INFLUÊNCIA DO TEOR DE LAMA VERMELHA COMO CARGA EM COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA DE CURAUÁ

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1 INFLUÊNCIA DO TEOR DE LAMA VERMELHA COMO CARGA EM COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA DE CURAUÁ Kamila Silva NUNES (MPEP/UFPa) Raimunda Figueiredo da Silva MAIA (PPGEQ/ITEC) Edinaldo José de Souza CUNHA (PRODERNA/ITEC) José Antonio da Silva SOUZA (FEQ/ITEC) RESUMO a utilização de resíduo do processo Bayer (lama vermelha), tem se intensificado como carga em compósitos de base polimérica. Características importantes da lama vermelha como a presença de silicoaluminatos, ajudam melhorar as propriedades mecânicas como resistência a abrasão, porém é notória a redução da resistência à tração com o aumento do teor de lama vermelha. Este trabalho mostra que a introdução de fibra natural como curauá, abundante na região amazônica, pode reduzir, em alguns casos tornar maior, propriedades como a resistência a tração destes materiais. O acréscimo de 10% em volume de fibra de curauá para compósitos produzidos com diferentes teores de lama vermelha (0, 10%, 20%, 30%) em volume foram ensaiados a tração e mostram resultados interessantes de aumento de resistência mecânica. Palavras chaves: Poliéster isoftálico, polímero, propriedades mecânicas. ABSTRACT the utilization of Bayer s process residue (red mud), has intensified as filler in polymer-based composites. Important characteristics of red mud as the presence of silicoaluminates, help improve the mechanical properties such as abrasion resistance, but is noticeable reduction of tensile strength with increasing content of red mud. This work shows that the introduction of natural fiber as curauá, abundant in the Amazon region, can reduce in some cases become bigger, properties such as tensile strength of these materials. The 10% increase in curauá fiber volume composites made from red mud of different concentrations (0, 10%, 20%, 30%) by volume were tensile tested, the results of increased mechanical strength were interesting. 1. INTRODUÇÃO Compósitos de matrizes poliméricas são muito utilizados em inúmeras aplicações, onde serviços de longo prazo em ambientes agressivos (ambientes ácidos ou alcalinos) são requisitados (BAGHERPOUR, BAGHERI e SAATCHI, 2009). Neste contexto, as resinas de poliéster insaturadas (resinas termofixas) são importantes materiais usados na indústria de compósitos, por que possuem elevados módulos de Young e uma faixa de temperatura de uso relativamente alta, devido suas densas reticulações. Uma aplicação comum em uso comercial das resinas termofixas é na forma de compósitos poliméricos reforçados com fibra de vidro (SPERLING, 2006). As fibras de vidro têm sido mais utilizadas por serem as mais baratas e por consequência terem o maior potencial de custo-benefício (GU, 2009). A lama vermelha, resíduo da indústria de alumina, apresenta potencial para uso como carga em compósitos poliméricos que poderá contribuir economicamente na redução dos custos de produção, bem como nas questões relacionadas com o ambiente, contribuindo como uma das opções para o destino do resíduo que é acumulado em grandes quantidades nos depósitos das refinarias de Alumina em geral, a exemplo do que ocorre na empresa Hydro Alunorte em Barcarena, PA. Enormes esforços têm sido direcionados a nível mundial para as questões de gestão da lama vermelha (BALOMENOS, 2011). Compósitos poliméricos desenvolvidos com lama vermelha e fibras vegetais como juta e sisal, apresentaram bons resultados referente a melhoria das propriedades estruturais, com destaques a resistência mecânica, resistência as intempéries e a retardância de chama. Os compósitos elaborados com poliéster ortoftálico, carregado com lama vermelha e reforçado com fibras de sisal e juta, superam matérias como a madeira, resistentes aos fungos, ao calor, a roedores e a corrosão. Os autores constataram que a aplicação conjunta destes materiais contribui também, com a relação custo/benefício, encorajando o uso como teto, cobertura e painéis (SAXENA et al. 2008) 496

