EFEITO DO TRATAMENTO QUÍMICO E DA ADIÇÃO DE NANO … · quando comparados aos unidirecionais. A adição de nanopartículas de sílica reduziu os valores de densidade e absorção

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)

UNIVESIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ)

EFEITO DO TRATAMENTO QUÍMICO E DA ADIÇÃO DE

NANO SÍLICA EM COMPÓSITOS HÍBRIDOS DE SISAL.

Luciano Machado Gomes Vieira

São João del-Rei, 05 de agosto de 2013.

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ)

EFEITO DO TRATAMENTO QUÍMICO E DA ADIÇÃO DE

NANO SÍLICA EM COMPÓSITOS HÍBRIDOS DE SISAL.

Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado

em Materiais e Processos de Fabricação da

Universidade Federal de São João del-Rei, como

requisito para obtenção do título de Mestre em

Engenharia Mecânica.

Área de concentração: Materiais e processos de

fabricação.

Orientador: Prof. Dr. Túlio Hallak Panzera

São João del-Rei, 05 de agosto de 2013.

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA

Título em Inglês: Effect of chemical treatment and addition of nano silica in hybrid composite of sisal.

Palavras-chave em Inglês: Hybrid composite laminates, sisal fibre, chemical treatment, nano silica, dispersion.

Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação

Titulação: Mestre

Banca examinadora: Prof. Dr. Túlio Hallak Panzera, Prof. Dr. Carlos Alberto Cimini Junior, Prof. Dr. Fabiano

Bianchini Batista.

Data da defesa: 13 de setembro de 2013

Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica (PPMEC)

Vieira, Luciano Machado Gomes

V658e Efeito do tratamento químico e da adição de nano sílica em compósitos híbridos de sisal

[manuscrito] / Luciano Machado Gomes Vieira . – 2013.

83f. ; il.

Orientador: Tulio Hallak Panzera.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia

Mecânica.

Referências: f. 84-97.

1. Engenharia de materiais – Teses 2. Engenharia mecânica – Teses 3. Compósitos laminados

híbridos - Teses 4. Fibra de sisal – Teses 5. Tratamento químico – Teses 6. Nano partículas de sílica –

Teses 7. Dispersão – Teses I. Panzera, Tulio Hallak (orientador) II. Universidade Federal de São João

del-Rei. Departamento de Engenharia Mecânica III. Título

CDU: 620.1

i

“A mecânica é o paraíso da ciência matemática

porque é onde colhemos os frutos da

matemática”.

Leonardo da Vinci

http://pensador.uol.com.br/autor/dalai_lama/

ii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus sobre todas as coisas. A toda a minha família e em especial

minha querida tia Dalvina, que me auxiliou nos trabalhos manuais de tecelagem da fibra,

minha neguinha Mayra, que me apoiou e incentivou durante todo tempo, a minha mãe

Suzana, a meu pai Dalmo, minha irmã Fernanda e ao meu sobrinho Raphael, que me deram

força e carinho quando eu mais precisava. As minhas tias Darli e Doraci com quem sempre

podia contar nos momentos mais difíceis. A minha tia Rosa e prima Juliana pelo carinho,

compreensão e suporte familiar.

Um agradecimento mais que especial a minha sogra Manuelita que me incentivou e

me indicou o caminho para este mestrado.

Ao meu orientador professor Dr. Túlio Hallak Panzera pela amizade, dedicação, apoio

e sabedoria, brilhantemente, compartilhada. Ao professor Dr. André Luis Christóforo pelo

apoio inicial do trabalho e constante acompanhamento nas pesquisas. Ao professor Dr. Valdir

Mano pela contribuição imprescindível para o desenvolvimento do trabalho. A professora Dr.

Vania Regina Velloso Silva pela oportunidade e confiança. Ao professor Dr. Marco Antônio

Schiavon pela colaboração. A todos os professores do programa pelos ensinamentos e

amizade.

Aos professores convidados para banca Dr. Carlos Alberto Cimini Junior e Dr.

Fabiano Bianchini Batista pela disponibilidade e atenção.

E por último mais não menos importantes aos queridos amigos do mestrado Júlio

Cesar dos Santos, Rubens Torres, Zélia Missagia, Samuel Sander, Jesrael, Leandro Silva,

Anine Detomi, Reniene Santos, Carolina Martuscelli, Lenir Junior, Kaio Vieira e todos os

demais. E também aos alunos da graduação Selen Sousa e Sergio Moni Ribeiro.

iii

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos pilares da minha vida, minha mãe Suzana, minha segunda

mãe e tia Dalvina, meu Pai Dalmo, minhas tias Doraci, Darli, Alcilene, Rosa, minha irmã

Fernanda, meu tio Pedro e a meu falecido tio Sebastião (Jacó).

E em especial a minha segunda metade, minha amada Mayra Zanetti.

iv

RESUMO

Os materiais compósitos são projetados para suportar cargas axiais, transversais, de

cisalhamento e combinadas. A utilização de fibras naturais, tais como coco, banana, sisal,

bambu e outros, tem sido o foco de pesquisas nacionais e internacionais. Os biocompósitos

apresentam baixa densidade, alta resistência específica e custo atraente, além do fato de as

fibras serem renováveis e biodegradáveis. As propriedades físico-mecânicas de compósitos

laminados são afetadas principalmente pela fração volumétrica e orientação das fibras, e

condição de interface fibra-matriz. Os tratamentos químicos tais como mercerização e

acetilação, têm sido investigados para melhorar a adesão entre as fibras naturais e a fase

matriz. As nano partículas de sílica têm sido utilizadas para aprimorar as propriedades de

compósitos laminados; entretanto, é necessário evitar sua aglomeração com procedimentos de

dispersão. Este trabalho investiga os efeitos do tratamento químico e da adição de nano sílica

na resistência à flexão e ao impacto de compósitos híbridos de sisal em matriz epóxi contendo

cinco camadas unidirecionais [0°/0°/0°/0°/0°] e bidirecionais [0°/90°/0°/90°/0°]. Os

resultados mostraram que o tratamento químico melhorou a adesão interfacial. Os compósitos

fabricados com orientação bidirecional mostraram uma resistência à flexão e impacto inferior

quando comparados aos unidirecionais. A adição de nanopartículas de sílica reduziu os

valores de densidade e absorção de água e aumentou o módulo e resistência dos compósitos.

PALAVRAS-CHAVE: Compósitos laminados híbridos, fibra de sisal, tratamento químico,

nano partículas de sílica, dispersão.

v

ABSTRACT

Composite materials are designed to withstand axial, transverse, shearing and combined

loadings. The use of natural fibers such as coconut, banana, sisal, bamboo and others, has

been the focus of much research performed around the world. Biocomposites provide low

density, high specific strength and attractive cost, besides the fact that the fibers are renewable

and biodegradable. The physical and mechanical properties of such composites are mainly

affected by the volume fraction and orientation of fibers and the fiber-matrix interface

condition. Chemical treatments, such as mercerization and acetylation, have been investigated

to improve the adhesion between the natural fiber and the matrix phase. The silica

nanoparticles have been used to enhance the properties of laminated composites; however, a

homogeneous dispersion must be achieved in order to avoid an opposite effect. This work

investigates the effect of the chemical treatment and silica nanoparticle additions on the

flexural strength and impact resistance of hybrid composites made of five unidirectional

layers [0°/0°/0°/0°/0°] and bidirectional layers [0°/90°/0°/90°/0°]. The results revealed that

the chemical treatment was able to improve the interface adhesion. The composites made with

bidirectional orientation exhibited lower flexural strength and impact resistance compared to

unidirectional sisal composites. The addition of silica nanoparticles reduced not only the bulk

density and the water absorption, but also increased the modulus and strength of the

composites.

KEYWORDS: Hybrid composite laminates, sisal fiber, chemical treatment, nano silica,

dispersion.

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Cadeias de matrizes termoplásticas e termorrígidas (adaptado Banco de dados da

BPMCC – DEM/UFRN, 2008) .................................................................................................. 5

Figura 2 - Estruturas químicas de epóxis mais utilizados e endurecedores (adaptada

HODGKIN J.H. SIMON G.P. E VARLEY R.J., 1998). ............................................................ 7

Figura 3 - Tipos de lâminas: (a) lâminas com fibras unidirecionais, (b) lâminas com fibras

tecidas e (c) laminado composto por várias lâminas orientadas em diferentes direções

(MENDONÇA, 2005). ............................................................................................................... 8

Figura 4 - Estrutura do compósito laminado (adaptado DANIEL, I.M; ISHAI 2006)............... 9

Figura 5 - Ilustração de compósito particulado. ......................................................................... 9

Figura 6 - Estrutura do compósito sanduíche (adaptado KAKANI S L. e AMIT KAKANI,

2004) ......................................................................................................................................... 11

Figura 7 - Influência da porcentagem em peso de nano partículas de sílica em compósitos

(adaptado de Li Y et al, 2005) .................................................................................................. 13

Figura 8 - Esquema do processo envolvendo nano partículas de sílica e o PDDA. (adaptado

LI, PENG, KONG, ZHONG, 2006) ......................................................................................... 15

Figura 9 - (A) Estruturas do PDDA e (B) Sílica em PH 10 (adaptado ZHENG et al. 2007). .. 16

Figura 10 - Reforços de fibras naturais utilizados em compósitos. (a) Banana, (b) bagaço de

cana, (c) curauá, (d) linho, (e) hemp, (f) juta, (g) sisal, (h) kenaf (JUNIOR C.Z.P et al, 2003).

.................................................................................................................................................. 17

Figura 11 - Classificação das fibras. (adaptado de MILANESE, 2008) .................................. 18

Figura 12 - Formas de orientação utilizadas na fabricação de materiais compósitos fibrosos

(CHOU, MCCULLOUGH e PIPES, 1986). ............................................................................. 19

Figura 13 - Possíveis formas de utilização de fibras na fabricação de materiais compósitos

(CHOU, MCCULLOUGH e PIPES, 1986). ............................................................................. 20

Figura 14 - Foto de uma plantação de sisal (EMBRAPA, 1997) ............................................. 21

Figura 15 - Ilustração de uma (a) planta de sisal e (b) folha de sisal (adaptado de LI, MAI e

YE, 2000). ................................................................................................................................ 22

Figura 16 - Estrutura da Fibra (modificada de JOHN M.J. e ANANDJIWALA R.D., 2008). 22

Figura 17 - Mercedes e seus componentes feitos de fibras naturais (SUDDELL, et al 2002) . 25

Figura 18 - Interface fibra/matriz (CAHN, et al,1993) ............................................................ 25

Figura 19 - Típica estrutura de (i) sem tratamento e (ii) mercerizada fibra celulósica.(adaptado

de LEONARD e MARTIN, 2002) ........................................................................................... 28

Figura 20 - Superfície da fibra sem tratamento (a) e (b) e com tratamento de NaOH -10%(c) e

(d) (adaptado da SILVA R.V.,2003). ....................................................................................... 29

Figura 21 - Fig. (a), (b) e (c) diferenças nas propriedades mecânicas das fibras mercerizadas e

sem tratamento (adaptado RONG et al, 2001). ........................................................................ 30

Figura 22 - Reação de acetilação com a fibra de sisal com e sem ácido catalizador.(KABIR,

M., et al 2012) .......................................................................................................................... 31

Figura 23 - Fatores e níveis experimentais. .............................................................................. 33

vii

Figura 24 - (A) Aquecimento da água destilada a 80 °C e (B) lavagem em água destilada a 80

°C. ............................................................................................................................................. 34

Figura 25 - Fluxograma de tratamentos e testes. ...................................................................... 35

Figura 26 - (A) Fibras em solução de NaOH 10% por 1h, (B) fibras lavadas até pH neutro. .. 35

Figura 27 - Lavagem até pH neutro. ......................................................................................... 36

Figura 28 - Em (A) preparação da pastilha de KBr e (B) compressão de 10T para confeccionar

a pastilha. .................................................................................................................................. 37

Figura 29 - Amostras das fibras trituradas usadas na análise TG. ............................................ 38

Figura 30 - Microscópio eletrônico de varredura (MEV) ........................................................ 38

Figura 31 - Máquina utilizada para ensaio de tração Shimadzu AG-X Plus ............................ 39

Figura 32 - (A) Corpo de prova de fibra de sisal reforçado nas extremidades com compósito

de fibra de vidro e (B) rompimento da fibra no ensaio de tração. ............................................ 39

Figura 33 - Banho de ultrassom em solução de agua destilada e nano sílica. .......................... 40

Figura 34 - Solução água e nano sílica em agitação magnética. .............................................. 41

Figura 35 - (A) Centrífuga e em (B) tubos de ensaio antes e depois da centrifugação. ........... 41

Figura 36 - Fibras de sisal cruas. .............................................................................................. 42

Figura 37 - Ilustração do esquema de tecelagem da fibra na estrutura metálica: (A) tecelagem

da fibra na direção de 90° (B) tecido pronto e (C) tecelagem da fibra na direção de 0°. ......... 43

Figura 38 - (A) Fibras tecidas na direção transversal da estrutura (90°) e (B) fibras tecidas na

direção longitudinal da estrutura (0°). ...................................................................................... 43

Figura 39 - Molde com fibras e desmoldante Armalom®. ....................................................... 44

Figura 40 - Lamina de sisal depois de retirado do molde. ........................................................ 45

Figura 41 - Cinco lâminas separadas. ....................................................................................... 45

Figura 42 - Orientações das camadas: (a) unidirecional e (b) bidirecional 0°/90°/0°/90°/0°... 46

Figura 43 - Roletagem para remoção de bolhas no compósito................................................. 47

Figura 44 - Medição do corpo submerso em agua destilada para ensaio de densidade. .......... 48

Figura 45 - Marcação para eliminação das extremidades dos corpos de prova. ...................... 49

Figura 46 - Corpos de prova para os ensaios de flexão. ........................................................... 49

Figura 47 - Máquina utilizada para ensaios na flexão, SHIMADZU® AG-X Plus. ................ 50

Figura 48 - Detalhe do ensaio de flexão em três pontos em um compósito de sisal. ............... 50

Figura 49 - Ilustração do equipamento para o teste de Charpy (ASTM D6110-10). ............... 51

Figura 50 - Corpos de prova para impacto. .............................................................................. 51

Figura 51 - Máquina de ensaios XJJ-50 Series utilizada para os testes de Charpy. ................. 52

Figura 52 - Comportamento mecânico da matriz epóxi sem nanopartículas sob esforços de

flexão em três pontos (Melo, 2012). ......................................................................................... 53

Figura 53 - Imagem obtida por MET da matriz epóxi com adição de nanopartículas sem

tratamento de dispersão. ........................................................................................................... 54

Figura 54 - Imagem obtida por MET da resina epóxi com adição de nanosílica com tratamento

de dispersão (PDDA). ............................................................................................................... 55

Figura 55 - IV FT para nanosílica funcionalizada com PDDA ................................................ 56

Figura 56 - Resultados da analise (IV FT) ............................................................................... 57

Figura 57 - Análise termogravimétrica das fibras de sisal sem tratamento, mercerizadas e

mercerizadas + acetiladas. ........................................................................................................ 58

viii

Figura 58 - Imagem obtida pelo microscópio óptico para medição do diâmetro de uma das

fibras Mercerizada. ................................................................................................................... 59

Figura 59 - Curva Tensão (MPa) x Deformação (%) de uma amostra de fibra de sisal sem

tratamento. ................................................................................................................................ 60

Figura 60- Gráfico de efeito do tratamento químico sobre o Modulo de elasticidade das fibras.

.................................................................................................................................................. 62

Figura 61 - Gráfico de efeito do tratamento químico sobre a resistência à tração das fibras. .. 62

Figura 62 - Imagens da fibra sem tratamento obtidas por MEV (a) 100x e (b) 400x. ............. 63

Figura 63 - Imagens da fibra tratada por mercerização obtidas por MEV , (a) 100x e (b) 500x.

.................................................................................................................................................. 64

Figura 64 - Imagem da fibra mercerizada + acetilada obtidas por MEV (a) 100x e (b) 800x. 64

Figura 65 - Gráfico de interação dos fatores tratamento e nanosílica para a densidade aparente.

.................................................................................................................................................. 67

Figura 66 - Gráfico de interação dos fatores tratamento, orientação e nanosílica para a

absorção de água ....................................................................................................................... 69

Figura 67 - Gráfico de efeitos principais para porosidade aparente ......................................... 71

Figura 68 - Gráfico de interação dos fatores tratamento e nanosílica para a porosidade

aparente. .................................................................................................................................... 71

Figura 69 - Gráficos de resíduos para a média do MOR-f: probabilidade normal (a), resíduos

versus valores ajustados (b), histograma (c) e resíduos versus ordem dos dados (d). ............. 73


resistência à flexão.................................................................................................................... 75

Figura 71 - Gráfico de interação tratamento, orientação e nanosílica para o módulo de

elasticidade (MOE-f). ............................................................................................................... 77

Figura 72 - Gráfico de interação tratamento, orientação e nanosílica para a energia absorvida

ao impacto. ............................................................................................................................... 79

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Propriedades das fibras de sisal estudadas por vários autores (adaptado LI, MAI, e

YE, 2000) ................................................................................................................................. 20

Tabela 2 - Exemplo do efeito da orientação das fibras nas propriedades de compósito

reforçado com fibra de sisal. (KURUVILLA et al., 1999)....................................................... 24

Tabela 3 - Condições experimentais. ........................................................................................ 33

Tabela 4 - Propriedades físicas e mecânicas da matriz epóxi................................................... 53

Tabela 5 - Resultados das medidas das fibras de sisal ............................................................. 60

Tabela 6 - Resultados do ensaio de tração para as fibras de sisal. ........................................... 61

Tabela 7 - Análise de Variância para os resultados do ensaio de tração das fibras de sisal ..... 61

Tabela 8 - Resultados de densidade aparente, absorção de agua e porosidade para compósitos

de fibra de sisal. ........................................................................................................................ 65

Tabela 9 - Resultado da Análise de Variância para a Densidade aparente, absorção de água e

porosidade aparente de compósitos de sisal. ............................................................................ 65

Tabela 10 - Resultados para densidade aparente ...................................................................... 66

Tabela 11 - Resultados para Absorção de água. ....................................................................... 67

Tabela 12 - Resultados para Porosidade aparente. ................................................................... 70

Tabela 13 - Resultados de resistência e módulo na flexão e de energia absorvida ao impacto

para compósitos de fibra de sisal. ............................................................................................. 72

Tabela 14 - Resultado da análise de Variância para a resistência a flexão (MOR-f), para

módulo de elasticidade (MOE-f) e energia absorvida ao impacto (Impacto) ........................... 72

Tabela 15 - Resultados para resistência a flexão em compósitos de fibra de sisal................... 74

Tabela 16 - Resultados para Módulo de elasticidade em flexão de compósitos de fibra de sisal.

