COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA REFORÇADOS COM FIBRAS DE ...abepro.org.br/biblioteca/enegep2014_TN_STP_203_149_26174.pdf · reforçados com fibra de vidro (PASSOS, 2005) Uma das

COMPÓSITOS DE MATRIZ

POLIMÉRICA REFORÇADOS COM

FIBRAS DE COCO E MICRO ESFERAS

OCAS DE VIDRO (MEOV) ALMEJANDO

MELHOR CUSTO BENEFÍCIO EM

RELAÇÃO ÀS PROPRIEDADES

MECÂNICAS.

Virnna Cristhielle Santana Barbosa (UESC )

[email protected]

Geovana Pires Araujo Lima (UESC )

[email protected]

Regivaldo Santos Silva Filho (UESC )

[email protected]

FRANCODANI RICO AMADO (UESC )

[email protected]

Com a eminente preocupação em reduzir os impactos ambientais, porém sem perder

os ganhos em propriedades almejadas, as fibras vegetais estão sendo comumente

utilizadas como reforços em compósitos. Esse estudo consiste em adicionar

Microesferas Ocas de Vidro (MEOV) e Fibra de Coco a uma matriz polimérica de

Resina Cristal Pré-acelerada. Tem como objetivos: baratear o material compósito,

definir propriedades que esses reforços agregam à matriz e a formulação com melhor

desempenho nos testes de dureza e impacto. Com a realização da comparação dos

resultados obtidos foi possível considerar que a fibra de coco adicionou propriedades

mecânicas ao compósito e também barateou o mesmo, se tornando uma alternativa

viável economicamente e ambientalmente.

Palavras-chaves: Fibra de coco, MEOV, compósito, impacto, dureza.

XXXIV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Engenharia de Produção, Infraestrutura e Desenvolvimento Sustentável: a Agenda Brasil+10

Curitiba, PR, Brasil, 07 a 10 de outubro de 2014.



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1. Introdução

O material compósito constitui uma grande importância na ciência dos materiais, com

vasta aplicação na engenharia e grande aplicabilidade na indústria que cresce gradualmente.

Trata-se de combinações de dois ou mais componentes dos tipos fundamentais de materiais e

é projetado para mostrar uma combinação das melhores características de cada um dos

materiais que o compõe (CALLISTER, 2000). Dessa forma, a construção de um compósito

tem como objetivo unir a uma matriz um ou mais reforços, esses irão agregar propriedades ao

material.

Com a eminente preocupação em reduzir os impactos ambientais, porém sem perder os

ganhos em propriedades almejadas, as fibras vegetais estão sendo comumente utilizadas como

reforços em compósitos. Segundo Marinelli e Monteiro (2008) no Brasil, existe uma grande

variedade de fibras vegetais com diferentes propriedades químicas, físicas e mecânicas.

Os compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais se mostram como uma área

de grande interesse na indústria, surgindo a partir da década de 1990, proporcionado pelas

exigências oriundas das autoridades públicas quanto ao uso e descarte final das fibras

sintéticas e resinas oriundas do petróleo, seguido principalmente da conscientização dos

consumidores quanto à finitude dos recursos naturais do planeta (SILVA, 2003). Segundo

North (1997) , “a produção industrial envolve a extração de recursos naturais, a utilização

deles na manufatura de produtos industriais, e a disposição de materiais indesejados que não

são utilizados no produto final”.

O descarte de materiais apontados como rejeitos se torna uma medida cada vez mais

difícil, em parte devido às atuais legislações ambientais, em outra devido às organizações

produtivas. As fibras vegetais possuem propriedades que influenciam diretamente na

montagem do compósito, como a porosidade e fibrosidade de sua estrutura e a matriz lamelar.

As vantagens mais visíveis das de compósitos a base de fibras quando comparadas a outros

materiais sintéticos são a capacidade de renovabilidade do insumo, biodegradabilidade, baixo

custo, menor abrasividade no maquinário e provocar menor impacto ambiental (ALMEIDA

JR, 2012). Além de altas propriedades mecânicas específicas, baixa densidade, baixo

consumo de energia e custo de produção. (PANNIRSELVAM et al., 2005):

Destacam-se as fibras para uso em compósitos o sisal, rami, juta, malva, curauá e fibra

de coco.

