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UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
Dissertação de Mestrado
Desenvolvimento e caracterização de compósitos à base de Polietileno de Alta Densidade (PEAD)
reciclado e fibras vegetais
Autor: Flávio Magno de Carvalho Fonseca
Orientador: Dr. Lincoln Cambraia Teixeira Co-orientador: Profa.Dra. Sebastiana L. Bragança Lana
04 de novembro de 2005
UFOP - CETEC - UEMG
Flávio Magno de Carvalho Fonseca
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS À
BASE DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDADE (PEAD)
RECICLADO COM FIBRAS VEGETAIS
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de
Materiais da REDEMAT, como parte integrante
dos requisitos para a obtenção do título de Mestre
em Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Lincoln Cambraia Teixeira
Co-orientadora: Profa.Dra. Sebastiana Luiza Bragança Lana
Área de concentração: Análise e Seleção de Materiais
Belo Horizonte, 04 de Novembro de 2005
Rede Temática em Engenharia de Materiais
UFOP-CETEC-UEMG
Catalogação: [email protected]
F676d Fonseca, Flávio Magno de Carvalho. Desenvolvimento e caracterização de compósitos à base de Polietileno de Alta Densidade (PEAD) reciclado com fibras vegetais [manuscrito]. / Flávio Magno de Carvalho Fonseca. – 2005.
xiv, 133f.: il. color., grafs. , tabs. Orientador: Prof. Dr. Lincoln Teixeira Cambraia. Área de concentração: Análise e seleção de materiais. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Ouro Preto. Escola De Minas. Rede Temática em Engenharia de Materiais – UFOP/CETEC/UEMG. 1. Materiais – Análise - Teses. 2. Compostos fibrosos – Tese. 3. Plástico reforçado com fibra – Propriedades mecânicas – Teses. 4. Termoplásticos – Teses. 5. Resíduos industriais – Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. II. Rede Temática em Engenharia de Materiais. III. Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais. IV.Universidade do Estado de Minas Gerais. CDU: 620.1
ii
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela presença constante em todos os momentos da minha vida,
compartilhando minhas alegrias e tristezas, sempre oferecendo um descanso seguro após
cada batalha vencida.
À minha família que tanto amo, sem exceções, mas em particular, aos meus Pais,
que souberam ser meus primeiros Mestres na lição do Amor.
À minha amada namorada, Glau, pelo amor, demonstrando principalmente na
relação de amizade e no incentivo nos momentos de desânimo, além de sua paciência nos
momentos de ausência.
Ao meu orientador, Lincoln Cambraia Teixeira, pela orientação e por acreditar
neste projeto.
À minha co-orientadora, Profa. Sebastiana Luiza Bragança Lana, por sua dedicação
e ética, sendo a primeira a estender a mão no inicio deste projeto.
Ao amigo, Glaucinei Rodrigues Corrêa, pelo compartilhamento de artigos, livros e
dissertações, além da sua disponibilidade irrestrita para discussão de idéias sendo uma grande
referência durante todo o desenvolvimento do trabalho.
A Pinhopó Moagem de Madeira Ltda, pela gentil doação da fibra de madeira
utilizada neste trabalho.
A Edra Eco Sistemas Ltda, pela gentil doação da fibra de bagaço de cana-de-açúcar
utilizada neste trabalho.
A Eastman Chemical Company, pela gentil doação do agente compatibilizante
utilizado neste trabalho.
À Fazenda da Esperança, através do Sr. Frederico, pela confiança depositada no
acesso a linha de produção e pelos esclarecimentos sobre a produção deste novo material
em escala industrial.
À Universidade de Caxias do Sul, através do Laboratório de Tecnologia de
Polímeros, particularmente a Profa Maria Zani Andrade por abrir seu laboratório, ao
Prof. Ademir José Zaterra pela disponibilidade e ao Sr. Jorge Ferreira Gomes, por
trabalhar comigo neste projeto.
Ao Prof. Vagner Roberto Botaro, por abrir as portas do Laboratório de Materiais
Poliméricos (LAMP) da UFOP. Ao pessoal do LAMP pela ajuda e amizade,
particularmente, Fausto e Gilberto.
iii
À Profa. Kátia Novack, pelas análises térmicas, gentilmente processadas pelo
Leandro.
Ao Prof. Leonardo Godefroaid, pelos ensaios no Laboratório de Testes Físicos na
Escola de Minas da UFOP.
Ao CETEC, através do Laboratório de Testes Físicos Robert Hooke e, em
particular, ao Jorge Milton Elian Saffar, por disponibilizar os testes físicos, à Rosana
Maria Rennó Sommer Gambogi e Ademir Severino Duarte, pela disponibilidade,
dedicação e bom humor.
Ao Prof. Leonardo Lagoeiro do Microlab e, em particular, ao bolsista João, por
me auxiliarem nas micrografias eletrônica de varredura.
Ao Prof. Rodrigo Lambert Oréfice, por aceitar contribuir para este trabalho na
participação da banca examinadora.
A Redemat, por acreditar na realização deste projeto quando ainda era
embrionário.
À Fundação Gorceix, por viabilizar este projeto através do auxilio financeiro.
Aos amigos Paulo Miranda, Alberto Mól e Geraldo Gustavo pelos momentos
compartilhados durante este período.
E finalmente, a todos que contribuíram, de forma direta ou indiretamente, e que por
motivos técnicos não estão declarados.
iv
“Como não ter Deus?! Com Deus existindo, tudo dá esperança:
sempre um milagre é possível, o mundo se resolve. Mas, se não
tem Deus, há de a gente perdidos no vai e vem, e a vida é burra. É
o aberto perigo das grandes e pequenas horas, não se podendo
facilitar – são todos contra os acasos. Tendo Deus, é menos grave
se descuidar um pouquinho, pois, no fim dá certo. Mas, se não tem
Deus, então, a gente não tem licença de coisa alguma! Porque
existe dor. E a vida do homem está presa encantoada – erra rumo
...”
João Guimarães Rosa
v
RESUMO
A preocupação com o destino e o impacto ao meio-ambiente causada pelos resíduos sólidos, sejam eles urbanos ou industriais, tem sido uma das principais inquietações da administração dos centros urbanos, indústrias e centros de pesquisa. A atividade de extração e beneficiamento da madeira gera grande quantidade de resíduos que tem reaproveitamento em geração de energia térmica. O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, produzindo aproximadamente 24% do total, resíduo rico em fibras que não têm reaproveitamento em larga escala. Outro fator de grande interesse é o reaproveitamento de resíduos de plástico pós-consumo, sendo que estes poderiam estar envolvidos na produção de compósitos, com potencialidade para diversas aplicações, diminuindo gastos com energia na obtenção de matéria-prima e contribuindo significativamente para a qualidade de vida, transformando lixo em matéria-prima. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi verificar a possibilidade de utilização de fibras vegetais, mais especificamente, de madeira do tipo Pinus elliotti e bagaço de cana, como agentes de reforço para um compósito à base de PEAD reciclado, empregando PPMA como compatibilizante na fabricação de corpos de prova para caracterização termo-mecânica. Para verificar a modificação causada pelas fibras vegetais na matriz polimérica, assim como para analisar o efeito do compatibilizante nesta matriz, definiram-se porcentagens em peso de fibras de madeira, bagaço de cana, termoplástico e compatibilizante a serem incluídos no delineamento experimental. Com isso, nove misturas com 36 repetições foram combinadas, sendo um tipo de termoplástico a 69, 70, 74, 84, 85 e 100%, um tipo de fibra de madeira a 15, 25, e 30%, um tipo de fibra de bagaço de cana a 15 e 25% e um tipo de agente compatibilizante a 0 e 1%. Foram produzidos corpos de prova para caracterização das propriedades mecânicas, segundo ASTM D256, ASTM D638, ASTM D790, ASTM D792, que são resistência ao impacto, tração, flexão e densidade respectivamente. Depois foram analisadas as superfícies de fratura para análise morfológica. Os resultados evidenciaram que: a) a adição de fibras reduz a resistência à tração no ponto de ruptura, sendo mais acentuada esta redução na fibra de bagaço; b) existe ação positiva do PPMA na melhoria da resistência à tração; c) o aumento da resistência à flexão com a adição de fibras independente do tipo de fibra e uso do PPMA; d) o aumento da resistência ao impacto com a adição de fibras até 15%, agindo como reforço; e) verificou-se influência negativa do PPMA na resistência ao impacto; f) a fibra de bagaço demonstrou ser o melhor reforço na resistência ao impacto. Palavras-Chave: Fibras vegetais, compósito termoplástico, compatibilização, propriedades mecânicas.
vi
ABSTRACT
The concern with the destin and the impact to the environment caused by the solid residues, urban or industrials, has been one of the main fidgets of the administration of the urban centers, industries and centers of research. The activity of extraction and improvement of the wood generates great amount of residues that has reused in generation of thermal energy. Brazil is the largest sugar cane producing of the world, producing approximately 24% of the total, rich residue in fibers that do not have reused in wide scale. Another factor of great interest is the reused of residues of plastic post-consumes, being that these could be involved in the production of composites, with potentiality for diverse applications, diminishing expenses with energy in the raw material attainment and contributing significantly for the quality of life, transforming garbage into raw material. In this context, the objective of this work was to verify the possibility of vegetal fiber use, more specifically, wooden of the Pinus elliotti type and sugar cane bagasse, as agents of reinforcement for a composite to the recycled base of HDPE, using MAPP as compatibilizer in the manufacture of specimens for characterization term-mechanics. To verify the modification caused by vegetal fibers in the thermoplastic matrix, as well as analyzing the effect of the compatibilizer in this matrix, percentages in weight of fibers wooden, bagasse of sugar cane had been defined. The thermoplastic and compatibilizer was enclosed in the experimental delineation. With this, nine mixtures with 36 repetitions had been combined, being a kind of thermoplastic on 69, 70, 74, 84, 85 and 100%, a type of wooden fiber the on 15, 25, and 30%, a type of fiber of sugar cane bagasse on 15 and 25% and a type of compatibilizer on 0 and 1%. The specimens for characterization of the mechanical properties had been performed, according to ASTM D256, ASTM D638, ASTM D790, ASTM D792, that are resistance to the impact, tensile, flexural test and density respectively. After that the surfaces of breaking for morphologic analysis had been analyzed. The results had evidenced that: a) the fiber addition reduced the tensile strength in the point of rupture, being increased this reduction in the bagasse fiber; b) exists positive action of the MAPP in the improvement of the tensile strength; c) the increase of the flexural strength with fiber the independent addition of the type of fiber and use of the MAPP; d) the increase of the impact strength with the fiber addition until 15%, acts as reinforcement; e) verified negative influence of the MAPP in the impact strength; f) the bagasse fiber demonstrated to be the best reinforcement in the impact strength. Key Words: Vegetal fibers, thermoplastic composites, compatibilizer, mechanical properties.
vii
SUMÁRIO
RESUMO....................................................................................................................vi
ABSTRACT ..............................................................................................................vii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...............................................................x
LISTA DE ILUSTRAÇÕES .....................................................................................xi
LISTA DE TABELAS .............................................................................................xiv
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA.....................................................................15
CAPÍTULO II
OBJETIVOS .............................................................................................................21
CAPÍTULO III
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................23
3. FIBRAS VEGETAIS..............................................................................................24
3.1 MADEIRA ...........................................................................................................24
3.1.1 Composição química da madeira.......................................................................24
3.1.2 Anatomia da madeira.........................................................................................25
3.1.3 Características higroscópicas.............................................................................27
3.1.4 Relação entre a estrutura anatômica da madeira e suas propriedades ...............28
3.1.5 Resíduos da madeira..........................................................................................29
3.2 CANA-DE-AÇÚCAR ..........................................................................................30
3.2.1 Composição físico-química ...............................................................................31
3.2.2 Caracterização morfológica...............................................................................32
3.3 POLÍMEROS .......................................................................................................33
3.3.1 Classificação dos polímeros ..............................................................................33
3.3.2 Morfologia .........................................................................................................34
3.3.3 Fatores que influenciam as propriedades mecânicas.........................................39
3.3.4 Polímeros na engenharia....................................................................................42
3.3.5 Reciclagem ........................................................................................................43
3.4 COMPÓSITO PLÁSTICO REFORÇADO COM FIBRAS.................................51
3.4.1 Aditivos compatibilizadores ..............................................................................53
viii
3.4.2 Processo de extrusão..........................................................................................62
3.4.3 Visita técnica .....................................................................................................57
CAPÍTULO IV
MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................65
4.1 Seleção dos materiais ...........................................................................................67
4.2 Caracterização térmica .........................................................................................71
4.3 Delineamento experimental..................................................................................71
4.4 Secagem................................................................................................................73
4.5 Pesagem e dosagem..............................................................................................73
4.6 Extrusão................................................................................................................73
4.7 Secagem................................................................................................................75
4.8 Prensagem.............................................................................................................75
4.9 Preparação dos corpos de prova ...........................................................................77
4.10 Caracterização física...........................................................................................77
4.10.1 Densidade ........................................................................................................77
4.10.2 Resistência à tração .........................................................................................77
4.10.3 Resistência à flexão estática ............................................................................78
4.10.4 Resistência ao impacto ....................................................................................78
4.11 Caracterização morfológica................................................................................78
CAPÍTULO V
RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................................79
CAPÍTULO VI
CONCLUSÕES.........................................................................................................96
CAPÍTULO VII
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..................................................99
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................101
PUBLICAÇÕES .....................................................................................................108
APÊNDICE .............................................................................................................110
ix
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABIQUIM – Associação Brasileira de Indústria Química
ABRE – Associação Brasileira de Embalagens
ABREMPLAST – Associação Brasileira de Recicladores de Materiais Plásticos
ASTM – American Standards Testing of Materials
CETEC – Centro Tecnológico de Minas Gerais
CP – Corpo de Prova
HIPS – Poliestireno de Alto Impacto
ICEB – Instituto de Ciências Exatas e Biológicas
LTPOL – Laboratório de Tecnologia em Polímeros
LAMP – Laboratório de Materiais Poliméricos
PEAD – Polietileno de alta densidade
PP – Polipropileno
PPMA – Polipropileno maleatável
UCS – Universidade de Caxias do Sul
UEMG – Universidade do Estado de Minas Gerais
UFOP – Universidade Federal de Ouro Preto
x
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 – Descarte de resíduos não controlados ....................................................16
Figura 1.2 – Composição gravimétrica do lixo de alguns países ...............................17
Figura 1.3 – Destinação do lixo em diversos países...................................................18
Figura 3.1 – Anatomia da madeira .............................................................................26
Figura 3.2 – Amostra de resíduos de madeira ............................................................30
Figura 3.3 – Micrografia eletrônica de monocristal de polietileno ............................36
Figura 3.4 – Estrutura para um cristalito de polímero................................................36
Figura 3.5 – MEV mostrando a estrutura da esferulite...............................................37
Figura 3.6 – Representação da estrutura detalhada da esferulite................................38
Figura 3.7 – MEV mostrando a estrutura esferulite de polietileno ............................38 Figura 3.8 – Desenho do arranjo de cadeias moleculares...........................................39
Figura 3.9 – Influência da cristalinidade e do peso molecular no polietileno ............40
Figura 3.10 – Deformação de um polietileno semicristalino......................................41
Figura 3.11 – Resíduos de plástico pós-consumo ......................................................44
Figura 3.12 – Destinação das resinas plásticas em 2002............................................44
Figura 3.13 – Percentual de cada material no lixo brasileiro .....................................45
Figura 3.14 – Percentual de reciclagem de cada material no lixo brasileiro ..............47
Figura 3.15 – Percentual de resíduo plástico consumido pelas recicladoras..............50
Figura 3.16 – Fibras de madeira e bagaço de cana-de-açúcar e plásticos ..................52
Figura 3.17 – Modelo de adesão.................................................................................55
Figura 3.18 – Desenho de extrusora ...........................................................................57
Figura 3.19 – Seção transversal de uma extrusora .....................................................59
Figura 3.20 – Triângulo das velocidades....................................................................60
Figura 3.21 – Foto da extrusora de madeira plástica..................................................62
xi
Figura 3.22 – Processo de corte da madeira plástica..................................................63
Figura 3.23 – Mesa e bancos fabricados em madeira plástica....................................64
Figura 4.1 – Etapas dos Experimentos .......................................................................66
Figura 4.2 – Consumo de resíduo plástico pelas recicladoras....................................68
Figura 4.3 – Tipos e quantidades de resíduos gerados em Ubá/MG ..........................70
Figura 4.4 – Características da fibra de madeira utilizada .........................................70
Figura 4.5 – Características da fibra de bagaço utilizada ...........................................71
Figura 4.6 –Imagens de termoplásticos, o agente compatibilizante e os resíduos vegetais utilizados...............................................................72
Figura 4.7 – Desenho das zonas de aquecimento da extrusora ..................................74
Figura 4.8 – Extrusora utilizada .................................................................................74
Figura 4.9 – Prensa utilizada na confecção dos corpos de prova ...............................76
Figura 5.1 Análise termogravimétrica dos materiais utilizados .................................81 Figura 5.2 – Influência da incorporação de fibras na densidade ................................82
Figura 5.3 – Influência do tipo de fibra na resistência a tração com PPMA..............84
Figura 5.4 – Influência da adição de PPMA na resistência à tração ..........................85
Figura 5.5 – Ensaios de tração....................................................................................86
Figura 5.6 – Corpos de prova utilizados.....................................................................86
Figura 5.7 – Influência do PPMA na resistência a flexão ..........................................88
Figura 5.8 – Ensaio de flexão .....................................................................................89
Figura 5.9 – CP utilizados e microfibrilamento .........................................................89
Figura 5.10 – Influência da porcentagem de fibra na resistência ao impacto ............92
Figura 5.11 – Influência da porcentagem de PPMA na resistência ao impacto .........92
Figura 5.12 – Corpo de prova utilizado nos ensaios de resistência ao impacto .........93
Figura 5.13 – Fotomicrografias obtidas por MEV com ampliação de 200X .............94
xii
Figura 5.14 – Fotomicrografias obtidas por MEV com ampliação de 50X ...............95
Gráfico 3.1 – Evolução da média de custos da coleta seletiva. ..................................49
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Características biométricas comparativas de fibras de diversas ............33
Tabela 3.2 – Propriedades típicas dos materiais.........................................................43
Tabela 3.3 – Evolução da composição do lixo na cidade de São Paulo .....................46
Tabela 3.4 – Etapas envolvidas na reciclagem mecânica secundária de plásticos .....48
Tabela 4.1 – Propriedades do PEAD utilizado na confecção de embalagens ............68
Tabela 4.2 – Características do aditivo utilizado........................................................69
Tabela 4.3 – Combinações utilizadas para confecção dos CPs ..................................72
Tabela 4.4 – Valores de temperatura para cada posição da extrusora........................74
Tabela 4.5 – Parâmetros utilizados na prensagem......................................................75
Tabela 5.1 – Influência da adição de fibra vegetal na densidade ...............................82
Tabela 5.2 – Influência da adição de fibra vegetal resistência à tração......................83
Tabela 5.3 – Influência da adição de fibra vegetal na resistência à flexão.................87
Tabela 5.4 – Influência da adição de fibra vegetal na resistência ao impacto............90
xiv
15
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAS
16
No passado, os resíduos sólidos urbanos praticamente não constituíam um
problema, a quase totalidade dos objetos utilizados eram materiais de origem animal ou
vegetal, que, uma vez regressados a terra, se decompunham naturalmente nos seus
constituintes elementares, reintegrando ao ciclo de vida. A densidade populacional era, em
geral, suficientemente pequena, de maneira que se houvesse acumulação desses resíduos,
as conseqüências não seriam graves (FONSECA, 2004).
