UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politécnica

Curso de Engenharia de Materiais

Departamento de Metalurgia e Materiais

COMPÓSITOS DE

POLIPROPILENO REFORÇADOS

COM FIBRAS DE COCO

Laura Villela Pacheco

Rio de Janeiro

2015

i

COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO REFORÇADOS COM

FIBRAS DE COCO

Laura Villela Pacheco

Projeto de Monografia apresentado ao

Departamento de Metalurgia e Materiais

da Escola Politécnica da UFRJ como

exigência parcial para obtenção do

Título de Engenheira de Materiais

Orientadora:

Professora Renata Antoun Simão

Rio de Janeiro

08/2015

ii

COMPÓSITOS DE POLIPROPILENO REFORÇADOS COM

FIBRAS DE COCO

Laura Villela Pacheco

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO

CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS DA ESCOLA POLITÉCNICA

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRA DE MATERIAIS.

Examinada por:

Prof (a). Renata Antoun Simão, D.Sc.

Prof (a). Marysilvia Ferreira da Costa, D.Sc.

Rafael de Cavalcante Cordeiro, M.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

AGOSTO DE 2015

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Pacheco, Laura Villela

Compósitos de polipropileno reforçados com fibras

de coco: a questão da lignina / Laura Villela Pacheco. –

Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2015.

XII, 43 p. 29,7 cm.

Orientadora: Renata Antoun Simão.

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia de Materiais, 2015.

Referências Bibliográficas: p. 40-43.

1. Fibras de coco 2. Polipropileno 3. Compósitos 4.

Tratamento a plasma 5. Comportamento Mecânico

I. Simão, Renata Antoun et al.. II. Universidade Federal

do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de

Engenharia de Materiais. III. Título.

iv

À minha família.

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus.

Agradeço à minha família, que sempre esteve ao meu lado me apoiando.

Agradeço ao meu namorado Carlos Conde Carvalhal por ter me ajudado muito

nesse momento. Sem a ajuda dele nada disso seria possível.

À Professora Renata Antoun Simão, por ter me confiado a execução desse

projeto. Agradeço a presteza e colaboração em todos os sentidos.

À Professora Marysilvia Ferreira da Costa, por ter me ajudado durante a

execução do projeto, pelo suporte e disponibilização dos equipamentos

necessários à execução do projeto.

Ao professor Juan Carlos Garcia de Blas, pela disponibilização dos

equipamentos para execução do projeto.

Aos colegas do Laboratório de Superfícies e Filmes Finos, em especial à

Marcia Sader, que sempre foram atenciosos e prestativos durante o processo

de obtenção de resultados, seja no preparo ou na execução dos ensaios.

Aos meus amigos, em especial Beatriz, Carlos, Danielle, Maressa, Mariana,

Nicole, pelo companheirismo, compreensão e reciprocidade durante a

graduação. Obrigada por estarem comigo nos momentos de alegria e naqueles

não tão divertidos assim também.

Aos técnicos do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais por

sempre serem solícitos quando precisei de ajuda, em especial à Jackson, João,

Laércio e ao técnico em eletrotécnica Jorge por toda ajuda.

vi

Agradeço a todos que direta ou indiretamente viabilizaram a conclusão dessa

etapa em minha vida, através de carinho, conselhos, palavras de estímulo e

orientação. Todos foram muito importantes para o fechamento desse ciclo.

vii

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ

como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheira

de Materiais.

Compósitos de polipropileno reforçados com fibras de coco

Laura Villela Pacheco

Agosto / 2015

Orientadora: Renata Antoun Simão

Programa: Engenharia de Materiais

O uso de fibras naturais como reforço tem tido bastante destaque nas últimas décadas devido a diversos fatores, tais como baixo custo, abundância, biodegradabilidade, baixa densidade entre outros. As fibras são capazes de aumentar a resistência mecânica do compósito através da transferência de carga entre fibra/matriz, sendo utilizadas como reforço de compósitos de matriz polimérica. Por outro lado, as fibras naturais possuem algumas desvantagens como absorção de água e dificuldade de adesão com matrizes poliméricas. Este trabalho avalia a modificação superficial da fibra de coco com o uso de plasma para uma melhor interação fibra/matriz. O gás utilizado foi o SF6 e 3 grupos de amostras foram realizados: PP puro; PP 18% fibra não tratada e PP + 18% fibra tratada a plasma. Os compósitos foram fabricados a partir de um misturador termocinético. Após tratamento a plasma, foram feitas imagens com o uso do MEV para avaliação da superfície após tratamento e da superfície de fratura e o ensaio de tração para avaliação de suas propriedades. Os resultados do ensaio de tração mostram uma diminuição das propriedades mecânicas com a incorporação de fibras, indicando que o SF6 não é efetivo para mudar a interação entre as fibras de coco e a matriz.

Palavras-chave: Fibras de coco, Polipropileno, Compósitos, Tratamento a plasma,

Comportamento Mecânico.

viii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial

fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

POLYPROPYLENE COMPOSITES REINFORCED WITH COCONUT FIBERS

Laura Villela Pacheco

Agosto / 2015

Advisor: Renata Antoun Simão

Course: Materials Engineering

The use of natural fibers as reinforcement has been very prominent in recent decades due to several factors, such as low cost, abundance, biodegradability, low density among others. The fibers are able to increase the mechanical strength of the composite transferring load between fiber/matrix, being used as reinforcement in polymer matrix composites. On the other hand, the natural fibers have some disadvantages such as water absorption and poor adhesion with polymeric matrices. This work evaluates the surface modification of coconut fiber with the use of plasma for better interaction between the matrix and the fiber. The gas used was SF6 and 3 groups of samples were made: Pure PP; PP 18% untreated fiber and PP + 18% fiber treated. The composites were fabricated in a thermo-kinetic mixer. After plasma treatment, pictures were made using the MEV for evaluation of the surface modification and the surface fracture and tensile tests to evaluate their properties. The results of the tensile test show a reduction in mechanical properties with the incorporation of fibers, indicating that the choice of SF6 treatment wasn’t efficient for improving fiber-matrix adhesion.

Keywords: Coconut Fibers, Polypropylene, Composites, Plasma Treatment,

Mechanical Behavior.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................1

2 OBJETIVO ....................................................................................................3

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .........................................................................4

3.1 POLIPROPILENO .........................................................................4 3.2 FIBRAS NATURAIS ......................................................................5 3.3 FIBRA DE COCO ..........................................................................9 3.4 MATERIAIS COMPÓSITOS .........................................................9 3.5 PRODUÇÃO DOS MATERIAIS COMPÓSITOS .........................10 3.6 PLASMA ......................................................................................11 3.7 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO ..........................................13 3.7.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ...........13 3.7.2 ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO POR TRANSFORMADA DE FOURIER .....................................................................14 3.7.3 ENSAIO DE TRAÇÃO .......................................................14

4 MATERIAIS E MÉTODOS ..........................................................................16

4.1 MATERIAIS .................................................................................16 4.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL .............................................16 4.3 REATOR DE PLASMA ................................................................17 4.4 PREPARAÇÃO DAS FIBRAS .....................................................18 4.5 PRODUÇÃO DOS COMPÓSITOS...............................................21 4.5.1 TRATAMENTO A PLASMA...............................................21 4.5.2 PROCESSAMENTO DOS COMPÓSITOS........................22 4.6 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO ..........................................24

4.6.1 MEV...................................................................................24

4.6.2 FTIR ..................................................................................24

4.6.3 ENSAIO DE TRAÇÃO .......................................................24

5 RESULTADOS ............................................................................................26 5.1 ASPECTO SOBRE O TRATAMENTO DAS FIBRAS ..................26 5.2 MEV – FIBRAS NÃO TRATADAS ...............................................26 5.3 MEV – FIBRAS TRATADAS POR SF6 ........................................27 5.4 FTIR .............................................................................................31 5.5 ENSAIO DE TRAÇÃO .................................................................33 5.6 MEV DA SUPERFÍCIE DE FRATURA ........................................36 6 CONCLUSÃO .............................................................................................38

x

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..........................................39 8 REFERÊNCIAS ........................................................................................40

