PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS POLIÉSTER/JUTA E POLISTER/JUTA- VIDRO PULTRUSADOS. EFEITO DE ENVELHECIMENTO TÉRMICO A ÚMIDO E A SECO.

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1 PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS POLIÉSTER/JUTA E POLISTER/JUTA- VIDRO PULTRUSADOS. EFEITO DE ENVELHECIMENTO TÉRMICO A ÚMIDO E A SECO. Carvalho, L.H (1).; Alsina, O.L.S.(2) ; Souza, G.C (3).; Ramos Filho, F.G (3).; Paiva Junior, C.Z (3)., Silva, J.A.L (3).; Medeiros, E.S (3)., Lima, M.S (3) (1) e (2) professores do DEMa e DEQ/UFPB; (3) bolsistas PIBIC/CNPq/UFPB UFPB/CCT/DEMa, C.P , CEP , Campina Grande, PB. laura@dema.ufpb.br Resumo No presente trabalho a influência da pré-secagem das fibras de juta e da incorporação de fibras de vidro nas propriedades tênseis de compósitos poliéster/juta pultrusados foram analisadas em função do tipo de envelhecimento térmico - a seco (em estufa) e a úmido (por imersão em água fervente) a que os compósitos forma submetidos. O efeito da inclusão de fibras de vidro na absorção de água dos compósitos foi determinada. Os resultados mostram que: a) a pré-secagem das fibras leva a um aumento nas propriedades dos compósitos; b) compósitos reforçados por cordões híbridos juta-vidro exibiram propriedades mecânicas mais elevadas e menor absorção de água do que os compósitos reforçados por cordões de juta; c) o envelhecimento (térmico e a úmido) dos compósitos levou a um decréscimo nas propriedades da matriz e de todos os compósitos investigados, sendo este decréscimo mais acentuado nos compósitos sujeitos ao envelhecimento a úmido. Os comportamentos observados foram associados a alterações na adesão interfacial; à degradação da matriz e, no caso do envelhecimento a úmido, à absorção de água. Palavras-Chave: compósitos, propriedades mecânicas, juta, poliéster, compósitos híbridos juta-vidro, envelhecimento. Abstract CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49001

2 This work deals with the effects of glass fibre addition and fibre drying on the tensile properties of polyester/jute composites as a function of thermal and hydrothermal ageing. The influence of glass fibre addition on the composite s water absorption was ascertained. Our results show that: a) the composite s mechanical properties are enhanced by fibre drying; b) jute-glass hybrid composites have better mechanical properties and lower water absorption than jute reinforced composites; c) both thermal and hydrothermal ageing lead to a decrease in matrix and composite mechanical properties, the decrease being more severe in composites subjected to hydrothermal ageing. The mechanical behaviour of the composites was associated with changes in interfacial adhesion, matrix degradation and, for hydrothermal ageing, to water absorption. Key-words: composites, mechanical properties, jute, polyester, jute-glass hybrid composites, ageing. INTRODUÇÃO Compósitos são materiais heterogêneos que consistem da combinação física de uma fase contínua ou matriz e outra faze dispersa chamada de reforço[1]. Compósitos poliméricos são materiais muito empregados em vários ramos da indústria pois são capazes de aliar as propriedades de seus componentes individuais no desenvolvimento de produtos específicos para várias aplicações. As propriedades de um compósito dependem, entre outros fatores, da natureza dos componentes individuais,do tipo, forma e teor do reforço, da adesão interfacial e também do método de conformação utilizado pois o uso de pressão e temperatura pode elevar o teor total de reforço no compósito, promover a sua orientação, diminuir a presença de defeitos e levar ao seu melhor molhamento pela matriz[2]. De modo geral, processos de conformação que utilizem pressão e temperatura e o uso de reforços fibrosos, principalmente fibras longas e alinhadas, tendem a gerar compósitos com propriedades mecânicas superiores e anisotrópicas. A utilização de fibras longas e contínuas em processos de compressão ou hand lay-up não é viável. Nestes casos, os processos de pultrusão e enrolamento (filament winding) além de gerarem produtos com propriedades superiores, são mais práticos e utilizados[3,4]. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49002

