LAMINADOS DE MATRIZ POLIÉSTER PRODUZIDOS A PARTIR DE MANTAS COM FIBRAS DE JUTA E SISAL DE DIFERENTES COMPRIMENTOS

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1 LAMINADOS DE MATRIZ POLIÉSTER PRODUZIDOS A PARTIR DE MANTAS COM FIBRAS DE JUTA E SISAL DE DIFERENTES COMPRIMENTOS I. S. da Silva (1) ; A. I. Pereira (1) ; I. S. Gomes (1) ; D. S. Silva (1) ; R. M. Dias (1) ; G. O. Miranda (1) ; V. S. Reis (1) ; C. T. N. M. Branco (1) ; T. O. S. Rocha (1) ; J. S. Andrade (1) ; F. X. da Silva Lima (1) ; R. T. Fujiyama (1) Universidade Federal do Pará UFPA ingridsaraiva28@hotmail.com RESUMO Os laminados poliméricos que usam fibras vegetais como reforço tem possibilitado a substituição dos materiais que usam fibras sintéticas, devido serem biodegradáveis e provenientes de fontes renováveis, bem como possuírem boas propriedades mecânicas. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver laminados de matriz poliéster fabricados a partir de mantas de fibras naturais de juta nos comprimentos de 10, 25 e 50 mm e sisal de 10, 25 e 50 mm. A fabricação das mantas se deu por aspersão de resina diluída em estireno sobre as fibras. Após a laminação hand-lay up, fez-se moldagem por compressão a frio. Os ensaios de tração foram realizados de acordo com a norma ASTM D3039 e os resultados evidenciam a influência do comprimento das fibras nas propriedades mecânicas de cada laminado. Além disso, através de recursos microscópicos, foram avaliados os aspectos das falhas presentes nas superfícies dos materiais. Palavras-chave: Materiais compósitos, caracterização mecânica, fibras vegetais, sustentabilidade. 1850

2 INTRODUÇÃO A busca por materiais biodegradáveis é um reflexo da crescente preocupação da sociedade em relação ao meio ambiente, e os compósitos poliméricos reforçados por fibras naturais tem se apresentado como uma solução (1). A utilização e desenvolvimento de compósitos que utilizam reforços de origem natural para aplicações estruturais e semiestruturais tem se encaixado na nova visão de desenvolvimento sustentável, uma vez que os mesmos proporcionam a sustentabilidade na produção e trazem benefícios econômicos, sociais e ambientais (2). Neste contexto, os materiais compósitos reforçados por fibras vegetais têm sido largamente estudadas, no sentido de sua grande aplicabilidade, podendo substituir outros materiais em diversos ramos, como na construção civil, servindo de revestimento de piso e paredes, por exemplo (3). As propriedades dos compósitos, a exemplos das mostradas na Tabela 1, estão diretamente associadas às propriedades dos seus elementos constituintes, isto é, da fase contínua (matriz) e da fase dispersa (reforço), bem como das frações volumétricas, interface e adesão reforço/matriz, disposição das camadas e orientação, geometria do filamento, como forma e tamanho (4). (5) (6) (7) (8) (8) (9) Tabela 1. Resistência à tração de compósitos de matriz poliéster reforçados por fibras vegetais. Fração Tipo de Material Resistência a Tração Mássica Compósito (MPa) (FM %) Poliéster e fibras de piaçava - 15 mm 16,30 19,56 Poliéster e fibras de carnaúba - 10 e 15 mm 5,75 e 5,28 11,87 e 15,75 Poliéster com fibras de palha da costa - 15 mm 9,98 16,48 Poliéster e fibras de bambu basal - 5 a 15 5,41 14,20 (± 1,30) mm Poliéster e fibras de 5,41 22,83 (± 0,54) sisal - 5 a 15 mm Poliéster e fibras de juta 10mm e 15mm 9,56 e 7,77 21,30 (±2,90) e 30,57 (±3,49) 1851

