ADRIANE SHIBATA SANTOS

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1 ADRIANE SHIBATA SANTOS ESTUDO DA VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE FIBRAS DA PUPUNHEIRA (Bactris gasepaes H. B.K) COMO ALTERNATIVA À FIBRA DE VIDRO NO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS Dissertação de mestrado apresentada como requisito parcial para obtenção de título de Mestre em Saúde e Meio Ambiente, na Universidade da Região de Joinville. Orientador: Profª. Drª. Denise Abatti K. Silva. Co-orientador: Profª. Drª. Ana Paula T. Pezzin. JOINVILLE 2007

2 2 ii Termo de Aprovação Estudo da viabilidade de aplicação de fibras da pupunheira (Bactris gasepaes H. B.K) como alternativa à fibra de vidro no desenvolvimento de produtos. por Adriane Shibata Santos Dissertação julgada para obtenção do título de Mestre em Saúde e Meio Ambiente, área de concentração Meio Ambiente e aprovada em sua forma final pelo Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville. Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva Orientadora (UNIVILLE) Profa. Dra. Ana Paula Testa Pezzin Co-orientadora (UNIVILLE) Profa. Dra. Mônica Lopes Gonçalves Coordenadora do Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente Banca Examinadora: Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva Orientadora (UNIVILLE) Profa. Dra. Ana Paula Testa Pezzin Co-orientadora (UNIVILLE) Prof. Dr. Rogério de Almeida Vieira (UNIVILLE) Profa. Dra. Elizabete Maria Saraiva Sanchez (UNICAMP) Joinville, 18 de junho de 2007.

3 A meu querido Eduardo, aos meus pais e irmãs pelo apoio, amor e compreensão nas horas ausentes... 3 iii

4 4 AGRADECIMENTOS Ao Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville e ao Programa de Qualificação Docente desta mesma instituição. À Fundação Municipal de Desenvolvimento Rural 25 de Julho pelo apoio técnico e auxílio na escolha dos materiais a serem trabalhados e propriedades parceiras. Ao seu Vigano e dona Agnes, por nos permitir por diversas vezes a invasão em sua propriedade para a coleta dos resíduos vegetais. Às empresas Busscar Ônibus S.A, principalmente divisão de Plásticos, Cray Valley de Joinville, Cicloterm Indústria e Comércio de Plástico e CCT/Udesc Joinville pelo apoio, materiais doados e serviços prestados. À orientadora, Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva pela colaboração, incentivo e acompanhamento competente. À Profa. Dra. Ana Paula T. Pezzin, pela coorientação, à Marina e ao Carlos e a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

5 5 SUMÁRIO RESUMO... 7 ABSTRACT... 8 LISTA DE FIGURAS... 9 LISTA DE TABELAS INTRODUÇÃO REVISÃO COMPÓSITOS APLICAÇÕES DE FIBRAS EM COMPÓSITOS Compósitos poliméricos com fibra de vidro Compósitos com fibras vegetais PUPUNHEIRA (BACTRIS GASEPAES H.B.K.): CULTURA E APLICAÇÃO DE RESÍDUOS ANÁLISES MORFOLÓGICAS E TÉRMICAS Análise morfológica por microscopia eletrônica de varredura (MEV) Ensaio térmico - Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG) MÉTODOS DE ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS Ensaio de resistência à tração Ensaio de resistência ao impacto DESIGN E O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Ecodesign Aumento da vida útil de um produto - o produto durável MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS MÉTODOS Extração e obtenção das fibras Tratamentos superficiais Tratamento com hidróxido de sódio Tratamento com acrilonitrila Tratamento com peróxido de hidrogênio Análise morfológica das fibras Análise térmica Obtenção dos compósitos e preparação dos corpos de prova Ensaios Mecânicos Ensaio de Tração Ensaio de Impacto Izod Método estatístico RESULTADOS E DISCUSSÃO ANÁLISE DA APLICAÇÃO DE FIBRA DE VIDRO EM COMPÓSITOS IDENTIFICAÇÃO E SELEÇÃO DAS FIBRAS VEGETAIS vi 4.3 EXTRAÇÃO E OBTENÇÃO DAS FIBRAS ANÁLISE DO EFEITO DO TRATAMENTO SUPERFICIAL NA MORFOLOGIA DAS FIBRAS Superfície da fibra sem tratamento Superfície da fibra tratada com NaOH... 77

