CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA EM TRAÇÃO DE LÂMINAS PRODUZIDAS A PARTIR DE PRÉ-PREGS DE FIBRA DE PALHA DA COSTA E MATRIZ POLIÉSTER

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1 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA EM TRAÇÃO DE LÂMINAS PRODUZIDAS A PARTIR DE PRÉ-PREGS DE FIBRA DE PALHA DA COSTA E MATRIZ POLIÉSTER P. A. Honorato (1) ; A. I. Pereira (1) ; I. S. da Silva (1) ; I. S. Gomes (1) ; D. S. Silva (1) ; T. O. Rocha (1) ; G. O. Miranda (1) ; V. S. Reis (1) ; C. T. N. M. Branco (1) ; F. X. da Silva Lima (1) ; J. S. Andrade (1) ; M. M. Ribeiro (1) ; R. T. Fujiyama (1) (1) Universidade Federal do Pará UFPA honoratopatrick089@outlook.com RESUMO Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de material compósito polimérico fabricado a partir de pré-pregs de fibras naturais de palha da costa nos comprimentos de 10, 25 e 50 mm. A metodologia do processo se deu através da manufatura do pré-impregnado por aspersão de resina diluída em estireno para a posterior laminação manual dos pré-pregs, seguido de moldagem por compressão a frio. Foram realizados ensaio de tração nos padrões da ASTM D3039 e os resultados mostraram a influência do comprimento das fibras nas propriedades mecânicas do compósito. A análise fractográfica realizada evidenciou as falhas presentes nas superfícies fraturadas. Palavras chave: Fibras naturais, Caracterização mecânica, Compósitos poliméricos. 1827

2 INTRODUÇÃO As fibras de origem sustentável tem sido objeto de pesquisas para aplicação como reforço em compósitos laminados poliméricos em substituição às fibras sintéticas como a fibra de vidro nas indústrias automobilística, de construção civil e produtos de lazer. Sua origem natural, abundância na natureza, resistência, baixa abrasividade e baixo peso são algumas das motivações para sua aplicação. Um compósito polimérico tem sua qualidade definida por variáveis como: processo de fabricação, tipo de fibra, adesão interfacial reforço-matriz, alinhamento do reforço em relação ao sentido da tensão, proporção de fibra, desempenho da matriz e porosidade (1). A família Arecaceae é uma das espécies vegetais produtoras de fibras com importante papel na economia familiar amazônida, com a produção de objetos trançados e construções em geral. A espécie Raphia vinífera, conhecida como jupatí (Palha da costa), é utilizada como matéria prima por populações ribeirinhas, na confecção de brinquedos e objetos de decoração. (2) A Tabela 1 mostra a carga na ruptura (Qrup), alongamento na ruptura (ΔIrup), limite de resistência à tração (σt), deformação na ruptura (Ɛrup) e módulo de elasticidade longitudinal da fibra de palha da costa e da matriz de poliéster. A Tabela 2 mostra a massa específica (g/cm³), umidade (bu) (%), a média do diâmetro equivalente e erro padrão, ambas encontradas por (2). Tabela 1. Carga na ruptura, alongamento na ruptura, limite de resistência à tração, deformação na ruptura e módulo de elasticidade da fibra de palha da costa e matriz poliéster. Material Qrup (N) ΔIrup (mm) σt (MPa) Ɛrup (mm/mm) E (GPa) Fibra palha da costa 31,35 2,83 103,66 0,019 7,47 Matriz plena de poliéster insaturado 6,06 (0,36) 6,92 (0,64) 34,36 (2,19) 0,049 (0,005) 1,267 (0,091) Tabela 2. Massa específica, umidade e diâmetro equivalente da fibra de palha da costa. Massa Umidade (bu) (%) Diâmetro Equivalente Específica (g/cm³) Média Erro Padrão Média Erro Padrão 0,965 9,47 0,051 0,597 0,

