ANÁLISE DE PROPRIEDADES TÉRMICAS DE COMPÓSITOS DE MATRIZ DE POLIPROPILENO CONTENDO TECIDO DE FIBRAS DE JUTA

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1 ANÁLISE DE PROPRIEDADES TÉRMICAS DE COMPÓSITOS DE MATRIZ DE POLIPROPILENO CONTENDO TECIDO DE FIBRAS DE JUTA O. H. Margoto, J.M. F. Paiva Universidade Federal de São Carlos, UFSCar - Campus Sorocaba Rodovia João Leme dos Santos, (SP-264), Km 110, s/n - Itinga, Sorocaba - SP, Departamento de Engenharia de Produção de Sorocaba, jane@ufscar.br RESUMO Compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras naturais têm sido bastante utilizados pelas indústrias devido às suas propriedades mecânicas e térmicas que possibilitam a aplicação em diversos segmentos. Assim sendo, neste trabalho foram moldados por compressão compósitos de matriz de polipropileno com adição de uma e duas camadas de tecidos de fibra de juta visando, na sequência, analisar as propriedades térmicas do material. Para isto, os materiais foram cortados e submetidos a análises térmicas de DSC (Differential Scanning Calorimetry) e TG (Termogravimetria). Os resultados revelaram que a adição das fibras de juta não influenciaram significativamente na temperatura de fusão cristalina (Tm) do material, bem como, na estabilidade térmica da matriz polimérica. Entretanto, ao introduzir a fase dispersa no compósito foi notada uma redução na entalpia de fusão e da perda de massa dos compósitos entre 7 e 10% mediante a adição do tecido de fibras de juta. Palavras-chaves: Polipropileno, Fibras de Juta, Compósitos, Análise Térmica. INTRODUÇÃO O polímero termoplástico polipropileno (PP) é bastante utilizado pelas indústrias devido às suas propriedades mecânicas e térmicas que possibilitam a aplicação em diversos métodos de moldagem, obtendo-se uma grande variedade de peças, componentes e acessórios. Além do mais, o PP destaca-se pelo seu ótimo custobenefício relacionado à questões sustentáveis, sendo resistente, relativamente barato, reciclável e de rápido processamento, o que implica em redução de gastos com energia, tempo e desperdícios (1,2,3). Este termoplástico também pode ser utilizado como matriz polimérica de compósitos reforçados com fibras, com aplicação, por exemplo, no setor automotivo. Neste cenário, destaca-se o uso de fibras vegetais como fase dispersa de compósitos,

2 que tem sido objeto de numerosos estudos ao longo das últimas duas décadas devido a menor disponibilidade de recursos a um custo acessível e a crescente busca pela sustentabilidade (4). Assim, neste trabalho foram desenvolvidos compósitos de matriz de polipropileno com adição de tecido de fibras de juta. A escolha desta fase dispersa levou em consideração o fato de a juta ser uma fibra de origem vegetal, cuja utilização vem sendo impulsionada devido a vantagens quanto à economia de energia, redução de peso nos materiais e a possibilidade de reciclagem após o fim do ciclo de vida do produto ou componente (5). A juta é uma das fibras mais conhecidas e plantadas em vários países, sendo um reforço abundantemente disponível a um custo muito mais baixo quando comparado a outras fibras liberianas e com possibilidade de aplicação em vários tipos de peças ou componentes (6,7,8). Para possibilitar interação na interface fibra-matriz, foi adicionado à matriz polimérica 20% de PP graftizado com anidrido maleico (PP-g-AM). Deste modo, foram moldados por compressão a quente três tipos de materiais: matriz de PP com 20% de PP-g-AM, matriz polimérica acrescida de uma camada de tecido de fibras de juta e matriz polimérica com duas camadas de tecido de fibras de juta. Utilizou-se para isto, prensa hidráulica e moldes metálicos, nos quais foram inseridos os materiais. Após as moldagens, os materiais foram cortados e submetidos a análises térmicas de DSC (Differential Scanning Calorimetry) e TG (Termogravimetria), possibilitando a comparação entre as propriedades térmicas da matriz polimérica e as dos compósitos contendo tecidos de fibras de juta. MATERIAIS Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado como fase de reforço do compósito um tipo de tecido de fibras de juta com gramatura de, aproximadamente, 230 g/cm 2. Para a obtenção da matriz termoplástica do compósito foi utilizada a mistura de PP na forma de grânulos (pellets) com 20% de PP graftizado com anidrido maleico (PPg-AM), da marca POLYBOND 3150, fornecidos pelas empresas Braskem e Chemtura, respectivamente.