6 Superfície da fibra com tratamento acrilonitrila Superfície da fibra com tratamento H2O2 20 V em 144 h EFEITO DOS TRATAMENTOS SUPERFICIAIS NA ESTABILIDADE TÉRMICA DAS FIBRAS Fibras sem tratamento Fibras tratadas com NaOH Fibras tratadas com C3H3N Fibras tratadas com H2O2 20 V 144 h CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ENSAIOS DE TRAÇÃO MICROGRAFIAS DAS FRATURAS ANÁLISE DOS ENSAIOS DE IMPACTO IZOD CONCLUSÃO REFERÊNCIAS

7 7 RESUMO Questões tocantes aos cuidados com o meio ambiente estão em evidência nos dias atuais, principalmente devido à escassez de recursos naturais e aos impactos causados pela ação do homem. Além disso, apesar da fibra de vidro ser muito utilizada no desenvolvimento de produtos, principalmente por suas propriedades físico-mecânicas, é um material considerado tóxico. Visando contribuir com o desenvolvimento sustentável, minimizar a exposição de trabalhadores à fibra de vidro, melhorando sua saúde e qualidade de vida e verificar a possibilidade de agregar valor a resíduos agroindustriais da extração do palmito de pupunha, cultura que está em ascensão na região de Joinville, averiguou-se a oportunidade de aplicar estes resíduos em compósitos do tipo resina poliéster/fibra vegetal. Deste modo, o presente estudo investigou a viabilidade de aplicação da fibra da folha da pupunheira como alternativa à fibra de vidro no desenvolvimento de compósitos e fez-se uma análise preliminar da aplicação desses em produtos. Para o estudo foram retiradas as fibras das folhas das palmáceas, resíduos gerados na extração do palmito. Estas fibras foram submetidas a três tratamentos químicos para que posteriormente fossem verificadas as alterações promovidas sobre a morfologia e estabilidade térmica destas fibras e seus reflexos no comportamento mecânico dos compósitos obtidos. Os tratamentos usados foram peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) 20 V, hidróxido de sódio (NaOH) 5 % v/v e acrilonitrila (C 3 H 3 N) 3 % v/v, a 144 h, 72 h e 24 h respectivamente. As fibras tratadas foram aplicadas em resina poliéster insaturada ortoftálica na proporção de 10 % m/m. Os compósitos obtidos foram submetidos aos ensaios de tração conforme norma ISO 527 e impacto, norma ASTM D-256 e o efeito dos tratamentos químicos puderam ser avaliados utilizando Teste t das amostras. As fibras tratadas com acrilonitrila registraram um ataque mais agressivo nas primeiras 24 h que aquelas tratadas com NaOH. Os resultados do ensaio de tração mostraram que os compósitos obtidos com fibras sem tratamento não têm propriedades significativamente diferentes daqueles com fibras tratadas, embora sejam evidenciadas alterações na superfície das fibras. Nos ensaios de impacto observou-se que os compósitos com fibras tratadas com H 2 O 2 apresentaram características superiores às demais, mostrando que esse tratamento permite ampliar a resistência ao impacto desse material com as fibras na proporção de 10 %. Palavras-chave: compósitos, fibras vegetais, pupunha, tratamentos químicos.