.................................................................................................................................................. 76

Tabela 17 - Resultados para Resistência ao Impacto ............................................................... 78

x

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

CITEC: Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos;

GPQM: Grupo de pesquisas em Química;

MEV: Microscopia eletrônica de varredura;

MET: Microscopia eletrônica de transmissão;

Minitab: Software para análises estatísticas;

P-valor: Estatística utilizada para sintetizar o resultado de um teste de hipóteses;

UFSJ: Universidade Federal de São João del-Rei;

US-Tyler: Tamanho de malha para seleção;

PDDA: poli cloreto de dialildimetilamônio;

SiO2: Silicon Dioxide (sílica);

IVTF: Infravermelho por transformada de Fourier;

TGA: Análise termogravimétrica;

TG: Termogravimetria;

IV-FT: Análise por espectroscopia de infravermelho.

xi

LISTA DE SÍMBOLOS

k: Kilo (mil unidades da grandeza);

MOE: Módulo de elasticidade;

MOE-t: Módulo de elasticidade na tração;

MOE-c: Módulo de elasticidade na compressão;

MOE-f: Módulo de elasticidade na flexão;

MOR: Módulo de resistência;

MOR-t: Módulo de resistência na tração;

MOR-f: Módulo de resistência na flexão;

μm: Micrometro (1 × 10-6

metros)

J: Jaules

df : Densidade da fibra;

mf Massa total da fibra;

vf: Volume da fibra

Pa: Porosidade aparente;

m1: Massa do corpo de prova seco;

m2: Massa da amostra saturada com água;

m3: Massa da amostra totalmente submersa na água.

xii

SUMÁRIO

RESUMO........................................................................................................................IV

ABSTRACT.....................................................................................................................V

LISTA DE FIGURAS.....................................................................................................VI

LISTA DE TABELAS...................................................................................................VII

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS..................................................................VIII

LISTA DE SIMBOLOS..................................................................................................IX

CAPITULO 1..................................................................................................................01

1. INTRODUÇÃO.................................................................................................01

CAPITULO 2..................................................................................................................03

2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA..........................................................................03

2.1 Compósitos poliméricos e suas definições........................................................03

2.1.1 Matrizes poliméricas..............................................................................04

2.1.2 Matriz termorrígida: Resina Epóxi........................................................05

2.2 Compósitos laminados.......................................................................................07

2.3 Compósitos particulados...................................................................................09

2.4 Compósitos híbridos..........................................................................................10

2.5 Nano partículas de Sílica...................................................................................12

2.5.1 Dispersão: nano partículas.....................................................................13

2.5.1.1 PDDA - poli (cloreto de dialildimetilamônio).......................................15

2.6 Compósitos fabricados com fibras naturais.......................................................16

2.6.1 Fibras de sisal........................................................................................20

2.6.2 Compósitos fabricados com fibras de sisal............................................23

2.7 Tratamento Químico das fibras naturais para compósitos................................25

2.7.1 Mercerização das fibras.........................................................................27

2.7.2 Acetilação das Fibras.............................................................................30

CAPITULO 3..................................................................................................................32

3. MATERIAIS E MÉTODOS..............................................................................32

3.1 Planejamento experimental – DOE...................................................................32

3.2 Tratamento químico das fibras..........................................................................34

3.2.1 Lavagem das fibras................................................................................34

3.2.2 Tratamento de mercerização..................................................................35

3.2.3 Tratamento de acetilação.......................................................................36

3.3 Caracterização das fibras de sisal......................................................................36

3.3.1 Espectroscopia de Infravermelho (IV-FT).............................................37

3.3.2 Termogravimétrica (TG).......................................................................37

3.3.3 Microscopia eletrônica de varredura (MEV).........................................38

3.3.4 Ensaios mecânicos de tração.................................................................38

3.4 Dispersão de nano partícula de sílica................................................................39

xiii

3.4.1 Dispersão das nano partículas de Sílica em PDDA – poli (cloreto de

dialildimetilamônio)...............................................................................................40

3.5 Preparação dos corpos de prova........................................................................42

3.5.1 Tecelagem das fibras no molde.............................................................42

3.5.2 Laminação manual (HandLay - up).......................................................43

3.5.3 Adição de nano partículas de silica dispersas em PDDA......................46

3.5.4 Orientação das camadas para fabricação dos compósitos.....................46

3.6 Caracterização físico-mecânica dos compósitos...............................................47

3.6.1 Ensaios físicos.......................................................................................47

3.6.1.1 Densidade aparente................................................................................47

3.6.1.2 Porosidade aparente...............................................................................48

3.6.2 Ensaios Mecânicos.................................................................................48

3.6.2.1 Ensaio de flexão em três pontos...........................................................48

3.6.2. 2 Ensaio de Impacto Charpy.....................................................................50

CAPITULO 4..................................................................................................................53

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES.....................................................................53

4.1 Propriedades das fases constituintes dos compósitos........................................53

4.1.1 Matriz Epóxi..........................................................................................53

4.1.2 Dispersão das nano partículas de sílica.................................................54

4.1.3 Análise por espectroscopia de infravermelho (IV-FT) da matriz epóxi

reforçada com nanopartículas de sílica dispersas com PDDA...............................55

4.2 Efeito do tratamento das fibras de sisal em suas propriedades físico-químicas

.....................................................................................................................................56

4.2.1 Análise por espectroscopia de infravermelho (IV-FT) das fibras de sisal

................................................................................................................................56

4.2.2 Termogravimetria (TG) das fibras de sisal............................................58

4.2.3 Ensaio de tração das fibras....................................................................59

4.2.4 Análise micro estrutural (MEV)............................................................63

4.3 Propriedades físicas...........................................................................................64

4.3.1 Densidade aparente................................................................................66

4.3.2 Absorção de água...................................................................................67

4.3.3 Porosidade aparente...............................................................................70

4.4 Ensaio de flexão em três pontos nos compósitos de sisal.................................71

4.4.1 Resistencia a flexão – MOR-f................................................................74

4.4.2 Módulo de elasticidade na flexão MOE-f..............................................76

4.4.3 Resistencia ao impacto..........................................................................78

5. CONCLUSÕES.................................................................................................81

6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.............................................83

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................84

8. APÊNDICE.......................................................................................................98

1

Introdução

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Materiais compósitos são projetados para resistir aos mais variados tipos de

solicitações. Dentre as várias soluções em reforços destacam-se o emprego das fibras naturais,

tais como as do coco, bananeira, sisal entre outras, devido às características como:

biodegradabilidade, elevada resistência e módulo específico, baixo custo, baixa densidade,

não abrasivas, atóxicas, abundância e fontes renováveis, além de ser facilmente modificadas

por agentes químicos.

Junto com o emprego das fibras naturais em compósitos surgiu a necessidade de

melhorar a adesão na interface fibra e matriz, pois as fibras naturais têm caráter hidrofílico

incompatível com a maioria dos polímeros predominantemente hidrofóbicos, para isso são

estudados tratamentos químicos específicos para as fibras naturais, como de mercerização e

acetilação. Assim quanto melhor a adesão da fibra na matriz maior a transferência de esforços

da matriz para o reforço de fibras.

Atualmente pesquisas vêm sendo desenvolvidas focando na elaboração de materiais

compósitos constituídos por vários tipos de reforços, podendo ser partículas de tamanhos

distintos, partículas e fibras, entre outras, destacando-se a utilização de partículas de sílica

cristalina devido a sua estabilidade química e abundância na natureza. Com relação aos

tamanhos das partículas, estas atualmente vêm sendo estudadas nas escalas macro, micro e

nano. Inúmeras pesquisas vêm sendo realizadas a fim de verificar o efeito do tamanho das

partículas nas propriedades físico-mecânicas dos compósitos.

Este trabalho objetiva a determinação das propriedades físico mecânicas de resistência à

flexão, módulo de elasticidade na flexão, resistência ao impacto, densidade aparente,

porosidade aparente e absorção de água em compósitos laminados de resina epóxi reforçados

com fibras de sisal. O trabalho investiga o efeito da orientação das lâminas de sisal

unidirecionais [0°] e bidirecionais [0°/90°/0°/90°/0°], do tratamento das fibras por

mercerização/acetilação e da adição de nanopartículas de sílica já dispersas sobre as

propriedades físico-mecânicas do biocompósitos.

3

Revisão Bibliográfica

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Compósitos e suas definições

O termo compósito em geral tem como significado um material formado pela união de

uma fase dispersa e uma fase dispersante. Esses materiais exibem as propriedades de cada

fase que os constituem, adquirindo melhores desempenhos quando comparados as suas fases

isoladamente. São, portanto, projetados para exibirem uma combinação das melhores

características de cada um dos materiais que o compõem. (CALLISTER, 2007)

Segundo a norma ASTM D 3878 (2007), compósito é uma substância constituída de

dois ou mais materiais, insolúveis entre si, que são combinados para formar um material de

engenharia útil com certas propriedades que não se encontram nos materiais isoladamente.

Gay, Hoa e Tsai (2003) definem material compósito como sendo um material formado

por diferentes materiais, sendo que quando analisado macroscopicamente o mesmo é

homogêneo.

Segundo Kaw (2006), compósito é um material multifásico que combina dois ou mais

constituintes, não solúveis entre si. Normalmente, são materiais que contêm um reforço, como

fibras e partículas, suportadas pela matriz aglutinante.

As propriedades do compósito levam consigo uma relação com seus componentes,

ainda que os mesmos mantenham sua integridade no interior do compósito (PIGGOTT,

2002). A fase dispersante, chamada de matriz, pode ser um material polimérico, cerâmico ou

metálico. A fase dispersa, denominada de reforço, pode ser composta de materiais

poliméricos, cerâmicos, metálicos e naturais podendo ser de formato particulado ou fibroso.

Os componentes da fase dispersa podem ser aleatoriamente arranjados, ou organizados em

algum tipo de padrão. Quando composto por fibras essas podem ser contínuas, longas ou

curtas. (SILVA, 2003.)

Os materiais compósitos estão sendo empregados cada vez mais em substituição aos

materiais tradicionais, cujas características individuais não atendem às crescentes exigências

de melhor desempenho, segurança, economia, ambientais e durabilidade. Outra característica

marcante dos compósitos é sua versatilidade quanto ao largo espectro de propriedades físicas,

4


químicas e mecânicas que podem ser obtidas pela combinação de diferentes tipos de matriz e

pelas várias opções de reforços (CAPRINO, PRISCO e GIORLEO, 2007) (IDICULA, et al.,

2006)

Khalil, Bhat e Yusra (2012), afirmam que o interesse no material compósito está ligado

principalmente a três fatores: ambiental, econômico e desempenho mecânico. A redução da

massa total pode chegar a 30% em função da aplicação dada ao produto, o que implica em

economia estrutural.

Sua aplicação na indústria automotiva pode ser visto em painéis, interiores de portas,

interiores de porta malas, até na construção de bugre e veículos de corrida (HOLBERY,

HOUSTON, 2006). Os acessórios de tunning têm sido uma aplicação em ascensão no ramo

automotivo devido à grande flexibilidade de forma proporcionada pelos materiais compósitos,

a exemplo: pára-choques, saias, espoileres, aerofólios, acessórios de interiores entre outros

(MCCONNELL, 2007; ALVES et al., 2010).

Já na construção civil podemos encontrar a aplicação dos compósitos em suportes de

lâmpadas, painéis decorativos, cortinas, reforços em vigas de madeira, reforços de estruturas,

etc. Materiais compósitos são ideais para o uso em construções por possuírem estabilidade

dimensional, elevada resistência, resistência ao impacto, baixa manutenção e massa específica

e flexibilidade em projetos (HOLLAWAY, 2010).

2.1.1 Matrizes poliméricas

Em compósitos, as matrizes têm como função básica atuar na transferência de cargas

para os reforços através das tensões cisalhantes, para alinhamento do reforço e também para

proteção do reforço da abrasão e da ação do meio ambiente externo (RATNA, 2009).

Segundo Callister (2007), matrizes poliméricas são componentes orgânicos de elevado

peso moleculares, produto de reações de polimerização por adição ou condensação de

diferentes componentes básicos.

Existem vários processos para fabricação de compósitos de matriz polimérica dos quais

podem variar de manuais a automatizados, enfatizando uma produção de maior qualidade, a

exemplo: na indústria automotiva, moveleira, estruturas de máquinas, elementos decorativos

para revestimentos de paredes e pisos, etc. (PANZERA, 2003, CORREIA, 1988).

5


As matrizes poliméricas são classificadas em dois tipos, termorrígidas e termoplásticas,

de acordo com a influência da temperatura nas suas características (PILATO e MICHNO,

1994; CALLISTER, 2007).

Matrizes termoplásticas amolecem com o aquecimento e eventualmente fundem,

endurecendo novamente com o resfriamento. O polipropileno e o nylon são exemplos de

resinas termoplásticas (PILATO e MICHNO, 1994; CALISTER, 2007).

A Figura 1 mostra as diferenças nas cadeias das duas matrizes no qual as termoplásticas

possuem estrutura linear e não possuem ligações entre suas moléculas e as termorrígidas

possuem uma estrutura ramificada com ligações entre as moléculas.

Figura 1 - Cadeias de matrizes termoplásticas e termorrígidas (adaptado Banco de dados da

BPMCC – DEM/UFRN, 2008)

2.1.2 Matriz termorrígida - Resinas Epóxi

Matrizes termorrígidas (ou termofixas) são formadas por uma reação química interna

onde a resina e o endurecedor são misturados existindo uma reação química não reversível

para formar um produto duro e infusível (PILATO e MICHNO, 1994). A matriz termorrígida

se torna permanentemente dura após a cura e não se amolece subsequentemente. Somente

aquecimentos excessivos causarão a quebra destas ligações químicas e a degradação do

polímero. Polímeros termorrígidos são geralmente mais duros, mais fortes e mais frágeis, do

que os termoplásticos, e ainda têm melhor estabilidade dimensional (CALLISTER, 2007).

6


As resinas termorrígidas são as mais utilizadas na fabricação de compósitos

poliméricos. O amplo uso destas resinas se deve ao seu moderado custo, facilidade de

processamento, excelente molhabilidade nos reforços e um bom balanço de propriedades.

Resinas poliésteres, vinil-ésteres e epóxis são alguns dos exemplos desta classe de resina

(JUNIOR, 2009).

A resina epóxi é uma classe de resinas sintética obtida a partir de vários tipos de reações

químicas elaboradas de acordo com a intenção da aplicação final. Em geral, a resina epóxi é

concebida a partir de um grupo químico constituído por um átomo de oxigênio ligado a dois

átomos de carbono. A Figura 2 exibe algumas estruturas químicas de resinas epoxídicas e

endurecedores mais utilizados. Sua estrutura macromolecular é reticulada com ligações

cruzadas, não podendo ser reprocessada devido à degradação e decomposição após o

processamento de catálise ou de reação química por calor (RATNA, 2009).

As resinas epóxi possuem uma elevada adesão a metais e não metais, baixa viscosidade,

resistência ao calor a partir de 177° a 260 ° C, boas características dielétricas, elevada

resistência à solventes comuns, óleos e produtos químicos e principalmente elevadas

propriedades mecânicas como sua resistência à tração que varia de acordo com o método de

fabricação no qual possui valores de aproximadamente 83 MPa (BRADY; CLAUSER;

VACCARI, 2002)

Na utilização de matrizes epóxi é necessário o entendimento do mecanismo e o

conhecimento da taxa de cura da mesma, para que seja mais bem entendida a relação existente

entre o processamento, a morfologia, as propriedades e a durabilidade do termorrígido puro e,

por consequência, do compósito final (GILHAM, 1986).

A cura de uma resina termorrígida epóxi pode ser definida como as mudanças nas

propriedades químicas e físicas da porcentagem definida de resina/endurecedor. Durante a

cura a gelificação e a vitrificação são os dois fenômenos macroscópicos mais importantes que

ocorrem nos sistemas termorrígidos (LEE e NEVILLE,1967). A gelificação é quando o

sistema passa de um estado líquido a um gel, no qual há a formação incipiente de uma rede de

peso molecular, onde a viscosidade e a taxa de cisalhamento tendem a zero, dando origem ao

comportamento visco-elástico do fluido. Nesse momento o processo de cura continua mais

lento, pois o sistema está mais restrito devido ao aumento da densidade de ligações cruzadas

(PARDINI, 1990).

7


Figura 2 - Estruturas químicas de epóxi mais utilizadas e endurecedores (adaptada

HODGKIN, SIMON. e VARLEY, 1998).

A vitrificação é a formação de um sólido vítreo a partir de um monômero, é o processo

no qual a reação química é resfriada durante o ciclo de cura, sendo que a resina não atinge o

estado de cura total (LEE e NEVILLE, 1967).

Hoje as resinas epóxi são utilizadas como adesivos, revestimentos de superfície,

encapsulamento, em substituição de outros materiais tradicionais, geralmente aumentando a

eficiência no que diz respeito à redução do custo total ou encurtamento do prazo de entrega

para muitos processos industriais (RATNA, 2009).

O polímero termorrígido tem sido utilizado como fase matriz de compósitos para

aplicações em aeronaves e automóveis por muitos anos. Isto é atribuível pela sua facilidade de

processamento e baixo custo. Para esses compósitos os reforços principais são as fibras de

aramida (Kevlar), vidro, carbono e atualmente as fibras naturais, como coco, piaçava, bambu

e sisal (SEN e JAGANNATHA R, 2011).

2.2 Compósitos laminados

Os materiais compósitos laminados são constituídos de fibras aderidas a uma matriz

gerando uma interface entre elas, normalmente são utilizadas fibras que possuem alto módulo

de elasticidade e alta resistência mecânica. Desta forma, as mesmas conservam suas

8


identidades, ou seja, tanto a fibra quanto a matriz conservam suas identidades produzindo em

conjunto, propriedades que separadamente não possuiriam (MATTHEWS e RAWLINGS,

1994).

Enquanto as fibras se encarregam de melhorar a resistência mecânica do material, a

matriz detém a função de mantê-las em posição e direção desejadas. A matriz também tem a

função de transferir a carga aplicada para o reforço e proteger as fibras contra danos e

umidade (PADMAVATHI, NAIDU, e RAO, 2012).

Os materiais compósitos laminados são formados por duas ou mais camadas

superpostas, denominadas laminas. Essas camadas podem ter características diferentes, como

a adição de partículas e uma direção específica para a fibra/lâmina como pode ser visto na

Figura 3 (OLIVEIRA, 2007).

Figura 3 - Tipos de lâminas: (a) lâminas com fibras unidirecionais, (b) lâminas com fibras

tecidas e (c) laminado composto por várias lâminas orientadas em diferentes direções

(MENDONÇA, 2005).

A fabricação de compósitos laminados podem ser dividida nas seguintes etapas:

1 - escolha da fibra de acordo com o projeto;

2 - processo de laminação da fibra com a resina gerando a primeira lamina;

3 - montagem do compósito.

Segue abaixo a Figura da sequência de montagem de um compósito laminado. (DANIEL e

ISHAI, 2006)

9


Figura 4 - Estrutura do compósito laminado (adaptado DANIEL e ISHAI, 2006).

Existem outras classes de compósitos entre eles os compósitos particulados e os

compósitos híbridos.

2.3 Compósitos particulados

Os compósitos particulados são aqueles reforçados com partículas como ilustrado na

Figura 5. Sua vantagem é a obtenção de propriedades quase-isotrópicas, sendo adequados

para aplicações onde o carregamento é tridimensional. Os materiais particulados usados

nestes compósitos são bastante variados, desde partículas cerâmicas naturais, como granito,

quartzo e sílica, até outros como carbeto de tungstênio ou carbeto de silício, proporcionando

elevada dureza e resistência à abrasão (HAGE JUNIOR, 1990).

