CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA EM FLEXÃO DE COMPÓSITO DE

POLIURETANO DERIVADO DE ÓLEO DE MAMONA REFORÇADO

COM SISAL APÓS A RADIAÇÃO GAMA E ULTRAVIOLETA

Jessica Fernanda Ferrazza[Bolsista Fundação Araucária/ Voluntário] 1, Elaine Azevedo

[orientador] 1, Jefferson Boiczuk [Colaborador]

1

1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Campus Curitiba

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR

Av. Sete de Setembro, 3165 - Rebouças CEP 80230-901 - Curitiba - PR - Brasil

jessica_ferrazza@hotmail.com, helunica@yahoo.com.br

Resumo - Compósitos de sisal e poliuretano derivado de óleo de mamona é uma alternativa aos plásticos

utilizados abundantemente no mundo, assim como aos polímeros presentes em ambientes hospitalares, onde a

presença de compostos orgânicos voláteis não é desejada. Para melhorar a resistência mecânica do poliuretano é

utilizado o sisal, devido à sua abundância e consumo de energia baixo custo para a produção. Os compósitos

foram preparados por moldagem por compressão à temperatura ambiente, sem tratamento térmico e submetido à

radiação gama, dose de 25 kGy, e as radiações UVA e UVC. A radiação gama pode causar cisão de cadeias

poliméricas, comprometendo o desempenho mecânico de polímeros. Este estudo analisou o comportamento

mecânico de poliuretano derivado de óleo de mamona reforçado com sisal através das propriedades mecânicas

obtidas em ensaio de flexão de três pontas. Os resultados experimentais mostraram uma maior rigidez após a

radiação gama e também maior fragilidade após a radiação ultra-violeta, sendo que a microscopia ótica não

indica o aparecimento de trincas na superfície.

Palavras-chave: Óleo de mamona; Sisal; Poliuretano.

Abstract - Composite sisal and polyurethane derived from castor oil is an alternative to plastics used worldwide

abundance as well as to the polymers present in hospital environments where the presence of volatile organic

compounds is not desired. To improve the mechanical strength of polyurethane is used sisal, due to its

abundance and low energy consumption cost for production. The composites were prepared by compression

molding at room temperature without heat treatment and subjected to gamma irradiation dose of 25 kGy, and

both UVA and UVC. Gamma radiation can cause scission of the polymer chains, thus compromising the

mechanical performance of polymers. This study examined the mechanical behavior of polyurethane derived

from castor oil reinforced with sisal using mechanical properties obtained in bending test of three points. The experimental results showed a greater rigidity after gamma radiation and larger too fragile after ultra-violet

radiation, and the optical microscope does not indicate the appearance of surface cracks.

Keywords: Castor oil; Sisal; Polyurethane.

INTRODUÇÃO

Estudos para descoberta de materiais cada vez mais duráveis e de menor custo são

importantes [1]. Com isso, o uso dos plásticos vem aumentando muito no mundo todo (mais

de 100 milhões de t/ano de plásticos produzidos) [2], consequentemente é grande a

quantidade desses resíduos sendo descartados no meio ambiente, isto é, 20% do volume total

[3,4]. Além disso, em alguns locais, como, por exemplo, nas salas de radiodiagnóstico e

radioterapia, onde é necessário o uso de acessórios posicionadores, o ideal seria que estes

materiais fossem produzidos com polímeros que não exalem compostos orgânicos voláteis.

A solução para a diminuição da poluição gerada por tais resíduos é a utilização de

polímeros biodegradáveis, que tenham baixo custo de produção e que sejam feitos a partir de

matérias-primas renováveis, como o poliuretano derivado do óleo de mamona. Neste caso, a

degradação do material ocorre de forma muito mais rápida que os plásticos comuns,

resultando primariamente da ação de microrganismos, tais como fungos, bactérias e algas de

ocorrência natural, gerando CO2, CH4, componentes celulares e outros produtos [5,6]. Ou de

outro modo, são materiais que se degradam em dióxido de carbono, água e biomassa, como

resultado da ação de organismos vivos ou enzimas7.

Para a melhora da resistência mecânica dos materiais poliméricos biodegradáveis, são

utilizadas fibras naturais, como o sisal, devido à sua abundância, baixo custo e consumo de

energia para sua produção.

Este estudo teve como objetivo analisar os compósitos de poliuretano derivado do óleo

de mamona reforçado com sisal através das propriedades mecânicas obtidos nos ensaios de

flexão.

