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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO COMPOSITO DE MATRIZ POLIMÉRICA REFORÇADO COM
SERRAGEM
ADRIANA PEREIRA DOS SANTOS
MARABÁ – PARÁ
2009
ADRIANA PEREIRA DOS SANTOS
ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO COMPOSITO DE MATRIZ POLIMÉRICA REFORÇADO COM
SERRAGEM
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Materiais, Faculdade de Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Pará. Área de concentração: Compósitos Poliméricos. Orientador Professor Múcio Marcos S. Nóbrega.
MARABÁ 2009
ADRIANA PEREIRA DOS SANTOS
ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO COMPOSITO DE MATRIZ POLIMÉRICA REFORÇADO COM
SERRAGEM Trabalho de Conclusão de Curso apresentado para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Materiais, Faculdade de Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Pará. Área de concentração: Compósitos Poliméricos.
Marabá, 10 de julho de 2009.
Banca Examinadora:
Múcio Marcos S. Nóbrega - Orientador Doutor em Engenharia de Processos Universidade Federal do Pará
Reginaldo Sabóia de Paiva Doutor em Engenharia de Materiais e Metalurgia Universidade Federal do Pará
Alacid do Socorro Siqueira Neves Mestre em Engenharia Química Universidade Federal do Pará
Aos meus pais, minhas irmãs
e minha sobrinha, que investiram e
confiaram em mim, sem nunca
deixarem me faltar amor.
AGRADECIMENTOS
Esse trabalho, fruto da minha busca pelo conhecimento, coincidiu com momentos
decisivos na minha vida, portanto o apoio sincero de algumas pessoas foi muito
importante para a conclusão do mesmo. A lista de nomes é imensa, mas seleciono
aqui as pessoas determinantes:
A Deus que é a minha força e o meu escudo.
Aos meus pais Mario e Fátima que sempre me apoiaram e me incentivaram nesta
luta incansável da engenharia.
As minhas irmãs Dátila, Daiana e Onilda e a minha Sobrinha Nicoly pelo carinho e
dedicação.
Aos meus cunhados pelo apoio e compreensão.
As minhas amigas Raylla, Joina, Deliane e Jéssica pela força nos momentos difíceis.
Ao Prof. Dr. Múcio Marcos S. Nóbrega por sua diligência e apoio.
Ao Prof. M.Sc Alacid do Socorro Siqueira Neves , por sua paciência, sempre pronto
a auxiliar.
Ao Prof. Dr Reginaldo Sabóia de Paiva por sua diligência e apoio pelo esforço em
sempre buscar o melhor para o curso.
Ao Professor Edemarino A. Hildebrando pela sua luta pra que o curso de Engenharia
de Materiais obtivesse êxito.
Ao Prof. M.Sc Lucélio Albuquerque Junior pelo apoio no inicio do curso.
Aos meus amigos que sempre estiveram juntos para resolver os problemas em
equipe.
A Faculdade de Engenharia de Materiais pela excelência do curso.
A Universidade Federal do Pará, sem a qual eu não estaria me tornando uma futura
Engenheira de Materiais.
Ao meu colega Juliano pelo apoio na elaboração do abstract do meu trabalho.
A turma de Engª de Materiais-2004, que apesar das diferenças sempre lutou por um
mesmo ideal.
“A todos que acreditam que ninguém pode chegar ao topo armado apenas de talento. Deus dá o talento; o trabalho transforma o talento em gênio”.
(Autor Desconhecido)
7
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO........................................................................................................... 13
2-OBJETIVOS .............................................................................................................. 14
2.1-OBJETIVOS GERAIS........................................................................................... 14
2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS.................................................................................. 14
3- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 15
3.1 – COMPÓSITOS................................................................................................... 15
3.1.1 – Aplicações dos Compósitos ......................................................................... 16
4.CARACTERÍSTICAS DA MADEIRA ........................................................................ 17
4.1.ORIGEM DA MADEIRA......................................................................................... 17
4.2.COMPONENTES DA MADEIRA............................................................................ 17
4.3.COMPONENTES DO TRONCO............................................................................. 18
4.4.VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DA MADEIRA COMO
MATERIAL.................................................................................................................... 19
4.5.MADEIRA SÓLIDA SERRADA.............................................................................. 19
5.MADEIRA RECONSTITUÍDA ................................................................................... 20
6.GERAÇÃO DOS RESÍDUOS INDUSTRIAIS DE MADEIRA .................................... 22
7.COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA .............................................................. 25
8.MATRIZES POLIMÉRICAS ...................................................................................... 26
9.WPC - COMPÓSITOS BASEADOS EM MADEIRA ................................................. 28
10.DESCRIÇÃO DA MATRIZ POLIMÉRICA USADA NA
PESQUISA................................................................................................................... 29
11. RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO .............................................................. 29
12. METODOLOGIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO .......................................... 30
13. ETAPAS DA PRENSAGEM A FRIO ...................................................................... 31
8
14. SERRAGEM........................................................................................................... 32
15. MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................... 33
15.1 CLASSIFICAÇÃO DA GRANULOMETRIA DA SERRAGEM............................... 33
15.2 RESINA USADA.................................................................................................. 33
15.3 PREPARAÇÃO DA AMOSTRA............................................................................ 34
16. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 37
17. CONCLUSÕES E SUGESTÕES........................................................................... 43
18. REFERÊNCIAS..................................................................................................... 44
9
RESUMO
O presente trabalho utilizou pó de madeira e resina na fabricação do compósito. A
madeira utilizada na forma de pó de serragem foi misturada com a resina como
reforço misturado do compósito polimérico. Foram testadas formulações com 20% e
30% (em peso) de madeira, com objetivo de avaliar as propriedades mecânicas do
compósito de madeira formado através da mistura de um pó de madeira com a
resina. As propriedades mecânicas do material obtido foram avaliadas através de
ensaios de tração, apresentando elevados valores de módulo de elasticidade. Tais
resultados são bastante satisfatórios para o segmento das indústrias de madeira.