Figura 5 - Ilustração de compósito particulado.

Segundo Idicula et al. (2012) as partículas usadas em compósitos poliméricos podem

exibir diferentes tamanhos, geralmente micro ou nano, e formas. De acordo com Fu et al.

(2008) as propriedades mecânicas de compósitos particulados podem variar conforme as

características, distribuição e empacotamento das partículas. Para lidar com algumas

limitações de polímeros, por exemplo, baixa rigidez e baixa resistência, e para expandir suas

10


aplicações em diferentes setores, cargas de partículas inorgânicas, como micro e nano

partículas de sílica, vidro e nano tubos de carbono, são frequentemente adicionados em

compósitos poliméricos (FU et al. 2008).

Entretanto, os enchimentos particulados podem modificar as propriedades físicas e

mecânicas dos polímeros de muitas maneiras. As partículas utilizadas nas dimensões

microscópicas, e em quantidades adequadas podem promover um incremento na estabilidade

térmica (JANG et al, 2010), rigidez e resistência da matriz polimérica (PETHRICK, MILLER

e RHONEY, 2009).

As propriedades mecânicas de compósitos particulados dependem fortemente da adesão,

do tamanho de partícula, da interface partícula/matriz e quantidade de partículas. O tamanho

das partículas tem um efeito óbvio sobre estas propriedades mecânicas (FU, et al. 2008).

2.4 Compósitos híbridos

Compósitos híbridos são compósitos formados por mais de uma fibra ou aqueles

formados por fibras e partículas para uma mesma matriz (CALLISTER, 2007).

Segundo Hancox (1981) o compósito que contem dois ou mais reforços é considerado

um compósito híbrido.

Híbridos são materiais compósitos fabricados com no mínimo: dois tipos de fibras, dois

tipos de partículas ou partículas e fibras (DONG et al, 2011).

A hibridização, na maioria das vezes, é utilizada para obter compósitos de custo final

mais acessível, como ocorre nos compósitos híbridos de fibras de vidro e sisal

(VENKATESHWARAN, ELAYAPERUMAL e SATHIYA, 2012).

Compósitos híbridos fabricados com dois tipos de fibras, de diferentes dimensões e

diâmetros, podem oferecer vantagens sob o uso de somente um tipo de fibra em uma matriz

polimérica. Por exemplo, muitos estudos revelam melhoria nas propriedades de compósitos

híbridos com fibras naturais e fibras de vidro (JARUKUMJORN e SUPAKARN 2009;

THIRUCHITRAMBALAM, et al. 2009; VELMURUGAN e MANIKANDAN, 2007;

ESFANDIARI, 2007).

Os compósitos híbridos possuem uma maior possibilidade de combinações para cumprir

com as exigências de um projeto. Eles são geralmente empregados em componentes

estruturais de transporte leve rodoviário, aquático e aéreo, equipamentos esportivos, e

componentes ortopédicos leves (CALLISTER, 2007).

11


Da Silva et al. (2012) investigaram as propriedades de um compósito híbrido de sisal

reforçado com partículas de sílica e obtiverem ganho moderado no módulo de elasticidade em

flexão. Este comportamento foi atribuído ao efeito positivo das partículas principalmente sob

esforços compressivos durante o ensaio de flexão.

Venkateshwaran et al. (2012) estudaram a influência do volume de fibras (25%, 50%,

75%) em compósitos híbridos banana/sisal em matriz epóxi, e concluíram que a condição

50%/50% banana/sisal obtiveram aumento das propriedades mecânicas do material.

Compósitos híbridos de fibra de vidro e nano partículas de sílica foram investigados por

Tsai e Cheng (2009), revelando o efeito da adição em massa de nano sílica (10%, 20% e 30%)

na fase matriz e a orientação das fibras (5 ângulos) no ensaio de compressão. O maior

percentual de nano sílica com a orientação das fibras na direção do carregamento exibiu o

melhor resultado para a resistência a compressão.

Os materiais compósitos híbridos também podem ser caracterizados como estruturas do

tipo sanduíche, quando esses são recheados com uma camada grossa de outro tipo de material,

na maioria das vezes menos densos (estruturas celulares, tipo Honeycomb) como podemos ver

na Figura 6 (CHIAVERINI, 1986).

Figura 6 - Estrutura do compósito sanduíche (adaptado KAKANI e KAKANI, 2004)

De acordo com Deng e Tang (2010) os compósitos sanduíches reforçados com fibras

naturais e fibras de vidro podem ser fabricados para substituir peças de madeira em aplicações

estruturais. Resultados experimentais mostraram que a inclusão de fibras longas de sisal (20%

em massa) na fabricação do compósito híbrido sanduíche obteve um aumento significativo na

resistência e módulo de elasticidade do material.

2.5 Nanopartículas de Sílica

12


Os materiais poliméricos usados como fase matriz de compósitos podem exibir

propriedades inadequadas para algumas aplicações da engenharia. A adição de nano partículas

de sílica em matrizes poliméricas tem sido amplamente investigada para aumentar as

propriedades efetivas do compósito (KANG et al 2001).

Diversas estratégias têm sido exploradas para a incorporação de diferentes partículas em

compósitos procurando seu melhor desempenho (WETZEL et al 2006). Recentemente, novas

estratégias têm surgido utilizando nano partículas para melhorar a resistência e outras

propriedades mecânicas de compósitos laminados (KINLOCH et al. 2005).

Atualmente, partículas de nano sílica são produzidas por métodos do tipo “built-up” no

qual elas são sintetizadas por vapor químico de baixo custo, ou pelo método “break-down” no

qual as partículas grandes são quebradas em tamanhos nanométricos.

Fu et al. (2008) estudaram o efeito do tamanho e fração das partículas, adesão das

partículas na matriz, rigidez e tenacidade de partículas em escala nano e micro sobre as

propriedades de compósitos. Observou-se que todos os fatores influenciavam nas

propriedades dos compósitos, principalmente a adesão matriz/partícula. No entanto a rigidez

do material depende significativamente da fração de partículas adicionadas, e não da adesão

partícula/matriz. Um aumento significativo da rigidez foi obtido com a adição de partículas

em tamanho nano métrico, isto devido ao efeito causado pela área superficial das nano

partículas (FU et al. 2008).

Cho et al. (2006) verificaram que partículas em escala micro tem pouca influência sobre

o módulo de elasticidade em compósitos de resina epóxi, sendo este aumentado quando se

diminui à escala nano.

Nakamura et al. (1992) investigaram compósitos de resina epóxi e partículas de sílica

divididas em seis tamanhos distintos entre 2–47 μm, verificando que os módulos na flexão e

na compressão ficaram ligeiramente menores com a diminuição do tamanho das partículas de

sílica, enquanto que o módulo de tração ficou ligeiramente maior. A resistência à flexão e a

tração aumentaram ao diminuir o tamanho das partículas de sílica.

Kinloch et al. (2005), Zhang et al. (2006) e Wetzel et al. (2006) mostraram um

aumento das propriedades dos compósitos após a adição de nano sílica.

A Figura 7 mostra a influencia da adição de nano partículas de sílica em compósitos de

resina epóxi em duas temperaturas diferentes, obtendo as melhores condições entre 1% a 6%.

13


Figura 7 - Influência da porcentagem em peso de nano partículas de sílica em compósitos

(adaptado de Li et al. 2005)

Embora as partículas de sílica tenham sido amplamente utilizadas para preparar nano

compósitos híbridos, o seu aspecto químico deve ser considerado (MERKEL et al. 2002). Um

número de grupos hidroxila na superfície da sílica resulta em interações partícula-partícula e

absorção de materiais polares por ligações de hidrogênio. Apesar de suas características

positivas a nano sílica têm uma forte tendência a auto aglomeração. Para isso é preciso adotar

procedimentos de dispersão dessas nano partículas antes de serem adicionadas ao material

compósito (KIM et al. 2003).

2.5.1 Dispersão: nanopartículas

As nano partículas tem tendência de aglomeração forte entre si. A fim de obter um

melhor desempenho do compósito, as nano partículas precisam estar dispersas na matriz

epóxi, assim é necessário antecipadamente um procedimento de dispersão.

Os métodos mais utilizados para dispersão de nano partículas são as técnicas de

processamento: mistura direta, mistura por ultrassom e mistura por cisalhamento (moinho de

três rolos). Wang et al. (2006) reportaram também outros métodos de dispersão como:

centrifugação, sedimentação, filtração, entre outros existentes.

Uma simples agitação não deve ser o suficiente para promover a dispersão das nano

partículas. Durante a atomização das nano partículas de sílica existe um aumento na distância

entre SI-OH na superfície das partículas de sílica. O aumento dessa distância produz uma

queda no número de grupos de hidrogênios ligados ao OH ocorrendo assim um

enfraquecimento da atividade de aglomeração, facilitando a dispersão da partícula em liquido

14


ou resina. Essa distância no qual a energia atinge seu ponto máximo é diretamente

proporcional ao tamanho da partícula (ISURU, TANAKA e KUMAZAWA, 2008).

Isuru, Tanaka e Kumazawa (2008) relatam as dificuldades em dispersar nano partículas,

as quais podem ser subjugadas a uma alta energia de sua superfície livre e também suas

características de curvatura como a distancia entre as partículas e sua configuração molecular

podem efetivamente aumentar ou diminuir essa região de energia.

A adição de nano partículas em compósitos laminados promovem o aumento da rigidez

da matriz, atuando principalmente em áreas na qual existem forças de compressão, geralmente

na parte superior dos compósitos sob esforços de flexão. Tratamentos químicos de dispersão

para a superfície das partículas são empregados com sucesso. Quanto mais forte a ligação

entre as partículas nanométricas mais difícil o processo de dispersão. (UDDIN e SUN, 2009).

De acordo com Pethrick, Miller, e Rhoney (2009) os silanos são largamente

empregados em conjunto com nano sílica para aumento das propriedades mecânicas do

compósito. A alta ramificação da cadeia é associada a uma melhor adesão partícula-matriz,

uma vez que os silanos são por natureza agentes acopladores de alta compatibilidade com

resina epóxi (MENDONÇA, 2009). Isto promove maior integridade ao conjunto devido a sua

natureza compatível que maximiza a aderência entre materiais orgânicos e inorgânicos.

Entretanto muitas pesquisas têm sido focadas no desenvolvimento e caracterização de agentes

de acoplamento para uma melhor aderência entre as fases constituintes de compósitos, além

de maximizar os processos de produção. A utilização de agentes de acoplamento pode

aumentar o grau de ligações cruzadas na região de interface e oferecer adesão quase perfeita

inclusive entre as fibras vegetais e a matriz polimérica. Essas pesquisas baseiam-se no

emprego de três tipos principais de tratamento superficial (LIAW et al. 1998):

1. Tratamento entre interação do agente e a superfície do mineral: para fins de

dispersão apenas da carga mineral dentro da matriz do polímero;

2. Tratamento entre a interação do agente e a superfície do polímero: utilizado

quando se deseja a dispersão de agentes de coloração;

3. Tratamento entre interação do agente com ambas as superfícies. Usado em

compósitos termorrígidos nos quais sofrerão algum tipo de cura.

2.5.1.1 PDDA - poli (cloreto de dialildimetilamônio)

15


O agente de dispersão que se utiliza é o poli (cloreto de dialildimetilamônio) ou PDDA,

que consiste em um encapsulamento das nano partículas de sílica. Esse método é utilizado na

tentativa de inibir a auto agregação das nano partículas de sílica causada pela forte interação

partícula-partícula (PENG et al, 2007). Podemos dizer que é uma interação de um agente e a

superfície do mineral. As partículas de sílica são tratadas inicialmente objetivando adquirir

uma carga elétrica negativa para que assim o PDDA, com sua carga positiva, possa interagir,

ligando-se as cargas negativas. A força resultante dessa interação é responsável por impedir a

aglomeração das nano partículas (XIAODONG et al, 2008). A Figura 8 ilustra o processo de

dispersão de nano partículas de sílica com o PDDA.

Figura 8 - Esquema do processo envolvendo nano partículas de sílica e o PDDA. (adaptado de

PENG et al, 2007)

No processo de tratamento químico de dispersão das nano partículas, primeiramente o

PDDA é carregado positivamente em uma solução de pH de valor 10 (Figura 9a). Logo após é

adsorvido pela superfície das nano particulas de sílica carregadas negativamente com o

mesmo pH de valor 10 (Figura 9b) (PENG et al. 2007).

16


Figura 9 - (A) Estruturas do PDDA e (B) Sílica em PH 10 (adaptado PENG et al. 2007).

No entanto, devido a grande diferença na rigidez entre a nano silíca e o PDDA, a

densidade de carga de PDDA é significativamente maior do que a densidade de carga da nano

sílica, tornando impossível todas as cargas anteriores formarem pares de curta distância de

íons com cargas superficiais de partículas rígidas. Dessa forma, a carga positiva no PDDA

não pode ser neutralizada completamente pela carga negativa das partículas de nano sílica

(ZHENG et al, 2008). A utilização do agente de funcionalização PDDA resulta em uma carga

elétrica positiva mais elevada da superfície (MILAN et al. 2012), o que pode se tornar ideal

para uma possível reação de repulsão das partículas promovendo uma dispersão.

O tratamento superficial com PDDA é uma técnica bastante usada não somente em

dispersão de nano partículas de sílica, como também para dispersão de outras partículas nano

estruturais tipo nanotubos de carbono, onde são largamente empregados em biosensores. A

dispersão em meio líquido é possível uma vez que o PDDA é um polieletrólitocatiónico muito

solúvel em água, de forma a ser extensivamente utilizada para a imobilização de biomoléculas

(YANYAN et al. 2007).

2.6 Compósitos fabricados com fibras naturais

Na última década houve um rápido desenvolvimento na área de compósitos reforçados

por fibras naturais. As fibras celulósicas possuem muitas características que tornam seu uso

vantajoso como: baixo custo, baixa densidade, elevada resistência específica e rigidez, não

abrasivas, atóxicas, sustentáveis e abundantes, além de serem modificadas por agentes

químicos (SUMMERSCALES et al. 2010). Outra razão é as inúmeras possibilidades de

17


modelagem e a obtenção de peças com parte da estratégia voltada à preservação do meio

ambiente (ALVES et al. 2010).

As fibras naturais tornaram-se alternativas econômicas e ecológicas para uso como

reforços em compósitos poliméricos. Há tempos, já se previa a gradual substituição de

aditivos sintéticos tradicionais, particularmente fibras de vidro, por esses materiais, abrindo

respeitáveis perspectivas de mercado para países de vocação agrícola (NOTHENBERG, 1996;

WAMBUA et al. 2003).

Segundo Wambua et al. (2003) há uma busca constante por uma melhoria na tecnologia

de novos materiais para a substituição de fibras sintéticas por uma matéria-prima proveniente

de fonte renovável. Vários pesquisadores têm desenvolvido compósitos poliméricos

reforçados com fibras naturais, tais como curauá (MOTHÉ e ARAUJO, 2004), coco (SILVA

et al. 2006), sisal, rami, bagaço de cana-de-açúcar (SILVA et al. 2012), juta e abacaxi

(MISHRA et al. 2004). A Figura 10 mostra exemplos de fibras naturais utilizadas como

reforço em compósitos.

Figura 10 - Reforços de fibras naturais utilizados em compósitos. (a) Banana, (b) bagaço de

cana, (c) curauá, (d) linho, (e) hemp, (f) juta, (g) sisal, (h) kenaf (JUNIOR et al. 2003).

Embora as fibras naturais apresentem resistência mecânica inferior às fibras sintéticas,

as mesmas exibem propriedades mecânicas específicas relevantes que as permitem serem

utilizadas como reforço em matrizes poliméricas (IBRAHIM et al., 2010).

As fibras vegetais são classificadas de acordo com a sua origem e podem ser agrupadas

em fibras de semente (algodão), fibras de caule (juta, linho, cânhamo), fibras de folhas

(bananeira, sisal, piaçava, curauá, abacá, henequém), fibras de fruto (coco) e fibras de raiz

(zacatão). O esquema exibido na Figura 11 apresenta uma classificação geral de fibras

(MORASSI, 1994).

18


Figura 11 - Classificação das fibras. (adaptado de MILANESE, 2008).

As características das fases constituintes, da quantidade relativa e da geometria da fase

dispersa é o que definem as propriedades dos compósitos laminados com fibras. Contudo a

geometria da fase dispersa engloba a forma, o tamanho, a distribuição e a sua orientação

(KAW, 2006).

A composição química das fibras tem influência direta sobre as propriedades do

compósito. Geralmente se espera que as fibras tenham alto módulo de elasticidade e

resistência. A forma mais comum das fibras é a circular por favorecer o processamento.

Formas hexagonais e quadradas das fibras são possíveis, mas suas vantagens na resistência e

alto fator de empacotamento da microestrutura não compensam a dificuldade na manipulação

e no processamento. O tamanho das fibras pode ser longo ou curto. Fibras longas contínuas

são fáceis para orientar e processar, enquanto que fibras curtas não podem ser inteiramente

controladas para a orientação apropriada. As fibras longas fornecem muitas vantagens sobre

Naturais

Fibras

Químicas

Vegetais Minerais Animais Artificiais Sintéticas

Caule:

Linho

Rami

Juta

Cânhamo

Malva

Folhas:

Sisal

Caruá

Tucum

Amianto

Wollastonita

Pelos:

Lã

Angorá

Lhama

Coelho

Cashemira

Secreções:

Seda

Raiom

Viscose

Poliéster

Poliamida

Poliacrílico

Elastano

Metálica

Carbono

Vidro

Frutos :

Coco

Semente:

Algodão

Palha

Paina

19


as fibras curtas, tais como resistência ao impacto e estabilidade dimensional (SERRANO et

al., 2013).

A orientação da fibra é um dos fatores mais influentes na configuração do compósito.

As fibras orientadas em uma direção fornecem alta rigidez e resistência especificamente para

aquela direção. Se as fibras estiverem orientadas em mais de uma direção, elas fornecerão

mais rigidez e resistência nessas direções em que foram orientadas.

Devido à importância da orientação comumente são utilizadas nos compósitos fibras

tecidas, que se alinham conforme necessidade do projeto. As unidirecionais são tecidas em

uma única direção paralelas umas as outras, e as bidirecionais geralmente são tecidas

formando ângulos de 90° entre as fibras. Existem ainda as mantas com fios curtos aleatórios e

as mantas com fios contínuos também orientados aleatoriamente como pode ser visto na

Figura 12 (BANNISTER, 2001).

Figura 12 - Formas de orientação utilizadas na fabricação de materiais compósitos fibrosos

(CHOU, MCCULLOUGH e PIPES, 1986).

As fibras também podem se apresentar na forma de construção tridimensional;

construção cilíndrica tridimensional e construção interlook (pré-formas), conforme ilustrado

na Figura 13 (BANNISTER, 2001; TSAI et al., 2000).

20


Figura 13 - Possíveis formas de utilização de fibras na fabricação de materiais compósitos

(CHOU, MCCULLOUGH e PIPES, 1986).