3 MÉTODOS Moldagem dos corpos de prova Para efeito de comparação de propriedades térmicas foi moldada uma matriz termoplástica de polipropileno (PP), contendo 20% de PP-g-AM. Utilizando-se a mesma proporção de matriz de PP com graftizado foram moldadas as placas de compósitos contendo uma e duas camadas de tecido de fibras de juta, respectivamente, para posterior comparação de propriedades térmicas. Para a moldagem foi utilizada a técnica de compressão a quente, utilizando uma prensa hidráulica (marca Marconi, modelo MA098 A/E) e um molde metálico de liga de alumínio, para obtenção das placas de PP e respectivos compósitos. Como parâmetros de processamento regulou-se, nos controladores da prensa, a temperatura de 190ºC e uma força de moldagem de 5 toneladas. Após o resfriamento, os materiais foram desmoldados, cortados e analisados pelas técnicas de DSC e TG. Calorimetria exploratória diferencial (DSC) As propriedades térmicas referentes aos compósitos de Polipropileno (com 20% de PP graftizado) sem fibras, com uma e com duas camadas de tecido de fibras de juta foram determinadas por meio de um equipamento de DSC, marca Shimadzu. Para isto, o material foi analisado sob atmosfera de Nitrogênio, vazão de 50 ml min -1 e razão de aquecimento de 10ºC min -1. O intervalo de temperatura utilizado foi de -50ºC a 400ºC e cada amostra (massa aproximada de 5mg) foi inserida em uma cápsula de Alumínio não hermética. Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG) Para a análise de TG foi utilizado, também, um equipamento da marca Shimadzu, para determinação das propriedades térmicas dos materiais. Para isto, as amostras de aproximadamente 5mg foram colocadas em um suporte de platina e analisadas sob atmosfera de Nitrogênio, com vazão de 50 ml min -1. A razão de aquecimento foi de 10ºC min -1, partindo da temperatura ambiente até atingir 800ºC.

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Calorimetria exploratória diferencial (DSC) As curvas resultantes das análises de DSC das amostras de PP+20% PP-g-AM sem fibras, e contendo, respectivamente, uma e duas camadas de tecido de fibras de juta estão apresentadas na Figura 1. Figura 1: Curvas de DSC comparando o PP + 20% PP-g-AM com os compósitos de fibras de juta. Nota-se na Figura 1 que as curvas dos três materiais apresentaram pico endotérmico a uma temperatura próxima de 166 ºC. Pesquisas com compósitos de polipropileno e bentonita organofílica, encontraram temperatura de fusão cristalina (Tm) entre 157 e 163 ºC (9). Em outro trabalho da literatura (10) que envolveu um estudo de compósitos de PP com casca de aveia, foi observada uma temperatura de fusão (Tm) equivalente a 164ºC para o PP sem reforço (10). Assim, os valores de temperatura relacionados aos picos endotérmicos dos compósitos com tecido de fibras de juta referem-se à temperatura de fusão cristalina da matriz polimérica (PP+20% PP-g-AM) dos materiais moldados.

5 A estreita variação nos valores de Tm encontrada para os três materiais moldados não foi significativa. Portanto, concluiu-se que a inserção das fibras de juta não influenciou no valor da Tm. Comportamento similar foi observado no trabalho de materiais compósitos de PP com argila (9). As análises térmicas dos compósitos de PP contendo casca de aveia também mostraram que a adição da fibra não provocou alterações da temperatura de fusão cristalina dos compósitos, que se manteve entre 164 e 166ºC (10). Estudos com compósitos de PP reforçados com bagaço de cana de açúcar deslignificado e com bagaço hidrolisado por enzimas apontaram que a temperatura de fusão praticamente não se alterou quando comparado o PP com os respectivos compósitos. Entretanto, foi observada uma redução significativa da entalpia de fusão ao introduzir a fase dispersa do compósito (11). Comportamento similar pode ser observado através do perfil das curvas dos materiais moldados (Figura 1), que revela redução da entalpia mediante adição de camadas de tecido de fibra de juta na matriz polimérica (PP+20% PP-g-AM). Outro fato que pode ser notado nos resultados de DSC (Figura 1) está relacionado à amostra do compósito de PP+20% PP-g-AM contendo dois tecidos de fibra de juta. De acordo com o perfil da curva deste material, observa-se um pico endotérmico a uma temperatura de 50,8 ºC que pode ser atribuído à vaporização de moléculas de água, devido à maior porcentagem de umidade presente neste compósito, por possuir maior quantidade de fibras de juta. Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG) A análise por termogravimetria dos materiais teve como intuito, inicialmente, comparar as temperaturas de decomposição da matriz termoplástica com e sem adição de fibras de juta, bem como avaliar a perda de massa das amostras quando submetidas a altas temperaturas. A tabela 1 apresenta os valores encontrados nas análises de TG e DTG da matriz termoplástica e de seus respectivos compósitos.

