PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAL COMPÓSITO: UM ESTUDO DE MATERIAIS POLIÉSTERES REFORÇADOS COM FIBRAS DE SISAL

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1 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAL COMPÓSITO: UM ESTUDO DE MATERIAIS POLIÉSTERES REFORÇADOS COM FIBRAS DE SISAL J. S. Andrade (1) ; D. S. Silva (1) ; I. S. Gomes (1) ; T. O. Rocha (1) ; A. I. Pereira (1) ; I. S. da Silva (1) ; F. X. da Silva Lima (1) ; L. C. O. Pereira (1) ; M. M. Ribeiro (1) ; R. T. Fujiyama (1) (1) Universidade Federal do Pará UFPA centrointegradocaesjs@outlook.com RESUMO Este artigo visa comparar resultados da resistência à tração de compósitos por meios de fabricação diferentes; o primeiro reforçado com fibras de sisal variando de 5 a 15 mm, sendo cortadas por meio da utilização de um moinho granulador e o segundo também com fibras de sisal, porém foram usados comprimentos de 5 e 15 mm, por processo simples de moldagem manual sem pressão. Os corpos de prova foram ensaiados de acordo com a norma ASTM D 638 M e foram utilizadas frações mássicas distintas. Os resultados demonstraram que os compósitos de sisal não granulado de (5 mm 5.41%) e (15 mm 3.90%) obtiveram resistência à tração de e MPa respectivamente, e os de sisal granulado de 5 mm a 15 mm em frações mássicas de 3.90, 4.87 e 5.41%, obtiveram resultados equivalentes a 16.23, e MPa respectivamente. Foi feito também o MEV nos compósitos. Palavras chave: Fibras de sisal, fração mássica, matriz poliéster. 1938

2 INTRODUÇÃO A utilização de fibras vegetais em compósitos, a exemplo das mostradas na Tabela 1, envolve todo um processo de consciência ambiental, social e econômico por materiais renováveis e de baixo custo. Advindos de fibras naturais, como as fibras de sisal têm como principais produtos os fios biodegradáveis utilizados em artesanato, no enfardamento de forragens e cordas de várias utilidades, inclusive navais (1). Tabela 1. Resistência à tração de materiais compósitos de matriz polimérica reforçados por fibras vegetais diversas encontrados na literatura. MATERIAIS COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS VEGETAIS DIVERSAS Fração Mássica Tipo de Material Compósito (FM) e Volumétrica Resistência a Tração (MPa) (FV) (%) (2) Poliéster e fibras de piaçava - 15 FM 16,30 19,56 (3) (4) (5) (5) (5) (5) (6) mm Poliéster e fibras de carnaúba - 10 e 15 mm Poliéster com fibras de palha da costa - 15 mm Poliéster e fibras de bambu basal - 5 a 15 mm Poliéster e fibras de bambu intermediário - 5 a 15 mm Poliéster e fibras de bambu topo - 5 a 15 mm Poliéster e fibras de sisal - 5 a 15 mm Polipropileno e fibras curtas de Alfa - 30 e 40 mm FM 5,75 e 5,28 11,87 e 15,75 FM 9,98 16,48 FM 5,41 14,20 (± 1,30) FM 5,41 16,20 (±2,52) FM 5,41 16,93 (± 1,36) FM 5,41 22,83 (± 0,54) FV 30 22,46 (± 0,58) O sisal também pode ser usado na produção de estofados, pasta para indústria de celulose, produção de tequila, tapetes decorativos, remédios, biofertilizante, ração animal e adubo orgânico. As fibras naturais já estão sendo utilizadas em algumas aplicações como substitutas das fibras sintéticas, devido ao seu apelo ecológico (7). 1939