3 Matrizes poliméricas elastoméricas, termoplásticas e termofixas têm sido largamente utilizadas em compósitos. Dentre as resinas termofixas mais utilizadas comercialmente destacam-se as de poliéster insaturado, fenólicas e epoxídicas. As de poliéster insaturado devido à sua facilidade de conformação, propriedades mecânicas e custo são as mais empregadas em artefatos de uso geral ou de resistência mecânica intermediária tais como carcaças de barcos, escorregadores, materiais esportivos e artigos decorativos[5-7]. A maior parte dos compósitos poliméricos de alto desempenho é reforçada por fibras sintéticas e longas como as fibras de vidro, carbono e Kevlar. No entanto, nos últimos anos, as pesquisas sobre a utilização das fibras vegetais como elemento de reforço em matrizes poliméricas têm sido bastante intensificadas[5-7]. Isto porque estas fibras, apesar de não serem tão resistentes quanto as fibras sintéticas, possuem um bom conjunto de propriedades mecânicas, são abundantes e de baixo custo, apresentam densidade e abrasividade reduzidas, são biodegradáveis e possuem importância econômica para as regiões produtoras, particularmente no Norte e Nordeste brasileiros. As desvantagens que essas fibras possuem estão relacionadas à incompatibilidades com as matrizes poliméricas, alta absorção de água e pobre resistência à alguns microorganismos. Este último aspecto, isto é, a biodegradabilidade destas fibras, quando se considera o descarte destes produtos e seu impacto ambiental, pode ser um fator positivo. Uma outra desvantagem associada à produção comercial de compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais é a grande variação em suas propriedades mecânicas que dependem entre outros fatores das condições climáticas e riqueza do solo durante o cultivo[5-7]. Visando produzir produtos com melhores propriedades mecânicas e minimizar os problemas de adesão, pesquisas têm sido conduzidas sobre os efeitos e vantagens do uso de agentes de acoplamento ou de modificações superficiais das fibras no desempenho final de compósitos[5-8]. Estes métodos, porém, via de regra são caros e pouco práticos em operações industriais. Outras formas bastante promissoras de se melhorar o desempenho de compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais incluem a secagem prévia das fibras[9] e/ou a hibridização[10-11], ou seja, a mistura de reforços naturais e sintéticos pois estes últimos, em geral, são materiais relativamente inertes, imunes ao ataque biológico e têm boa resistência a alguns agentes químicos e solventes [5-6,11]. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49003

4 Por todos estes motivos, no presente trabalho avaliou-se as propriedades mecânicas de compósitos poliéster/juta pultrusados. A influência da pré-secagem das fibras e da hibridização do reforço nas propriedades de compósitos sujeitos a dois tipos de envelhecimento térmico (a seco e a úmido) foram estudadas. A absorção de água pelos compósitos sujeitos ao envelhecimento hidrotérmico foi determinada em função do tempo. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Compósitos poliéster/juta e poliéster/juta-vidro foram preparados por pultrusão Utilizou-se como matriz uma resina poliéster insaturada ortoftálica, pré-acelerada (RESAPOL ), fornecida pela Resana S/A., catalisada com 1% de MEK (Brasnox DM50). Os reforços empregados foram: a) cordões de Juta de classificação 10/2 fornecidas pela Indústria Têxtil Castanhal S/A.; b) cordões híbridos contendo 44% em peso de juta e 56% em peso de fibra de vidro, obtidos pela torção de uma perna do cordão de juta 10/2 com uma perna de mecha (roving) de fibra de vidro de classificação 111A-408, fornecida pela Ownens Corning S/A. Mechas contendo 40 cordões (híbridos ou não) alinhados eram obtidas enrolando-se as fibras ao redor de pregos distantes 130cm entre si. Estas mechas (previamente secas ou não) eram utilizadas num processo de pultrusão de operação intermitente ilustrado na Figura 1. As mechas eram embebidas na resina catalisada e puxadas para o interior de um molde de madeira de 110x5x0,3cm onde eram mantidas e deixadas curar por 24h à temperatura ambiente. O teor total de fibras nos compósitos, em média, foi de 36% em peso nos compósitos híbridos e 32% em peso nos compósitos reforçados por juta. Esta diferença na composição é devido ao fato que os cordões híbridos são mais pesados do que os de juta. Figura 1 - Ilustração esquemática da pultrusora utilizada. A pré-secagem das fibras era realizada em secador convectivo, desenvolvido em nossa Instituição, operando por 2h a 80ºC. O secador consiste de um controlador de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49004

