AVALIAÇÃO DA ADIÇÃO DE SISAL ORIENTADO EM PAINÉIS AGLOMERADOS DE Pinus taeda COM ESPUMA DE POLIURETANO DERIVADO DE ÓLEO DE MAMONA

Transcrição

1 XV EBRAMEM - Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira 09-11/Mar, 2016, Curitiba, PR, Brasil AVALIAÇÃO DA ADIÇÃO DE SISAL ORIENTADO EM PAINÉIS AGLOMERADOS DE Pinus taeda COM ESPUMA DE POLIURETANO DERIVADO DE ÓLEO DE MAMONA 1 Caroline R. Pereira (carolrodrigues.floresta@gmail.com), 1 Richard E. Mölleken (richard_molleken@hotmail.com), 2 Salvador C. Neto (salvador@iqsc.usp.br), 3 Rosilani Trianoski (rosillani@gmail.com) 1 Elaine C. Azevedo (helunica@yahoo.com.br) 1Universidade Tecnológica Federal do Paraná Departamento de Engenharia Mecânica e de Materiais. Av. Sete de Setembro, 3165, Rebouças, Curitiba PR. 2 Instituto de Química de São Carlos, IQSC, USP, São Carlos-SP Departamento de Química. Av. Trab. São-Carlense, Parque Arnold Schmidt, São Carlos SP. 3Universidade Federal do Paraná Departamento de Engenharia Florestal. Av. Lothário Meissner, 632, Jardim Botânico, Curitiba PR. RESUMO: Compósitos de espuma de poliuretano derivado do óleo de mamona (PU) reforçados com fibras naturais são obtidos por matéria prima renovável e de baixo custo. As serragens de madeira são resíduos que necessitam de um grande espaço para estocagem e são de fácil combustão por terem grande área superficial e secarem facilmente. A incorporação de fibras de sisal como reforços em compósitos de matriz polimérica resulta em melhores propriedades mecânicas. O objetivo desse trabalho foi produzir e avaliar as propriedades mecânicas de compósitos de espuma de poliuretano derivado de óleo de mamona e serragem de madeira de Pinus taeda, com diferentes proporções, reforçados com fibra de sisal orientada. Os compósitos de PU reforçados com serragem e sisal apresentaram boa resistência à flexão e módulo de elasticidade, comparados com amostras sem sisal. Os resultados obtidos nas amostras em que o poliol foi adicionado em maior quantidade que o pré-polímero foram insatisfatórios, já a maior adição de pré-polímero em relação ao poliol promoveu a melhora da resistência mecânica dos materiais. O melhor compósito foi o produzido com 40% de serragem, 5% de fibras de sisal e 55% de espuma de poliuretano na proporção 1:1. Palavras Chave: Espuma, óleo de mamona, fibra de sisal, serragem. SISAL ADDITION OF ASSESSMENT PANELS ORIENTED IN CLUSTERS OF Pinus taeda WITH POLYURETHANE FOAM DERIVED FROM CASTOR OIL ABSTRACT: Composites derived polyurethane foam castor oil (PU) reinforced with natural fibers are obtained from renewable raw material and low cost. Wood sawdust are waste that require a large space for storage and are easily combustible because they have large surface area and dry out easily. The incorporation of sisal fibers as reinforcements in polymer matrix composite results in higher mechanical properties. The aim of this work was to produce and evaluate the mechanical properties of composite polyurethane foam castor oil derivative and sawing wood loblolly pine, with different proportions, reinforced with oriented sisal fiber. The PU composites reinforced with sawdust and sisal showed good flexural strength and modulus compared to samples without sisal. The results obtained for the samples in which the polyol was added in larger amount that the prepolymer were unsatisfactory, since the addition of greater prepolymer polyol promoted in relation to the improvement of the mechanical strength of the materials. The best composite was produced with 40% sawdust, 5% agave fibers and 55% polyurethane foam in 1: 1 ratio. Keywords: Foam, castor oil, sisal fiber, sawdust.