Para Martin et al. (2010) as características mecânicas de um compósito reforçado com

fibras naturais é proporcional ao tipo e qualidade da fibra a ser utilizada. Nas fibras de sisal os

tamanhos das fibras podem variar, assim como a suas propriedades mecânicas.

2.6.1 Fibras de sisal

A fibra de sisal é um promissor reforço de fibras naturais para compósitos devido às

características específicas de baixo custo, baixa densidade, alta resistência e módulo, não gera

risco a saúde, extremamente acessível em alguns países, renovável e biodegradável (LI, MAI

e YE, 2000; SANGTHONG, PONGPRAYOON e YANUMET, 2009).

A Tabela 1 apresenta resultados obtidos de estudos da fibra de sisal que mostram

valores de densidade, tensão e deslocamento máximo e o módulo de elasticidade segundo

diversas fontes.

Tabela 1 - Propriedades das fibras de sisal estudadas por vários autores (adaptado LI, MAI, e

YE, 2000)

Densidade

[kg/m³]

Tensão máxima

[MPa]

Modulo de

Elasticidade [GPa]

Deslocamento

Max. [%]

1450 604 9.4-15.8 -

1450 530-640 9.4-22 3-7

1030 500-600 16-21 3.6-5.1

1410 400-700 9-20 5-14

1400 450-700 7-13 4-9

1450 450-700 7-13 4-9

21


A fibra de sisal é uma fibra vegetal de natureza celulósica retirada das folhas da planta

Agave Sisalana (ver Figura 14), uma monocotiledônea originária da região da península de

Yucatã, no México, desenvolvida pelos Maias antes da chegada dos europeus (SAHEB e

JOG, 1999). Em 1834, as primeiras mudas foram levadas para o sul da Flórida (EUA) e a

partir de 1892 começaram a ser cultivadas na África. No Brasil, as primeiras mudas de Agave

Sisalana Perrine foram introduzidas na Bahia em 1903, sendo esta a única espécie do gênero

Agave cultivada comercialmente no país (MEDINA, 1954; MARTIN, 2001; SILVA e

BELTRÃO, 1999).

Figura 14 - Foto de uma plantação de sisal (EMBRAPA, 1997)

A extração da fibra é um processo difícil realizado através de extratores, essa extração

gera empregos em grande parte dos países, principalmente aqueles de característica agrícola e

que estão em desenvolvimento. Esses são países de origem tropical e subtropical como alguns

países da América do Norte, América do Sul e África. (BISANDA e ANSELL, 1992). O

Brasil é um dos principais produtores de sisal, seguido de Tanzânia e Quênia. (MEGIATTO et

al., 2007).

Na extração as fibras de sisal são extraídas das folhas, que possuem de 8 a 14 cm de

largura e de 120 a 200 cm de comprimento. Da folha se obtém de 3 a 5% do seu peso em

fibra. Os 95% a 97% restantes constituem os chamados resíduos do beneficiamento, que são

utilizados como adubo orgânico, ração animal e pela indústria farmacêutica (MEDEIROS,

2006). As fibras são constituídas de fibrilas ou fibras elementares que tem de 1,5 a 4 mm de

comprimento, diâmetro de 10 a 30 µm, e a espessura da parede celular de 6 a 9 µm. A parede

celular é constituída de várias camadas, que diferem umas das outras em relação à sua

estrutura e composição química (MARTIN, 2001).

22


Figura 15 - Ilustração de uma (a) planta de sisal e (b) folha de sisal (adaptado de LI, MAI e

YE, 2000).

A fibra de sisal é considerada um polímero natural constituído basicamente por celulose

(67% – 78%), hemicelulose (10%-14%) e lignina(8%-11%) (MOHANTY, MISRA,

HINRICHSEN, 2000). Esses constituintes contribuem diferentemente entre si para a

resistência mecânica. A celulose é primariamente responsável pela resistência das fibras, por

seu alto grau de polimerização e orientação linear. A hemicelulose atua como matriz para a

celulose e aumenta a densidade de empacotamento da parede da célula. A lignina não somente

mantém as fibras juntas, mas, também, atua como agente enrijecedor para as moléculas de

celulose dentro da parede da fibra (WINANDY e ROWELL, 1984).

O conhecimento da estrutura interna, das propriedades das fibras ligno-celulósicas e da

sua composição química é importante para compreensão de sua influência nas características

do compósito e também na escolha dos seus tratamentos químicos e físicos. Como pode ser

observada na Figura 16 a estrutura da fibra de sisal é basicamente dividida em três partes a

mais externa denominada parede primária, a parede secundária e o lúmen.

Figura 16 - Estrutura da Fibra (modificada de JOHN e ANANDJIWALA, 2008).

23


2.6.2 Compósitos fabricados com fibras de sisal

O interesse nas fibras de sisal como material de reforço surgiu com mais intensidade

devido à busca crescente por materiais de baixo custo, provenientes de fontes renováveis de

matérias-primas que não causem danos ao meio ambiente e que possam competir com os

materiais de reforço mais frequentemente utilizados (SILVA, 2003).

Segundo Angrizani et al. (2006), o custo da fibra de sisal é aproximadamente dez vezes

menor que o da fibra de vidro e ainda não causa abrasão aos equipamentos e moldes na

fabricação, ao contrário da fibra de vidro, fazendo assim o valor agregado do sisal se

multiplicar na fabricação de compósitos.

Rosário et al. (2011) estudaram as propriedades mecânicas de compósitos de

polipropileno reforçados com fibras de sisal e verificaram que os compósitos reforçados com

30% em massa de fibras de sisal apresentaram melhor desempenho em relação à matriz sem

fibra, no que se refere à resistência à tração, módulo de Young e especialmente resistência ao

impacto.

Silva et al. (2012) fez uma caracterização de compósitos poliméricos de matriz epóxi

reforçado com fibras unidirecionais de sisal e bananeira com a adição de micropartículas de

sílica e anidrido maleico. Duas frações de fibra em massa (30% e 50%) foram investigadas.

Concluiu-se que a fibra de sisal obteve melhor propriedade somente na resistência à tração. A

adição de 2% em massa de anidrido maleico aumentou a resistência à tração e a tenacidade do

compósito. As partículas de sílica reduziram a resistência mecânica, entretanto aumentaram o

módulo de elasticidade do material. Os compósitos reforçados com fibras de sisal apresentam

propriedades mecânicas superiores com 30% em fração volumétrica de fibra, além disso a

absorção de umidade é inferior quando comparado com os compósitos reforçados com fibras

de bananeira.

Segundo Kuruvilla et al. (1999), compósitos reforçados com fibras de sisal exibiram

aumento da resistência mecânica (57% maior do que a resistência da matriz) com o

subsequente aumento no teor de fibras (20 a 50% em peso), porém, para teores de fibras

maiores do que 50% a tendência se inverte. O fato da resistência dos compósitos, com baixa

fração de fibras, ser inferior à da matriz, pode ser atribuído à ineficiência de transferência de

carregamentos, de modo que as fibras agem como defeitos e fragilizam a matriz, reduzindo a

resistência mecânica do compósito. O mesmo autor também verificou que as orientações das

fibras influenciam no compósito de sisal, estudando o comportamento dos compósitos

24


fabricados com fibras alinhadas ao acaso, com alinhamento na longitudinal e na transversal.

Verificou-se que os compósitos fabricados com fibras alinhadas na direção do esforço,

longitudinal, apresentaram propriedades superiores. A Tabela 2 exibe os resultados do

comportamento mecânicos dos compósitos reforçados com fibras de sisal em diferentes

orientações.

Tabela 2 - Exemplo do efeito da orientação das fibras nas propriedades de compósito

reforçado com fibra de sisal. (KURUVILLA et al., 1999)

Orientação das fibras Resistência Tração

na Ruptura [MPa]

Módulo Elástico

[GPa]

Alongamento na

Ruptura [%]

Dispostas ao acaso 43,36 2,13 6,12

Alinhamento longitudinal 115,82 3,07 6,28

Alinhamento transversal 11,59 0,91 1,02

Chand e Jain (2005) estudaram o efeito da orientação da fibra sobre as propriedades

elétricas de compósitos fabricados com resina epóxi reforçados por fibras longas de sisal

(Volume de fibras de 20%). As direções das fibras avaliadas foram de 0° e 90º, fibras

paralelas e perpendiculares ao campo elétrico aplicado. Os resultados mostraram que a

constante dielétrica é maior para o compósito com fibras orientadas a 90º, devido à maior área

de contato da fibra de sisal com os eletrodos nessa orientação. A orientação da fibra no

compósito muda a estrutura do material que causa mudanças na constante dielétrica em

diferentes orientações.

A característica de absorção de umidade dos compósitos fabricados com fibras naturais

é de extrema importância, principalmente quando se deseja produzir materiais compósitos

híbridos de elevada durabilidade. Athijayamani et al. (2009) investigaram compósitos

híbridos de sisal em resina poliéster com várias frações volumétricas de fibras, utilizando-se

fibras secas e fibras em umidade ambiente. Os resultados experimentais mostraram que

quando as amostras foram submetidas à umidade ambiente, houve redução de propriedades na

tração e flexão justamente para compósitos com 30% em massa de fibras de sisal e para forças

de impacto houve redução nos compósitos com 20% em massa de sisal. Assim considera-se

importante um tratamento prévio nas fibras de sisal para a redução da absorção de umidade.

No entanto, em sua constituição ao apresentarem polissacarídeos (hemicelulose e celulose), e,

portanto, grupos hidroxila, as fibras de sisal possuem alta higroscopicidade em relação às

fibras sintéticas. Estas fibras também possuem em sua superfície impurezas como ceras

naturais, que podem levar a fraca adesão interfacial fibra-matriz dos compósitos. Este caráter

25


hidrofílico tem limitado a sua aplicação como agente de reforço, principalmente em matrizes

poliméricas hidrofóbicas, devido à falta de compatibilidade entre os componentes do

compósito. Por isso tratamentos químicos nas fibras de sisal são utilizados com a finalidade

de modifica-las a fim de aumentar o desempenho e durabilidade do material (AKRAM

KHAN et al., 2011).

Atualmente a aplicação de compósitos de fibras de sisal esta em crescimento no

mercado industrial, a exemplo tem-se o automóvel do fabricante Mercedes contendo algumas

partes fabricadas em fibras naturais, como os interiores das portas, parte dos estofados e o

tampão do porta malas (ver Figura 17).

Figura 17 - Mercedes e seus componentes feitos de fibras naturais (SUDDELL et al. 2002)

2.7 Tratamento Químico das fibras naturais em compósitos

A qualidade da região interfacial é de extrema importância para as propriedades dos

compósitos, pois o reforço recebe as tensões atuantes através da adesão adequada da interface.

Métodos químicos e físicos podem ser utilizados para modificar a fibra natural e aperfeiçoar

sua interface com a fase matriz (D’ALMEIDA et al. 2011).

Figura 18 - Interface fibra/matriz (CAHN et al. 1993)

26


Na prática, as principais desvantagens da utilização de fibras naturais são o seu elevado

grau de absorção de umidade e sua baixa estabilidade dimensional. O objetivo principal dos

tratamentos de superfície sobre as fibras naturais é maximizar a força de ligação, melhorando

a transferências de esforços no compósito (KABIR et al. 2012).

As propriedades das fibras naturais dependem da origem da fibra, condições climáticas

do local, idade das plantas e os métodos de extração que são utilizados. Estes parâmetros

determinam a qualidade de fibras naturais (BLEDZKI e GASSAN, 1999).

As fibras naturais não são uma alternativa livre de problemas, existem deficiências. Sua

composição estrutural (celulose, hemicelulose, lignina, pectina e substâncias tipo cera)

permite a absorção de umidade principalmente quando o compósito possui ligação fraca entre

matriz e fibra (DOAN, GAO e MADER, 2006). As estruturas químicas das fibras naturais

diferem das matrizes, e portanto a melhoraria da interface é um desafio, e isto faz com que a

transferência de tensões fique ineficaz na região de baixa adesão do compósito. Por este

motivo, tratamentos superficiais das fibras naturais se tornam necessários (KABIR et al.,

2012).

Existem vários tipos de tratamentos que podem ser feitos em fibras naturais, como:

a) Tratamento com Silano: o silano é uma molécula que é utilizada como um agente de

acoplamento para modificar as superfícies de fibras. O silano reage com o grupo

hidroxila da celulose da fibra, melhorando a adesão da fibra com a matriz (LI,

TABIL e PANIGRAHI, 2007).

b) Tratamento com cloreto de benzoíla: utilizado para diminuir a natureza hidrofílica

da fibra e melhorar a adesão interfacial, aumentando assim a força do compósito

com a matriz. Durante o tratamento com cloreto de benzoíla um pré-tratamento

alcalino é utilizado. No tratamento o cloreto de benzoíla reage com os grupos OH da

fibra substituindo-os e ligando a celulose (WANG et al., 2007).

c) Tratamento com peroxido: o tratamento com peroxido também é utilizado para

melhorar a interface da fibra com a matriz. O peroxido age sobre a superfície da

fibra, seus radicais livres reagem com as hidroxilas presentes nas fibras naturais.

Esse tratamento também pode reduzir a tendência para absorção de umidade das

fibras naturais (KALAPRASAD et al., 2004).

27


d) Tratamento com clorito de sódio: o clorito de sódio (NaClO2) é utilizado para o

branqueamento das fibras naturais, ele reage com a lignina após a geração de

dióxido de cloro removendo-a (MISHRA et al., 2002).

e) Tratamento com permanganato de potássio: este tratamento é realizado com o

permanganato de potássio (KMnO4) em solução de acetona. Ele reage com os

grupos hidroxilas da celulose, este tratamento também melhora a adesão com a

matriz. Tratamentos com grandes concentrações podem danificar a fibra e reduzir

suas propriedades (PAUL et al., 2010).

Entretanto as fibras naturais apresentam fragilidade e tratamentos severos podem

danificar sua estrutura e enfraquecer o material compósito, por isso a escolha do tratamento

correto, na medida certa, é um fator fundamental para obtenção de propriedades aceitáveis na

fabricação de um material compósito reforçado com fibras naturais.

2.7.1 Mercerização das fibras

Um dos mais antigos métodos químicos realizados com o reagente hidróxido de sódio

(NaOH) para a modificação de fibras vegetais é o denominado tratamento alcalino ou

mercerização, o qual age limpando a superfície da fibra de impurezas, como oleosidades,

ceras e graxas, essas adquiridas do manuseio e manufatura das fibras, podendo ainda remover

parte da hemicelulose e a lignina. Com o tratamento alcalino além da limpeza, aumenta- se a

rugosidade da superfície da fibra e melhora a aderência mecânica entre a fibra e a matriz

(PAIVA e FROLLINI, 2006; BISANDA, 2000).

A Figura 23 mostra uma ilustração da ação do tratamento alcalino/ mercerização e a

aparência de uma fibra antes e após a mercerização, revelando a celulose mais exposta e a

lignina, ceras e óleo parcialmente removidos.

28


Figura 19 - Típica estrutura de (i) sem tratamento e (ii) mercerizada fibra celulósica.(adaptado

de LEONARD e MARTIN, 2002)

Segundo Barreto et al. (2011), o tratamento químico depende de diversas variáveis,

entre elas, reagente de concentração, quantidade, temperatura e tempo, e os resultados podem

afetar diretamente as propriedades mecânicas, térmicas, a biodegradabilidade e,

consequentemente, a aderência entre a matriz e as fibras.

A resposta da fibra ao tratamento esta ligado às suas condições, como concentração do

NaOH, hidróxido de sódio. Os tratamentos com maior severidade pode causar uma

desfibrilação, fazendo com que a fibra perca as suas características comprometendo sua

eficiência no compósito (SYDENSTRICKER et al., 2002).

Paula (1996) reportou um acréscimo de 28% nas resistências à tração e flexão de

compósitos reforçados com fibra de sisal e resina epóxi após o tratamento alcalino de

mercerização das fibras (PAULA, 1996).

Fibras de sisal em matriz de polipropileno foram preparadas por Kaewkuk et al. (2012)

com teor de fibras de 10%, 20% e 30%. Dois tratamentos foram comparados, o primeiro de

mercerização + temperatura e o segundo de anidrido maleico. Os resultados mostram efeitos

positivos nos dois tratamentos com base nas propriedades obtidas, sendo que no primeiro a

região superficial da fibra ficou mais exposta e no segundo diminuiu ainda mais a absorção de

água do compósito.

A Figura 20 exibe uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de uma

amostra da superfície da fibra de sisal sem tratamento (Figura 20 a,b) e com tratamento de

mercerização (NaOH) em concentração de 10% por 1h (Figura 20 c,d). Em (a) marcas

29


transversais decorrem de parênquema que envolvem a fibra, em (b) imperfeições e resíduos

da folha são observados. Já na superfície tratada em (c) algumas marcas das células de

parênquema são ainda visíveis e em (d) é possível visualizar as fibrilas que formam as fibras.

É notável que após o tratamento a fibra se encontra limpa sendo possível observar as

fibrilas que formam a fibra.

Figura 20 - Superfície da fibra sem tratamento (a) e (b) e com tratamento de NaOH -10%(c) e

(d) (adaptado da SILVA, 2003).

Paiva e Frollini (2006) estudaram a aderência das fibras de sisal não tratadas e tratadas

quimicamente por mercerização usando uma solução com 10% de NaOH, esterificação e ar

ionizado em compósitos com matrizes fenólicas e ligno-fenólicas. Os resultados apontaram

maior adesão interfacial para as fibras mercerizadas e esterificadas em comparação com o

tratamento com ar ionizado. Mwaikambo e Ansell (1999) e Rong et al. (2001), observaram

também alterações na topografia da superfície e no índice de cristalinidade das fibras de sisal

com o tratamento de mercerização. Porém, dependendo da concentração de NaOH utilizada,

ocorrem reduções na resistência .Na Figura 21 podemos analisar as diferenças nas

propriedades mecânicas das fibras mercerizadas e sem tratamento.

30


Figura 21 - Fig. (a), (b) e (c) diferenças nas propriedades mecânicas das fibras mercerizadas e

sem tratamento (adaptado RONG et al, 2001).

2.7.2 Acetilação das Fibras

O tratamento químico de acetilação é conhecido como método de esterificação que atua

como plastificante nas fibras naturais. O grupo acetila (CH3CO) reage com os grupos

hidrofílicos hidróxido (OH) da fibra e retira a umidade existente. Como resultado a natureza

hidrofílica da fibra diminui e melhora a estabilidade dimensional dos compósitos

(SREEKALA et al., 2000; D’ALMEIDA et al., 2010).

Entre as diferentes possibilidades existentes para as reações de esterificação, as de

acetilação apresentam grandes vantagens em termos de custo e eficiência (KUMAR e

AGARWAL, 1982). Segundo Mohanty, Misra e Drzal (2001), a acetilação das fibras é

essencial para a obtenção de materiais com melhores desempenhos.

Este tratamento gera na fibra uma superfície topográfica mais áspera que dá uma melhor

aderência com a matriz. As fibras podem ser acetiladas com ou sem um catalizador ácido

(Figura 22). Porém, geralmente ele é utilizado pois anidrido acético individualmente não

31


reage com as fibras o suficiente. Para otimizar a reação, as fibras são inicialmente embebidas

em ácido acético e posteriormente tratadas com anidrido acético de 1 a 3 horas ( LI, TABIL e

PANIGRAHI, 2007).

