RESISTÊNCIA AO IMPACTO DOS COMPÓSITOS PEAD REFORÇADOS COM FIBRAS DE CELULOSE DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

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1 RESISTÊNCIA AO IMPACTO DOS COMPÓSITOS PEAD REFORÇADOS COM FIBRAS DE CELULOSE DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR Daniella R. Mulinari 1*, Herman J. C. Voorwald 1, Maria Odila H. Cioffi 1, Maria Lúcia C. P. da Silva 2, George J. M. Rocha 2 1 Universidade Estadual Paulista UNESP, Campus de Guaratinguetá, Guaratinguetá-SP- pos07002@feg.unesp.br 2 Escola de Engenharia de Lorena EEL/USP Lorena-SP Neste trabalho, os materiais compósitos PEAD/ fibras de celulose foram obtidos usando a misturador termocinético. Para melhorar a adesão entre as fibras de celulose e o PEAD, foi feita uma modificação nas fibras usando oxicloreto de zircônio. A superfície química das fibras modificadas foi avaliada usando a técnica de MEV. Os efeitos da modificação sobre as propriedades mecânicas dos materiais compósitos foram investigados. As superfícies fraturadas dos compósitos ensaiados foram analisadas e o mecanismo de fratura dos compósitos também foi discutido. Os resultados indicam que os compósitos reforçados com fibras de celulose modificada apresentaram melhor resistência ao impacto comparado aos compósitos reforçados com fibras de celulose não modificadas. A quantidade de fibras afeta a resistência ao impacto destes materiais. Palavras-chave: Fibras de bagaço de cana-de-açúcar, compósitos com fibras vegetais, óxido de zircônio, polietieno de alta densidade, propriedades mecânicas. Impact strength of HDPE reinforced with cellulose fibers from sugarcane bagasse composites In this work, cellulose fibers/hdpe composites materials were obtained using a thermokinetic mixer. To improve the interfacial adhesion between the cellulose fibers and the HDPE, a modification was made in fibers using zirconium oxychloride. The surface chemistry of the modified fibers was evaluated using SEM technique. The effects of modification on the mechanical properties of composites materials were investigated. Fracture surfaces of tested composites were examined and the fracture mechanism of composites also was discussed. Results indicate that composites reinforced with modified cellulose fibers presented better impact strength compared to composites reinforced with non-modified cellulose fibers. The content of cellulose fibers affects impact strength of these materials. Keywords: Sugarcane bagasse fibres, vegetable fibres composites, zirconium oxide, high density polyethylene, mechanical properties. Introdução O novo paradigma ambiental em nosso planeta, enfatizando a preservação e a utilização de produtos naturais, está contribuindo para priorizar o emprego de materiais renováveis e biodegradáveis como as fibras vegetais lignocelulósicas. Atualmente, existe uma grande variedade de fibras lignocelulósicas como a juta, o sisal, o algodão e o bagaço de cana com participação relevante na economia mundial. O emprego das fibras naturais estende-se desde simples objetos de baixo custo, tais como cordas e cestos, até materiais tecnologicamente modernos com alto valor agregado, como, por exemplo, componentes de automóveis e luminárias para ambientes frigoríficos. Dentre estes últimos materiais destacam-se os compósitos fabricados com matrizes poliméricas reforçadas com fibras naturais (1-3). A utilização de fibras naturais como reforço de compósitos desperta interesses tanto sociais como industriais.