Sobretudo ao longo do último século, todo este panorama se alterou com o
desenvolvimento de um potencial tecnológico/científico que permitiu a síntese de uma
grande variedade de novos materiais. Todavia, a utilização desse potencial em larga escala
ocorre sem avaliar as conseqüências em longo prazo. Algumas vezes avaliou-se, mas
ignoraram-se os resultados, em nome de interesses imediatos (FONSECA, 2004).
De acordo com o dicionário de Aurélio Buarque de Holanda, lixo é tudo aquilo que
não se quer mais e se joga fora; coisas inúteis, velhas e sem valor. Segundo a ABNT –
Associação Brasileira de Normas Técnicas – na NBR 10004-87 define o resíduo sólido
como: os restos das atividades humanas, considerados pelos geradores como inúteis,
indesejáveis ou descartáveis, podendo-se apresentar no estado sólido, semi-sólido ou
líquido, desde que não seja passível de tratamento convencional.
Normalmente os autores de publicações sobre resíduos sólidos se utilizam
indistintamente dos termos lixo e resíduos sólidos. Resíduo sólido ou simplesmente lixo é
todo material sólido ou semi-sólido indesejável e que necessita ser removido por ter sido
considerado inútil por quem o descarta em qualquer recipiente destinado a este ato (Figura
1.1).
Figura 1.1 – Descarte de resíduos não controlados.
17
Há de se destacar, no entanto, a relatividade da característica inservível do lixo,
pois aquilo que já não apresenta nenhum valor para quem o descarta, para outro pode se
tornar matéria-prima para um novo produto ou processo. Nesse sentido, a idéia do
reaproveitamento do lixo é um convite à reflexão do próprio conceito clássico de resíduos
sólidos. É como se o lixo pudesse ser conceituado como tal, somente quando a inexistência
de alguém para reivindicar uma nova utilização dos elementos então descartados.
Segundo Matoski (2002), a geração de resíduos no mundo tem crescido quase que
exponencialmente, e, entre os diversos tipos de resíduos, os sólidos têm importante
participação. A composição e a quantidade de resíduos produzidos estão diretamente
relacionados com o modo de vida dos povos, sendo que, nos países mais industrializados
as quantidades envolvidas são maiores e a composição é mais problemática.
As características do lixo podem variar em função de aspectos sociais, econômicos,
culturais, geográficos e climáticos, ou seja, os mesmos fatores que também diferenciam as
comunidades entre si e as próprias cidades. A Figura 1.2 expressa a variação das
composições do lixo em alguns países, deduzindo-se que a participação da matéria
orgânica tende a se reduzir nos países mais desenvolvidos ou industrializados,
provavelmente em razão da grande incidência de alimentos semi-preparados disponíveis no
mercado consumidor.
Composição gravimétrica do lixo de alguns países (%)
0
10
20
30
40
50
60
70
Brasil Alemanha Holanda EUA
Mat. Orgânica Vidro Papel Metal Plástico
Figura 1.2 – Composição gravimétrica do lixo de alguns países (%). Fonte: http://www.resol.com.br.
18
Em relação ao lixo urbano, são recolhidas diariamente 241 mil toneladas em todo
Brasil, das quais somente 20% são reaproveitadas, um desperdício de 4,8 bilhões de reais
ao ano, equivalendo a 0,6% do PIB nacional (FURTADO, 2000).
Nos aterros sanitários, a presença do plástico prejudica as trocas líquidas e gasosas
necessárias à decomposição da matéria orgânica presente. Devido à baixa densidade
aparente do material plástico e à forma de muitos artefatos, ocorre uma migração desses
refugos para a superfície causando poluição visual e principalmente diminuindo o tempo
de vida útil do aterro.
O decréscimo do volume disponível nos vazadouros é um problema mundial, o que
torna a diminuição da taxa de utilização desses espaços uma meta a ser atingida. Nos EUA,
dois dos maiores vazadouros do país, segundo Myers (1994), têm as maiores porcentagens
de seus volumes ocupadas com plástico (7%) e papel (20%). A Figura 1.3 mostra os
percentuais dos diversos tipos de tratamentos do lixo empregados em diferentes países.
Destinação do lixo em diversos países
0 20 40 60 80 100
Austria
Dinamarca
EUA
Holanda
Itália
Suécia
Suiça
Paí
ses
Percentual
Reciclagem Usina de Compostagem Depósito em aterros Incineração
Figura 1.3 – Destinação do lixo em diversos países. Fonte: Guadagnine (2001).
19
Um dos compromissos firmados na Conferência Mundial do Meio-Ambiente
realizada no Rio de Janeiro em 1992 - ECO 92 - foi a Agenda 21, que propõe diretrizes
para o tratamento do lixo pela população mundial, divididas em três pontos básicos
conhecidos como os 3 Rs:
1. Reduzir a produção;
2. Reutilizar;
3. Reciclar.
Dados da organização norte-americana EPA - Environmental Protection
Agency - mostram que a taxa de geração de lixo nos EUA tem diminuído desde 1994. Isto
pode ser atribuído a uma renovação de esforços para a reciclagem, relacionados à
programas de compostagem de resíduos orgânicos nas comunidades e à busca da
diminuição da geração do lixo em sua fonte. Entre 1990 e 1996, estes esforços foram
responsáveis por um decréscimo de 17% no volume de lixo destinado aos vazadores
daquele país. Em dez anos, o volume total dos resíduos sólidos urbanos americanos com
esta mesma destinação diminuiu de 83% em 1986 para 55,4% em 1996. Uma alternativa
para a diminuição do corte de árvores e para a despoluição ambiental é a utilização de
plásticos descartados, presentes no lixo urbano, na forma de diversos produtos, como
matéria-prima (GUADAGNINE, 2001).
No Brasil, em algumas das principais cidades se identificam problemas
relacionados com a falta de áreas disponíveis para a instalação de aterros sanitários, que a
cada dia ficam mais distantes e, em alguns casos, a total inexistência dessas áreas, criando
uma situação preocupante, pois a taxa de crescimento populacional - apesar da redução -
continua bastante alta e a tendência é de maior geração de lixo com a massificação de
produtos descartáveis. As prefeituras devem criar incentivos (fiscais, estruturais etc.) para
motivar e conscientizar os cidadãos e as empresas a participarem ativamente do processo,
bem como incentivar a utilização de produtos reciclados.
Considerando-se esses fatores, acrescidos do fato de que o aumento do poder
aquisitivo da população acarreta maior consumo, contribuindo para a geração de mais lixo,
torna-se necessário uma tomada de posição urgente por parte dos governantes, para que
estudos e projetos visando à resolução de um problema tão crítico e desafiador sejam
iniciados.
Sendo assim, a produção de materiais que utilizem matérias primas recicladas,
constituem um importante passo para sustentabilidade da sociedade contemporânea, assim
como a amenização de problemas relativos aos insumos gerados pela população,
20
equalizando fatores de consumo com a otimização de tecnologias. Este trabalho estuda a
reutilização de polímeros pós-consumo adicionando resíduos vegetais com baixo valor
agregado e sem utilização em larga escala, visto que, atualmente, observa-se um grande
interesse relacionado ao desenvolvimento sustentável.
21
CAPÍTULO II
OBJETIVOS
22
Objetivo geral
Verificar a possibilidade de utilização de fibras vegetais, mais especificamente, de
madeira do tipo Pinus elliotti e bagaço de cana-de-açúcar, como agente de reforço para um
material compósito à base de polietileno de alta densidade reciclado, empregando
polipropileno maleatável (PPMA) como agente compatibilizante na fabricação de corpos
de prova para caracterização termo-mecânica deste compósito produzido.
Objetivos específicos
• Observar a adesão das fibras vegetais na matriz polimérica.
• Verificar o desempenho de cada fibra na matriz polimérica;
• Analisar o efeito do agente compatibilizante nas ligações das fases;
• Determinar o efeito da porcentagem de cada material nas propriedades
físico-mecânicas do compósito produzido;
• Determinar as propriedades físico-mecânicas segundo normas específicas;
23
CAPÍTULO III
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
24
3. FIBRAS VEGETAIS
As fibras vegetais estão se tornando alternativas econômicas e ecológicas para uso
como reforço e cargas em termoplásticos. Há quem preveja a gradual substituição de
aditivos sintéticos tradicionais, particularmente fibras de vidro, por estes materiais, abrindo
respeitáveis perspectivas de mercado para países de vocação agrícola (NOTHENBERG,
1996 apud PAIVA, 1999).
3.1 MADEIRA
A madeira é um componente importante na formação do compósito, objeto de
estudo nessa pesquisa. Pretende-se fazer uma introdução dos principais pontos e
conhecimentos sobre este material.
3.1.1 Composição química
Segundo Panshin (1980) apud Corrêa (2004), os componentes químicos da madeira
são formados basicamente por carbono, hidrogênio e oxigênio podendo estar reunidos em
dois grupos: componentes primários que formam a estrutura da parede celular e os
componentes secundários.
No primeiro grupo, os componentes fundamentais são a celulose, hemicelulose e a
lignina. O segundo grupo de substâncias, encontrado em maior quantidade, consiste
principalmente em:
a) alimentos armazenados nas células;
b) substâncias tóxicas aos fungos, como taninos e componentes de base
fenólica, constituindo agentes naturais de proteção e ação dos
microorganismos;
c) sais minerais.
Lima (1998) apud Corrêa (2004), cita as proporções aproximadas de biomassa, de
cada elemento, independente da espécie vegetal considerada:
• carbono ..................... 50%
• oxigênio .................... 44%
• hidrogênio...................6%
25
Os compostos orgânicos ou materiais que compõem a madeira são:
a) celulose: com proporção aproximada de 50%. É o composto predominante
da madeira, que compõe as paredes das fibras, sendo formada à partir da união de
múltiplos monômeros constituídos por glicose (C6H12O6);
b) lignina: com proporção aproximada de 30%. É responsável pela rigidez da
parede celular;
c) hemicelulose: proporção aproximada de 20%. Está intimamente associada à
celulose, definindo as propriedades estruturais da parede celular, além de
desempenhar funções na regulação do crescimento e desenvolvimento das plantas;
d) outros materiais: são resinas, amidos, taninos, óleos, ceras, etc, que são
depositados nas cavidades das células e que produzem coloração e cheiro
característicos de cada espécie de vegetal.
3.1.2 Anatomia da madeira
A madeira é um conjunto heterogêneo de diferentes tipos de células com
propriedades específicas para desempenharem as funções vitais de condução de líquidos:
de transformação, armazenamento e transporte de substâncias nutritivas e de sustentação
do vegetal como mostrado na Figura 3.1 (BURGER, 1991).
26
Figura 3.1 – Anatomia da madeira. Fonte: Burger (1991) apud Corrêa (2004).
As partes que compõem um tronco são:
a) casca: é constituída interiormente pelo floema (conjunto de tecidos vivos
especializados para a condução da seiva elaborada) e exteriormente pelo córtex,
periderme e ritidoma (tecidos que revestem o tronco). Além do armazenamento e
condução de nutrientes exercidos pelo floema, a casca tem como função proteger o
vegetal contra ressecamento, ataques fúngicos e variações climáticas. A casca é de
grande importância também na identificação de árvores vivas. As cascas de
algumas espécies são exploradas comercialmente para a obtenção de cortiças,
tanino, canela, produtos farmacêuticos, perfumaria, etc;
b) câmbio: é um tecido meristemático, ou seja, apto a gerar novos elementos
celulares, constituído por uma camada de células situada entre o xilema e o floema,
sendo visível ao microscópio. Permanece ativo durante toda a vida do vegetal e é
responsável pela formação dos tecidos que constituem o xilema (condução de seiva
bruta) e a casca. A atividade cambial é sensivelmente influenciada pelas condições
ambientais;
Anéis de cerscimento
Medula
Raios
Cerne
Alburno
Cambio
Floema (casca
Ritidoma (casca externa)
27
c) anéis de crescimento: em regiões caracterizadas por clima temperado, os
anéis de crescimento representam habitualmente o incremento anual da árvore. A
cada ano é acrescentado um novo anel ao tronco, razão pela qual são também
denominados anéis anuais, cuja contagem permite conhecer a idade da árvore. Em
anel de crescimento típico, distinguem-se duas partes, sendo o lenho inicial, que
corresponde ao crescimento da árvore no início do período vegetativo
(normalmente primavera) e o lenho tardio, que, com a aproximação do fim do
período vegetativo as células vão diminuindo suas atividades fisiológicas;
d) cerne e alburno: o cerne constitui a parte interna do tronco, onde as células
que compõem o tecido lenhoso não participam mais do processo vital das árvores
quando se atinge a idade adulta, cumprindo apenas a função de sustentação. No
cerne há a deposição de vários componentes secundários que são responsáveis pela
menor ou maior durabilidade e coloração da madeira. A proporção de cerne e
alburno varia dentro da própria árvore, e além de outros fatores, dependem da
espécie, idade, solo e clima;
e) raios: são faixas horizontais de comprimento indeterminado formado por
células parenquimáticas, ou seja, elementos que desempenham primordialmente a
função de armazenamento de substâncias nutritivas, dispostas radialmente no
tronco. Na maioria das madeiras eles não são visíveis a olho nu. Além do
armazenamento, os raios têm a função de fazer o transporte horizontal de nutrientes
na árvore;
f) medula: parte que ocupa normalmente o centro do tronco.
3.1.3 Características higroscópicas
A madeira é um material higroscópico que, com a variação das condições
ambientais, pode continuar indefinidamente a absorver e eliminar água, trocando-a com o
ambiente. Portanto, mesmo depois de muitos anos de amadurecimento, ela ainda reserva
uma proporção de água (REIS, 1998).
A umidade em um pedaço de madeira é a quantidade de água que contém, expressa
em porcentagem de seu peso anidro, ou seja, absolutamente seco. O estado anidro da
madeira pode ser obtido deixando-se o corpo-de-prova em uma estufa ventilada com
temperatura de 103ºC até que a massa atinja um valor constante. Este método, aplicado
somente em laboratório, pode ser caracterizado como destrutivo por sua irreversibilidade.
28
A umidade percentual da madeira depende principalmente das condições termo-
higrométricas ambientais (temperatura e umidade relativa do ar), das suas variações, das
dimensões, do estado superficial da peça e sua porosidade.
A madeira é extremamente porosa e a quantidade de água que ela pode conter
depende de seu volume de vazios, ou seja, do espaço não ocupado pela substância lenhosa.
Denomina-se Pa o peso específico aparente da madeira e Pr o peso específico real, o
volume Vv de vazios na madeira pode ser expresso pela fórmula:
Vv=1-Pa/Pr (3.1)
O valor de Vv exprime a porosidade da madeira.