2 1. INTRODUÇÃO Os compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais são uma alternativa para substituir com vantagens de custo e leveza, as peças feitas de compósitos poliméricos convencionais ou mesmo peças feitas inteiramente de plásticos, sendo utilizados na aplicação e desenvolvimento de peças automobilísticas, esportivas, aeronáuticas, moveleiras e na indústria da construção civil (LIGOWSKI et al, 2015). A serragem é um dos principais resíduos gerados no setor madeiro, merecendo atenção especial, pois exige um maior espaço de estocagem, é de baixa densidade e de fácil combustão, no entanto, apresenta-se como uma valiosa contribuição na produção de materiais alternativos, e como reforço de matrizes em compósitos (YAMAJI & BONDUELLE, 2004). Os compósitos de madeira são produzidos na maioria das vezes com resinas termofixas como uréia-, fenol-, ou melamina-formaldeído e isocianatos (CORREA et al, 2003). Essas resinas são provenientes de derivados do petróleo, e possuem na sua constituição Compostos Orgânicos Voláteis, COV's, que são substâncias tóxicas, cancerígenas e mutagênicas (WILCZAK, 2014). Os solventes podem ser absorvidos pela pele deixando-a suscetível a infecções, causam irritação e reações alérgicas em pessoas sensíveis e quando inalados podem causar dor de cabeça, fadiga, náusea, irritação nos olhos e no sistema respiratório, desordem mental e visual (RAYMOND et al, 1992). A espuma de poliuretano derivado de óleo de mamona, que é extraído da semente da espécie Ricinus communis, é uma alternativa para o uso dessas resinas (MARINHO, 2013). As diversas formas de comercialização das espumas rígidas facilitam a utilização e armazenagem. Podendo ser em forma de spray para aplicação sobre a superfície que receberá posteriormente pintura. Outra opção é a por injeção, a qual preenche-se um molde com a espuma que durante o processo expande-se, aderindo às paredes do molde (CARDOSO, 2010). As espumas de poliuretano são amplamente utilizadas na construção civil, seja como isolante térmico em equipamentos ou como sistema de isolamento de coberturas, em telhas tipo sanduíche (CARDOSO, 2010). Essa espuma é resistente à intempéries e apresenta boa resistência mecânica, além disso, por não possuir COV s em sua composição e ter característica biodegradável, tornase uma alternativa verde a polímeros utilizados como aglomerantes ou matrizes para compósitos (JESUS, 2000). Dentre as fibras celulósicas mais utilizadas para reforçar matrizes poliméricas está a fibra de sisal, Agave sisalana. De acordo com Brasil (2015), em 2014 foi produzido 95,4 mil toneladas de sisal no Brasil, sendo essa produção maior que a de grandes produtores como Madagascar, México, Kenya e Tanzania. Segundo Ramesh, et al (2013), a incorporação das fibras de sisal como reforços em compósitos de matriz polimérica resulta em melhores propriedades mecânicas. De acordo com Nabi Saheb e Jog (1999) o sisal apresenta densidade de 1,45 g/cm³, resistência à tração variando de 511 a 635 MPa e módulo de elasticidade de 9,4 a 22 GPa. A alta resistência ao impacto e altos valores de módulo de elasticidade comparados com outras fibras naturais, fazem com que o sisal se destaque na combinação de compósitos poliméricos (SANTANA & TEIXEIRA, 2008). Este trabalho tem como objetivo produzir e avaliar as propriedades mecânicas de compósitos com matriz de espuma de poliuretano derivado de óleo de mamona e serragem de madeira da espécie Pinus taeda, com diferentes proporções em peso, reforçados com fibra de sisal orientada. 2. EXPERIMENTAL 3. Materiais A serragem de Pinus taeda utilizada é proveniente do resíduo da Madeireira Maracanã, localizada em Colombo-PR, e o sisal foi adquirido em comércio local. A espuma poliuretano

3 derivado de óleo de mamona foi doado pela Cequil Central Ind. Des. Polímeros de Araraquara SP. 4. Métodos A serragem foi classificada utilizando-se uma peneira de 20 mesh. A fibra de sisal foi cortada com aproximadamente 15 cm de comprimento, determinando-se posteriormente seu teor de umidade. Para tal, foram pesadas três amostras obtidas do mesmo lote para ambos os materiais, as quais foram conduzidas à estufa à 100º C até peso constante. Com os dados de peso úmido e peso seco das amostras foi calculado o teor de umidade de acordo com a Eq. (1). (1) Onde, PU é o peso úmido e PS é o peso seco. Os compósitos foram produzidos através da mistura da serragem com a espuma poliuretana, preparada seguindo orientação do fabricante, e por meio de uma batedeira durante aproximadamente um minuto. O delineamento experimental com as diferentes proporções de serragem, espuma e sisal é apresentado na Tab. 1. Tabela 1. Delineamento experimental dos compósitos de serragem, sisal e poliuretano Amostra Serragem (%) Sisal (%) Espuma (%) (*) T (1,5:1) T (1:1) T (1:1) T (0,9:1) T (1,5:1) T (1:1) T (1:1) T (0,9:1) (*) Medidas entre parênteses são referentes as proporções de poliol e pré polímero. Depois de misturados, os materiais foram dispostos sobre um plástico de proteção untado com vaselina em uma forma de tamanho 15x20 cm para a formação do colchão, sendo que os painéis reforçados com sisal tiveram as fibras colocadas orientadas paralelamente ao menor lado da forma entre duas camadas de mistura pronta de serragem e espuma. Após a formação do colchão, o mesmo foi conduzido à prensa hidráulica, sendo submetido à carga de 4 toneladas por 2 horas, e então desenformados, originando compósito, conforme apresentado na Figura 1.