8 8 ABSTRACT Moving questions to the cares with the environment are in evidence in the current days, mainly due to scarcity of natural resources and the impacts caused for the man s action. Moreover, despite the fiberglass being a material very used in the development of products, mainly for its physical-mechanical properties, it is considered a material toxic. Aiming at to contribute with the sustainable development, to minimize the exposition of workers to the fiberglass, being improved its health and quality of life and to verify the possibility to add value to agro-industrial residues of the pejibaye palm extraction, culture that is in ascension in the region of Joinville (SC, Brazil), inquired the chance to apply these residues in composites type polyester resin/vegetal fiber. In this way, the present study investigates the viability to apply the fiber of pejibaye leaves as alternative to the fiberglass in the development of composites and makes a preliminary analysis of this application in products. For the study were used the fibers of pejibaye leaves that turn residues when the extraction of the fruit palm of pejibaye. These fibers had been submitted for three chemical treatments so that later it was verified the alteration promoted on the morphology and thermal stability of these fibers and its consequences in the mechanical behavior of the gotten composites. The used treatments had been hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) 20 V, (sodium hydroxide) NaOH 5 % v/v and acrylonitrile (C 3 H 3 N) 3 % v/v, 144 h, 72 h and 24 h respectively. The treated fibers had been applied on unsaturated orthophtalic polyester resin in the ratio of 10 % m/m. The gotten composites had been submitted to the assays of in agreement traction norm ISO 527 and impact, ASTM D-256 norm and the effect of the chemical treatment could be evaluated using Test t of the samples. The fibers dealt with C 3 H 3 N had registered a more aggressive attack in first 24 h that those treated with NaOH. The results of the traction assay had shown that the composites gotten with fibers without treatment do not have significantly different properties of those with treated fibers, even so are evidenced alterations in the surface of fibers. In the impact assays it was observed that the composites with fibers dealt with H 2 O 2 had presented superior characteristics to the others, showing that this treatment allows extending the resistance to the impact of this material with fibers in the ratio of 10 %. Keywords: composites, vegetal fibers, pejibaye, chemical treatments.

9 9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Representações esquemáticas das diversas características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar as propriedades dos compósitos: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição e (e) orientação Figura 2 Esquema de classificação para os tipos de compósitos Figura 3 Representação esquemática de compósitos reforçados com fibras: (a) contínuas e alinhadas; (b) descontínuas e alinhadas; (c) descontínuas aleatórias Figura 4 Efeito do tratamento com acrilonitrila nas propriedades de resistência à tração e módulo de elasticidade do compósito de resina/fibra de cânhamo. A= resina pura; B= compósito sem tratamento; C= compósito com tratamento de acrilonitrila Figura 5 Micrografia de superfícies rompidas por tração: (a) compósito sem tratamento; (b) compósito com tratamento de acrilonitrila (ampliação 150x) Figura 6 Micrografias da superfície de fratura do corpo de prova do compósito de resina poliéster com fibras de bagaço de cana após ruptura no teste de impacto: (a) sem tratamento; (b) com tratamento de NaOH a 10%. (ampliação 800x) Figura 7 Fibra da bananeira: (a) com tratamento em solução de NaOH 5%; (b) sem tratamento Figura 8 Fruto da pupunha Figura 9 Palmito da pupunha Figura 10 Aparador revestido com o compensado da madeira da pupunha Figura 11 Exemplo de micrografia de uma fibra da folha da pupunheira sem tratamento (ampliação 500x) Figura 12 Modos de termogravimetria: (a) TG quase-isotérmica; (b) TG dinâmica ou convencional Figura 13 Características de uma curva TG de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa Figura 14 Curvas TG (linha tracejada) e DTG (linha sólida) de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Características da curva DTG Figura 15 Representação esquemática do dispositivo de ensaio de tração uniaxial Figura 16 Designação dos parâmetros no ensaio de tração Figura 17 Representação esquemática: (a) equipamento de ensaios; (b) corpos de prova Charpy e Izod... 46

