PROPRIEDADES MECANICAS DE COMPÓSITOS DE FIBRAS DE SISAL E MATRIZ POLIURETANA PARA USO EM REFORÇO DE ESTRUTURAS DE MADEIRA

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1 PROPRIEDADES MECANICAS DE COMPÓSITOS DE FIBRAS DE SISAL E MATRIZ POLIURETANA PARA USO EM REFORÇO DE ESTRUTURAS DE MADEIRA Ricardo Fernandes Carvalho 1, Carlito Calil Júnior 2* 1 Universidade Federal da Bahia - UFBA, Campus de Salvador, Salvador-BA 2* Universidade de São Paulo USP, Campus de São Carlos, São Carlos, SP, calil@sc.usp.br Este trabalho apresenta a caracterização de propriedades mecânicas de compósitos de tecidos trançados com fibras de sisal. As fibras naturais têm sido estudadas como substitutas das fibras sintéticas, aproveitando as relações entre custo e desempenho mecânico, além dos aspectos ambientais favoráveis. Os resultados obtidos nos ensaios realizados são a força máxima de ruptura, a rigidez e as curvas força x deformação de amostras produzidas a partir de um tecido manufaturado, originalmente destinado à decoração de ambientes e impregnado com três resinas diferentes - duas resinas de poliuretana derivada da mamona e outra resina epóxi. Também são realizados análises microscópicas da estrutura de cada compósito com a finalidade de avaliar o método de impregnação, o modo de ruptura e as relações da microestrutura com o desempenho mecânico. Os resultados obtidos indicam desempenho mecânico comparável entre a resina epóxi e a resina poliuretana mas também indica a necessidade de otimizar o processo de impregnação. Palavras-chave: aplicações estruturais, sisal, poliuretana, compósitos. Mechanical properties of composites of sisal fabrics and polyurethane matrix for use in reinforcement wood structures This work presents the mechanical properties characterization of fabrics composites braided with sisal fibers. The natural fibers have been studied as substitutes of the synthetic fibers taking advantage of the relationships between cost and mechanical behavior, besides the favorable environmental aspects. The results obtained are the maximum force of rupture, the rigidity, and the curves it forces x deformation of samples produced from a manufactured fabric used to the decoration and impregnated with three different resins; two resins from the castor oil and one epoxy resin. Microscopic analyses of the structure of each composite were also accomplished to compare the impregnation method, rupture way and relationships of the microstructure with the mechanical behavior. The results indicate similar mechanical behavior between epoxy and one component polyurethane resins. But it showed indicates the need to optimize the impregnation process also. Keywords: structural applications, sisal, polyurethane, composites materials. Introdução O uso de fibras naturais como reforço de polímeros em compósitos em substituição a fibras sintéticas como a fibra de vidro têm apresentado bastante interesse dos pesquisadores devido às vantagens como o custo efetivo, a baixa densidade, a elevada resistência específica, e também por ser um recurso renovável. O uso sistemático das fibras sintéticas nas indústrias de alta densidade tecnológica e de elevado valor agregado como a indústria naval, aeronáutica, espacial, esportiva de alto desempenho, entre outras, já há bastante tempo fornecem grande impulso às pesquisas deste material. Por outro lado, o uso das fibras naturais como material de reforço é registrada pela história desde a antigüidade, mas apenas recentemente o estudo científico desta solução vem sendo incrementado. A pesquisa do uso de recursos renováveis utilizando resinas derivadas de plantas como o amido de milho e o óleo de mamona, por exemplo. O Instituto de Química de São Carlos têm desenvolvido sistemas poliuretanos a partir do óleo de mamona, e estes sistemas têm apresentado após a cura elevado desempenho de aderência à madeira, estabilidade em presença de água e alta resistência ao risco. O uso previsto da técnica em desenvolvimento é o reforço de estruturas de madeira. A reabilitação de estruturas de madeira com compósitos têm sido aplicada tanto em construções antigas, com interesse econômico cultural e turístico relevante, quanto em sistemas pré-fabricados. Neste trabalho, são apresentados os resultados obtidos de estudos