5 temperatura(1); um ventilador(2) que movimenta a massa de ar quente dentro do tubo de aquecimento(3) para o tubo de secagem das fibras(4) com velocidade monitorada por um controle(5) atuando no ventilador(2)., conforme ilustrado na Figura 2. As fibras, imediatamente após a secagem, eram embebidas na resina e puxadas para o interior do molde de pultrusão. Figura 2 Esquema de funcionamento do secador convectivo. A partir das barras pultrusadas, foram serrados e lixados corpos de prova com dimensões de 130x12,7x3mm que foram testados em tração de acordo com a norma ASTM-D3039, tendo um espaçamento de 60mm entre as garras. Os corpos de prova foram envelhecidos termicamente a seco (110º C em estufa de circulação forçada de ar por períodos de 0, 5, 10, 25 e 40 dias) e a úmido (por imersão em água fervente por períodos de 0, 2, 24, 48 e 96 horas). Todos os corpos de prova foram ensaiados de tração em máquina universal de tração Testometric Micro 350, operando a uma taxa de deslocamento de 0,5mm/mim. RESULTADOS E DISCUSSÃO 1. Envelhecimento térmico a seco. Nas Figuras 3 a 5, estão ilustradas as propriedades mecânicas dos compósitos e da matriz em função do tempo de exposição. Conforme mostrado na Figura 3, fica evidenciado que a inclusão das fibras de vidro elevou a resistência dos compósitos, isto é, a resistência dos compósitos híbridos é maior do que a dos reforçados por cordões de juta, o que é reflexo da maior resistência das fibras CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49005

6 de vidro comparada à das fibras vegetais. Ficou evidenciado que o envelhecimento térmico a seco provocou um decréscimo na resistência à tração da matriz e de todos os compósitos estudados, porém, o decréscimo na resistência da matriz foi mais lento do que o da resistência dos compósitos. Após 20 dias de envelhecimento, a resistência do compósitos reforçado por juta já havia decrescido em 50% enquanto que, para os compósitos híbridos (poliéster/juta-vidros) esta redução só foi atingida após 40 dias de exposição. Esta diferença de comportamento é atribuída à maior higroscopicidade e maior sensibilidade térmica dos compósitos reforçados por cordões de juta, o que leva a um enfraquecimento da interface fibra/matriz e maior degradação do reforço com o tempo. As fibras de vidro que substituem parcialmente as de juta nos compósitos híbridos, além de apresentarem forte adesão com a matriz poliéster, não absorvem água e são inertes à temperatura de envelhecimento utilizada e, portanto, o previsto é que estes compósitos sejam menos afetados pelo envelhecimento utilizado. Resistência à Tração (MPa) Compósito: CJ+UP Híbrido: CJ+GF+UP Poliéster Puro Tempo de Exposição (dias) Figura 3 Resistência à tração em função do tempo de exposição. A Figura 4, ilustra o comportamento do alongamento na ruptura da matriz e dos compósito compósitos com o tempo de envelhecimento térmico a seco. Novamente verifica-se um decréscimo no alongamento na ruptura para todos o materiais avaliados e que esta queda é mais acentuada nos primeiros dez dias de envelhecimento, o que é atribuído ao enrijecimento da matriz causado pela pós-cura CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49006