3 Além disso, o sisal é uma fibra lignocelulósica leve (1 g/cm 3 a 1,2 g/cm 3 ), atóxica, que apresenta alto módulo e resistência específica, custando aproximadamente dez vezes menos que a fibra de vidro e, ao contrário desta fibra inorgânica, causa menos danos por abrasão aos equipamentos e moldes (8). Na Tabela 2 há propriedades de materiais compósitos poliméricos reforçados por sisal. Tabela 2. Resistência à tração de materiais compósitos de matriz polimérica reforçados por fibras de sisal encontrados na literatura. MATERIAIS COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE SISAL Fração Mássica Tipo de Material (FM) e Compósito Volumétrica (FV) (%) Resistência à Tração (MPa) (9) Poliéster reforçado e fibras de sisal FM 4,87 e 23,48-10 e 15 mm 3,90 26,16 (10) Epóxi e fibras de sisal - 15 mm FM 16 21,20 (11) Epóxi e fibras de banana/ sisal de 15 mm FV (50/50) 18,66 (12) Poliéster e fibras de sisal curtas - FM 4,87 e 22,78 10 e 15 mm 3,90 27,05 (13) Poliéster e fibras de sisal - 5 mm FM 5,41 22,23 Por essas características da fibra, juntamente com a alta tenacidade, resistência à abrasão e o baixo custo para aquisição, tornam o sisal uma das mais potenciais fibras naturais a serem pesquisadas. Este trabalho faz uma análise em face das características das fibras e dos compósitos de sisal em comprimentos distintos, desenvolvendo a manipulação do conhecimento dessas propriedades para aprimorá-las e proceder à tendência de aplicação a nível industrial (14). MATERIAIS A resina poliéster usada para fabricação do material compósito foi a tereftálica insaturada e pré-acelerada na relação de 0,33% (v/v). Sendo a substância adquirida na zona comercial de Belém/PA. A Figura 1(a) mostra o poliéster usado na fabricação. As fibras naturais de sisal foram adquiridas de maneira in natura também na zona comercial da cidade de Belém/PA, sem ser submetida a processos de lavagem 1940

4 ou secagem, estando a mesma em condições viáveis para utilização. A Figura 1(b) mostra os feixes de fibras de sisal em seu estado natural. MÉTODOS Para a fabricação dos compósitos não granulados, foram seccionadas as fibras de sisal utilizando tesoura comum, em comprimentos de 5 e 15 mm. Foram retiradas 100 fibras, sem tratamento superficial, como amostras. A Figura 1(c) apresenta as fibras de sisal cortadas a serem caracterizadas e utilizadas na fabricação dos compósitos. (a) (b) (c) Figura 1. (a) Resina poliéster, (b) fibras de sisal e (c) fibras de sisal cortadas. Já para a fabricação dos compósitos granulados, foi usada a resina poliéster tereftálica insaturada e pré-acelerada, combinada com fibras de sisal de comprimentos variando entre 5 a 15 mm, cortada em um equipamento: Moinho Granulador 20 HP/5W da marca Rone e Modelo R-20. Os materiais granulados e não granulados foram submetidos ao vazamento no molde mediante mistura com a resina poliéster, passando pelo processo de cura. Na Figura 2 é possível observar este processo. (a) (b) (c) (d) Figura 2. (a) Mistura fibra/resina; (b) vazamento da mistura; (c) moldes totalmente preenchidos; (d) compósitos de sisal fabricados. 1941

5 Foram fabricados oito corpos de prova para cada fração mássica definida com as seguintes proporções: 3,90%, 4,87% e 5,41%; a fabricação foi desenvolvida utilizando moldagem manual, sem pressão ou compactação, usando resina poliéster insaturada com a proporção de agente de cura/resina de 0,33%. Os ensaios de tração nos compósitos foram realizados de acordo com a norma ASTM D 638M (15) em uma máquina de ensaio universal Kratos Cof modelo MKCA- KE com célula de carga de 5 kn, a uma velocidade de ensaio de 5 mm/min. Posteriormente aos ensaios mecânicos, foi analisada a superfície de fratura dos corpos de prova, de forma a se estudar os mecanismos de falha de cada composição fabricada. A morfologia da superfície de fratura foi analisada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A Figura 3 mostra os equipamentos de ensaios de tração dos compósitos e o moinho granulador onde foram cortadas as fibras de tamanho variando entre 5 mm a 15 mm. (a) Figura 3. (a) Equipamento para corte das fibras; (b) máquina de ensaio de tração. (b) RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização das fibras de sisal Os resultados da caracterização mecânica e física das fibras não granuladas de sisal estão demonstrados na Tabela 3. Tabela 3. Resultados da caracterização das fibras de sisal não granuladas. Material Resist. Tração Alongamento (%) Diâmetro (mm) Massa Específica Teor de Umidade 1942