Palavras-chave: compósito, pó de madeira, resina.
10
Abstract
The present work used wood and resin in the production of the composite. The wood
used in the form of sawdust powder was mixed with the acrylic resin as mixed
reinforcement of the polymeric composite. Formulations were tested with 20% and
30% (in weight) of wood. With the objective of evaluating the mechanical properties
of the wood composite formed through the mixture of a hardwood powder with the
resin. The mechanical properties of the obtained material were appraised through
traction rehearsals. Such results are quite satisfactory for the segment of the wood
industries.
Keywords: composite, wood powder, resin.
11
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Classificação dos Compósitos. .................................................................................. 16
FIGURA 2 – Camadas do tronco de árvore .................................................................................... 18
FIGURA 3 – Produção de madeira serrada .................................................................................... 19
FIGURA 4 – Etapas da industrialização e resíduos de madeira. ..................................................... 23
FIGURA 5 – Maneiras de valorização do resíduo de madeira ......................................................... 24
FIGURA 6 – Processo de fabricação CPM ..................................................................................... 30
FIGURA 7 – Etapas do processo de prensagem a frio.................................................................... 31
FIGURA 8 – Geração de resíduos no processo de fabricação de madeira serrada nas máquinas.... 32
FIGURA 9 – Procedimento da classificação da granulometria......................................................... 33
FIGURA 10 – Seqüência do procedimento de mistura do compósito e de fabricação dos corpos de
prova ............................................................................................................................................... 34
FIGURA 11 – Molde metálico........................................................................................................ 35
FIGURA 12 – Prensagem da Matriz..........................................................................................35
FIGURA 13 – Placa de Pó do compósito plástico-madeira..............................................................35
FIGURA 14 – Corpos de prova. a) resina pura; b) amostra 20%; c) amostra 30%..........................36
FIGURA 15 – Ensaio de Tração.............................................................................................................36
FIGURA 16 – Máquina de ensaio universal Emic DL10000.........................................................36
FIGURA 17 – Resina Pura ............................................................................................................ 38
FIGURA 18 – Amostra com 20% de Pó de Madeira.....................................................................39
FIGURA 19 – Amostra com 30% de Pó de madeira ....................................................................... 40
FIGURA 20 – Comparação entre as amostras ............................................................................... 42
12
LISTA DE TABELAS TABELA 01 – Subdivisões das Arvores.....................................................................................17
TABELA 02 – Camadas do tronco de árvore ................................................................................. 18
TABELA 03 – Vantagens e desvantagens da madeira .................................................................. 19
TABELA 04 – Classificação e descrição das madeiras reconstituídas............................................. 21
TABELA 05 – Discriminação dos resíduos de madeira................................................................... 23
TABELA 06 – Tipos de resina poliéster insaturado......................................................................... 29
TABELA 07 – Corpos de prova e suas respectivas características ................................................. 35
TABELA 08 – Resina Pura............................................................................................................ 37
TABELA 09 – Amostra com 20% de Pó de Madeira...................................................................38
TABELA 10 – Amostra com 30% de Pó de Madeira....................................................................40
TABELA 11 – Média dos resultados de tração das amostras.......................................................42
13
1.INTRODUÇÃO
Os Compósitos com Matriz de Polímero consistem em uma resina polimérica
como a fase matriz e fibras como meio de reforço [CALLISTER].
No setor madeireiro, a grande quantidade de resíduos gerados sempre foi
motivo para preocupações. Dentre esses, o pó da lixa e a serragem da laminação
merecem especial atenção por serem materiais de baixa densidade, exigindo maior
espaço para a estocagem, além de serem materiais altamente explosivos.
Atualmente, cada vez mais os resíduos vêm despertando os interesses de
pesquisadores e empresários, principalmente para verificar as possibilidades de
reutilização desses materiais.
Uma das alternativas para os resíduos da indústria madeireira é a utilização na
produção de compósito plástico-madeira. Segundo Stark, White e Clemons (1997), o
compósito plástico-madeira ou WPC (wood-plastic composites) está se tornando o
material mais importante dentro do processo da reciclagem [YAMAJI ].
Uma definição bem simples para o compósito plástico-madeira é uma mistura
de pó de madeira com algum tipo de resina plástica.
As aplicações das resinas de poliéster ortoftálicos são para o uso geral, na
grande maioria das aplicações, principalmente nas indústrias náutica, automotivas e
de transportes em geral, moveleira, piscinas, utensílios, indústria esportiva e outras.
Sua resistência física e química a impede de ser usada em condições mais severas,
enquanto que outros tipos de resinas têm melhor desempenho.
14
2.OBJETIVOS
2.1-OBJETIVOS GERAIS
O objetivo deste trabalho foi produzir compósitos plástico-madeira ou WPC
(wood-plastic composites) utilizando resíduos de uma indústria madeireira.
2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Com objetivo específico de verificar por comparação a influência da
porcentagem de pó de madeira nas propriedades mecânicas dos compósitos
plástica-madeira.
15
3.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 – COMPÓSITOS
Um compósito é um material desenvolvido através da combinação de dois ou
mais componentes, sendo um componente estrutural e o outro matricial, para se
obter características e propriedades específicas.
De uma forma abrangente pode-se dizer que os compósitos constituem uma
classe de materiais heterogêneos, multifásicos, podendo ser ou não poliméricos,
onde o componente estrutural (descontínuo) dá a principal resistência ao esforço e o
componente matricial (contínuo) é o meio de transferência deste esforço. Esses
componentes não se dissolvem ou se descaracterizam completamente, mas atuam
conjuntamente de forma a apresentar características e propriedades satisfatórias
(Mano,1991).
