RESITÊNCIA A FLEXÃO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS COM FIBRAS VEGETAIS DE COCO MICRONIZADAS

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1 RESITÊNCIA A FLEXÃO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS COM FIBRAS VEGETAIS DE COCO MICRONIZADAS Igor K. Kamiya 1, Celso C.M.Fornari Junior 2 * 1 Universidade Estadual de Santa Cruz UESC. Engenharia de Produção e Sistemas Ilhéus-BA. Ikenji7@hotmail.com 2 Universidade Estadual de Santa Cruz UESC, Engenharia de Produção e Sistema, Laboratório de Polímeros e Sistemas LAPOS, Campus Soane Nazaré, Ilhéus BA; celso@uesc.br Neste trabalho observamos o comportamento físico dos compósitos a base de fibras de coco e poliéster ortoftálico. As fibras foram micronizadas em moinho de facas e separadas conforme a sua granulometria por meio de peneiras. Os corpos de prova foram confeccionados em uma única batelada tanto com relação ao iniciador metil etil cetona quanto ao processo de cura (85 ºC). Os ensaios foram conduzidos em equipamento de ensaio universal conforme normatização brasileira NBR Os resultados demonstraram que existe uma diferença significativa dos resultados quanto a velocidade de ensaio além de apresentar variação na propriedade de resistência a flexão quanto a quantidade e tamanho de partícula de fibra vegetal incorporada ao compósito polimérico. Palavras-chave: Compósito, fibra vegetal, flexão, polímero. Resistance to bending of polymer composites with vegetable fibers ground coconut In this work we observed the mechanical strength of the composites based on polyester ortoftálico and coconut fiber. The fibers were micronized by ball mill and separated according to their size using sieves. The samples were prepared in one batch with both the initiator methyl ethyl ketone as the process of curing (85 º C). The test were conducted in test equipment conforms universal standardization Brazilian NBR The results showed that there is a significant difference of results as the test speed in addition to change in ownership of resistance to bending about the quantity and size of particle of vegetable fiber incorporated into the composite polymer Keywords: Composite, vegetable fiber, flexion, polymer. Introdução A utilização de compósitos vegetais tem despertado o interesse de muitos pesquisadores nos últimos anos [1]. O fato das fibras vegetais apresentarem facilidade de obtenção, baixa densidade entre outras propriedades despertou a sua aplicação em diversos artigos, como por exemplo, madeira plástica, estofamento de automóveis, painéis entre outros [2]. Muitos trabalhos têm explorado as propriedades de tração das fibras vegetais em substituição as fibras sintéticas, devido as suas características de baixo custo e facilidade de obtenção, além das suas propriedades físico-químicas [3,4]. Segundo Leite e colaboradores, a matriz polimérica é a grande responsável pela distribuição das tensões aplicada em compósitos poliméricos com fibras vegetais, devido às propriedades particulares de degradação das fibras lignocelulósicas [5]. É necessário então uma boa dispersão das fibras na matriz polimérica de maneira a buscar a melhor condição de homogeneidade no compósito, visando a condição mais favorável para a redistribuição das tensões no meio polimérico.