2 comparativos de desempenho entre dois sistemas poliuretanos derivados do óleo de mamona e um sistema epóxi, todos utilizados como impregnantes num tecido de fibras de sisal. Experimental Os materiais utilizados foram o tecido de sisal e as resinas de impregnação. O sisal foi fornecido pela Associação dos Pequenos Agricultores do Município de Valente - BA (APAEB), as resinas poliuretanas foram desenvolvidas e fornecidas por grupos de pesquisa do Instituto de Química de São Carlos (IQSC/SP) e a resina epóxi adquirida comercialmente. O tecido selecionado é produzido industrialmente, identificado comercialmente como EB (telinha), destinado à decoração de ambientes com um arranjo formado pelo urdume bidirecional de fios simples, intercalado pela trama unidirecional de fios duplos todos com 2mm, configurando nesta direção 3 vezes mais fios que na direção perpendicular. Portanto, o tecido selecionado pode ser descrito como direcional. A gramatura do tecido é de 1394g/m 2. O adesivo poliuretano (PU) bicomponente à base de mamona (Ricinos communis) foi desenvolvido por pesquisadores do grupo de Química Analítica e Tecnologia de Polímeros (LQATP) do Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo. A resina é composta de pré-polímero e poliol e o equilíbrio estequiométrico da mistura afeta as características do material. O tempo em aberto da mistura variou entre 15 a 25 minutos em função da temperatura ambiente. O sistema epóxi utiliza a proporção de mistura em massa de 100:33 (resina:endurecedor), comercialmente disponíveis e identificadas como AR300 e AH-30, respectivamente. Segundo o fornecedor, o sistema apresenta as propriedades físicas (mistura a 25 C) e mecânicas (após cura completa) relacionadas abaixo. Tabela 1. Algumas características da resina epóxi. Fonte: Barracudatec (2003). Propriedades Valor Unidades e observações Viscosidade cps - Gel time 30 - min - Resistência à flexão 10,1 - MPa - Resistência à compressão 15,1 - MPa - A poliuretana monocomponente é fornecida com o a mistura entre pré-polímero e poliol já equilibrada estequiometricamente e, ainda fluida, a resina apresenta aparência levemente amarelada. Carlo e Polito (2002) relatam que o uso de aceleradores aumento o desempenho mecânico da resina endurecida. Tabela 2. Algumas características da resina poliuretana mono componente. Fonte: Carlo e Polito (2002) Propriedades Valor Unidades e observações Viscosidade Brookfield 75,20 Cps Densidade 0,96 g. cm -3 Solventes Ésteres e Aromáticos Teor de -NCO 2,20 % sobre sólidos Teor de Sólidos 35 % Os corpos de prova foram confeccionados a partir de amostras do tecido com as seguintes características geométricas: largura 30mm, comprimento 250mm e espessura 3mm. As mostras de tecido foram secas em estufa por 24 horas a C e após a retirada da estufa, foram imediatamente impregnadas por imersão. A mistura da poliuretana bicomponente foi realizada em ambiente fechado para evitar a incorporação de ar durante o processo. A mistura e a impregnação manual exigiram atenção sobre o tempo em aberto de cada resina. A cura foi realizada sob temperatura e pressão ambientes, durante 7 dias. As metodologias adotadas na confecção dos corpos de prova e na condução dos ensaios de tração foram orientadas pela a norma americana ASTM D3039 (1997), que estabelece procedimento para a realização de ensaios de tração em materiais compósitos. A velocidade de deslocamento das garras da prensa foi limitada a 2mm/min. As dimensões dos corpos de prova foram 30mm x 250mm, maiores do que os limites mínimos

3 recomendados, pois o tecido é manufaturado a partir de cordas com diâmetros de 2mm. O equipamento utilizado na realização dos ensaios foi a máquina digital DARTEC do LaMEM (Laboratório de Madeiras e Estruturas de Madeiras), com capacidade nominal de 100kN. Para as microscopias óticas foram utilizados microscópio metalográfico e lupa ótica, ambos acoplados a um sistema de formação de imagens em meio eletrônico. A preparação dos exemplares para a microscopia foi realizada de maneira a se obter uma lâmina intermediária do compósito. Resultados Os resultados obtidos para cada matriz estão apresentados a seguir, inicialmente o aspecto físico dos exemplares e os ensaios de tração e, em seguida, as respectivas microscopias. Compósito poliuretana bicomponente - tecido de sisal A figura 1 abaixo apresenta o aspecto visual do compósito sisal-poliuretana bicomponente (PU2), observa-se a formação intensa de bolhas em decorrência do processo de polimerização, sob pressão e temperatura ambientes. Figura 1. Aspecto visual do compósito Sisal-PU2 Na figura abaixo (figura 2) estão apresentados os resultados de tração dos 7 exemplares de compósito PU2-sisal, na qual pode ser observado que 3 exemplares só atingiram o limite da capacidade de carga com deslocamentos bastante significativos, além dos 20mm. 3,2 TRAÇÃO EM TECIDOS DE SISAL - Impregnados com mamona bi-componente 2,8 2,6 2,4 2,2 Força (kn) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 Deslocamento (mm) Figura 2.Tração em compósito sisal-poliuretana bicomponente derivada da mamona Na figura 3, apresentam-se os mesmos resultados do ensaio de tração com os deslocamentos limitados em 20 mm, também se apresenta a média das resistências máximas obtidas (2kN).

