INFLUÊNCIA DO COMPRIMENTO DAS FIBRAS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DE COMPÓSITOS DE POLIESTIRENO E FIBRAS DE SISAL

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1 INFLUÊNCIA DO COMPRIMENTO DAS FIBRAS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DE COMPÓSITOS DE POLIESTIRENO E FIBRAS DE SISAL Matheus Poletto 1a*, Juliane Dettenborn 1, Eduardo Dall Agnol 1, Mara Zeni 1, Ademir J. Zattera 1b 1 Universidade de Caxias do Sul Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Grupo de Polímeros - Caxias do Sul-RS a* mpolett1@ucs.br / b ajzatter@ucs.br As propriedades mecânicas e térmicas de compósitos de poliestireno e fibras de sisal foram avaliadas através de ensaios mecânicos e termogravimetria. Os compósitos foram desenvolvidos utilizando fibras longas e fibras curtas. Os compósitos foram processados em extrusora mono rosca. A adição de fibras de sisal desloca o início da perda de massa dos compósitos para temperaturas próximas a 200ºC. Os resultados obtidos demonstram que as propriedades mecânicas estudadas aumentam com o teor e o comprimento das fibras de sisal. Os compósitos reforçados por fibras longas apresentaram resistência a tração e resistência ao impacto superiores quando comparados aos compósitos desenvolvidos com fibras curtas. Palavras-chave: Compósitos; Poliestireno, Fibras de sisal, Propriedades mecânicas; Comprimento das fibras. Influence of fiber length on mechanical and thermal properties of polystyrene sisal fiber composites Mechanical and thermal properties of polystyrene sisal fibers composites were evaluated through mechanical tests and thermogravimetry analysis. The composites were developed using long fibers and short fibers. Composites were processed in single screw extruder. Addition of sisal fibers moves the initial mass loss of the composite to temperatures near 200 C. The results show that the mechanical properties studied increase with the content and length of sisal fibers. The composites reinforced by long fibers showed higher tensile strength and impact resistance when compared to the developed composites with short fibers. Keywords: Composites; Polystyrene; Sisal fibers; Mechanical properties; Fiber length. Introdução O uso de fibras naturais como reforço em polímeros termoplásticos é principalmente impulsionado por razões ecológicas e também por constituir uma alternativa ao uso de fibras de vidro devido às elevadas propriedades mecânicas que seu uso proporciona [1,2]. Assim, as fibras naturais como juta, curauá, rami, sisal dentre outras, ganham importância como reforço em polímeros devido ao seu reduzido custo, baixa densidade e também por diminuir o desgaste dos equipamentos utilizados no processamento. Além do mais, as fibras naturais são biodegradáveis e obtidas de fontes renováveis [3]. Os compósitos desenvolvidos são materiais mais ambientalmente amigáveis e utilizam menor quantidade de materiais provenientes de fontes não renováveis [4]. O potencial uso dos compósitos produzidos esta focado na indústria automotiva e também em alguns setores da construção civil devido a razões ambientais [5]. A melhor utilização de materiais lignocelulósicos e celulósicos, provenientes de fontes renováveis, como carga reforçante em polímeros depende, porém de fatores como: razão de aspecto;

