ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS COM RELAÇÃO A UMIDADE DA FIBRA VEGETAL UTILIZADA PARA CONSTRUÇÃO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

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1 VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA VI NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 18 a 21 de agosto de 21 Capina Grande Paraíba - Brasil August 18 21, 21 Capina Grande Paraíba Brazil ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS COM RELAÇÃO A UMIDADE DA FIBRA VEGETAL UTILIZADA PARA CONSTRUÇÃO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS Igor kengi kaiya, ikenji7@hotail.co 1 Celso Carlino Maria Fornari Junior 2 1 Uiversidade Estadual de santa Cruz, Engenhaira de Produção e Sisteas 2 LAPOS Laboratório de Políeros e Sisteas, Universidade Estadual de Santa Cruz Resuo: As ibras vegetais apresenta boa copatibilidade e copósitos poliéricos alcançando-se u bo desepenho ecânico. Alé disto, as ibras vegetais surge coo ua alternativa econôica e natural, pois sua produção gera baixo ipacto abiental, e apresenta baixo custo, aliados a isto tê outros atores coo ser recicláveis e provenientes de onte renovável. Avaliaos neste trabalho o coportaento ecânico através de ensaios de lexão a três pontos de copósitos a base de poliéster ortotálico e ibras de coco co teor de uidade. As ibras ora icronizadas e u oinho de acas, selecionadas por eio de peneiras e icara expostas e abiente atosérico co considerável teor de uidade para posterior oração dos copósitos e avaliação. Os copósitos ora avaliados por eio de corpos de prova eitos e ensaiados segundo a noratização brasileira NBR Coo resultado deste trabalho observa-se que a uidade inluência no processo de cura do copósito a base de poliéster ortotálico e ibra icronizada de coco, intererindo nas propridades ecânicas. Palavras-chave: Copósito, ibra de coco,poliéster, Uidade. 1. INTRODUÇÃO A busca por novos ateriais que viabilize iniizar os probleas abientais, tão discutidos nos últios tepos, te levado os cientistas a desenvolvere copósitos utilizando ibras naturais coo cargas reorçantes (Wabua & Pothan, 23). Estas estão sendo bastante estudadas para substituir parcialente e até totalente as ibras sintéticas e uitas aplicações, especialente aquelas cujas condições de uso são enos severas (Lee et al, 1989; Silva et al, 1999). Dentre as ibras naturais a ibra vegetal te se destacado, por possuir propriedades características que contribue para a copatibilidade entre a ibra e a atriz, sendo assi utilizada e vários copósitos de atrizes poliéricas (Souza & Souza, 23). Estas ibras tabé tê sido estudadas por possuíre baixa densidade, ser proveniente de onte renovável, ser biodegradáveis, alé do ato de sere atóxicas e de apresentare boas propriedades téricas e alto ódulo especíico. As ibras vegetais te sido alvo de investigação desde alguns anos, onde particularente o governo da Índia na década de 7 prooveu a construção de casas populares co copósitos à base de juta e poliéster (Bledzki & Gassan, 1999). As ibras são copostas de ibrilas, aterial celulósico, unidos pelo aterial ligante da planta, suas coposições quíicas são seelhantes, sendo copostas basicaente de celulose, heicelulose e lignina, associada a outros ateriais e pequenas proporções (Mendes, 22). Durante a década de 9 inúeras patentes aericanas ora depositadas, deonstrando o interesse uturo no desenvolviento e aplicação industrial nos copósitos poliéricos (Wollerdorer & Bader, 2; English, 1998). Fibras de sisal ora analisadas quanto a sua coposição e copriento crítico e atriz poliéster, e identiicou-se o eeito da percentage ponderal da ibra e unção das propriedades ecânicas do copósito (Carvalho et al, 1999). Estudos co ibra vegetais do coco na sua ora icronizada ou oída apresenta iportância signiicativa pelo ato de produzire copósitos poliéricos co aior hoogeneidade do aterial (Correa et al, 23). As ibras oídas apresenta ua aior área de contato e relação às ibras longas. Isto possibilita ua aior interação entre os constituintes do copósito, o que terina por avorecer ua elhor interação ísica entre eles. Alé disto, as propriedades do copósito são ais isotrópicas avorecendo a sua aplicação e utilização e aplicações diversas. Por outro lado, as ibras oídas possue ua alta capacidade de reidratação ou eso absorção de uidade a partir do ar, o que pode ser u inconveniente para aplicações industriais, podendo inclusive inviabilizar a sua

