compÓsitos de matriz polimÉrica reforÇados com fibras de...
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COMPÓSITOS DE MATRIZ
POLIMÉRICA REFORÇADOS COM
FIBRAS DE COCO E MICRO ESFERAS
OCAS DE VIDRO (MEOV) ALMEJANDO
MELHOR CUSTO BENEFÍCIO EM
RELAÇÃO ÀS PROPRIEDADES
MECÂNICAS.
Virnna Cristhielle Santana Barbosa (UESC )
Geovana Pires Araujo Lima (UESC )
Regivaldo Santos Silva Filho (UESC )
FRANCODANI RICO AMADO (UESC )
Com a eminente preocupação em reduzir os impactos ambientais, porém sem perder
os ganhos em propriedades almejadas, as fibras vegetais estão sendo comumente
utilizadas como reforços em compósitos. Esse estudo consiste em adicionar
Microesferas Ocas de Vidro (MEOV) e Fibra de Coco a uma matriz polimérica de
Resina Cristal Pré-acelerada. Tem como objetivos: baratear o material compósito,
definir propriedades que esses reforços agregam à matriz e a formulação com melhor
desempenho nos testes de dureza e impacto. Com a realização da comparação dos
resultados obtidos foi possível considerar que a fibra de coco adicionou propriedades
mecânicas ao compósito e também barateou o mesmo, se tornando uma alternativa
viável economicamente e ambientalmente.
Palavras-chaves: Fibra de coco, MEOV, compósito, impacto, dureza.
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1. Introdução
O material compósito constitui uma grande importância na ciência dos materiais, com
vasta aplicação na engenharia e grande aplicabilidade na indústria que cresce gradualmente.
Trata-se de combinações de dois ou mais componentes dos tipos fundamentais de materiais e
é projetado para mostrar uma combinação das melhores características de cada um dos
materiais que o compõe (CALLISTER, 2000). Dessa forma, a construção de um compósito
tem como objetivo unir a uma matriz um ou mais reforços, esses irão agregar propriedades ao
material.
Com a eminente preocupação em reduzir os impactos ambientais, porém sem perder os
ganhos em propriedades almejadas, as fibras vegetais estão sendo comumente utilizadas como
reforços em compósitos. Segundo Marinelli e Monteiro (2008) no Brasil, existe uma grande
variedade de fibras vegetais com diferentes propriedades químicas, físicas e mecânicas.
Os compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais se mostram como uma área
de grande interesse na indústria, surgindo a partir da década de 1990, proporcionado pelas
exigências oriundas das autoridades públicas quanto ao uso e descarte final das fibras
sintéticas e resinas oriundas do petróleo, seguido principalmente da conscientização dos
consumidores quanto à finitude dos recursos naturais do planeta (SILVA, 2003). Segundo
North (1997) , “a produção industrial envolve a extração de recursos naturais, a utilização
deles na manufatura de produtos industriais, e a disposição de materiais indesejados que não
são utilizados no produto final”.
O descarte de materiais apontados como rejeitos se torna uma medida cada vez mais
difícil, em parte devido às atuais legislações ambientais, em outra devido às organizações
produtivas. As fibras vegetais possuem propriedades que influenciam diretamente na
montagem do compósito, como a porosidade e fibrosidade de sua estrutura e a matriz lamelar.
As vantagens mais visíveis das de compósitos a base de fibras quando comparadas a outros
materiais sintéticos são a capacidade de renovabilidade do insumo, biodegradabilidade, baixo
custo, menor abrasividade no maquinário e provocar menor impacto ambiental (ALMEIDA
JR, 2012). Além de altas propriedades mecânicas específicas, baixa densidade, baixo
consumo de energia e custo de produção. (PANNIRSELVAM et al., 2005):
Destacam-se as fibras para uso em compósitos o sisal, rami, juta, malva, curauá e fibra
de coco.