4 Figura 1. Amostra de compósito de Poliuretano com serragem reforçado com sisal Após a confecção dos compósitos, eles foram seccionados, obtendo-se sete corpos de prova de flexão para cada amostra, com medida de 12x1,4 cm cortados no sentido longitudinal da fibra de sisal (paralelos à orientação da fibra de sisal) conforme Fig. 2, e de acordo com a norma ASTM D Figura 2. Imagem dos corpos de prova. a) Corpos de prova cortados; b) Corpo de prova com sisal orientado (T5 a T8); c) Corpo de prova sem sisal (T1 a T4) Os corpos de prova foram mensurados com paquímetro e os ensaios de flexão realizados em máquina universal de testes EMIC Linha DL, utilizando 90 mm de vão e velocidade de ensaio de 5 mm/min, segundo os procedimentos descritos pela norma ASTM D A tensão máxima foi calculado segundo a Eq. (2):

5 Onde σf é a tensão no compósito no ponto médio (MPa), P é a carga (N), L é a distância entre os suportes (vão) (mm), b é a largura do corpo de prova (mm), e d é a espessura do corpo de prova (mm). A deformação E f foi calculada de acordo com a Eq. (3). (2) Onde E f é a deformação em mm/mm, D é a máxima deformação obtida pelo ensaio (mm), d é a espessura média do corpo de prova (mm) e L é a distância entre suportes (vão) (mm). O módulo elástico foi obtido a partir da Eq. (4). (3) Onde MoE é módulo de elasticidade (MPa), L é a distância entre suportes (vão) (mm), m é o coeficiente angular (N/mm), b é a largura da amostra (mm), e d é a espessura da amostra (mm). Foi utilizado o programa estatístico Statgraphics Centurion , sendo os dados submetidos aos testes de Grubbs para avaliar a ocorrência de outliers, Shapiro Wilks para verificação da normalidade, Bartlett para homogeneidade de variância e Análise de variância. Quando rejeitada a hipótese de nulidade, foi aplicada a comparação de médias de Tukey, à 95% de confiabilidade. (4) 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO O teor de umidade médio da serragem foi de 22,5% e do sisal foi de 13%. Embora os valores médios para ambos os materiais sejam um pouco elevados, quando comparados com as baixas umidades utilizadas na produção de painéis aglomerados (2-3%), vale ressaltar que o adesivo poliuretano, utiliza a umidade presente no ar, e muitas vezes na própria madeira, para promover as reações de polimerização. Segundo Garcia e Rech (2011), o grupo químico isocianato presente no adesivo poliuretano reage com o grupo hidroxílico (OH) da madeira e com a umidade do ar e da madeira e assim, produz uma estrutura reticular semelhante à de um adesivo termorrígido. Os resultados obtidos para as propriedades de flexão e densidade aparente dos painéis estão apresentados na Tab. 2.