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1: Esquema de polimerização do PP. ............................................................. 4 Figura 3.2: Modelo estrutural das fibras vegetais. ......................................................... 5 Figura 3.3: Classificação das fibras vegetais.. .............................................................. 6 Figura 3.4: Camadas do coco. ...................................................................................... 8 Figura 3.5: Diferentes tipos de reforços.. .................................................................... 10 Figura 4.1: Metodologia de trabalho do projeto. .......................................................... 16 Figura 4.2: (a) Movimento de escorregamento (b) movimento de cascata. ................. 17 Figura 4.3: Porta amostras desenvolvido no laboratório. ............................................ 18 Figura 4.4: Reator em funcionamento (plasma de SF6)............................................... 21 Figura 4.5: Moinho de facas tipo Wyllie....................................................................... 19 Figura 4.6: Série de peneiras. ..................................................................................... 20 Figura 4.7: Fibras de coco selecionadas. .................................................................... 20 Figura 4.8: Reator em funcionamento. ........................................................................ 21 Figura 4.9: Câmara de mistura. ................................................................................ 233 Figura 4.10: Prensa hidráulica. ................................................................................... 23 Figura 4.11: Placa do compósito produzido. ............................................................... 25 Figura 4.12: Corte dos corpos de prova do material compósito. ................................. 25 Figura 5.1: (a) Fibras antes do tratamento, (b) Fibras após tratamento com plasma... 26 Figura 5.2: Micrografia de fibras não tratadas. ............................................................ 27 Figura 5.3: Micrografia de fibras não tratadas. ............................................................ 27 Figura 5.4: Fibra tratada com plasma de SF6.. ............................................................ 28 Figura 5.5: Fibra tratada. Superfície similar à fibra não tratada. .................................. 29 Figura 5.6: Tratamento com poucas fibras.. ................................................................ 30 Figura 5.7: Espectro de FTIR das fibras tratadas e não tratadas (banda 1900-1200). 32 Figura 5.8: Espectro de FTIR das fibras tratadas e não tratadas (banda 1000-600). .. 32 Figura 5.9: Ensaio dos corpos de prova de PP puro. .................................................. 33 Figura 5.10: Ensaio dos corpos de prova com fibras não tratadas. ............................. 34 Figura 5.11: Ensaio dos corpos de prova com fibras tratadas por plasma de SF6. ...... 34 Figura 5.12: Tensão Máxima média ............................................................................ 35 Figura 5.13: Módulo Elástico médio dos compósitos. .................................................. 35 Figura 5.14: MEV da superfície de fratura de compósitos de fibras não tratadas. ....... 36 Figura 5.15: MEV da superfície do compósito tratado com SF6. ................................. 37

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1: Composição química de algumas fibras naturais. ...................................... 7 Tabela 3.2: Resumo das vantagens e desvantagens do uso de fibras como reforço.....7 Tabela 3.3: Composição química da fibra de coco.........................................................9 Tabela 4.1: Variáveis utilizadas no projeto. ................................................................. 21 Tabela 4.2: Composição dos discos preparados. ........................................................ 23 Tabela 5.1: Tratamento FARIAS (2012). ..................................................................... 30 Tabela 5.2: Propriedades mecânicas dos compósitos. ............................................... 35

1

1. INTRODUÇÃO

A busca pelo desenvolvimento sustentável, onde se aliam o desenvolvimento

econômico e conservação do meio ambiente, fez com que vários setores,

procurassem alternativas para o crescimento, de forma que os métodos executivos e

os materiais danosos ao meio ambiente fossem aprimorados e substituídos por

aqueles com menor impacto ambiental e baixo consumo de energia (CARVALHO,

2010).

Fibras naturais como juta, algodão, sisal e coco podem ser utilizadas como

reforço para plásticos, especialmente para aplicações cujas condições de uso são

menos severas, para substituir parcialmente e até totalmente as fibras sintéticas, tais

como na indústria automotiva para revestimentos internos, de portas, painéis e teto.

Uma opção com baixo consumo de energia e baixo custo, que desperta o interesse de

vários pesquisadores (MOTHÉ E ARAÚJO, 2004).

Apesar do Brasil ser um dos países que possuem uma das maiores biomassas

vegetais do mundo e possuir a maior extensão territorial cultivável, seu potencial ainda

não é aproveitado de maneira eficiente. Ainda é comum a utilização da maior parte

das fibras vegetais no Brasil em aplicações convencionais, como na produção de fios

para cordoalhas, sacarias, artesanatos e tecidos.

Uma tendência do mercado atual, no entanto, é que esse uso de fibras

vegetais em reforço a materiais plásticos aumente significativamente, devido a fatores

como o alto preço das fibras sintéticas e a busca crescente por materiais de baixo

custo, provenientes de fontes renováveis de matérias-primas, que não causem danos

ao meio ambiente e possam competir com os materiais tradicionais. Por outro lado, as

fibras naturais também apresentam algumas desvantagens como a elevada absorção

de água e a fraca adesão às matrizes poliméricas (CARNEIRO, 2013).

As fibras naturais, quando incorporadas aos plásticos, podem ser processadas

por praticamente todos os métodos convencionais de processamento de plásticos

(extrusão, injeção, calandragem e prensagem) e possuem menor densidade que as

fibras inorgânicas, tais como as fibras de vidro.

A forma de incorporação dessas fibras vegetais aos plásticos também se dá de

maneira variada: fibras longas ou curtas, mantas, tecidos etc.

Visando melhorar a compatibilidade entre as matrizes poliméricas

(hidrofóbicas) e as fibras naturais (hidrofílicas) em compósitos, diversos tratamentos

químicos com grande potencial de geração de resíduos são utilizados, visando a

2

remoção componentes não celulósicos, tais como: lignina, resíduos e hemicelulose,

reduzindo a hidrofilicidade e melhorando a adesão através de rugosidade superficial.

Sendo assim, o tratamento a plasma vem ganhando bastante destaque como

técnica de modificação superficial devido a diversos fatores, tais como baixo consumo

de insumos, praticidade de controle das variáveis do processo (gás de trabalho,

pressão de trabalho, pressão de base, potência utilizada, quantidade de fibras) e baixa

emissão de poluentes. Devido a esses fatores, a tecnologia de plasma constitui uma

alternativa limpa para substituir os processos tradicionais de limpeza e modificação de

superfícies. Adicionalmente, pode ser utilizado como forma de aumentar a

molhabilidade de superfícies, deposição de recobrimentos finos, limpeza e ativação de

superfícies

3

2. OBJETIVOS

Esse trabalho tem como objetivo avaliar a eficiência do uso do tratamento

superficial por plasma de hexafluoreto de enxofre (SF6) na interação de fibras de coco

com matriz polimérica (polipropileno), mais especificamente na atuação deste plasma

na remoção ou modificação da lignina das fibras, e avaliar as propriedades mecânicas

(tensão máxima e módulo de Young) dos compósitos processados em misturador

termocinético.

4

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 POLIPROPILENO

Polipropileno é um polímero termoplástico da classe das poliolefinas,

essencialmente linear e altamente cristalino (ROSÁRIO et al., 2011). O PP é obtido

pela reação de polimerização, na qual monômeros de propileno reagem entre si,

combinando suas moléculas e formando moléculas maiores, caracterizadas pela

repetição de uma unidade básica, conforme ilustra a Figura 3.1. O propileno possui

fórmula C3H6 e é obtido principalmente através do craqueamento da nafta, um

derivado do petróleo (PETRY, 2011).

Figura 3.1: Esquema de polimerização do PP.