2 Neste estudo avaliamos o comportamento mecânico do compósito em ensaios de flexão a três pontos em relação ao teor e tamanho de partícula de fibra vegetal. Experimental As fibras de coco recém colhidos foram extraídas do mesocarpo do fruto com ajuda de uma ferramenta especial, que permitiu uma melhor uniformidade na espessura das amostras. As amostras de fibras cortadas foram selecionadas uma á uma com relação a sua espessura, de maneira a garantir um processo de secagem mais homogêneo entre as fibras. As fibras lodo após serem cortadas foram acondicionadas em água, a fim de evitar maior oxidação em contato com ar atmosférico e em seguida secas em estufa BIOPAR modelo: S2550AT a 120ºC durante 130 minutos. A variação da temperatura no processo de secagem variou 5 ºC para mais ou para menos. As fibras foram secas na sua forma natural sem nenhum tipo de tratamento químico. As amostras de fibras secas foram posteriormente moídas em moinho de facas TECNAL modelo WILLYE TE-648, utilizando-se um pré-separador de tamanho de fibra. As fibras moídas foram selecionadas quanto a sua granulometria, seguindo a norma ABNT NBR método A. Para este ensaio foi utilizado um agitador de peneiras marca BERTEL com jogo de peneiras de 40mesh (423 mm de diâmetro), 50mesh (300 mm de diâmetro), 80mesh (180 mm de diâmetro) e 100 mesh (150 mm de diâmetro) além do fundo cego. Foi utilizado poliéster ortoftálica comercial da empresa CROMITEC tipo Policom utilizando sal de cobalto como acelerador e metil etil cetona como agente iniciador da reação. O procedimento de pesagem foi realizado numa balança analítica de cinco casas decimais da marca Bioprecisa modelo FA 2104 N. O iniciador foi adicionado ao polímero antes da adição da carga lignocelulósica, na quantidade de 0,8% em peso. A mistura do iniciador ao polímero foi realizada em uma única batelada, de maneira a permitir que frações desta mistura fossem posteriormente misturadas com a fibra vegetal. A carga lignocelulósica previamente seca por meio de microondas, foi adicionada na fração mássica de 5 e 15% em relação ao polímero. Os corpos de prova foram feitos utilizando-se matrizes apropriadas e curadas em estufa à 85ºC por 60 minutos. Foram confeccionadas 6 amostras de cada tipo de compósito. Os ensaios foram conduzidos em equipamento de ensaio universal com deslocamento negativo e obedecendo as condições da norma ABNT NBR Resultados e Discussão Os ensaios foram realizados conforme a normatização brasileira NBR 7447, o que exige para os ensaios de flexão dos corpos de prova, uma velocidade de deslocamento do equipamento conforme a espessura dos corpos de prova. Segundo a fórmula apresentada na figura 1, a velocidade leva em

3 conta as distâncias entre os suportes de apoio (L) e a espessura dos corpos de prova (h), incluindo uma taxa de deformação específica do material (neste caso 0,01 / minuto). V = Sr x L 2 / 6 x h Figura 1: Fórmula para calcular a velocidade de deslocamento da carga para o ensaio de flexão em equipamento de ensaio universal. A velocidade de deslocamento da carga é um fator importante para a avaliação das propriedades mecânicas dos compósitos ensaiados e neste trabalho mostrou uma sensível diferença com relação aos resultados obtidos. Os mesmos ensaios foram conduzidos com velocidade de deslocamento cinco vezes superior a velocidade estipulada na norma e calculada pela fórmula, a fim de comparar e observar a influência desta velocidade em relação aos resultados obtidos nos dois ensaios. Os resultados apresentaram uma diferença em torno de 40% superior para a deformação quando a menor velocidade foi aplicada. A acomodação molecular dos polímeros pode ser influenciada pela energia externa, de forma que a mobilidade molecular tende a aumentar quando energia é adicionada ao sistema polimérico. A acomodação ou relaxação molecular estão associadas normalmente a mudanças de conformação de segmentos ou grupamentos de cadeias devido a liberdade de rotação interatômica. Materiais poliméricos podem apresentar uma variação no tempo de relaxação molecular em função da absorção de energia mecânica em uma determinada faixa de freqüência, o que pode estar associado aos segmentos da cadeia localizados em regiões adjacentes a estes segmentos [6]. A menor velocidade permite entre outras coisas que a acomodação molecular seja mais eficiente quando solicitada neste caso, pelo ensaio de flexão em três pontos. A menor velocidade de força aplicada sobre o corpo de prova tende a possibilitar uma melhor distribuição de carga ao longo de todo o corpo de prova, o que provavelmente afeta diretamente na resposta à solicitação mecânica aplicada. A leitura dos transdutores de controle de força e deslocamento informam de imediato o comportamento mecânico do material revelando a resposta deste em relação á carga empregada no ensaio. Possivelmente o que ocorreu durante estes ensaios é um tipo de acomodação das cadeiras (segmentos) moleculares do compósito quando a força aplicada foi imposta ao compósito, principalmente do modo de velocidade mais lento. Isto pode ser avaliado pela resposta da força de resistência à força aplicada, que foi aproximadamente 35% superior entre as velocidades de 2 e 10 mm/min. Quando a velocidade de compressão aplicada no ensaio de flexão a três pontos foi 2/10 da maior velocidade, a resistência do polímero aumentou em torno de 35%. A