6 Tabela 2. Resultados de Densidade (kg/m³), Resistência à flexão (MPa) e Módulo de elasticidade (GPa). AMOSTRA PROPRIEDADES Densidade (kg/m³) Resistência à flexão (MPa) (*) Módulo de elasticidade (GPa) (*) T1 720 a (0,06) 3,08 a (0,63) 4,42 (1,93) T2 620 a (0,16) 2,67 a (0,59) 4,27 (0,83) T3 660 a (0,12) 10,66 b (1,07) 7,94 (2,15) T4 650 a (0,02) 6,05 c (0,98) 8,06 (1,59) T5 770 a (0,03) 3,37 a (0,31) 1,42 (0,42) T6 840 a (0,04) 11,27 b (2,32) 7,39 (1,87) T b (0,46) 17,09 d (1,39) 21,26 (3,80) T8 880 a (0,05) 11,69 b (0,99) 15,57 (3,46) (*) Médias seguidas por mesma letra não diferem significativamente entre si pelo teste de Tukey, ao nível de 95% de probabilidade de erro. Resultados entre parênteses referem-se ao coeficiente de variação. Os resultados médios das propriedades de flexão indicaram que para as amostras T1 a T4, as quais não tiveram a adição de fibra de sisal orientada como reforço, a resistência a flexão variou de 2,67 MPa 10,66 MPa, já nas amostras com a inclusão do reforço (T5 a T8), os valores se apresentaram na faixa de 3,37 MPa a 17,09 MPa. Para o módulo de elasticidade observou-se valores de 4,27 GPa a 8,06 GPa e de 1,42 GPa a 21,26 GPa, respectivamente. Em trabalho realizado por Silva, et al. (2013), compósitos de Pinus caribaea com resina mono e biocomponente derivada de óleo de mamona apresentaram MOE médio de 3,066 GPa e 3,591 GPa, respectivamente, sendo possível notar que apenas a amostra T5 não superou os valores encontrados pelos autores, o que pode ter ocorrido por problemas na fabricação manual da amostra. Ao comparar os resultados de resistência à flexão obtidos pode-se perceber que as amostras T1, T2 e T5 foram considerados estatisticamente iguais e apresentaram as menores cargas suportadas, o que pode ser explicado pela maior adição de poliol em relação ao pré polímero em T1 e T5 e pela não adição de sisal em T2. As amostras T3, T6 e T8 apresentaram resultados semelhantes entre si, com valores entre 10,6 e 11,7 MPa, enquanto que a amostra T4 teve como resultado 6,05 MPa o que pode-se considerar baixo ao comparar com as amostras T3 a T8. Os melhores resultados de resistência e rigidez à flexão foram encontrados na composição T7 com 17,09 MPa e 21,26 GPa. Os gráficos dos resultados de tensão versus deformação obtidos nos ensaios de flexão podem ser observados na Fig. 3.

7 Figura 3. Curva tensão Versus deformação obtidos no ensaio de flexão a) amostras sem sisal (T1 a T4). b) amostras com sisal (T5 a T8). Pode se observar nas curvas da Fig. 3 grande diferença entre as amostras com e sem sisal, bem como a influência da variação da quantidade de pré-polímero e poliol utilizados. Pode-se perceber que a tensão máxima de ruptura das composições com o reforço das fibras de sisal foi maior que as obtidas sem o reforço. A deformação alcançada com a adição do sisal foi inferior as amostras sem sisal. Considerando amostras T2 e T6, como referência, por serem amostras compostas de espuma na proporção de poliol:pré polímero indicada pelo fabricante (1:1), observa se que as amostra que foram obtidas com maior proporção de poliol do que pré polímero tiveram diminuição do valor da tensão de ruptura, como a amostra T1. As amostras que foram fabricadas com diminuição da proporção de poliol em relação ao pré polímero apresentou aumento da tensão de ruptura, como a amostra T4. Comportamento semelhante foi observado nas amostras confeccionadas com reforço de fibra de sisal. Os melhores resultados obtidos são os das amostras com maior quantidade de espuma (na proporção 1:1) em relação à serragem+sisal (T3 e T7). Isso ocorreu pelo fato que o excesso de poliol deixa a espuma mais flexível, enquanto o excesso de isocianato presente no pré polímero reage com a hidroxila (OH) da serragem aumentando a resistência mecânica das amostras. Neira (2011) em amostras puras de espuma poliuretana derivada de óleo de mamona (PU) encontrou resultado médio de tensão máxima em ensaio de flexão de 2,13 MPa, em compósitos de PU e fibra de sisal em forma de manta com 1350 g/m² de gramatura obteve tensão máxima de 8,59 MPa. Sendo assim, podemos afirmar que a adição de serragem e sisal à espuma poliuretana proporcionou maior resistência à tensão comparando aos resultados obtidos por Neira (2011) aos compósitos reforçados ou não com sisal, uma vez que todos os valores obtidos foram superiores ao encontrado pela autora em amostra de espuma pura e as amostras T3, T6, T7 e T8 tiveram resistência à tração maior que os dela. 6. CONCLUSÕES Pode-se concluir que compósitos constituídos de espuma poliuretana derivada de óleo de mamona e reforçados com serragem e sisal possuem boa resistência à flexão e módulo de elasticidade comparando com amostras sem sisal. Considerando a proporção de poliol:prépolímero conclui-se que o maior teor de poliol afetou negativamente os resultados dos ensaios, apresentando os menores valores, enquanto que o pré-polímero quando em maior quantidade promoveu a melhora mecânica dos materiais. O melhor resultado obtido foi com a composição 7, no qual houve a adição de sisal e 55% de espuma em proporção 1:1 para 45% de reforço.