3 As fibras vegetais, como a piaçava, carnaúna, palha da costa, bambu basal, sisal e juta, despertam atenção devido possuírem muitas vantagens, não só por advirem de fontes renováveis, mas também por sua baixa massa específica, propriedades mecânicas, a exemplo da resistência à tração, que as torna boas alternativas em substituição às de fibras sintéticas em muitas aplicações (10). Diante destas vantagens apresentadas pelas fibras vegetais, o presente estudo propôs-se a desenvolver um método de fabricação simples e de baixo custo para produzir um material compósito reforçado por mantas de fibras de juta e sisal nos tamanhos de 10, 25 e 50 mm, de modo a avaliar as suas propriedades mecânicas a partir de ensaio de tração em conformidade com a norma ASTM D3039 (11). MATERIAIS E MÉTODOS Materiais A resina utilizada foi de poliéster cristal insaturada teraftálica, agente iniciador de cura foi peróxido de metil-etil-cetona (MEKP) e o monômero de estireno como diluidor da resina. Estes foram fabricados pela CENTERGLASS RESINAS & FIBRAS DE VIDRO e são apresentados na Figura 1. a) b) c) Figura 1. (a) Resina poliéster, (b) agente de cura e (c) monômero de estireno. A fibra de juta foi adquirida in natura, na forma de tecido, como mostrado na Figura 2(a), no comércio de Belém, Ver-O-Peso. A fibra de sisal foi obtida sem tratamento químico, na forma de barbante, conforme Figura 2(b), no comércio de Belém. 1852

4 Métodos As fibras de juta foram obtidas na forma de tecido e separadas fio a fio, enquanto que as de sisal na forma de barbante, ambas foram cortadas manualmente com tesoura nos tamanhos de 10, 25 e 50 mm, com auxílio do gabarito mostrado na Figura 2(c). (a) (b) (c) Figura 2. (a) Tecido de Juta, (b) barbante de sisal e (c) Gabaritos com os tamanhos de 10, 25 e 50 mm. A fabricação das mantas deu-se pelo processo de pulverização e devido a alta viscosidade da resina, acrescentou-se monômero de estireno no intuito de diluí-la a ponto de ser utilizada no borrifador. Neste sentido, sobre um suporte de acrílico com cera desmoldante as fibras de sisal no comprimento de 10 mm foram distribuídas com auxílio de uma peneira de granulometria de 5 mm, tal como representada na Figura 3(a). Em seguida pulverizadas com as medidas de: 63,5 g de resina; 0,4 g de agente de cura e 55 g de monômero de estireno. Sendo assim, a manta ficou em processo de cura ao ar livre por 1 h. O procedimento para a fabricação da manta de sisal de 25 mm foi semelhante ao da manta de sisal de 10 mm, enquanto que as fibras de sisal de 50 mm foram distribuídas manualmente. A confecção das mantas de juta de 10, 25 e 50 mm deu-se pela distribuição das fibras e conformação entre dois suportes retangulares, seguido de imersão em água, como mostrado na Figura 3(b). A manta foi então transferida para o suporte análogo ao citado no procedimento anterior. Posteriormente, levada à estufa visando retirar a umidade, possibilitando assim a pulverização. Igualmente, todas as mantas completaram o processo de cura na estufa. 1853

5 (a) (b) Figura 3. (a) Peneira utilizada na distribuição das fibras e (b) fibras de juta de 50 mm sendo conformadas em água Para a laminação utilizaram-se dois apoios de madeira cobertos com película transparente para cada manta. Dessa forma, a resina foi aplicada em dois momentos: sobre a película, no qual a manta foi posicionada, e sobre a própria manta, respectivamente. O processo de laminação se deu pelo handlay up, evidenciado na Figura 4(a). Após o processo de cura, cinco corpos de prova (CPs), advieram de cada manta cortada de acordo com a norma ASTM D3039 a fim de serem ensaiados mecanicamente. Diante disso, devido ao pouco atrito entre corpo de prova e máquina para realização do ensaio mecânico, foi preciso fazer a colagem de tabs nos CPs, como apresentados na Figura 4(b). A etapa seguinte a essa foi o ensaio de tração nas amostras, em máquina de ensaio universal KRATOS, com célula de carga de 5kN e velocidade de ensaio de 2 mm/min. (a) (b) Figura 4. (a) Laminação por hand-lay up e (b) Corpos de prova de juta com tabs em suas extremidades. RESULTADOS E DISCUSSÕES Propriedades mecânicas dos compósitos As propriedades mecânicas dos compósitos reforçados por mantas de fios de juta de 10, 25 e 50 mm estão representadas na Tabela