2 V I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o 2 1, C a p i n a G r a n d e - P a r a í b a utilização. As ibras vegetais de coco, rapidaente absorve a uidade do abiente auentando consideravelente a sua densidade e incorporando água a coposição desta e conseqüenteente alterando as propriedades inais do copósito ou produto industrial. O processaento de ateriais copósitos poliéricos e ibras vegetais apresenta particularidades iportantes no que se reere às condições de cura e as propriedades ecânicas. No processo quíico de reticulação do poliéster insaturado ortotálico utilizando iniciador peróxido de etil etil cetona e acelerador a base de cobalto, a água pode intererir na velocidade de cura do políero. Neste trabalho avaliara-se cinco aostras de corpos de prova de aterial copósitos a base de poliéster insaturado ortotálico e ibras de coco co 1 esh de granuloetria, onde oi variado o teor de uidade na ibra. Observou-se a propriedade ecânica de lexão destes corpos de prova, por eio de ensaio bi-apoiado co aplicação de carga e u ponto central segundo nora técnica ABNT METODOLOGIA As rutas de coco verde ora colhidas no oento do seu processaento, sendo descascadas de ora a extrair do esocarpo as ibras a sere utilizadas. Estas cortadas edia aproxiadaente 1 x 1 e tinha u copriento aleatório. Iediataente após o corte as ibras ora acondicionadas e recipiente contendo água lipa, de ora a evitar a oxidação da ibra e presença do ar atosérico. As ibras ora então colocadas e estua co circulação de ar arca Biopar odelo: S255AT e secas durante 8 horas a teperatura de 12 ºC. Após a secage apresentara espessura édia de 2,5 x 1 e copriento aleatório. Fora oídas e oinho de acas arca TECNAL odelo WILLYE TE-648 e separadas por peneiras conore nora técnica NBR 1439 étodo A. As ibras de granuloetria de 1 esh ora então novaente secas, desta vez e orno icroondas na potência de 9W até a estabilização do seu peso, para só então icare exposta e condições abiente e atingire as uidades controladas de 12,5, 25 e 5% e peso, necessárias para este experiento. No copósito a carga lignocelulósica oi adicionada na ração ássica de 5% e relação ao políero. O poliéster insaturado ortotálico pré-acelerado co sal de cobalto oi obtido da epresa Croitec sendo reticulado co 1% de iniciador peróxido de etil etil cetona e solução de estireno. Para a pesage dos ateriais utilizou-se balança de cinco casas deciais da arca Bioprecisa odelo FA 214 N. A istura do copósito oi eito nu agitador ecânico da arca SERVITECH odelo CT-54 a ua velocidade de 2RPM. Os corpos de prova ora eitos utilizando-se atrizes siliconadas, e curadas por 6 inutos e teperatura abiente e pós-curadas e estua à 85ºC por ais 6 inutos. Avaliaos a resistência ecânica à lexão dos corpos de prova de ibras contendo uidade e coparaos co copósitos orados co a ibra seca. Os ensaios ora conduzidos e equipaento de ensaio universal co deslocaento negativo e obedecendo as condições da nora ABNT NBR RESULTADOS E DISCUSSÕES Fora coneccionados corpos de prova visando analisar a inluência da uidade na reticulação. Avaliou-se a propriedade ecânica de deoração sob tensão e resistência à lexão. As ibras copletaente secas ora pesadas na proporção de 5% e relação ao políero e posteriorente antidas e abiente úido até atingire uidade à ibra. As rações voluétricas dos constituintes do copósito co 5% e assa de ibra, isto é, da ibra isenta de uidade (V ) e da resina poliéster (V ) ora obtidas a partir das densidades desses ateriais conore indicado na Eq. (1), onde e corresponde á assa da ibra e do políero respectivaente e ρ e ρ as densidades da ibra e do políero respectivaente. V = ρ ρ + ρ A ração voluétrica da ibra de coco no copósito poliérica é u dado iportante a ser considerado para a propriedade de densidade do aterial (Vianna et al, 28). Os copósitos ora coneccionados co 5% e assa de ibras de coco, no entanto a ração voluétrica das ibras atinge a proporção de 25%. Devido à baixa densidade das ibras oídas conore apresentado na Tab. (1), observa-se que a densidade destas diinui à edida que o taanho de partícula tabé diinui. Isto indica que quanto enor o taanho de partícula aior deve ser o espaçaento entre elas.