7 Alongam ento na Ruptura ( C o m p ó s ito : C J + U P H íb r id o : C J + G F + U P P o lié s te r P u r o Tem po de Exposição (dias) Figura 4 Alongamento na ruptura em função do tempo de exposição Apesar de haver evidências de degradação da matriz, as variações no alongamento na ruptura com o tempo de exposição foram relativamente pequenos, o que pode estar associado ao fato desta matriz ser reticulada e bastante rígida. O comportamento do módulo de elasticidade em função do tempo de envelhecimento para a matriz e para os compósitos investigados está ilustrado na Figura 5. M ódulo Elástico (G Pa) Tem po de Exposição (dias) C om pósito: C J+U P Híbrido: CJ+GF+UP P olié ste r P u ro Figura 5 Módulo de elasticidade em função do tempo de exposição Verifica-se que, nos estágios iniciais (5 dias de exposição), houve um aumento no módulo elástico de todos os sistemas estudados; que para tempos mais longos o módulo manteve-se praticamente constante, passando a diminuir em tempos mais longos de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49007

8 exposição. Este comportamento, comprova os observados para o alongamento e resistência à tração na ruptura e é tido como indicativo de pós-cura, ou seja, um aumento no grau de reticulação a tempos curtos de exposição. A redução nas propriedades com o tempo de exposição é tida como resultante da degradação da matriz e da fibra vegetal. Em estudos anteriores sobre o efeito das condições de secagem na resistência mecânica de fibras de juta, ficou demonstrado que as propriedades das fibras decrescem quando secas em temperaturas superiores a 90 C [9]. 2. Envelhecimento térmico a úmido. Os dados obtidos para o desempenho mecânico e absorção de água dos compósitos e da matriz quando sujeitos ao envelhecimento térmico a úmido são ilustrados nas Figuras 6 a 9. A Figura 6 mostra que, semelhante ao ocorrido quando do envelhecimento térmico em estufa, durante o envelhecimento hidrotérmico, a resistência da matriz e dos compósitos diminuiu com o tempo de envelhecimento e que este decréscimo foi mais acentuado para os compósitos do que para a matriz. Novamente, os motivos para as diferenças observadas são associados, principalmente, à deterioração da interface além de serem influenciados pela degradação dos constituintes dos compósitos. Tal como verificado naqueles estudos, os resultados indicam que compósitos híbridos exibem propriedades superiores às dos reforçados unicamente com a fibra vegetal. Tensão (Mpa) Matriz P/Juta P Juta/Vidro Tempo de envelhecimento (h) Figura A Figura 6 Efeito 7 ilustra do o envelhecimento comportamento hidrotérmico do alongamento na tensão na ruptura à ruptura em função dos compósitos. do tempo de envelhecimento para todos os sistemas investigados. Os resultados evidenciam um decréscimo no alongamento com o tempo de exposição, o que é tido como indicativo da ocorrência de pós-cura. O alongamento levemente superior dos compósitos híbridos é CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49008

9 atribuído à melhor interface por eles exibida em virtude da presença das fibras de vidro que são tratadas superficialmente. Alongamento (%) Matriz P/Juta P Juta/Vidro Tempo (h) Figura 7 Efeito do envelhecimento hidrotérmico no alongamento à ruptura. A Figura 8 ilustra o comportamento do módulo elástico da matriz e dos compósitos em função do tempo de envelhecimento. Os resultados indicam que, ao contrário do observado para o envelhecimento térmico, não houve aumento do módulo nos estágios iniciais do envelhecimento e sim um decréscimo nesta propriedade para todos os sistemas e tempos investigados. Isto é atribuído ao fato que, no envelhecimento hidrotérmico, ao mesmo tempo em que ocorre a pós-cura, ocorre a hidrólise da matriz e uma maior deterioração interfacial em virtude da absorção de água pelos sistemas. Assim, dois efeitos opostos ocorrem: a pós-cura que enrijece o material e a degradação da matriz e da interface que o diminui. Aparentemente, a degradação foi mais extensa do que a pós-cura, resultando numa redução desta propriedade em todos os tempos avaliados. Módulo de Young (Gpa) Matriz P/Juta P Juta/Vidro Tempo de envelhecimento (h) Figura Gráfico 8 Efeito 05. Módulo do envelhecimento de Alongamento hidrotérmico dos compósitos. no módulo elástico Envelhecimento térmico a úmido. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49009