METODOLOGIA

Poliuretano. Foi utilizado neste trabalho o poliuretano derivado do óleo de mamona

(POLIBOND ®), doado pela Cequil Central Ind. Des. Polímeros de Araraquara, SP. O

poliuretano foi preparado a partir de um poliol sintetizado a partir do óleo de mamona, que é

um poliéster trifuncional, sendo o ácido ricinoléico o composto principal [9]. O pré-polímero

é sintetizado a partir de poliol com diisocianato de difenilmetano (MDI), mantendo uma

porcentagem de isocianato livre e radicais hidroxilo, por reação posterior. As amostras foram

preparadas com a adição do pré-polímero e do poliol numa proporção de peso de 1:1, a

mistura de componentes feito manualmente, conforme as instruções do fabricante.

Sisal. O tecido de sisal em ponto de tafetá mostrado na figura 1, obtido a partir do mercado

local, foi utilizado como material de reforço. Para a preparação das amostras, foi mantido a

50° C por doze horas em estufa, sem qualquer preparação adicional.

Figura 1. Tecido de sisal em ponto tafetá.

Preparação do compósito. Para a montagem do compósito, a junção do pré-polímero ao

poliol foi feita à temperatura ambiente e foi submetida a uma bomba de vácuo para retirar as

bolhas formadas durante a polimerização. O compósito é constituído por cinco camadas de

rede de sisal, cada uma com 1 mm de espessura, e 30 gramas de poliuretano derivado do óleo

de mamona para cada 64 cm2 de sisal. No processo de montagem, utilizando material plástico

fino como base para o sisal, o poliuretano é distribuído uniformemente entre as camadas, as

quais apresentam as bordas delimitadas por um molde feito com massa de modelar. Após esta

distribuição, o conjunto recebe por cima outra camada de plástico fino, para então ser

submetido a uma prensa mecânica, onde permanece por 24 horas, ocorrendo assim a cura do

material polimérico. Com isso, foram obtidas amostras em proporção de massa de 78% de

sisal para 22% de poliuretano.

Figura 2. Aspecto do compósito de poliuretana reforçado com sisal.

Radiação gama. A irradiação gama em doses de 25 kGy foi aplicada pela empresa Embrarad

– Cotia-SP, com uma fonte industrial de Cobalto 60 MDS Nordion's JS-9600, utilizada para

esterilização de materiais poliméricos para uso médico.

Radiação UV. A radiação ultravioleta, UVA, foi fornecida por uma lâmpada comercial UVA

Sylvania 15 W 350 BL com a radiação de pico em 350 nm. As amostras foram colocadas a 40

cm da lâmpada. O tempo de exposição foi de até 1000 h. A exposição à radiação UVC foi

fornecida por uma lâmpada comercial UVC Phillips TUV 15W com radiação de pico em 253

nm. As amostras foram colocadas a 40 cm da lâmpada para o tempo de exposição até 1000 h.

Lâmpadas com configurações semelhantes foram escolhidas para obter uma melhor análise

comparativa. Apesar de que as energias das radiações UV incidentes sobre as superfícies das

amostras eram diferentes para cada lâmpada.

Ensaios de flexão. A amostra é apoiada em duas pontas e então é submetida a uma carga por

outra ponta em sua porção central, por isso se chama ensaio de flexão de três pontas. A tensão

máxima à flexão sustentada pelo corpo de prova de teste durante o ensaio de flexão será

calculada pela Equação 1:

(1)

onde σf é a tensão no compósito no ponto médio (MPa), P é a carga (N), L é a distância entre

os suportes (mm), b é a largura da amostra (mm), e d é a espessura da amostra (mm).

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). A microscopia eletrônica de varrimento foi

realizada no Jeol SEM.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Tabela 1 mostra os dados de módulo de flexão para o compósito de poliuretano

derivado do óleo de mamona reforçado com sisal antes e depois de ser irradiado com raios

gama, em que receberam uma dose de 25 Kgy.

A força máxima à flexão de compósitos originais foi (69,55 ± 12,59) MPa. Após serem

submetidos a radiação gama, a resistência à flexão é (51,74 ± 3,26) MPa. Estes resultados

mostram uma diminuição na resistência à flexão após a irradiação gama.

Tabela 1- Dados de módulo de flexão para o compósito de poliuretana com sisal antes e após

ser irradiado com raios gama.

Material

Sem irradiação

25 kGy de radiação

gama Propriedades

Módulo de flexão (MPa) 69,55 51,74

Desvio padrão (MPa) 12,69 3,26

Módulo de flexão mínimo (MPa) 52,68 47,55

Módulo de flexão máximo (MPa) 84,23 57,69

A Tabela 2 mostra os dados de módulo de flexão para o compósito de poliuretano com

sisal antes e depois de irradiado por radiação UVA e UVC.