3 V I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o 2 1, C a p i n a G r a n d e - P a r a í b a Tabela 1. Densidade das ibras oídas e oinho de acas e separadas conore taanho de partícula Granuloetria (esh) Densidade (g/c³) 1,18 8,2 5,23 4,24. Devido às características altaente higroscópicas das ibras vegetais, o seu arazenaento e eso a utilização no oento do processaento torna u ator iportante e que exige cuidados especiais. A presença de uidade altera a velocidade de reticulação das ibras ao eso tepo e que inluencia nas propriedades ecânicas do copósito co poliéster ortotálico, estireno e peróxido de etil etil cetona Alé disto, a uidade altera diretaente a processabilidade do copósito, diante do qual a sua viscosidade tabé é alterada. A viscosidade do copósito tende a auentar de aneira ais ou enos proporcional a quantidade voluétrica da ibra. Outro dado iportante relacionado à ibra é que a sua presença é a principal responsável pela absorção de uidade do copósito. Alguas outras causas tabé contribue para absorção de água coo a absorção pela própria assa poliérica a partir da uidade do ar, uidade absorvida na parede da atriz e uidade presente no peróxido. Para cada ensaio ora coneccionados 6 corpos de prova de cada aostra sendo que estas possuía as esas diensões. Ao ensaiar este aterial co uidade e sua coposição, obtivera-se dierentes respostas ecânicas. Fazendo ua analise coparativa da deoração e unção do teor da uidade pode-se perceber que a ibra isenta de uidade apresenta deoração aior do que a ibra úida. Através da Fig. (1) podeos perceber que há ua diinuição quase linear da deoração destes corpos de prova quando solicitado a lexão. Uidade (%) Deoração do aterial e unção da uidade ,5,7 1,4 2,1 2,8 3,5 4,2 Deoração () Figura 1. Deoração dos corpos de prova co variação do teor de uidade a partir de ensaio de lexão. Nota-se tabé que copósitos orados co enor teor de uidade tê aior tenacidade, indicando que ocorre nestes casos ua aior absorção de energia por parte dos corpos de prova. Possivelente a uidade que intereriu no processo da oração do copósito, servindo coo u epecilho para a ais copleta reticulação das cadeias poliéricas, diicultou a aior tenacidade ou absorção de energia no oento da solicitação ecânica. Esta intererência está centrada na capacidade que o arranjo olecular te e se reacoodar no oento da lexão iposta ao aterial, absorvendo assi ais energia ecânica quanto aior a capacidade que o aterial te redistribuir entre suas oléculas esta energia.