Se as condições ambientais permanecem constantes, a madeira tende (tempo médio
120 dias a partir do corte) a equilibrar seus valores, que em média são muito similares
entre as espécies (REIS, 1998).
3.1.4 Relação entre a estrutura anatômica da madeira e suas propriedades
Uma das grandes limitações para a utilização da madeira é sua heterogeneidade,
anisotropia e variabilidade. Nem mesmo dois pedaços de madeira de uma mesma espécie
são absolutamente iguais. Essas diferenças podem ser atribuídas às condições do meio
ambiente onde o vegetal cresce, a localização do vegetal no tronco (altura, distância da
medula e posição do anel de crescimento) e defeitos na madeira (BURGER, 1991).
A composição do lenho, a estrutura e a organização de seus constituintes são fatores
que determinam as propriedades físicas das madeiras e sua aptidão para o uso comercial.
Burger (1991) cita as principais propriedades tecnológicas e utilizações em relação
às estruturas anatômicas da madeira:
• Massa específica e resistência mecânica: a massa específica é
provavelmente a característica tecnológica mais importante da madeira. Dela
dependem a resistência mecânica e o grau de instabilidade dimensional pela perda
ou absorção de água. Quanto maior o volume de fibras, maior será a massa
específica e a resistência mecânica. Os vasos, devido a sua grande dimensão e as
paredes delgadas, são estruturas fracas, e sua abundância, tamanho e distribuição
influenciam na resistência mecânica da madeira;
29
• Durabilidade natural: é o grau de susceptibilidade da madeira ao ataque de
agentes destruidores, os fungos e insetos, e à ação de intempéries. Geralmente, as
madeiras de alta massa específica, por apresentarem uma estrutura mais fechada e
frequentemente elevado teor de substâncias especiais (sílica, alcalóides, tanino e
substâncias fenólicas) impregnando as paredes das células, são mais resistentes à
ação destes agentes. A presença dessas substâncias produz uma coloração mais
escura na madeira;
• Permeabilidade: característica importante para a secagem, preservação de
madeiras e fabricação de polpa e papel. Em geral, madeiras com alta massa
específica são mais difíceis de serem secas e impregnadas com soluções
preservativas por apresentarem volume menor de espaços vazios para a circulação
de fluidos. A permeabilidade é influenciada pelo tamanho, abundância, distribuição
dos poros e a presença ou não de substâncias obstrutoras (resinas, tilos, etc). O
cerne é menos permeável do que o alburno devido a sua estrutura mais compacta,
presença de substâncias obstrutoras;
• Instabilidade dimensional: a madeira é um material altamente higroscópio e
apresenta os fenômenos de contração e inchamento pela perda ou absorção de
umidade. Madeiras que possuem uma abundância de células de paredes espessas
(alta massa específica) apresentam este fenômeno em grau mais acentuado.
3.1.5 Resíduos da madeira
Em geral, nas atividades industriais à base de madeira há muita geração de
resíduos, tendo o setor de manufatura de produtos de madeira a maior quantidade de
insumos, em torno de 70% do total, conforme Graedel (1995). Diversas atividades da
indústria de base florestal colaboram para a produção de resíduos, entre estas se podem
citar a tecnologia utilizada, diversidade de espécies e defeitos e patologias existentes na
madeira. As ocorrências de fungos causam danos como manchas, decomposição e
deterioração nas peças de madeira (WILSON, 1984).
Estudos se fazem necessários visando melhorar o uso e a reutilização na indústria
madeireira. É comum mencionar que os resíduos de madeira, Figura 3.2, são destinados
para geração de energia térmica nas indústrias do setor de base florestal e também em
outros setores industriais, contudo amplos reforços devem ser feitos para abranger os
múltiplos usos dos resíduos (SILVA, 2001).
30
Durante muito tempo o uso de madeira e outras fibras vegetais têm sido
empregadas extensivamente como carga para compostos termoplásticos e termofixos.
Décadas atrás estes materiais eram utilizados em pequenas atribuições especiais ou
produtos de baixo valor agregado como materiais absorvedores de ruídos nas partes
internas dos carros.
Figura 3.2 – Amostra de resíduos de madeira.
3.2 BAGAÇO DE CANA DE AÇÚCAR
O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, produzindo
aproximadamente 24% do total, em aproximadamente 4 milhões de hectares. O bagaço da
cana-de-açúcar é um resíduo lignocelulósico fibroso remanescente do colmo da cana-de-
açúcar obtido na saída do último moinho da usina açucareira e constitui um conjunto
heterogêneo de partículas de diferentes tamanhos, que oscilam entre 1 e 25mm,
apresentando um tamanho médio de 20mm (MITRANI et al., 1999).
31
3.2.1 Composição física e química
Do ponto de vista físico, segundo Mitrani et al. (1999), o bagaço é constituído por
quatro frações cuja porcentagem média é:
• Fibra ou bagaço 45%
• Sólidos insolúveis 2-3%
• Sólidos solúveis 2-3%
• Água 50%
A fibra é a fração sólida orgânica insolúvel em água, presente no colmo da cana-de-
açúcar, que se caracteriza por sua marcante heterogeneidade, do ponto de vista químico e
morfológico.
Os sólidos insolúveis de natureza orgânica são compostos, fundamentalmente, por
terra, pedras e outras matérias estranhas. Os sólidos solúveis formam a fração que se
dissolve na água composta fundamentalmente por sacarose. A água presente no bagaço
está retida nele através de mecanismos de absorção e capilaridade. Este fenômeno
desempenha um papel de grande importância em alguns processos tecnológicos a que é
submetido o bagaço, para o seu aproveitamento como matéria-prima para materiais
compósitos.
O bagaço é composto de celulose, hemicelulose e lignina, como principais
polímeros naturais. A biomassa do bagaço é a seguinte:
• Carbono 23%
• Oxigênio 22%
• Hidrogênio 3%
• Cinzas 2%
• Água 50%
Se considerarmos esta composição desidratada, pode-se mudar para:
• Carbono 46%
• Oxigênio 44%
• Hidrogênio 6%
• Cinzas 4%
32
Densidade e umidade
A densidade e a umidade são duas das propriedades físicas mais importantes, que,
encontram intimamente relacionadas para realizar qualquer tipo de cálculo de engenharia,
relacionado com os processos de utilização industrial do bagaço. Pela sua constituição, o
bagaço apresenta uma alta tendência a livre compactação, estes valores estão reportados de
forma diretamente proporcional à altura da coluna, medida da base até o ponto de
alimentação (MITRANI et al., 1999).
Segundo Mitrani et al. (1999), a umidade do bagaço possui relação direta com o
alto nível de higroscopicidade da fibra, bem como da elevada porosidade das partículas.
Segundo a literatura, o conteúdo de umidade pode atingir valores de 80 a 85% sem que
haja excesso de água.
3.2.2 Caracterização morfológica
A composição do bagaço está diretamente relacionada com a morfologia da cana-
de-açúcar, onde se encontram fibras exteriores do colmo ou da casca, feixes
fibrovasculares e outras formas fibrosas que dão resistência ao colmo do vegetal, e também
tecido parenquimatoso, chamado popularmente como miolo ou medula (MITRANI et al.,
1999).
Na saída dos moinhos se obtém uma fração rica em medula, que, ainda, contém
fibras e microfibras que passam através dos tamises, denominadas comumente bagacilhos,
o qual se envia tradicionalmente às caldeiras das usinas, para sua queima ou então é
utilizado como fonte de alimento animal enriquecido com outros produtos e processos
tecnológicos.
As fibras do bagaço são caracterizadas pela sua rigidez, apresentando uma
longitude menor que a usual em outros tipos de fibras como a da madeira, o que é uma
limitante para algumas produções como a de papel de alta resistência (MITRANI et al.,
1999).
A epiderme, camada fina que cobre o colmo e o protege, atua como
impermeabilizante do suco, no qual abundam componentes não-fundamentais da cana-de-
açúcar, que são quimicamente classificados como extrativos (MITRANI et al., 1999).
A casca, composta de fibras muito lignificadas, apresenta características principais,
como parede celular grossa, longitude e rigidez, que protegem o colmo dos efeitos
33
mecânicos e exteriores. Estas fibras têm como missão fundamental servir de sustento à
planta. Na área interna do colmo se encontra o tecido parenquimatoso, cuja função é
armazenar o suco. Neste tecido, aparecem os feixes fibrovasculares, compostos por fibras e
vasos, que dividem a função de sustentação com a de conduzir a seiva ao longo do colmo
da planta (MITRANI et al., 1999).
De acordo com Mitrani et al. (1999), ao ser moída a cana, esta ordem se perde, do
ponto de vista estrutural e as diferentes partículas se misturam entre si. A Tabela 3.1
compara as propriedades biométricas das fibras de bagaço com as de outras fontes fibrosas
usadas de forma convencional na indústria da celulose, de polpa e papel.
Tabela 3.1 – Características biométricas comparativas de fibras de diversas.
Tipo de Longitude Diâmetro Largura Relação de Índice de
fibra média (mm) médio (m) parede (m) estreiteza flexibilidade
Bagaço 1,5 20 4,0 75 0,60
Pinheiro 2,0 28 3,0 100 0,75
(Pinus Silvestris )
Eucalipto 1,0 13 1,6 77 0,75
Fonte: Mitrani et al. (1999).
3.3 POLÍMEROS
Segundo Solomons (1987), polímeros são materiais que consistem de moléculas
muito grandes, compostas por unidades que se repetem. As subunidades moleculares
usadas para sintetizar os polímeros denominam-se monômeros e as reações pelas quais os
monômeros se unem são chamadas de reações de polimerização.
3.3.1 Classificação de polímeros
Segundo Mano (1999), pode-se classificar um polímero qualquer de diversas
maneiras. Nessa dissertação, objetivou-se enfatizar características de fusibilidade e/ou
solubilidade e comportamentos mecânicos.
34
Quanto às características de fusibilidade e/ou solubilidade os polímeros podem ser
agrupados em termoplástico e termorrígidos. Os polímeros termoplásticos se fundem por
aquecimento e se solidificam por resfriamento, em um processo reversível. São materiais
relativamente macios e dúcteis devido às ligações intermoleculares do tipo Van der Walls
que são ligações fracas que permitem a reversibilidade. Os polímeros termorrígidos por
aquecimento ou outra forma de tratamento assumem estrutura reticulada, com ligações
cruzadas, tornando-se uma reação química irreversível ou infusível.
De acordo com Grulke (1994), devido às ligações cruzadas, os polímeros
termorrígidos mantêm sua forma e resistência após vários ciclos de resfriamento e
aquecimento. Entretanto, as ligações cruzadas tendem a fazer com que estes sejam frágeis
e tenham baixa resistência ao impacto.
De acordo com o comportamento mecânico dos polímeros, os materiais
macromoleculares podem ser divididos em três grandes grupos: borrachas ou elastômeros,
plásticos e fibras. As faixas que demarcam, embora muito fluidamente, os limites do
módulo elástico diferenciando borrachas, plásticos e fibras, são: 101 a 102, 103 a 104 e 105 a
106 psi (1psi = 0,07kg/cm2 = 7x103Pa), respectivamente.
3.3.2 Morfologia
Segundo Billmeyer (1984) apud Faria (2002), muitos polímeros, incluindo fibras,
são parcialmente cristalinos. A evidência mais direta deste fato é fornecida por estudos de
difração de raio X. Os testes padrões destes estudos em polímeros cristalinos mostram
ambas características justamente associadas com as regiões de ordem tridimensional e com
características mais difusas de substâncias moleculares mostrando que regiões ordenadas e
desordenadas coexistem na maioria de polímeros cristalinos. A evidência adicional a este
efeito vem de outras propriedades dos polímeros, tais como densidade, que são
intermediárias entre aquelas calculadas para a espécie completamente cristalina e amorfa.
A relação próxima entre a regularidade da estrutura e da cristalinidade molecular
tem sido reconhecida por muito tempo. Os polímeros cristalinos típicos são aqueles cujas
moléculas são química e geometricamente regulares na estrutura. As irregularidades
ocasionais, tais como as cadeias que ramificam no polietileno ou na copolimerização de
uma quantidade menor de isopreno com polisobutileno como na borracha butil, limitam a
extensão da cristalização, mas não impedem sua ocorrência (BILLMEYER, 1984).
35
Morfologia de polímeros cristalinos
Segundo Sperling (1992) e Callister (2000), existem alguns modelos propostos para
descrever a morfologia dos polímeros cristalinos que apresentam morfologia específica e
características próprias.
1) Cristalitos ou micélio com borda
Um dos modelos mais antigos, que foi aceito durante muitos anos, propõe que um
polímero semicristalino fosse composto por pequenas regiões cristalinas (cristalitos ou
micélios), onde cada uma destas regiões fosse provida de um alinhamento preciso, em que
estas estivessem envolvidas por uma matriz amorfa, composta por moléculas
aleatoriamente orientadas. Desta forma, uma única molécula da cadeia poderia passar
através de vários cristalitos, bem como das regiões amorfas intermediárias.
2) Lamelas
Recentemente, as investigações se centralizam em monocristais de polímeros que
crescem a partir de soluções diluídas. Esses cristais consistem em plaquetas delgadas (ou
lamelas) com formato retangular, de aproximadamente 10 a 20nm de espessura e com
comprimento da ordem de ���m. Com certa freqüência, essas plaquetas formam uma
estrutura com múltiplas camadas, como aquela que está mostrada na micrografia eletrônica
de um monocristal de polietileno (Figura 3.3). Acredita-se, que, as cadeias moleculares
dentro de cada plaqueta se dobram para frente e para trás sobre elas mesmas, com as
dobras ocorrendo nas faces; essa estrutura, chamada apropriadamente de modelo da cadeia
dobrada (Figura 3.4).
36
Figura 3.3 – Micrografia eletrônica de monocristal de polietileno. Ampliação de 20.000x. Fonte: Callister (2000).
Figura 3.4 – Estrutura com cadeia dobrada para um cristalito de polímero em forma de placa. Fonte: Callister (2000).
3) Esferulitas
Muitos polímeros volumosos que são cristalizados a partir de uma massa fundida
formam esferulites. Como o próprio nome indica cada esferulite pode crescer até adquirir
uma forma esférica, conforme encontrada na borracha natural, ilustrado na Figura 3.5. A
esferulite consiste em um agregado de cristalitos com cadeias dobradas e com formato de
uma fita (lamelas), com aproximadamente 10nm de espessura, que se estendem
radialmente do centro para fora. Nessa micrografia eletrônica, essas lamelas aparecem
como finas linhas como pode ser visto na Figura 3.6, que ilustra também os cristais
lamelares individuais, com suas cadeias dobradas, os quais se encontram separados por
material amorfo. As moléculas de ligações das cadeias, que atuam como elo de entre as
37
mesmas e, ainda as ligações entre lamelas adjacentes, passam através destas regiões
amorfas. À medida que a cristalização de uma estrutura esferulítica se aproxima da sua
conclusão, as extremidades das esferulites adjacentes começam a se chocar umas com as
outras, formando contornos e fronteiras mais ou menos planos; antes deste estágio, elas
mantêm as suas formas esféricas. Essas fronteiras estão evidenciadas na Figura 3.7.
Figura 3.5 – Micrografia eletrônica de transmissão, mostrando a estrutura da esferulite em uma amostra de borracha natural. Ampliação de 30.000x. Fonte: Callister (2000).
38
Figura 3.6 – Representação esquemática da estrutura detalhada de uma esferulite. Fonte: Callister (2000)
Figura 3.7 – Fotomicrografia de transmissão usando luz polarizada cruzada mostrando a estrutura esferulite de polietileno. Ampliação de 525x. Fonte: Callister (2000).
39
3.3.3 Fatores que influenciam as propriedades mecânicas
Cristalinidade
Segundo Callister (2000), o estado cristalino pode existir nos materiais poliméricos.
Entretanto, este estado envolve moléculas em vez de apenas átomos ou íons, como ocorre
em metais e em cerâmicas, os arranjos atômicos serão mais complexos no caso de
polímeros. Imagina-se a cristalinidade dos polímeros como sendo o empacotamento de
cadeias moleculares visando a produção de uma matriz atômica ordenada. As estruturas
cristalinas podem ser especificadas em termos de células unitárias, com freqüência bastante
complexa. A Figura 3.8 mostra a célula unitária para o polietileno e a sua relação com a
estrutura molecular da cadeia, sendo que esta célula possui uma geometria ortorrômbica O
grau de cristalinidade pode variar desde completamente amorfo até quase totalmente (até
aproximadamente 95%) cristalino.
Figura 3.8 – Desenho esquemático do arranjo de cadeias moleculares em uma célula unitária para o polietileno. Fonte: Callister (2000).
40
Peso molecular
A magnitude do módulo de tração não parece sofrer influência direta do peso
molecular. Por outro lado, para muitos polímeros foi observado que o limite de resistência
à tração eleva em função de um aumento do peso molecular. De acordo com Callister
(2000), esta relação pode ser verificada matematicamente sendo o limite de resistência à
tração (LRT) uma função do peso molecular médio pelo número de moléculas, de acordo
com a seguinte relação:
LRT=LRT��- A/Mn (3.2)
onde LRT� representa o limite de resistência à tração no caso hipotético de um peso
molecular infinito, e A é uma constante.