10 10 Figura 18 Roda de Deming Figura 19 Chaise long LC4 Cheval de Le Corbusier, projetada em x Figura 20 Fluxograma do processo de obtenção, limpeza, caracterização das fibras das folhas de palmito pupunha e sua aplicação em compósitos de resina poliéster/ fibra vegetal Figura 21 Plantação de Palmito de Pupunha em propriedade localizada na Estrada do Quiriri Figura 22 Resíduos fibrosos da Pupunha Figura 23 Equipamento de ensaio de tração (marca EMIC, modelo DL 10000/700) Figura 24 Aparelho de Impacto AIC da marca EMIC Figura 25 Pontos de localização de cultivo da pupunha na região de Joinville...71 Figura 26 Fibras existentes no caule secundário Figura 27 Fibras existentes nas folhas Figura 28 Fibras trituradas do resíduo do caule secundário da pupunheira Figura 29 Processo de obtenção das fibras das folhas da palmácea Figura 30 Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha sem tratamento: (a) ampliação 500x; (b) ampliação 1000x Figura 31 Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento NaOH 5%: (a) 24h; (b) 48h; (c) 72h (ampliação 500x) Figura 32 Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento acrilonitrila: (a) 24h; (b) 48h (ampliação 500x) Figura 33 Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento com H 2 O 2 20V com agitação: (a) 24h; (b) 48h; (c) 72h; (d) 96h; (e) 120h; (f) 144h (ampliação 1000x) Figura 34 Curvas de TG e DTG para as fibras fina e grossa de palmito pupunha sem tratamento Figura 35 Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha tratadas com NaOH 5% - 1) 24h, 2) 48h, 3) 72h e fibra sem tratamento Figura 36 Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha tratadas com acrilonitrila 3%: 1) 24h, 2) 48h e sem tratamento Figura 37 Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha sem tratamento e tratadas com H 2 O 2 20V 144h Figura 38 Estudos preliminares de resina/fibra vegetal variando a espessura e a percentagem de fibra: (a) 16%, (b) 12% (c) 12%, (d) 10% Figura 39 Placa de compósito resina/fibra 10% (m/m) fibra/ resina para confecção de corpos de prova para ensaios de tração Figura 40 Comparação entre os dados: (a) Resistência à tração (MPa), (b) Módulo de Young (MPa) e (c) Alongamento (%) obtidos dos ensaios de tração Figura 41 Curvas com os valores médios do Módulo de Young dos compósitos: sem tratamento; NaOH; C 3 H 3 N; H 2 O 2; FV 10% Figura 42 Micrografias das superfícies de fraturas dos corpos de prova

11 obtidas por MEV dos compósitos de resina/fibra de pupunha após o ensaio de tração: (a) C 3 H 3 N; (b) H 2 O 2 ; (c) NaOH; (d) sem tratamento (ampliação 500x) Figura 43 Comparação entre os dados obtidos nos ensaios de resistência ao impacto Izod (J/m)

12 12 LISTA DE TABELAS TABELA 1 Resultados obtidos na caracterização mecânica dos compósitos TABELA 2 Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa, determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas TABELA 3 Tabela 3 Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com NaOH TABELA 4 Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com C 3 H 3 N TABELA 5 Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com H 2 O 2 20V TABELA 6 Resultados obtidos no ensaio de tração dos compósitos TABELA 7 Resultados obtidos no ensaio de impacto... 94

13 13 1 INTRODUÇÃO A fibra de vidro é o material mais utilizado no desenvolvimento de produtos, principalmente por apresentar excelente resistência à corrosão e à umidade, retenção das propriedades mecânicas em altas temperaturas, facilidade de processamento e baixo custo. Além disso, quando usado em um compósito, permite o trabalho com formas complexas e de grande porte, tais como cascos de barcos, peças para frentes e traseiras de ônibus e caminhões, carrocerias de carros esportivos, piscinas, tubos para esgoto, etc. Porém, é bastante poluente; seus resíduos sólidos são de difícil reaproveitamento, além de ser altamente tóxico às pessoas que estão em contato direto com o produto, podendo ocasionar doenças respiratórias, entre elas o câncer de pulmão. A aplicação de fibras vegetais como substitutas da fibra de vidro em matrizes poliméricas para a confecção de compósitos vem sendo estudada principalmente porque são consideradas fontes renováveis e compreendidas como importantes para o desenvolvimento sustentável. Para este trabalho selecionou-se a fibra do palmito de pupunha entre as fibras provenientes de resíduos agroindustriais da região de Joinville (SC), tanto para criar uma alternativa de reaproveitamento desses resíduos, quanto buscar a minimização da exposição de trabalhadores à fibra de vidro, o que pode refletir na saúde e qualidade de vida desses indivíduos. Este trabalho pondera tanto questões ambientais como os reflexos sobre a saúde dos trabalhadores, evidenciando a inter-relação saúde e ambiente. Utilizar fibras vegetais, com ou sem tratamento, em substituição à fibra de vidro e caracterizar algumas propriedades desse material antes e depois de incorporá-los nas matrizes de resina poliéster permitiu evidenciar algumas