A alta taxa de aceitação e utilização no mercado se deve às seguintes

características: alta rigidez, baixo custo, alta resistência química e a solventes,

propriedades elétricas excelentes, boa estabilidade térmica, fácil moldagem, baixa

absorção de umidade, baixo peso específico (0,905g/cm³), boa claridade e boa

resistência às altas temperaturas (temperatura de fusão de 170 ˚C), propriedades

mecânicas adequadas (compete em várias aplicações com outros plásticos de

engenharia de maior custo quando reforçado), boa processabilidade para moldagem

por injeção, para produção de fibras e filmes orientados, além de ser reciclável.

As principais desvantagens do polipropileno são baixa resistência ao impacto

em baixas temperaturas, faixa reduzida da temperatura de fusão e baixa resistência à

oxidação. A primeira desvantagem pode ser minimizada através da mistura com PEAD

ou copolímeros contendo eteno. A segunda pode ser eliminada através da adição de

antioxidantes e, a terceira por novas tecnologias na modificação ou formulação do

próprio polímero.

5

Algumas aplicações do PP são: embalagens flexíveis, ráfia (sacos para grãos e

fertilizantes), fibras, cadeiras plásticas, brinquedos, copos plásticos, embalagens e

recipientes para alimentos, remédios e produtos químicos, corpo de eletrodomésticos

(ferro de passar, liquidificador, batedeira), tampas para bebidas (água, refrigerantes),

carpetes, seringas, material hospitalar esterilizável, autopeças (para-choques, pedais,

carcaças de baterias, interior de estofos, lanternas, ventoinhas, ventiladores, peças

diversas no habitáculo) entre outros.

O PP pode ser processado utilizando grande parte das técnicas de moldagem

existentes. A maioria dos produtos de PP é produzida por moldagem por injeção,

extrusão ou por sopro, a partir de compostos com ou sem reforços (MAHLMANN et al.,

2004).

3.2 FIBRAS NATURAIS

As fibras naturais podem ser classificadas de acordo com sua origem, podendo

ser animais, vegetais ou minerais.

Segundo FARIAS (2012), as fibras vegetais são constituídas por células

individuais compostas por microfibrilas dispostas em camadas com espessuras e

ângulos de orientação diferentes. Essas microfibrilas são ricas em celulose, polímero

vegetal de cadeias longas, envolvidas em uma matriz de hemicelulose e lignina,

componentes amorfos da fibra. As fibras naturais são constituídas por diversos

compostos químicos formados a base de hidrogênio (H), carbono (C), e oxigênio (O),

sendo os pricipais a celulose, a hemicelulose e a lignina (SILVEIRA, 2008). Pode ser

visto na figura abaixo 3.2.

Figura 3.2: Modelo estrutural das fibras vegetais (SANTOS, 2007).

6

Algumas fibras que se formam nos caules são utilizadas comercialmente, como

cânhamo, cordoalha, juta, aniagem, linho, rami. Outras fibras são obtidas das folhas,

como o sisal, e são mais duras por terem maior quantidade de lignina.

As fibras vegetais podem ser divididas em fibras de madeira e fibras não

madeira de acordo com (SILVA et al., 2009) e pode ser vista na figura 3.3 a seguir.

.

Figura 3.3: Classificação das fibras vegetais. Adaptado de CARNEIRO, 2013.

Segundo NAZRUL (2010) todas as fibras naturais são de natureza hidrofílica,

possuindo uma forte tendência à absorção de umidade, fazendo com que elas tenham

uma vida curta. Isso porque seus principais constituintes (celulose e hemicelulose)

possuem grupos hidroxila fortemente polarizados. Como consequência, essas fibras

são utilizadas de forma limitada em aplicações industriais (MACEDO et al, 2010).

Um ponto fraco relativo ao emprego de fibras naturais em compósitos é a

heterogeneidade à qual estão sujeitas sua composição química, sua estrutura e suas

propriedades (LEÃO, 2012). As condições climáticas, a idade e o processo de

degradação influenciam nestes fatores. Ainda, a presença de umidade pode influenciar

em alguns resultados encontrados de algumas propriedades. Na tabela 3.1 seguir, a

composição química de algumas fibras naturais é apresentada.

7

Tabela 3.1: Composição química de algumas fibras naturais (FARIAS, 2012).

O desempenho das fibras naturais como fase de reforço em compósitos

depende de fatores como composição química, dimensões da célula, ângulo

microfibrilar, defeitos, estrutura, propriedades físicas e mecânicas (FARUK et al.,

2012).

Algumas características que as tornam vantajosas para o uso como fase de

reforço em compósitos são: a baixa massa específica, maciez e menor abrasividade,

biodegradabilidade, reciclabilidade e baixo custo. As características que as tornam

desvantajosas são: a limitação das temperaturas de processamento, que devem ser

inferiores a 200 °C, baixa estabilidade dimensional, a variabilidade de seus atributos

mecânicos e de composição química, elevada sensibilidade a efeitos ambientais e

mudanças de temperatura de umidade (FARIAS, 2012).

Na tabela 3.2 a seguir, faz-se um resumo das vantagens e desvantagens da

utilização de fibras naturais como reforço.

Tabela 3.2: Vantagens e desvantagens do uso de fibras como reforço.

Vantagens Desvantagens

Baixa massa específica A temperatura de processamento não

pode exceder 200 ˚C

Maciez e abrasividade diminuída

Baixa estabilidade dimensional e

considerável variabilidade dos atributos

mecânicos

Recicláveis, não tóxicas e

biodegradáveis

Elevada sensibilidade a efeitos

ambientais e mudanças de temperatura e

umidade

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3.3 FIBRAS DE COCO

A fibra de coco é uma fibra lignocelulósica extraída do mesocarpo fibroso do

coco, fruto do coqueiro (cocos nucifera).

Os maiores produtores mundiais de coco são as Filipinas, Indonésia, Índia, Sri

Lanka, e Tailândia. Na América latina o México, o Brasil e a Venezuela lideram a

produção. O estado do Rio de Janeiro, no verão, produz cerca de 12000t/mês de

rejeito de coco, o que torna viável a sua utilização (ISHIZAKI e VISCONTE, 2006).

A figura 3.4 apresenta os principais constituintes do coco.

Figura 3.4: Camadas do coco: (a) Epicarpo, (b) Mesocarpo, (c) Pericarpo, (d) Tegumentos, (e) Endocarpo, (f) Albúmen (endosperma). Adaptado de LEÃO (2012).

De acordo com LEÃO (2012), os principais constituintes do coco são:

a) Epicarpo (epiderme lisa): parte mais externa do fruto; casca verde;

b) Mesocarpo: é a camada localizada entre o epicarpo e o endocarpo;

c) Pericarpo: é a parte do fruto que envolve a semente;

d) Tegumentos: é a parte que reveste e protege o vegetal. É a camada fina do coco de

cor marrom;

e) Endocarpo: é a parte comestível, a camada mais interna do pericarpo;

f) Albúmen (endosperma): é um tecido formado por elementos nutritivos da semente.

O albúmen pode ser sólido ou líquido.

9

Como citado anteriormente, a composição da fibra de coco pode variar muito

em função de oscilações de colheita, influência do solo etc. Sendo assim,

composições diferentes podem ser vistas na tabela 3.3 em função de diferentes

fontes.

Tabela 3.3: Composição química da fibra de coco (LEÃO, 2012).

A celulose é um polímero natural, constituído por unidades de D-glicose

(KUMAR et al., 2011; MONTE, 2009). É formada por longas cadeias lineares, com

elevado grau de polimerização, e está presente em todas as fibras naturais, na parede

celular do tecido vegetal. Sua fórmula molecular empírica é (C6H11O5)n.

A hemicelulose é uma classe de diversos polissacarídeos que em parte estão

ligados por ligações de hidrogênio à celulose.

A lignina é uma macromolécula tridimensional amorfa encontrada

nas plantas terrestres, associada à celulose na parede celular cuja função é de

conferir rigidez, impermeabilidade e resistência a ataques microbiológicos

e mecânicos aos tecidos vegetais.