6 Tabela 1: Perda de massa das amostras de PP sem fibras, e dos respectivos compósitos contendo uma e duas camadas de tecido de fibras de juta. Perda de Massa Material T Inicial T Final % T máx PP + 20% PP-g-AM 358,4 479,55 94,96 452,32 PP + 20% PP-g-AM + 1 Juta 360,26 481,05 85,20 451,34 PP + 20% PP-g-AM + 2 Jutas 361,81 483,95 87,24 455,45 De acordo com os resultados da Tabela 1 nota-se que as amostras com adição do tecido de fibra de juta não apresentaram aumento significativo quanto à temperatura inicial de degradação, que permaneceu em torno de 360ºC. Resultados semelhantes foram encontrados em um estudo envolvendo compósitos de PP contendo bentonita organofílica, cuja temperatura inicial de degradação térmica das amostras não variou consideravelmente mediante adição desse tipo de argila, mantendo-se entre 362 e 363ºC (9). No que se refere aos valores de Tmáx (Tabela 1) relacionados às máximas das derivadas (DTG), não foram notadas alterações significativas entre os materiais analisados. Outro fato observado na Tabela 1, considerando as temperaturas iniciais e finais, foi que os compósitos contendo uma e duas camadas de tecido de fibras de juta reduziram a porcentagem de perda de massa em torno de 7 e 10%, respectivamente, quando comparada a matriz polimérica (PP+20% PP-g-AM) sem fibras. Na Tabela 2 estão apresentados os valores de perda de massa, em porcentagem, dos materiais analisados considerando intervalos de temperatura. Nesta tabela, para os compósitos, pode ser observado que até 110ºC ocorrem porcentagens de perdas de massa devido à umidade presente nas fibras de juta. Nos intervalos de 110 a 200ºC e 200 a 300ºC (Tabela 2) podem ser observados baixos valores de perda de massa, revelando certa estabilidade térmica de todos os materiais moldados. Sabe-se que a partir da temperatura de 245ºC inicia-se a decomposição da celobiose (unidade repetitiva da celulose) e, a partir de 275ºC, a degradação da celulose (12) presentes nas fibras de juta, justificando o aumento nos valores de perda de massa dos compósitos no intervalo de 200 a 300ºC.

7 Tabela 2: Perda de Massa das amostras analisadas considerando intervalos de temperatura. Perda de Massa (%) entre os intervalos de temperatura Material ºC ºC ºC ºC ºC PP + 20% PP-g-AM 0,00 0,27 0,11 14,07 83,35 PP + 20% PP-g-AM + 1 Juta 0,16 0,20 1,37 13,36 78,41 PP + 20% PP-g-AM + 2 Jutas 0,33 0,42 1,75 16,22 81,17 A partir de 300ºC ocorrem maiores perdas de massa devido à continuação da decomposição dos componentes presentes (celulose, lignina) nas fibras de juta, além da decomposição da matriz polimérica (PP+20%PP-g-AM) dos compósitos. No intervalo de 400 a 600ºC todas essas perdas de massa se intensificam até a decomposição praticamente total dos materiais analisados. Estudos de compósitos com resíduos de sisal como reforço de polipropileno virgem mostraram que a temperatura inicial de decomposição da matriz polimérica foi um pouco maior do que a encontrada no compósito contendo fibra de sisal (13). Em outro trabalho (14) de compósitos híbridos de epóxi reforçados com diferentes quantidades de fibras de juta e fibras de vidro foi observado que os compósitos que continham maior percentagem de fibras de juta perderam mais massa em função da temperatura, quando comparado às amostras contendo maior quantidade de fibras de vidro (14). Em outro trabalho da literatura (15), foi reportado que um compósito de matriz epóxi contendo fibras de juta apresentou temperatura inicial de degradação térmica de 255 ºC, e um compósito de matriz epóxi com fibras de bambu apresentou temperatura inicial de degradação térmica de 246 ºC. No caso deste trabalho, como as temperaturas iniciais de decomposição dos compósitos com fibras de juta estão bem acima da temperatura utilizada na moldagem (190ºC), pode-se afirmar que não ocorreu degradação das fibras durante a obtenção dos materiais compósitos. Desta forma, o compósito pode ser processado sem ocorrência de perda de massa do reforço.