2 orientação das fibras; fração volumétrica das fibras; adesão fibra-matriz e transferência de esforços eficiente da matriz para as fibras na região da interface [3,6]. Dentre as diversas espécies de fibras naturais a fibra de sisal apresenta propriedades específicas elevadas, tais como: resistência a tração e módulo elástico, e pode ser utilizada como reforço em matrizes poliméricas. A incorporação de fibras de sisal em polímeros e elastômeros, geralmente proporciona redução do custo e aumento das propriedades mecânicas [6]. O objetivo deste trabalho é desenvolver compósitos de poliestireno e fibras de sisal com diferentes comprimentos de fibra avaliando a influência do comprimento do reforço constituído por fibras longas e fibras curtas nas propriedades mecânicas e térmicas dos compósitos. Experimental Materiais As fibras de sisal (Agave sisalana) foram fornecidas por Sisalândia Fios Naturais Ltda, Retirolândia, Bahia. O poliestireno cristal utilizado, grade N1921, proveniente da empresa Innova S.A., possui índice de fluidez de 20g/10min (200ºC, 5 kg). Preparação dos compósitos O sisal foi cortado em um picotador da marca SEIBT com comprimento médio de 19 mm (fibras longas) e no moinho de facas de bancada marca Marconi foram obtidas fibras com comprimento médio de 0,595 mm (fibras curtas). As fibras foram secas em estufa por 1 hora a temperatura de 80 C. Os compósitos foram preparados em extrusora mono rosca marca SEIBT ES35 F-R com velocidade de rotação de rosca de 60 rpm. O seguinte perfil de temperatura foi utilizado: 150ºC, 160ºC e 160ºC, com temperatura da matriz de 160ºC. Os materiais foram posteriormente processados em injetora modelo Himaco LH com temperaturas variando entre 165ºC e 180ºC, para preparação dos corpos de prova de tração e impacto, segundo ASTM D 638 e ASTM D 256, respectivamente. Ensaios mecânicos Os ensaios de tração foram realizados conforme a norma ASTM D638 em máquina universal de ensaio EMIC DL 3000, com o uso de extensômetro para baixa deformação, de 50 mm, com velocidade de deslocamento igual a 1,5 mm/min e célula de carga de 200 kgf. O ensaio de resistência ao impacto IZOD com entalhe foi realizado com martelo de 1J em equipamento da CEAST modelo Resil 25, conforme ASTM D 256.

3 Granulometria Para o ensaio granulométrico foram utilizadas amostras de 100g de sisal na forma de fibra curta e a mesma quantidade para a fibra longa conforme ASTM D1921. Para a fibra curta utilizaram-se as peneiras com aberturas de 1,190 mm; 0,841 mm; 0,595 mm; 0,420 mm; 0,149 mm e fundo, já para a fibra de sisal longa utilizaram-se as peneiras com aberturas de 50 mm; 25 mm; 19 mm; 12,5 mm; 9,5 mm e fundo. Análise termogravimétrica (TGA) As análises termogravimétricas (TGA) foram realizadas em equipamento SHIMADZU TGA-50 com taxa de aquecimento de 20 C/min em atmosfera de nitrogênio, com fluxo de 50 ml/min. Temperatura de deflexão térmica (HDT) A temperatura de deflexão térmica (HDT) foi obtida conforme a ASTM D648, no equipamento CEAST, modelo HDT/6 VICAT, com uma taxa de aquecimento de 120 C/h utilizando o método A, carga aplicada de 1,82 MPa. Durante o ensaio o corpo de prova suporta carga transferindo a tensão aplicada ao material que está submerso em um banho térmico em óleo de silicone. A temperatura de deflexão térmica é medida quando o corpo de prova sofre uma deflexão igual a 0,25 mm. Resultados e Discussão Granulometria A Figura 1 apresenta a distribuição de tamanho das fibras de sisal. Para o sisal com fibras longas (Figura 1-a) obteve-se um acúmulo de 40% de fibras retidas na peneira com abertura de 19 mm. Já para as fibras curtas (Figura 1-b) houve um acúmulo maior de partículas na peneira com abertura de 0,595 mm com aproximadamente 45% de material retido. O desempenho de materiais compósitos reforçados com fibras depende, dentre outros fatores, do comprimento das fibras. Se o comprimento da fibra utilizada como reforço for inferior ao comprimento crítico a fibra será arrancada da matriz (pull-out) e o compósito falhará a baixas tensões [8]. Entretanto, quando o comprimento das fibras é maior que o comprimento crítico a transferência de esforços da matriz para as fibras tornase mais eficiente e haverá rompimento das fibras e assim os compósitos irão apresentar elevada resistência mecânica [7].