Em compósitos de polímero e fibras celulósicas, a escolha da matriz polimérica

é limitada pela temperatura de processamento, devido ao fato das fibras

lignocelulósicas degradarem a elevadas temperaturas. Desse modo, a temperatura de

processamento de ser tal que permita a obtenção de uma mistura homogênea sem

que ocorra a degradação das fibras (ISHIZAKI e VISCONTE, 2006).

3.4 MATERIAIS COMPÓSITOS

Materiais compósitos são uma classe de materiais compostos por uma fase

contínua (matriz) e uma fase dispersa (reforço), cujas propriedades são uma

combinação das propriedades dos constituintes individuais.

10

Os constituintes do material compósito podem ser divididos em matriz ou

reforço. O material da matriz é o que confere estrutura ao material compósito (aglutina

e protege o reforço, transmite e distribui a tensão aplicada para o reforço) e os

materiais de reforço tem a função de suportar os carregamentos mecânicos

submetidos ao compósito, conferindo maior rigidez e resistência mecânica.

As propriedades dos compósitos lignocelulósicos dependem das propriedades

da fase matriz e da fase dispersa, da interface matriz/fibra e da geometria da fase

dispersa. A figura 3.5 a seguir, apresenta alguns dos diferentes tipos reforço com

fibras.

Figura 3.5: Diferentes tipos de reforços (Leão, 2012).

A presença de umidade no compósito pode distorcer as dimensões dos

produtos, levando à formação de microtrincas e consequente diminuição das

propriedades mecânicas do compósito. Esse fenômeno se torna particularmente

importante quando a adesão fibra/matriz é fraca e se existem microespaços que

podem se originar durante o processo de formulação devido ao envolvimento

incompleto das fibras pela matriz (MACEDO et al, 2010).

3.5 PRODUÇÃO DOS MATERIAIS COMPÓSITOS

Os materiais compósitos de matriz polimérica e fibras naturais podem ser

processados pelas mais diferentes técnicas existentes. A moldagem por compressão,

extrusão com rosca simples ou dupla, injeção, e a mistura em misturador termocinético

são algumas delas.

O presente trabalho fará uso do misturador termocinético seguido de

prensagem do material homogeneizado. A utilização do misturador pode resultar em

11

compósitos homogêneos, com boa distribuição do reforço na matriz, no caso de

reforço de fibras curtas aleatórias (LEÃO, 2012).

O misturador termocinético funde o material através do atrito gerado pela

rotação das palhetas dentro da câmara de mistura. Os fenômenos que ocorrem dentro

da câmara de mistura durante a rotação das palhetas são evidenciados pela elevação

da corrente necessária para manter a rotação das palhetas. Após a fusão do material

no interior da câmara, o material, anteriormente no formato de pellets de PP e fibras

de coco, transforma-se numa massa homogênea que dificulta a movimentação das

palhetas. Com isso, a marcação da corrente atinge um pico máximo, evidenciando a

fusão do material (FARIAS, 2012).

O objetivo da etapa de mistura no processamento dos compósitos é distribuir

as fibras de maneira homogênea, garantindo a completa dispersão das fibras dentro

da matriz (CIULIK, 2010). No nosso caso, além de garantir a completa dispersão das

fibras a rotação das palhetas ainda atuará fundindo o PP.

A moldagem por compressão é o método mais antigo de processamento de

materiais poliméricos. Consiste basicamente em colocar o material na cavidade de um

molde, em um formato pré-definido e após aplicação de calor e pressão o material

passa ter o formato do molde. Para materiais compósitos de matriz polimérica e fibras

como reforço, a técnica permite que as fibras se apresentem dispostas

preferencialmente na direção radial.

3.6 PLASMA

O plasma é um dos estados físicos da matéria, similar ao gás, no qual certa

porção das partículas é ionizada. A premissa básica é que o aquecimento de um gás

provoca a ionização de um gás, com a perda ou ganho de elétrons em uma proporção

que pode variar entre ~1% até quase 100% do gás, de acordo com a temperatura.

Pode haver também a quebra de ligações moleculares, gerando espécies que não

poderiam ser formadas por outros métodos. A formação desse meio que contém

elétrons livres, íons, átomos neutros, radicais livres entre outras espécies reativas

também pode ser induzida por um campo elétrico suficientemente elevado, geralmente

feito em baixas pressões (vácuo tipicamente entre 1 e 100Pa).

Os elétrons livres do plasma podem ser acelerados mediante aplicação de um

campo elétrico ou magnético, imposto ou induzido. A energia cinética que adquirem

mediante a aplicação deste campo é perdida em colisões com moléculas neutras do

gás causando a ionização destas e gerando novos elétrons livres, dando continuidade

ao processo. Este processo, chamado de ionização molecular faz com que novas

12

espécies químicas sejam geradas durante a formação do plasma, gerando uma nuvem

de espécies no estado ionizado. Essas espécies são aceleradas em função do campo

imposto ou induzido ao sistema (FARIAS, 2012).

Uma das principais vantagens é o baixo consumo de insumos, praticidade de

controle das variáveis do processo (gás de trabalho, pressão de trabalho, pressão de

base, potência utilizada, quantidade de fibras), baixa emissão de poluentes, além de

permitir o uso de gases inicialmente estáveis e até inertes, que se tornam reativos

apenas sob as condições presentes no plasma. (YUAN et al, 2004).

De acordo com SILVA (2013) para obtenção e manutenção do plasma de baixa

temperatura e baixa pressão, o tipo tipicamente usado para modificações superficiais

de materiais, são necessários:

a) Uma câmara de reação

b) Um sistema de vácuo, de forma a reduzir a pressão interna do reator, aumentando

o livre caminho médio dos elétrons e favorecendo o processo de ionização molecular;

c) Um gás de trabalho;

d) Uma fonte externa de energia ionizante para que átomos e moléculas, em estado

gasoso, alcancem o estado de plasma;

De acordo com LOPES et al. (1999) as possíveis modificações causadas por

plasmas podem ser agrupadas em três categorias:

I. Deposição química em fase vapor, a partir de plasmas contendo

moléculas reativas provenientes de compostos orgânicos puros ou

misturados a outros gases. A recombinação dessas moléculas nas

superfícies em contato com o plasma dá origem a um material sólido

depositado.

II. Grafitização, isto é, formação de enxertos (grafting) de grupos funcionais

e/ou formação de ligações cruzadas (reticulação) na superfície. Ocorre a

partir do uso de gases não polimerizáveis, ou seja, que não resultam na

deposição de filmes. Alguns exemplos são o O2, N2, NH3, CO2, SF6, Ar e

He.

III. Remoção de material, por ação de dois mecanismos diferentes: em um

deles, o etching, a remoção de material ocorre através de reações químicas

envolvendo espécies reativas geradas no plasma e espécies da superfície

13

do material e que resultam na formação de produtos voláteis; no outro, o

sputtering, a remoção se dá à partir da colisão de átomos energéticos do

plasma com os átomos da superfície do filme, com energia suficiente para

remover espécies do sólido. Elementos químicos não reativos contribuem

mais efetivamente para o sputtering devido à maior transferência de

momento e pelo fato de não se incorporarem quimicamente ao material da

superfície da amostra.

Os principais fatores que influenciam na modificação de superfície causada pelo

plasma de acordo com BASTOS (2010) são:

I. Parâmetros do processo: potência, pressão, tempo, gás, etc.

II. Condições do reator: tipo, geometria, posicionamento do substrato em relação

aos eletrodos, etc.

O tratamento a plasma neste trabalho tem por objetivo aumentar a compatibilidade

das fibras de coco com a matriz de polipropileno a partir da grafitização de flúor na

superfície, tornando-a hidrofóbica e quimicamente compatível com a matriz resultando

em melhores propriedades mecânicas dos compósitos contendo fibras tratadas.

3.7 MÉTODOS DE CARACTERIZAÇÃO

As fibras naturais modificadas podem ser avaliadas por diferentes técnicas.