2 Para a sociedade e a indústria é ainda uma alternativa de substituição de materiais convencionais cujo descarte possa trazer poluição ambiental, como é o caso das fibras de vidro e carbono. Além disso, os resíduos dessas fibras são gerados em grande quantidade e a proposta de utilização, como por exemplo, do bagaço de cana-de-açúcar, é muito interessante (4, 5). A fibra de bagaço de cana possui relativa vantagem com relação à abundância e custo, já que é um produto secundário das indústrias açucareiras e usinas de álcool. No entanto, para que as fibras naturais e a matriz polimérica atuem conjuntamente em uma determinada aplicação, o contato interfacial entre elas tem que ser adequado. A modificação superficial da fibra diminui o seu caráter hidrofílico e aumenta a adesão com a matriz polimérica. Muitos trabalhos indicam que a modificação superficial das fibras naturais antes de ser incorporada como reforço em matrizes poliméricas reduz a diferença de polaridade e melhora a compatibilidade entre fibra e matriz (6-10). Portanto, o objetivo deste trabalho é estudar o efeito da modificação das fibras de celulose provenientes do bagaço de cana-de-açúcar sobre a resistência ao impacto dos compósitos de PEAD reforçados com fibras de celulose provenientes do bagaço de cana, agregando-se valor à matériaprima pelo uso mais nobre e contribuindo com a criação de um material que possui propriedades mecânicas satisfatórias para o uso industrial. Experimental Obtenção e modificação das fibras As fibras celulósicas provenientes do bagaço de cana-de-açúcar foram obtidas pelo prétratamento com ácido sulfúrico 10%, seguida pela centrifugação, deslignificação com hidróxido de sódio 1% e posteriormente branqueadas com clorito de sódio. A modificação das fibras celulósicas branqueadas foram obtidas pela dissolução de oxicloreto de zircônio em 100 ml de solução aquosa de ácido clorídrico (0.5 mol L -1 ). Este material foi precipitado com solução de amônio (1:3) até ph10, sob agitação constante, filtrado sob vácuo, lavado exaustivamente com água destilada para remoção de íons cloreto e seco em estufa a 50ºC for 24 h. O material resultante foi designado como Cel/ZrO 2.nH 2 O (11). Análise da modificação nas fibra As fibras de celulose provenientes do bagaço de cana e modificadas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Esta técnica consiste no estudo das características físicas das amostras, fornecendo informações quanto à morfologia e composição dos materiais analisados. As amostras foram fixadas em um porta amostra com uma fita de carbono autocolante de dupla face. As micrografias foram obtidas em um microscópio eletrônico de varredura JEOL

3 JSM5310, disponível no INPE em São José dos Campos, com filamento de tungstênio operando a 10 kv, usando elétrons secundários. Preparação dos compósitos Os compósitos foram obtidos em um misturador termocinético de alta intensidade para plásticos (Dryser) (5-20% em massa de reforço). O processo foi utilizado para obtenção de dois tipos de compósitos diferentes: celulose de bagaço/pead e celulose do bagaço modificada/pead. Após a obtenção dos compósitos, estes foram levados para o moinho granulador onde foram triturados. Os compósitos moídos e secos em estufa por 2 h a 80 0 C foram moldados por injeção na forma dos corpos-de-prova para a caracterização mecânica. Ensaios mecânicos dos compósitos Os ensaios de impacto foram realizados no Departamento de Engenharia de Materiais e Tecnologia da FEG/UNESP, utilizando o equipamento de ensaio do tipo Charpy WPM. Foram analisados quatro corpos-de-prova, com dimensões de acordo com a norma ASTM D com 12 mm de largura, 63,5 mm de comprimento e 12 mm de espessura, usando um pêndulo de 4 J. Foram avaliadas a energia absorvida ao impacto e a resistência. Resultados e Discussão Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) As Figuras de 1A a 1F mostram as micrografias obtidas das celuloses modificadas e não modificadas. Figura 1. Micrografias das fibras de celulose: (A) celulose não modificada 500X; (B) celulose não modificada 2000X; (C) celulose não modificada 7500, (D) celulose modificada 500X; (E) celulose modificada 2000X; (F) celulose modificada 7500X.