10 A Figura 9 ilustra o aumento na absorção de água com o tempo de envelhecimento para todos os sistemas investigados. Como esperado, os dados evidenciam que a absorção é maior nos estágios iniciais, tendendo a estabilizar em tempos mais longos; que a absorção é maior nos compósitos do que na matriz e que, os compósitos híbridos absorvem menos água do que os reforçados unicamente por fibras vegetais. Estes comportamentos são atribuídos às características hidrofílicas da juta; características hidrofóbicas das fibras de vidro. abosroção de água (%) tempo (h) matriz P/Juta P/Juta-vidro Figura 9 Efeito do envelhecimento hidrotérmico na absorção de água. 3. Pré-secagem das fibras A tabela I ilustra o efeito da pré-secagem das fibras de juta nas propriedades mecânicas de compósitos poliéster/juta pultrusados. Os resultados evidenciam um sensível aumento nas propriedades dos compósitos o que é atribuído a uma melhora na adesão fibra/matriz. As fibras de juta são bastante higroscópicas e, portanto, a eliminação da água adsorvida permite um melhor molhamento das fibras pela matriz. A pré-secagem das fibras levou a melhoras nas propriedades dos compósitos mais acentuadas do que as obtidas anteriormente, em nosso grupo, por tratamentos superficiais das fibras em sistemas afins. A simplicidade, praticidade e rapidez fazem com que este método mereça ser mais explorado como forma de se elevar as propriedades mecânicas de compósitos reforçados por fibras vegetais. Tabela I Efeito da pré-secagem das fibras nas propriedades dos compósitos. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49010

11 Propriedades Com pré-secagem Sem secagem prévia Aumento (%) Módulo elástico (GPa) 2,67 + 0,01 2,32 + 0,09 13 Tensão na ruptura (MPa) 140,89 + 4,58 103, Deformação(%) 9,07 + 0,21 4,4 + 0,6 52 CONCLUSÕES Os resultados indicam que: a) a incorporação das fibras de vidro eleva as propriedades dos compósitos; b) as propriedades da matriz e dos compósitos é reduzida com o tempo de envelhecimento; c) o envelhecimento térmico a seco, em tempos curtos, promove um aumento no módulo elástico; d) que a degradação durante o envelhecimento hidrotérmico é mais acentuada do que durante o envelhecimento térmico; e) a pré-secagem das fibras promove um aumento nas propriedades mecânicas dos compósitos de maneira simples, barata e eficiente. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e PADCT pelo apoio financeiro, à Owens-Corning do Brasil S.A; Resna S.A e Cia. Têxtil Castanhal pela doação dos materiais e à Indústria Yvel pela participação no desenvolvimento e construção do molde de pultrusão e do secador convectivo. REFERÊNCIAS BIBBLIOGRÁFICAS [1] HAGE Jr., E., Compósitos e Blendas Poliméricas, Instituto Latino-Americano de Tecnologia e IBM, Campinas SP, [2] GIBSON, R. F., Principles of Composite Material Mechanics, McGraw-Hill, International Editions, Singapure, [3] POWELL, P. C., Engineering With Polymers, Chapman & Hall, 2-6 Boundary Row, London, [4] WILSON, B. A.: Pultrusion-Handbook of Composites, Wiley,,N.Y. (1998). CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 49011

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