O uso de fibras vegetais como reforço na matriz polimérica se torna uma alternativa

mais pesquisada e real na medida em que os recursos não renováveis diminuem

gradativamente, incentivando setores como a inovação de materiais oriundos de fontes

renováveis.

Segundo Silva (2003) no campo dos materiais, o uso de fibras vegetais como reforço

de matrizes poliméricas ganha atenção quando tratado em elementos não estruturais de

vedação lateral e cobertura para substituição de placas galvanizadas.



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O desenvolvimento de novos materiais com adição de fibras vegetais tem sido

pesquisado e utilizado para substituição da fibra de vidro em compósitos poliméricos, com

intuito de reduzir a quantidade destas fontes não renováveis. Com o advento desta tecnologia,

os compósitos reforçados com fibra de coco, sisal e juta estão competindo com os plásticos

reforçados com fibra de vidro (PASSOS, 2005)

Uma das características que dificulta o uso em larga escala das fibras vegetais como

reforço da matriz polimérica está no fato destas possuírem baixo módulo de elasticidade,

baixa resistência biológica, susceptibilidade à degradação em meios alcalinos e/ou ácidos,

cavidades, dimensões e formas irregulares e uma superfície quimicamente complexa, o que

dificulta a fixação matriz/reforço, além da baixa capacidade de compactação natural, o que

limita a obtenção do volume máximo de fibra (MADSEN, 2009).

As propriedades mecânicas dos compósitos dependem diretamente de diversos fatores,

tais como o tipo, volume, orientação, dispersão da fibra na matriz polimérica, bem como a

afinidade química entre a fibra e a matriz, de forma que a natureza da região de interface

influi diretamente nas propriedades mecânicas do compósito.

A fibra de coco possui características primordiais que fazem com que sua utilização de

torne viável, as fibras de coco se destacam por apresentarem alta disponibilidade no país,

principalmente no sul da Bahia, baixo custo e propriedades físico-químicas adequadas à

confecção de diversos produtos como cordas, escovas, tapetes, estofamentos automotivos,

reforço em compósitos, entre outros (DUARTE; IMAI; NII, 2009).

Portanto, propõe-se um estudo das propriedades mecânicas de impacto e dureza de

compósitos com reforços de fibra de coco. .Além do reforço vegetal, propõe-se também um

estudo de formulações com reforço sintético de micro esferas ocas de vidro (MEOV),

chamadas glass bubbles, que segundo a empresa 3M são uma excelente alternativa às cargas e

aditivos convencionais como sílica, carbonato de cálcio, talco, argila, entre outros, para várias

aplicações. Estas partículas de baixa densidade são usadas em várias indústrias para redução

do peso, custo e atender determinadas propriedades em seus produtos. Foram feitas também

formulações para um compósito híbrido, com reforço vegetal e sintético, de fibra de coco e

MEOV.

2. Propriedades mecânicas

Segundo Jorge Teófilo (2010), os engenheiros de qualquer especialidade devem

compreender como as várias propriedades mecânicas são medidas e o que elas representam.

Essas propriedades são necessárias ao projeto de estruturas ou componentes que utilizem

materiais predeterminados, a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou

falhas em serviço, ou o encarecimento do produto em função do superdimensionamento de

componentes.

Ainda segundo Jorge Teófilo (2010) as propriedades mecânicas dos materiais são

verificadas pela execução de ensaios cuidadosamente programados, que reproduzem o mais

fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados nos

ensaios incluem-se a natureza da carga aplicada, a duração de aplicação dessa carga e as

condições ambientais. A carga pode ser tração, compressão ou cisalhamento, e a sua

magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente. O tempo de

aplicação pode ser de apenas uma fração de segundo ou pode se estender por um período de



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muitos anos. Dentro das condições ambientais destaca-se a temperatura como fator de grande

importância.