O comportamento descrito por esta equação pode ser explicado pelo aumento no
número de embaraços e entrelaces na cadeia com o aumento de Mn (Figura 3.9).
Figura 3.9 – Influência do grau de cristalinidade e do peso molecular sobre as características físicas do polietileno. Fonte: Callister (2000).
41
Pré-deformação por estiramento
Em termos comerciais, uma das técnicas mais importantes utilizadas para aprimorar
a resistência mecânica e o módulo de tração consiste em se deformar o polímero
permanentemente em tração. Esse procedimento é algumas vezes chamado de estiramento.
Durante o estiramento, as cadeias moleculares deslizam uma sobre as outras e se tornam
altamente orientadas (Figura 3.10).
Figura 3.10 – Deformação de um polietileno semicristalino, com duas lamelas com cadeias dobradas adjacentes e o material amorfo interlamelar, mostrando sua orientação dos segmentos de blocos e cadeias de ligação com o eixo de tração. Fonte Callister (2000). Tratamento térmico
O tratamento térmico nos polímeros semicristalinos leva à modificações no
tamanho e na perfeição dos cristalitos, bem como nas estruturas esferulíticas. Para
materiais que não tenham sido estirados e que são submetidos a tratamento térmico com
tempo constante, o aumento da temperatura de recozimento leva ao seguinte:
1) Um aumento no módulo de tração,
2) Um aumento do limite de escoamento,
3) Uma redução da ductilidade.
42
3.3.4 Polímeros na engenharia
De acordo com Grulke (1994) apud Faria (2002), antes de 1930 a maior parte dos
artefatos domésticos, bens duráveis e de produtos industriais eram feitos de madeira,
metais, vidro, papel, couro e borracha natural vulcanizada. A partir de então, os plásticos
substituíram muitos daqueles materiais devido à facilidade de conformação e
adicionalmente, ao baixo custo. Os plásticos podem competir com outros materiais
estruturais conforme mostrado na Tabela 3.2. O módulo de elasticidade (E) e a resistência
�1��GRV�PDWHULDLV�IRUDP�XVDGRV�SDUD�FDUDFWHUL]á-los em aplicações estruturais.
Comparando aos materiais estruturais tradicionais, os polímeros exibem uma
grande fluência sobre a carga. Para muitas aplicações estruturais, esta deficiência pode ser
corrigida adicionando um reforço, particularmente as fibras que são ligadas ao polímero.
As fibras reduzem o alongamento, produzindo materiais mais frágeis, porém mais
resistentes. Os polímeros não se submetem ao ataque oxidativo rápido no ambiente, em
comparação aos materiais ferrosos. As cores e os estabilizadores da luz podem ser usados
para fornecer a cor uniforme na peça, visto que a maioria dos polímeros tem a resistência a
solvente razoável (GRULKE, 1994).
43
Tabela 3.2 – Propriedades típicas dos materiais.
Modulo de Elasticidade (E) Resistência (1�*SD 0SD
Aço doce 207 414
Alumínio 69 124
Latão 97 345
Titânio 107 650
Vidro 69 69
Polipropileno 1,1 36
Polietileno de alta densidade 1,1 26
Polietileno de baixa densidade 0,2 14
Material
Fonte: Callister (2000).
Segundo Mano (2000), os materiais de engenharia podem ser distribuídos em duas
grandes divisões: os clássicos (ou convencionais) que são as madeiras, os vidros, as
cerâmicas e os metais; e os não clássicos que são os polímeros sintéticos.
Polímeros sintéticos são produtos químicos obtidos por via sintética que apresentam
longas cadeias, e dentre eles se encontram importantes materiais de engenharia. Os
polímeros industriais sintéticos podem ser utilizados na engenharia, tanto individualmente,
quanto em sistemas mistos (MANO, 2000).
3.3.5 Reciclagem
Em função dos objetivos desta dissertação, foi dada uma maior ênfase a reciclagem
de materiais poliméricos termoplásticos.
A reutilização de materiais plásticos pós-consumo é tema de grande importância
(Figura 3.11), não somente pela sua possível contribuição econômica dentro de um
processo produtivo, como também devido à redução do impacto ambiental gerado pela
quantidade de resíduo produzido pela sociedade (KIPPER, ?).
Segundo Ávila (2003), a geração de resíduos plásticos nas cidades está aumentando
em torno de 25% por ano, enquanto, neste mesmo período, as ampliações dos aterros
44
municipais cresceram somente 7,5%. Com isso, estima-se que em 2015 não haverá aterros
disponíveis para estes resíduos. Segundo a Associação Brasileira de Indústria Química
(ABIQUIM), a maior parte das resinas plásticas produzidas em 2002, foram destinadas a
embalagens plásticas que se transformaram em curto prazo em resíduos e com isso, um
grave problema social, como pode ser visto na Figura 3.12. O processo de reciclagem é
uma possível solução para esta questão tão discutida, mas sem solução aparente.
Figura 3.11 – Resíduos de plástico pós-consumo.
14,6%
4,7%
7,7%
8,0%
11,6%
13,7%
39,7%Embalagem
Contrução Civil
Descartáveis
Componentes Técnicos
Agrícolas
Utilidades Domésticas
Outros
Àre
as
Percentual
Figura 3.12 – Destino das resinas plásticas em 2002. Fonte: ABIQUIM.
45
É conhecido que, mesmo contando com uma experiência de mais de trinta anos, o
reaproveitamento do plástico no Brasil ainda permanece uma atividade incipiente. Mas a
previsão para o futuro é diferente, a reciclagem de resíduos plásticos deverá se expandir e
despontar como uma atividade amplamente produtiva, visto o potencial altamente rentável
aliado à preocupação e adequação às recentes leis ambientais de geração de resíduos
sólidos. Em comparação com países desenvolvidos, o Brasil já apresenta os fatores
necessários para o investimento em reciclagem, sendo os principais, a falta de aterros, a
reação da população frente a aberturas destes, as leis ambientais e as freqüentes crises de
matéria prima virgem (KIPPER, ?).
A reciclagem / reutilização de materiais plásticos é uma condição essencial para o
gerenciamento do lixo devido ao crescimento deste resíduo evidenciado na cidade de São
Paulo e que podemos ver na Tabela 2.2. Segundo Furtado (2000), o plástico representa um
volume de aproximadamente 19% de todo o lixo urbano (Figura 3.13), seu desvio do aterro
contribuirá significativamente para o melhor aproveitamento dos recursos e conseqüente
melhoria da qualidade de vida dos cidadãos.
Percentagem de cada material no lixo brasileiro
49%
24%
1%
3%
4%
19%
Matéria orgânica
Papel
Plástico
Metais
Vidro
Outros
Mat
eria
is
Percentual
Figura 3.13 – Percentual de cada material no lixo brasileiro. Fonte: Guadagnine (2001).
46
Tabela 3.3 – Evolução da composição do lixo domiciliar na cidade de São Paulo (dados em %).
1927 1957 1969 1976 1991 1996 1998 2000
Matéria orgânica 82,5 76 52,2 62,7 60,6 55,7 49,5 48,2
Papel 13,4 16,7 19,2 21,4 13,9 16,6 18,8 16,4
Plásticos 1,9 5 11,5 14,3 22,9 16,8
Metais ferrosos 1,7 2,2 5,8 3,9 2,8 2,1 2 2,6
Alumínio 0,1 0,7 0,7 0,9 0,7
Vidros 0,9 1,4 2,6 1,7 1,7 2,3 1,5 1,3
Madeira 2,4 1,6 0,7 1,3 2
Fonte: Tenório (2003).
Embora haja, em certos casos, algumas limitações e restrições para a utilização do
oriundo do lixo urbano (não pode ser usado para embalagens de alimentos, produtos
farmacêuticos e hospitalares e alguns tipos de brinquedos), se adequadamente tratado, esta
matéria-prima pode ser utilizada na fabricação de muitos produtos, mantendo quase que as
mesmas propriedades daqueles feitos com matéria-prima virgem como verificado por
Ávila (2003) e alguns casos com desempenho superiores aos materiais virgens como
observado por Mano (1999). Portanto, o preconceito que ainda existe impedindo um uso
maior desta matéria-prima reside na falta de informação e também na existência de alguns
transformadores que insistem na tese de que a competitividade só é alcançada quando se
tem baixo preço, não importando a qualidade do produto. Deve ser ressaltado que existem
normas técnicas e especificações que devem ser atendidas, não importando se a matéria-
prima é virgem ou reciclada.
O percentual de reciclagem de cada material no lixo brasileiro está exposto na
Figura 3.14, sendo latas de alumínio (87%), papel ondulado (77,3%), pneus (57%), latas de
aço (45%), vidro (44%), papel de escritório (41%), garrafas PET (35%), óleo lubrificante
(23%), plástico rígido (17,5%), plástico filme (17,5%), embalagens longa vida (15%) e
matéria orgânica (1,5%).
47
1,5%
17,5%
15%
17,5%
23%
35%
41%
44%
45%
57%
77,3%
87%Latas de alumínio
Papel ondulado
Pneu
Latas de aço
Vidro
Papel de escritório
Garrafas PET
Óleo lubrificante
Plástico filme
Plástico rígido
Embalagens longa vida
Matéria orgânicaM
ate
ria
is
Percentual reciclado
Figura 3.14 – Percentual de reciclagem de cada material no lixo brasileiro. Fonte: CEMPRE (2002).
Tipos de reciclagem
Segundo Bonelli (1993), a reciclagem de plásticos pode ser dividida em quatro
grandes grupos, segundo a fonte de material e a tecnologia empregada no processo:
recuperações primárias, secundárias, terciárias e quaternárias.
A recuperação primária utiliza refugos obtidos no processo de fabricação dos
produtos de plásticos, apresentando grau de contaminação muito reduzido ou inexistente.
Consiste moagem de rebarbas, canais de injeção e sobras de materiais, posteriormente
incorporados, como carga, na matéria-prima virgem.
A primeira fonte de material que pode ser reciclado é, sem dúvida, resíduo do
processo de fabricação, qualquer que seja a tecnologia utilizada na transformação de
plástico, sempre há certa quantidade de material residual. Por outro lado, a maior parte dos
resíduos plásticos se encontra no lixo (ou seja, material pós-consumo) residencial e
estabelecimentos comerciais (MANO, 1991).
A recuperação secundária é caracterizada pelo reaproveitamento de resíduos
plásticos, que são processados e reutilizados, geralmente em produtos de menor exigência
técnica. A performance destes materiais esta intimamente relacionada ao grau de
48
contaminação da matéria-prima, à geometria das peças a serem fabricadas e, também, ao
grau de degradação química sofrido pelas cadeias poliméricas desde o descarte dos
produtos plásticos até seu reprocessamento. Os estágios convencionais deste tipo de
recuperação são também conhecidos como reciclagem mecânica e podem ser vistos na
Tabela 3.4.
Tabela 3.4 – Etapas envolvidas na reciclagem mecânica secundária de plásticos pós-consumo segundo Bonelli.
Etapas Descrição
Identificação dos plásticos
PEBD, PEAD, PVC, PP, OS, PET, e outros
Trituração Moagem e lavagem
Secagem
Aglutinação
Extrusão
Granulação
Aditivação
Peletização
Reciclagem Transformação em novo produto
Separação
Regeneração
Pós-tratamento
A recuperação terciária, conhecida como reciclagem química, consiste na
transformação dos polímeros presentes nos refugos plásticos em seus respectivos
monômeros ou oligômeros, através de processos térmicos ou químicos.
A recuperação quaternária, também conhecida de reciclagem energética, consiste
na transformação da energia química de ligação entre os átomos e moléculas dos polímeros
e dos aditivos utilizados na fabricação dos produtos em energia térmica, pela incineração
controlada do material plástico. De acordo com as diferenças de poder calorífico, os
materiais a serem incinerados são classificados de acordo com a quantidade de energia
liberada por massa, como materiais de baixa, média e alta combustão.
49
De acordo com Scott (2000), no Brasil a reciclagem mecânica é a mais utilizada. A
reciclagem química é pouco utilizada em nosso país e a reciclagem energética ainda não
faz parte de nossa realidade. A reciclagem mecânica e a química parecem ser as mais
interessantes, pois exigem etapas anteriores ao reprocessamento propriamente dito, etapas
de coleta e separação que podem gerar empregos para nossa população.
Viabilidade econômica
O estudo da viabilidade econômica da reciclagem de plástico é um fator
preponderante quando se quer um processo eficiente. A viabilidade de um processo de
reutilização de plástico é, de modo geral, função da coleta dos resíduos, dos custos da
reciclagem e do preço do produto reciclado. Com isso para se obter um reciclado
economicamente viável e, portanto de alto valor agregado, é de suma importância que, a
operação de reciclagem seja realizada da maneira mais eficiente possível garantindo assim
um produto de qualidade. Como pode ser visto no Gráfico 2.1 os custos de reciclagem no
Brasil vem tendo uma queda considerável o que ajuda no desenvolvimento de novos
núcleos de reciclagem.
Gráfico 3.1 – Evolução da média de custos da coleta seletiva (US$).
*US$1,00=2,95 Fonte: www.cempre.com.br
50
De acordo com informações da Associação Brasileira de Embalagens – ABRE
(2003) – o Brasil, mesmo quando comparados com alguns países desenvolvidos, apresenta
elevados índices de reciclagem. Por exemplo, são reciclados hoje no Brasil 21% dos
plásticos rígidos e filmes consumidos no país, equivalendo a 200 mil toneladas ano.
No Brasil, 17,5% dos plásticos rígidos e filmes consumidos retornam a produção
como matéria-prima. Deste total, 60% provêm de resíduos industriais e 40% do lixo
urbano, segundo estimativa da Associação Brasileira de Recicladores de Materiais
Plásticos (ABREMPLAST).
No ano de 1999, foram produzidos cerca de 3,5 milhões de toneladas de resinas
termoplásticas, no Brasil; desse total, mais de 65% foram destinados às indústrias de
embalagens plásticas. Depois de absorvidas pelo mercado consumidor, tais embalagens são
descartadas como resíduo pós-consumo e se tornam um sério problema ambiental, por não
serem biodegradáveis. Esse material, usualmente rejeitado, poderia ser parcialmente
utilizado como matéria-prima para a produção de compósitos termoplásticos (MACIEL,
2003).
As recicladoras compram o kilogramo de resíduo plástico pós-consumo pelo valor
médio de R$0,70 (os preços podem variar em função da região e do tipo de plástico).
Depois de processados vendem os plásticos em três formas: a) moídos, a R$1,10; b)
aglutinados (no caso de filmes), a R$0,90; c) em forma de pellets, a R$1,60 (CORRÊA,
2004). A Figura 3.15 mostra o percentual de resíduos plásticos consumidos pelas empresas
recicladoras nos estados pesquisados.
7,2%
9,2%
9,9%
12,6%
14,9%
15,3%
30,9%PEBD
PP
PET
PEAD
PS
PVC
OUTROS
Tipo
s de
res
íduo
s
Percentual reciclado
Figura 3.15 – Percentual de resíduo plástico consumido pelas empresas recicladoras. Fonte: Corrêa (2004).
51
3.4 COMPÓSITOS PLÁSTICOS REFORÇADOS COM FIBRAS
Segundo Callister (2000) e Corrêa (2004), compósitos são materiais resultantes da
mistura ou combinação de dois ou mais constituintes, que se diferem na forma e
composição química e que são essencialmente insolúveis um no outro, com a finalidade de
se obter qualidades superiores aos seus constituintes individualmente. Geralmente um
material é a matriz, que é o meio de transferência da força aplicada, e o outro é o reforço,
que fornece a principal resistência ao esforço.
Segundo Banks (2002), a incorporação de carga mineral em compostos poliméricos
é prática comum, pois além de conferir resistência mecânica, térmica e elétrica, age para
diferenciar propriedades de rigidez, módulos de elasticidade, de temperaturas de deflexão,
resistência ao envelhecimento, tração e influencia ainda na processabilidade do material e
acabamento superficial do produto.
Com o passar dos anos estas cargas minerais, tais como carbonatos de cálcio, talco,
entre outras, encontraram nos materiais poliméricos uma ampla gama de aplicações e,
portanto já podemos encontrar escassez destes recursos, que passaram a serem aplicados,
sobretudo, nas indústrias de tintas e cremes dentais; que faz com que em determinadas
épocas do ano, seu custo ser elevado e a oferta das mesmas diminuídas (KOKTA, 1985 e
BANKS, 2002).
Em contrapartida, novas cargas, podem ser aplicadas com eficiência vindo a suprir
a demanda muito disputada por diferentes mercados. Assim, para aplicações especificas e
diferenciadas, na criação de novos materiais e produtos de diferentes aplicabilidades
podem ser desenvolvidos materiais poliméricos reforçados por meio de finos de madeira,
uma carga orgânica que encontra hoje disponibilidade de recursos (BANKS, 2002).