6 Fibra de Sisal (MPa) (g/cm³) (%) 453,62 0,250 1,42 13,10 5,5 (± 2,02) (± 91,98) (± 0,032) (± 0,01) (± 0,5) Foram também submetidas ao processo de caracterização feito nos corpos de prova de fibras anteriores, às fibras de sisal granuladas e os resultados encontramse na Tabela 4. Material Fibra de Sisal Tabela 4. Resultados da caracterização das fibras de sisal granuladas. Resist. Massa Alongamento Diâmetro Tração Específica (%) (mm) (MPa) (g/cm³) 453,54 (± 91,98) 5,3 (± 2,02) 0,247 (± 0,032) 1,41 (± 0,01) Teor de Umidade (%) 13,08 (± 0,5) As propriedades das fibras de sisal granuladas e não granuladas se aproximaram, por virtude de dependerem da região de onde foram extraídas, como por exemplo, tipo de solo, métodos de extração (manual ou mecânica), condições climáticas e outros fatores que irão influenciar diretamente nas suas propriedades de uma maneira geral, mas principalmente na sua resistência mecânica, como ambas as fibras vieram da região amazônica, possuem, por conseguinte resultados parecidos. As fibras de sisal foram caracterizadas macro e microestrutural. A Figura 4 mostra a caracterização da microestrutura das fibras de sisal. (a) (b) (c) Figura 4. Microscopia eletrônica de varredura: (a) lumens com vazios; (b) microfibras rompidas; e (c) superfície da fibra de sisal. Na Figura 4(a) temos a fibra de sisal apresentando lumens com vazios entre as microfibrilas. A Figura 4(b) mostra a fibra de sisal com as microfibrilas rompidas após 1943

7 ensaio de tração e a Figura 4(c) ilustra a superfície da fibra de sisal com irregularidades e resíduos de lignina. Caracterização dos compósitos de sisal Foram analisados nos compósitos não granulados, a caracterização mecânica, com os respectivos comprimentos do reforço e frações mássicas, de acordo com a Tabela 5. Tabela 5. Resultados da caracterização mecânica dos compósitos de sisal não granulado. Reforço Fração Mássica do Resistência à Tração (σ) Reforço (FM) % (MPa) Sisal 5 mm 5,41 16,98 (± 1,37) Sisal 15 mm 3,90 27,05 (± 2,49) Nos compósitos granulados foi feito o mesmo processo de caracterização mecânica, de acordo com a Tabela 6. Tabela 6. Resultados da caracterização mecânica dos compósitos de sisal granulado. Reforço Resistência Tração Fração Mássica Reforço (MPa) Média (Desvio (FM) % Padrão) 5 mm a 15 mm 3,90 16,23 (± 3,64) 5 mm a 15 mm 4,87 19,64 (± 2,19) 5 mm a 15 mm 5,41 22,83 (± 0,54) Os resultados demonstraram que a resistência do compósito produzido aumentou de acordo com o tamanho da fibra, bem como a granulação diminuiu a resistência à tração, por virtude da variação dos comprimentos de fibras na matriz poliéster, não transmitindo adesão linear da fibra com a matriz. O compósito que obteve uma melhoria significativa das suas propriedades mecânicas com o aumento do comprimento da fibra, foi o compósito não granulado reforçado com fibras de 15 mm, obtendo desempenho mecânico de 38% superior ao compósito reforçado com fibras de 5 mm, e com porcentagem superior também em relação aos demais corpos de prova granulados, pois quanto maior o comprimento da fibra, menor será o número de pontas das mesmas, sendo consequentemente 1944

8 menor a possibilidade de haver nucleação de trincas no compósito, influenciando de forma positiva nas propriedades mecânicas do mesmo. Verifica-se que quando se aumenta o tamanho das fibras no compósito, tem-se a melhora do efeito de alinhamento das fibras conseguido nos mesmos. A variação desses dois parâmetros (comprimento e fração mássica das fibras) é fundamental para a determinação das melhores propriedades desejadas para os compósitos produzidos, pois podem ter sinergia nas suas propriedades. A análise microestrutural dos compósitos de sisal feita por microscopia eletrônica de varredura (MEV), para mensurar os mecanismos de falha dos compósitos granulados e não granulados, é mostrada na Figura 5. (a) (b) (c) Figura 5. Microscopia eletrônica de varredura dos compósitos: (a) fratura de compósito reforçado com fibras de sisal de 5 mm e 5,41% de fração mássica; (b) fratura de compósito reforçado com fibras de sisal de 15 mm e 3,90% de fração mássica; (c) superfície de fratura dos compósitos de poliéster reforçado com fibras de sisal variando entre 5 mm a 15 mm. Na Figura 5(a) temos o compósito com fibras de sisal de 5 mm e 5,41% de fração mássica de fibras, onde observamos pelas setas que as falhas dominantes foram o pull out (sacaram) das fibras da matriz, provando a não tão boa adesão fibra/matriz, o que prejudica suas propriedades mecânicas de tração. A Figura 5(b) mostra o compósito com fibras de sisal de 15 mm e 3,90% de fração mássica de fibras, onde se verifica pelas setas a presença de fibras rompidas, mostrando a boa ancoragem fibra/matriz. Este processo resultou no aumento da resistência mecânica dos compósitos, elevando a resistência mecânica de tração dos compósitos. 1945