3 Este trabalho aborda três compósitos poliméricos fabricados a partir de mantas pré-pregs de fibras de palha da costa nos comprimentos de 10, 25 e 50 mm, analisando a influência do comprimento das fibras em sua resistência através de ensaios de tração, tendo como base a norma ASTM 3039 (3). Faz uma análise fractográfica das amostras procurando definir os fatores contribuintes para o resultado e uma breve comparação com trabalho similar sobre uma outra fibra natural. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Utilizou-se o tecido de palha da costa obtido no comercio de Belém. A fibra de palha da costa utilizada neste estudo em forma de tecido fora obtida no comércio local aos arredores de Belém, conhecido como ver-peso, para fim de fabricação de cortes menores com dimensão de 2 m x 53 cm. A Figura 1(a) mostra a fibra de palha da costa. O material utilizado como matriz polimérica para a pré-impregnação foi a resina de poliéster terefitálica insaturados do tipo CRISTAL, o diluente utilizado na diluição da resina foi o monômero de estireno e o iniciador da cura, responsável a dar inicio no processo foi o peroxido de metil-etil-cetona. Tais produtos são fabricados pela CENTERGLASS RESINAS & FIBRAS DE VIDRO. O diluente, a resina de poliéster e o catalizador são apresentados respectivamente na Figura 1(b), (c) e (d), respectivamente. (a) (b) (c) (d) Figura 1. (a) Tecido de Palha da costa comprado no comercio de Belém, (b) resina poliéster, (b) monômero de estireno e (c) iniciador de cura. 1829

4 Foi utilizada uma peneira metálica com furos de 4 x 5 mm, mostrada na Figura 2(a), e um pulverizador plástico de uso caseiro, representado na Figura 2(b), foi utilizado para aspersão da resina sobre a manta. Além disso, para proporcionar a adesão mecânica da matriz com o reforço, foi utilizada uma prensa hidráulica utilizada da marca Marcon, com capacidade de 10 toneladas. A Figura 2(c) mostra a prensa Marcon. (a) (b) (c) Figura 2. (a) Peneira metálica, (b) pulverizador de plástico e (c) prensa hidráulica. Métodos As fibras de palha foram utilizadas sem tratamento químico superficial e em condições ambientais. Os fios de fibra que compunham o urdume foram manualmente retirados do tecido, e cortados com tesoura com o auxílio de um gabarito de papel para manter a regularidade dimensional nos tamanhos de 10, 25 e 50 mm tal como mostra na Figura 3(a). De modo a realizar a preparação das mantas, as fibras foram colocadas na peneira metálica cilíndrica e por movimento rotativo, distribuídas na placa de acrílico buscando a uniformidade de granulometria por toda a área da placa de acrílico como mostra a Figura 3(b). (a) (b) Figura 3. (a) Fibras de Palha da costa cortadas nos tamanhos de 10, 25 e 50 mm e (b) distribuição das fibras. Existem várias maneiras de fabricação de pré-impregnados, dentre as quais destaca-se o método de aspersão que consiste em lançar jatos de resina ao ar que 1830

5 caem sobre as fibras na forma de micro gotas impregnando-as conforme a quantidade lançada. Os pré-impregnados obtidos pelo método de aspersão tem como vantagem o fato de que o material da matriz está disperso sobre as fibras, agregando-as, assim é possível trabalhar com um feixe ou mantas de fibras nas quais podem ser transformadas em compósitos de forma mais simples e rápida. Para a aspersão da resina sobre as fibras, foi aferida a massa de 63,5 g de resina poliéster, tal como mostra na Figura 4(a), a qual foi diluída com 65,75 g de monômero de estireno, deixando a matriz fluida o suficiente para ser aspersa com o pulverizador de plástico. A Figura 4(b) as fibras de palha da costa de 10 mm préimpregnadas. O mesmo processo foi realizado com as fibras de 25 e 50 mm. (a) (b) Figura 4. (a) Aferição da massa de resina poliéster e (b) fibras de palha da costa pré-impregnadas. Após pré-impregnadas, as mantas foram laminadas manualmente com pincel sobre uma placa de madeira compensada de 15 mm de espessura protegida com filme de poliéster. Depois de impregnadas, foi colocada uma segunda placa de madeira compensada de 15 mm, protegida com filme de poliéster. Espaçadores metálicos de 3 mm sem a cabeça foram colocados nas bordas para definir a espessura do laminado. Este conjunto foi colocado em uma prensa hidráulica com 500 quilos de pressão. A Figura 5 mostra o processo de laminação de uma das placas e a Figura 6 mostra o detalhamento da laminação e a forma como as placas foram levadas à prensa hidráulica. (a) (b) (c) Figura 5. (a) Impregnando a manta de Palha da costa com resina, (b) colocação dos calços metálicos e (c) completando a impregnação da manta com resina. 1831