14 14 aplicações desses compósitos em produtos. A caracterização térmica das fibras e mecânica dos compósitos, bem como o perfil do produto a ser viabilizado por esses sistemas foi verificado e será apresentado neste estudo. Na seção 1 é apresentado o estado da arte, apontando o que já foi trabalhado a respeito do tema. São abordados os materiais compósitos e suas aplicações, a cultura e aplicação dos resíduos do palmito de pupunha, os métodos de análise: morfológica, térmica, das propriedades mecânicas de compósitos, além de abordar o Design e o desenvolvimento sustentável. A seção 2 descreve a metodologia e os instrumentos de pesquisa usados para o estudo, mostrando as etapas e atividades desenvolvidas. Apresenta desde a análise da aplicação da fibra de vidro em compósitos, identificação e seleção, extração e obtenção das fibras vegetais, os processos de tratamentos químicos realizados, para melhoramento das propriedades das fibras, até a obtenção dos compósitos, a confecção de corpos de prova e caracterização mecânica desse novo material. Na seção 3 são apresentados e discutidos os resultados deste estudo, seguidos pela seção 4, que aponta as conclusões.

15 15 2 REVISÃO 2.1 Compósitos A evolução tecnológica e a crescente demanda por novos produtos exige materiais altamente capacitados para a execução das aplicações propostas. O desenvolvimento de materiais compósitos surgiu da necessidade de se obter materiais que pudessem atender a algumas exigências técnicas, tais como: - Leveza e facilidade de transporte: produtos fabricados a partir de compósitos apresentam um baixo peso específico, sendo amplamente utilizados nos setores aeronáutico, naval, automobilístico e outros. - Resistência química: esta característica permite sua utilização em uma ampla gama de ambientes quimicamente agressivos, além dos aditivos especiais e resinas específicas que estão à disposição para aplicações que requeiram propriedades além das usuais. - Resistência às intempéries: umidade, vento, sol, oscilações térmicas tem baixa ação prejudicial sobre os compósitos e quando características não usuais são requeridas, aditivos como protetores de UV, agentes anti-pó, resinas especiais são amplamente utilizados. - Flexibilidade arquitetônica: moldes com formas complexas são facilmente adaptáveis aos processos em utilização. - Durabilidade: devido à sua composição e à reticulação polimérica formada durante o processo de moldagem, apresenta como característica uma alta durabilidade.

16 16 - Fácil manutenção: apresentam técnicas simples de reparo e manutenção. - Resistência mecânica: apresentam excelente resistência mecânica que possibilita a sua aplicação em peças de grande porte. Essas exigências são consideradas as principais características dos compósitos segundo a Associação Brasileira de Materiais Compósitos (ABMACO, 2007). Os compósitos são materiais criados através da combinação de dois ou mais componentes distintos, de maneira a alcançar uma melhor combinação de propriedades. Muitas tecnologias modernas requerem materiais com propriedades incomuns que não podem ser atendidas por materiais convencionais, ligas metálicas ou cerâmicas (CALLISTER, 2002). Para um material ser considerado compósito, deve atender a alguns critérios: ser composto por dois ou mais materiais insolúveis, ou seja, que mantêm sua identidade no material final, mas com formas e/ou propriedades distintas; as propriedades finais dos compósitos necessitam ser diferentes das de seus materiais constituintes, que devem estar presentes em proporções razoáveis (no mínimo 5%); e as diferentes fases devem estar separadas por uma interface de escala microscópica (AMICO, 2006). Dentre os segmentos de mercado que utilizam compósitos como matériaprima, destacam-se segundo a ABMACO (2007): - Saneamento básico: fabricação de tubos e estações de tratamento de água e efluentes. - Transporte (automotivo, ferroviário, marítimo e aéreo): o Brasil é um dos maiores fabricantes mundiais de ônibus, microônibus e vans. Este fato, aliado aos