Segundo Mano (1991), o componente estrutural utilizado em compósitos pode
ser um material orgânico ou inorgânico, de forma irregular ou regular, fibroso, com
fragmentos muito achatados (como flocos) ou como fibras muito curtas. Tais
componentes devem ter resistência, rigidez e maleabilidade que geralmente se
encontram nas fibras. O seu papel é suportar cargas máximas e impedir que as
deformações ultrapassem seus limites aceitáveis.
Quando associados a matrizes resinosas, apresentam resistência mecânica
satisfatória. O componente matricial, geralmente é um polímero termoplástico ou
termorrígido (termofixo). A matriz tem a função de manter a orientação das fibras e
seu espaçamento, transmitir as forças de cisalhamento entre as fibras e proteger as
mesmas de danos superficiais.
As resinas termofixas são as mais utilizadas em compósitos, pois exibem
excelente resistência a solventes e resistem a elevadas temperaturas. No grupo
destas resinas, se enquadram as fenólicas, epóxis e poliésteres (Lubin,1969).
Os compósitos podem ser classificados de diferentes modos, tais como
fibrosos (composto de fibras em uma matriz), laminar (composto por camadas de
materiais) e particulado (composto de partículas em uma matriz) (Lubin, 1969). Na
Figura 1, é apresentado um esquema sobre a classificação dos compósitos.
Segundo Hull1 citado por Tita et al. (2001), um fator de grande importância
quando se trata de compósitos é a interface entre o componente estrutural e
16
matricial, pois é através desta interface que ocorre a transferência de forças e
tensões da matriz para a fibra, resultando em um importante papel nas propriedades
mecânicas e físicas dos materiais compósitos. As características da interface
dependem da ligação na interface e as propriedades físicas e químicas dos
componentes.
O desenvolvimento de interações tanto físicas quanto química na região
interfacial promove a adesão necessária entre a fibra e a matriz, sendo que para
intensificar esta adesão, muitos métodos químicos e físicos com diferentes
eficiências costumam ser usados (Bledzki e Gassan, 1999).
3.1.1 – Aplicações dos Compósitos
A combinação de excelentes propriedades mecânicas e leveza
estrutural tornam os compósitos materiais interessantes para aplicação na
engenharia.
Os compósitos utilizando resina como matriz polimérica resultam em
propriedades satisfatórias, tais como alta resistência térmica e estabilidade
dimensional. Os tipos de reforços geralmente utilizados nestes compósitos são:
fibras de vidro, asbesto, grafite, carbono, sílica, mica, celulose (algodão, madeira,
CLASSIFICAÇÃO MATERIAIS COMPÓSITOS
Compósitos Fibrosos Compósitos Particulados
Orientação AleatóriaOrientação Preferencial
Compósitos constituídos por uma única camada
(Inclui compósitos que possuem a mesma orientaçãoe procedimento em cada camada)
Compósitos constituídos pormúltiplas camadas
Laminados Híbridos
Compósitos reforçados por fibras contínuas Compósitos reforçados porfibras descontínuas
ReforçoUnidirecional
ReforçoBidirecional Orientação
Aleatória
OrientaçãoPreferencial
Figura 1 – Classificação dos Compósitos (Mattews e Rawlings, 1994).
17
etc.), nylon, etc. A seleção das fibras de reforço dependerá do tipo de aplicação e
desempenho requerido do material a ser desenvolvido (Billmeyer, 1984).
4.CARACTERÍSTICAS DA MADEIRA
4.1.ORIGEM DA MADEIRA
A madeira é um material orgânico de origem vegetal. Está presente na terra
desde o período carbonífero e em grandes quantidades. Para alguns autores, a
madeira é um recurso inesgotável, pois está em contínua formação. No entanto,
deve-se considerá-la como um recurso renovável, dependente de boas condições
naturais para sua existência.
As árvores, seres vivos que fornecem a madeira, estão divididas em duas
classes de diferentes características de madeira. Podemos ver na Tabela 1 as
características destas subdivisões com exemplos.
4.2.COMPONENTES DA MADEIRA
A madeira é formada por compostos químicos orgânicos baseados
principalmente em 50% de carbono e 43% de oxigênio (Hellmeister, 1983). Os
Tabela-1 Subdivisões das Arvores
18
principais componentes são a Celulose e a Lignina, cuja proporção entre si depende
da espécie de árvore e que operam funções vistas abaixo:
• Celulose : Polímero natural (C6H10O5) que forma as fibras que constituem grande
parte da massa da madeira, conferindo-a resistência mecânica.
• Lignina : Composto de alto peso molecular que age como uma matriz de resina ou
adesivo que une as fibras de celulose entre si.
4.3.COMPONENTES DO TRONCO
Um tronco de árvore pode ser estruturado em camadas sendo que nem todas
destas partes têm um destino no comercio tradicional. A Figura 2 nos mostra as
principais camadas de um tronco de madeira seguido da explicação funcional e
importância comercial visto na Tabela 2.
Figura 2 – Camadas do tronco de árvore. Fonte: SZÜCS, 2003 – modificado.
Tabela 2 – Camadas do tronco de árvore
19
4.4.VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DA MADEIRA COMO MATERIAL
Como é visto acima, excluindo a casca e a medula quando se encontra
estragada, o tronco é totalmente usado para fins comerciais e industriais,
fortalecendo a afirmação sobre a nobreza do material. O uso da madeira como
material de fabricação têm vantagens e desvantagens como listadas por Teixeira
(1999) na Tabela 3:
4.5.MADEIRA SÓLIDA SERRADA
Trata-se do uso de chapas ou peças oriundas do tronco que foi beneficiado
apenas pelos processos de desdobro, serragem e secagem. Assim, estas partes são
basicamente a madeira sólida( Figura 3) que são usadas pela indústria na fabricação
de inúmeros produtos, principalmente para o setor mobiliário e a construção civil.