4 tabela 1 apresenta os resultados do ensaio de corpos de prova confeccionados da mesma maneira e ao mesmo tempo e ensaiados com velocidades de aplicação de força diferentes. Tabela 1: Tensão e deslocamento dos corpos de prova ensaiados em teste de tração com diferentes velocidades de aplicação de carga. Tensão Velocidade Velocidade de ensaio de flexão 2 mm / min 10 mm / min Tensão (MPa) 43,06 31,67 Deslocamento (mm) 12,79 9,12 As figuras 2 e 3 apresentam as curvas de ensaio de tração de três pontos com velocidades de aplicação de força igual a 2 mm/min. e 10 mm/min. respectivamente. Através do gráfico é possível observar que ocorreu uma maior homogeneidade no comportamento elástico das amostras ensaiadas com velocidade de 2 mm/min apesar da deformação total do material apresentar maior diferença com relação as amostras ensaiadas com velocidade maior. Pode-se observar que a velocidade de ensaio também demonstra uma diferença com a deformação plástica do compósito, para os ensaios de valocidade igual a 10 mm/min. Com velocidade maior a área correspondente a deformação plástica é menor e pouco perceptível, demonstrando através do ensaio que houve deformação plástica pouco considerável. Figura 2: Ensaio de flexão a três pontos com velocidade de deslocamento de 2 mm/min para compósitos a base de poliéster ortoftálico e 15% p/p de fibra de coco a 50 mesh.

5 Figura 2: Ensaio de flexão a três pontos com velocidade de deslocamento de 10 mm/min para compósitos a base de poliéster ortoftálico e 15% p/p de fibra de coco a 50 mesh. Os corpos de prova foram confeccionados com matrizes apropriadas, o que não permitiu variação entre as suas dimensões. Por este motivo o gráfico foi pautado em função da força absoluta e não da tensão. Os compósitos foram ensaiados quanto a resistência mecânica de flexão em função a quantidade de fibra adicionada bem como da granulometria destas. Foram ensaiados compósitos com 5 e 15% p/p de fibras de coco com granulometrias de 40, 50 e 80 mesh. O resultado deste ensaio demonstra que a força máxima na ruptura do material aumenta linearmente com a diminuição da granulometria da fibra. As amostras de fibras apresentam uma área esférica média de 0,101, 0,283 e 0,567 mm 2 para os tamanhos de e 40 mesh respectivamente. A relação entre os valores é de aproximadamente 5 vezes maior para as amostras de 40 mesh e 3 vezes maior para as amostras de 50 mesh comparando-se com as amostras de 80 mesh. O espaço ocupado pela fibra na composição do material compósito é diferente para cada tipo de amostra, o que pode se refletir na alteração de suas propriedades. Estudos de Liao e Thwe com termoplástico e fibras curtas de bambu demonstraram que as propriedades de tração diminuem com o aumento da fração de fibra no compósito, o que foi atribuído pelos autores a formação de pequenas rupturas na interface fibra/polímero [7]. Esta observação salienta que a interação de ambos os componentes do compósito desempenha um papel importante nas propriedades do novo material. A conformação da cadeia polimérica na reação de reticulação intermolecular deve enfrentar a adaptação e redirecionamento das próprias cadeias do polímero quando as fibras estão presentes. As macromoléculas devem envolver as fibras, que apresentam forma aproximada de esfera, necessitando para isto contornar as partículas de fibra. Desta forma a conformação do compósito será feita de uma rede polimérica com ondulações arredondadas recheadas de um material celulósico. O volume do recheio do material