4 V I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o 2 1, C a p i n a G r a n d e - P a r a í b a O gráico da Fig. (2) apresenta os resultados do teste de lexão na ibra seca e co dierentes proporções de uidade. Energia (Kj/²) Tenacidade dos corpos de prova 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 12, Teor de Uidade (%) Figura 2. Tenacidade dos corpos de prova de aterial poliérico e ibra vegetal co dierente teor de uidade. Sabendo-se que a absorção de uidade é deterinada pela área de contato entre os constituintes, assue-se que a aior parte desta uidade oi acoodada nas partículas que estão e contato co o ar atosérico. As ibras que ora antidas a atosera abiente co uidade relativa do ar entre 8 e 9% e incorporara água na sua estrutura, apresentara propriedade dierente co relação à resistência ecânica nos corpos de prova quando subetidos à lexão. O teor de uidade na coposição do corpo de prova reletiu de ora substancial e sua propriedade, pois os copósitos gerados a partir de ibras secas suportara ua tensão signiicativaente aior quando coparado aos que estava úidas. A Fig. (3), deonstra a tensão dos corpos de prova de acordo a uidade presente na coposição da ibra. Tensão (MPa) 2,5 Tensão dos copósitos 2, 1,5 1,,5 12, Teor de Uidade (%) Figura 3. Gráico da tensão dos corpos de prova e unção da uidade. A orologia da ibra e a sua coposição quíica são atores que inluencia no processo de absorção de uidade. Devido à alta porosidade que as ibras apresenta, e que estão relacionadas co a sua baixa densidade alé da sua coposição quíica, estas pode hospedar quantidades signiicativas de água entre o arranjo celulósico. Segundo trabalhos de Frollini (22), a coposição quíica constituída de lignina é ua das responsáveis pela absorção de água na ibra vegetal, entretanto a parede celular da ibra parece ser a causa principal. Os estudos de Mitra et al (2), aira que a água encontra lugar entre os espaços livres dos eixes adjacentes de ibra, os quais aloja água até a sua copleta saturação.

5 V I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o 2 1, C a p i n a G r a n d e - P a r a í b a A água na superície da ibra age coo u agente de separação na interace ibra-atriz devido aos vazios que aparece na atriz por conta da vaporação da água durante o processo de secage do copósito. Esses vazios acaba por diinuir as propriedades ecânicas do copósito. No desenvolviento dos trabalhos de oração de copósitos, observaos que a ibra adquire uito rapidaente a uidade a partir do ar atosérico quando e contato direto co este. A absorção de uidade das ibras inluência e dois atores iportantes no aterial copósito, o que se relete na alteração das propriedades ecânicas do aterial. A variação do peso absoluto e conseqüenteente a ração voluétrica da ibra é distorcida se não or considerada a uidade presente. Isto perite que na oração do copósito ua enor quantidade de ibra seja incorporada e troca da qual ua quantidade de uidade é adicionada ao políero. Outro ator iportante o qual é o objetivo principal deste trabalho está relacionado co a inluência da uidade na velocidade de reticulação do poliéster do tipo ortotálico. Na reticulação de poliéster utilizando sais de cobalto coo acelerador, a uidade contida na ibra é suiciente para reagir co o sal de cobalto e orar u coplexo enos ativo, o que retarda a velocidade de reticulação auentando o tepo de gel. Visando estudar a inluência do processo de cura no copósito ora coneccionados corpos de prova que contendo 12,5% de uidade variando o período de peranência na estua de 6 e 18 inutos à 85ºC. As Fig. (4) e (5) são os resultados do ensaio de lexão seguindo nora ABNT Figura 4: Tensão x deoração de copósitos a base de poliéster e 5% p/p de ibra á 1esh co 12,5% e acondicionadas por 6 inutos á 85 ºC. Figura 5. Tensão x deoração de copósitos a base de poliéster e 5% p/p de ibra á 1esh co 12,5% e acondicionadas por 18 inutos á 85 ºC. O gráico da Fig. (6) apresenta os resultados do teste de lexão e aterial copósito e unção do tepo de cura na ibra seca e co dierentes proporções de uidade.