Neste trabalho, foram utilizadas as seguintes técnicas:

3.7.1 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV):

Consiste na emissão de feixes de elétrons por um filamento capilar de

tungstênio, mediante a aplicação de uma diferença de potencial que pode variar de 0,5

a 30 KV. Ele é capaz de produzir imagens de alta resolução da superfície de uma

amostra, permitindo sua avaliação.

Amostras de metal não exigem nenhuma preparação especial, a não ser cortes

para caber na câmara de amostras e algum seccionamento se necessário e amostras

não condutoras devem ser metalizadas. Isto é feito para prevenir a acumulação de

cargas elétricas na amostra devido à incidência eletrônica do feixe primário. O material

14

mais utilizado para a metalização é o ouro. Outra razão para a metalização, mesmo

quando há condução mais do que suficiente, é para melhorar o contraste.

3.7.2 Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier

(FTIR):

Pode ser usada para identificar um composto ou investigar a composição de

uma amostra. Ela é baseada no fato de que as ligações químicas das substâncias

possuem frequências de vibração específicas e tais frequências dependem da energia

potencial da molécula, da geometria molecular e da massa dos átomos, sendo então

possível identifica a composição de determinadas amostras após a interação da

molécula com a radiação incidente infravermelha. Desta maneira, é possível construir

um espectro de infravermelho que relaciona a frequência de absorção das vibrações

de uma molécula (expressa em número de onda, cm-1) com suas respectivas

intensidades de absorção (CARNEIRO, 2013).

A espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) tem

sido bastante utilizada para verificar as variações da composição de lignina, celulose e

hemicelulose da fibra de coco (BRÍGIDA et al., 2010; JABASINGH, 2011; ISRAEL et

al., 2011).

3.7.3 Ensaio de tração:

É um tipo de ensaio destrutivo, no qual o corpo de prova é submetido a um

esforço que tende a alonga-lo até a ruptura. O ensaio é realizado num corpo de prova

de dimensões padronizadas, o que permite sua reprodutibilidade. Este é fixado numa

máquina que aplica esforços crescentes na sua direção axial, e suas deformações

correspondentes são medidas.

A resposta de deformação de um material para um dado regime de

carregamento é descrito por equações gerais. Para muitos materiais, a parte inicial da

curva de tração é linear, podendo ser descrita por uma equação simples, conhecida

como lei de Hooke, que relaciona linearmente a tensão e a deformação (BASTOS,

2012).

σ = E . ε lei de Hooke

15

Muitos polímeros podem exibir um comportamento não linear em sua curva de

tensão-deformação para altas tensões, o que usualmente é indicativo de

comportamento dúctil.

No ensaio, obtém-se o gráfico tensão-deformação, no qual é possível analisar

o comportamento do material ao longo do ensaio. Após o ensaio, pontos importantes

podem ser observados:

Região elástica: região na qual a deformação sofrida pode ser recuperada após

retirada dos esforços.

Limite de escoamento: ponto no qual o material deixa de sofrer deformações

elásticas (recuperável) e passa a sofrer deformações plásticas (irreversível).

Região plástica: região na qual a deformação sofrida pelo material é a deformação

permanente (deformação não recuperável após cessado os esforços externos).

De acordo com BASTOS (2012), para os materiais poliméricos, as

propriedades mecânicas estão diretamente ligadas à mobilidade das cadeias.

Polímeros apresentam uma resposta viscoelástica para deformação e

consequentemente as propriedades mecânicas gerais são dependentes da taxa e da

temperatura. Para que a lei de Hooke seja aplicável aos materiais poliméricos, é

necessário que a taxa de deformação aplicada seja mais rápida que a relaxação do

material, de modo que ocorra apenas uma pequena relaxação e a aplicação da lei de

Hooke seja uma aproximação razoável.

16

4 MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 MATERIAIS

As fibras de coco foram gentilmente cedidas pelo Philippe Jean Henri Mayer,

da empresa Coco Verde Reciclado.

O polipropileno virgem utilizado foi o PROLEN da empresa PoliBrasil Resinas

S.A.

4.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL

A seguir, é representada a metodologia utilizada no projeto de pesquisa (figura

4.1). Ele exibe as etapas realizadas durante o projeto que serão melhor descritas na

parte Preparação das Fibras.

Figura 4.1: Metodologia de trabalho do projeto.

17

4.3 REATOR DE PLASMA

As fibras de coco foram tratadas no reator de plasma desenvolvido no

Laboratório de Superfícies e Filmes Finos da UFRJ, que permite o tratamento de

amostras que possuam alguma simetria axial (FARIAS, 2012) como é o caso das

fibras naturais.

Anteriormente, o porta amostras utilizado era feito de vidro e em formato

cilíndrico, o que promovia um escorregamento das fibras dentro do mesmo, resultando

em um tratamento não homogêneo para as fibras. Na verdade, somente as fibras que

que estão em contato com a atmosfera da câmara que são expostas ao plasma.

Para o tratamento das fibras curtas utilizadas no projeto, desenvolveu-se um

porta amostras também de vidro, com reentrâncias (para permitir o movimento de

catarata ao invés do movimento de escorregamento das fibras, garantindo que toda a

superfície das fibras fossem expostas ao plasma igualmente). Na figura 4.2 (a) e (b)

abaixo, encontra-se exemplificado os dois tipos de movimentação da carga dentro do

porta amostras.

Figura 4.2: (a) movimento de escorregamento, (b) movimento de catarata.

O porta amostras permite tratar cerca de 7 g de fibras mas durante o

tratamento há perda de material devido à geometria do mesmo. Ao final do tratamento,

cerca de 4 g de fibras encontram-se dentro do porta amostras.

Esse porta amostras está conectado ao um eixo que por sua vez, está

conectado a um motor de passo, fazendo com que o porta amostras gire dentro do

cilindro de vidro. Assim, as fibras são continuamente movimentadas e expostas ao

plasma de uma maneira homogênea. A figura 4.3 a seguir mostra o porta amostras

desenvolvido no laboratório.

18

Figura 4.3: Porta amostras desenvolvido no laboratório. Detalhe para as reentrâncias na superfície do cilindro.

O reator de plasma indutivo está conectado a uma bomba de vácuo mecânica

capaz de gerar vácuo da ordem de 10-3 mbar. Estão acoplados ao sistema um medidor

de vácuo e um eixo interno onde se acopla o porta amostras. Um motor de passo é

utilizado para sua movimentação. A fonte de radiofrequência é utilizada para a

geração do plasma, e está conectada a um casador de impedâncias, que por sua vez

está conectada aos terminais da espira em torno do cilindro de vidro. Um esquema

pode ser observado na figura 4.4 a seguir (FARIAS, 2012).

Figura 4.4: Esquema do reator de plasma indutivo: (a) espira; (b) cilindro de vidro externo; (c) bomba de vácuo; (d) medidor de pressão; (e) motor de passo; (f) porta amostras; (g) fonte de radiofrequência; (h) casador de

impedância; (i) entrada de fluxo de gás.

4.4 PREPARAÇÃO DAS FIBRAS

Após o recebimento das fibras, as mesmas foram levadas à estufa a 100 ºC

por 12 horas para remoção da umidade, visando melhorar a etapa posterior de

moagem. A estufa utilizada foi a Estufa Microprocessada de Secagem da marca

19

Quimis Q-317M, pertencente ao Laboratório de Superfícies e Filmes Finos do

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica, UFRJ.

As fibras foram moídas em um moinho de facas tipo Willye modelo SL.31 da

marca SOLAB, pertencente ao Laboratório Professora Maria Inês Tavares,

pertencente ao Instituto de Macromoléculas Professora Heloísa Mano, IMA-UFRJ. O

equipamento pode ser visto na figura 4.5 abaixo.

Figura 4.5: Moinho de facas tipo Wyllie.

