APLICAÇÃO DE ARGILA EM COMPÓSITOS: RESISTÊNCIA MECÂNICA E RETARDO A CHAMA

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1 APLICAÇÃO DE ARGILA EM COMPÓSITOS: RESISTÊNCIA MECÂNICA E RETARDO A CHAMA H.C. M. Coelho¹; A.C. Azevedo¹; L.F. A. Brandão¹; D.S. Costa 2 ; W.R. El Banna 3 ; D.S. Costa¹. 1 Universidade Federal do Pará - Campus Universitário de Ananindeua, FEMat, UFPA. 2 Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará - Campus Marabá, FEMMA, UNIFESSPA. 3 Universidade Federal do Pará - Campus Universitário de Tucuruí, FEM, UFPA hellenmendonca13@gmail.com RESUMO Este artigo, tem como objetivo aplicação de argila em compósitos para caracterização mecânica de tração e flexão, ensaios físicos e retardo à chama. As proporções de argila utilizadas nos compósitos foram de 0 %, 10 % e 20 % em massa. A matriz polimérica de resina poliéster isoftálica em combinação com catalisador e cobalto nas proporções de 1 % e 1,5 % em volume, respectivamente. O método de fabricação utilizado foi "handlayup". Os compósitos foram caracterizados por ensaios de tração (ASTM 3039) e flexão (ASTM 790). A flamabilidade dos compósitos foram realizadas segundo a norma ASTM 635, as caracterizações físicas realizaram-se conforme a NBR Os resultados mecânicos mostraram um aumento da tração e uma estabilidade da flexão para todos os compósitos. As características físicas foram influenciadas pelas proporções de argila nos compósitos. Todos os compósitos apresentaram características importantes em relação a flamabilidade, tendo bons desempenhos no retardo a chama. Palavras-chave: Fibras Naturais, Resistência Mecânica, Compósitos. 2301

2 INTRODUÇÃO Materiais compósitos são formados pela união de duas ou mais fases (reforço e matriz) que possuem propriedades diferentes. Tanto o reforço quanto a matriz mantêm suas características físicas e químicas originais, mas quando unidos exibem uma combinação de propriedades mecânicas que não podem ser adquiridas por nenhum dos componentes atuando isolados, devido à presença de uma interface entre os dois. Entende-se aqui que a interface é uma superfície formada por uma fronteira comum entre o reforço e a matriz, que se encontram em contato, e que permite a transferência de carga entre tais componentes. Materiais compósitos possuem características exclusivas que não são encontradas por nenhum dos componentes que o constituem (1). Desde as últimas décadas, os polímeros se destacaram significativamente e substituíram muitos materiais convencionais em diversas aplicações. Com os materiais compósitos não foi diferente. Matrizes poliméricas são as mais empregadas, graças às vantagens que os polímeros oferecem em relação aos materiais convencionais, como as facilidades de processamento, produção e redução de custo. Na maioria das aplicações, as propriedades dos polímeros são modificadas usando fibras e materiais particulados, para adequá-las aos requisitos solicitados pelo mercado (2). A argila por apresentar baixo custo (tanto no processamento, quanto na matéria-prima), um processo de preparação simples, uma redução à susceptibilidade a água, um aumento das propriedades mecânicas, ser biodegradável e biocompatível, torna-se um excelente componente às resinas (3). O objetivo deste presente trabalho é fabricar e avaliar as propriedades mecânicas, flamabilidade e físicas dos compósitos com aplicação de argila afim de se obter um material com boas propriedades, baixo custo e de baixo impacto para o meio ambiente. 2302