Tabela 3 – Vantagens e desvantagens da madeira
Figura 3: Produção de madeira serrada. Baseada em TEIXEIRA (1999)
20
5.MADEIRA RECONSTITUÍDA
As tecnologias usadas na indústria da madeira permitem que algumas das
desvantagens sejam minimizadas. O tratamento químico adequado protege-a contra
fungos e insetos. A tecnologia da madeira reconstituída, ou transformada, segundo
Teixeira (1999), permitem corrigir limitações físicas, tornando chapas e painéis como
produtos com propriedades homogêneas em toda a sua extensão através da
reorientação das partículas e das fibras. Esses produtos, segundo César (2002),
destacam-se por serem de maior confiabilidade, estabilidade e pela possibilidade de
produzir chapas de grandes dimensões.
Outro fator positivo das chapas reconstituídas:
[...] é o aproveitamento significativo da tora de madeira, uma vez que a
obtenção da madeira serrada resulta em perdas consideráveis. Neste
aspecto, a constituição destes produtos permite inclusive o aproveitamento,
em alguns casos, de resíduos de madeira como matéria-prima, tais como:
pó-de-serra, refugos de usinagem, lascas, costaneiras, maravalhas, etc.
Trata-se então de um produto ecologicamente correto [...] (GONÇALVES e
CASTRO, 2003).
Segundo Latorraca (2003), o emprego de tais chapas é promissor, pois, além
de oferecer excelentes possibilidades de uso, aumenta o valor agregado à madeira,
ao utilizar os resíduos como matéria prima, minimizando o uso de depósitos e
possibilitando a instalação de novas empresas. Esta afirmação vai ao encontro do
conceito da Ecologia Industrial quanto ao uso de resíduos de uma indústria como
matéria prima por outras indústrias.
A seguir, na Tabela 4, está à lista dos principais tipos de madeira reconstituída.
21
Tabela 4 – Classificação e descrição das madeiras reconstituídas
Fonte: CÉSAR (2002); GONÇALVES e CASTRO (2003); IWAKIRI (2003); MENDES, ALBUQUERQUE & IWAKIRI (2003); LATORRACA (2003), TIBURCIO e GONÇALVES (1998).
22
6.GERAÇÃO DOS RESÍDUOS INDUSTRIAIS DE MADEIRA
Os resíduos de madeira são classificados como resíduos ligno-celulósicos, ou
seja, contêm majoritariamente lignina e celulose, têm origem tanto em atividades
industriais quanto atividades rurais.
Inicialmente o resíduo de madeira pode ser considerado como bastante
heterogêneo devido às muitas variedades apresentadas, às diversas granulometrias
da serragem e às diversas condições de armazenamento, que alteram suas
características físicas, e à dispersão geográfica que dificulta seu transporte. São de
baixa densidade e não são tóxicos se no seu volume não houver outros materiais,
principalmente produtos químicos tais como conservantes, fungicidas, inseticidas,
vernizes, tintas, dentre outros, que possam emitir gases ou vapores tóxicos durante
processos de reciclagem ou de queima (Quirino, op cit). Livre destes materiais
contaminantes o resíduo pode ser considerado como banal e não inerte, pois é
biodegradável, classificado pela NBR 10004 (ABNT, 1987) como classe 2, com
possibilidades de ser reaproveitado em processos de reciclagem por processos
diferentes dos processos industriais iniciais e de ser transformado em produtos de
uso similar ou diferente ao da madeira serrada inicial.
Os resíduos industriais de madeira são oriundos do processamento mecânico
das toras de madeira sólida. Durante o corte e descasque, processamentos de
desdobro, desengrosso, serragem e acabamento, há a geração de vários tipos de
sobras sólidas peculiares a cada etapa citada. São assim vistos como resíduo, pois,
segundo a revista Referência, resíduo de madeira é considerado a “sobra após uma
ação ou processo produtivo e passam a ser descartados e acumulados no meio
ambiente” (Referência, 2003. p. 28). De forma a sistematizar estes processamentos
da madeira sólida, Gonçalves e Ruffino (1989) estabelecem etapas produtivas junto
com os resíduos gerados por cada etapa respectiva, como visto na Figura 4.
23
Comumente, estes resíduos são dispostos em silos expostos ao tempo ou em
terrenos nas cercanias do setor produtivo. Este tipo de armazenamento pode levar à
degradação do resíduo pelo encharcamento por água de chuva ou apodrecimento
por agentes biológicos. Estes resíduos são discriminados na Tabela 5 que usa
exemplos para melhor entendimento da natureza física do resíduo.
Figura 4 – Etapas da industrialização e resíduos de madeira. Fonte: GONÇALVES E RUFFINO (1989)
Tabela 5 – Discriminação dos resíduos de madeira (JANAINA, 2002)
24
Segundo Quirino (2004) o resíduo de madeira pode ter dois destinos:
• Eliminação : Ação de se desfazer de um resíduo sem tirar nenhum proveito, como
por exemplo, a incineração sem recuperação de energia.
• Valorização : está ligada a alguma ação de desenvolvimento de processo
tecnológico, podendo ocorrer através de diversas maneiras, como reciclagem,
reutilização, regeneração.
Há duas maneiras de valorizar o resíduo de madeira, segundo Quirino (2004), que.
são a valorização energética, quando o destino do resíduo é o aproveitamento da
biomassa como fonte de energia, e a valorização da matéria, quando a biomassa do
resíduo é aproveitada como matéria prima para fabricação de outros materiais.
Figura 5 – Maneiras de valorização do resíduo de madeira Baseado em QUIRINO (2004)
25
Essas maneiras são mostradas na Figura 5 onde é destacado o WPC (wood plastic
composites), material compósito constituído de serragem de madeira e resinas
plásticas com grande potencial de aproveitamento dos resíduos para a produção de
diversos tipos de produtos.