8 CONCLUSÕES Por meio da execução deste trabalho, pode-se notar a viabilidade da moldagem dos compósitos de matriz PP (contendo 20% PP-g-AM) com tecidos de fibras de juta. Em relação às propriedades térmicas dos compósitos, os resultados das análises de DSC e TG revelaram que a adição da fibra de juta não influenciou significativamente na temperatura de fusão cristalina (Tm) do material. Entretanto, ao introduzir o tecido de fibra de juta na matriz (PP+20% PP-g-AM) notou-se uma redução na entalpia de fusão; isto porque parte da matriz polimérica foi substituída pelo tecido de fibras de juta. Não ocorreram ganhos significativos na estabilidade térmica da matriz polimérica ao adicionar a fibra de juta, porém houve redução da perda de massa dos compósitos entre 7 e 10% mediante a adição do tecido de fibras de juta. Além disso, visto que a temperatura de fusão da matriz polimérica utilizada é bem inferior à temperatura de início de degradação dos compósitos, as fibras de juta não se degradam durante o processamento dos compósitos de matriz PP (contendo 20% PP-g-AM). Pode-se concluir que os compósitos de matriz PP+20%PP-g-AM reforçados com tecidos de fibras de juta apresentaram adequadas propriedades térmicas, podendo ser utilizados em algumas aplicações industriais como, por exemplo, na moldagem de peças internas de automóveis, componentes para indústria moveleira, entre outros. REFERÊNCIAS (1) CALLISTER, W. D. Jr.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, (2) BRASKEM AMERICA, Enhancing Customer Performance with Innovativa, Sustainable Solution, Disponível em: < Principal/Arquivos/Download/Upload/USA_Corporate_Brochure.pdf>. Acesso em: 14 de maio de (3) YALLEW, T. B.; KUMAR, P.; SINGH, I. Sliding Wear Properties of Jute Fabric Reinforced Polypropylene Composites. Procedia Engineering, v. 97, p , (4) MARTIN, N. et al. Influence of the degree of retting of flax fibers on the tensile properties of single fibers and short fiber/polypropylene composites. Industrial Crops

9 and Products, v. 49, p , (5) MIRAOUI, I.; HASSIS, H. Mechanical Model for Vegetal Fibers-Reinforced Composite Materials. Physics Procedia, v. 25, p , (6) ALVES, C. et al. Ecodesign of Automotive Components Making use of Natural Jute Fiber Composites. Journal of Cleaner Production, v. 18, p , (7) ARJU, S. N. et al. Role of reactive dye and chemicals on mechanical properties of jute fabrics polypropylene composites. Procedia Engineering, v. 90, p , (8) KARADUMAN, Y.; ONAL, L. Flexural behavior of commingled jute/polypropylene nonwoven fabric reinforced sandwich composites. Composites Part B, v. 93, p , (9) LÍBANO, E. V. D. G.; VISCONTE, L. L. Y., PACHECO, E. B. A. V. Propriedades térmicas de compósitos de polipropileno e bentonita organofílica. Polímeros[online], v. 22, n.5, p , (10) FURLAN, L. G.; DUARTE, U. L.; MAULER, R. S. Avaliação das Propriedades de Compósitos de Polipropileno Reforçados com Casca de Aveia. Quim. Nova, v.35, nº 8, p , (11) OLIVEIRA, R. A. Comportamentos térmico e mecânico de compósitos de polipropileno e resíduo da hidrólise enzimática do bagaço de cana de açúcar p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, UNESP, Guaratinguetá. (12) WU, S. et al. Role of beta-o-4 glycosidic bond on thermal degradation of cellulose. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, v. 119, p , (13) ROSÁRIO, F. et al. Resíduos de Sisal como Reforço em Compósitos de Polipropileno Virgem e Reciclado. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v. 21, nº 2, p , (14) BRAGA, R. A.; MAGALHAES Jr, P. A. A. Analysis of the mechanical and thermal properties of jute and glass fiber as reinforcement epoxy hybrid composites. Materials Science and Engineering C, v. 56, p , (15) BISWAS, S. et al. Physical, Mechanical and Thermal Properties of Jute and Bamboo Fiber Reinforced Unidirectional Epoxy Composites. Procedia Engineering,

10 v. 105, p , THERMAL ANALYSIS OF POLYPROPYLENE MATRIX COMPOSITES WITH PROPERTIES OF JUTE FIBER FABRIC ABSTRACT Polymer matrix composites reinforced with natural fibers have been widely used by industries due to their mechanical and thermal properties that enable the application on different segments. Thus, in this study were molded polypropylene matrix composites by hot compression and addition of one then two jute fiber fabric in order to analyze the thermal properties of the material. Thereafter, the materials were cut and subjected to thermal analysis DSC (Differential Scanning Calorimetry) and TGA (Thermogravimetric Analysis). The results revealed that the addition of jute fiber did not significantly influence the crystalline melting temperature (Tm) of the material. However, by introducing the jute fiber fabric in the composite was noted a reduction in the enthalpy of fusion. Furthermore, there were increases regarding thermal stability of the material, resulting in reduction of weight loss of the composite from 7 to 10% upon addition of the jute fiber fabric. Key-words: Polypropylene, jute fibers, composites, thermal analysis.