e 25 mm de parede, consegue-se um aproveitamento de cerca de 70%, ou ~18 mm; 2 mm so perdidos na retificao da superfcie e 5 mm so deixados no final. Destes 18 mm, so produzidos cerca de 20,52 metros lineares de folhado por entren ou 4,10 m de folhado, com os quais consegue-se produzir 1,02 m de um compsito com quatro camadas e cerca de 1,8 mm de espessura.

Entretanto, como a parte interna da parede do colmo possui uma estrutura com baixa frao volumtrica de fibras, apenas os primeiros

Canal para sada do folhado

Folhados

a) b)

c) d)

63

metros lineares extrados do colmo so realmente resistentes. Portanto, se os folhados externos e internos forem misturados, sero obtidos compsitos de mdia resistncia, porm, se apenas os primeiros metros de folhados forem misturados, sero obtidos compsitos de alta resistncia.

3.2.3 Preparao dos compsitos

Neste trabalho, foram produzidos compsitos de matriz epxi ou poliuretano com camadas bidirecionais (dispostas perpendicularmente entre si) e unidirecionais (com todas as fibras na mesma direo). Os compsitos foram produzidos com quatro ou mais camadas, com espessuras de ~1,8 3,2 mm, de acordo com a necessidade do ensaio a ser realizado.

Foi utilizado o processo de laminao manual seguido de compresso em uma prensa com carga mxima de compresso de 15 toneladas, Figura 20, a uma tenso de ~0,27 MPa por um perodo de 24h temperatura ambiente. Estas condies de moldagem foram escolhidas por serem adequadas para aglomerar adequadamente as fibras sem danific-las e conseguir eliminar a maior parte das bolhas retidas na resina. O tempo de ps-cura para as amostras dos compsitos de PU foi de 10 dias temperatura ambiente, enquanto que os corpos de prova dos compsitos de epxi passaram por um tratamento de ps-cura por quatro horas 705 C. Desta maneira, foram obtidos compsitos com uma frao de fibras de 522 %(m/m).

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Figura 20 Prensa utilizada para a compresso e moldagem dos laminados de bambu e resina formando as chapas de material compsito. Fonte: do autor.

Os mtodos de bolsa de vcuo e infuso a vcuo tambm foram utilizados na fabricao dos compsitos, obtendo chapas com altas fraes de fibras chegando a quase 80 %(m/m). No entanto, devido alta viscosidade das resinas epxi e poliuretano, que dificultavam a impregnao do laminado, e o longo tempo de vcuo requerido para a cura das mesmas, estes mtodos foram substitudos pela laminao manual seguida de compresso.

3.2.4 Produo dos corpos de prova dos compsitos

Para a produo dos corpos de prova de trao, flexo e impacto, foram utilizadas chapas laminadas de espessuras adequadas para cada norma, das quais foram cortados os corpos de prova utilizando-se uma microretfica Dremel com serra para madeira, conforme mostrado na Figura 21. Foram seguidas as orientaes e dimenses das normas mencionadas no item 3.2.1.

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Figura 21 - Ilustrao do mtodo usado para cortar os corpos de prova de um compsito. Fonte: do autor.

3.3 CARACTERIZAO

3.3.1 Ensaio de trao

Os ensaios de trao das resinas, do bambu e dos compsitos uni e bidirecionais foram realizados conforme as normas ASTM D638-08, Propriedades de Trao para Plsticos e ASTM D3039, Propriedade de Trao de Materiais Compsitos com Matriz Polimrica. Para as resinas e compsitos bidirecionais utilizou-se uma mquina universal de ensaios Emic DL2000 com clula de carga de duas toneladas, Figura 22a), e para o ensaio dos laminados de bambu e compsitos unidirecionais foi utilizada uma mquina de ensaios Emic 3000 com clula de carga de 20 toneladas com garras autotravantes por efeito de cunha, Figura 22b).

66

Figura 22 - Mquinas universais de ensaios, a) Emic DL2000 e b) DL3000, utilizadas para realizao dos ensaios de trao. Fonte: do autor.

Com os resultados destes ensaios, foram plotados grficos Tenso x Deformao de onde foram obtidos: i) o mdulo elstico (E), ii) a tenso mxima (mx), iii) a tenso de ruptura (rup) e iv) a deformao na ruptura (rup).

Para o ensaio de trao do bambu, um procedimento especial foi adotado: a medio da frao de fibras de cada corpo de prova ensaiado para posterior comparao com os valores de resistncia trao e mdulo elstico. Desta maneira, de cada corpo de prova ensaiado, Figura 23a), foi cortada uma pequena seo, Figura 23b), que foi embutida em resina e preparada para a observao microscpica Figura

a) b) a) b)

67

23c). O procedimento para medio das fraes volumtricas ser detalhado na seo 3.3.6.