7.COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA
São materiais alternativos aos tradicionais e que estão aumentando sua
participação no mercado. Usam como matéria prima principalmente madeira
reflorestada e resinas sintéticas, por exemplo, o MDF e o OSB. Por sua vez, são
inúmeros os produtos com possibilidade de serem construídos com os eco-
compósito, principalmente o WPC descrito a seguir, visto que estes foram
idealizados para substituir as matérias primas tradicionais nas suas mais variadas
aplicações. Produtos para as indústrias de construção civil, indústria de transportes,
moveleira, artigos esportivos entre outros.
English et al (1996), referem-se às boas qualidades da farinha ou pó de resíduos de
madeira e de papel usados como carga em resinas termoplásticas. Segundo os
autores, este resíduo em pó pode substituir as cargas inorgânicas e minerais, tais
como talco ou carbonato de cálcio, na mesma função com as vantagens ecológicas
da redução de resíduos sólidos e servindo, também como exemplo de aplicação da
reciclagem de resíduos de madeira.
As vantagens são o baixo custo de aquisição de matéria prima, o preço
acessível dos produtos gerados além das boas propriedades mecânicas do
compósito. Resultados similares conseguiram Correa et al (2003) quanto à
substituição de cargas minerais e fibras de vidro por pó de resíduos de madeira o
qual é aplicado em um compósito com uma derivação do polipropileno. O resultado
foi um “compósito que apresenta ganhos significativos de rigidez em relação aos
compósitos não-modificados independentemente do tipo de farinha de madeira
empregada” (Correa et al, 2003).
26
8.MATRIZES POLIMÉRICAS
As matrizes usadas nos compósitos são baseadas em resinas ou adesivos
poliméricos, os quais são usados para impregnar os reforços, enquanto estiverem
em uma fase líquida. Este processo geralmente é feito num molde do produto a ser
construído.
As resinas plásticas são constituídas essencialmente por polímeros
orgânicos, podendo ser sintéticas, baseadas no petróleo, ou terem origem natural,
oriundo de materiais vegetais. Permitem ser moldadas facilmente em formas
variadas por processos que usam a fase líquida durante a moldagem (BRASKEM
2002-1). A maioria das resinas plásticas usadas atualmente é sintética. O uso de
resinas plásticas industriais teve início na década de 1930, sendo que atualmente é
um dos principais materiais industriais, transformados em bens de consumo, em
embalagens, filmes e outros produtos. “A produção de plásticos no Brasil alcançou
3,4 milhões de toneladas em 1999, em comparação com 41,6 milhões de toneladas
nos EUA e 26,3 milhões de toneladas na Europa (1994)” (Forlin & Faria 2002).
As vantagens dos plásticos são inúmeras, e segundo Gorni (2004) algumas são:
• Leveza
• Boa resistência mecânica
• Transparência
• Possibilidade de ser moldado na cor do produto
• Baixas Temperaturas de Processamento, até 250ºC
• Baixa Condutividade Elétrica
• Baixa Condutividade Térmica
• Baixo custo
• Impermeabilidade
• Toxicologicamente inertes
As matrizes poliméricas podem ser classificadas como (BRASKEM (2002 -1);
GORNI (2003)):
Termoplásticas : amolecem na presença de calor e enrijecem quando frios,
permitindo serem usadas mais de uma vez, o que facilita processos de recuperação
e reciclagem, apesar de alguns tipos sofrerem degradação a cada ciclo de
amolecimento. São moldadas por equipamentos pesados e em moldes metálicos
27
complexos e caros. Apesar de serem baseadas tradicionalmente no petróleo,
algumas resinas termoplásticas têm como base matérias primas vegetais
biodegradáveis.
Exemplos : Poliestireno, Polipropileno, PET, PVC, Policarbonato, ABS, nylon.
Termofixas ou Termorrígidas : são encontradas como resinas líquidas e que
solidificam pelo calor ou pela ação de um agente catalisador. Uma vez solidificadas
não mais voltam ao estado líquido inicial, portanto só podem ser usadas uma única
vez. Tradicionalmente as resinas termofixas são originárias do petróleo, sendo que
algumas são baseadas em óleos vegetais de recursos renováveis. As resinas
termofixas podem ser moldadas por processos de fabricação bastante diferentes
quanto à complexidade e custos, desde processos manuais e artesanais com o uso
de moldes simples e baratos, passando por processos mistos de média
complexidade entre manual e mecanizado até os processos caros e complexos
como os usados nos termoplásticos.
Exemplos : Poliéster insaturado, poliuretanos, resinas epóxi, resinas fenólicas,
CNSL.
Elastômeros ou Borrachas : Classificam-se entre os termoplásticos e os termofixos.
Uma vez curados não se fundem na forma líquida inicial, mas apresentam
características elásticas. O processo de reciclagem é mais difícil que a dos
termoplásticos, sendo similar a dos termofixos. Podem ter origem vegetal ou
sintética.
Exemplos: Origem natural: látex - Origem sintética: silicone.
28
9.WPC - COMPÓSITOS BASEADOS EM MADEIRA
A madeira ocupa um lugar de destaque como reforço em ecos-compósitos. O
compósito de madeira se refere ao uso da madeira, sob qualquer forma, reforçando
resinas termofixas ou termoplásticas. Historicamente, o compósito constituído de pó
de madeira e resinas fenólicas ficou conhecido como Baquelite, uma resina
termofixa que foi o primeiro plástico sintetizado industrialmente (Clemons, 2002) e
que revolucionou o design de produto, principalmente na fabricação de
eletrodomésticos, nas décadas de 1920 até 1950 quando, então, novos plásticos o
substituíram. Na década de 1970, um compósito de madeira e polipropileno foi
largamente usado na indústria automobilística sendo comercialmente conhecido
como Woodstock (Correa et al, 2003; PEIJS, 2002).