Figura 22 - Reação de acetilação com a fibra de sisal com e sem ácido catalizador (KABIR et

al., 2012).

Mishra et al. (2003) utilizou o tratamento de anidrido acético (com ácido acético glacial

e ácido sulfúrico), em fibras de sisal com um pré-tratamento alcalino/mercerização (5% e

10% de solução de hidróxido de sódio, NaOH, durante 1 hora a 300° C), relatando como

resultado uma melhoria significativa na característica de adesão do compósito.

Martins. e Joekes (2003) misturaram partículas de borracha de pneus com fibras curtas

de sisal prensadas em alta temperatura. As fibras de sisal foram testadas cruas, somente

mercerizadas e mercerizadas + acetiladas. As fibras mercerizadas + acetiladas alcançaram

uma estabilidade térmica maior que as fibras cruas, além de reduzir 20% da absorção de agua

em relação as outras duas condições. Uma melhor aderência entre sisal e borracha com as

fibras tratadas foi reportada.

32

Metodologia Experimental

CAPÍTULO 3

3. MATERIAIS E MÉTODOS.

3.1 Planejamento do experimento – DOE

O planejamento experimental, ou delineamento experimental, representa um conjunto

de ensaios estabelecido com critérios científicos e estatísticos, com o objetivo de determinar a

influência de diversas variáveis nos resultados de um dado sistema ou processo. Quando se

refere ao projeto de produtos, o planejamento experimental permite a avaliação e a

comparação de configurações (projetos) distintas, a avaliação do uso de materiais diversos, a

escolha de parâmetros de projeto adequados a uma ampla faixa de utilização do produto e

também a otimização de seu desempenho (BUTTON, 2005).

O planejamento fatorial é indicado quando se deseja estudar os efeitos de duas ou mais

variáveis de influência. Em cada tentativa ou réplica, todas as combinações possíveis dos

níveis de cada variável são investigadas. Quando o efeito de uma variável depende do nível

das outras variáveis, diz-se que há interação dessas variáveis.

No presente trabalho, o objetivo foi investigar o efeito da adição de nanopartículas de

sílica, da orientação das camadas e do tratamento químico feito nas fibras de sisal em

compósitos laminados sob esforços de flexão e impacto. Assim, os fatores e níveis

experimentais investigados neste experimento foram:

1. Tratamento da fibra (sem tratamento ou mercerizado e acetilado),

2. Orientação das cinco camadas (unidirecional [0°]5 ou bidirecional

0°/90°/0°/90°/0°) e,

3. Adição de nanopartículas de sílica dispersas.

Na Figura 23 temos um fluxograma dos fatores e níveis experimentais.

33


Estes fatores e níveis conduzem a um planejamento fatorial completo do tipo 2³,

gerando oito condições experimentais distintas (Tabela 3) a serem investigadas por meio de

um planejamento fatorial estatístico (DOE/ANOVA) com o auxílio do software Minitab®

versão 16.

Tabela 3 - Condições experimentais.

Planejamento Fatorial 2³

Condição Tratamento Orientação Adição de Sílica

C1 SEM 0°/0°/0°/0°/0° SEM

C2 COM 0°/0°/0°/0°/0° SEM

C3 SEM 0°/90°/0°/90°/0° SEM

C4 COM 0°/90°/0°/90°/0° SEM

C5 SEM 0°/0°/0°/0°/0° COM

C6 COM 0°/0°/0°/0°/0° COM

C7 SEM 0°/90°/0°/90°/0° COM

C8 COM 0°/90°/0°/90°/0° COM

Considerando a adoção de duas réplicas, oito condições experimentais e cinco corpos de

prova para cada condição, temos o total de 80 corpos de prova para cada tipo de ensaio. A

réplica consiste na repetição da condição experimental, proporcionando a estimativa do erro

experimental de uma resposta individual. A extensão desse erro é importante na decisão de

existirem ou não efeitos significativos que possam ser atribuídos à ação dos fatores

(WERKEMA e AGUIAR, 1996). Cabe ressaltar que a fabricação e os ensaios dos corpos de

prova foram realizados aleatoriamente, permitindo uma ordenação arbitrária das condições

Condições [0°]5

[0°/90°/Ō°]5

1. Tratamento Sem

Com

2. Orientação

3. Adição de Sílica Sem

Com

Figura 23 - Fatores e níveis experimentais.

34


experimentais e evitando que efeitos de fatores não controlados afetassem as variáveis-

respostas (BUTTON, 2005).

3.2 Tratamento químico das fibras

3.2.1 Lavagem das fibras

As fibras de sisal foram utilizadas conforme recebidas da empresa SisalSul - SP. O sisal

cultivado na Bahia foi extraído por meio de processo mecânico de descorticação, retirada das

fibras do sisal através de uma máquina que trabalha com alta velocidade de rotação, sendo

lavado e seco ao sol na região de cultivo. Na sede da empresa, as fibras (Tipo A) passaram

pelo processo de penteamento e foram embaladas, não sendo submetidas, por parte do

fornecedor, a tratamentos químicos.

Neste trabalho, as fibras de sisal foram lavadas com água destilada a 80 ºC por 1h

(Figura 24), e secas em estufa a 100 °C até massa constante. As fibras foram pesadas antes e

depois da secagem.

Figura 24 - (A) Aquecimento da água destilada a 80 °C e (B) lavagem em água destilada a 80

°C.

Após lavagem e secagem, as fibras sofreram os tratamentos de mercerização e

acetilação conforme o fluxograma apresentado na Figura 25:

35


Figura 25 - Fluxograma de tratamentos e ensaios.

3.2.2 Tratamento de mercerização

A mercerização (ou tratamento alcalino) das fibras de sisal foi realizada por adaptação

dos procedimentos reportados nos trabalhos de D’Almeida et al. (2011), Silva (2003) e

Martin (2001). Inicialmente, as fibras foram imersas em solução de NaOH 10% (m/v) por 1 h

à temperatura ambiente (Figura 26a). Após a mercerização, as fibras foram lavadas repetidas

vezes com água corrente até alcançarem pH neutro (Figura 26b) e em seguida foram mantidas

por 24 h em água destilada. Posteriormente, as fibras foram secas em estufa a 100 °C até

massa constante.

Figura 26 - (a) Fibras em solução de NaOH 10% por 1h, (b) fibras lavadas até pH neutro.

A caracterização das fibras mercerizadas foi realizada por espectroscopia de

infravermelho (IV-FT), termogravimetria (TGA), ensaios mecânicos de tração e microscopia

eletrônica de varredura (MEV), (Figura 25).

36


3.2.3 Tratamento de acetilação

As fibras de sisal, após terem sido submetidas às etapas de lavagem e mercerização,

sofreram a reação de esterificação por adaptação dos procedimentos propostos por D’Almeida

et al.(2011), Silva (2003) e Martin (2001). Inicialmente, as fibras foram imersos em ácido

acético glacial por 1 h à temperatura ambiente (Figura 27). Após esse período, elas foram

retiradas da solução ácida e, antes que ocorresse a secagem, foram mergulhadas em anidrido

acético 97% (adicionado de duas gotas de ácido sulfúrico concentrado para cada 50 mL de

anidrido acético) por 5 min à temperatura ambiente. Ao final desse tempo, as fibras foram

retiradas da solução, deixando-as escorrer, lavadas repetidas vezes com água de torneira, até

pH neutro, e posteriormente mantidas por 24 h em água destilada.

Figura 27 - Lavagem até pH neutro.

As fibras acetiladas foram secas em estufa a 100 °C até massa constante e

caracterizadas por espectroscopia infravermelho (IV-FT), termogravimetria (TG), ensaios

mecânicos de tração e microscopia eletrônica de varredura (MEV), (Figura 25).

3.3 Caracterização das fibras de sisal

Cerca de 50 gramas de cada condição das fibras (sem tratamento, mercerizada,

mercerizada + acetilada) foram separadas para a realização da caracterização por

37


espectroscopia infravermelho (IV-FT), termogravimetria (TG), ensaios mecânicos de tração e

microscopia eletrônica de varredura (MEV).

3.3.1 Espectroscopia infravermelho (IV-FT)

Os espectros IV-FT das fibras de sisal do tipo sem tratamento, mercerizadas e

mercerizadas + acetiladas foram obtidos em espectrofotômetro Perkin Elmer Spetrum GX no

Laboratório de Análise Térmica e Espectroscopia do Departamento de Ciências Naturais -

UFSJ. Espectros na região de 4000 a 400 cm-1

com resolução de 4 cm-1

e acúmulo de 32

espectros foram registrados para amostras preparadas em pastilha de KBr. A preparação do

KBr e o material utilizado é ilustrado na Figura 28.

Figura 28 - Em (A) preparação da pastilha de KBr e (B) compressão de 10T para confeccionar

a pastilha.

3.3.2 Termogravimetria (TG)

Para os ensaios de termogravimetria (TG), utilizando o analisador térmico DTG-60H da

Perkin Elmer do Laboratório de Análise Térmica e Espectroscopia do Departamento de

Ciências Naturais - UFSJ, as fibras foram trituradas (Figura 29) e submetidas ao seguinte

programa de temperatura: aquecimento de 25 a 650 °C a 3 Cmin-1

.

38


Figura 29 - Amostras das fibras trituradas usadas na análise TG.

3.3.3 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

A morfologia das fibras de sisal foi analisada por microscopia eletrônica de varredura

(MEV), utilizando o microscópio Hitachi TM-3000 (Figura 30) do Departamento de

Engenharia Mecânica da UFSJ. As imagens foram obtidas por elétrons retro espalhados

operando com 15 kV.

Figura 30 - Microscópio eletrônico de varredura (MEV)

3.3.4 Ensaios mecânicos de tração

As fibras de sisal foram preparadas conforme a norma ASTM D3822 (2007) para

realização dos ensaios de tração em filamento único. Este ensaio foi realizado no Centro de

Inovação e Tecnologia em Compósitos (CITeC) da UFSJ, utilizando-se uma máquina

universal de ensaios da Shimadzu, modelo AG-X Plus, com capacidade de 100 kN (Figura

31). Foram preparadas cinco amostras para cada condição de fibra (sem tratamento,

mercerizadas e mercerizadas + acetiladas), utilizando duas réplicas, obtendo assim trinta

39


corpos de prova. Um compósito com seis camadas de fibra de vidro foi laminado nas

extremidades do filamento de fibra de sisal para evitar o esmagamento e o escorregamento do

corpo de prova no sistema de fixação da máquina (Figura 32). De acordo com a norma ASTM

D3822 (2007) e dados da literatura (MUKHOPADHYAY et al., 2009; SILVA, 2011), foram

utilizados comprimento nominal entre garras de 30 mm e velocidade de ensaio de 3 mm/min.

Figura 31 - Máquina utilizada para ensaio de tração Shimadzu AG-X Plus

Figura 32 - (a) Corpo de prova de fibra de sisal reforçado nas extremidades com compósito de

fibra de vidro e (b) rompimento da fibra no ensaio de tração.

3.4 Dispersão das nanopartículas de sílica

40


De acordo com o fornecedor Sigma-Aldrich Chemistry, as nanopartículas de sílica

possuem diâmetro médio de 20 nanômetros e densidade superficial de 0,011 g/cm3.O

tratamento das nanopartículas de sílica foi realizado com adaptação dos procedimentos

reportados por Peng et al. (2007) e Mendonça (2009). Detalhes deste procedimento serão

explicados na seção seguinte.

3.4.1 Dispersão das nanopartículas de sílica com PDDA - poli (cloreto de

dialildimetilamônio)

Em um erlenmeyer 1 L foram adicionados 800 mL de água destilada e 8 g de nanosílica.

Esta solução seguiu imediatamente para o banho de ultrassom, sendo submetida à frequência

de vibração de 40 kHz por um período de 30 min (Figura 33).

Figura 33 - Banho de ultrassom em solução de agua destilada e nano sílica.

Após o banho com ultrassom, a solução de sílica foi colocada sob agitação magnética

(Corning Stirrer/Hot plane) com velocidade stir de 8 (Figura 34) e o pH foi aumentado pela

adição gota a gota de solução de NaOH 0,2 mol/L até atingir o valor constante de pH:10

medido em pHmetro Quimis. .

41


Figura 34 - Solução água e nano sílica em agitação magnética.

Uma solução aquosa de poli (cloreto de dialildimetilamônio) (PDDA) foi preparada

pesando-se 2,016 g e dissolvendo-se em 25 mL de água destilada. Por ser um polímero

catiônico, o PDDA é muito solúvel em água. Esta solução de PDDA foi então adicionada à

solução aquosa de nanosílica e a mistura final foi mantida sob agitação por 2,5 h. Após o

período de agitação, a solução aquosa a pH:10 contendo nanosílica e PDDA foi dividida em

porções de 45 mL que foram colocados em tubos de ensaios plásticos e levados para

centrifugação por 15 min, em uma centrífuga da marca QUIMIS (Figura 35 a). Após esse

período, a sílica foi decantada, a água foi retirada do tubo de ensaio em sequência foi

novamente preenchido com água destilada (Figura 35 b) a fim de remover o excesso de

polímero, e foi realizada nova centrifugação por 15 min.

Figura 35 - (a) Centrífuga e em (b) tubos de ensaio antes e depois da centrifugação.

Depois da segunda centrifugação e decantação, a amostra foi levada para secagem em

estufa a vácuo marca MARCONI, modelo MA 30/12 com uma pressão interna constante de

600 mm/Hg e temperatura de 45 °C, para total evaporação da fase líquida. Finalmente, com o

auxílio de uma peneira de abertura 400 US-Tyler (0,037 mm), a nanosílica tratada e seca foi

42


peneirada para ajudar no processo de dispersão e estocada em estufa para futura fabricação

dos compósitos.

3.5 Preparação dos corpos de prova

3.5.1 Tecelagem das fibras no molde

A Figura 36 exibe as fibras de sisal sem tratamento fornecidas pela empresa Sisal Sul

(São Paulo). Primeiramente, as fibras não danificadas foram selecionadas, garantindo um

comprimento de aproximadamente 1 metro, para posterior tratamento químico de

mercerização e acetilação. Um procedimento manual de pré-tensionamento das fibras foi

realizado a fim de verificar a existência de danos significativos que poderiam promover o seu

rompimento precoce.

Figura 36 - Fibras de sisal cruas.

Após a seleção, foi iniciada a tecelagem manual da fibra no molde, a qual foi realizada

baseando-se nas recomendações de Silva (2011). O procedimento inicia-se com um nó na

borda da estrutura metálica. A união da próxima fibra é feita por meio de outro nó, realizado

sempre na parte superior ou inferior da estrutura, evitando que este nó apareça na parte útil do

tecido. As fibras de sisal são pré-tensionadas nas direções longitudinal e transversal da

estrutura a fim de permitir a sobreposição dos tecidos com 0o e 90º (ver Figura 37).

43


Figura 37 - Ilustração do esquema de tecelagem da fibra na estrutura metálica: (a) tecelagem

da fibra na direção de 90° (b) tecido pronto e (c) tecelagem da fibra na direção de 0°.

A Figura 38 mostra a estrutura metálica utilizada para a tecelagem das fibras orientadas

a 0o e 90°. Os compósitos com camadas orientadas em [0°/90°/Ō°]5 foram fabricados pela

superposição dos tecidos unidirecionais.

Figura 38 - (a) Fibras tecidas na direção transversal da estrutura (90°) e (b) fibras tecidas na

direção longitudinal da estrutura (0°).

3.5.2 Laminação Manual (Hand Lay-up)

Os processos de laminação manual e montagem das camadas foram realizados no

Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos (CITeC) da UFSJ. Primeiramente, a massa

de fibra é calculada com base nos percentuais volumétricos investigados, neste caso, 30% em

44


volume de fibras e 70% em volume de matriz (resina epóxi). A conversão de fração

volumétrica para fração mássica pode ser realizada pela Equação 1 utilizando as densidades

dos constituintes:

f

f

f

md

v (1)

sendo df a densidade da fibra, mf a massa total da fibra e vf o volume da fibra. A

densidade da fibra de sisal utilizada foi informada pelo fornecedor e também confirmada no

trabalho de Silva (2012), sendo de 1,40 g/cm³.

O polímero termorrígido do tipo epóxi Araldite - M (RemLam M) e o endurecedor Ren

Shape HY 956, fornecidos pela empresa Huntesman, foram utilizados como fase matriz dos

compósitos. A fração mássica entre resina e endurecedor foi de 100 partes de resina para 20

partes de endurecedor (5:1) conforme recomendações do fabricante. A resina e o endurecedor

foram misturados manualmente por 5 minutos. A densidade de 1,15 g/cm³ (dado do fabricante

e confirmado no trabalho de Melo et al. (2012)), foi usada no cálculo da fração mássica de

fase matriz, igualmente ao procedimento realizado para a fase dispersa de fibras.

Após o cálculo do volume total das fases constituintes, inicia-se o procedimento de

laminação. Este procedimento foi realizado sobre uma peça de vidro revestida de um tecido

desmoldante do tipo Teflon®, denominado Armalon®, para um melhor acabamento final do

composto. A matriz é adicionada sobre o tecido de fibras, e por meio de uma espátula e de um

rolo realiza-se o espalhamento homogêneo da matriz sobre o tecido de fibras. Após esse

espalhamento, uma nova placa de vidro recoberta com Armalon® é colocada sobre a lâmina

com o objetivo de melhorar o acabamento e planicidade da lamina auxiliando na

desmoldagem (Figura 39).Na Figura 40 é apresentado o resultado de uma lâmina após sua

remoção do molde metálico.

Figura 39 - Molde com fibras e desmoldante Armalom®.

45


Figura 40 - Lamina de sisal, pré-impregnada de resina, depois de retirada do molde preparada

para a montagem.

A próxima etapa é o processo de montagem das camadas, sendo feito de acordo com a

condição a ser fabricada, nas orientações [0°]5 e [0°/90°/Ō°]5, (com mais detalhes no item

3.5.4). A Figura 41 ilustra as lâminas preparadas pra montagem do laminado.

Figura 41 - Cinco lâminas pré-impregnadas de resina separadas para montagem

A etapa final e única trata-se do processo de cura. Para tanto, o composto laminado foi

coberto por mais uma folha do desmoldante Armalon® e outra peça de vidro e então colocado

para cura por 7 dias, de acordo com as normas do fabricante, Huntsman®, seguido de

desmoldagem e corte dos corpos de prova.

Todos os laminados foram fabricados seguindo esse mesmo procedimento. A

temperatura de condicionamento e realização do processo de laminação foi de 24 ± 1 ºC com

umidade relativa controlada de 50 ± 10%.

46


3.5.3 Adição de nanopartículas de sílica dispersas em PDDA

Nas condições em que é adicionado o reforço particulado de nanosílica com tratamento

de dispersão, primeiramente é necessário calcular a quantidade a ser empregada. O cálculo é

baseado na massa do compósito final e foi utilizado neste trabalho 2% de nanopartículas em

massa (% m) devido a aproximação dos melhores resultados obtidos por Kinloch (2005),

Zhang et al. (2006), Wetzel et al. (2006) e Li et al. (2005). A adição de nanopartículas

dispersas é feita na resina epóxi, antes da mistura do endurecedor, e a solução permanece em

mistura até uma aparência homogênea, por volta de 5 minutos. Então, a mistura resina epóxi +

nanosílica, tratada para dispersão, é impregnada nas fibras para a laminação dos compósitos.