6 (a) (b) (c) Figura 6. (a) Detalhamento do esquema de laminação do compósito, (b) manta já impregnada e espaçadores metálicos dispostos entre as placas para a prensagem na (c) prensa hidráulica. Os corpos de prova foram cortados em uma serra circular de bancada nas dimensões regidas pela norma ASTM A Figura 7 mostra a geometria e as dimensões dos corpos de prova. Figura 7. Geometria e dimensões dos corpos de prova conforme ASTM Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal da marca Kratos, com célula de carga de 5 kn e velocidade de ensaio de 2 mm/min. RESULTADOS E DISCUSSÕES Fabricação dos pré-pregs As mantas de 10, 25 e 50 mm foram fabricadas com o mesmo processo. Duas camadas de fibra intercaladas com uma pulverização. Outra ação que 1832

7 contribuiu com a melhora do pré-preg foi a redução do tempo em cura na prensa e a antecipação do pós cura. As fibras de palha da costa são pouco maleáveis e possuem grande dificuldade de conformação, dificultando a acomodação entre si e uma manta pouco espessa. Sua superfície lisa e pouco porosa, permite pouca interação com a matriz facilitando o escorregamento entre fibras na fase pré-preg. Na Figura 8 é mostrado o pré-preg de 25 mm fabricado. Figura 8. Manta pré-impregnada de fibra de palha da costa de 25 mm. Fabricação dos compósitos A fabricação dos compósitos pelo processo manual e cura em prensa e pós cura em estufa a 40 C se mostrou satisfatório para os resultados esperados. Uma maior fração de fibra seria adequado, mas a superfície de palha da costa é demasiada lisa, provocando o afastamento entre as mesmas por escorregamento, gerando pontos de ausência de fibra no compósito. A Tabela 3 mostra a fração mássica e volumétrica de fibra e matriz dos compósitos de 10, 25 e 50 mm. Tabela 3. Fração mássica de fibra de palha da costa e matriz dos compósitos. Comprimento do Reforço Fração Mássica de Fibra (%) Fração Mássica da Matriz Poliéster (%) 10 mm 6,9 98,1 25 mm 7,33 92,67 50 mm 7,24 92,76 Corpos de prova Os corpos de prova cortados dos compósitos produzidos foram preparados atendendo à norma ASTM Um cuidado especial foi dado ao processo de colagem do tab de Eucatex para evitar escorregamento durante o ensaio de tração. A Figura 9 mostra uma série de corpos de prova prontos para ensaio. 1833

8 Figura 9. Corpos de prova já cortados e preparados para ensaio de tração. Resultados dos ensaios de tração Os corpos de prova dos compósitos de matriz poliéster reforçada por manta pré-impregnada de palha da costa nos tamanhos de 10, 25 e 50 mm, apresentaram as médias das propriedades mecânicas mostradas na Tabela 4. Tabela 4. Propriedades do compósito de poliéster reforçado por manta préimpregnada de fibras de palha da costa de 10, 25 e 50 mm. Tensão Deformação na na Carga E Comprimento Carga Máxima (N) Carga Máxima Máxima (GPa) do Reforço (%) (MPa) 10mm 422,27 ± 50,13 7,9 ± 0,79 0,78 ± 0,06 1,01 ± 0,06 25mm 579,18 ± 124,82 8 ± 2,02 0,9 ± 0,06 0,89 ± 0,19 50mm 456,51 ± 113,72 7,4 ± 1,35 0,79 ± 0,14 0,94 ± 0,10 De acordo com a Tabela 4, o compósito reforçado por manta pré-impregnada por a fibra de palha da costa de 10 mm em comparação aos de outros comprimentos, apresentou, estatisticamente, desempenho melhor para resistência mecânica, isto é, suportou maior tensão na carga máxima antes da fratura. Somado a isso, não foi observado aumento das propriedades com o aumento do comprimento de fibra, uma vez que o maior módulo foi do compósito reforçado por palha da costa de 10 mm, 1,01 GPa; seguido da de 50 mm, com 0,94 GPa e o compósito com fibra de palha da costa de 25 mm teve o menor módulo elástico, a ordem de 0,89 GPa. Este comportamento é mostrado pela inclinação da curva característica do gráfico de tensão x deformação, as quais são representadas na Figura