17 17 investimentos das montadoras internacionais em nosso país e ao constante crescimento deste segmento, sinaliza um excelente potencial de desenvolvimento para a indústria de compósitos. A destacada atuação do Brasil nos setores de transporte ferroviário e aeronáutico também abre boas perspectivas para as empresas. - Químico e Petroquímico: 20% das plataformas de petróleo da Petrobrás já utilizam produtos fabricados a partir de compósitos, substituindo, por exemplo, as grades de piso em aço. - Construção Civil: o compósito já é amplamente utilizado por este segmento, principalmente na fabricação de caixas d'água, tanques, coberturas, perfis, mármore sintético, banheiras e telhas. - Eletro-eletrônico: as concessionárias de telefonia e energia elétrica já estão utilizando amplamente o compósito em suas obras de manutenção e expansão em leitos para cabos, antenas, elementos de isolação e cabines telefônicas. - Lazer: utilização de compósitos de fibra de vidro para fabricação de materiais para parques temáticos e piscinas. A maioria dos materiais compósitos é constituída por duas fases distintas: a matriz, que é contínua e envolve a outra fase, chamada de fase dispersa, normalmente mais dura, mais rígida e mais resistente que a matriz (com algumas exceções). Como as duas fases estão ligadas por uma interface, a carga aplicada ao compósito é compartilhada pela fibra e pela matriz, sendo o reforço quase sempre responsável pela maior sustentação do esforço (AMICO, 2006). As propriedades finais dos compósitos são uma função das propriedades de suas fases constituintes, de suas quantidades relativas, além da forma, tamanho,

18 18 distribuição e orientação das partículas (CALLISTER, 2002). A geometria do reforço é um dos fatores que determinam sua efetividade, pois as propriedades mecânicas dos compósitos são diretamente influenciadas por seu formato e dimensões (AMICO, 2006). Na Figura 1 são apresentadas algumas representações referentes às diversas características da fase dispersa dos compósitos. Figura 1 Representações esquemáticas das diversas características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar as propriedades dos compósitos: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição e (e) orientação. Fonte: Callister (2002). Os materiais compósitos podem ser classificados em três divisões principais: os compósitos reforçados com partículas, os reforçados com fibras e os estruturais, como se observa na Figura 2.

19 19 Figura 2 Esquema de classificação para os tipos de compósitos. Fonte: Callister (2002). Nos compósitos reforçados com partículas, a fase dispersa tem eixos iguais, sendo as dimensões das partículas aproximadamente as mesmas em todas as direções. Para os compósitos reforçados com fibras, a fase dispersa tem a geometria de uma fibra, com uma grande razão entre o comprimento e o diâmetro; já os compósitos estruturais são combinações de compósitos e materiais homogêneos (CALLISTER, 2002). 2.2 Aplicações de fibras em compósitos Os compósitos reforçados com fibras são classificados de acordo com o comprimento das mesmas. As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela matriz. Desta forma, há um comprimento crítico de fibra para que exista um aumento eficaz da

20 20 resistência, além do fortalecimento do material compósito. Este comprimento crítico (lc) vai depender do diâmetro da fibra (d) e de sua resistência final (σ*f), como também da força de ligação entre a fibra e a matriz (Τc), de acordo com a equação 1 (CALLISTER, 2002): lc= σ*f d (1) 2 Τc A orientação, concentração e distribuição das fibras também exercem influência na resistência e em outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Existem duas possibilidades de orientação: alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras e alinhamento totalmente aleatório. Normalmente, as fibras contínuas (longas) estão alinhadas e as fibras descontínuas (curtas) podem estar alinhadas ou orientadas aleatoriamente (Figura 3). A melhor combinação das propriedades dos compósitos se dá quando a distribuição das fibras é uniforme (CALLISTER, 2002). Figura 3 Representação esquemática de compósitos reforçados com fibras: (a) contínuas e alinhadas; (b) descontínuas e alinhadas; (c) descontínuas aleatórias Fonte: Callister (2002). A matriz pode ser metálica, cerâmica ou polimérica, sendo que de maneira geral, os polímeros têm baixa resistência e módulo de elasticidade, os cerâmicos