3.5.4 Orientação das camadas para fabricação dos compósitos.

Os compósitos foram fabricados pela superposição de cinco camadas de lâminas, sendo

utilizada resina epóxi entre cada camada. Foram seguidos dois tipos de orientações a

montagem unidirecional, com as fibras dispostas a [0°]5 (Figura 42a), e bidirecional, com as

fibras dispostas alternadamente a 0° e 90°, formando um compósito com orientação

[0°/90°/Ō°]5, como mostra a Figura 42b.

Figura 42 - Orientações das camadas: (a) unidirecional [0°]5 e (b) bidirecional [0°/90°/Ō°]5.

Durante o processo de montagem e orientação das fibras pré-impregnadas com resina

epóxi, em cada camada adicionada foi utilizado um rolo que ajuda espalhar a resina epóxi e a

eliminar bolhas no compósito (Figura 43).

47


Figura 43 - Roletagem para remoção de bolhas no compósito.

3.6 Caracterizações físico-mecânicas dos compósitos

3.6.1 Ensaio físico

3.6.1.1 Densidade aparente

A gravidade específica ou a densidade de um sólido é uma propriedade que é

convenientemente medida para identificar um material, para acompanhar as alterações físicas,

em uma amostra, para indicar o grau de uniformidade entre as unidades de amostragem

diferentes ou amostras.

Segundo a Norma ASTM D792 (2008), alterações na densidade de um material são,

entre outras causas, devidas a diferenças na cristalinidade, na perda de plastificante, na

absorção de solvente,. É possível que as partes de uma amostra difiram em densidade devido

às suas diferenças, como por exemplo, composição e tipos ou proporções de resina,

plastificante, pigmento, ou material de reforço.

Neste trabalho, a densidade aparente (ou densidade relativa) foi obtida segundo os

procedimentos da Norma ASTM D792 (2008), com a utilização de uma balança de precisão

0,001 da marca Marte modelo AL 500C (Figura 44), utilizando água destilada a 25 °C. Para a

análise foram utilizadas duas amostras de cada condição experimental.

48


Figura 44 - Medição do corpo submerso em água destilada para ensaio de densidade.

3.6.1.2 Porosidade aparente

A porosidade aparente é definida como o percentual volumétrico de porosidade aberta

existente na amostra. O cálculo da porosidade foi estabelecido pela norma Britânica BS

10545-3 (1997) por meio do princípio de Arquimedes. A Equação 2 estabelece a porosidade

aparente em função da medição das massas do corpo de prova seco, saturado e submerso em

água.

(2)

Sendo:

Pa a porosidade aparente, m1 a massa do corpo de prova seco (g), m2 a massa da amostra

saturada com água (g) e m3 a massa da amostra totalmente submersa na água (g).

3.6.2 Ensaios mecânicos

3.6.2.1 Ensaio de flexão em três pontos

Para medidas dos corpos de prova e para ensaios de flexão em três pontos foram

utilizados os procedimentos da Norma ASTM D 790 (2010). As medidas dos corpos de

provas são baseados na espessura do material, que neste trabalho ficou em média de 2 mm, na

49


largura estipulada pela norma - 12,7 mm, e na distância entre os apoios da máquina,

estipulada em 16 vezes a espessura, ou seja, 32 mm. Segundo a Norma, a amostra deve ser

suficientemente longa para permitir uma saliência em cada extremidade de pelo menos 10%

dos apoios, mas em nenhum caso menos de 6,4 mm em cada extremidade. As extremidades

do corpo de prova devem ter tamanhos suficientes para evitar que ele escorregue. Por isso foi

utilizado comprimento do corpo de prova igual a 44,8 mm.

As placas do compósito de sisal foram medidas e marcadas para o corte. Foram

eliminadas as extremidades das placas para evitar os defeitos comuns nessas áreas (Figura

45).

Figura 45 - Marcação para eliminação das extremidades dos corpos de prova.

Os corpos de prova, para ensaios na flexão mostrados na Figura 46, foram então

cortados nas dimensões anteriormente indicadas conforme norma ASTM D 790 (2010).

Figura 46 - Corpos de prova para os ensaios de flexão.

50


O equipamento utilizado para os ensaios no modo flexão foi uma máquina de ensaios

universal SHIMADZU AG-X Plus, do Laboratório de Ensaios Mecânicos da UFSJ (Figura 47

e detalhe do ensaio na Figura 48) De acordo com a norma ASTM D790 (2010), durante o

procedimento foi utilizada velocidade de ensaio de 2 mm/min.

Figura 47 - Máquina utilizada para ensaios na flexão, SHIMADZU® AG-X Plus.

Figura 48 - Detalhe do ensaio de flexão em três pontos em um compósito de sisal.

Para realizar os testes de flexão em três pontos foram fabricadas duas placas de

compósito de sisal, para cada condição. Para cada uma dessas placas foram ensaiados cinco

corpos de prova.

3.6.2.2 Ensaio de impacto Charpy

51


O teste de Charpy é feito para avaliar a capacidade de absorção de energia do material

ao impacto. O equipamento consiste de um pêndulo fixado a uma altura específica que oscila

para se chocar contra a amostra no ponto mais baixo da oscilação (Figura 49).

Figura 49 - Ilustração do equipamento para o teste de Charpy.

A fabricação dos corpos de prova e o ensaio de impacto foram feitos baseados na norma

ASTM D256 e no manual da máquina utilizada, com corpos de prova não entalhados de 2

mm de espessura, 80 mm de comprimento 15 mm de largura (Figura 50).

Figura 50 - Corpos de prova para impacto.

O ensaio foi realizado no Laboratório de Ensaios Mecânicos da UFSJ. O equipamento

utilizado foi uma máquina de testes XJJ-50 Series (Figura 51). Segundo o fabricante, a

velocidade para o impacto deve ser de 3,8 m/s com pêndulo de 15 J.

52


Figura 51 - Máquina de ensaios XJJ-50 Series utilizada para os testes de Charpy.

Para realizar os testes de impacto foram fabricadas duas placas de compósito de sisal,

para cada condição, sendo obtidos e ensaiados cinco corpos de prova de cada placa.

53

Resultados e Discussões

Tabela

CAPÍTULO 4

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Propriedades das fases constituintes dos compósitos

4.1.1 Matriz epóxi

A matriz epóxi sem adição de nanopartículas de sílica utilizada neste trabalho foi

avaliada por Melo et al. (2012), apresentando uma densidade aparente média de 1,152 g/cm³ e

módulos de elasticidade em compressão (MOE-c) e flexão (MOE-f), de 1,726 GPa e

1,711GPa, respectivamente (Tabela 4).

Tabela 4 - Propriedades físicas e mecânicas da matriz epóxi.

MOE-c

(GPa)

MOE-f

(GPa)

Densidade

(g/cm³)

Matriz epóxi (RENLAM M +

HY956) 1,726 1,711 1,152

Desvio padrão 0,02336 0,05424 0,01131

Variância 0,00135 0,00317 0,00012

A Figura 52 exibe o comportamento mecânico da matriz epóxi sem adição de nano

partículas de sílica sob carregamento de flexão em três pontos.

Figura 52 - Comportamento mecânico da matriz epóxi sem nanopartículas sob esforços de

flexão em três pontos (MELO et al., 2012).

54


4.1.2 Dispersão das nanopartículas de sílica

A Figura 53 apresenta uma imagem obtida por microscopia eletrônica de transmissão da

fase matriz com a adição de nanopartículas de sílica. Observa-se uma aglomeração das

nanopartículas indicando uma dispersão inadequada das mesmas.

Figura 53 - Imagem obtida por Microscópio (MET) da matriz epóxi com adição de

nanopartículas sem tratamento de dispersão. As setas indicam aglomerações.

A ligação da superfície das partículas de sílica pode ser comparada ao seu comprimento.

No entanto, quanto maior o tamanho das partículas, maior é a distância de ligação, o que

contribui para facilitar a sua dispersão (ISURU, TANAKA e KUMAZAWA, 2008). Desta

forma, a energia de superfície de nanopartículas é elevada tornando difícil a sua dispersão. O

método simples de agitação normalmente utilizado não é suficiente para dispersar os estados

aglomerados (ISURU, TANAKA e KUMAZAWA, 2008). A Figura 54 apresenta a imagem,

obtida via MET, do material polimérico reforçado com 2% de nano sílica (SiO2) com

tratamento para dispersão (PDDA).

55


Figura 54 - Imagem obtida por MET da resina epóxi com adição de nanosílica com tratamento

de dispersão (PDDA).

Um dos principais benefícios da adição de nanopartículas em materiais compósitos está

relacionado a sua elevada área superficial, que incrementa as propriedades mecânicas do

compósito.

4.1.3 Análise por Espectroscopia de Infravermelho (IV-FT) da matriz epóxi

reforçada com nanopartículas de sílica dispersas com PDDA.

A análise por Espectroscopia de Infravermelho (IV-FT) da matriz epóxi reforçada com

nanopartículas de sílica dispersas com PDDA permite validar a presença de nanopartículas de

sílica tratadas. A Figura 55 apresenta os resultados obtidos desta análise com os picos

característicos correspondentes às nanopartículas de sílica e PDDA.

56


Figura 55 - IV FT para nanosílica funcionalizada com PDDA

Evidências de partículas de sílica são observadas pelos picos nas regiões entre 1250 e

1000 cm-1

(PENG et al., 2007).

O pico aproximadamente em 3500 /cm-1

corresponde ao grupo de vibração OH, grupo

do H2O contendo a molécula PDDA (MANOJ, KUMAR e SANTHANALAKSHMI, 2012).

Observa-se a frequência de vibração de grupos C=C em uma região entre 1500 e 1750. A

vibração nessa faixa corresponde às bandas características de PDDA (LIU et al., 2010).

A interação do polímero PDDA com as moléculas de oxigênio das nanopartículas de

sílica é evidenciada com a presença de grupos OH. De forma semelhante a outros agentes

dispersantes, o PDDA promoveu um aumento na distância entre os grupos Si-OH na

superfície das partículas de sílica, levando a uma diminuição da atividade de ligação de

superfície, e, como consequência facilitando a dispersão em resina epóxi (ISURU, TANAKA

e KUMAZAWA, 2008).

4.2 Efeito do tratamento das fibras de sisal em suas propriedades físico-

químicas

4.2.1 Análise por Espectroscopia infravermelho (IV FT) das fibras de sisal.

O gráfico da Figura 56 apresenta os resultados das análises de espectroscopia

infravermelhos (IV-FT) realizadas nas fibras de sisal sem tratamento (crua), mercerizada e

mercerizadas + acetiladas.

57


Figura 56 - Resultados da análise das fibras de sisal. (IV FT)

Nota-se modificações na composição das fibras comparando-se o comportamento

obtido pela fibra não tratada com relação aos demais tratamentos. As fibras de sisal natural

apresentam alta intensidade de pico a 3200-3600/cm-1

, em decorrência da vibração axial,

característica das hidroxilas (ligações O-H, responsável pela hidrofilicidade das fibras) neste

comprimento de onda. Neste trabalho podemos observar uma pequena diferença nestes picos

para as curvas com fibras mercerizadas + acetiladas, indicando uma possível redução da

hidrofilicidade das fibras de sisal (PANDEY, 1999; TSERKI et al., 2005).

Do mesmo modo Kim e Netravali (2010) observaram bandas em 1750/cm-1. Essas

bandas correspondem à vibração do grupo carbonila (C=O) gerado durante a esterificação dos

grupos hidroxila presentes nas fibras. O aumento de grupos carbonílicos após o tratamento

indica a ocorrência da reação química. A presença de banda de carbonila nas fibras sem

tratamento se deve à possível oxidação natural das mesmas (GAÑAN et al., 2005; TSERKI et

al., 2005).

Em 1650/cm-1

a intensidade do pico para a fibra acetilada diminui sensivelmente, o

aparecimento ou modificação deste pico pode estar associado ao potencial de absorção de

água pela celulose cristalina (TSERKI et al., 2005).

Nos picos de 1636 e 1250 cm-1

Lu et al. (2003) observaram que a alteração nestes picos

demonstram que a hemicelulose e a lignina presentes na fibra foram alteradas, o que pode ser

uma evidencia da eficácia do tratamento. Nos trabalhos publicados por Kim e Netravali

58


(2010) e Khalil et al.(2001) foi possível observar essas alterações e, ainda, que estiramentos

em comprimentos entre 2900–3000 cm-1

podem estar relacionados ao estiramento de ligações

C-H nos anéis aromáticos.

4.2.2 Termogravimetria (TG) das fibras de sisal.

A análise termogravimétrica (TG) das fibras de sisal sem tratamento (cru), mercerizada

e mercerizada + acetiladas é apresentada nas curvas da Figura 57.

Observam-se três estágios de perda de massa das fibras de sisal em todas as situações.

Em seu primeiro estágio, a curva de TG de sisal sem tratamento mostra uma perda de peso de

aproximadamente 8% no intervalo de temperatura de 20-225°C, o que pode ser atribuída à

perda de água adsorvida na fibra (reações de desidratação), entretanto uma menor perda de

água pode ser observada para as fibras tratadas. No segundo estágio, a degradação das fibras

de sisal começa por volta de 230°C e aumenta de acordo com o aumento de temperatura,

apresentando uma perda de peso de aproximadamente 75% entre 230 – 450°C. Este segundo

estágio está relacionado com a decomposição da lignina por volta de 260ºC, sendo este efeito

mais significativo para a fibra sem tratamento. O terceiro estágio a 315ºC revela a

decomposição da celulose (JOSEPH et al, 2003; MOTHÉ e ARAÚJO, 2004).

Figura 57 - Análise termogravimétrica das fibras de sisal sem tratamento, mercerizadas e

mercerizadas + acetiladas.

Estes resultados estão em concordância com aqueles encontrados na literatura, que

revelam uma rápida degradação das fibras, a qual se inicia em 230° e torna-se mais rápida em

59


torno de 300°C. No terceiro estágio a partir de 500 °C a degradação é mais lenta restando

apenas sisal carbonizado (MARTIN et al., 2010).

É possível observar uma similaridade no comportamento das fibras tratadas e não

tratadas, entretanto, cabe ressaltar que as amostras mercerizadas e mercerizadas + acetiladas

apresentaram menores perdas de massa em comparação ao sisal sem tratamento (cru) nas

temperaturas entre 200 °C e 350 °C. Por outro lado, a partir de 400 °C até 600 °C a amostra

de sisal mercerizada + acetilada exibiu uma menor perda de massa em comparação com as

outras condições (Figura 57).

4.2.3 Ensaio de tração das fibras

Anteriormente à realização do ensaio de tração das fibras de sisal, as mesmas foram

observadas em um microscópio óptico da marca Mitutoyo modelo TM-510, a fim de medir o

diâmetro para cálculo das tensões. Cinco medidas do diâmetro foram realizadas em cada fibra

para determinação do diâmetro médio. O software Moticam Solution MLC-150C foi utilizado

na medição do diâmetro conforme mostra a Figura 58.

Figura 58 - Imagem obtida pelo microscópio óptico para medição do diâmetro de uma das

fibras Mercerizada.

A heterogeneidade do diâmetro ao longo das fibras naturais contribui para a

variabilidade da área da seção transversal e por sua vez no cálculo da resistência mecânica.

Cabe ressaltar que além da variação diametral intrínseca das fibras naturais, uma nova

redução pode ser atribuída devido aos tratamentos químicos que removem parte de seus

60


constituintes. A Tabela 5 apresenta os resultados das médias das áreas das secções

transversais encontradas em cada tipo de fibra.

Tabela 5 - Resultados das medidas das fibras de sisal

Tipo de Fibra Média da Área (mm²) Desvio padrão CV %

Referência (sem tratamento) 0,0573 0,0219 38,17

Mercerizada 0,0484 0,0048 09,90

Mercerizada + Acetilada 0,0398 0,0069 17,32

As fibras de sisal exibiram um modo de fratura frágil sob esforços de tração, e uma

queda de carga súbita após o desgaste da fibra, sendo este resultado semelhante ao trabalho

publicado por Belaadi et al. (2013). Na Figura 59 pode-se ver uma curva tensão deformação

típica desse comportamento.

Figura 59 - Curva Tensão (MPa) x Deformação (%) de uma amostra de fibra de sisal sem

tratamento.

As estatísticas descritivas das médias de módulo de elasticidade e resistência à tração

estão apresentadas na Tabela 6.

61


Tabela 6 - Resultados do ensaio de tração para as fibras de sisal.

Módulo de Elasticidade- MOE-t Resistência à tração- MOR-t

Condição (Tipos

de fibra)

Módulo de

Elasticidade

(GPa)

Desvio

padrão

(MOE-t)

C V %

(MOE-t)

Resistência

à tração

(MPa)

Desvio

padrão

(MOR-t)

C V%

(MOR-t)

Ref. (sem trat.) 15,61 0,81 5,0 381,06 18,85 4,9 Ref. (sem trat.)-

Réplica 14,52 1,00 6,8 494,08 40,94 8,3

Mercerizada 11,01 1,40 12,0 243,45 21,67 8,9 Mercerizada -

Réplica 10,69 1,50 14,0 243,45 19,72 8,1

Mer. + Acetilada 11,50 1,78 9,0 292,81 22,66 7,7 Mer. + Acetilada

- Réplica 12,21 0,60 4,9 283,66 26,17 9,2

As médias de resistência à tração encontradas para fibras sem tratamentos (494 MPa)

são semelhantes às encontradas nos trabalhos de Belaadi et al. (2013), exibindo o valor

médio de 462 MPa e de Bessell e Matuli (1982) de 481 MPa. O módulo de elasticidade médio

encontrado (14,52 GPa) foi semelhante aos valores encontrados por Silva (2011), valor médio

de 14,8 GPa, e Murherjee e Satyanarayana (1984) que apresenta um valor médio de 14,0 GPa.

A Tabela 7 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média das

variáveis MOE e Resistência à tração. Os P-valores inferiores a 0,05 indicam que o

tratamento da fibra afeta significativamente as variáveis respostas módulo de elasticidade

(0,009) e resistência à tração (0,039). Os gráficos de efeitos do MOE e resistência à tração

estão apresentados nas Figuras 60 e 61, respectivamente.

Tabela 7 - Análise de Variância para os resultados do ensaio de tração das fibras de sisal

Fator experimental P-valor

MOE Resistência à tração

Tratamento 0,009 0,039

R² (adj) 92,73% 86,54%

Os P-valores do teste de normalidade de Anderson-Darling dos resíduos da ANOVA

foram superiores a 0,05 nas duas respostas investigadas [0,866; 0,100], validando os

resultados encontrados.

Com estes resultados podemos observar que o tratamento químico promoveu uma

redução substancial nos valores do módulo de elasticidade (Figura 60) e resistência à tração

(Figura 61). Esse comportamento pode ser atribuído ao desgaste significativo das fibras

quando estas foram submetidas ao tratamento químico. Esse comportamento pode estar

62


relacionado com a degradação estrutural, as células das fibras sofrem durante o ataque

químico, isto é, a remoção parcial da lignina e hemicelulose (BLEDZKI e GASSAN, 1999).