O estabelecimento e a publicação dessas normas padrões são freqüentemente

coordenados por sociedades profissionais, como a Sociedade Americana para Ensaios e

Materiais (ASTM – American Society for Testing and Materials), que é a organização mais

ativa nos Estados Unidos (CALLISTER, 2002) e de larga aceitação no Brasil. No Brasil, a

entidade responsável pelas normas padrões é a Associação Brasileira de Normas Técnicas

(ABNT).

2.1 Impacto

Os testes de impacto são testes de fraturas a alta velocidade que mede a energia para

romper a amostra. Nos testes de impacto Izod e Charpy, um pêndulo com um peso é jogado

contra a amostra (com entalhe ou não) e a energia necessária para romper a amostra é

determinada através da perda de energia cinética do pêndulo (NIELSEN, 1974).

A geometria da peça é importante porque a resistência ao impacto depende do

tamanho da peça. Uma amostra mais fina tende a resistir ao impacto mais do que uma amostra

mais espessa. (OTA, 2004)

Para polímeros amorfos, a resistência ao impacto aumenta dramaticamente quando a

temperatura é aumentada próxima da temperatura de transição vítrea ou acima.

(NIELSEN,1974).

Ainda segundo Nielsen (1974) no teste de impacto, as fibras podem aumentar a

resistência ao impacto por dois mecanismos de dissipação de energia: As fibras podem ser

arrancadas da matriz e dissipar energia durante a fricção mecânica. Ao mesmo tempo, quando

se arranca as fibras se previne a concentração de tensão nas áreas ao longo da fibra; as fibras

dissipam energia durante o processo de descolagem tendendo acessar a propagação da trinca.

As fibras também tendem a reduzir a resistência ao impacto por dois mecanismos: as fibras

reduzem drasticamente o alongamento até ruptura, assim podem reduzir a área sobre a curva

tensão-deformação; a concentração de tensão ocorre nas regiões de finais das fibras, áreas de

adesão fraca e regiões onde as fibras se tocam.

Assim, dependendo da natureza do compósito e do tipo do teste de impacto, as fibras

podem diminuir ou aumentar a resistência ao impacto.

2.2 Dureza

Dureza é a resistência à deformação permanente Segundo Garcia et al. (2000), o

ensaio de dureza consiste na impressão de uma pequena marca feita na superfície da peça pela

aplicação de pressão com uma ponta de penetração.

A medida da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das

características da marca de impressão e da carga aplicada em cada tipo de ensaio de dureza

realizado. (GALDINO, 2003)

Os métodos mais aplicados em engenharia utilizam penetradores com formatos

padronizados e que são pressionados na superfície do material sob condições específicas de

pré-carga e carga, causando inicialmente deformação elástica e em seguida deformação

plástica.

3. Metodologia



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Esse estudo utiliza a fibra vegetal de coco e fibra sintética de MEOV, como reforços à

matriz termofixa composta por uma resina cristal pré-acelerada e os reforços sejam vegetal e

sintético, visando baratear o equipamento, além de torná-lo mais resistente e ambientalmente

viável.

Foram confeccionados corpos de prova segundo a norma para os ensaios dos testes de

dureza e impacto. Esses corpos de prova obedeceram a três tipos de diferentes formulações

pré-determinadas, a fim de comparar os resultados de seus testes e escolher a formulação com

melhores resultados, levando em consideração seu custo.

3.1 Corpos de prova referenciais

Os primeiros corpos de prova confeccionados foram os que continham 100% da

matriz, com resina cristal, para que a comparação pudesse ser feita entre esses corpos de

prova e os que continham reforços. A resina cristal pré-acelerada foi pesada numa balança,

assim como o iniciador peróxido de Metil-Etil-Cetona – Mek-P (o equivalente a 1% da

quantidade total de resina). Depois de pesados, a resina foi misturada ao iniciador Mek-P num

agitador mecânico. A confecção foi feita conforme o fluxograma abaixo:

Figura 1- Fluxograma formulação referencial

Fonte: Autoria própria

Foram produzidos 5 corpos de prova em duplicata para cada teste.