6 V I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o 2 1, C a p i n a G r a n d e - P a r a í b a Tensão (MPa) Tensão X Tepo de Cura 2 1,5 1, Tepo (in) Figura 6. Resultado da tensão e corpos de prova co 12,5% de uidade na ibra e unção do tepo de cura. Os valores de tensão dos copósitos co tepos de peranência de 6 e 18 inutos e estua a 85ºC deonstrara ua variação das propriedades ecânicas. Os corpos de prova que icara ais tepo acondicionados na estua apresentara ua resistência ecânica signiicativaente aior O ato de iporos ua aior quantidade de energia térica ao aterial avorece dois atores undaentais para a reticulação do políero. O prieiro ator está relacionado co a velocidade de reação de reticulação do poliéster. Quanto aior energia térica é adicionada ao sistea, aior será a velocidade de reação e conseqüenteente a sua reticulação. O segundo ator está baseado na evaporação da água presente no copósito, diinui na edida e que o aterial é aquecido. Conseqüenteente a enor quantidade de uidade avorece a aior velocidade de reticulação ou cura do políero. 4. CONCLUSÃO: Os resultados deste trabalho deonstrara que a uidade interere nas propriedades ecânicas do aterial copósito (políero e ibra de coco). A deoração dos copósitos co 12,5, 25 e 5% de teor uidade na ibra oi enor para aquelas que tinha ais água na sua coposição. Os corpos de prova que tinha enos uidade deonstrara possuir aior resistência a tensão, coportaento este igual para a tenacidade. Ao condicionar os copósitos co 12,5% de uidade na estua variando o tepo de peranência destes de 6inutos para 18inutos, oi constatado u auento da resistência e unção da exposição à teperatura. 5. REFERÊNCIAS Bledzki, A.K, Reihane, S., Gassan J., 1999, Coposites reinorced with cellulose based ibres. Progress in Polyer Science. Vol. 24, pp Correa, C. A., Fonseca, C. N. P., Neves, S., Razzino, C. A., Hage Jr., E., 23, Políeros Vol. 13, pp Das, S., Saha, A. K., Choudhury, P. K., Basak, R. K., Mitra, B. C., Todd, T., Lang, S.,2, J. Appl. Poly. Sci. Vol. 76, pp English, B., 2, Proceedings o the Wood-plastic conerence. 6. Joseph, K., Medeiros, E. S., Carvalho. L. H., 1999, Políeros: Ciência e Tecnologia. Vol. 9, pp Lee, S. M., 1989, Natural iber coposites. In: International encyclopedia o coposites. Vol. 4, pp Mendes, J., 22, Desenvolviento de u coposto biodegradável para isolaento térico. Dissertação de Doutorado. PDCEM/UFRN. Silva, R. R. F., Obeltrão, N. E. M., 1999, O agronegócio do sisal no Brasil. Brasília: EMBRAPASPI. Souza, A., Souza D. A., 23, Estrutura e Propriedades da Fibra de Coco e do Copósito Fibra de Coco/Poliuretana, artigo e ipressão. Tita, S. P. S., Paiva, J. M. F., Frollini, E., 22, Políeros: Ciência e Tecnologia, Vol. 12, pp Vianna, W. L., Correa, C. A., Razzino, C. A., 28, Polieros, Vol. 4, pp Wabua, P., Ivens, J., Verpoest, 23, I. Coposites Science and Technology. Vol. 63, pp Wollerdorer, M., Bader, H., 1998, Ind. Crops and Prod., Vol. 8, pp. 15.

7 VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA VI NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 18 a 21 de agosto de 21 Capina Grande Paraíba - Brasil August 18 21, 21 Capina Grande Paraíba Brazil STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES IN RELATION TO MOISTURE FIBER PLANT USED FOR CONSTRUCTION OF COMPOSITE POLYMERIC Abstract: The vegetable ibers have good copatibility in polyer coposites is achieving a good echanical perorance. In addition, vegetable ibers eerge as an alternative econoic and natural, its production generates a low environental ipact, and presents a low cost, coupled with other actors that have to be ro recyclable and renewable resource. Evaluated in this study the echanical behavior by testing a three-point bending o coposite polyester base orthophthalic and coconut-iber oisture content. The ibers were icronized in a grinder o knives, selected through sieves and were exposed to atospheric environent with considerable oisture content or urther training and evaluation o coposites. The coposites were evaluated using speciens ade and tested according to standards Brazilian NBR As a result o this work is observed that the oisture inluence on the healing process o the coposite polyester base orthophthalic and icronized coconut iber, interering in the echanical properties by. Keywords: Coposite, coconut iber, polyester, Moisture.