Após a etapa de moagem, as fibras foram colocadas em uma série de peneiras

com abertura de 250, 125, 75 µm, e colocadas em agitação durante 20 minutos por

duas vezes. O agitador pertence ao Laboratório de Análises Químicas e

Processamento Cerâmico do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

da Escola Politécnica, UFRJ. O Equipamento pode ser visto na figura 4.6 a seguir.

20

Figura 4.6: Série de peneiras.

O critério utilizado para escolha das fibras foi a quantidade na qual elas se

apresentavam nas peneiras após o ciclo de vibração. As fibras escolhidas para a

realização do tratamento a plasma foram as do intervalo 250 < d < 125 µm por se

apresentarem em maior quantidade ao final da etapa de peneiramento. Seu aspecto

pode ser visto na figura 4.7.

Figura 4.7: Fibras de coco selecionadas.

21

4.5 PRODUÇÃO DO COMPÓSITO

4.5.1 TRATAMENTO A PLASMA

O gás escolhido para o tratamento das fibras foi o SF6 pois ele se mostrou

eficiente, de acordo com VIANA (2014) com o aumento do módulo elástico em fibras

de madeira.

Para o presente trabalho, as condições de tratamento foram: pressão de base

do sistema 5,0 x 10-2 mbar , pressão de trabalho utilizada foi de 1,0 x 10-1 mbar. O

tempo de tratamento das fibras foi de 1h, pois na verdade as fibras são expostas a

apenas 10% do tempo (VIANA, 2014) totalizando 6 min de tratamento com o gás SF6.

A potência utilizada foi de 80 W e a porcentagem de fibra escolhida foi de 18% de

acordo com OLARU et al (2005).

Antes do tratamento, as fibras eram deixadas em estufa para remoção da

umidade, visando facilitar a geração de vácuo na câmara de tratamento.

A tabela 4.1 a seguir mostra todas as variáveis utilizadas no projeto. A figura

4.8 mostra o reator em funcionamento (plasma de SF6).

Tabela 4.1: Variáveis utilizadas no projeto.

Tratamento Tempo (min)

Potência (W)

% Fibras Pressão de base (mbar)

Pressão de

trabalho (mbar)

SF6 60 80 18 5,0 x 10-2 1,0 x 10-1

Figura 4.8: Reator em funcionamento (plasma de SF6).

22

4.5.2 PROCESSAMENTO DOS COMPÓSITOS

Foram realizados 3 grupos de amostras: PP puro, PP + 18% de fibras tratadas

com SF6 e PP + 18% de fibras não tratadas.

Os compósitos de polipropileno reforçados com fibras de coco foram

produzidos por meio da homogeneização em misturador termocinético e posterior

moldagem por compressão em prensa hidráulica durante 2 min com temperatura de

190 °C com auxílio de um espaçador de 2,0 mm para normalização da espessura dos

discos formados.

Foram processados compósitos com massa igual a 77 g, sendo 63,14 g de

polipropileno e 18% de fibras (13,86 g). As fibras foram separadas e misturadas com o

polipropileno em suas respectivas frações e em seguida, foram levadas ao misturador

termocinético para obtenção de uma massa homogênea. Após a obtenção da massa,

a mesma é levada à prensa hidráulica para confecção das chapas que em seguida é

cortada para obtenção dos corpos de prova.

O equipamento utilizado é composto por uma prensa hidráulica aquecida por

um sistema elétrico e 2 placas paralelas onde é colocado o molde. No presente

trabalho, o molde de cobre foi usinado na Oficina Mecânica da COPPE/UFRJ e este é

formado por 2 placas paralelas e um espaçador de 2 mm.

Inicialmente, moldaram-se chapas de polipropileno puro e polipropileno com

18% de fibras não tratadas, buscando o ajuste das condições de processo. As

temperaturas utilizadas foram de 60 ˚C, 150 ˚C e 190 ˚C, a carga variou de 1 a 8 ton e

a massa total dos compósitos variou de 50 g, 60 g, 70 g, 80 g. Considerando a

superfície das chapas produzidas, pôde-se perceber que com 60 ˚C, 150 ˚C o material

compósito demorava muito a ser moldado e após a etapa, apresentava estrias na

superfície decorrentes ou da falta de material ou da perda de material devido a

excesso do mesmo. A partir daí, concluiu-se que a massa total do compósito deveria

ser de 77 g, visando a menor perda de material, a temperatura que permitia uma boa

homogeneização da massa era de 190 ˚C e a degasagem deveria ser feita em etapas,

aplicando e retirando a carga, variando de 1 ton a 5 ton em passo de 1 ton.

Para fabricação das chapas, é necessário um pré-aquecimento das chapas e

do espaçador durante a homogeneização da temperatura da prensa (cerca de 15 min).

As chapas são moldadas por compressão a 190 ºC, e é necessário uma etapa de

degasagem para eliminação de bolhas. A carga é elevada a 1 ton em seguida é

retirada a carga e novamente a carga é elevada a 2 ton. Repete-se em passos de 1

23

ton até atingir 5 ton e deixa-se por 2 min para completa homogeneização do disco. Em

seguida, a chapa é retirada da parte quente e colocada na parte fria para resfriamento

por cerca de 2 min.

O número dos corpos de prova preparados a partir de cada chapa variou de 10

a 12 amostras. Ambos os equipamentos são da marca M.H. Equipamentos Ltda, e

pertencem ao Laboratório de Superfícies e Filmes Finos do Departamento de

Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica, UFRJ.

A seguir, pode ser visto o interior da câmara da misturadora na figura 4.9 e a

prensa hidráulica utilizada para confecção das chapas na figura 4.10.

Figura 4.9: Câmara de mistura.

Figura 4.10: Prensa hidráulica.

A tabela 4.2 mostra a composição dos diferentes discos preparados. Tabela 4.2: Compósitos processados no misturador termocinético - composição dos discos.

Disco Polipropileno (g) Fibra tratada

SF6 (g) Fibra não tratada (g)

Total (g)

1 77g - - 77g

2 63,14g 13,86g - 77g

3 63,14g - 13,86g 77g

24

4.6 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO

4.6.1 MEV

O microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM 6460LV do Laboratório

Multiusuário de Microscopia Eletrônica e Microanálise do Programa de Engenharia

Metalúrgica e de Materiais (PEMM/COPPE) foi utilizado para avaliar a eficiência do

tratamento superficial das fibras de coco e o seu efeito sobre a interface fibra/matriz. A

análise de superfícies fraturadas dos corpos de prova após o ensaio de tração também

foi realizada para análise da adesão entre fibra e matriz e distribuição do reforço na

matriz.

As fibras de coco foram fixadas em porta amostras com o uso de uma fita de

carbono e depois foram metalizadas com ouro para permitir a visualização por

microscopia eletrônica de varredura. As imagens foram feitas com elétrons

secundários acelerados em 15 e 20 kV.

4.6.2 FTIR

Neste trabalho, a técnica FTIR foi realizada diretamente na superfície das fibras

de coco através do acessório de refletância total atenuada com cristal de ZnSe (ATR)

acoplado ao espectrofotômetro de absorção vibracional da marca Nicolet 6700 da

Thermo Scientific, pertencente ao Laboratório de Superfícies e Filmes Finos. O

tratamento de dados dos espectros foi realizado através do software OMNIC (2010).

4.6.3 ENSAIO DE TRAÇÃO

O corte dos corpos de prova foi feito individualmente através de um gabarito

(Norma ISO 037) e acompanhou a direção radial das fibras para garantir que elas

estivessem orientadas na direção do carregamento. Para cada grupo de amostras,

foram utilizados 5 corpos de prova.

A figura 4.11 mostra a placa obtida para o material compósito e a figura 4.12

seus respectivos corpos de prova recortados.

25

Figura 4.11: Placa do compósito produzido.

Figura 4.12: Corte dos corpos de prova do material

compósito.

Nesse trabalho foram avaliadas a variação das propriedades mecânicas

(módulo de Young e tensão máxima). Os ensaios de tração foram feitos em uma

máquina universal de ensaios Instron 5567 no Laboratório de Polímeros do

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, UFRJ. A célula de carga

utilizada foi de 10 KN e a taxa de deformação foi de 5 mm/min. A partir dos dados

obtidos deste ensaio, foram analisados o módulo de Young e a tensão máxima.