3 MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Para a fabricação dos compósitos foram utilizados os seguintes materiais: Resina poliéster isoftálica AM-910; Catalisador MEK-P; Acelerador de octoato de cobalto; Desmoldante; Molde inoxidável para a fabricação das placas; Prensa hidráulica; Argila proveniente das encostas do Rio Guamá do Campus da Universidade Federal do Pará em Belém e argila dos artesões locais do distrito de Icoaraci (região metropolitana de Belém). Fabricação dos compósitos Inicialmente, as argilas foram colocadas na estufa por 24 horas com a finalidade de remover a umidade. Depois de secas, foram cominuidas (separadamente) no moinho de bolas e filtradas em peneira de 100 mesh para ter a granulometria necessária para adicionar ao compósito. O desmoldante atuou sendo aplicado no molde até formar uma camada de proteção para que o compósito, já adicionado e homogeneizado à resina uma proporção de 1,5 % de acelerador e 1 % de catalisador e com as proporções de 0 %, 10 % e 20 % das argilas do distrito de Icoaraci e do Rio Guamá, despejado no molde para atingir o ponto de gelificação e ser destinado até a prensa hidráulica com uma carga de 2,5 toneladas, e por fim o tempo de cura do material de 24 horas. Preparo dos corpos de prova Os compósitos foram cortados nas dimensões de acordo com as normas ASTM D3039 (4) e ASTM D790 (5) para ensaios de tração e flexão, respectivamente. Para os ensaios físicos, a norma NBR (6). 2303

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Ensaios de Tração Pode-se notar na Tabela 1 os resultados obtidos neste ensaio. Os compósitos com adição de argilas tanto do rio Guamá como no distrito de Icoaraci demonstram aumento da resistência de tração em todas as suas proporções, nesse caso, a argila atuou como reforço dentro da matriz polimérica. Na argila de Icoaraci com composição de 20 % é maior tensão de resistência em relação a resina plena que se pode notar, com um aumento de 148 % pode-se dizer que ocorreu uma boa interação entre os constituintes do compósito, pois o particulado de argila pode ter contribuído na compactação, melhor homogeneização e acabamento no compósito. Tabela 1: Tensão Máxima de Tração (MPa). COMPOSIÇÃO RESINA PLENA ARGILA ICOARACI 10% ARGILA ICOARACI 20% ARGILA GUAMÁ 10% ARGILA GUAMÁ 20% TENSÃO DE RESISTÊNCIA (MPa) 8,65 ± 0,67 17,30 ± 3,62 21,50 ± 5,11 16,24 ± 1,43 18,94 ± 3,32 Ensaios de Flexão Observando-se os ensaios de flexão expostos na Tabela 2, em relação a resistência a flexão dos compósitos com argilas das regiões de Belém e Icoaraci, apresentaram semelhanças em relação a matriz plena, as características granulométricas das argilas, como tamanho, forma e distribuição das partículas dentro da matriz, são eventos que podem ter contribuído para esses resultados. É possível notar um aumento de 16 % na resistência em relação a resina com a argila do Guamá com composição de 20 %. Na composição de 20 % da argila de Icoaraci também é notório um pequeno aumento de 6 %. Nas demais composições houve uma certa estabilidade da flexão em relação a matriz plena, onde a argila pode ter atuado como carga de enchimento do material e não como reforço. 2304

5 Tabela 2: Tensão Máxima de Flexão (MPa). COMPOSIÇÃO RESINA PLENA ARGILA ICOARACI 10% ARGILA ICOARACI 20% ARGILA GUAMÁ 10% ARGILA GUAMÁ 20% TENSÃO DE RESISTÊNCIA (MPa) 63,05 ± 9,09 60,25 ± 7,05 66,92 ± 5,80 60,49 ± 2,83 73,57 ± 12,20 Flamabilidade Diversos produtos estão sendo desenvolvidos para reduzir a probabilidade de combustão em produtos poliméricos, assim como também, tem a finalidade de diminuir a velocidade de propagação das chamas. O ensaio de flamabilidade UL 94 horizontal (UL 94HB) tem o objetivo de determinar a taxa de queima linear, em milímetros por minuto, para cada corpo de prova. É utilizado com o objetivo de classificar como UL 94HB o material polimérico através da velocidade de queima do material. Neste ensaio de acordo com a Tabela 3 nota-se que a inserção das argilas não impactou positivamente na taxa de queima, porém quando os compósitos são comparados em relação as recomendações da norma ASTM 635 (7) de taxa de queima que de 40 mm/min, apresentam características de retardo chama atrativas, ficando em torno de 50 % menor que o recomendado. Tabela 3: Ensaio de Resistência a Chama. COMPOSIÇÃO RESINA PLENA ARGILA ICOARACI 10% ARGILA ICOARACI 20% ARGILA GUAMÁ 10% ARGILA GUAMÁ 20% TAXA DE QUEIMA (mm/min) 17,42 21,08 24,60 22,06 20,