De acordo com Oksman (1998), o principal motivo de introduzir finos de madeira
em compósitos termoplásticos é a redução de custo por unidade de volume adicionado à
melhoria nas propriedades mecânicas do material.
Este compósito que utiliza fibras vegetais com plástico está se desenvolvendo
rapidamente no mundo todo, por causa de sua versatilidade de uso aliado a sua
durabilidade. Este novo produto se mostra vantajoso por utilizar como matéria-prima
(Figura 3.16) materiais muito acessíveis e, além disso, elimina problemas que estes causam
ao meio ambiente aumentado sua vida útil (KOKTA, 1985, SANADI, 2002 e JOSEPH,
2002).
52
Figura 3.16 – Fibras de madeira e bagaço de cana-de-açúcar e plásticos.
De acordo com Marcovich (2002), devido à limitada estabilidade térmica da
madeira, somente termoplásticos que tem ponto de fusão ou que podem ser processados
abaixo de 200°C são utilizados em compósitos de plástico-madeira (CPM). Atualmente a
maioria dos CPM’s são fabricados com polietileno, tanto virgem como reciclados, embora
sejam utilizados também polipropileno, PVC, poliestireno e acrinolitrila-butadieno-
estireno (ABS). O material plástico é sempre selecionado baseado nas propriedades,
necessidades de produção, disponibilidade, custo e familiaridade do fabricante com o
material.
A madeira plástica apresenta vantagens em relação à madeira tradicional ou
compensados de madeira, atualmente utilizados como resistência à umidade, putrefação,
resistência ao ataque de insetos, entre outras. Além disso, o resíduo de madeira é um
reforço barato para a matriz polimérica ajudando a aumentar a dureza do produto
(SANADI, 2002; NASCIMENTO, 2003 e PILZ, 2004).
De acordo com Guadagnine (2001), os compósitos de plástico e madeira têm
vantagens como, a baixa densidade, baixo custo, alta resistência específica e alto módulo
de elasticidade. Para a produção destes compósitos alguns problemas podem ocorrer:
• Incompatibilidade entre as fibras de madeira que são hidrofílicas, e o material
polimérico que apresenta características de hidrofobicidade, causando baixa
dispersão e molhamento superficial inadequado na carga;
53
• Dificuldades na homogeneização da mistura entre fibras e plástico na
alimentação da máquina extrusora devido a diferenças de densidades;
• Fraca adesão das fibras com a matriz polimérica, devido à absorção de água na
superfície das fibras de madeira, tornando impossível o molhamento total da
carga;
• Falta de interação química na interface carga-polímero, devido à ausência de
reatividade entre o plástico e as fibras.
• Instabilidade química das fibras de madeira a 200°C, valor próximo às
temperaturas de fusão dos polímeros utilizados;
O autor sugere algumas formas de solucionar estes problemas como medidas de
processo que promovam a rápida dispersão e o molhamento das fibras de madeira no
polímero fundido; modificação da característica polar da superfície da celulose pela
graftização com segmentos termoplásticos compatíveis e monômeros vinílicos; adição de
vários aditivos, monômeros vinílicos e agentes compatibilizantes durante o período de
formulação; modificação da matriz polimérica apolar com monômeros hidrofílicos ou
grupos polares.
A tecnologia de produção dos compósitos termoplásticos utiliza o plástico
polietileno de alta e baixa densidade e o polipropileno, em mistura com partículas e fibras
vegetais, além de agentes compatibilizadores, como matérias-primas principais (KOKTA,
1985).
3.4.1 Aditivos compatibilizantes
Compósitos de plástico reforçados com fibras de madeira são normalmente
produzidos ou pela mistura de fibras de madeira com polímero ou pela adição de fibras de
madeira como agente de reforço na matriz polimérica, pelo processo de prensagem ou
moldagem com alta pressão e temperatura. A maioria dos polímeros, principalmente os
termoplásticos, são apolares (hidrofóbicos), substâncias que não são compatíveis com as
fibras polares da madeira (hidrofílica) (LU et al., 2000).
Agentes de ligação são substâncias que são usadas em pequenas quantidades para
tratar/modificar a superfície da madeira e dos termoplásticos para melhorar a adesão e
afinidade entre eles. Nesse grupo estão incluídos os agentes dispersantes e os
54
compatibilizadores. Agentes de união agem como uma ponte de ligação entre polímeros
termoplásticos e as fibras de madeira por um ou mais mecanismos: ligação covalente,
combinações de cadeias poliméricas e interações secundárias como o caso da ligação do
hidrogênio. Compatibilizadores são usados para melhorar a compatibilidade entre
polímeros imiscíveis, reduzindo a tensão interfacial (CORRÊA, 2004).
Alguns compatibilizadores como anidrido acético e o isocianato metil são reagentes
monofuncionais, eles diminuem a energia superficial da fibra transformando-a apolar,
como a matriz termoplástica. Alguns agentes de união como o polipropileno maleatado
(PPMA), estireno-etileno/butileno-estrireno maleatado (SEBS-MA) e anidrido maleico-
estireno (AME), também agem como compatibilizadores. Agentes dispersantes reduzem a
energia interfacial da matriz polimérica e das fibras de madeira, ajudando a dispersão
uniforme da fibra da madeira na matriz polimérica sem aglutinação e, portanto, facilitando
a formação de novas interfaces.
Um dos fabricantes do polipropileno maleatado (PPMA), a Atofina, que produz o
Overac CA100, sugere a utilização na proporção de 1%. Segundo dados técnicos da
empresa, a adição de 1% do PPMA melhora a resistência ao impacto em 80% e resistência
à tração de 40% (ATOFINA – boletim técnico, 2001).
Outro fabricante do polipropileno graftizado (modificado) com anidrido maleico
(PPMA), a Eastman, produz o Epolene E-43 Wax e recomenda a utilização do PPMA de
0,5 a 6 % em compósitos de poliolefinas e fibras de madeira (celulose). De acordo com as
informações técnicas da empresa, o PPMA melhora a resistência à tração e outras
propriedades físicas dos compósitos de poliolefinas-celulose (EASTMAN – boletim
técnico, 1997).
Segundo Costa (1997), a adição de 1% de polipropileno maleatado (PPMA) em um
compósito formado com fibras de madeira (70-85%) e polipropileno (15 a 30%) aumentou
significativamente a resistência à tração, à flexão e o modulo de tração. No entanto, não
houve melhora adicional dessas propriedades quando o teor de PPMA foi aumentado de 1
a 3%. Além de proporcionar uma menor absorção de água, o tratamento das fibras de
madeira com PPMA permitiu uma incorporação eficiente do material na interface
polímero/fibra, formando um compósito reforçado.
Para o autor, a adesão entre dois substratos é um fenômeno complexo que ainda não
foi completamente elucidado. A adesão envolve um grande número de noções e conceitos
que podem variar dependendo da forma como o fenômeno é estudado: em nível
microscópico ou molecular. Nenhuma teoria geral ou modelo de adesão descreve
55
completamente o fenômeno. Os modelos mais importantes de adesão podem ser divididos
em mecânicos e adesão específica, em ambos os tipos os requisitos essenciais para uma
boa adesão envolve basicamente: grau adequado de umidecimento da superfície do
substrato pelo adesivo e sua conseqüente penetração nos interstícios da superfície;
solidificação do adesivo e a suficiente flexibilidade da massa polimerizada, a fim de
reduzir os efeitos das tensões elásticas quando submetidas a esforços localizados.
A adesão mecânica é o resultado do entrelaçamento (interlocking) mecânico de
polímeros em poros ou asperezas superficiais de um substrato. A Figura 3.17 mostra os
princípios desta teoria proposta por McBain e desenvolvida mais especificamente para
adesão de madeiras. Essa adesão se caracteriza pela penetração espontânea do adesivo, por
capilaridade, para o interior dos interstícios do substrato tomando seu contorno e
dificultando sua saída após a solidificação do adesivo.
Figura 3.17 – Modelo de adesão. Fonte: Costa (1997).
A adesão especifica engloba, dentre outros modelos, o da difusão, de absorção
termodinâmica e o da adesão química. A teoria da difusão explica a adesão entre polímeros
idênticos quando em perfeito contato, pela interpenetração de cadeias poliméricas nas
camadas superficiais dos substratos. Neste caso é imprescindível que estas superfícies
sejam solúveis e compatíveis, e que as macromoléculas apresentem alta mobilidade a uma
adequada temperatura. De acordo com este modelo, a adesão de duas macromoléculas em
56
contato íntimo, resulta na interdifusão iniciada por suas extremidades. Essa interdifusão
permite a formação de uma zona de transição ou interface entre duas superfícies.
A adesão por adsorção termodinâmica é também chamada de modelo de
molhamento. Quando uma gota de líquido é depositada sobre uma superfície sólida polida
e plana, quando em equilíbrio com seu vapor, a gota tende a tomar uma configuração de tal
modo a minimizar a energia do sistema e favorecer interações entre as superfícies do
líquido e do sólido.
A adesão através de ligações químicas se dá por meio de ligações primárias
(iônicas, covalentes, coordenadas e metálicas) e/ou através das forças secundárias
intermoleculares, geradas na região interfacial dos substratos em contato.
3.4.2 Processo de extrusão
Dentre os processos de produção de compósitos plásticos reforçados com fibras
será discutido somente o processo de extrusão voltado à indústria polimérica que é o
objetivo desta dissertação.
Introdução histórica
Segundo Fisher (1964), no desenvolvimento da indústria em torno dos anos 1845-
1850, quando os processos de extrusão foram usados primeiramente em escala industrial
nos Estados Unidos e na Alemanha, aplicado ao látex e isolamento dos condutores de
cobre. O primeiro cabo submarino foi construído com sucesso por extrusão em 1851.
As extrusoras usadas inicialmente e a partir das quais a indústria da extrusão
cresceu, eram todas do tipo de matriz e foram operadas manualmente, mecanicamente, ou
hidraulicamente. Neste processo de extrusão, o látex quente é pressionado aleatoriamente
em uma caixa matriz através da qual o condutor de cobre era guiado. O látex extrudado no
orifício da caixa matriz revestia o condutor com uma camada isolante. Tais máquinas
tinham uma desvantagem por sua operação não ser contínua e tinha que parar em
intervalos regulares para realimentar ou mudar o cilindro. Várias tentativas foram feitas
para superar esta limitação resultando finalmente na adaptação do princípio do parafuso na
extrusão (FISHER, 1964).
De 1845 aproximadamente até o desenvolvimento dos polímeros sintéticos e do
princípio da atual indústria dos plásticos, o processo de extrusão foi confinado à
57
manipulação do látex, da borracha, do nitrato de celulose. Durante os anos 1920-1930
muitas resinas termoplásticas novas foram desenvolvidas e examinadas do ponto de vista
da extrusão. Nos anos 20 houve o início de um grande número de mudanças importantes na
indústria da extrusão. A extrusão de pequena escala do acetato de celulose atraía a atenção
das empresas tais como os britânicos Xylonite Companhia e Erinoid Ltda. Durante o
mesmo período, na Alemanha, a nova resina de poliestireno era experimentada, devido a
suas propriedades elétricas proeminentes, e as tubulações rígidas de resinas inflexíveis de
vinil estavam sendo fabricado em escala experimental (FISHER, 1964).
Até esta época as máquinas de extrusão usadas para o trabalho experimental e
produção eram operadas por matriz ou do tipo parafuso, diferindo pouco das primeiras
máquinas que foram projetadas para o látex e a borracha e patenteada por Gray em 1879. A
fonte de calor destas máquinas eram a vapor, tal fato mostrou ser um limitador quando se
utilizava os novos polímeros ou parafusos curtos (FISHER, 1964).
Uma das extrusoras de parafuso comercialmente disponíveis que tinha sido
projetada especialmente para materiais termoplásticos foi desenvolvida por Paul Troester,
em 1935. Nesta época Horst Heidrich Berlim produziu sua primeira extrusora para
materiais plásticos e alguns anos mais tarde, 1937-1938, Francis Shaw, nos Estados
Unidos, produziu também tal máquina. Estas máquinas novas foram equipadas com
parafusos mais longos e aquecidas por óleo como meio de transferência ou diretamente por
calefatores de resistência elétrica (FISHER, 1964). A Figura 3.18 mostra um desenho
esquemático.
Figura 3.18 – Desenho de extrusora. Fonte: Faria (2002).
58
Conceitos básicos
Fundamentalmente, o processo de extrusão consiste em converter uma matéria-
prima apropriada em um produto de seção transversal específica forçando o material
através de um orifício ou de uma matriz sob condições controladas. A fim de este conceito
simples possa ter o valor prático, existem determinadas exigências que devem ser
satisfeitas a respeito do equipamento e da matéria-prima. O equipamento deve ser capaz de
fornecer a pressão suficiente continuamente e uniformemente ao material, e em alguns
casos devem também ter meios de amolecer ou de outra maneira de condicionar o material
de modo que se torne extrudável. O material deve ser tal que quando acondicionado
apropriadamente fluirá sob pressão e solidificará quando estas condições são removidas ou,
alternativamente, para solidificar em conseqüência de alguma mudança química que pode
continuamente ser causada (FISHER, 1964).
Segundo Fisher (1964), a técnica de extrusão de plásticos podem ser divididas em
três classes: extrusão molhada, extrusão rotativa, e extrusão seca.
• Extrusão molhada: a matéria-prima é acondicionada ou amolecida pela adição
prévia de solventes, de modo que nenhum outro amolecedor adicional, exemplo o
calor, é requerido durante a extrusão. Em alguns casos, este método tem
determinadas vantagens sobre a extrusão seca, onde o amolecimento é obtido pelo
calor e pela pressão. Com um material como o nitrato de celulose, que é altamente
inflamável e perigoso quando superaquecido, é aconselhável para todas as
operações manipulativas ocorrerem em uma condição molhada, em temperaturas
relativamente baixas e com um mínimo de esforço compressivo e de efeito de
atrito. Por outro lado, este tipo de extrusão tem determinadas desvantagens como
uma operação especial é requerida na preparação da matéria-prima e os solventes
usados geralmente são caros; o produto final não pode tornar-se dimensionalmente
estável até a evaporação total dos solventes utilizados; para viabilização de uma
planta de produção é necessária a instalação de uma planta de recuperação de
solvente que é cara.
• Extrusão rotativa: contém um grande número de furos muito finos através do qual
o material sintético filtrado em forma de fibra é forçado pela ação de uma bomba.
Esta extrusão é posicionada geralmente no sentido descendente e os
monofilamentos, que estão inicialmente na forma de jatos finos líquidos,
solidificará em várias maneiras, dependendo da forma requerida do material.
59
• Extrusão a seco: neste processo somente o calor é utilizado para amolecer o
material, podendo usar a força da matriz em que o material é separadamente pré-
aquecido para atingir o grau requerido antes de pressionar ou pode ser forçada pela
matriz através de uma câmara de aquecimento especial, como um tipo de máquina
de molde de injeção.
Zonas da extrusora
Na zona 1 tem-se o funil de alimentação da máquina e no fundo tem-se um furo,
aproximadamente do tamanho da entrada da extrusora para a rosca de movimentação. A
zona 2 é uma parte da extrusora que está colocada abaixo do ponto de amolecimento do
plástico, é geralmente resfriada com água. A zona 3 é aquecida e a temperatura dentro da
máquina aumenta da zona 2 para a zona 3. As forças de atrito mudam de sólido seco para
um sólido lubrificado e o material se transforma de uma massa de grãos consistente em
uma camada de plástico derretido. No fim da zona 3, o plástico está começando a agir
como um líquido viscoso e se aproxima da temperatura desejada. Na zona 3, o plástico
comporta-se quase como um líquido viscoso. Ele está sendo homogeneizado e aproxima da
temperatura completamente uniforme. As medidas da temperatura ao longo do parafuso
mostram que em sua ponta o parafuso pode ser aquecido acima da temperatura do
revestimento pelo trabalho de atrito (SIMONDS et al., 1952). A Figura 3.19 mostra um
desenho representativo de uma extrusora típica.
Figura 3.19 – Seção transversal de uma extrusora mostrando as zonas de aquecimento. Fonte: Faria (2002).
60
Comportamento do material granular
A alimentação do material granular na extrusora pode ser tratada em alguma
extensão como um problema de força de atrito exercida pelo tambor e parafuso, o qual
causa uma crosta de material sólido ao longo do parafuso. Muitos materiais granulares,
flocos, e mesmo pó, são compactados em uma massa consistente logo após a alimentação
até passar pela extremidade do parafuso e nenhum corte ou movimento relativo da camada
ocorre até que a temperatura do material aproxime do ponto de fusão. Então, durante este
estágio inicial, quando o material está sendo aquecido em uma massa consistente, a lei
clássica de atrito pode ser aplicada ao movimento da massa e a relação obtida fornece a
pressão em algum ponto ao longo do parafuso e mostra o efeito do perfil da rosca no
mecanismo (FISHER, 1964).