8 7. AGRADECIMENTOS Os autores expressam seus agradecimentos à Fundação Araucária, à FAPESP, à CAPES e ao CNPq, pelo auxílio financeiro aos laboratórios envolvidos. Às empresas Madeireira Maracanã e Cequil, SP, pelas doações da serragem e espuma. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR EB 629: Espuma rígida de poliuretano para fins de isolação térmica. Rio de Janeiro, ASTM D Standard Test Methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. United States, BRASIL. Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento. 11ª Reunião Ordinária. Brasília, DF, CANGEMI, J. M. Biodegradação de PU derivado do óleo de mamona, Tese de Doutorado, Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, Brasil, CARDOSO, G. T., Caracterização da espuma rígida de poliuretano (PU) derivada de óleo de mamona para isolamento térmico na construção. 84f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, São Carlos, CORREA, C. A.; FONSECA, C. N. P.; NEVES, S.; RAZZINO, C. A.; & HAGE Jr., E. Compósitos termoplásticos com madeira. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol.13, n.3, p , GARCIA, A.; RECH, M. Adesivos para a madeira e móveis. Revista da madeira. Ed Disponível em: < Acesso em: 20/12/2016. JESUS, J. M. H., Estudo do adesivo poliuretano à base de mamona em madeira laminada colada. Tese de doutorado. (Instituto de Química de São Carlos, USP, 2000). KHOSROW, G. e MARINHO A. B. Propriedades físicas e mecânicas do colmo inteiro de bamboo da espécie Guadua angustifolia. Revista Brasileira de Eng. Agrícola e Ambiental, v.9, n.1, p.107. Campina Grande, jan/mar LIGOWSKI, E.; SANTOS, B. C.; FUJIWARA, S. T. Materiais compósitos a base de fibras da cana-de-açúcar e polímeros reciclados obtidos através da técnica de extrusão. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 25, n. 1, p , MARINHO, N. P; NASCIMENTO, E. M; NISGOSKI, S; MAGALHÃES, W. L. E; NETO, S. C; AZEVEDO, E. C. Caracterização Física e Térmica de Compósito de Poliuretano Derivado de Óleo de Mamona Associado com Partículas de Bambu, Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 23, n. 2, p , MARTIN, A. R.; MARTINS, M. A.; MATTOSO, L. H. C.; SILVA, O. R. R. F. Caracterização química e estrutural de fibra de sisal da variedade Agave sisalana. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 19, n. 1, p , NABI SAHEB, D.; JOG, J. P. Natural Fiber Polymer Composites: A Review. Advances in Polymer Technology, Vol. 18, No. 4, p , NEIRA, D. S. M. Desenvolvimento de um compósito de espuma rígida de poliuretana de mamona e fibras de sisal para isolação térmica. 89f. Tese (Doutorado e Engenharia Mecânica) Engenharia Mecânica, Universidade Federal d Rio Grande do Norte, Natal, RAMESH, M; PALANIKUMAR, K; REDDY, KH. Mechanical property evaluation of sisal jute glass fiber reinforced polyester composites. Compos Part B Eng; 48:1 9, RAYMOND; F.; WEGMAN; THOMAS R. TULLOS, Handbook of adhesive bonded structural repair. Adhesion Associates Ledgewood, New Jersey, 1992.

9 SANTANA, R. M. C. e TEIXEIRA D. B. Proceedings of the Polymer Processing Society 24th Annual Meeting PPS-24, Salerno Italy, June SEBENIK, U.; KRAJNC, M., Influence of the soft segment length and content in the synthesis and properties of isocyanate terminated urethane prepolymers. International Adhesion & Adhesives, 27, , SILVA, S. A. M. de; CHRISTOFORO, A. L.; PANZERA, T. H.; LAHR, F. A. R. Painéis MDF produzidos com resina poliuretana à base de óleo de mamona. Vértices, vol. 15, n. 1, p. 7-20, jan./abr WILCZAK, L. Avaliação do comportamento mecânico do adesivo poliuretano derivado de óleo de mamona utilizado na produção de painéis compensados. Trabalho de conclusão de curso Engenharia de Produção Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, YAMAJI, F. M.; BONDUELLE, A. Utilização da serragem na produção de compósitos plástico-madeira. Floresta, vol. 34, n. 1, p , NOTA DE RESPONSABILIDADE Os autores são os únicos responsáveis pelo que está contido neste trabalho.