A força máxima à flexão de compósitos originais foi (9,2 ± 0,5) MPa. Após a radiação

UVA, a resistência à flexão de compósitos é (5,2 ± 0,7) MPa e após a irradiação UVC, a

resistência à flexão de compósitos é (5,5 ± 0,5) MPa. Estes resultados mostram uma

diminuição na resistência à flexão com radiação UV, mas não há uma diferença significativa

quando os compósitos são expostos a radiação UVA ou UVC entre si. Além disso, os

resultados mostram que a radiação UVA deixa o material mais frágil do que o UVC, porque,

como mostrado na Tabela 2, a resistência à flexão das amostras após a irradiação UVA é

menor do que a resistência à flexão das amostras após a irradiação UVC, uma vez que o

módulo de flexão é 5,28 MPa para as amostras após a irradiação UVA e é 5,51 MPa para as

amostras após a irradiação UVC. A quantidade de sisal no composto é responsável por

aumentar a tensão suportada pelo composto, uma vez que a proporção de massa de sisal nas

amostras deste estudo foi de 78%, obtendo-se tensão máxima de 9,28 MPa, e a proporção

utilizada para Milanese [8] foi 44%, obtendo-se a tensão máxima de 1,6 MPa para compósito

sem tratamento térmico.

Tabela 2 - Dados de módulo de flexão para o compósito de poliuretana com sisal antes e após

ser irradiado com UVA e UVC.

Material

Sem irradiação

Após irradiação

UVA

Após irradiação

UVC Propriedades

Módulo de flexão (MPa) 9.28 5.28 5.51

Desvio padrão (Mpa) 0.52 0.76 0.57

Mínimo Módulo de flexão (MPa) 8.58 3.85 4.69

Máximo módulo de flexão (Mpa) 10.22 5.97 6.33

As Figuras 3 e 4 mostram que as fibras de sisal são encapsuladas pelo poliuretano, por

isso pode concluir-se que as fibras são molhadas pelo polímero, apesar da quantidade elevada

de fibras de sisal no compósito.

Figura 3. Imagem de MEV da fratura do compósito sem irradiação.

Figura 4. Imagem de MEV da fratura da fibra de sisal sem irradiação.

Comparando as imagens a partir das Fig. 5 e 6 que mostram fraturas das amostras, na

região com fibras perpendiculares à superfície de fratura, não foi observada perda de

aderência de poliuretano-sisal uma vez que as fibras ainda estão encapsuladas pelo polímero.

Figura 5. Imagem de MEV da fratura do compósito mostrando as cavidades nas fibras

normais para a superfície.

Figura 6. Aspecto da fibra após a fratura.

CONCLUSÕES

Foram obtidos compósitos de poliuretano derivado de óleo de mamona reforçados com

sisal. A partir dos resultados dos ensaios de flexão, pode concluir-se que a radiação gama

torna o compósito mais frágil.

Quanto a irradiação ultravioleta, os valores obtidos para a resistência à flexão foi maior

do que o trabalho semelhante na literatura, devido à elevada quantidade de fibras no

compósito. A partir dos resultados dos ensaios de flexão, pode concluir-se que as radiações

UVA e UVC também tornam o compósito mais frágil. A elevada proporção de fibras de sisal

utilizados no compósito é resultado relacionado com alta resistência mecânica do compósito.

Os resultados experimentais indicam que a utilização de compósitos de poliuretano

derivados de óleo de mamona reforçado com sisal é viável para a confecção do acessório para

revestimento de chassi e, portanto, ser utilizado em salas de radiodiagnóstico, uma vez que

estes materiais apresentam uma resistência mecânica considerável. No entanto, se submetidos

a radiação ultravioleta ou gama, a resistência mecânica do compósito pode diminuir

significativamente.

AGRADECIMENTOS

À Fundação Araucária pelo apoio financeiro. Ao IQSC pelas micrografias de MEV. A

CAPES e CNPq.

REFERÊNCIAS

[1] HUANG, S. J.; J. MAT. SCI. Pure Appl. Chem. 1995, A 32, 493.

[2] REDDY, C. S. K.; GHAI, R; RASHIMI; KALIA, V. C. Bioresour. Technol. 2003, 87,

137.

[3] HUANG, S. J.; EDELMAN, P. G.; SCOTT, G.; GILEAD, D. Degradable Polymers:

Principles and Applications, eds.; Chapman & Hall: London, 1995.

[4] LEÃO, A. L.; TAN, L. H. Biomass and Bioenergy 1998, 14, 83.

[5] LEE, S. Y.; CHOI, J. Polym. Degrad. Stab. 1998, 59, 387.

[6] RAGHAVAN, D. Polym. Plast. Technol. Eng. 1995, 42, 41.

[7] ROSA, D. S.; LOTTO, N. T.; GUEDES, C. G. F. Polym. Test. 2004, 23, 3.

[8] VENTURA, O. S. P.; PASSOS, O. S.; LOBO, J. B. A.; FUJIYAMA, R.T. Caracterização

mecânica em flexão de compósito de argamassa de cimento reforçada por fibras naturais.

17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 2006.