O movimento do material na extremidade da alimentação de uma extrusora pode
ser tratado de uma maneira similar. Considerando as velocidades relativas do material, da
superfície do parafuso e da superfície do tambor, uma relação pode ser estabelecida entre a
saída, a velocidade do parafuso e o perfil da rosca. Fisher (1964) propõe a seguinte
expressão:
4� ��'1ZK�VHQN�FRVN�– tg . ) (3.3)
onde Q é a vazão na saída, D é o diâmetro do parafuso, N é a relação Rev/min do parafuso,
w é o avanço, h é a profundidade da rosca, N é o ângulo da hélice da rosca e . é o ângulo
entre o vetor velocidade do material e a normal ao vetor relativo da velocidade como
mostrado na Figura 3.20.
Figura 3.20 – Triângulo das velocidades. Fonte: Faria (2002).
61
Exigências de calor e potência
Uma das principais funções de uma extrusora de plásticos é elevar a temperatura do
material que está sendo alimentado, em geral à temperatura ambiente, até a temperatura na
qual o material possa fluir e ser, adequadamente trabalhado para adquirir a forma desejada.
É, portanto, necessário fornecer a energia térmica ao material em uma taxa que produza as
temperaturas necessárias para esta operação. Além da energia necessária para aquecer o
material, uma potência deve ser fornecida ao parafuso para girá-lo de encontro às
resistências de atrito e viscosidade do material na hélice do parafuso (FISHER, 1964).
A resistência elétrica de indução é o método mais usado para fornecer a energia
térmica ao material plástico por condução, o parafuso é conduzido por um motor elétrico
ou por um motor hidráulico. Ambos os mecanismos de energia estão intimamente
relacionados, visto que, uma alteração na taxa de um produzirá uma mudança no outro, por
exemplo, o aumento na temperatura do material plástico diminui a energia requerida para
girar o parafuso.
Tempo de residência
Para se aumentar a vazão em uma máquina com um dado diâmetro de parafuso é
necessário aumentar a velocidade de rotação do parafuso, como conseqüência, pode ser
necessário aumentar também o comprimento do parafuso para se obter um tempo mínimo
de residência para o material alcançar a homogeneização completa. Tal fato tem como
conseqüência, a potência requerida e o torque. O tempo de residência pode ser calculado a
partir da equação (3.4) (FISHER, 1964).
TR = Vs /Q (3.4)
onde R é o tempo de residência, Vs é o volume total de material de saída e Q é a vazão.
62
3.4.3 Visita Técnica
Na complementação da revisão bibliográfica foi realizada uma visita técnica em
uma das poucas unidades que produzem o compósito termoplástico em escala industrial da
chamada Madeira Plástica que, segundo Nascimento (2000), é um nome comercial de um
tipo de material que pode ser basicamente classificado por blenda de resíduos plásticos e
que visa ser manuseada e empregada como se fosse madeira. Embora sua produção seja
disseminada por diversos países, no Brasil sua produção é quase desconhecida.
A Fazenda da Esperança está situada na cidade paulista de Guaratinguetá, possui
um sistema de produção desta madeira plástica pelo processo de extrusão através de uma
extrusora que é fruto de uma doação do governo alemão à instituição Obra Social Nossa
Senhora da Glória que trata recuperação de dependentes de drogas. Nesta instalação,
mostrada na Figuras 3.21, 3.22 e 3.23, que passou a funcionar em 1996, resíduos plásticos
de coleta seletiva e origem industrial foram testados para obter um bom produto a partir de
uma oferta de resíduos de uma região específica do Brasil em um processo importado sem
nenhum tipo de adaptação.
Figura 3.21 – Fotos da extrusora de madeira plástica
63
O processo de produção empregado apresenta características diferenciadas das
características dos processos normais de reciclagem usados, uma das mais importantes é a
eliminação da limpeza prévia dos resíduos, uma etapa que representa considerável
consumo de energia e gera efluentes contaminados, que por si constituem outra fonte de
problemas ambientais; os resíduos recolhidos são fragmentados ou floculados e estocados
em silos; posteriormente são dosados em proporções adequadas, quando então são
misturados, fundidos e moldados em peças com cerca de três metros de comprimento, com
geometria transversal dependente do molde empregado, que é variado, embora apresente
sempre um limite dimensional inferior de quatro centímetros.
Figura 3.22 – Processo de corte da madeira plástica que é igual da madeira tradicional.
Os resíduos normalmente utilizados nesta planta são poliestireno de copos de
iogurte descartados na produção, acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) oriundo de pára-
choques e painéis de automóveis, polietileno de alta e baixa densidade e polipropileno de
embalagens.
64
Figura 3.23 – Mesa e bancos fabricados em madeira plástica.
65
CAPÍTULO IV
MATERIAIS E MÉTODOS
66
A Figura 4.1 mostra, de forma simplificada, as etapas realizadas:
([WUXVmR
6HFDJHP 1mR�VHFDJHP
6HOHomR�GRV�PDWHULDLV
'HOLQHDPHQWR�H[SHULPHQWDO
6HFDJHP
3HVDJHP�H�GRVDJHP
&DUDFWHUL]DomR�WpUPLFD
3UHQVDJHP
3UHSDUDomR�GRV�&3V
&DUDFWHUL]DomR�ItVLFD
$1È/,6(�'26�5(68/7$'26
&DUDFWHUL]DomR�PRUIROyJLFD
Figura 4.1 – Etapas dos Experimentos.
67
4.1 Seleção dos materiais
Seleção do termoplástico
Segundo Faria (2002), o problema de reciclagem dos materiais poliméricos ainda
não é resolvida em nível satisfatório, sendo que apenas 30% dos polímeros descartados são
reciclados. Uma maneira razoável de tratar o descarte de tais produtos poliméricos como
poliolefinas (PEAD, PEBD e PP) é a reciclagem do material. Os resíduos poliméricos
industriais são relativamente fáceis de reciclar porque a contaminação geralmente é
insignificante. Todavia os resíduos plásticos domiciliares descartados são complicados de
se reprocessar, devido seu alto grau de contaminação.
Para definição dos termoplásticos reciclados, fez-se uma pesquisa no contexto
nacional, levando-se em conta a quantidade de plástico presente no lixo, através da coleta
seletiva e no lixo urbano.
Para a seleção dos termoplásticos utilizaram-se basicamente três critérios:
1) O que representa a maior quantidade no lixo urbano;
2) O que tem ponto de fusão abaixo de 200ºC, sendo que acima desta temperatura
há uma instabilidade química das fibras de madeira segundo Marcovich (2002);
3) O polímero com alto peso molecular para facilitar a movimentação do material
fundido na extrusão segundo English et al. (1996).
Entre os termoplásticos mais consumidos, de acordo com informações citadas
(Figura 4.2), e que agrega os critérios utilizados na escolha, está o polietileno de alta
densidade (PEAD). A Tabela 4.1 mostra algumas características deste polímero escolhido
para este trabalho. De acordo com Yam et al. (1990), as propriedades mecânicas do PEAD
reciclados são equivalentes às propriedades do material virgem tendo a vantagem de custar
em média metade do valor do material virgem.
Vários estudos, Clemons (2002), Rizvi (2002), Pendleton (2002), Oksman (1998) e
Kokta (1985), confirmam que o PEAD constitui um termoplástico com boas propriedades
para o compósito com fibras vegetais, principalmente usando o processo de extrusão.
68
7,2%
9,2%
9,9%
12,6%
14,9%
15,3%
30,9%PEBD
PP
PET
PEAD
OS
PVC
Outros
Tip
os d
e re
sídu
os
Percentual reciclado
Figura 4.2 – Consumo de resíduo plástico pelas recicladoras. Fonte: Corrêa (2004).
Tabela 4.1 – Propriedades do PEAD utilizado na confecção de embalagens.
Ponto de Fusão (ºC) 130
Temperatura de Transição Vítrea (ºC) -75,4
Temperatura de Processamento Máxima (ºC) 210
Condutividade Térmica (W/m.K) 0,37
Densidade Média (g/cm3) 0,96
Limite de Resistência à Tração (MPa) 16,8
Tensão de Escoamento sob Tração (MPa) 24,9
Tensão de Escoamento sob Compressão (MPa) 21,3
Módulo de Elasticidade para Tração (MPa) 880
Resistência ao Impacto "Izod" com entalhe (J/m) 200
Propriedades Valor
Fonte: Faria (2002).
69
Seleção do aditivo compatibilizador
O aditivo compatibilizador da matriz polimérica com as fibras foi fornecido pela
Eastman Chemical Company, com denominação comercial de Epolene E – 43 Wax na
forma de pastilhas, com as características demonstradas na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Características do aditivo utilizado.
Propriedades físicas Epolene E - 43 Wax
Poliolefina PP
MN 3,900
Mw 9,100
Ponto de amolecimento e fusão, ºC 157
Densidade 0.934 Fonte: EASTMAN
Seleção das fibras vegetais
A proposta para o desenvolvimento do compósito é utilizar os resíduos de madeira,
que atualmente são utilizados para a queima, como forma de geração de energia ou
utilizados para forração de pisos em granjas haras ou simplesmente para a queima a céu
aberto.
Segundo levantamento feito por Corrêa (2004), que pode ser visto na Figura 4.3, no
pólo moveleiro de Ubá, que é uma região representativa no Brasil de produção de móveis e
com isso consumidora de madeira em potencial, os resíduos de Pinus são em maior
quantidade de madeira sólida utilizada e, portanto tem uma maior porcentagem de resíduos
gerados.
70
9,2
9,6
13,8
17,0
39,6
46,9
51,0
54,0
103,4
171,5Aglomerado cru
MDF cru
Aglomerado BP
Pinus
Aglomerado FF
Eucalipto
Louro vermelho
Pau-peixe
Caixeta
EmbiremaT
ipo
de r
esíd
uo
Quantidade em tonelada
Tipos e quantidades de resíduos gerados mensalmente no pólo moveleiro de Ubá - MG
Figura 4.3 – Tipos e quantidades de resíduos gerados mensalmente no pólo moveleiro de Ubá/MG. Fonte: Corrêa (2004).
Estudos realizados por Clemons (2002), Oksman (2002) e Krzysik (1991),
pesquisaram madeira sólida de Pinus elliotti com uma granulometria que varia de 40 a 100
mesh. Neste trabalho foram utilizadas fibras vegetais de Pinus elliotti que tem densidade
aproximadamente de 0,48g/cm3. Foram fornecidas pela Pinhopó Moagem de Madeiras
Ltda, com a granulometria mostrada na Figura 4.4.
15,1%
35,9%
27,7%
12,7%
5,7%2,9%
590 420 250 180 > 150 < 150
Po
rcen
tag
em
reti
da e
m p
eso
Dimensão (µm)
Figura 4.4 – Características da fibra de madeira utilizada.
71
Decidimos também pela utilização de um tipo de fibra típica brasileira, o bagaço de
cana-de-açúcar por sua grande quantidade de resíduos gerados na produção de açúcar e
álcool para combustíveis em larga escala. As fibras de bagaço de cana-de-açúcar utilizadas
neste trabalho foram fornecidas pela Edra Eco Sistemas Ltda, especializada em fibras de
bagaço de cana-de-açúcar, com a granulometria mostrada na Figura 4.5.
37,2%
27,3% 27,9%
4,2% 3,1%
> 850 > 500 > 250 > 180 < 180
Po
rcen
tag
em
reti
da e
m p
eso
Dimensão (µm)
Figura 4.5 – Características da fibra de bagaço utilizada.
4.2 Caracterização térmica
A estabilidade térmica das amostras de PEAD, PPMA e fibras vegetais foram
avaliadas através de análise termogravimétrica feita em um equipamento da marca
Universal V3.9A TA Instrument modelo SDT 2960 simultaneos DTA-TGA sob atmosfera
de nitrogênio e utilizando uma velocidade de aquecimento de 20ºC/min.
4.3 Delineamento experimental
Para verificar a modificação causada pelas fibras vegetais na matriz polimérica,
assim como, para analisar o efeito do agente compatibilizante o PPMA nesta matriz,
definiu-se quais seriam as misturas, porcentagem de fibras de madeira, bagaço de cana,
termoplásticos e agentes compatibilizante a serem incluídos no delineamento experimental.
72
Para o delineamento mostrado na Tabela 4.3, nove misturas com trinta e seis
repetições, que foram combinados um tipo de termoplástico em seis níveis, a 69, 70, 74,
84, 85 e 100% em peso, um tipo de fibra de madeira em três níveis, sendo 15, 25, e 30%
em peso; um tipo de fibra de bagaço de cana em dois níveis, sendo 15 e 25% em peso e um
tipo de agente compatibilizante em dois níveis, 0 e 1% em peso (Figura 4.6).
Tabela 4.3 – Combinações utilizadas para confecção dos corpos de prova.
% Bagaço de cana
1 100 0 0 0
2 85 15 0 0
3 84 15 0 1
4 74 25 0 1
5 70 30 0 0
6 69 30 0 1
7 85 0 15 0
8 84 0 15 1
9 74 0 25 1
% CompatibilizanteMisturas % Plásticos % Madeira
Figura 4.6 – Mostra as imagens das partículas de termoplásticos, o agente compatibilizante e as fibras vegetais utilizadas nos experimentos.
73
4.4 Secagem
O processo de secagem foi realizado nas fibras vegetais com o objetivo de reduzir a
umidade, sendo que estes materiais se comportam de forma hidrofílica, como foi dito
anteriormente, prejudicando a compatibilidade entre matriz/fibra. A retirada da umidade
foi feita em estufa no Laboratório de Tecnologia em Polímeros (LTPOL) na Universidade
de Caxias do Sul (UCS) com temperatura de 105ºC durante um tempo mínimo de 24 horas.
4.5 Pesagem e dosagem
O material foi pesado em uma balança de capacidade de 6 Kg no LTPOL, de
acordo com delineamento experimental e então misturados manualmente de forma mais
homogênea possível.
4.6 Extrusão
O objetivo da extrusão das misturas é a homogeneização das mesmas para que, ao
confeccionar os corpos de prova, obtenhamos estes os mais homogêneos possíveis. A
temperatura de extrusão foi determinada considerando análise termogravimétrica realizada,
onde procuramos trabalhar abaixo da temperatura de degradação dos constituintes, sendo
assim a temperatura de extrusão máxima foi limitada em 180ºC. Esta etapa foi realizada no
LTPOL.
Na saída da extrusora tem-se um “pellet” que é mergulhado em um compartimento
de refrigeração e em seguida é picotado em uma picotadeira elétrica. Para este processo foi
utilizada uma extrusora monorosca da marca Seibt modelo ES35F-R que possui três zonas
de aquecimento e matriz. A Figura 4.7 mostra um desenho esquemático identificando as
zonas de aquecimento e a matriz enquanto a Figura 4.8 é uma ilustração da extrusora
utilizada no estudo. As temperaturas de trabalho foram fixadas levando-se em conta as
temperaturas de fusão dos constituintes, a Tabela 4.4 exibe os valores adotados para cada
posição. A velocidade de rotação do parafuso foi mantida constante para este trabalho em
52 RPM.
74
Figura 4.7 – Desenho esquemático das zonas de aquecimento da extrusora utilizada.
Figura 4.8 – Extrusora utilizada na obtenção dos pellets.
Tabela 4.4 – Valores de temperatura (ºC) escolhidos para cada posição da extrusora.
Zona 1 Zona 2 Zona 3 Matriz
160 170 180 180
75
4.7 Secagem
Antes do processo de prensagem houve a necessidade de fazer uma nova etapa de
secagem nos pellets contendo fibras vegetais com o objetivo de tentar reduzir a umidade,
pelo mesmo processo realizado na secagem anterior. O pellet contendo somente de
polímero reciclado não houve necessidade deste processo devido sua natureza hidrofóbica.
4.8 Prensagem
A prensagem dos corpos de prova foi realizada no Laboratório de Materiais
Poliméricos (LAMP) no Instituto de Ciências Exatas e Biológicas (ICEB II) da
Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP).
Para a prensagem dos corpos de prova utilizou-se uma prensa hidráulica
MARCONI modelo MA 095 como visto na Figura 4.9, com aquecimento elétrico e ajuste
independente de temperatura das partes inferior e posterior e controle de pressão aplicada.
Os valores de força, tempo de aquecimento e massa a serem utilizados foram
obtidos através de ensaios preliminares. A determinação da carga de prensagem foi
realizada tomando-se como base a obtenção de um corpo de prova onde à adesão
permitisse a formação de uma superfície com menor índice de porosidade possível.
Experimentalmente, observou-se que para uma carga de 6 toneladas conseguia-se um grau
de porosidade aceitável.
A massa utilizada foi obtida através dos cálculos do volume ocupado pelos corpos
de prova no molde estabelecidos pelas normas ASTM. O tempo de aquecimento e a
temperatura foram determinados de forma a permitir a adesão matriz/reforço sem que
houvesse a degradação físico-química dos constituintes. Os ciclos de prensagem foram de
40 minutos e com uma temperatura de 135ºC, como pode ser visualizado na Tabela 4.5.
Tabela 4.5 – Parâmetros da prensagem.
Força (KN) Temperatura (ºC) Ciclo de prensagem (min.)
60 135 20
76
Figura 4.9 – Prensa utilizada na confecção dos corpos de prova.