21 21 são rígidos e quebradiços e os metais têm resistência e módulos intermediários, sendo também dúcteis. Devem dar suporte e proteção à fibra, evitando falhas de superfície e suportando tensões de cisalhamento (AMICO, 2006). Da mesma forma os reforços também podem ser metálicos, cerâmicos ou poliméricos. Pode ser em partículas ou fibras, sendo que a fibra é geralmente usada e pelo menos uma das dimensões desta fibra deve ser pequena (1-500µm) (AMICO, 2006) Compósitos poliméricos com fibra de vidro Compósitos poliméricos são materiais de moldagem estrutural, compostos por uma fase contínua polimérica (matriz) reforçada por uma fase descontínua, normalmente formada por fibra de vidro, aramida ou de carbono dependendo da aplicação final. Estas duas fases agregam-se físico-quimicamente após um processo de cura (reticulação polimérica) (ABMACO, 2007). Dentre os compósitos, os que utilizam fibra de vidro são aplicados no desenvolvimento de diversos produtos, como caixas d água, piscinas, cascos de barco, etc. Segundo Mano e Mendes (1999), a fibra de vidro ou fiberglass é ainda um material comumente utilizado em alguns segmentos de mercado, devido às características como resistência a variações de temperatura e por não permitir alterações substanciais das propriedades mecânicas. É um material rígido, com resistência química e às intempéries. Devido à sua facilidade de processamento, permite a moldagem de peças pequenas ou de grandes dimensões como telhas

22 22 corrugadas, cascos de barcos, carrocerias de carros, piscinas, silos, tubos para esgoto industrial e luminárias decorativas. Os compósitos com fibra de vidro utilizam fibras contínuas ou descontínuas em uma matriz polimérica, sendo o vidro considerado um dos mais utilizados compósitos por várias razões (CALLISTER, 2002): - é facilmente estirado na forma de fibras de alta resistência a partir do seu estado fundido; - é um material amplamente disponível e pode ser fabricado economicamente para formar um plástico reforçado com vidro, empregando-se uma variedade de técnicas de fabricação de materiais compósitos; - como uma fibra, ele é relativamente forte e, quando se encontra no interior de uma matriz polimérica produz um compósito que possui resistência específica muito alta; - quando associado com diferentes polímeros, possui uma inércia química que torna o compósito útil para aplicação em meio a uma variedade de ambientes corrosivos. As resinas mais utilizadas para constituir compósitos reforçados com fibra de vidro são os poliésteres e as vinil ésteres; são também as de menor custo. Já as resinas epóxi possuem um custo mais elevado, sendo muito utilizadas em aplicações aeroespaciais, por apresentarem melhores propriedades mecânicas e melhor resistência à umidade que as demais. Para aplicações a altas temperaturas são usadas as resinas poliimidas e as termoplásticas (CALLISTER, 2002). Apesar de suas características apropriadas para o desenvolvimento de compósitos, a fibra de vidro é um material de manuseio complexo, tóxico para os que trabalham com ele. Além disso, é um material de difícil reciclabilidade, pois

23 23 exige operações adicionais de tratamento, poluindo com maior facilidade o meio ambiente. Estudos para melhorar estas condições de reciclagem vêm sendo trabalhados. No trabalho de Sánchez et. al. (2007) é feita a aplicação do processo de pirólise em materiais compósitos de poliéster insaturado/ fibra de vidro, de forma a separar a fibra e recuperar o polímero na forma de gás e líquidos. Segundo Ferreira (2004), a corrente da sustentabilidade entende que poluição é uma forma de desperdício e ineficiência dos processos produtivos pela perda de matérias-primas e insumos na fabricação de produtos. Assim, a busca da qualidade ambiental passa pela concepção do produto e do próprio processo produtivo, através de gerenciamento de resíduos, utilização de forma consciente das matérias-primas, minimização do consumo energético e dos insumos necessários ao processo. Problemas relacionados à saúde das pessoas que ficam em contato direto com a fibra de vidro também são levantados. Porém, existem controvérsias entre alguns autores. Segundo Yam (1996) a inalação da fibra de vidro expõe seus manipuladores a grandes riscos de câncer. O autor relata que estudos realizados pelo Conselho de Defesa dos Recursos Naturais (NRDC; Washington), mostram que os riscos de câncer ocasionados pela inalação da fibra de vidro são iguais ou maiores que os ocasionados por amianto. O câncer pode ocorrer nos olhos, pele ou sistema respiratório. Nos estudos feitos por Hesterberg et al. (1999) com hamesters, todos os animais expostos à fibra tiveram inflamações pulmonares e elevada perda das células pulmonares. Para os autores, tanto a fibra quanto o amianto induzem à fibrose e mesotelioma pleural. Estas descobertas apoiam a idéia do potencial tóxico da fibra de vidro. Para Baan e Grosse (2004) materiais como a fibra de vidro são potencialmente perigosos para a saúde humana por liberarem partículas que são