6 Tabela 2. Propriedades mecânicas dos compósitos reforçados por fios de juta Reforço Fração mássica de fios de juta (%) Carga Máxima (N) Tensão na Carga Máxima (MPa) Deformação na Carga Máxima (%) E (GPa) Juta 10 mm 20,96 600,18 13,36 1,83 0,778 Juta 25 mm 21, ,82 13,44 2,69 0,572 Juta 50 mm 24,23 767,87 13,98 2,52 0,656 De acordo com a Tabela 2, o compósito reforçado por fios de juta de 10 mm apresentou tensão na carga máxima de 13,36 MPa, o de 25 mm 13,44 MPa, enquanto que o de 50 mm 13,98 MPa. Observa-se que o aumento do tamanho de fios das mantas resultou no aumento na propriedade mecânica de tensão na carga máxima, ou seja, quanto maior o tamanho do fio maior a resistência à tração. O gráfico das curvas características de Tensão x Deformação dos referidos compósitos é mostrado na Figura Juta 10mm Juta 25mm Juta 50mm Tensمo (MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Deformaçمo (%) Figura 5. Curvas características dos compósitos reforçados com fios de juta Analisando o gráfico mostrado na Figura 5, ainda que o compósito de juta de 50 mm apresente maior valor de tensão, a deformação do compósito de juta de 25 mm é superior em comparação a este e ao de juta de 10 mm. A menor deformação do compósito de juta de 10 mm implica que este absorva maior energia e consequentemente, tal como mostra a inclinação da 1855

7 curva na Figura 5, apresente elevado módulo de elasticidade, em comparação aos demais, o qual é da ordem de 778,01 MPa. As propriedades mecânicas dos compósitos reforçados por mantas de fibra de sisal de 10, 25 e 50 mm estão representadas na Tabela 3. Tabela 3. Propriedades mecânicas dos compósitos reforçados por fibras de sisal Fração Tensão na Deformação na mássica de Carga Máxima Reforço Carga Máxima Carga Máxima fios de juta (N) (MPa) (%) (%) E (GPa) Sisal10 mm 18,88 450,13 8,64 2,21 0,414 Sisal 25 mm 13,99 435,42 9,89 1,9 0,599 Sisal 50 mm 12,45 894,38 13,65 1,93 0,751 De acordo com a Tabela 3, o compósito reforçado por fibras de sisal de 10 mm teve tensão na carga máxima da ordem de 8,64 MPa, o de 25 mm 9,89 MPa, já o de 50 mm 13,65 MPa. Assim como para os compósitos reforçados por mantas de fios de juta, o aumento do tamanho de fibras de sisal causou elevação na propriedade mecânica de tensão na carga máxima. Esta elevação de propriedade ocorreu não só na tensão, mas também no módulo de elasticidade, que pode ser observado pela inclinação das curvas características, mostradas na Figura Sisal 10mm Sisal 25mm Sisal 50mm 10 Tensمo(MPa) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Deformaçمo (%) Figura 6. Curvas características dos compósitos reforçados por fibras de sisal. 1856