Etapas da prensagem:
1. Pesa-se a massa a ser utilizada no molde;
2. Coloca-se dentro do molde espalhando-a de forma homogênea;
3. Fecha-se o molde com a parte superior;
4. Posiciona-se o molde na prensa;
5. Liga-se o controlador de temperatura programável;
6. Ajusta-se a temperatura estabelecida;
7. Aplica-se a pressão estabelecida;
8. Controla-se o tempo estabelecido;
9. Após o tempo estabelecido é desligado o sistema elétrico de aquecimento;
10. Retira-se o molde da prensa;
11. O molde é resfriado a temperatura ambiente;
12. Depois de resfriado é retirado o CP do molde;
13. Terminado o processo o CP é numerado e guardado.
77
4.9 Preparação dos corpos de prova
Os corpos de prova foram confeccionados de acordo com as normas ASTM D 638
(1997), D 790 (1997), ASTM D 792 (1991) e D 256 (1993a) que são as normas
estabelecidas para os ensaios mecânicos de tração, flexão, densidade e impacto
consecutivamente.
4.10 Caracterização física
Os testes físico-mecânicos realizados foram:
3.10.1 Densidade
3.10.2 Resistência à tração;
3.10.3 Resistência à flexão estática;
3.10.4 Resistência ao impacto.
4.10.1 Densidade
Foram utilizados 10 corpos de prova de seção retangular obtidos pelo processo de
prensagem como estabelece a norma ASTM D 792 (1991). Estes ensaios foram realizados
no Laboratório de Testes Físicos Robert Hooke localizado na Fundação Centro
Tecnológico de Minas Gerais (CETEC), em uma balança analítica Mettler.
4.10.2 Resistência à tração
Foram utilizados 10 corpos de prova do tipo M–V obtidos pelo processo de
prensagem, sendo que foram considerados apenas 5 como estabelece a norma ASTM D
638 (1997) adaptada. Estes ensaios foram realizados no Laboratório de Testes Físicos
Robert Hooke localizado no CETEC, em uma Máquina Universal de Ensaios Instron
modelo 5869 com transferência de força de 5KN. A velocidade de separação das garras
usadas foi de 50mm/min.
78
4.10.3 Resistência à flexão estática
Foram utilizados 10 corpos de prova de seção retangular obtidos pelo processo de
prensagem como estabelece a norma ASTM D 790 (1997) adaptada para ensaios com 3
pontos de apoio. Estes ensaios foram realizados no Laboratório de Testes Físicos Robert
Hooke localizado no CETEC, em uma Máquina Universal de Ensaios Instron modelo 5869
com transferência de força de 5KN. A velocidade de separação das garras usadas foi de
16mm/min.
4.10.4 Resistência ao impacto.
Segundo Guadagnini (2001), quando as diferenças entre as resistências ao impacto
forem reconhecidamente grandes, é indicado o método Izod devido a maior amplitude na
captação de resultados, enquanto que para visualização de pequenas variações para esta
característica, o método Charpy é o mais indicado, pois consegue captar menores
amplitudes de valores.
Foram utilizados entre 7 e 9 corpos de prova com entallhe obtidos pelo processo de
prensagem, sendo que a norma utilizada ASTM D 256 (1993a) especifica no mínimo de 5
amostras. Estes ensaios foram realizados no Laboratório de Testes Físicos do
Departamento de Engenharia Metalúrgica (DEMET) na Escola de Minas da UFOP em
máquina de ensaios de resistência ao impacto pelo método Charpy em equipamento Alfred
J. Amsler & Co, com capacidade de 100cmkg.
4.11 Caracterização morfológica
Os estudos morfológicos foram realizados por análise micro-estrutural em amostras
fraturadas nos ensaios de tração e nas fibras vegetais, todas as amostras foram coladas em
porta-amostras de alumínio, pintadas com tinta prata e revestidas com uma fina camada de
carbono.preparadas no MICROLAB/DEGEO com o recobrimento de carbono na
Evaporadora de Carbono Modelo JEOL JEE-4C. Logo depois da preparação as amostras
foram observadas em microscópio eletrônico de varredura (MEV) modelo JEOL 5510,
onde foram feitas micrografias e análises de EDS, utilizando modo de contraste emissivo
(elétrons secundários) e voltagem de aceleração de 20kV.
79
CAPÍTULO V
RESULTADOS E DISCUSSÕES
80
5.1 Caracterização térmica
Foram realizadas, como forma de caracterização térmica, análises
termogravimétricas dos materiais utilizados no processamento deste compósito (Figura
5.1). Estas análises serviram de parâmetros para controle do perfil térmico no processo de
produção deste novo material.
Pode-se observar que pelo perfil térmico do PEAD, que mesmo sendo um material
reciclado, com isso esperava-se que poderia ter impurezas incorporadas que influenciaria
no perfil térmico, isso não ficou demonstrado no ensaio. Verificamos que o perfil térmico
do PEAD é bastante característico, tendo como ponto de processamento máximo
aproximadamente 200ºC sem que haja perda de massa. O agente compatibilizante
utilizado, o PPMA, que aos 200ºC, constata-se uma perda em massa de 5% do material.
A análise feita da fibra de madeira observou-se que ocorre uma redução de
aproximadamente 8% em massa à temperatura entre 71 a 110ºC, que se estende até 190ºC,
onde ocorre perda gradual de massa até sua deteriorização. Esta perda constatada
possivelmente se refere à perda da água residual existente no interior da fibra.
A fibra de bagaço de cana tem uma estabilidade térmica até aproximadamente
200ºC depois deste período inicia uma queda brusca com a quebra das ligações celulósicas,
causando sua degradação, porém mantendo uma porcentagem de resíduo de
aproximadamente 30%.
O material denominado, na Figura 5.1, como madeira plástica é uma análise que foi
realizada de um material granular desenvolvido pela empresa Plasnew, que pode ser
utilizado, segundo a empresa, diretamente em qualquer extrusora. Esta análise foi feita
para usarmos como referencia na caracterização prévia de um material semelhante ao que
seria estudado. Sendo que até 200ºC, observa-se uma perda muito pequena de
aproximadamente 2%, que pode ser explicado pela esterilização da fibra pela matriz
polimérica.
81
Figura 5.1 – Análise termogravimétrica dos materiais utilizados no processamento para obtenção deste novo compósito.
5.2 Caracterização física
5.2.1 Densidade geométrica
Avaliando os resultados apresentados na Tabela 5.1 e na Figura 5.2, pode-se
concluir que a adição de fibras vegetais na matriz polimérica aumenta a densidade
aparente, proporcionalmente à adição, sendo assim, podemos afirmar que esta propriedade
do compósito é função da adição de fibras.
Estudos de Caraschi (2002) confirmam estes resultados encontrados, demonstrando
que a densidade aparente é função da adição de fibras vegetais em compósitos
lignocelulosicos. Porém este aumento é muito menor comparado ao de compósitos
termoplásticos reforçados com cargas minerais. A incorporação de 40% em peso de fibra
de bagaço em uma matriz de polipropileno resulta em uma densidade aparente de
aproximadamente 1,0g/cm3, enquanto esta mesma proporção adicionando talco é obtido
1,20g/cm3, causando um aumento de 20% na densidade do compósito.
Yam et al. (1990), incorporou até 60% em peso de fibras de madeira em compósito
utilizando PEAD reciclado usando processo de extrusão. Neste caso, também houve
PPMA
82
aumento da densidade do compósito em função do aumento da porcentagem de fibra,
exibindo um valor de 1,20g/cm3 para a incorporação máxima de 60% de fibra em peso.
Portanto, este comportamento deverá influenciar em outras propriedades analisadas
neste estudo, visto que, o aumento da densidade deverá influenciar na dispersão das fibras,
na resistência ao impacto, entre outras características do compósito.
Tabela 5.1 – Influência da adição de fibra vegetal, tipo de fibras e PPMA na densidade geométrica do compósito produzido.
0 15 25 30
(g/cm3) 0,88 0,94 - 0,98
(%relativa) 100 107 - 111
(g/cm3) - 0,94 0,96 0,98
(%relativa) - 107 109 111
(g/cm3) 0,88 0,92 - -
(%relativa) 100 105 - -
(g/cm3) - 0,92 0,93 -
(%relativa) - 105 106 -
Densidade (g/cm3)(ASTM D 792)
% fibra em pesoUnidadeMatriz
Bagaço
PEAD
Tipo de fibra
-
c/aditivo
Pinus
-
c/aditivo
0,84
0,88
0,92
0,96
1
0 5 10 15 20 25 30 35
Porcentagem de fibra (em peso)
De
ns
ida
de (
g/c
m3)
Madeira
Bagaço
Figura 5.2 – Influência da incorporação de fibras na densidade relativa do compósito produzido.
83
5.2.2 Resistência à tração
Os resultados de resistência à tração dos compósitos estudados estão mostrados na
Tabela 5.2, onde houve variação do tipo e da porcentagem de fibra vegetal utilizada.
Tabela 5.2 – Influência da adição e do tipo de fibra vegetal e PPMA na resistência à tração do compósito produzido.
0 15 25 30
(MPa) 24,1 15,2 - 12,4
(%relativa) 100 63 - 51
(MPa) - 18,3 15,2 14,2
(%relativa) - 76 62 59
(MPa) 24,1 11,4 - -
(%relativa) 100 47 - -
(MPa) - 13,2 11,6 -
(%relativa) - 55 48 -
Resistência a tração (Mpa)(ASTM D 638)
% fibra em pesoUnidadeMatriz
Bagaço
PEAD
Tipo de fibra
-
c/aditivo
Pinus
-
c/aditivo
Podemos observar que a incorporação de fibras vegetais na matriz polimérica reduz
sua resistência à tração no ponto de ruptura, independente da adição de PPMA, como pode
ser visto na Figura 5.3. Quanto maior a porcentagem em peso de fibras incorporadas na
matriz polimérica menor é o valor da resistência à tração encontrado, comparado com a
mistura contendo somente termoplástico.
Segundo Yam et al. (1990), a resistência à tração de compósitos de poliolefina
reforçados com fibras de madeira diminui com a adição de fibras, enquanto alguns estudos
exibem o contrário. Esta discrepância pode ser atribuída a diferentes tipos de fibras,
processos de tratamentos e técnicas de produção utilizadas.
Caraschi (2002) em seu estudo com polipropileno e fibra de bagaço observa a perda
da resistência a tração em função da adição de fibra e conclui que este comportamento é
resultante da falta de afinidade química do termoplástico com a fibra de bagaço, além da
alta cristalinidade e peso molecular da celulose que contribuem para a fraca adesão entre as
84
duas fases, sendo necessário um tratamento na fibra para melhorar esta afinidade química
entre os constituintes.
10
14
18
22
26
0 5 10 15 20 25 30 35
Porcentagem de fibra (em peso)
Te
nsã
o n
a r
up
tura
(M
Pa
)
Madeira
Bagaço
Figura 5.3 – Influência do tipo de fibra na resistência à tração com adição de agente compatibilizante no compósito produzido.
Estudos de Vianna et al. (2004) afirmam que a incorporação de fibras vegetais em
compósitos de matriz termoplástica diminui drasticamente a tenacidade, que é a capacidade
do material absorver energia deformacional, podendo ser avaliada através de ensaios de
tração e impacto. De maneira geral, independente do tipo de matriz termoplástica, a adição
de resíduo de madeira a termoplásticos tende a reduzir a porcentagem de deformação na
ruptura, sendo observados em outros sistemas relacionados na literatura: polipropileno com
40% de resíduos de madeira (CORREA, 2003) e polipropileno de alto impacto reciclado
com 30%de farinha de madeira Pinus elliotti (DESIDERÁ, 2002).
A redução nos valores de tração no ponto de ruptura corrobora para confirmação
destes estudos citados, sendo que esta diminuição é função da redução da tenacidade do
material com o aumento da concentração de esforços. A adição de 15 % em peso fibras de
madeira causou uma redução de 37% na resistência à tração, enquanto a adição da mesma
85
porcentagem de fibra de bagaço de cana causou uma redução de 53 % comparados com o
PEAD reciclado sem adição de fibras.
A diferença entre as perdas nesta propriedade pode ser explicada, entre outros
fatores, segundo Okino et al. (1997) pela granulometria das fibras que são determinantes
para esta propriedade. A fibra de bagaço tem uma dimensão maior (65% em peso entre 500
e 850µm) do que as fibras de madeira (64% em peso entre 250 e 400µm), com isso, ocorre
a perda na interação entre fibra/matriz, em função da menor reatividade.
Wall (1987) apud Yam et al. (1990) afirma que fibras de menores dimensões
produzem maior resistência mecânica, nestes casos, devido a melhora na dispersão com
tendência a melhor interação entre fibra/matriz.
Nos resultados encontrados conclui-se que ocorreu uma maior interação entre
fibra/matriz nas fibras de madeira, adicionado a densificação destas fibras por área e que
poderá ser confirmada com a caracterização morfológica.
Os compósitos que receberam adição de PPMA, misturas 3, 6 e 8, obtiveram um
aumento da resistência a tração em relação aos sem aditivo, como pode ser visto na Figura
5.4. Esta mistura contendo de 15% de fibra de madeira apresentou aumento de
aproximadamente 20% na resistência à tração enquanto misturas com bagaço este aumento
foi de aproximadamente 16%.
1 2 ,41 4 ,2
1 5 ,2
1 8 ,3
15 30
P orce nta ge m (e m pe so)
Re
sist
ên
cia
a t
raç
ão
S e m ad itivo C o m ad itivo
Figura 5.4 – Influência da adição de PPMA na resistência à tração do compósito produzido.
86
O aumento de resistência à tração observados nas amostras com adição de
compatibilizante indica uma melhor transferência de tensão da matriz para o esforço
celulósico na interface, decorrente provavelmente do mecanismo de ancoramento
mecânico ou de interações químicas de grupos orgânicos da celulose na interface
fibra/matriz.
As Figuras 5.5 e 5.6 ilustram o ensaio de tração realizado e os corpos de prova
utilizados na análise desta propriedade.
Figuras 5.5 – Ensaios de tração.
Figuras 5.6 – Corpos de prova utilizados.
87
5.2.3 Resistência à flexão estática
Resistência à flexão estática é a resistência que o corpo de prova, apoiado entre dois
suportes, oferece quando sujeito a uma força aplicada a seu centro até a sua ruptura. O
módulo de ruptura (MOR) e o módulo de elasticidade (MOE) são os dois parâmetros
normalmente determinados nos ensaios de flexão estática.
Os valores da Tabela 5.3 exibem os resultados determinados no ensaio de flexão
estática no módulo de ruptura, onde houve a variação do tipo e da porcentagem em peso de
fibra empregado na matriz polimérica e a presença ou ausência de agente compatibilizante.
A incorporação de fibras na matriz polimérica causou um decréscimo na resistência
à flexão estática comparando com resultados encontrados para mistura constituída somente
polímeros, todavia se considerarmos, somente o compósito como referência, veremos um
aumento proporcional ao aumento da porcentagem em peso de fibra.
Este comportamento pode ser explicado, entre outros fatores, pelo aumento de
densidade do compósito com a adição de fibras provocando uma transição no material de
dúctil para frágil. Segundo Kelly (1977), uma das variáveis que podemos destacar com
maior influência na resistência a flexão estática são a orientação das fibras juntamente com
a densidade.
Tabela 5.3 – Influência da adição e do tipo de fibra vegetal e PPMA na resistência à flexão.
0 15 25 30
(MPa) 26,5 21,4 - 23,6
(%relativa) 100 81 - 89
(MPa) - 21,2 23,2 24,3
(%relativa) - 80 88 92
(MPa) 26,5 19,8 - -
(%relativa) 100 75 - -
(MPa) - 22,1 20,2 -
(%relativa) - 83 76 -
Matriz
Bagaço
PEAD
Tipo de fibra
-
c/aditivo
Pinus
-
c/aditivo
Resistência a flexão (Mpa)(ASTM D 790)
% fibra em pesoUnidade
88
Considerando somente as misturas compósitas, a composição com 25% de fibra de
madeira apresentou um aumento de 9% em relação ao compósito inicial com 15%, ou seja,
na incorporação de 10% de fibra houve o aumento de 9% na resistência a flexão, enquanto
na adição de 30% de fibra houve acréscimo de 15% nesta propriedade. De acordo com
estes resultados, os compósitos apresentaram uma função proporcional linearmente de
porcentagem de fibra por aumento na resistência a flexão. Este comportamento pode ser
comparado ao comportamento da densidade relativa, com isso, confirmamos que, a
resistência à flexão no ponto de ruptura (MOR) tem influência direta da densidade no
comportamento mecânico deste material.
A adição de agente compatibilizante não apresentou diferença relevante em
comparação com os compósitos sem aditivo, este comportamento também pode ser
observado pela irrelevância do tipo de fibra empregado na resistência do compósito,
confirmando alguns estudos encontrados na literatura que revelam que a adição de agente
compatibilizante não melhora de forma significativa às propriedades de flexão. Estes
resultados podem ser visualizados na Figura 5.7, que demonstra a influência da fibra de
madeira, assim como, à adição de agente compatibilizante na resistência a flexão do
compósito.