Atualmente, os compósitos de madeira são conhecidos como WPC (wood
plastic compósites), sendo que as resinas mais usadas são as termoplásticas de
baixo preço e de pós-consumo, tais como polietileno, polipropileno e poliestireno,
podendo ser reforçadas com pó ou fibras de madeira numa proporção que vai de 2%
à 50% (Clemons, 2002). Os compósitos são moldados por processos usuais da
indústria de termoplásticos tais como a extrusão, compressão e injeção (English,
1996 - 2). Seu mercado vem aumentando principalmente na Europa, EUA e Japão,
tendo uma participação diferenciada das demais fibras naturais e sendo usado na
indústria automobilística, moveleira e construção civil principalmente, em funções
estruturais e não estruturais, sendo que as marcas industriais EINWood®, TECH-
Wood® e FASAL® são desenvolvidas e comercializadas com teores de madeira de
até 70% para diversas aplicações (Peijs, 2002).
Apesar do uso majoritário de resinas termoplásticas no WPC, atualmente o
uso de resinas e adesivos termofixos, tal como o poliéster insaturado, pode se tornar
uma excelente alternativa aos termoplásticos na fabricação de produtos,
principalmente devido à acessibilidade à matéria prima e a possibilidade do uso de
tecnologias simplificadas de moldagem. A madeira, usada na forma de fibra ou pó
(farinha), pode ser oriunda de resíduo, o que diminui o preço e aumenta a
disponibilidade da matéria prima.
29
10.DESCRIÇÃO DA MATRIZ POLIMÉRICA USADA NA PESQUISA
A matriz polimérica foi escolhida entre o grupo dos termofixos. Segundo
Carvalho (2003) os termofixos são particularmente adequados como materiais para
a fabricação de compósitos, por sua facilidade de fabricação e adesão com a fibra.
Foram exploradas as vantagens da cura a frio, facilidade de aquisição comercial e
de processos de fabricação de baixo custo sintonizando os materiais e o processo
de fabricação.
11. RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO
Apresenta-se como um líquido viscoso, formulado pela reação de ácidos e
álcoois, que pode ser diluído em monômero de estireno, e, dependendo do ácido
usado na formulação, pode-se produzir resinas ortoftálica, isoftálica dentre outras
(Elekeiroz, s/d). As variedades de resinas de poliéster insaturado e suas
propriedades são vistas na Tabela 6. A variação ortoftálica é mais rígida depois de
curada, mas é também fisicamente e quimicamente mais frágil. Sua cura pode
acontecer com o uso de calor ou na presença de catalisadores (cura a frio). Suas
características químicas podem ser modificadas com a adição de aditivos, como os
protetores contra raios ultravioletas, como os retardantes de chama ou como os
corantes. As propriedades físicas podem ser modificadas pela adição de cargas e
reforços fibrosos, caracterizando, portanto um compósito.
TABELA 6 – Tipos de resina poliéster insaturado.
30
A resina ortoftálica é a resina termofixa mais conhecida e usada
comercialmente devido ao baixo preço de aquisição, facilidade de manipulação e de
moldagem. Os processos de moldagem e de produção são variados, incluindo
processos de molde aberto ou processos de molde fechado que permitem maior
controle dimensional e melhor qualidade dos produtos.
As aplicações das resinas de poliéster ortoftálicos são para o uso geral, na
grande maioria das aplicações, como o compósito conhecido com PRFV – plástico
reforçado com fibras de vidro ou simplesmente fiberglass. São usadas nas indústrias
náutica, automotivas e de transportes em geral, moveleira, piscinas, utensílios,
indústria esportiva e outras. Sua resistência física e química a impede de ser usada
em condições mais severas, enquanto que outros tipos de resinas têm melhor
desempenho.
12. METODOLOGIA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO
Usam moldes de pares macho / fêmea que formam uma cavidade de
moldagem quando unidas. Seus moldes, portanto, precisam de sistemas de
fechamento mecânico que elimine espaços entre as metades do molde, impedindo
que o material a ser moldado vaze para fora. Tem as vantagens de permitir
acabamento superficial em toda peça fabricada e controlar a espessura da peça de
maneira rigorosa. Também há a diminuição de emissão de vapores, pois o processo
de moldagem é em ambiente fechado, assim como há a diminuição de rebarbas. Os
moldes são construídos com aço, borracha ou fiberglass, sendo mais caros e
complexos que os moldes abertos (Clavadetscher, 1981).
Moldagem por Prensagem a Frio CPM (Could Press Moulding), realizado a baixas
pressões e temperatura ambiente, Figura 6. A resina é curada através de
catalisadores, podendo usar um tempo de processamento a partir de 20 minutos.
(Carvalho, 2003).
FIGURA 6 – Processo de fabricação CPM – baseado em CARVALHO (2003-2)
31
Os sistemas usados para união dos moldes fechados podem ser resumidos a
três tipos, sendo que a finalidade é de unir as abas e batentes laterais dos moldes
não deixando espaços por onde o material a ser moldado possa vazar. O respiro
permite a saída de ar e de excesso de material.
Fechamento à prensa hidráulica / mecânica: feito através de prensas que
comprimem uma das partes do molde contra a outra parte.
O processo de prensagem a frio é descrito pelos fabricantes de peças de Fiberglass
como uma alternativa barata aos processos mais complexos tais como a prensagem
a quente ou sistemas de transferência de resina (Owens Corning, 2001). Coloca-se
resina e reforço pré-misturados ou não dentro do molde, em seguida, fecha-se o
molde abrindo-o após a polimerização da resina. O tempo de polimerização e os
ciclos de produção dependem das especificações do fabricante.
13. ETAPAS DA PRENSAGEM A FRIO
1. O compósito (matriz mais reforço) é despejado na cavidade do molde (Figura 7);
2. O molde é fechado, a resina cura em contato com as duas metades do molde, o
ar e o excesso de material saem pelo respiro, permitindo o completo fechamento do
molde.