4 Figura 1: Distribuição do tamanho médio das fibras de sisal utilizadas Análise termogravimétrica As curvas de TGA para o poliestireno (PS), para a fibra de sisal (FS) e seus compósitos com fibra longa e fibra curta estão apresentados na Figura 2 (a) e (b), respectivamente. No caso do sisal a primeira perda de massa, entre 50 e 100ºC, corresponde à evaporação da água presente na fibra. A segunda perda de massa, que inicia em aproximadamente 200ºC e estende-se até 370ºC, é referente à despolimerização da hemicelulose e a quebra das ligações glicosídicas da celulose [8]. A terceira perda de massa que inicia em 370ºC esta associada ao término da decomposição dos compostos formados na segunda perda de massa [9] levando a formação de cinzas em temperaturas próximas a 800ºC e também término da decomposição da lignina presente nas fibras. Para o poliestireno a degradação tem início em aproximadamente 260ºC e esta completa a temperatura de 450ºC. Os compósitos exibem um comportamento intermediário entre o poliestireno e a fibra de sisal. Observa-se tanto na Figura 2(a) quanto na Figura 2(b) que conforme a adição de sisal os compósitos reduzem sua estabilidade térmica. A adição de sisal nos compósitos acarreta no aumento da quantidade de celulose e hemicelulose presente que iniciam a degradação em temperaturas próximas a 200ºC fazendo com que o processo de degradação térmica dos compósitos inicie em temperaturas próximas a 220ºC para aqueles com fibra longa e em 240ºC para os compósitos com fibra curta.

5 Massa (%) Fibra Longa FS PS 90 PS 10 FS 80 PS 20 FS 70 PS 30 FS 60 PS 40 FS (a) Temperatura (ºC) Massa (%) Fibra Curta FS PS 90 PS 10 FS 80 PS 20 FS 70 PS 30 FS 60 PS 40 FS (b) Temperatura (ºC) Figura 2: Curvas de perda de massa em função da temperatura para as fibras de sisal (FS), para o poliestireno (PS) e para os compósitos com fibra longa (a) e fibra curta (b) Temperatura de deflexão térmica A temperatura de deflexão térmica para o poliestireno e os compósitos com fibra de sisal longa esta apresentada na Tabela 1 e na Tabela 2 estão os valores obtidos para a fibra curta. Em geral, a temperatura de deflexão térmica aumentou com o aumento da adição de fibra de sisal. A adição da fibra ocasiona aumento da rigidez do material impedindo que as cadeias poliméricas se movimentem o que causa aumento da temperatura de deflexão térmica [10]. As cargas geralmente aumentam a temperatura de deflexão térmica devido principalmente ao aumento no módulo elástico [10]. O aumento foi de aproximadamente 6ºC quando comparado o poliestireno e o compósito com 40% em massa de reforço.

6 Tabela 1 - Valores obtidos com ensaio de HDT para fibra longa Material Temperatura (ºC) Desvio Padrão 100% PS 71,7 0,51 90% PS 10% FS 75,67 0,94 80% PS 20% FS 78,57 1,6 70% PS 30% FS 78,5 1,4 60% PS 40% FS 77,2 1,99 Tabela 2 - Valores obtidos com ensaio de HDT para fibra curta Material Temperatura (ºC) Desvio Padrão 100% PS 71,7 0,51 90% PS 10% FS 72,5 0,94 80% PS 20% FS 76,1 1,19 70% PS 30% FS 77,67 0,87 60% PS 40% FS 78,57 1,25 Propriedades mecânicas Na Figura 3 (a) e (b) são mostradas as curvas de tensão em função da deformação obtidas no ensaio de tração. A adição de fibras de sisal aumenta a inclinação das retas obtidas e com isso o valor do módulo elástico aumenta tornando os compósitos mais rígidos [11]. A adição de fibras de sisal também reduz a elongação na ruptura dos compósitos quando comparados a matriz de poliestireno. Entretanto, os compósitos desenvolvidos com 20% em massa de fibras apresentaram deformação na ruptura superior ao poliestireno e aos demais compósitos tanto com fibra longa quanto com fibra curta. Este comportamento pode estar associado com a maior transferência de esforços da matriz para as fibras, proporcionando aumento da resistência à tração e da deformação na ruptura para os compósitos produzidos com 20% em massa de fibras Fibra Longa Tensão (MPa) PS 90PS10FS 80PS20FS 70PS30FS 60PS40FS (a) 0 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 Deformação (%)