4 As micrografias das fibras de celulose não modificada (Fig. 1A a 1C) mostram que as maiorias das fibras apresentam formas achatadas com extremos afilados. As Figuras 1D a 1F mostram as fibras de celulose com depósitos de óxido, porém, nota-se que o óxido não ficou depositado de forma uniforme sobre as fibras. A falta de uniformidade deve estar ligada à ausência de agitação no sistema reacional utilizado na modificação das fibras. Ensaios Mecânicos Analisando os resultados obtidos no ensaio de impacto, foi observado que os compósitos são mais resistente comparado ao PEAD puro, atingindo até 25% de aumento (CM20%). Esse aumento na resistência ocorreu devido à inserção de fibras na matriz, fazendo com que a energia absorvida aumentasse e consequentemente a resistência. Os resultados obtidos de resistência ao impacto podem ser evidenciados na Tabela 1. Tabela 1. Valores do limite de resistência ao impacto Os compósitos reforçados com fibras de celulose modificadas apresentaram maiores resistências comparadas aos compósitos reforçados com fibras de celulose branqueadas. A quantidade de reforço na matriz também contribui para o aumento da resistência. Dessa forma, fica evidente que a modificação realizada nas fibras de celulose melhorou a adesão entre fibra/matriz, facilitando a transferência de energia de impacto da matriz, que é um dos fatores influi nesta propriedade. Amostras Resistência (J.m -1 ) PEAD 38,9 ± 0,5 CB5% 46,4 ± 0,8 CB10% 46,8 ± 0,3 CB20% 48,0 ± 0,6 CM5% 48,1 ± 0,7 CM10% 48,0 ± 0,2 CM20% 48,6 ± 0,4 Serragem de madeira 20%/PEAD (12) 46,8± 1,4 A inserção de fibras na matriz aumentou também a resistência ao impacto, devido ao mecanismo de dissipação de energia. As fibras foram arrancadas (pull out) da matriz e dissiparam energia durante o processo de fricção mecânica. E esse arrancamento das fibras preveniu a concentração de tensão nas áreas ao longo da fibra. Os resultados obtidos foram interessantes, visto que Hillig et al. (12) avaliaram os compósitos (serragem de madeira 20%/PEAD) utilizando agente interfacial o polietileno de alta densidade graftizado com anidrido maléico e observaram menor resistência ao impacto comparado ao obtido com celulose do bagaço de cana modificado. A Figura 2 mostra a região da fratura após o ensaio, onde foi verificada certa uniformidade de distribuição das fibras pela matriz e fibras fraturadas ao longo da matriz. Também foram observadas fibras arrancadas (pull-out) da matriz devido à dissipação de energia causada pela fricção mecânica.

5 Desse modo, foi constatado que as fibras de celulose modificadas facilitaram a difusão da matriz pelo interior da fibra, aumentando a resistência ao impacto. Embora este tratamento seja menos econômico comparado com os aditivos existentes no mercado, é viável pelo fato de dar um fim ao resíduo agroindustrial. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 2. MEV dos compósitos após o ensaio de impacto ampliados 500X: (a) CB5%; (b) CM5%; (c) CB10%; CM10%; (d) CB20%; (e) CM20% (f) Conclusões O efeito da modificação sobre as fibras de celulose provenientes do bagaço de cana com oxicloreto de zircônio foi eficaz. A técnica de microscopia eletrônica de varredura comprovou este

6 resultado. Os resultados indicam que os compósitos reforçados com fibras de celulose modificada apresentaram melhor resistência ao impacto comparado aos compósitos reforçados com fibras de celulose não modificadas. Também foi observado que a quantidade de fibras afetou a resistência ao impacto destes materiais. Agradecimentos Os autores agradecem a FAPESP n o processo pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas 1. A.G. Facca; M.T. Kortschot; N. Yan. Compos. Sci. Technol. 2007, 67, F.G. Torres; M.L. Cubillas. Polym. Test. 2005, 24, X. Ma; J. Yu; J.F. Kennedy. Carbohydr. Polym. 2005, 62, S.M. Luz; A.R. Gonçalves; A.P. Del arco Jr. Compos. Part A 2007, 38, Y. Zheng; D. Cao; D. Wang; J. Chen. Compos. Part A 2007, 38, B. Acha; M.N. Reboredo; N.E. Marcovich. Compos. Part A 2007, 38, D. Pasquini; E.M. Teixeira; A.A.S. Curvelo; M.N. Belgacem; A. Dufresne. Compos Sci Technol 2008, 68, A.M.M. Edeerozey; H.M. Akil; A.B. Azhar; M.I.Z. Ariffin. Mater. Lett. 2007, 61, A. Gomes; T. Matsuo; K. Goda; J. Ohgi. Compos. Part A 2007, 38, V. Tserki; N.E. Zafeiropoulos; F. Simon; C.A. Panayiotou. Compos. Part A 2005, 36, D.R. Mulinari; M.C.P. Silva; G.L.J.P. Silva, G.L.J.P. Quim Nova 2006, 29, H. M. Hillig; É. Hillig; O. Bianchi; M. Zeni; S. Iwakiri. In 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Foz do Iguaçu, 2944.