Estes resultados se assemelham com os obtidos por Rong, Zhang, e Liu (2001) em

fibras de sisal mercerizadas a 2% de NaOH e mercerizadas + acetiladas com respectivamente

18% de NaOH e 2,5 % H2SO4. A redução do módulo de elasticidade em fibras acetiladas foi

reportada por Bessadok et al. (2008).

Figura 60 - Gráfico de efeito do tratamento químico sobre o Módulo de elasticidade das

fibras.

RefMercerizado AcetiladoMercerizado

450

400

350

300

250

Tratamento

Mé

dia

para

re

sis

tên

cia

à t

ração

(M

Pa)

Figura 61 - Gráfico de efeito do tratamento químico sobre a resistência à tração das fibras.

A redução das propriedades mecânicas das fibras foi atribuída à perda de substâncias

solúveis em álcali (mercerização) e nas reações de acetilação, como hemicelulose e lignina; o

que foi confirmado por espectroscopia infravermelho (Figura 56), e Termogravimetria (Figura

57). O mesmo efeito foi também reportado por Paula (1996) na investigação de fibras de sisal

mercerizadas.

70%

36,3%

%%

63


4.2.4 Análise micro estrutural (MEV)

As fibras de sisal sem tratamento (Figura 62) apresentaram superficialmente células de

parênquima bem definidas com suas cavidades em grande parte empacotadas de material

vegetal, ceras e impurezas (Figura 62 b). A Figura 63 exibe a imagem com ampliação de 100x

e 500x das fibras mercerizadas, mostrando uma superfície mais limpa e rugosidade superior

às fibras sem tratamento (Figura 62). Cao e Cameron (2006) investigaram o efeito do

tratamento químico de fibras de sisal, e concluíram que a mercerização das fibras leva à

fibrilação. A fibrilação é o processo em que a fibra se divide após o tratamento alcalino.

Quando mercerizadas + acetiladas, as fibras passaram a apresentar uma superfície mais lisa

(ver Figura 64), que segundo Bessadok et al. (2009), está associado à eliminação de

substâncias que influenciam diretamente na hidrofilicidade como a pectina, a lignina e a cera

amorfa presente nas cutículas das fibras.

Figura 62 - Imagens da fibra sem tratamento obtidas por MEV (a) 100x e (b) 400x.

(a) (b)

64


Figura 63 - Imagens da fibra tratada por mercerização obtidas por MEV (a) 100x e (b) 500x.

Figura 64 - Imagem da fibra mercerizada + acetilada obtidas por MEV (a) 100x e (b) 800x.

4.3 Propriedades físicas

A Tabela 8 apresenta a média dos valores entre as duas réplicas obtidas nos ensaios de

densidade aparente absorção de água (%) e porosidade aparente dos compósitos híbridos de

fibra de sisal.

(a) (b)

(a) (b)

65


Tabela 8 - Resultados de densidade aparente, absorção de água e porosidade para compósitos

de fibra de sisal.

Fatores experimentais Densidade

Absorção

Água (%) Porosidade

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 1,24 52,55 26,38

Tratada C2 1,18 27,60 23,78

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 1,25 68,75 24,67

Tratada C4 1,17 27,40 23,59

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 1,21 32,15 21,05

Tratada C6 1,09 19,50 15,90

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 1,21 42,45 21,25

Tratada C8 1,11 24,85 16,49

A Tabela 9 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para média da

variável resposta Densidade, Absorção de água e porosidade encontrando-se sublinhados os

P-valores menores ou iguais a 0,05 (5%) e o respectivo coeficiente de determinação R2 (Adj.),

considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95%. O valor de R² ajustado

indica se o modelo ajustou-se adequadamente.

Tabela 9 - Resultado da Análise de Variância para a Densidade aparente, absorção de água e

porosidade aparente de compósitos de sisal.

P-valor

Fatores experimentais Densidade Absorção

de água Porosidade

Tratamento 0,000 0,000 0,000

Orientação 0,525 0,000 0,651

Nano Sílica 0,000 0,000 0,000

Tratamento*Orientação 0,720 0,000 0,429

Tratamento*Nanosílica 0,006 0,000 0,022

Orientação*Nanosílica 0,306 0,922 0,273

Tratamento*Orientação*Nanosílica 0,141 0,011 0,640

R² (adj) 95,75% 98,84% 91,13%

Quando um ou mais efeitos de interação são significativos, os fatores que interagem

devem ser considerados conjuntamente (DRUMOND et al., 1993). Os valores em destaque na

Tabela 9 serão analisados nos gráficos de efeitos sequentemente.

Os gráficos de resíduos para densidade aparente, absorção de água e porosidade

seguiram o mesmo comportamento, com condições de normalidades exigidas pela ANOVA,

66


homogeneidade e independência das amostras comprovadas e variância do erro residual

constante. Portanto foram retirados do manuscrito, mas estão apresentados no apêndice deste

trabalho.

4.3.1 Densidade aparente

A Tabela 10 apresenta os resultados médio das duas réplicas referentes a densidade

aparente (Densidadeap); desvio padrão (DP) e coeficiente de variação (CV)

Tabela 10 - Resultados para densidade aparente

Fatores experimentais Densidadeap DP CV(%)

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 1,24 0,0078 0,62

Tratada C2 1,18 0,0070 0,59

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 1,25 0,0132 1,05

Tratada C4 1,17 0,0075 0,64

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 1,21 0,0059 0,49

Tratada C6 1,09 0,0065 0,60

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 1,21 0,0195 1,60

Tratada C8 1,11 0,0162 1,45

Nota-se inicialmente uma redução nos valores de densidade dos compósitos de fibras

submetidas ao tratamento químico. A Tabela 9 exibe os resultados da análise de variância

(ANOVA) para a média da variável resposta densidade, os fatores significativos com P-valor

menor que 0,05 estão sublinhados. A interação de segunda ordem, tratamento e nano sílica,

foi significativa, portanto estes resultados serão apresentados no gráfico de efeitos de fatores

(Figura 65).

Compósitos com fibras tratadas com adição de 2% de nanosílica exibiram menor

densidade aparente. As partículas de nano sílica permitiram uma redução percentual de

aproximadamente 7% e 2% na densidade dos compósitos fabricados com fibras tratadas e não

tratadas, respectivamente.

67


2%0%

1,26

1,24

1,22

1,20

1,18

1,16

1,14

1,12

1,10

Nano Sílica

Méd

ia d

a d

en

sid

ad

e

Tratado

Sem tratamento

Tratamento

Figura 65 - Gráfico de interação dos fatores tratamento e nanosílica para a densidade aparente.

Segundo Rong et al. (2001), o tratamento de fibras de sisal com NaOH promove uma

diminuição da densidade das mesmos, fenômeno também observado no trabalho de Ray et al.

(2002) com fibras de juta tratadas com NaOH a 5%. O tratamento químico causa alterações

nas propriedades físicas e químicas das fibras, como por exemplo, a redução de diâmetro e

massa, que, em conjunto com as mudanças de cristalização, altera a densidade das fibras.

A adição de nanopartículas nos compósitos de fibras naturais permitiu uma redução da

densidade aparente (Figura 65), assim como reportado por Yusriah, Mariatti e Bakar (2010).

Este trabalho investigou compósitos de fibra de vidro com inserção de micro partículas

(PHMS) com densidade de 0,23 g/cm3 (inferior à da própria fibra). Logo a redução de

densidade do compósito ao adicionar nanosílica pode ser explicada pelo preenchimento de

vazios internos por nanopartículas com densidade aparente de 0,011 g/cm3, ou seja inferior à

densidade da própria resina (1,14 g/cm3) e das fibras de sisal (1,45 g/cm

3).

4.3.2 Absorção de água

A Tabela 11 apresenta os resultados médio das duas réplicas referentes a absorção de

água (%); desvio padrão (DP) e coeficiente de variação (CV).

Tabela 11 - Resultados para Absorção de água.

Fatores experimentais Absorção de DP CV(%)

7%

2%

11%

68


agua (%)

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 52,55 0,78 1,48

Tratada C2 27,60 0,99 3,59

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 68,75 1,20 1,75

Tratada C4 27,40 1,70 6,19

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 32,15 1,06 3,30

Tratada C6 19,50 0,57 2,90

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 42,45 0,78 1,83

Tratada C8 24,85 4,03 8,22

A Tabela 9 exibe os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média da

variável resposta absorção de água. Os fatores significantes com P-valor menor que 0,05 estão

sublinhados na Tabela 9. O valor de R² adj. de 98,84% indica que o modelo se ajustou

adequadamente a absorção de água apresentada pelo compósito.

A interação de terceira ordem dos fatores tratamento das fibras, orientação e a adição de

partícula afetou significativamente a absorção de água dos compósitos. A Figura 66 revela

que as fibras tratadas com adição de nanopartículas na matriz polimérica resultaram na

redução da absorção de água. Este comportamento condiz com a hipótese de preenchimento

de vazios pelas nano partículas e consequente redução de densidade dos compósitos, como

discutido na seção anterior. Constata-se que o tratamento químico das fibras promoveu a

redução da absorção de água do compósito. Entretanto, para o compósito sem adição de

reforço nano particulado, sem tratamento e bidirecional em 0°/90°/0°/90°/0° apresentou os

maiores valores de absorção de água em torno de 68%. Enquanto que para os compósitos com

fibras tratadas, com adição de nanopartículas de sílica e unidirecionais apresentaram valores

mínimos de absorção de água em torno de 19%.

69


0/90/0/90/00/0/0/0/0 2%0%

60

40

2060

40

20

Tratamento

Orientação

Nano Sílica

Tratado

Sem tratamento

Tratamento

0/0/0/0/0

0/90/0/90/0

Orientação


absorção de água

Destaca-se que os testes de absorção de água foram realizados até que não fosse mais

detectada variação no teor de água absorvido. Este fato deve- se, provavelmente, dentre outros

fatores, à presença de vazios nos materiais devido ao processo de fabricação, e consequente

penetração de moléculas de água, aumentando a absorção de água (PAIVA e FROLLINI,

2002; SANTOS, 2012).

Dentre os componentes principais que constituem as fibras vegetais, a hemicelulose é a

principal responsável pela absorção de umidade da fibra, ainda que a lignina e a celulose não

cristalina tenham também sua importância (DAS et al., 2000). O tratamento alcalino extrai ao

menos parte da hemicelulose e, desta forma, seria esperado a redução do nível de absorção de

água na fibra. No entanto, já foi verificado em alguns trabalhos que isto nem sempre acontece

(SYDENSTRICKER et al., 2002), (TITA, 2002). Uma possível explicação pode ser atribuída

à extração da hemicelulose da fibra a qual permite que a celulose torne-se mais exposta e

consequentemente mais acessível à ação da água, o que resulta em um maior nível de

absorção. Porém, quando as fibras estão inseridas no compósito, além das características da

fibra, é de fundamental importância à qualidade da interface fibra / matriz. Quanto maior a

adesão na interface menor o nível de absorção. O tratamento de mercerização, além de

remover impurezas e extrair parte dos componentes das fibras vegetais, produzindo uma

superfície mais rugosa, pode ainda conduzir à desfibrilação, ou seja, separação do feixe de

79,83% 20,54%

12,82% 68,21%

19,96%

30,3%

(a) (b)

(c)

70


fibrilas que compõem a fibra, o que aumenta a área superficial efetiva. Isto permite que a

resina penetre na fibra e se deposite na sua superfície e regiões interfibrilares, diminuindo a

probabilidade da ocorrência de microvazios na interface que poderiam alojar moléculas de

água (SILVA, 2003). Já o tratamento de acetilação feito nas fibras tem capacidade de

promover as fibras um caráter apolar em consequência das substituições de grupos reativos

em suas paredes celulares. Finalmente, os tratamentos químicos diminuem a capacidade de

absorção d’água do compósito.

4.3.3 Porosidade Aparente

A Tabela 12 apresenta a média dos resultados de porosidade aparente (%); desvio

padrão (DP) e coeficiente de variação (CV)

Tabela 12 - Resultados para Porosidade aparente.

Fatores experimentais Porosidade(%) DP CV(%)

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 26,38 0,36 1,4

Tratada C2 23,78 2,44 10,28

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 24,67 1,05 4,29

Tratada C4 23,59 0,23 1,01

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 21,05 1,17 5,57

Tratada C6 15,90 0,10 0,65

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 21,25 1,02 4,82

Tratada C8 16,49 0,40 2,44

Os fatores experimentais tratamento e adição de nanosílica analisados apresentaram

efeito significativo sobre a porosidade aparente dos compósitos, ambos exibindo P-valor de

0,000 (Tabela 9). A interação Tratamento*Adição de Nanosílica exibiu efeito significativo

com P-valore de 0,022 (Tabela 9).

Os pontos distribuídos ao longo da reta no gráfico de probabilidade normal (Apêndice)

e o valor de 91,13% obtido para o R² (adj) exibido na Tabela 9 garantem, respectivamente, as

condições de normalidade e ajuste adequado de dados para a variável-resposta porosidade

aparente dos compósitos.

O efeito principal dos fatores tratamento químico e adição de Nano sílica são exibidos

na Figura 67. Uma diferença percentual média de 17,5% e 32% pode ser observada entre

tratamento e adição de nano sílica respectivamente.

71


Sem tratamentoTratado

25

24

23

22

21

20

19

18

2%0%

Tratamento

Po

rosi

da

de

(%)

Nano Sílica

Figura 67 - Gráfico de efeitos principais para porosidade aparente

O efeito da interação Tratamento*Nanosílica exibido na Figura 68 revela a redução da

porosidade em função do tratamento e da adição de nano partículas de sílica. Esta redução de

porosidade pode ser atribuída ao efeito de preenchimento de vazios pelas partículas em

conjunto com uma melhor molhabilidade das fibras pela resina epóxi após o tratamento

químico.

2%0%

25,0

22,5

20,0

17,5

15,0

Nanosílica

Po

rosi

da

de

(%)

Tratado

Sem tratamento

Tratamento

Figura 68 - Gráfico de interação dos fatores tratamento e nanosílica para a porosidade

aparente.

4.4 Ensaio de flexão em três pontos nos compósitos de sisal


flexão e impacto dos compósitos híbridos de fibra de sisal. Os valores serão representados por

17,5% 32%

30%

8%

72


MOR-f para de resistência à flexão, por MOE-f para módulo de elasticidade e por Impacto para

energia absorvida (J) ao impacto.

Tabela 13 - Resultados de resistência e módulo na flexão e de energia absorvida ao impacto

para compósitos de fibra de sisal.

Fatores experimentais MOR-f

(MPa)

MOE-f

(GPa) Impacto(J)

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 62,06 3,12 2,07

Tratada C2 62,55 3,50 1,21

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 53,89 3,06 1,44

Tratada C4 60,61 3,46 0,87

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 70,97 3,39 2,78

Tratada C6 89,88 4,30 1,71

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 59,72 3,32 1,95

Tratada C8 67,95 3,46 1,41

A Tabela 14 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para média da

variável resposta MOR-f, MOE-f e Impacto encontrando-se sublinhados os P-valores menores

ou iguais a 0,05 (5%) e o respectivo coeficiente de determinação R2 (Adj.), considerados

significativos a um nível de confiabilidade de 95%. O valor de R² ajustado indica se o modelo

ajustou-se adequadamente. Isso significa que a variância do MOR-f, MOE-f e Impacto é

explicado pela variância dos fatores experimentais, entre eles tratamento, orientação e adição

de nanopartículas.

Tabela 14 - Resultado da análise de Variância para a resistência a flexão (MOR-f), para

módulo de elasticidade (MOE-f) e energia absorvida ao impacto (Impacto)

P-valor

Fatores experimentais MOR-f MOE-f Impacto

Tratamento 0,000 0,000 0,000

Orientação 0,000 0,000 0,000

Nano Sílica 0,000 0,000 0,000

Tratamento*Orientação 0,483 0,000 0,000

Tratamento*Nanosílica 0,011 0,042 0,117

Orientação*Nanosílica 0,005 0,000 0,181

Tratamento*Orientação*Nanosílica 0,023 0,000 0,039

R² (adj) 92,18% 97,52% 97,52%

73


Quando um ou mais efeitos de interação são significativos, os fatores que interagem

devem ser considerados conjuntamente (DRUMOND et al., 1993). Os valores em destaque na

Tabela 13 serão analisados nos gráficos de efeitos sequentemente.

A Figura 69 apresenta os gráficos de probabilidade normal (a) para os resíduos, gráfico

de resíduos versus valores ajustados (b), histograma (c) para os resíduos e resíduos versus

ordem (d) de coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância (ANOVA).

5,02,50,0-2,5-5,0

99

90

50

10

1

Resíduos

Po

rce

nta

ge

m

9080706050

5,0

2,5

0,0

-2,5

-5,0

Fitted ValueR

esíd

uo

s

6420-2-4-6

12

9

6

3

0

Resíduos

Fre

qu

ên

cia

16151413121110987654321

5,0

2,5

0,0

-2,5

-5,0

O rdem da observação

Re

síd

uo

s

(a) Gráfico de probabilidade normal dos resíduos (b) Resíduos versus valores ajustados

(c) Histograma (d) Resíduos versus ordem

Figura 69 - Gráficos de resíduos para a média do MOR-f: probabilidade normal (a), resíduos

versus valores ajustados (b), histograma (c) e resíduos versus ordem dos dados (d).

O gráfico de probabilidade normal e o histograma avaliam a suposição de normalidade.

Os pontos distribuídos uniformemente ao longo da reta e o comportamento,

aproximadamente, simétrico com média zero do histograma, atendem as condições de

normalidade exigidas para validação do modelo da ANOVA.

O gráfico de resíduos versus ordem dos dados analisa a independência dos resíduos. Os

pontos em padrão aleatório, sem pontos discrepantes em relação ao conjunto de dados

comprovam a homogeneidade e a independência das amostras. O gráfico de resíduos versus

valores ajustados detecta se a variância do erro residual é constante, analisando a presença de

valores extremos denominados “outliers”.

Os gráficos de resíduos para módulo de elasticidade (MOE-f) e energia absorvida ao

impacto seguiram este mesmo comportamento, com condições de normalidades exigidas pela

ANOVA, homogeneidade e independência das amostras comprovadas e variância do erro

74


residual constante. Portanto foram retirados do manuscrito, mas estão apresentados no

apêndice deste trabalho.

4.4.1 Resistência à flexão – MOR-f

A Tabela 15 apresenta a estatística descritiva dos valores de resistência à flexão das

médias das duas réplicas ensaiadas dos compósitos de fibra sisal.

Tabela 15 - Resultados para resistência a flexão em compósitos de fibra de sisal.

Fatores experimentais MOR-f DP CV(%)

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 62,06 7,53 12,1

Tratada C2 62,55 4,04 6,5

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 53,89 4,93 9,2

Tratada C4 60,61 2,12 3,5

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 70,97 4,48 6,3

Tratada C6 89,88 3,05 3,4

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 59,72 5,75 9,5

Tratada C8 67,95 4,02 5,9

A Tabela 14 apresentou os resultados da análise de variância (ANOVA) para média da

variável resposta MOR-f. O valor de R² ajustado de 92,18% indica que o modelo se ajustou

adequadamente a resistência obtida pelo composto. Isso significa que 92,18% da variância do

MOR-f é explicado pela variância dos fatores experimentais, entre eles tratamento, orientação

e adição de nano partícula.