2 O curauá é uma bromeliácea (Ananas lucidus. Mill), da mesma família do conhecido abacaxi, inclusive com aspectos muito semelhantes (Figura 2.7), apresenta como características: Resistência mecânica superior as outras fibras vegetais; Leveza; Ausência de odor; Suavidade ao toque (PEMATEC TRIANGEL, 2014). Cada planta de curauá apresenta em média folhas anuais, o equivalente a 120 g de fibra. Numa área de 1 ha é possível produzir kg de fibra seca anualmente, num período de 5-6 anos, o que corresponde ao seu ciclo de vida útil (SILVA, 2008). O presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência na resistência mecânica da adição de lama vermelha e fibra de curauá em compósito de matriz de poliéster isoftálico. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Produção da Placa de Compósito Para fabricação de compósito utilizou-se como matéria-prima poliéster isoftálico, lama vermelha fornecido por Hydro Alunorte S.A, fibra de curauá Ananas lucidus Mill, acelerador de cobalto de nome comercial (CAT.MET. 1.5% UMEDECIDO) adquirido da empresa AEROJET e catalisador metil-etil-cetona de nome comercial (BUTANOX 50) adquirido da empresa AEROJET. A lama vermelha (Figura 1) foi submetida a secagem a T=100 C por 4 horas, para retirada do excesso de umidade e desagregada através da passagem em peneira de malha 28 mesh. Figura 1. Lama Vermelha A fibra de curauá foi cardada, utilizando-se escovas de aço para promover a dispersão e orientação das fibras, sendo estas denominadas fibras cardadas (FCC), forma cortada em tamanho de 3 cm, e distribuídas uniformemente no molde de aço inoxidável com dimensões de (321 x173 x 18 mm), em seguida a manta foi prensadas com carga de 0,1 tonelada para conformação e redução do volume (Figura 2). Figura 2. Manta de fibra de curauá 497

3 A resina poliéster foi transferida para um Becker de 500 ml, adicionado 1% do acelerador de cobalto (CAT MET 1,5 % UMEDECIDO), homogeneizado manualmente, e em seguida foi adicionado 1% do catalisador de metil etil cetona (BUTANOX 50) que é homogeneizado e transferido para a forma contento a manta de fibra de curauá a 10% (v/v). Após a impregnação da resina foi aplicada uma carga de 2,8 ton para a formação da placa de poliéster com 10% de fibra de curauá e 0% de LV. A produção dos compósitos com carregamento de (10, 20 e 30% de LV) e fibra de curauá, apresenta pequena diferença de procedimento. A aplicação do acelerador e do catalisador mantém os mesmos percentuais em relação à resina, mas com alteração na ordem de aplicação, isto é, sobre a resina é aplicado o acelerador e em seguida é adicionada a lama vermelha nas proporções mencionadas para cada compósito e após a mistura da lama com o poliéster e acelerador, é adicionado o catalisador, que após a mistura completa, foram transferidos ao molde contendo a manta de fibra com 10% (v/v). E finalmente é aplicada a carga 2,8 Ton sobre a forma, para a conformação dos compósitos. Figura 3. Molde para confecção da placa de compósito A matéria prima e as respectivas proporções para a produção das placas do compósito estão listadas Tabela 1. Tabela 1. Composição dos compósitos %Resina %Lama vermelha %Fibra de Curauá Ensaio de Tração Os corpos de prova Figura 4 foram obtidos segundo norma ASTM 3039, foram ensaiados na máquina AROTEC WDW E III Figura 4 com carga de 2mm/min, foram feitos ensaios com cinco corpos de prova para cada compósito de lama vermelha reforçado com 10% de fibra de curauá, com comprimento útil de 150mm. 498

4 Figura 4. Equipamento universal de ensaio de tração 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados do ensaio de tração apresentados na Figura 5 mostra o comportamento mecânico dos compósitos com adição de lama vermelha e fibra de curauá. Observou-se, o módulo de elasticidade foi reduzindo com aumento de percentual do rejeito reforçado com 10%(v/v) de fibra de curauá. Para a matriz de poliéster isofitálico (resina termofixa) o módulo de elasticidade teórico é de 2,06-4,41GPa (CALLISTER, 2012). Segundo SAXENA, 2008 os resultados dos testes de módulo de ruptura (MOR) em diversas combinações de poliéster, de lama vermelha e fibras de sisal, verifica-se que a adição de lama vermelha no polímero aumenta o módulo de Young de laminados. Surpreendentemente, o módulo de ruptura é reduzido em compósitos de fibra de sisal de poliéster cortadas, e que melhores resultados podem ser obtidos entre lama vermelha/poliéster/fibra tecida. Neste trabalho com fibra cortada de curauá observou-se que o módulo de Young diminui conforme literatura. Figura 5. Módulo de elasticidade dos compósitos reforçados com 10% FCC No presente trabalho ocorreu comportamento distinto em relação ao uso de LV e fibra de curauá, os resultados da tensão de ruptura com fibra de curauá sem LV foi de 14,24 MPa. Com o aumento de lama vermelha para 10% (v/v) foi alcançada tensão de ruptura de 24,62 MPa e para os 499