26

5 RESULTADOS

5.1 ASPECTOS SOBRE O TRATAMENTO DAS FIBRAS

Após tratamento com plasma, pode-se ver uma mudança na cor das fibras,

sendo elas mais escuras após o tratamento. Essa mudança de coloração pode ser

vista na figura 5.1 (a) e (b) a seguir.

Figura 7.1: (a) Fibras antes do tratamento, (b) Fibras após tratamento com plasma.

De acordo com FARIAS (2012), após tratamento a plasma de oxigênio ocorre o

clareamento das fibras de coco. No entanto, observou-se que as fibras tratadas a

plasma de SF6 apresentaram uma coloração mais escura.

Durante o tratamento, percebeu-se que certa porção das fibras escapava pela

lateral do porta amostras, em função da geometria deste e do movimento que ele

realizava. Essas fibras ficam dispostas no fundo do reator, sendo tratadas de maneira

desigual (somente as fibras de cima são expostas ao plasma, as do interior não), e

não foram utilizadas no trabalho. Essas fibras que saem diminuem a quantidade de

fibras tratadas por vez. Em cada batelada, aproximadamente 4 g de fibras são tratadas

por vez.

5.2 CARACTERIZAÇÃO POR MEV – fibras não tratadas

As micrografias permitem analisar qualitativamente a superfície das fibras

antes e depois do tratamento por plasma. A figura 5.2 apresenta a superfície das fibras

não tratadas, com destaque para heterogeneidade do tamanho das fibras.

(a) (b)

27

Figura 5.2: Micrografia de fibras não tratadas. Destaque para a heterogeneidade de tamanhos.

A figura 5.3 mostra superfície da fibra de coco não tratada contendo orifícios

abertos e orifícios recobertos com partículas silicificadas como também observado por

FARIAS, 2012; DAMACENO, 2012; GEETHAMA et al., 1998. É possível ver que a

superfície da fibra possui uma certa rugosidade.

Figura 5.3: micrografia de fibras não tratadas. Destaque para orifícios e orifícios recobertos por partículas

silicificadas.

28

5.3 CARACTERIZAÇÃO POR MEV – fibras tratadas por

plasma de SF6

As imagens de MEV para as fibras tratadas revelam que o tratamento das

fibras não foi homogêneo na modificação da superfície. Houve modificação superficial

em algumas fibras, com a criação de rugosidade, formação de cavidades, mas esse

tratamento se deu de maneira heterogênea. Pode-se perceber uma certa rugosidade

na superfície das fibras decorrente do tratamento a plasma, o que está demonstrado

na figura 5.4 a seguir.

A figura 5.5 mostra a superfície de uma fibra tratada porém como o tratamento

não se deu de forma homogênea, a superfície está similar à superfície da fibra não

tratada, com orifícios vazios e orifícios recobertos com partículas silicificadas, além de

resíduos.

Figura 5.4: Fibra tratada com plasma de SF6. Detalhe para a rugosidade da superfície.

29

Figura 7.5: Fibra tratada. Superfície similar à fibra não tratada.

Objetivando-se compreender a heterogeneidade das modificações superficiais,

hipóteses foram levantadas no que diz respeito à quantidade de fibras no reator. O

porta amostras foi carregado com aproximadamente 7 g de fibras e durante o

tratamento uma quantidade considerável escapava, restando ao final do tratamento

cerca de 4 g, logo, para obtenção de 18% de fibras (13,86 g) foi necessário realizar

para a mesma condição 4 tratamentos.

De acordo com FARIAS (2012) o fato de ser utilizada considerável quantidade

de fibras dentro do porta amostras sugeriu, então, as seguintes hipóteses:

Baixo tempo de exposição individual: o grande volume de fibras dentro do

porta-amostras faz com que haja pouco tempo de exposição da totalidade

da área superficial de uma fibra individual em meio à todas as outras

(mesmo com o movimento de catarata), o que resulta em pouca

modificação superficial na maior parte das fibras;

Redução do livre caminho médio: O volume ocupado pela quantidade de

fibras dentro do porta-amostras pode ter diminuído o livre caminho médio

dos elétrons dentro do reator (especialmente dentro do porta amostras),

30

reduzindo assim a energia cinética adquirida por estes, consequentemente

reduzindo a intensidade da fragmentação molecular no interior do reator. O

resultado seria uma menor ionização do gás e, consequentemente, uma

menor capacidade do plasma em modificar as superfícies das fibras.

Essas hipóteses sugeriram então que tratamentos por plasma seriam mais

efetivos utilizando-se uma quantidade bastante reduzida de fibras. Essa hipótese foi

comprovada por FARIAS (2012) após tratamento de fibras de coco no mesmo reator

porém com porta amostras cilíndrico de paredes lisas. Os parâmetros de tratamento

podem ser vistos na tabela 5.1 abaixo.

Tabela 5.1: Tratamentos realizados por FARIAS (2012), para investigação da influência da

quantidade de fibras na eficiência da modificação superficial por tratamento a plasma.

Tratamento Tempo (min) Potência (W) Quantidade de

fibras (g)

Ar atmosférico 60 50 *

Oxigênio 60 50 *

Ar atmosférico 60 80 0,061

oxigênio 60 80 0,047

De acordo com FARIAS (2012), as micrografias por MEV comprovaram o fato

de que a quantidade de fibras no porta amostras influencia na eficiência da

modificação superficial por tratamento a plasma. Uma micrografia desse tratamento

com poucas fibras no porta amostras pode ser visto na figura 5.6.

Figura 5.6: Tratamento com poucas fibras. O tratamento realizado foi com o gás O2, 60 min e 80 W de potência. Retirado de FARIAS, 2012.

31

Na verdade, o efeito do gás de trabalho utilizado não pode ser comparado pois

cada gás atua de uma forma diferente no substrato. O oxigênio ataca de maneira mais

agressiva a superfície da fibra, na medida em que ele modifica a superfície através de

colisões elásticas com os átomos da superfície, removendo-os e aumentando a

adesão fibra/matriz, enquanto que o SF6 atua de 2 maneiras: (1) aumento da

rugosidade em escala nanométrica, criando pontos de ancoragem mecânica, e (2)

adição de grupos de flúor na superfície da fibra. Na verdade, a comparação está

sendo feita levando-se em consideração somente a quantidade de fibras no porta

amostras e a homogeneidade da superfície das fibras após tratamento.

Apesar de ter se mostrado eficiente o tratamento de poucas fibras no porta

amostras, não é nada prático fazer tratamentos com menos de 0,05 g por vez, já que

para a produção de um compósito (por exemplo o compósito de fibras do presente

trabalho). Seria necessário realizar vários tratamentos a fim de se obter 13,86 g de

fibras tratadas, o que torna o processo inviável.

7.4 CARACTERIZAÇÃO POR FTIR

As fibras tratadas e não tratadas foram caracterizadas por espectroscopia de

infravermelho por transformada de Fourier.

Espectros foram colhidos para as fibras tratadas por plasma de SF6 (80 W e 60

min) e para as fibras não tratadas, e podem ser visualizados nas figuras 5.7 e 5.8.

A partir do espectro de FTIR observamos que a banda 1730cm-1 que é

referente aos grupamentos C=O referente a parte amorfa da fibra (estiramento da

hemicelulose e lignina) não se alterou após tratamento por plasma. A banda de

absorção em 1602 cm-1 característico do anel aromático, aumentou de intensidade.

Comparando a banda 1240 cm-1, que corresponde ao estiramento C-O da

hemicelulose e lignina, esta banda também quase não foi afetada pelo tratamento por

plasma. A lignina é caracterizada pela banda 1508 cm-1, C=O associado à anéis

aromáticos, aumentou após tratamento por plasma.