Figura 23 a) Ensaio de trao do bambu, com retirada de amostras, b) e c), para anlise e quantificao da microestrutura para futura comparao com os resultados mecnicos. Fonte: do autor.

3.3.2 Ensaio de flexo

Os ensaios de flexo do bambu, da resina epxi e dos compsitos foram realizados de acordo com a norma ASTM D7264-07, Propriedades de Flexo de Materiais Compsitos de Matriz Polimrica. Foi utilizado o modo flexo por trs pontos em uma mquina universal de ensaios Emic DL2000, com clula de carga de 2 toneladas e um dispositivo para ensaio de flexo/dobramento Emic DP5.01, Figura 24.

a) b)

c)

68

Figura 24 Ensaio de flexo no modo flexo em trs pontos, que consiste em aplicar a fora de flexo no centro do corpo de prova atravs de um cutelo at o mesmo romper-se ou deformar-se a um determinado valor Fonte: do autor.

3.3.3 Ensaio de impacto Izod

O ensaio de impacto Izod foi realizado de acordo com a norma ASTM D256-06, Determinando a Resistncia ao Impacto do Tipo Pndulo Izod de Plsticos, que tambm aplicada a polmeros e compsitos polimricos. Foram ensaiadas as resinas epxi e poliuretano e seus respectivos compsitos uni e bidirecionais. Foi utilizado um pndulo do tipo Izod Emic AIC-1, com energia nominal de 2,70 J para o ensaio dos polmeros, e 10,80 J para o ensaio dos compsitos, conforme ilustrado na Figura 25.

69

Figura 25 a) Pndulo para ensaio de impacto do tipo Izod e b) corpo de prova aps o ensaio. Fonte: do autor.

Os corpos de prova para ensaio de impacto foram cortados com uma microretfica a partir de chapas de compsitos ou resina pura de cerca de 4,0 mm de espessura, conforme descrito na seo 3.2.4. Em seguida, foram entalhados por uma fresa de perfil constante para ensaio de impacto com ngulo de 45 e raio de 0,25 mm, conforme detalhado na Figura 26.

Figura 26 Fresa de topo utilizada para se fazer os entalhes de maneira normatizada nos corpos de prova. Fonte: do autor.

3.3.4 Anlise dinmico mecnica DMA

A anlise dinmico-mecnica foi realizada em um equipamento da TA Instruments modelo Q800, com freqncia de 1Hz, deformao

a)

b)

Entalhe Entalhe

70

de 0,5% e faixa de temperatura de 30 a 140 C, Figura 27a). Os corpos de prova foram cortados com uma microretfica nas dimenses de 35 x 5 x 10 mm (comprimento x largura x espessura). Foram ensaiados os polmeros puros e seus respectivos compsitos no modo flexo em dois pontos ou single cantilever bending, conforme mostra a Figura 27b). Neste modo, uma das extremidades do corpo de prova fixada por presso e a outra presa a uma haste que realiza um esforo de flexo cclico.

Figura 27 - a) Equipamento utilizado para a realizao do ensaio de DMA das resinas puras e dos compsitos de bambu e b) garra de flexo em dois pontos (Single Cantilever Bending). Fonte: do autor.

3.3.5 Determinao da densidade relativa

Foram utilizados dois mtodos para a medio da densidade das resinas, do bambu e dos compsitos: densidade relativa de acordo com a norma ASTM D792-08 e a simples medio da massa e volume dos corpos de prova.

Para a realizao das medidas de densidade relativa, foi utilizada uma balana analtica de preciso da marca Metler-Toledo modelo XS205, adaptada para a medio de densidade conforme mostrado na Figura 27a). O procedimento experimental nesta balana extremamente rpido e simples, e consiste apenas em medir o peso da amostra fora do lquido, Figura 27d) e em seguida medir novamente o

A

a) b)

71

peso da amostra imersa em gua com auxlio do suporte imerso, Figura 27c). Aps estas duas medidas, a balana calcula automaticamente a densidade relativa da amostra.

Figura 28 - Medio da gravidade especfica de um material Fonte: do autor.

Nos casos em que a amostra reaja com a gua, se dissolva ou sofra absoro, por exemplo, deve-se utilizar um outro lquido inerte, como etanol ou leo vegetal ou ento utilizar um outro mtodo.

O segundo mtodo utilizado para a medio da densidade foi a simples medio da massa e volume das amostras e o