3. O molde é aberto e a peça é desmoldada pronta para o acabamento final.
FIGURA 7 – Etapas do processo de prensagem a frio. (baseado em OWENS CORNING, 2001 e 2004; SAINT-GOBAIN, 2004)
Pressão
32
14. SERRAGEM
Diversas variedades de pó-de-serra e maravalha (serragem contendo cavaco
e lascas), variando o tamanho, forma e textura da partícula. Para cada tipo de
máquina, há uma serragem respectiva. Máquinas que operam diversos tipos de
lâminas irão gerar diversos tipos de serragem. Geralmente esta serragem é disposta
no chão da usina, ao redor da máquina, durante o processo de fabricação, sendo
recolhida após a produção. Algumas máquinas têm formas de diminuir a dispersão
de serragem, tal como a serra fita, que possui um corte com filete de água, processo
que umidifica o resíduo. Outra forma é usada na plaina e na serra industrial, onde há
um sistema de aspiração e tubulações que conduzem o resíduo até o silo de
armazenagem (Figura 8).
FIGURA 8 – Geração de resíduos no processo de fabricação de madeira serrada nas máquinas
33
15. MATERIAIS E MÉTODOS
15.1 CLASSIFICAÇÃO DA SERRAGEM
A classificação da serragem foi feita a partir de peneiras com aberturas
normatizadas pela ABNT. Para a classificação da granulométria do pó de serragem
a ser usado, foi feita uma classificação com o objetivo de se obter partículas de
mesmo tamanho, assim para a preparação das amostras foi usada a serragem
retida no fundo com abertura de 0,59 mm.
15.2 RESINA USADA
A matriz termorrígida foi preparada pela utilização de uma resina de poliéster
insaturado GAMA 313, fabricada pela EMBRAPOL, do tipo ortoftálica pré-acelerada,
adquirida no comércio local. Esta resina foi reticulada por estireno, utilizando como
indicador Peróxido de Metil Etil Cetona (MEK-P) em concentração de 1% em peso.
15.3 PREPARAÇÃO DA AMOSTRA
O pó de madeira utilizado foi obtido em uma serraria que atua no segmento de
exportação de madeiras. A serragem utilizada é o resíduo proveniente do processo
de laminação da madeira. Após a classificação da granulométria a serragem foi
levada para estufa por um período de duas horas, sendo utilizadas apenas as
partículas de baixa granulométria na confecção dos corpos de prova do compósito
polimérico.
34
Os corpos de prova foram construídos misturando-se manualmente a resina
com o pó de madeira e catalisador até que uma massa homogênea fosse obtida
(Figura 10). Para a moldagem dos corpos de prova foi utilizado um molde de aço
(Figura 11) com processo de prensagem a frio (Figura 12) ao final obteve-se uma
placa do compósito-plastico madeira (Figura 13). Foi estudada a influência da
proporção de componentes (madeira/polímero).
Figura 1 2: Prensagem da Matriz
Figura 11 : Molde metálico
FIGURA 10 – Seqüência do procedimento de mistura do compósito e de fabricação dos corpos de prova baseado em (OWENS CORNING, 2001 e 2004; SAINT-GOBAIN, 2004)
35
Foram feitas três placas como mostrado na Tabela 7 com diferentes
porcentagens de serragem. Logo após a etapa de prensagem das placas estas
foram cortadas para a obtenção de corpos de prova (Figura 14). Para a realização
do ensaio mecânico, os corpos de prova passaram por processo de desbaste e
acerto dimensional destinado a regularização das dimensões: os elementos
retangulares tiveram compensação das medidas para caracterizar relação
proporcional, cinco corpos de prova de cada amostra foram utilizados para o ensaio
de tração (Figura 15). Para a condução dos ensaios foi utilizada uma máquina de
ensaio universal Emic DL10000 (Figura 16).
Figura: 1 3- Placa de Pó do compósito plástico-madeira
a) b) c)
Figura 14 : Corpos de prova. a) resina pura; b) amostra 20%; c) amostra 30%
36
Amostras Porcentagem de Serragem (%) Nº. de Corpos de Prova Dimensões (l x b x h) Resina pura 0 5 113 mm x 12 mm x 3,0 mm
Placa 01 20 5 113 mm x 12 mm x 3,0 mm
Placa 02 30 5 113 mm x 12 mm x 3,0 mm
Tabela 7: Corpos de prova e suas respectivas características
Figura 15 : Ensaio de Tração Figura 1 6: Máquina de ensaio universal Emic DL10000.
Legenda : l = comprimento b = largura h = espessura
37
16. RESULTADOS E DISCUSSÕES
As Tabelas 8, 9 e 10 mostram os resultados obtidos nos ensaios mecânicos
dos cinco corpos-de-prova de cada amostra, ensaiados por tração simples.
De modo geral observou-se que o aumento do módulo de elasticidade do
compósito alcançou um valor relevante levando em consideração o valor do traço de
referência no caso das amostras de 20%.Relacionando esses valores do módulo de
elasticidade com a diminuição da deformação atingida pelo compósito, conclui-se
que essa característica é conseqüência da propriedade de reforço que o resíduo
transferiu para a matriz polimérica, como está mostrado nas Figuras 17 e 18. Já para
a amostra de 30% houve uma acentuada queda do módulo de elasticidade quando
comparado às propriedades da resina pura, observa-se essa queda quando
comparadas os valores das Tabelas 8 e 10 e mostrados graficamente nas Figuras
17 e 19.
Corpo de
Prova
Força
Max (N)
Força de Rupt.
(MPa)
Tens. de Rupt.
(MPa)
Deformação
(%)
Mod.Elástico
(Mpa)
CP1 3681 3681 71 6,6 3114
CP2 3684 3676 71 8,3 3140
CP3 2942 2927 52 5 3197
CP4 4295 4283 82 8,3 3647
CP5 3419 3401 65 5 3532
Tabela 8 -Resina Pura
38
Corpo
de
Prova
Força
Max (N)
Força de Rupt.