7 40 35 Fibra Curta Tensão (MPa) PS 90PS10FS 80PS20FS 70PS30FS 60PS40FS (b) 0 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 Deformação (%) Figura 3: Curvas de tensão versus deformação para o poliestireno (PS) e os compósitos com fibra longa (a) e fibra curta (b) Resistência à tração na ruptura A adição de 10% de fibra curta de sisal ao poliestireno ocasiona redução na resistência à tração do compósito quando comparada apenas a matriz. A Figura 4 apresenta a resistência à tração na ruptura dos compósitos. O fato da resistência à tração dos compósitos a baixos teores de fibra ser inferior a matriz de poliestireno é ocasionado ao carregamento ineficiente, ou seja, as fibras de sisal atuam como defeitos fragilizando a matriz e reduzindo a resistência mecânica do compósito. Com baixos teores de fibra a matriz não é suficientemente ancorada pelas fibras e então sofre deformações elevadas a baixas tensões o que faz com que a interação fibra matriz diminua e o material apresente resistência à tração inferior a do poliestireno [8]. Conforme o teor de fibras aumenta as tensões passam a ser mais uniformemente distribuídas e a resistência do compósito aumenta. Resistência a Tração na Ruptura (MPa) Fibra Curta Fibra Longa Teor de Fibra de Sisal (%) Figura 4: Resistência a tração na ruptura dos compósitos de poliestireno e fibras de sisal

8 Com teores de 20% em massa de sisal foram obtidos os melhores resultados para a fibra longa, em consonância com o comportamento das curvas tensão versus deformação, da Figura 3. Os compósitos com 30% em massa de sisal apresentaram os melhores resultados para a fibra curta. Entretanto, o compósito que obteve melhor resultado foi aquele com 20% de fibra longa em que a resistência a tração na ruptura alcançou a marca de 39 ± 1,2 MPa. Para os compósitos com 30% em massa de fibra longa e 40% em massa de fibra curta houve redução na resistência à tração, fato que pode ter ocorrido em conseqüência de uma menor interação entre fibra e a matriz devido ao maior emaranhamento das fibras de sisal e conseqüente menor molhabilidade das fibras pela matriz polimérica [8]. Os resultados demonstram que há uma relação entre o comprimento crítico e a quantidade de fibras na matriz, onde um máximo de resistência à tração dos compósitos é obtido. Em pequenas quantidades as fibras de sisal atuam como defeitos e reduzem a resistência à tração, por outro lado em grandes quantidades as fibras ficam mais emaranhadas e a interação entre a fibra e a matriz diminui e com isso a resistência a tração também diminui. Para compósitos reforçados por fibras longas a resistência não segue crescendo com o aumento do comprimento das fibras devido ao emaranhamento e enrolamento mais severo do reforço reduzindo o comprimento efetivo [9,12] para transferência de esforços da matriz para as fibras. Para os compósitos reforçados por fibras mais curtas as fibras são arrancadas da matriz durante o esforço mecânico e o compósito irá falhar em tensões relativamente menores quando comparado com as tensões obtidas pelos compósitos reforçados por fibras longas [13]. Módulo de elasticidade O módulo elástico aumentou de forma praticamente linear com adição da fibra, como pode-se verificar na Figura 5. Contudo, para elevados teores de fibra o módulo seguiu a mesma tendência da resistência a tração. Os compósitos com 40% em massa de fibra de sisal não apresentaram aumento significativo quando comparados aos compósitos com 30% de reforço, permanecendo praticamente constante para os compósitos com fibra curta. O melhor desempenho da fibra curta que a fibra longa provavelmente pode estar associado a melhor molhabilidade das fibras curtas pela matriz, corroborando os resultados de HDT. Para os compósitos com 30% em massa de fibra curta o módulo elástico é cerca de 90% superior ao da matriz e para os compósitos com 30% em massa de fibras longas este aumento chega a 80%.