8 Para o compósito reforçado por manta de fibra de sisal de 10 mm, o módulo foi de 0,414 GPa, para o de 25 mm 0,599 GPa, enquanto que para o de 50 mm, foi de 0,751 GPa. Observa-se, porém, que devido ao aumento da rigidez dos materiais, a deformação tendeu a diminuir. Comparando-se os resultados das propriedades mecânicas dos compósitos reforçados por mantas de juta e sisal, representados nas Tabelas 2 e 3, respectivamente, com os resultados de trabalhos encontrados na literatura, mostrados na Tabela 1, ainda que o aumento do tamanho da fibra e da fração mássica leve a um aumento considerável da tensão na carga máxima dos materiais, os compósitos deste trabalho possuem a propriedade de tensão na carga máxima em média 20% inferior comparada a dos autores (2), (4) e (3); exceto em comparação ao autor (3), que é cerca de 16% superior. Aspectos da fratura O aspecto da fratura do compósito reforçado por manta de fios de juta de 10 mm é mostrado na Figura 7. Figura 7. Aspecto da fratura do compósito reforçado por manta de fios de juta de 10 mm. As setas vermelhas na Figura 7 indicam que houve a fratura dos fios de juta, a qual evidencia boa adesão destes com a matriz. Há também a presença de vazios, indicados pelas setas tracejadas, possivelmente causados por defeitos de fabricação, levando à resistência à tração inferior se comparados aos compósitos reforçados por mantas de fios de juta de 25 e 50 mm. A Figura 8 indica o aspecto da fratura do compósito reforçado por manta de fios de juta de 25 mm. Figura 8. Aspecto da fratura do compósito reforçado por manta de fios de juta de 25 mm. 1857

9 Nesta imagem (Figura 8), observam-se fibras expostas, mostradas pela seta tracejada, que evidenciam o mecanismo de fratura denominado pull-out, caracterizado pela falta de aderência entre matriz e fibra. Enquanto que o aspecto da fratura do compósito reforçado por manta de fios de juta de 50 mm, indicado na Figura 9, demonstra presença em excesso de fibras expostas, indicadas pelas setas, possivelmente por não haver molhabilidade no fio, devido à baixa proporção de resina. Figura 9. Aspecto da fratura do compósito reforçado por manta de fios de juta de 50 mm. As Figuras 10, 11 e 12 indicam os aspectos da fratura dos compósitos reforçados por mantas de fibras de sisal de 10, 25 e 50 mm. Figura 10. Aspecto da fratura do compósito reforçado por fibra de sisal de 10 mm Figura 11. Aspecto da fratura do compósito reforçado por fibra de sisal de 25 mm. Tal como indicam as setas não houve fratura completa das fibras de sisal de tamanho 10 e 25 mm, somente da matriz. Isto aponta baixa aderência da fibra com a resina poliéster e ainda há presença de vazios advindos de falhas na fabricação. 1858

10 Figura 12. Aspecto da fratura do compósito reforçado por fibra de sisal de 50 mm Ao passo que para o tamanho de 50 mm houve fratura da fibra, indicada pela seta tracejada, sugerindo que a fibra absorveu os esforços recebidos pela matriz, resultando no maior valor de tensão na carga máxima. CONCLUSÃO A metodologia de fabricação das mantas mostrou-se viável, principalmente a partir do uso de peneiras, no sentido de melhorar a distribuição das fibras de sisal e conformação de juta na água. Assim, as mantas apresentaram boa conformabilidade e união facilitando o processo posterior de laminação. Os compósitos reforçados pelas mantas de fios de juta nos tamanhos de 10, 25 e 50 mm apresentaram melhores desempenhos de tração do que os feitos a partir das mantas de fibras de sisal, nos mesmos tamanhos. Isto pode estar relacionado à maior aderência com a matriz que tem a fibra de juta. Em relação aos comprimentos das fibras, foi observado que o aumento do tamanho da fibra leva ao aumento da resistência à tração na carga máxima e o comprimento de 50 mm apresenta a maior resistência, tanto para a manta de fibra de juta quanto para a fibra de sisal. De modo geral, pode-se dizer que a utilização de compósitos reforçados com fios de juta e fibra de sisal reduz os impactos ambientais em dois aspectos; primeiro porque diminui os impactos gerados pela produção das fibras sintéticas e os gastos de energia para sua síntese, e segundo porque produz um material constituído parcialmente de material orgânico, reciclável que se degrada mais rapidamente que os sintéticos, além de ter sua fonte renovável, diminuindo desta forma os impactos ambientais. 1859