Devido às interações de ordem superior serem significativas, a interpretação dos

efeitos principais foi considerada (WERKEMA e AGUIAR, 1996). Desse modo, as interações

entre os fatores tratamento, orientação das fibras e a adição de nano sílica para o módulo de

ruptura MOR-f serão exibidas na Figura 70.

75


.

0/90/0/90/00/0/0/0/0 2%0%

80

70

60

80

70

60

Tratamento

Orientação

Nano Sílica

Tratado

Sem tratamento

Tratamento

0/0/0/0/0

0/90/0/90/0

Orientação


resistência à flexão.

As fibras tratadas proporcionaram um aumento na resistência à flexão dos compósitos

híbridos. Este comportamento é atribuído à melhoria das condições de interface e por sua vez

da adesividade interfacial entre a fibra de sisal tratada e a fase matriz, diminuindo os efeitos

de delaminação. Segundo Rong, Zhang e Liu (2001) a boa adesão interfacial de fibras tratadas

com mercerização + acetilação se deve a:

a) Ligações de hidrogênio entre os grupos acetil e grupos hidroxilas ou amina na resina

epóxi.

b) A adesão físico-mecânica entre a resina epóxi e a superfície da fibra exposta, devido

ao aumento da rugosidade.

Uma das razões pela qual as nanopartículas de sílica melhoram as propriedades do

compósito é pela modificação superficial no contato das fibras. As partículas de sílica são

diretamente agregadas sobre as fibras, o que permite aumentar a rugosidade superficial. No

entanto o compósito exibe uma interação matriz e fibra mais acentuada (CAO e CAMERON,

2006), além disso, cabe ressaltar que o reforço particulado também aumenta o atrito entre as

fibras (MANJUNATHA et al., 2008) garantindo melhor desempenho no transporte de cargas,

25,99%

20,75%

(a) (b)

(c)

14,58%

76


justificando os incrementos no MOR-f do compósito como também foi observado por Zhou et

al. (2008).

Os compósitos bidirecionais (0°/90°/0°/90°/0°) apresentaram redução média da

resistência aproximadamente de 15%, quando comparados com os compósitos unidirecionais

(0°/0°/0°/0°/0°). Este decréscimo deve ser atribuído ao fato de que os compósitos

bidirecionais possuem dois laminados orientados a 90°, ou seja, direção oposta ao

carregamento do ensaio, perdendo efetividade na sua função reforçadora. Além disso, os

compósitos bidirecionais (0°/90°/0°/90°/0°) quando submetidos a esforços de flexão em três

pontos, promovem o surgimento de tensões cisalhantes entre as laminas ortogonais, reduzindo

a resistência quando comparados aos unidirecionais (SANTOS, 2010).

4.4.2 Módulo de Elasticidade na flexão – MOE-f


flexão dos compósitos de fibra de sisal, apresentam as estatísticas descritivas das medidas de

módulo de elasticidade (MOE-f), o desvio padrão (DP) e o coeficiente de variação (CV).

Tabela 16 - Resultados para Módulo de elasticidade em flexão de compósitos de fibra de sisal.

Fatores experimentais MOE-f (GPa) DP CV(%)

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 3,12 100,09 3,2

Tratada C2 3,50 82,44 2,3

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 3,06 61,38 2,0

Tratada C4 3,46 124,04 3,6

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 3,39 49,16 1,5

Tratada C6 4,30 63,01 1,5

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 3,32 78,55 2,4

Tratada C8 3,46 89,32 2,6

A Tabela 14 exibiu os resultados da análise de variância (ANOVA) para as médias da

variável resposta módulo de elasticidade MOE-f. Dessa forma somente a interação

Tratamento*Orientação*Nano sílica foi exibida (Figura 71). Gráficos de interações são

usados para a visualização do efeito da interação de dois ou mais fatores experimentais sobre

a variável resposta e para a comparação da significância relativa entre os efeitos (WERKEMA

E AGUIAR, 1996).

77


A Figura 71 exibe a interação dos fatores Tratamento Químico * Orientação das fibras

* Adição de nanopartículas.

Figura 71 - Gráfico de interação tratamento, orientação e nanosílica para o módulo de

elasticidade (MOE-f).

O tratamento das fibras por mercerização e acetilação promoveu um aumento

significativo no módulo de elasticidade (MOE-f) do material compósito (ver Figura 71a e b).

Portanto o aumento do módulo de elasticidade dos compósitos reforçados com fibras tratadas,

assim como para a resistência à flexão, indica uma melhoria da aderência interfacial do

compósito (SREEKUMAR et al. 2009). De acordo com Alvarez e Vázquez (2006), o

tratamento alcalino e a acetilação provocam alterações da estrutura molecular e na morfologia

das fibras. O reforço passa a atuar mais conjuntamente com a fase matriz contribuindo para

um melhor incremento na rigidez do material.

Neste caso, as propriedades mecânicas dos materiais compósitos unidirecionais de

fibra de sisal, são de fato controladas pela resistência à falha interlaminar. Logo, a adesão

interfacial melhorada entre reforço e matriz epóxi é responsável pelo aumento significativo do

módulo de elasticidade à flexão (RONG et al., 2001)

Contudo observa-se que a adição 2% de nano partículas na composição do laminado

resultou no incremento do MOE-f quando comparados com o material compósito sem reforço

13,37%

12,85%

12,53%

15,73%

(a) (b)

(c)

78


particulado (Figura 71 b e c). Sob esforços de flexão em três pontos, a parte superior do

material sofre compressão enquanto a parte inferior sofre tração O plano de simetria axial é

sub-projetado para tensão de cisalhamento, sendo assim, existem dois modos de falha: à

flexão e ao cisalhamento (RONG et al., 2001; ZHANG et al., 1993) .

A adição de nanopartículas em compósitos laminados, principalmente na parte

superior do corpo de prova, sob esforços de flexão em três pontos, aumentam a resistência à

compressão e, consequentemente, à flexão do material. Zheng, Ning e Zheng (2005)

mencionam que o ganho em propriedades mecânicas de flexão pode ser atribuído ao ganho

em propriedades de compressão e tração (em conjunto), principalmente o módulo de

elasticidade. Fu et al. (2008) afirmam que a adição de partículas de elevada rigidez em uma

matriz polimérica promove o aumento direto do módulo de elasticidade do composto.

O aumento do MOR é proporcional ao aumento de partículas, com fibras tratadas

orientadas a 0°/0°/0°/0°/0° (Figura 71a e c). Johnston (1994) reporta o efeito da orientação e

distribuição da fibra na matriz. A orientação da fibra passa a ser relativa ao que se refere ao

plano de ruptura. A fibra posicionada paralelamente ao plano de fissura, praticamente não tem

efeito para o compósito, enquanto que fibras perpendiculares apresentam um efeito máximo.

Quando se combina orientações no compósito, modifica-se o posicionamento das fibras

referentes aos planos de ruptura. A combinação de fibras em ângulos de 0° e 90° promove

uma redução da rigidez no sentido perpendicular.

4.4.3 Resistência ao impacto

As médias dos valores entre as duas réplicas obtidos nos ensaios de absorção de energia

ao impacto (J) com o desvio padrão (DP) e o coeficiente de variação (CV) são exibidos na

Tabela 17

Tabela 17 - Resultados para Resistência ao Impacto

Fatores experimentais Energia Absorvida

(J) DP CV(%)

Sem

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C1 2,07 0,095 5,0

Tratada C2 1,21 0,106 9,0

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C3 1,44 0,135 9,0

Tratada C4 0,87 0,110 13,0

Com

nanosílica

0°/0°/0°/0°/0° Sem tratamento C5 2,78 0,253 9,0

Tratada C6 1,71 0,239 14,0

0°/90°/0°/90°/0° Sem tratamento C7 1,95 0,190 10,0

Tratada C8 1,41 0,114 8,0

79


A Tabela 14 exibiu os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média da

variável resposta absorção de energia.

A Figura 72 exibe o gráfico de interação de terceira ordem dos fatores tratamento,

orientação das fibras e adição de nanosílica para a energia absorvida. A adição de nano

partículas no laminado proporcionou o aumento da energia absorvida ao impacto, enquanto o

tratamento químico das fibras e a orientação bidirecional promoveu uma redução. Os

compósitos fabricados com fibras unidirecionais (0°/0°/0°/0°/0o) sem tratamento e 2% de

partículas na matriz exibiram uma combinação ideal para o aumento de absorção de energia.

Figura 72 - Gráfico de interação tratamento, orientação e nanosílica para a energia absorvida

ao impacto.

De acordo com Gatto et al. (2003), os compósito com fibras naturais, ao invés de

romper-se subitamente após o início da fissuração da matriz, apresentam uma deformação

plástica considerável que o torna um material adequado para diversas aplicações de

engenharia (SARMIENTO e FREIRE, 1997).

Naglis e d’Almeida (1998) constataram que a energia absorvida ao impacto Charpy de

compósitos de matriz epóxi reforçada por fibras, varia inversamente com o módulo de

elasticidade das fibras. O mesmo comportamento foi observado neste trabalho, os compósitos

com fibras tratadas quimicamente, os quais apresentam maior módulo de elasticidade,

66,41%

48,82% 68,96%

51,85%

42,21%

33,46%

(a) (b)

(c)

80


exibiram menor resistência ao impacto. Por outro lado, os compósitos com fibras sem

tratamento, sofreram, em alguns casos, delaminação, exibindo maior capacidade de absorção

de energia.

Pavithran et al. (1987) indicaram que a resistência ao impacto de laminados

unidirecionais de sisal depende principalmente do comportamento mecânico da fibra, e não

somente da matriz. Em geral, o mecanismo predominante de micro falhas em um compósito

de fibra durante o impacto encontra-se na delaminação e arrancamento da fibra. Para

compósitos reforçados por fibras tratadas por mercerização, a adesão interfacial entre feixes

de fibras e a matriz é notavelmente melhorada, em comparação com a de compósitos de fibras

não tratadas. Este aspecto diminui a absorção da energia ao impacto. (RONG et al., 2002).

Contudo, as propriedades dos compósitos com fibras tratadas quimicamente não é

melhorada, devido ao fato de partículas de resina epóxi ter penetrado nas regiões

intercelulares, cavidades geradas pelo pré-tratamento de mercerização, e também pela própria

degradação da fibra que ocasiona no arrancamento de células prejudicando o composto. Rong

et al (2002) verificaram uma variação média de 67% na resistência ao impacto de compósitos

de sisal sem tratamento (75kJ/m2) e com tratamento–mercerização e acetilação (45kJ/m

2).

Segundo Zheng et al. (2008) a absorção de energia ao impacto em matriz polimérica

reforçado com nanosílica aumenta gradativamente até a adição de 3%. Os autores analisaram

a morfologia das superfícies fraturadas e consideraram que as matrizes sem adição de

nanosílica tiveram uma ruptura mais frágil quando comparadas as reforçadas. Neste trabalho,

os compósitos com adição de 2% de nanosílica exibiram o mesmo comportamento.

Nos compósitos híbridos de banana e sisal estudados por Idicula et al. (2005) foi

observado um efeito positivo para propriedades na flexão e efeitos negativos para

propriedades de impacto.

Bledzki et al. (2008) estudaram diferentes carregamentos de fibras naturais para

compósitos e concluíram que maiores frações volumétricas de fibra aumentam a resistência ao

impacto de materiais compósitos. Segundo Oksman et al (2009), os resultados do ensaio de

impacto Charpy de compósitos reforçados com fibras de sisal, revelaram uma tendência do

aumento da resistência ao impacto em função do aumento da fração volumétrica ade fibra de

sisal. Além disso, observou-se que a microestrutura das fibras naturais e de sisal tem relação

direta com as propriedades de impacto do compósito (OKSMAN et al, 2009; SANTULLI e

CARUSO, 2009).

Os compósitos bidirecionais (0°/90°/0°/90°/0°) exibiram uma redução na absorção de

impacto, o que pode ser atribuído a presença de fibras orientadas na direção de 90°, as quais

81


não atuam como um reforço, visto que as mesmas não estão alinhadas com a tensão aplicada

promovendo uma menor absorção de energia ao impacto.

82

Conclusões

CAPÍTULO 5

CONCLUSÕES

No presente trabalho foram fabricados compósitos híbridos em matriz epóxi

reforçados com fibras de sisal e nanopartículas de sílica. As fibras de sisal foram submetidas a

um tratamento químico de mercerização e acetilação e ensaiadas separadamente. Os

compósitos foram laminados através de processo manual de laminação e testados para flexão,

impacto, densidade, porosidade e absorção de água.

- O tratamento químico reduziu a resistência e a rigidez das fibras de sisal em ensaios de

tração, mas apresentou comportamento inverso quando estas estavam sendo utilizadas como

reforço em compósitos para ensaios em flexão.

- Para absorção de energia ao impacto os compósitos com fibras de sisal sem tratamento

apresentaram desempenho superior aos compósitos com fibras tratadas;

O tratamento químico mostrou efeitos significativos para as propriedades físicas dos

compósitos de sisal apresentando reduções significativas na absorção de água, e moderadas

reduções em densidade e porosidade aparente.

- O método de tratamento de dispersão das nanopartículas de sílicas com PDDA e testes

iniciais de dispersão em matriz epóxi se apresentou eficiente, possibilitando melhorar a

distribuição dos esforços internos para os reforços e contribuindo por aumentar as

propriedades de resistência e rigidez investigadas;

- A inclusão de nanopartículas de sílica proporcionou alterações minorando valores de

densidade aparente do composto quando comparado com os compósitos sem nanopartículas.

Fato este que pode ser explicado pelo preenchimento de vazios no compósito;

- A inclusão de nanopartículas de sílica na matriz epóxi dos compósitos de sisal apresentou

desempenho superior em MOE-f, MOR-f e Impacto quando comparados com os compósitos

fabricados sem partículas;

- Na análise estatística foi possível concluir que a combinação de fibras tratadas, inclusão de

nanopartículas de sílica (2%) e laminas unidirecionais se configurou como a melhor condição

experimental dentre as investigadas para ganhos em MOR-f, MOE-f, absorção de água,

densidade e porosidade aparente.

83

Trabalhos Futuros

TRABALHOS FUTUROS

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

- Alterar o número de camada de laminados de sisal;

- Estudar novos tipos de orientação da fibra como 30° e 60°;

- Estudar novas combinações para o tratamento químico das fibras naturais;

- Estudar os efeitos com o tecido de sisal;

- Estudar os efeitos fabricando os compósitos a partir do fio de sisal;

- Estudar comparação das outras formas de tratamentos de dispersão com o PDDA;

- Variar a proporção da adição de nano partículas de sílica;

- Estudar o tratamento de dispersão com PDDA em outras nanopartículas;

- Adicionar 2 tipos diferentes de partículas no mesmo compósito de sisal;

- Comparar os compósitos de sisal com outros compósitos similares como fibra de vidro.

84

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98

Apêndice

APÊNDICE

A Figura 73 (MOR-f), Figura 74 (MOE-f), Figura 75 (Impacto), Figura 76 (Densidade

aparente), Figura 77 (Absorção de água) e Figura 78 (Porosidade aparente) apresentam os

gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico de resíduos versus valores

ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de coleta dos dados para a

validação do modelo da análise de variância (ANOVA).

5,02,50,0-2,5-5,0

99

90

50

10

1

Resíduos

Po

rce

nta

ge

m

9080706050

5,0

2,5

0,0

-2,5

-5,0

Fitted Value

Re

síd

uo

s

6420-2-4-6

12

9

6

3

0

Resíduos

Fre

qu

ên

cia

16151413121110987654321

5,0

2,5

0,0

-2,5

-5,0


Re

síd

uo

s


(c) Histograma (d) Resíduos versus ordem

Figura 73 - - Gráficos de resíduos para a média do MOR-f: probabilidade normal (a), resíduos


100500-50-100

99

90

50

10

1

Resíduos

Po

rce

nta

ge

m

42003900360033003000

100

50

0

-50

-100

Valor ajustado

Re

síd

uo

s

80400-40-80

4

3

2

1

0

Resíduos

Fre

qu

ên

cia

16151413121110987654321

100

50

0

-50

-100


Re

síd

uo

s


(c) Histograma (d) Resíduos versus ordem da amostragem

Figura 74 - Gráficos de resíduos para a média do modulo de elasticidade (MOE-f):

probabilidade normal (a), resíduos versus valores ajustados (b), histograma (c) e resíduos

versus ordem dos dados (d).

99

Apêndice

Figura 75 - Gráficos de resíduos para a energia absorvida ao impacto: probabilidade normal

(a), resíduos versus valores ajustados (b), histograma (c) e resíduos versus ordem dos dados

(d).

0,020,010,00-0,01-0,02

99

90

50

10

1

Resíduos

Po

rcen

tag

em

1,251,201,151,10

0,01

0,00

-0,01

Valores ajustados

Res

ídu

os

0,0150,0100,0050,000-0,005-0,010-0,015

4,8

3,6

2,4

1,2

0,0

Resíduos

Fre

qu

ênci

a

16151413121110987654321

0,01

0,00

-0,01

Ordem da observação

Res

ídu

os

(a) Gráfico de probabilidade normal (b) Resíduos versus valores ajustados

(c) Histograma (d) Resíduos versus ordem da amostragem

Figura 76 -. Gráficos de resíduos para a densidade aparente: probabilidade normal (a),

resíduos versus valores ajustados (b), histograma (c) e resíduos versus ordem dos dados (d).

3,01,50,0-1,5-3,0

99

90

50

10

1

Residuos

Po

rcen

tag

em

604020

3,0

1,5

0,0

-1,5

-3,0

Valores Ajustados

Res

ídu

os

3210-1-2-3

6,0

4,5

3,0

1,5

0,0

Residual

Fre

qu

enci

a

16151413121110987654321

3,0

1,5

0,0

-1,5

-3,0

Ordem da observação

Res

ídu

os

(a) Gráfico de probabilidade normal de resíduos (b) Residuos versus valores ajustados

(c) Histograma (d) Residuos versus ordem da amostragem

Figura 77 - Gráficos de resíduos para a absorção de água: (a) probabilidade normal, resíduos,

(b) valores ajustados, (c) histograma e (d) resíduos versus ordem dos dados.

100

Apêndice

210-1-2

99

90

50

10

1

Residual

Pe

rce

nt

25,022,520,017,515,0

2

1

0

-1

-2

Fitted Value

Re

sid

ua

l

1,51,00,50,0-0,5-1,0-1,5

4

3

2

1

0

Residual

Fre

qu

en

cy

16151413121110987654321

2

1

0

-1

-2

Observation Order

Re

sid

ua

l

(a) Gráfico de probabilidade normal de residuos (b) Residuos versus valores ajustados

(c) Histograma (d) Residuos versus ordem da amostragem

Figura 78 - Gráficos de resíduos para porosidade aparente: probabilidade normal (a), resíduos


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EFEITO DO TRATAMENTO QUÍMICO E DA ADIÇÃO DE NANO … · quando comparados aos unidirecionais. A adição de nanopartículas de sílica reduziu os valores de densidade e absorção