O uso de fibras vegetais como reforço na matriz polimérica se torna uma alternativa
mais pesquisada e real na medida em que os recursos não renováveis diminuem
gradativamente, incentivando setores como a inovação de materiais oriundos de fontes
renováveis.
Segundo Silva (2003) no campo dos materiais, o uso de fibras vegetais como reforço
de matrizes poliméricas ganha atenção quando tratado em elementos não estruturais de
vedação lateral e cobertura para substituição de placas galvanizadas.
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O desenvolvimento de novos materiais com adição de fibras vegetais tem sido
pesquisado e utilizado para substituição da fibra de vidro em compósitos poliméricos, com
intuito de reduzir a quantidade destas fontes não renováveis. Com o advento desta tecnologia,
os compósitos reforçados com fibra de coco, sisal e juta estão competindo com os plásticos
reforçados com fibra de vidro (PASSOS, 2005)
Uma das características que dificulta o uso em larga escala das fibras vegetais como
reforço da matriz polimérica está no fato destas possuírem baixo módulo de elasticidade,
baixa resistência biológica, susceptibilidade à degradação em meios alcalinos e/ou ácidos,
cavidades, dimensões e formas irregulares e uma superfície quimicamente complexa, o que
dificulta a fixação matriz/reforço, além da baixa capacidade de compactação natural, o que
limita a obtenção do volume máximo de fibra (MADSEN, 2009).
As propriedades mecânicas dos compósitos dependem diretamente de diversos fatores,
tais como o tipo, volume, orientação, dispersão da fibra na matriz polimérica, bem como a
afinidade química entre a fibra e a matriz, de forma que a natureza da região de interface
influi diretamente nas propriedades mecânicas do compósito.
A fibra de coco possui características primordiais que fazem com que sua utilização de
torne viável, as fibras de coco se destacam por apresentarem alta disponibilidade no país,
principalmente no sul da Bahia, baixo custo e propriedades físico-químicas adequadas à
confecção de diversos produtos como cordas, escovas, tapetes, estofamentos automotivos,
reforço em compósitos, entre outros (DUARTE; IMAI; NII, 2009).
Portanto, propõe-se um estudo das propriedades mecânicas de impacto e dureza de
compósitos com reforços de fibra de coco. .Além do reforço vegetal, propõe-se também um
estudo de formulações com reforço sintético de micro esferas ocas de vidro (MEOV),
chamadas glass bubbles, que segundo a empresa 3M são uma excelente alternativa às cargas e
aditivos convencionais como sílica, carbonato de cálcio, talco, argila, entre outros, para várias
aplicações. Estas partículas de baixa densidade são usadas em várias indústrias para redução
do peso, custo e atender determinadas propriedades em seus produtos. Foram feitas também
formulações para um compósito híbrido, com reforço vegetal e sintético, de fibra de coco e
MEOV.
2. Propriedades mecânicas
Segundo Jorge Teófilo (2010), os engenheiros de qualquer especialidade devem
compreender como as várias propriedades mecânicas são medidas e o que elas representam.
Essas propriedades são necessárias ao projeto de estruturas ou componentes que utilizem
materiais predeterminados, a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou
falhas em serviço, ou o encarecimento do produto em função do superdimensionamento de
componentes.
Ainda segundo Jorge Teófilo (2010) as propriedades mecânicas dos materiais são
verificadas pela execução de ensaios cuidadosamente programados, que reproduzem o mais
fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados nos
ensaios incluem-se a natureza da carga aplicada, a duração de aplicação dessa carga e as
condições ambientais. A carga pode ser tração, compressão ou cisalhamento, e a sua
magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente. O tempo de
aplicação pode ser de apenas uma fração de segundo ou pode se estender por um período de
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muitos anos. Dentro das condições ambientais destaca-se a temperatura como fator de grande
importância.
O estabelecimento e a publicação dessas normas padrões são freqüentemente
coordenados por sociedades profissionais, como a Sociedade Americana para Ensaios e
Materiais (ASTM – American Society for Testing and Materials), que é a organização mais
ativa nos Estados Unidos (CALLISTER, 2002) e de larga aceitação no Brasil. No Brasil, a
entidade responsável pelas normas padrões é a Associação Brasileira de Normas Técnicas
(ABNT).