5 valores de frações volumétricas de 20 e 30% de LV e 10% de fibra de curauá os resultados de tensão reduziram para 22,59 MPa e 21,19 MPa respectivamente Figura 6. Este comportamento é justificado pelo aumento da dispersão das fibras de curauá com a adição de maior percentual de LV no compósito. Figura 6. Médias dos valores das tensões máximas dos compósitos reforçados com 10% FCC Segundo ZHANG et al.(2011) obtiveram aumento da resistência a tração em compósitos poliméricos usando lama vermelha nas frações mássicas de 0% a 15%, mas em frações mássicas acima de 20% a resistência a tração diminui drasticamente. Onde atribuem este comportamento a formação de maior número de agregados das partículas de lama vermelha em percentual acima de 15 % (m/m), contribuindo para o aparecimento de regiões de elevada concentração de tensões, que reduzem a resistência ao esforço de tração. Pode haver duas razões para o declínio da resistencia a tração do compósito com adição de LV acima de 20% (v/v); Uma possibilidade é que a reação química na interface particula/ matriz seja fraca para transferir a tensão de tração para a carga; a outra é que os pontos dos cantos das partículas de forma irregular resultem em concentrações de tensões na matriz poliéster (SATAPATHY e PATNAIK, 2008). 4. CONCLUSÃO A adição de fibra de curauá em poliéster isoftálico apresenta tensão de ruptura em testes de tração, com resultado de 14,24 MPa, expressivamente menor que os resultados com a adição de lama vermelha, justificado pela dificuldade de dispersão dos feixes de fibra, causando pontos de tensões sobre as regiões frágeis da matriz. O melhor resultado de resistência à tração foi 24,62 MPa, nas proporções de 10%(v/v) de lama vermelha e 10% (v/v) de Fibra, fato atribuído a melhor dispersão das fibras de curauá na matriz de poliéster. O aumento de lama vermelha contribuiu com a melhoria do modulo de elasticidade, alcançando um máximo de 0,7269 GPa para compósito de 10%(v/v) de LV e 10% (v/v) de fibra. AGRADECIMENTOS Agradecemos a FADESP pelo apoio financeiro, e aos responsáveis do Laboratório de Usina de Materiais UFPA, Laboratório de Resistência dos Materiais do IFPA por todo suporte na realização deste trabalho. 500

6 REFERÊNCIAS ASTM, AMERICAN SCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. D3039_D3039M-00E02, Test method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, BAGHERPOUR, S.; BAGHERI, R.; SAATCHI, A.. Effects of concentrated HCl on the mechanical properties of storage aged fiberglass polyester composite. Materials and Design, vol. 30, nº 2, p , BALOMENOS, E. et al. Efficient and complete exploitation of the bauxite residue (red mud) produced in the Bayer process. In: Proceedings of EMC p CALLISTER, W. D. Rethwisch; tradução Soares, Sergio Murilo Stamile; revisão técnica D Almeida, José Roberto Moraes. Rio de Janeiro: LTC 2012, Ciência e Egenharia dos Materiais: Uma Introdução. 8 th Ed GU, H.. Behaviours of glass fibre/unsaturated polyester composites under seawater environment. Materials and Design, vol. 30, nº 4, p , PEMATEC TRIANGEL, Acessado em outubro de 2014 SAXENA, M., Asokan, P., Ruhi, B., and Verma, A. Incorporation of industrial wastes along with natural fiber for the development of innovative building materials. In: Dr. B. Mishra, Dr. C. Ludwig, and Dr. S. Das (Eds.). Proceeding of the Global Symposium on Recycling, Waste Treatment and Clean Technology, TMS, Cancun,Mexico, pp , SAXENA, M., MORCHHALE, R.K., ASOKAN, P., PRASAD, B. K. Plant fiber industrial waste reinforced polymer composites as a potential wood substitute material. Journal of Composite Materials; v.42 n. 4: p , SATAPATHY, Alok; PATNAIK, Amar. Analysis of dry sliding wear behavior of red mud filled polyester composites using the Taguchi method. Journal of Reinforced Plastics and Composites, SILVA, R. V.; AQUINO, E. M. F. Curauá fiber: a new alternative to polymeric composites. Journal of reinforced plastics and composites, v. 27, n. 1, p , 2008 SPERLING, L. H.. Introduction to Physical Polymer Science. 4th edition. John Wiley & Sons, p ZAH, R. et al. Curauá fibers in the automobile industry a sustainability assessment. Journal of Cleaner Production, v. 15, n. 11, p , ZHANG, Yihe et al. Red mud/polypropylene composite with mechanical and thermal properties. Journal of Composite Materials, v. 45, n. 26, p ,