A celulose pode ser caracterizada pelo pico em 898 cm-1, relacionada a

celulose amorfa e 1317 cm-1 relacionada a celulose cristalina. O pico em 898 cm-1

aumenta de intensidade após tratamento por plasma.

32

Figura 7.7:Espectro de FTIR das fibras tratadas e não tratadas (banda 1900-1200).

Figura 7.8: :Espectro de FTIR das fibras tratadas e não tratadas (banda 1000-600).

Na verdade, o espectro de FTIR não sofreu alterações significativas, isso

porque a técnica não tem sensibilidade para encontrar o pico relativo à incorporação

de flúor na superfície (em torno de 1400 cm-1). Devido à forma que o SF6 modifica a

33

superfície, através de substituição da espécie flúor ou por um hidrogênio ou uma

hidroxila da superfície, essa incorporação se dá em escala nanométrica. Segundo

SIOW et al 2006, a técnica só é sensível até a escala micrométrica. As alterações

observadas nos gráficos podem ser devidas a ruídos no momento de obtenção do

espectro.

5.5 ENSAIO DE TRAÇÃO

O ensaio foi realizado para 5 corpos de prova de cada grupo de amostras.

Estes grupos foram:

I. PP puro

II. PP + fibras não tratadas

III. PP + fibras tratadas por SF6

Pôde-se ver o empescoçamento em todos os corpos de prova. Nem todos os

corpos de prova foram levados até a fratura. A seguir nas imagens 5.9 – 5.11 podem

ser vistos as curvas de tensão-deformação dos corpos de prova ensaiados.

Figura 5.9: Ensaio dos corpos de prova de PP puro.

34

Figura 5.10: Ensaio dos corpos de prova com fibras não tratadas.

Figura 5.11: Ensaio dos corpos de prova com fibras tratadas por plasma de SF6.

Para uma melhor visualização, os valores de Tensão Máxima (Mpa) e Módulo

de Young (MPa) dos 3 grupos de amostras estão disponibilizados na tabela 5.2. Seus

valores também podem ser vistos nas imagens 5.12 e 5.13 respectivamente.

35

Tabela 5.2: Propriedade mecânicas dos compósitos.

PP PURO PP PURO FIBRAS NÃO

TRATADAS

FIBRAS NÃO

TRATADAS

FIBRAS

TRATADAS

COM SF6

FIBRAS

TRATADAS

COM SF6

TENSÃO

MÁXIMA

(MPa)

MÓDULO DE

YOUNG

(MPa)

TENSÃO

MÁXIMA

(MPa)

MÓDULO DE

YOUNG (MPa)

TENSÃO

MÁXIMA (MPa)

MÓDULO DE

YOUNG (MPa)

CP1 22,63 1022,50 17,64 1073,40 16,82 1058,90

CP2 20,29 1418,60 15,84 756,60 15,95 829,95

CP3 20,96 911,69 16,61 939,60 16,49 806,60

CP4 20,71 969,65 16,26 1070,30 16,62 787,19

CP5 21,16 1015,80 17,36 1147,90 17,52 1002,50

VALOR MÉDIO

20,96 + 0,89 1015,80 +

201,13 16,61 + 0,75

1070,30 + 154,16

16,62 + 0,57 829,95 + 124,57

Figura 5.12: Tensão Máxima média

Figura 4.13: Módulo Elástico médio dos compósitos.

36

A partir das figuras 5.12e 5.13, pode-se concluir que:

Os maiores valores de módulo de Young registrados são referentes aos

compósitos de fibras não tratadas, o que sugere que o tratamento com SF6

não é eficiente.

Tanto o módulo médio quanto a tensão máxima média dos compósitos com

fibras tratadas e não tratadas são estatisticamente iguais ou não apresentam

diferença significativa. Não houve melhora das propriedades com a adição de

fibras;

Houve queda das propriedades mecânicas com a adição de fibras;

5.6 MEV DAS SUPERFÍCIES DE FRATURA

Após ensaio de tração, as superfícies de fratura dos compósitos com fibras

tratadas com SF6 e fibras não tratadas foram observadas no MEV. As imagens podem

ser vistas a seguir, nas figuras 5.14 e 5.15.

É possível identificar regiões onde houve uma boa interface entre a fibra e a

matriz de PP, tanto no compósito de fibras tratadas quanto no compósito de fibras não

tratadas. É possível perceber também que a distribuição da fase de reforço no

compósito se deu de maneira homogênea, conforme descrito por CIULIK (2010).

Figura 5.14: MEV da superfície de fratura de compósitos de fibras não tratadas. Destaque para a distribuição homogêneas da fase de reforço no compósito.

37

Figura 5.15: MEV da superfície do compósito tratado com SF6. Destaque para a distribuição homogênea da

fase de reforço no compósito.

Avaliando a imagem de fratura do compósito de fibras tratadas, pode-se

perceber a presença de buracos, devido ao puxamento das fibras e também o

estiramento do polipropileno, o que sugere que houve uma melhor adesão entre a fibra

e a matriz.

38

6 CONCLUSÃO

O tratamento a plasma não se mostrou eficiente na remoção da maior parte

dos materiais não celulósicos das fibras de coco. Segundo VIANA (2014), isso ocorreu

porque o tratamento a plasma de SF6 atua de 2 maneiras: (1) aumento da rugosidade

em escala nanométrica, aumentando a rugosidade superficial, criando pontos de

ancoragem mecânica, e (2) adição de grupos de flúor na superfície da fibra. Ambos

mecanismos estão descritos na literatura, sendo a adição de grupos de flúor

fundamental para o aumento da caraterística hidrofóbica, aumentando a molhabilidade

na também hidrofóbica matriz de polipropileno, resultando em maiores forças de

adesão entre os materiais do compósito, em uma mistura mais homogênea, ou seja,

com menos defeitos.

Nas imagens do MEV, não foi possível verificar a mudança na rugosidade

superficial, visto que as fibras naturais já possuem uma certa rugosidade superficial,

não podendo ser relacionada ao tratamento a plasma. Faz-se necessário uma

avaliação morfológica.

No FTIR não foi possível verificar a presença do pico relacionado à introdução

de flúor, que fica em torno de 1400 cm-1, devido à sensibilidade da técnica.

A fase de reforço foi distribuída de maneira homogênea no compósito conforme

descrito na literatura.

Estatisticamente, os compósitos não apresentaram mudança significativa das

propriedades. Esse resultado pode ser devido à grande quantidade de fibras

colocadas no porta amostras, não permitindo um tempo de exposição ao gás igual

para todas as fibras. Pode ser devido à redução do livre caminho médio, produzindo

um plasma mais fraco, não sendo eficaz para modificar a superfície. Pode ser também

devido à etapa de processamento no misturador termocinético, como a fusão do

material se dá por atrito, é possível que dentro da câmara, antes de ocorrer a fusão do

material, o polipropileno e as fibras de coco sejam trituradas, criando novas superfícies

nas fibras, estas, não tratadas - o que diminuiria a eficiência do tratamento. No

misturador não é possível controlar a temperatura de mistura.

Como não há maneira de controlar a temperatura da câmara de mistura, é

possível que tenha ocorrido a degradação parcial ou total das fibras naturais. Devido a

isso, o papel de reforço desempenhado pelas fibras não foi alcançado. É preciso

mudar o processamento dos compósitos, a fim de evitar a degradação das fibras.

39

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Diminuir a quantidade de fibras no porta amostras, visando garantir uma

homogeneidade do tratamento.

Avaliar o efeito do tratamento das fibras de coco por outro gás que atue de

maneira semelhante ao SF6, o gás metano por exemplo.

Criação de um porta amostras para cada tipo de gás utilizado no tratamento

devido à contaminação cruzada entre os tratamentos com diferentes gases.

Realizar o mesmo trabalho com outro tipo de processamento do material

compósito e comparar os resultados.

Utilizar outras técnicas de caracterização para avaliação das fibras após

tratamento, XPS por exemplo.

40

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