2.1 Impacto
Os testes de impacto são testes de fraturas a alta velocidade que mede a energia para
romper a amostra. Nos testes de impacto Izod e Charpy, um pêndulo com um peso é jogado
contra a amostra (com entalhe ou não) e a energia necessária para romper a amostra é
determinada através da perda de energia cinética do pêndulo (NIELSEN, 1974).
A geometria da peça é importante porque a resistência ao impacto depende do
tamanho da peça. Uma amostra mais fina tende a resistir ao impacto mais do que uma amostra
mais espessa. (OTA, 2004)
Para polímeros amorfos, a resistência ao impacto aumenta dramaticamente quando a
temperatura é aumentada próxima da temperatura de transição vítrea ou acima.
(NIELSEN,1974).
Ainda segundo Nielsen (1974) no teste de impacto, as fibras podem aumentar a
resistência ao impacto por dois mecanismos de dissipação de energia: As fibras podem ser
arrancadas da matriz e dissipar energia durante a fricção mecânica. Ao mesmo tempo, quando
se arranca as fibras se previne a concentração de tensão nas áreas ao longo da fibra; as fibras
dissipam energia durante o processo de descolagem tendendo acessar a propagação da trinca.
As fibras também tendem a reduzir a resistência ao impacto por dois mecanismos: as fibras
reduzem drasticamente o alongamento até ruptura, assim podem reduzir a área sobre a curva
tensão-deformação; a concentração de tensão ocorre nas regiões de finais das fibras, áreas de
adesão fraca e regiões onde as fibras se tocam.
Assim, dependendo da natureza do compósito e do tipo do teste de impacto, as fibras
podem diminuir ou aumentar a resistência ao impacto.
2.2 Dureza
Dureza é a resistência à deformação permanente Segundo Garcia et al. (2000), o
ensaio de dureza consiste na impressão de uma pequena marca feita na superfície da peça pela
aplicação de pressão com uma ponta de penetração.
A medida da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das
características da marca de impressão e da carga aplicada em cada tipo de ensaio de dureza
realizado. (GALDINO, 2003)
Os métodos mais aplicados em engenharia utilizam penetradores com formatos
padronizados e que são pressionados na superfície do material sob condições específicas de
pré-carga e carga, causando inicialmente deformação elástica e em seguida deformação
plástica.
3. Metodologia
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Esse estudo utiliza a fibra vegetal de coco e fibra sintética de MEOV, como reforços à
matriz termofixa composta por uma resina cristal pré-acelerada e os reforços sejam vegetal e
sintético, visando baratear o equipamento, além de torná-lo mais resistente e ambientalmente
viável.
Foram confeccionados corpos de prova segundo a norma para os ensaios dos testes de
dureza e impacto. Esses corpos de prova obedeceram a três tipos de diferentes formulações
pré-determinadas, a fim de comparar os resultados de seus testes e escolher a formulação com
melhores resultados, levando em consideração seu custo.
3.1 Corpos de prova referenciais
Os primeiros corpos de prova confeccionados foram os que continham 100% da
matriz, com resina cristal, para que a comparação pudesse ser feita entre esses corpos de
prova e os que continham reforços. A resina cristal pré-acelerada foi pesada numa balança,
assim como o iniciador peróxido de Metil-Etil-Cetona – Mek-P (o equivalente a 1% da
quantidade total de resina). Depois de pesados, a resina foi misturada ao iniciador Mek-P num
agitador mecânico. A confecção foi feita conforme o fluxograma abaixo:
Figura 1- Fluxograma formulação referencial
Fonte: Autoria própria
Foram produzidos 5 corpos de prova em duplicata para cada teste.