20
22
24
26
28
30
10 15 20 25 30 35
Porcentagem de fibra (em peso)
Res
istê
ncia
a fl
exão
na
rupt
ura
(MP
a) Sem aditivo
Com aditivo
Figura 5.7 – Influência do PPMA na fibra de madeira na resistência a flexão.
89
As Figuras 5.8 e 5.9, ilustram o ensaio de flexão realizado mostrando o dispositivo
utilizado, assim como, os corpos de prova, detalhando o tipo de fraturas do material e a
deformação dos corpos de prova.
Figuras 5.8 – Ensaio de flexão.
Figuras 5.9 – Corpos de prova utilizados e microfibrilamento causado pelo ensaio.
90
5.2.4 Resistência ao impacto.
Segundo Paiva (1999) apud Clegg (1993), entre as propriedades de um material
polimérico, a resistência ao impacto pode ser destacada devido sua importância, tornando
muito importante porque falhas devido a cargas repentinas são muito comuns em
condições de serviço e ocorrem até mais freqüentemente do que quando as forças são
aplicadas vagarosamente. Isso acontece porque as forças de impacto são aplicadas tão
rapidamente que as relaxações da estrutura molecular não acompanham o processo,
resultando em fratura, relacionada com a quebra da cadeia e/ou separação das interfaces.
Os resultados de resistência ao impacto podem ser vistos na Tabela 5.4. Observa-se
que a adição de 15% de fibra na matriz de PEAD provocou um aumento na resistência ao
impacto, mostrando que as fibras, neste caso, atuam como reforço na matriz.
Segundo Rizvi et al. (2002), a incorporação de fibras neste tipo de compósitos
provoca aumento na dureza e abaixa o custo, porém abaixam a ductilidade e a resistência
ao impacto devido o aumento da densidade, com a diminuição da porosidade.
Tabela 5.4 – Influência da adição e do tipo de fibra vegetal e PPMA na resistência ao impacto do tipo Charpy do compósito produzido.
0 15 25 30
(J/m) 79 85 - 69
(%relativa) 100 106 - 87
(J/m) - 76 65 62
(%relativa) - 96 82 78
(J/m) 79 92 - -
(%relativa) 100 116 - -
(J/m) - 81 76 -
(%relativa) - 103 96 -
Resistência ao impacto Charpy (J/m)(ASTM D 256)
% fibra em pesoUnidadeMatriz
Bagaço
PEAD
Tipo de fibra
-
c/aditivo
Pinus
-
c/aditivo
91
Em relação ao tipo de fibra utilizado, as fibras de bagaço demonstraram maior
aumento desta propriedade com relação às fibras de madeira, na adição de 15% de fibra na
matriz polimérica verificou-se aumento de aproximadamente 10% da fibra de bagaço
(92J/m) em relação à fibra de madeira (85J/m).
Este comportamento pode estar ligado ao fato de que as fibras de maior
comprimento apresentam uma maior capacidade de absorção e distribuição da energia do
choque em altas velocidades. Estudos relacionados na literatura observam este mesmo
comportamento, Vianna et al. (2004) demonstra que a redução da tenacidade à fratura com
o aumento da concentração de esforços é observada na resistência ao impacto e na
resistência a tração no ponto de ruptura.
De acordo com Joseph et al. (1996), compósitos termofixos contendo fibras
vegetais apresentam uma melhoria em suas propriedades mecânicas com o aumento do
comprimento das fibras até certo limite, pois pode ocorrer diminuição nos valores de
propriedades, como resistência à tração, com o aumento do comprimento de fibras, devido
ao contato fibra/fibra que ocorre na confecção do corpo de prova na prensagem.
A melhoria da resistência ao impacto em função da adição de fibras vegetais foi
observada até um certo ponto, podemos observar Figura 5.10, que com o aumento
gradativo da porcentagem de fibra no compósito aumenta até certo ponto e depois inicia
uma tendência de queda gradativa que pode ser explicado pela dificuldade de propagação
de trincas com a densificação de fibras na matriz.
Pode-se observar também na Tabela 5.4, que a adição de agente compatibilizante
no compósito resultou na redução da resistência ao impacto em todas as amostras
analisadas. A Figura 5.11 ilustra este comportamento no compósito contendo 15% em peso
de fibra com adição de 1% de PPMA resultou em resistência de 85J/m para 75J/m na fibra
de madeira e 91J/m para 81J/m para a fibra de bagaço exibindo em ambos os casos um
decréscimo na resistência ao impacto de 10%. Estudos confirmam a eficácia da adição de
agente compatibilizante ou dispersante melhoria da adesão fibra/matriz (COSTA (1997),
LU et al. (2000), CORRÊA, (2004)). Todavia nem sempre esta melhor interação entre
fibra/matriz levará a uma maior resistência ao impacto, pois uma aplicação de cargas
repentinas na interface da matriz não irá liberar a fibra da matriz e se a adesão for muito
forte, o microfibrilamento (trinca) pode se propagar pela matriz. Se a adesão não for muito
forte, a fibra é liberada resultando em cavidade deixada pela fibra na matriz (mecanismo
pulled out) e a energia de impacto é absorvida (ELIAS, 1984).
92
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
0 5 10 15 20 25 30 35Porcentagem de fibra (em peso)
Re
sist
ên
cia
ao
im
pa
cto
(J/m
)Madeira
Bagaço
Figura 5.10 – Influência da porcentagem de fibra com PPMA na resistência ao impacto Charpy
92
81
79
85
76
0 15 15 c/aditivo
Porcentragem de fibra (em peso)
Res
istê
ncia
ao
impa
cto
(J/m
)
Bagaço Madeira
Figura 5.11 – Influência da porcentagem de PPMA na resistência ao impacto Charpy
93
A Figura 5.12 apresenta as amostras utilizadas nos ensaios de resistência ao
impacto Charpy, observando que não houve a ruptura total do corpo de prova, porém sua
resistência estrutural interna foi rompida.
Figura 5.12 – Corpo de prova utilizado nos ensaios de resistência ao impacto Charpy.
5.3 Caracterização morfológica
Através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi possível avaliar a
eficiência do processo de dispersão da carga celulósica na matriz termoplástica e a
capacidade de molhamento da superfície da fibra pela matriz como forma de avaliar a
eficiência do agente compatibilizante.
O comportamento da fratura em compósitos é afetado por muitas variáveis,
incluindo a natureza da fibra e da matriz, interação fibra/matriz, a orientação das fibras, a
porosidade na matriz, a carga e o ambiente a que foram submetidas às amostras. O estudo
da fratura através do MEV pode revelar áreas nas quais ocorreram algumas possíveis
falhas no compósito, tais como trincas na matriz e falha de ligação interfacial entre
matriz/fibra (SAWYER e GRUBB, 1994).
A Figura 5.13 apresenta micrografias (MEV) das fibras utilizadas neste estudo,
exibindo a diferença de formas e texturas que influenciam muito nas propriedades
mecânicas do compósito produzido. Pode-se observar que a fibra de madeira (5.13a) possui
94
a superfície com microfibras mais largas exibindo um aspecto de “degraus” e com
desfribilamento irregular, enquanto a fibra de bagaço de cana (5.13b) possui a superfície
com microfibras mais estreitas apresentando um aspecto de “ondulado” um pouco mais
regular.
(a) (b)
Figura 5.13 – Fotomicrografias obtidas por MEV com ampliação de 200X: a) fibra de madeira; b) foto fibra de bagaço de cana.
Pode-se observar na Figura 5.14 uma micrografia de fratura do compósito de matriz
de PEAD reciclado com incorporação de 15% em peso de fibras de bagaço de cana. É
constatada a ocorrência de mecanismo chamado de “pullout” (5.14a), ou seja, fibras são
liberadas da matriz quando a adesão entre fibra/matriz é insuficiente. Este fato pode
explicar os valores baixos de resistência à tração exibidos por este compósito. Verifica-se
que na adição de PPMA neste mesmo compósito (5.14b) acontece uma melhora
significativa da interface observada através de mecanismos de entrelaçamento entre a
matriz e a superfície rugosa das fibras, melhorando os valores de resistência à tração
relatados para este compósito reforçado com bagaço.
95
(a) (b) Figura 5.14 – Fotomicrografias obtidas por MEV com ampliação de 50X: a) compósito com fibra de madeira evidenciando pullout; b) compósito com fibra de madeira e PPMA, mostrando uma maior adesão e dispersão fibra/matriz.
As imagens apresentadas mostram claramente que o compatibilizante possibilita
uma melhoria da adesão interfacial entre a fibra celulósica e a matriz termoplástica. Os
resultados obtidos nos ensaios mecânicos mostram que as amostras compatibilizadas
apresentaram um aumento de resistência à tração em relação às amostras não
compatibilizadas, o que corrobora com os resultados encontrados.
96
CAPÍTULO VI
CONCLUSÕES
97
O desenvolvimento e caracterização do compósito de matriz polimérica reforçado
com fibras vegetais obtidas pelo processo de extrusão demonstraram vantagens
competitivas em relação aos compósitos convencionais de polipropileno reforçados com
fibra de vidro, carbonato de cálcio e talco. Estas vantagens são evidenciadas,
principalmente, como foi revelado nos ensaios de densidade, que com adição de fibras
vegetais se tem um menor peso especifico deste compósito em relação aos compósitos
convencionais que se utiliza de reforços minerais, outro fator, seria a redução de desgastes
com ferramentaria em função da baixa abrasividade dos reforços vegetais.
Os ensaios de tração no ponto de ruptura evidenciaram tendência à redução da
tenacidade e deformação na ruptura em função da adição de fibras vegetais, que ficou mais
explicito nos ensaios com compósitos de fibras de bagaço de cana devido ao maior
tamanho das fibras, o que dificultou a dispersão das fibras na matriz polimérica. A adição
de agente compatibilizante melhorou o desempenho das fibras com aumento de
aproximadamente 20% nos valores de resistência a tração.
Da resistência à flexão no ponto de ruptura (MOR), com a adição de fibras
verificou-se um aumento gradativo da resistência, confirmando que com o aumento da
densidade influencia diretamente nesta propriedade, independente do tipo de fibra utilizado
neste projeto. Não se observou também melhoria considerável no desempenho desta
propriedade na adição de PPMA.
Os ensaios de resistência ao impacto pelo método Charpy, demonstraram que a
adição de fibras vegetais age como agente de reforço na matriz polimérica até
determinadas concentrações. Na concentração de 15% em peso de fibra de madeira
observamos aumento de aproximadamente 6% na resistência ao impacto, este mesmo
aumento de fibra de bagaço resultou em um aumento de 16% constatando que a fibra de
bagaço de cana evidenciou maiores aumentos na resistência ao impacto. A adição de
agente compatibilizante resultou na redução de aproximadamente 10% nesta propriedade
independente da fibra utilizada. Este comportamento pode ser explicado pela melhor
adesão fibra/matriz, o que facilita a propagação de trincas (microfibrilamento), que foi
comprovado pelas fotomicrografias apresentadas.
As análises de superfícies fraturadas por microscopia eletrônica de varredura
apresentaram evidências conclusivas sobre a importância do agente compatibilizante em
algumas propriedades mecânicas, principalmente sua efetividade quanto a melhor interação
entre fibra/matriz.
98
De uma forma geral, o uso de fibras vegetais como agente de reforço para uma
matriz termoplástica de PEAD reciclado, demonstrou boas propriedades mecânicas com
grandes potencialidades de uso em diversas áreas, contribuindo também, e além de tudo,
para o reaproveitamento de resíduos causadores atualmente de grande impacto ambiental.
99
CAPÍTULO VII
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
100
• Determinar a influência da lignina de diferentes fibras nas propriedades
mecânica dos compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras
vegetais;
• Verificar a importância da lignina na dispersão da fibra na matriz
polimérica;
• Identificar a influência da perda de massa da fibra vegetal na morfologia da
estrutura deste compósito;
• Estudar a influência do processamento do compósito em suas propriedades
mecânicas;
• Estudar outras composições deste compósito;
• Utilizar outros parâmetros objetivando melhores resultados.
101
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
102
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SITES SOBRE O ASSUNTO
http://www.cempre.com.br
http://www.plasticlumber.org
http://www.astm.org
http://www.fpl.fs.fed.us
http://www.abiquim.com.br
http://www.plasticomoderno.com.br
http://www.plasticoonline.com.br
http://www.resol.com.br
http://www.abnt.org.br
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PUBLICAÇÕES
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110
APÊNDICE
111
APÊNDICE A
Análises termogravimétricas
APÊNDICE AA – Análise termogravimétrica do PEAD reciclado.
16
APÊNDICE AB – Análise termogravimétrica do Pinus elliotti utilizado.
17
APÊNDICE AC – Análise termogravimétrica do PPMA utilizado.
18
APÊNDICE AD – Análise termogravimétrica da madeira plástica de referência.
APÊNDICE B
Resultados dos ensaios densidade
0 ,89
0 ,86
0 ,85
0 ,87
0 ,88
0 ,88
0 ,92
0 ,88
0 ,86
1 .1
1 .2
1 .3
1 .4
1 .5
1 .6
1 .7
1 .8
1 .9M
istu
ra
De nsida de
0,92
0,97
0,94
0,96
0,95
0,95
0,93
0,93
0,91
0,89
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
Mis
tura
Densidade
0,91
0,95
0,94
0,97
0,96
0,92
0,92
0,96
0,98
0,94
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
Mis
tura
De nsida de
0,96
0,96
0,96
0,98
0,95
0,93
0,97
0,97
0,99
0,95
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
Mis
tura
s
De nsidade
APÊNDICE BA – Resultados dos ensaios densidade das misturas de 1, 2, 3 e 4 respectivamente.
16
0,96
0,96
0,97
0,95
0,95
1,00
1,00
1,01
0,99
0,97
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
Mis
tura
De nsidade
0,98
0,96
0,98
0,98
0,96
1,00
1,00
1,01
0,98
0,99
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
6.10
Mis
tura
Densidade
0,93
0,94
0,92
0,93
0,90
0,90
0,91
0,95
0,95
0,89
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
7.10
Mis
tura
Densidade
0,93
0,94
0,92
0,93
0,94
0,94
0,91
0,94
0,95
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
Mis
tura
De nsidade
0,91
0,91
0,93
0,97
0,96
0,88
0,93
0,91
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
Mis
tura
Densidade
APÊNDICE BB – Resultados dos ensaios de densidade das misturas 5, 6, 7, 8 e 9 respectivamente..
17
APÊNDICE C
Resultados dos ensaios de resistência ao impacto
75
75
68
82
82
95
61
82
89
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
Mis
tura
Resistência ao impacto (J/m)
83
111
76
83
90
76
97
76
69
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
Mis
tura
Resistência ao impacto (J/m)
70
70
77
70
70
91
77
91
63
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Mis
tura
Resistência ao impacto (J/m)
70
62
77
61
62
63
61
68
61
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9M
istu
ra
Resistência ao impacto (J/m)
60
66
60
80
53
80
53
73
93
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
Mis
tura
Resistência ao impacto (J/m)
66
66
66
66
59
66
53
59
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
Mis
tura
Resistência ao impacto (J/m) APÊNDICE CA – Resultados dos ensaios de resistência ao impacto pelo método Charpy, das misturas 1, 2, 3, 4, 5 e 6 respectivamente.
16
93
86
113
80
93
86
93
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7M
istu
ra
Resistência ao impacto (J/m)
82
82
75
89
89
68
75
89
82
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
Mis
tura
Rsistência ao impacto (J/m)
65
85
98
65
72
85
65
85
65
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
Mis
tura
Resistência ao impacto (J/m)
APÊNDICE CB – Resultados dos ensaios de resistência ao impacto pelo método Charpy, das misturas 7, 8 e 9 respectivamente.
17
APÊNDICE D
Resultados dos ensaios de resistência à tração
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APÊNDICE DA – Resultados dos ensaios de resistência a tração: misturas 1 e 2 respectivamente.
16
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APÊNDICE DB – Resultados dos ensaios de tração: misturas 3 e 4 respectivamente.
17
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APÊNDICE DC – Resultados dos ensaios de tração: misturas 5 e 6 respectivamente.
18
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APÊNDICE DD – Resultados dos ensaios de tração: misturas 7 e 8 respectivamente.
19
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APÊNDICE DE – Resultados dos ensaios de tração: mistura 9.
20
APÊNDICE E
Resultados dos ensaios de resistência à flexão
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APÊNDICE EA – Resultados dos ensaios de flexão: misturas 1 e 2 respectivamente.
16
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APÊNDICE EB – Resultados dos ensaios de flexão: misturas 3 e 4 respectivamente.
17
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APÊNDICE EC – Resultados dos ensaios de flexão: misturas 5 e 6 respectivamente.
18
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APÊNDICE ED – Resultados dos ensaios de flexão: misturas 7 e 8 respectivamente.
19
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APÊNDICE EE – Resultados dos ensaios de flexão: mistura 9.
![[ Direito autoral ] [ ilustraçao em pauta] [ anuário …A AEILIJ está completando 16 anos este mês, e mais um mandato termina. Foram dois anos de alegrias, tristezas, realizações,](https://img.document.onl/doc/110x75/5c4592e693f3c34c4658f18e/-direito-autoral-ilustracao-em-pauta-anuario-a-aeilij-esta-completando.jpg)