(MPa)
Tens. de Rupt.
(MPa)
Deformação
(%)
Mod. Elástico
(Mpa)
CP1 657 651 18 1,6 3737
CP2 1140 1132 31 1,6 4376
CP3 584 580 16 1,6 3036
CP4 1116 1116 31 1,6 5647
CP5 769 769 21 1,6 4286
Figura: 17- Resina Pura
Tabela 9 -Amostra com 20% de Pó de Madeira
39
Nas Figuras 18 e 19 e nas Tabelas 9 e 10 são apresentados resultados da
proporção de serragem durante o ensaio de tração. Embora a fibra de madeira
apresente módulo de elasticidade em torno de 20- 40 Gpa, as propriedades
mecânicas dos compósitos reforçados com farinha de madeira tendem a ser
inferiores às da madeira in natura. Por outro lado, ganhos com a adição de madeira
em compósitos, em relação às matrizes puras, são significativos segundo Correa.
Analisando a tensão de ruptura que para a amostra de resina pura ficou
68,20MPa enquanto que a as amostras com 20% e 30% obtiveram valores mais
baixos que ficaram em torno de 23,4MPa e 20,6MPa .
Figura: 18 - Amostra com 20% de Pó de Madeira
40
Corpo
de
Prova
Força
Max (N)
Força de Rupt.
(MPa)
Tens. de Rupt.
(MPa)
Deformação
(%)
Mod. Elástico
(Mpa)
CP1 756 756 21 1,6 3253
CP2 852 847 24 1,6 2921
CP3 754 752 21 1,6 2945
CP4 592 587 16 1,6 2804
CP5 769 769 21 1,6 3482
Tabela 10 -Amostra com 30% de Pó de Madeira
Figura: 19 -Amostra com 30% de Pó de madeira
41
A partir dos ensaios de tração e analisando a Tabela 11 podemos inferir as
seguintes analises:
1. De modo geral, os compósitos apresentaram uma tensão de ruptura inferior à
amostra de resina pura usada como referência. Esta, no entanto apresentou uma
deformação acima dos demais, de forma bastante plástica, estilhaçando-se no final
do ensaio em vários pedaços, indicando a resistência à tração do polímero sem a
presença de reforço.
2. Comparando a deformação da amostra de resina pura, com as demais amostras,
observou-se que a serragem de madeira modifica a matriz quanto à rigidez,
tornando-a mais rígida, visto que a amostra de resina pura atingiu valor de 6,6% e os
demais atingindo em torno de 1,6% de deformação.
3. Observa-se o aumento do módulo de elasticidade do compósito em relação à
amostra de resina pura. Relacionando esses valores do módulo de elasticidade com
a diminuição da deformação atingida pelo compósito, conclui-se que essa
característica é conseqüência da propriedade de reforço que a serragem transferiu
para a matriz polimérica quando analisado a elasticidade do compósito.
4. A inclusão da serragem não alterou, no geral, a resistência à tração da matriz, em
relação à resina pura, observa-se assim uma modificação do aspecto físico, cor e
textura.
42
5. A análise da força aplicada em relação à deformação e do módulo de elasticidade
permite visualizar que, embora a amostra de resina pura tenha suportado mais
carga, este também demonstrou maior deformação, indicando um baixo
desempenho útil( Figura 20). Já os demais traços mostraram uma melhor relação
entre a força aplicada e a deformação, que pode ser entendido como um reforço
pela presença da serragem quando analisada a rigidez do compósito.
Corpo de
Prova
Força
Max
(N)
Força de Rupt.
(MPa)
Tens. de Rupt.
(MPa)
Deformação (%) Mod. Elástico
(Mpa)
RESINA
PURA
3604 3593 68 6,6 3326
AMOSTRA
20%
853 849 23 1,6 4216
AMOSTRA
30%
744 742 20 1,6 3481
Tabela 11: Média dos resultados de tração das amostras
1
10
100
1000
10000
Força Max (N) Força de Rupt.(MPa)
Tens. de Rupt.(MPa)
Deformação(%)
Mod. Elástico(Mpa)
RESINA PURA
AMOSTRA 20%
AMOSTRA 30%
Figura 20 : Comparação entre as amostras
43
17. CONCLUSÕES E SUGESTÕES
A resistência à tração para madeira, contudo, depende de vários fatores inerentes
às características de um material anisotrópico. Além disso, no caso da serragem,
não se refere à resistência das fibras individuais da madeira, mas sim da resistência
de um agregado, formado por fibras e por outros tipos celulares. O módulo de
elasticidade e o alongamento à tração sofrem influência marcante da dispersão da
madeira na matriz polimérica e da adesão entre as fases, portanto a resistência à
tração é influenciada pela proporção de serragem.
O ensaio de tração, por sua vez, mostrou que a serragem não influenciou
significativamente em algumas propriedades mecânicas da resina na presença de
uma carga de tração, apesar da resina pura ter suportado mais carga. Assim a
adição das porcentagens de serragem fez com que alguns parâmetros de
resistência mecânica ficassem mais baixo que os da resina pura. Por outro lado
também houve aumento da rigidez do compósito em relação à resina pura,
permitindo concluir que a serragem se comporta como carga e também como reforço
para plásticos reforçados.
Assim para a matriz polimérica a introdução da serragem não levou a um
aumento substancial das propriedades mecânicas do polímero. Isto ocorre, pois as
tensões não são efetivamente transferidas da matriz polimérica para entidades
esféricas dotadas de pequena área superficial. Contudo a serragem pode agir como
um nucleador de trincas.
Para uma analise mais detalhada e precisa torna-se necessário a realização de
ensaios de flexão, impacto e absorção. Assim para uma continuação do trabalho faz-
se necessário a realização destes ensaios para uma comparação mais precisa de
resultados.
44
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