Figura 2 – Primeiros corpos de prova referenciais (após ensaios mecânicos)
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Fonte: autoria própria
3.2 Corpos de prova com reforços vegetais
Para as seguintes formulações o reforço vegetal, a fibra de coco (moída no moinho de
facas RONE modelo N150 e posteriormente no SP LABOR modelo SP-31), foi armazenada
em um recipiente hermeticamente fechado e guardado em um local fresco. Após a separação
da fibra, foi necessário fazer um tratamento térmico na mesma, para redução de umidade, que
foi levada à estufa à 110º C por 60 minutos. Enquanto a fibra passava pelo tratamento
térmico, a resina cristal foi pesada, assim como o iniciador Mek-P (o equivalente a 1% da
resina). Ao fim do tratamento térmico, a fibra foi retirada da estufa e foi pesada.
Foram produzidos 5 corpos de prova em duplicata para cada teste.
As formulações para esses corpos de prova foram de: 95% de matriz e 5% de fibra (95/5),
90% de matriz e 10% de fibra (90/10) e o de 85% matriz e 15% de fibra (85/15).
Figura 3- Fluxograma para as formulações com reforços de fibra de coco.
Fonte: autoria própria
Figura 4 – Primeiros corpos de prova formulação 95/5
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Fonte: autoria própria
3.3 Corpos de prova com reforços híbridos
Para a formulação híbrida, com a fibra de coco e MEOV como reforços, a fibra moída
no moinho RONE e posteriormente moída no moinho SP- Labor foi armazenada em um
recipiente hermeticamente fechado e guardado em um local fresco. Depois foi colocada na
estufa à 110º C, durante 60 minutos. Com a fibra tratada termicamente, deram-se início as
pesagens da matriz e dos reforços. Dessa forma, a resina cristal, o iniciador Mek-P (a 1% da
resina) foram pesados na balança.
Essa metodologia foi aplicada para as formulações de 95% de matriz; 2,5% de fibra de
coco e 2,5% de MEOV (95/2,5/2,5); 90% de matriz, 7,5% de fibra de coco e 2,5% de MEOV
(90/7,5/2,5) e 85% de matriz, 12,5% de fibra de coco e 2,5% de MEOV (85/12,5/2,5).
Figura 5- Fluxograma para formulações com reforços híbridos
Fonte: autoria própria
Figura 6 – Primeiros corpos de prova formulação 95/2,5/2,5 (após ensaios mecânicos)
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Fonte: autoria própria
3.4 Ensaios dos corpos de prova
Os ensaios de dureza e impacto foram feitos segundo as respectivas normas ASTM
D2240 E ASTM D256. Os ensaios de dureza do tipo Shore-D foram feitos no equipamento
eletrônico Durotest SD 300 e os de impacto do tipo Izod no equipamento eletrônico Panantec
ATMI, seguindo o método A em que o corpo de prova é preso pela lateral e centralizado pelo
entalhe que é voltado para o lado em que o martelo irá se chocar (TUDO SOBRE
PLÁSTICOS).
4. Resultados
Através dos ensaios concluídos foi possível fazer uma análise dos dados. Conforme
das tabelas e figuras a seguir.
Tabela 1- Média dos resultados obtidos no teste de impacto para formulações referenciais.