6 compósito, isto é os diâmetros das amostras de fibra moídas, mostrou neste trabalho diferença significativa na propriedade de resistência mecânica quando ensaiado pelo modo de flexão a três pontas. Observou-se que para a quantidade de 5% de fibras vegetais de coco a resistência mecânica aumenta na medida em que o volume das fibras diminui, conforme apresentado na figura 4. Pa Tensão Média 42662, , Mesh Figura 4: Valores de tensão para ensaio de flexão em compósitos a base de poliéster ortoftálico e 5% de fibra de coco com granulometrias de 40, 50 e 80 mesh. Os valores de resistência aumentaram 0,3% quando o tamanho das fibras diminui 3 vezes e aumentaram 11% quando o tamanho das fibras diminuiu 5 vezes, considerando estes valores aproximados. O mesmo tipo de ensaio foi realizado para uma quantidade maior de fibras vegetais de coco, no qual foram feitas amostras com 15% de fibra no material compósito. Os resultados estão apresentados na figura 5 e oferecem uma comparação entre todos os tipos de compósitos ensaiados, isto é com composição de 5 e 15%. Pode-se observar que a resistência á flexão destes materiais apresenta um comportamento inverso aos compósitos com 5% de fibra. A maior quantidade de fibra alterou as propriedades do compósito quando este apresenta 15% de fibra. A quantidade maior de fibra demonstrou que nestas condições as partículas maiores conferem uma maior resistência aos compósitos. Entretanto é importante lembra que estamos abordando um percentual ponderal o que na verdade é inferior ao percentual volumétrico da fibra, pelo fato da densidade relativa da fibra ser aproximadamente 0,5 a densidade do polímero. Estudos de Frollini e colaboradores, também demonstraram que compósitos termofíxos com fibras vegetais a base de cana de açúcar, apresentaram comportamento irregular quando a variação em ensaios de impacto.

7 Amostras com fibras vegetais tratadas com 2% e 10% de solução de NaOH tiveram maior resistência ao impacto que amostras tratadas com 6% da mesma solução [8]. Tensão Média Pa , , , , , , , , , Mesh Figura 5: Valores de tensão para ensaio de flexão em compósitos a base de poliéster ortoftálico e 15% de fibra de coco com granulometrias de 40, 50 e 80 mesh. Conclusão Os resultados deste trabalho demonstraram que a influência da velocidade da força aplicada nos ensaios de flexão para o material compósito ensaiado é significativa com relação a propriedade de resistência á ruptura e a deformação viscoelástica. A resistência do material compósito aumentou aproximadamente 11% quando as fibras de coco diminuíram sua área aproximadamente esférica de 0,567 para 0,101 mm 2 e sua composição ponderal foi de 5%. Para materiais compósitos compostos de 15% ponderal de fibras de coco a resistência diminuiu quando os tamanhos das partículas de fibras de coco diminuíram de 40 para 80 mesh. Referências Bibliográficas 1. M. Tajvidi, R.H. Falk, J. C. Hermanson. J. Ap. Polym. Sci. 2006, 101, A. K. Blendzki, J. Gassan. Prog. Polym. Sci. 1999, 24, C. L. Nogueira, J. M. F. Marlet, M. C. Rezende. Polímeros, 1999, E. O. S. Saliba, N. M. Rodriguez, S. A. L. Morais, D. P. Veloso. Ciência Rural, 2001, M. H. Ishizaki, L. Y. Visconte, C. R. G. Furtado, M. C. A. M. Leite, J. L. Leblanc. Polímeros: Ciência e Tecnologia. 2006, 16, S. N. Cassu, M. I. Felisberti. Química Nova, 2005, 28, 255. [7] M. M. Thwe, K. Liao. Compósites: Parte A. 2002, 33, 43. [8] S. P. S. Titã, J. M. F. Paiva, E. Frollini. Polímeros: Ciência e Tecnologia. 2002, 12, 228.