Figura 2 – Primeiros corpos de prova referenciais (após ensaios mecânicos)



6

Fonte: autoria própria

3.2 Corpos de prova com reforços vegetais

Para as seguintes formulações o reforço vegetal, a fibra de coco (moída no moinho de

facas RONE modelo N150 e posteriormente no SP LABOR modelo SP-31), foi armazenada

em um recipiente hermeticamente fechado e guardado em um local fresco. Após a separação

da fibra, foi necessário fazer um tratamento térmico na mesma, para redução de umidade, que

foi levada à estufa à 110º C por 60 minutos. Enquanto a fibra passava pelo tratamento

térmico, a resina cristal foi pesada, assim como o iniciador Mek-P (o equivalente a 1% da

resina). Ao fim do tratamento térmico, a fibra foi retirada da estufa e foi pesada.

Foram produzidos 5 corpos de prova em duplicata para cada teste.

As formulações para esses corpos de prova foram de: 95% de matriz e 5% de fibra (95/5),

90% de matriz e 10% de fibra (90/10) e o de 85% matriz e 15% de fibra (85/15).

Figura 3- Fluxograma para as formulações com reforços de fibra de coco.


Figura 4 – Primeiros corpos de prova formulação 95/5



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3.3 Corpos de prova com reforços híbridos

Para a formulação híbrida, com a fibra de coco e MEOV como reforços, a fibra moída

no moinho RONE e posteriormente moída no moinho SP- Labor foi armazenada em um

recipiente hermeticamente fechado e guardado em um local fresco. Depois foi colocada na

estufa à 110º C, durante 60 minutos. Com a fibra tratada termicamente, deram-se início as

pesagens da matriz e dos reforços. Dessa forma, a resina cristal, o iniciador Mek-P (a 1% da

resina) foram pesados na balança.

Essa metodologia foi aplicada para as formulações de 95% de matriz; 2,5% de fibra de

coco e 2,5% de MEOV (95/2,5/2,5); 90% de matriz, 7,5% de fibra de coco e 2,5% de MEOV

(90/7,5/2,5) e 85% de matriz, 12,5% de fibra de coco e 2,5% de MEOV (85/12,5/2,5).

Figura 5- Fluxograma para formulações com reforços híbridos


Figura 6 – Primeiros corpos de prova formulação 95/2,5/2,5 (após ensaios mecânicos)



8


3.4 Ensaios dos corpos de prova

Os ensaios de dureza e impacto foram feitos segundo as respectivas normas ASTM

D2240 E ASTM D256. Os ensaios de dureza do tipo Shore-D foram feitos no equipamento

eletrônico Durotest SD 300 e os de impacto do tipo Izod no equipamento eletrônico Panantec

ATMI, seguindo o método A em que o corpo de prova é preso pela lateral e centralizado pelo

entalhe que é voltado para o lado em que o martelo irá se chocar (TUDO SOBRE

PLÁSTICOS).

4. Resultados

Através dos ensaios concluídos foi possível fazer uma análise dos dados. Conforme

das tabelas e figuras a seguir.

Tabela 1- Média dos resultados obtidos no teste de impacto para formulações referenciais.

Resultado 100% Matriz

Ângulo de Elevação 155,07°

Energia 0,1482J

Resistência ao impacto 0,948KJ/m²


Tabela 2- Média dos resultados obtidos no teste de impacto para formulações com reforços de

fibra de coco

Resultado Matriz +

Reforço

vegetal:

95/5

Matriz +

Reforço

vegetal:

90/10

Matriz +

Reforço

vegetal:

85/15

Ângulo de

Elevação

155,466° 155,502° 154,998°

Energia 0,1286J 0,1274J 0,1484J



9

Resistênci

a ao

impacto

1,206KJ/

m²

1,42KJ/m² 1,556KJ/

m²


Tabela 3- Média dos resultados obtidos no teste de impacto para as formulações com reforços

híbridos

Resultado Matriz +

Reforço

híbrido

95/2,5/2,5

Matriz +

Reforço

híbrido

90/7,5/2,5

Matriz +

Reforço

híbrido

85/12,5/2,

5

Ângulo de

Elevação

154,602 155,052° 154,167°

Energia 0,165J 0,142J 0,184J

Resistênci

a ao

impacto

1,124KJ/

m²

0,996KJ/

m²

1,295KJ/

m²


Figura 7- Média do ângulo de elevação para as formulações



10


Figura 8- Gráfico da média de energia para as formulações




11

Figura 9- Média da resistência ao impacto para as formulações


Tabela 4- Média da dureza para a formulação referencial

Resultado Apenas

Matriz

Dureza 72,4


Tabela 5- Média da dureza para as formulações com reforço de fibra de coco

Resultado Matriz

+Reforço

vegetal:

95/5

Matriz

+Reforço

vegetal:

90/10

Matriz

+Reforço

vegetal:

85/15

Dureza 59,6 67,5 63,5

Fonte: Autoria própria

Tabela 6 – Média da dureza para as formulações com reforços híbridos

Resultado Matriz +

Reforço

híbrido:

95/2,5/2,5

Matriz +

Reforço

híbrido:

90/7,5/2,5

Matriz +

Reforço

híbrido:

85/12,5/2,

5

Dureza 56,4 75 69




12

Figura 10- Média da dureza para as formulações


5. Conclusões

De acordo com a Tabela 1, pode-se observar que a formulação que apresentou melhor

resultado quanto ao ângulo de elevação foi a de Matriz com reforço vegetal de coco à 85/15,

pois quanto menor é o ângulo mais resistente é o corpo de prova. A mesma formulação se

mostrou melhor que a formulação referencial que contém apenas a matriz sem reforços. Esse

é um bom resultado, pois a fibra de coco, além de renovável é mais barata que a resina cristal,

e quanto maior a sua porcentagem no compósito mais barato é o mesmo.

Quando a energia absorvida pelo corpo de prova durante o ensaio de impacto é levada

em consideração, a formulação de Matriz com Reforço Vegetal de Coco à 85/5 se mostrou um

pouco melhor que a formulação apenas de matriz cristal, apresentando um coeficiente maior,

ainda que ambas tenham apresentado resultados similares. Como o reforço vegetal barateia o

compósito é ainda mais vantajoso utilizá-lo. Em relação à resistência de impacto, essa mesma

formulação se destacou, mostrando-se como uma boa alternativa. A formulação contendo

85% de matriz e 15% de reforço vegetal de coco constituiu o melhor resultado de resistência

ao impacto. Provando que a utilização da fibra de coco aumentou as propriedades de impacto

do compósito. De forma parecida, a formulação híbrida de 85/12,5/2,5 apresentou o segundo

melhor resultado em resistência ao impacto, em que o reforço de MEOV também agregou

melhores características que as existentes na formulação referencial.

Com relação aos ensaios de dureza shore-D, a formulação de Matriz com Reforço

Vegetal de Coco 85/15 já não se mostrou a alternativa ideal, pois outra formulação do mesmo

reforço se mostrou melhor. Além da formulação referencial, de 100% matriz, que obteve um

maior, com esse teste pode-se observar que o reforço de MEOV agrega maiores valores de

dureza ao compósito, pois a melhor formulação foi a híbrida.

Contudo o reforço de micro esferas de vidro se apresentou mais caro que o de coco, da

mesma forma que a formulação que contém apenas a resina cristal. Dessa forma, é necessário

optar pela propriedade mais importante para o objeto desejado, e levar em consideração o



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custo-benefício do mesmo. Pode-se afirmar que a fibra de coco agrega propriedades

mecânicas ao compósito o que implica numa boa alternativa ambiental e econômica.

Referências

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12/01/2014]

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Paulo: USP, 2009.

GARCIA, A.; SPIM. J.A.; SANTOS, C. A. dos. Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro, LTC, 2000.

GALDINO, A. G. S. CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL DE CERÂMICAS

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TEÓFILO, J. Disponível em: <http://jorgeteofilo.files.wordpress.com/2010/08/epm-apostila-capitulo09-ensaios-

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MADSEN, B.; THYGESEN, A.; LILHOLT, H. Plant fibre composites – porosity and stiffness. In: Composites

Science and Technology, v. 69, p. 1057-1069. Elsevier, 2009.

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