9 Por fim a Figura 5(c) demonstra que o mecanismo de falha na superfície de fratura do compósito foi o arrancamento de fibras, advindo do rompimento das fibras com a matriz poliéster. Na Tabela 1 e 2 têm-se os comparativos dos trabalhos de diversos autores, os quais fabricaram material compósito polimérico reforçado por diversas fibras vegetais curtas e sisal, respectivamente, ensaiados em conformidade com a norma ASTM D638. Comparando os resultados deste trabalho com os apresentados na Tabela 1, observa-se que os compósitos reforçados com as diversas fibras obtiveram os valores de resistência à tração inferiores aos do presente trabalho. Para o caso dos resultados da Tabela 2, observa-se que os valores de resistência à tração para os compósitos reforçados com fibras de sisal granulado e não granulado deste trabalho estão de acordo com os da literatura. CONCLUSÃO Os resultados demostraram que os compósitos não granulados de 15 mm, foram os que atenderam as melhores características mecânicas de resistência à tração, demonstrando a importância do alinhamento, linearidade e tamanho da fibra na matriz poliéster. Na caracterização microestrutural dos compósitos de sisal, foram determinadas suas principais características apresentadas com relação sua resistência mecânica e a forma que ocorreu o arrancamento das fibras. Os resultados encontrados tanto da fibra como dos compósitos de sisal foram bons, se igualando ou superando aos encontrados nas literaturas pesquisadas, o motivo a qual demonstra a viabilidade destes materiais no âmbito da engenharia. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio financeiro da CAPES, CNPq e Pró-Reitoria de Pesquisa da UFPA. REFERÊNCIAS 1946

10 1. COHEN, MORRIS. Ciência e Engenharia dos Materiais: Os Materiais em Nosso Cotidiano. Disponível em: < Acesso em: 7 jun 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, MECHAKRA, H.; NOUR, A.; LECHEB, S.; CHELLIL, A. Mechanical characterizations of composite material with short Alfa fibers reinforcement. Composite Structures, n. 124, p , JOSHI, S. V.; DRZAL, L. T.; MOHANTY, A. K.; ARORA, S. Are Natural Fiber Composites Environmentally Superior to Glass fiber Reinforced Composites. Pat A, v. 35, p , COSTA, D.S; LACERDA, N.N; FUJIYAMA, R.T. Poliéster Reforçado com Fibras de Sisal. ABM. Rio de Janeiro

11 9. RODRIGUES, J. da S. Comportamento mecânico de material compósito de matriz poliéster reforçado por sistema híbrido fibras naturais e resíduos da indústria Madeireira. Belém: 2008, 91 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia: Materiais e processos de Fabricação) Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, VENKATESHWARAN, N. et al. Effect of fiber length and fiber content on mechanical properties of banana fiber/epoxy composite. Journal of Reinforced Plastics and Composites, n. 30, p , VENKATESHWARAN, N. et al. Mechanical and water absorption behaviour of banana/sisal reinforced hybrid composites. Materials & Design, n. 32, p , COSTA, D. S, Caracterização de materiais compósitos de matriz poliéster e fibras de bambu, sisal e vidro e híbridos bambu/sisal, bambu/vidro e sisal/vidro. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade de Federal do Pará, GILDO, C. C. R., Compósito poliéster reforçado por fibras de sisal: avaliação do comprimento e proporção das fibras nas propriedades mecânicas dos compósitos. Belém, 36f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Mecânica), Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, Belém, KUWAHARA, M.; BANNA, W.R; FUJIYAMA, R.T. Caracterização de Materiais Compósitos de Matriz Poliéster e Fibras de Sisal com Comprimento Híbrido de 5 a 15 mm. ABM. Belo Horizonte ASTM D , Standard Test Method for Tensile Properties of Plastic (metric), Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials,

12 MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIAL: A STUDY OF POLYESTER MATERIALS REINFORCED WITH SISAL FIBERS ABSTRACT This paper aims at comparing results of the tensile strength of composites by different manufacturing means, the first one being reinforced with sisal fibers ranging from 5 to 15 mm, being cut using a granulator mill and the second also with sisal fibers, but lengths of 5 and 15 mm were used, by simple manual molding without pressure. The specimens were tested according to ASTM D 638 M and different mass fractions were used. The results showed that non - granular (5 mm %) and (15 mm %) sisal composites obtained tensile strength of and MPa respectively, and those of granulated sisal of 5 mm to 15 mm in mass fractions of 3.90, 4.87 and 5.41%, obtained results equivalent to 16.23, and MPa respectively. The SEM was also made in the composites. Keywords: Sisal fibers, mass fraction, polyester matrix. 1949