11 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio financeiro da CAPES, CNPq e Pró- Reitoria de Pesquisa da UFPA. REFERÊNCIAS 1. LEÃO, M.A. Fibras de licuri: um reforço vegetal alternativo de compósitos poliméricos, Tese de M.Sc., UFRN, Natal, RN, Brasil, DHAKAL, B. A Study on The Effect of Fiber Loading and Orientation on Mechanical Behaviour of Jute Fiber Reinforced Epoxy Composites f. Thesis for (Bachelor of Technology in Mechanical Engineering) - Department of Mechanical Engineering National Institute of Technology. Rourkela, HILL, C., HUGHES, M. Natural fibre reinforced composites: opportunities and challenges, Journal of Biobased Materials and Bioenergy, vol. 4, n. 2, pp , Jun MARINUCCI, G. Materiais compósitos poliméricos: Fundamentos e tecnologia. São Paulo, Editora Artliber, p. 5. COSTA, D, S.; EL BANNA, W. R.; SANTOS, E. J. S.; LOPES, C. E. P.; LIRA JUNIOR, P. F.; FUJIYAMA, R. T. Compósito de Poliéster com Fibras de Piaçava (Attalea funifera). In: 68 Congresso da ABM Internacional, 2013, Belo Horizonte. ABM, COSTA, D, S.; EL BANNA, W. R. ; LIMA, L. S. ; ALMEIDA, L. M. ; SANTOS, E. J. S. ; LOPES, C. E. P. ; FUJIYAMA, R. T.. Compósito Polimérico reforçado por fibras de Carnauba (Copernica prunifera). In: 68 Congresso da ABM Internacional, 2013, Belo Horizonte.: ABM, BARBOSA, D. O.,Características de compósitos de fibras de palha da costa com resina poliéster. Belém, 34f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Mecânica), Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, Belém, KUWAHARA, M. COMPÓSITOS DE POLIÉSTER REFORÇADOS POR FIBRAS DE BAMBU E SISAL: Características Mecânicas E Aspectos Fractográficos Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, Belém,

12 9. COSTA, D. S.; BANNA, W. R.; SANTOS, E. J. S.; LOPES, C. E. P.; FERNANDES, E. A.; FUJIYAMA, R. T. Compósitos de fibras de juta e matriz poliéster. In: 68 ABM International Annual Congress, 2013, Belo Horizonte. Anais... Belo Horizonte, HOSSAIN, M. R. et al. Effect of Fiber Orientation on the Tensile Properties of Jute Epoxy Laminated Composite. Journal of Scientific Research, v. 5, n. 1, p , ASTM-D3039-D3039M Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials, West Conshohocken, PA, POLYESTER MATRIX LAMINATES PRODUCED USING AS REINFORCEMENT FIBER BLANKETS OF JUTE AND SISAL IN DIFFERENT LENGTHS ABSTRACT Polymeric laminates using vegetable fibers as reinforcement have made it possible to replace materials using synthetic fibers, because they are biodegradable and from renewable sources, as well as having good mechanical properties. In this context, this work aims to develop polyester matrix laminates made from natural jute yarns and sisal fiber blankets in the lengths of 10, 25 and 50 mm and 10, 25 and 50 mm. The fabrication of the blankets was done by sprinkling resin diluted in styrene on the fibers. After the hand-lay up lamination, cold compression molding was done. The tensile tests were performed according to ASTM D3039 and the results show the influence of the length of the fibers on the mechanical properties of each laminate. Beside this, using microscopic resources, the aspects of the failure present on the surfaces of the materials were analyzed. Key-words: Composite materials, mechanical characterization, plant fibers, sustainability. 1861