Resultado 100% Matriz
Ângulo de Elevação 155,07°
Energia 0,1482J
Resistência ao impacto 0,948KJ/m²
Fonte: autoria própria
Tabela 2- Média dos resultados obtidos no teste de impacto para formulações com reforços de
fibra de coco
Resultado Matriz +
Reforço
vegetal:
95/5
Matriz +
Reforço
vegetal:
90/10
Matriz +
Reforço
vegetal:
85/15
Ângulo de
Elevação
155,466° 155,502° 154,998°
Energia 0,1286J 0,1274J 0,1484J
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Resistênci
a ao
impacto
1,206KJ/
m²
1,42KJ/m² 1,556KJ/
m²
Fonte: autoria própria
Tabela 3- Média dos resultados obtidos no teste de impacto para as formulações com reforços
híbridos
Resultado Matriz +
Reforço
híbrido
95/2,5/2,5
Matriz +
Reforço
híbrido
90/7,5/2,5
Matriz +
Reforço
híbrido
85/12,5/2,
5
Ângulo de
Elevação
154,602 155,052° 154,167°
Energia 0,165J 0,142J 0,184J
Resistênci
a ao
impacto
1,124KJ/
m²
0,996KJ/
m²
1,295KJ/
m²
Fonte: autoria própria
Figura 7- Média do ângulo de elevação para as formulações
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Fonte: autoria própria
Figura 8- Gráfico da média de energia para as formulações
Fonte: autoria própria
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Figura 9- Média da resistência ao impacto para as formulações
Fonte: autoria própria
Tabela 4- Média da dureza para a formulação referencial
Resultado Apenas
Matriz
Dureza 72,4
Fonte: autoria própria
Tabela 5- Média da dureza para as formulações com reforço de fibra de coco
Resultado Matriz
+Reforço
vegetal:
95/5
Matriz
+Reforço
vegetal:
90/10
Matriz
+Reforço
vegetal:
85/15
Dureza 59,6 67,5 63,5
Fonte: Autoria própria
Tabela 6 – Média da dureza para as formulações com reforços híbridos
Resultado Matriz +
Reforço
híbrido:
95/2,5/2,5
Matriz +
Reforço
híbrido:
90/7,5/2,5
Matriz +
Reforço
híbrido:
85/12,5/2,
5
Dureza 56,4 75 69
Fonte: autoria própria
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Figura 10- Média da dureza para as formulações
Fonte: autoria própria
5. Conclusões
De acordo com a Tabela 1, pode-se observar que a formulação que apresentou melhor
resultado quanto ao ângulo de elevação foi a de Matriz com reforço vegetal de coco à 85/15,
pois quanto menor é o ângulo mais resistente é o corpo de prova. A mesma formulação se
mostrou melhor que a formulação referencial que contém apenas a matriz sem reforços. Esse
é um bom resultado, pois a fibra de coco, além de renovável é mais barata que a resina cristal,
e quanto maior a sua porcentagem no compósito mais barato é o mesmo.
Quando a energia absorvida pelo corpo de prova durante o ensaio de impacto é levada
em consideração, a formulação de Matriz com Reforço Vegetal de Coco à 85/5 se mostrou um
pouco melhor que a formulação apenas de matriz cristal, apresentando um coeficiente maior,
ainda que ambas tenham apresentado resultados similares. Como o reforço vegetal barateia o
compósito é ainda mais vantajoso utilizá-lo. Em relação à resistência de impacto, essa mesma
formulação se destacou, mostrando-se como uma boa alternativa. A formulação contendo
85% de matriz e 15% de reforço vegetal de coco constituiu o melhor resultado de resistência
ao impacto. Provando que a utilização da fibra de coco aumentou as propriedades de impacto
do compósito. De forma parecida, a formulação híbrida de 85/12,5/2,5 apresentou o segundo
melhor resultado em resistência ao impacto, em que o reforço de MEOV também agregou
melhores características que as existentes na formulação referencial.
Com relação aos ensaios de dureza shore-D, a formulação de Matriz com Reforço
Vegetal de Coco 85/15 já não se mostrou a alternativa ideal, pois outra formulação do mesmo
reforço se mostrou melhor. Além da formulação referencial, de 100% matriz, que obteve um
maior, com esse teste pode-se observar que o reforço de MEOV agrega maiores valores de
dureza ao compósito, pois a melhor formulação foi a híbrida.
Contudo o reforço de micro esferas de vidro se apresentou mais caro que o de coco, da
mesma forma que a formulação que contém apenas a resina cristal. Dessa forma, é necessário
optar pela propriedade mais importante para o objeto desejado, e levar em consideração o
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custo-benefício do mesmo. Pode-se afirmar que a fibra de coco agrega propriedades
mecânicas ao compósito o que implica numa boa alternativa ambiental e econômica.
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