9 Módulo Elástico (MPa) Fibra Curta Fibra Longa Teor de Fibra de Sisal (%) Figura 5: Módulo elástico dos compósitos com diferentes teores de fibra de sisal com poliestireno Resistência ao impacto Os resultados apresentados pela Figura 6 demonstram que a adição de fibras de sisal aumenta a resistência ao impacto dos compósitos quando comparados ao poliestireno. Resistência ao Impacto (J/m) Fibra Curta Fibra Longa Teor de Fibra de Sisal (%) Figura 6: Resistência ao impacto de compósitos com diferentes teores de fibra Para as fibras curtas houve um aumento significativo até a adição de 20% em massa de fibra não apresentando diferenças significativas com a adição de 30% ou 40% em massa de fibra. As fibras longas obtiveram desempenho 50% superior às fibras curtas. A resistência ao impacto para os compósitos com 40% em massa de fibra longa foi de 55 J/m em comparação aos 30 J/m obtidos para os compósitos com 40% em massa de fibras curtas. Este aumento pode estar associado ao fato de que as fibras de maior comprimento

10 apresentaram maior capacidade de absorção e distribuição da energia no momento do choque [12,14], possibilitando assim maior transferência de tensões da matriz para as fibras aumentando o desempenho do compósito. Conclusões A influência do teor e do tamanho das fibras nas propriedades térmicas e mecânicas de compósitos de poliestireno reforçados por fibras de sisal foi avaliada. Os resultados obtidos indicam que as propriedades mecânicas aumentam com a quantidade e também o comprimento das fibras. Os compósitos reforçados por fibras longas apresentaram melhores resultados quando comparados aos compósitos desenvolvidos com fibras curtas. De forma geral, o aumento do comprimento das fibras faz com que a transferência de esforços da matriz para as fibras seja mais efetiva evitando o arrancamento das fibras o que ocasiona aumento das propriedades avaliadas. A adição de fibras de sisal desloca o início da perda de massa dos compósitos para temperaturas próximas a 200ºC, sendo mais pronunciada conforme a adição e o tamanho das fibras. Agradecimentos Os autores agradecem ao Laboratório de Polímeros da UCS. Referências Bibliográficas 1. Y.Li; C.Hu; Y.Yu. Composites Part A, 2008, 39, P.Antich; A.Vázquez; C.Mondragon; C.Bernal. Composites Part A, 2006, 37, K.C.Manikandan Nair; S.M.Diwan; Sabu Thomas. Journal of Applied Polymer Science, 1996, 60, A.Gomes; T.Matsuo; K.Goda; J.Ohgi. Composites Part A, 2007, 38, K.G.Satyanarayana; J.L.Guimarães; F.Wypych. Composites Part A, 2007, 38, P.V.Joseph; K.Joseph; Sabu Thomas. Composites Science and Technology, 1999, 59, K.Joseph; E.S.Medeiros; L.H.Carvalho. Polímeros, 1999, Out/Dez, K.C.Manikandan Nair; Sabu Thomas; G.Groeninckx. Composites Science and Technology, 2001, 61, P.V.Joseph; K.Joseph; Sabu Thomas; C.K.S.Pillai; V.S.Prasad; G.Groeninckx; M.Sarkissova. Composites Part A, 2003, 34, L.E.Nielsen; R.F.Landel. Mechanical properties of polymers and composites. Marcel Dekker, New York, C.A.B.Vieira; E.Freire; S.C.Amico; A.J.Zattera, in IV Congresso Brasileiro de Carbono, Gramado, C.G.Silva, E.C.Ramires, E.Frollini, in 9º Congresso Brasileiro de Polímeros, Campina Grande, E.F.Santos, S.M.B.Nachtigall, in 9º Congresso Brasileiro de Polímeros, Campina Grande, J.M.F.Paiva; W.G.Trindade; E.Frollini. Polímeros, 1999, Out/Dez., 170.