9 9 10mm 25mm 50mm 6 Tensão (MPa) 3 0 0,0 0,5 1,0 1,5 Deformação (%) Figura 10. Curvas características de comparativo de tensão x deformação dos compósitos reforçados por fibras de palha da costa de 10, 25 e 50 mm. Os compósitos reforçados por mantas de fibras de palha da costa nos comprimento de 10 e 50 mm possuem o maior módulo elástico e com isso apresentam maior rigidez. No entanto, quando submetidos ao esforço de tração, ainda que absorvam maior energia antes da sua fratura, apresentam pouca deformação, da ordem de 0,79%, em comparação ao compósito reforçado por fibras no tamanho de 25 mm, o qual tem deformação de cerca de 0,9%. Aspectos da fratura Na Figura 11 são apresentados os corpos de prova mais representativos dos compósitos ensaiados. (a) (b) (c) Figura 11. (a) Corpos de prova de 10 mm, (b) 25 mm e (c) 50 mm após ensaio. Observa-se que estes fraturaram no comprimento útil. Na Figura 12 é mostrado o detalhamento da morfologia da fratura de cada um destes. 1835

10 Fibras arrancadas Fibra transversal definindo a fratura (a) (b) (c) Figura 12. Amostras de 10 mm (a), 25 mm (b) e 50 mm (c) fraturadas. Embora o compósito com reforços de 25 mm tenha a maior fração de fibra, houve neste material, a ocorrência de vazios com falta de reforço de fibra mais frequente neste compósito que nos de 10 e 50 mm, indicando uma desfavorável variabilidade de fração de fibra para este material, e consequentemente pontos com função de fusível mecânico, contribuindo para a menor resistência mecânica deste compósito. Além disso, as características de adesão interfacial da fibra de palha da costa com a matriz poliéster se mostrou deficiente. CONCLUSÃO As características da fibra palha da costa não favoreceu a estabilidade geométrica das mantas, as fibras de maior comprimento se mostraram sensivelmente inferiores. O compósito de melhor resistência mecânica foi o reforçado com fibras de 10 mm com 0,782 GPa. A fração de fibras encontradas nos compósitos teve efeito proporcional inverso na resistência mecânica. O compósito com fibras de 10 mm promoveram uma maior rigidez, embora tenha tido a menor força na ruptura, a menor deformação anotada justifica o módulo maior. A resistência mecânica do compósito com fibras de 50 mm foi 19,42% menor enquanto o de 25 mm foi 36,31% inferior ao primeiro. O aspecto visual dos compósitos e a morfologia das fraturas indicam uma deficiente distribuição das fibras nas mantas criando regiões do compósito com falta de reforços, contribuindo para os resultados alcançados. 1836

11 REFERÊNCIAS 1. TEIXEIRA, A. M. A. J., 2007, Ponte Desmontável em Material Compósito de Fibra de Vidro. Tese de D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil. WEATHERHEAD, R. G., 1980, FRP Technology Fibre Reinforced Resin Systems, London, UK, Applied Science Publishers Ltd. 2. RODRIGUES, J. da S. Estudo da Técnica de Infusão de Resina Aplicada à Fabricação de Compósitos de Matriz Poliéster Reforçados por Fibras Naturais da Amazônia. Belém: 2014, 91 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia) Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, ASTM D3039/D3039M, 2008, American Society for Testing and Materials. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. MECHANICAL CHARACTERIZATION TRACTION OF BLADES PRODUCED FROM PRE-PREGS OF COST STRAW FIBER AND POLYESTER MATRIX ABSTRACT The objective of this work is the development of polymeric composite material made from pre-pregs of natural straw fibers in the lengths of 10, 25 and 50 mm. The process methodology was done by manufacturing pre-impregnated resin spray diluted in styrene for further manual pre-preg lamination, followed by molding. Traction tests were performed in the ASTM D3039 standards and the results showed the influence of the fiber length on the mechanical properties of the composite. A análise fractográfica realizada evidenciou as falhas presentes nas superfícies fraturadas. Key-words: Natural fibers, Mechanical characterization, Polymer composites. 1837