6 Ensaios Físicos A Tabela 4 mostra os resultados de massa específica aparente (MEA). Nos resultados de massa específica aparente mostra um pequeno aumento em relação a matriz plena, em cerca de 4 %, nas composições de argila. E os resultados foram próximos tanto para resina quanto para as composições, ou seja, não houve alterações consideráveis com a adição das argilas nos compósitos. O ensaio de porosidade aparente utiliza-se para mostrar a porcentagem dos poros abertos presentes no material, visto que quanto menos poros, maior a resistência. Neste caso, pode-se inferir que a argila do Guamá com composição de 20 % apresenta menos poros abertos. É possível observar, para a resina plena, a absorção de água foi quase inexistente devido ao seu aspecto hidrofóbico. Tabela 4: Massa específica aparente; Porosidade aparente e Absorção de água. COMPOSIÇÃO MEA (g/cm³) PA % AA % RESINA PLENA 1,19 0,49 0,41 ARGILA ICOARACI 10% 1,21 4,37 3,96 ARGILA ICOARACI 20% 1,32 1,79 1,35 ARGILA GUAMÁ 10% 1,24 2,84 2,34 ARGILA GUAMÁ 20% 1,32 1,72 1,

7 CONCLUSÃO Foram possíveis fabricar compósitos com adição de argila com boas aparências, acabamentos e poucos defeitos, demonstrando sua viabilidade técnica. Em relação aos ensaios mecânicos de tração, todos os compósitos com adição de argila apresentaram aumento de resistência à tração em relação a matriz plena. Para os ensaios mecânicos de flexão, os compósitos apresentaram umas semelhanças da resistência à flexão quando comparados com a matriz plena. Em relação as características de flamabilidade dos compósitos com argila, houve uma eficiência da capacidade de retardo à chama para todos os compósitos analisados quando comparados em relação as recomendações das normas. As características físicas dos compósitos com argila seguiram a tendência de aumentar de acordo com as proporções de argila dentro da matriz de todas as propriedades físicas analisadas. Os compósitos fabricados e caracterizados neste trabalho alcançaram seus objetivos de maneira satisfatória, no que tange sua viabilidade de fabricação, características mecânicas satisfatórias, físicas esperadas e uma de suas características importantes de retardo à chama para todos os compósitos de argila. Além de disponibilizar um material compósito de baixo custo e impacto ambiental. AGRADECIMENTOS A Universidade Federal do Pará e ao Laboratório de Engenharia Química. 2307

8 REFERÊNCIAS (1) KIM, J.K., MAI, Y.W., 1998, Engineered Interfaces in Fiber Reinforced Composites, 1 ed., Amsterdã, Elsevier Science. (2) SAHEB. D.N., JOG, J.P., 1999, Natural Fiber Polymer Composites: A Review, Advances in Polymer Technology, v. 18, n. 4, pp (3) CAMPOS, L. M. P. Estudo da aplicação de argilas nanoestruturadas em resinas restauradoras fotoativadas, utilizadas em odontologia Tese Universidade de São Paulo, São Paulo, (4) ASTM D Standart Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, (5) ASTM D 790. Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, (6) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT) NBR Determinação da massa específica aparente, porosidade aparente, absorção d água aparente p. (7) ASTM D 635. Rate of Burning and/or Extent and Time of Burning of Plastics in a Horizontal Position, Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials,

9 APPLICATION OF CLAY IN COMPOSITES: MECHANICAL RESISTANCE AND FLAME DELAY ABSTRACT This article aims to apply clay in composites for mechanical characterization of traction and bending, physical tests and flame retardancy. The clay proportions used in the composites were 0%, 10% and 20% by mass. The polymer matrix of isophthalic polyester resin in combination with catalyst and cobalt in proportions of 1% and 1.5% by volume, respectively. The manufacturing method used was "hand lay up". The composites were characterized by tensile tests (ASTM 3039) and flexure (ASTM 790). The composite flammability was performed according to ASTM 635, the physical characterizations were carried out according to NBR The mechanical results showed an increase of the tension and a flexural stability for all the composites. The physical characteristics were influenced by the proportions of clay in the composites. All the composites presented important characteristics in relation to the flammability, having good performances in flame retardancy. Keywords: Natural Fibers, Mechanical Strength, Composites. 2309