4 3,2 TRAÇÃO EM TECIDOS DE SISAL - Impregnados com mamona bi-componente 2,8 2,6 2,4 2,2 kn Força (kn) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,00 0 4,00 6,00 8,00 10, ,00 16,00 18,00 20,00 20 Deslocamento (mm) Figura 3. Tração com deslocamento limitado em compósito sisal-poliuretana bicomponente derivada da mamona Compósito poliuretana monocomponente - tecido de sisal A figura 4 abaixo apresenta o aspecto visual do compósito poliuretano monocomponente (PU1) sisal. Observa-se novamente a formação de bolhas na superfície, embora em menor intensidade, em relação à poliuretana bicomponente. Figura 4. Aspecto visual do compósito Sisal-PU2 Na figura 5, são apresentados os gráficos do ensaio de tração (força x deslocamento) em compósitos de poliuretano monocomponente-sisal além da média das resistências máximas obtidas (3,7kN). 5,5 5,0 4,5 4,0 4,1kN 3,5 Força (kn) 2,5 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 1,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Deslocamento (mm) Figura 5. Tração em compósito de sisal-pu1 Em seguida, foi realizada a investigação microscópica para se obter uma melhor avaliação da distribuição de vazios formados no processo. A imagem da lâmina intermediária do compósito PU1-sisal está apresentada abaixo nas figuras 6a e 6b, nas quais pode-se observar a formação de vazios (1) decorrente do processo de polimerização. Os vazios observados foram aprisionados no

5 interior dos volumes de resina, entre os fios de sisal que formam o tecido. A forma observada dos vazios é esférica (a) (b) Figura 6. Microscopia ótica do compósito PU1 sisal. (a) tramissão (b) reflexão Compósito epóxi - tecido de sisal A figura 7 abaixo apresenta o aspecto visual do compósito sisal-epóxi, observa-se que visualmente não há, ou é discreta e localizada, a formação de bolhas. 2mm Figura 7. Aspecto visual do compósito epóxi - sisal Na figura 8 abaixo os resultados do ensaio de tração em compósitos de epóxi-sisal e a média das resistências máximas obtidas (4,1kN). 5,5 5,0 4,5 4,0 4,1kN 3,5 Força (kn) 2,5 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 1,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Deslocamento (mm) Figura 8. Tração de compósito epóxi sisal A imagem da lâmina intermediária do compósito epóxi-sisal está apresentada abaixo na figura 9, na qual pode-se observar a formação de vazio próximos à superfície dos fios de sisal vazios (1), aprisionados no processo impregnação e cura. A forma observada dos vazios também é esférica

6 1mm 1 Figura 9. Microscopia ótica do compósito epóxi sisal A descrição estatística dos resultados obtidos, tanto das resistências quanto dos deslocamentos estão apresentados na tabela 3 e na figura 10, abaixo. Tabela 3. Resumo de Resistências e deslocamentos na tração Ensaio de tração PU1 Epóxi Quantidade de exemplares 9 10 Máxima 4,51 5,40 Resistência (kn) Média 3,65 4,08 Mínima 2,74 2,96 Desvio Padrão 0,652 0,809 CoV. 17,84% 19,84% Deslocamento Máximo 9,06 7,39 (mm) Mínimo 5,16 4,59 A figura 10 apresenta graficamente a média, a amplitude do desvio padrão e 1,67 vezes as amplitudes deste mesmo desvio. 6,0 5,5 5,0 ±1.96*Desvio Padrão ±1.00*Desvio Padrão Média 4,5 4,0 3,5 2,5 EPOXI PU_1 Figura 10. Diagrama de intervalos dos valores de resistência dos compósitos Discussão Os modos de ruptura dos compósitos são bastante diferentes do modo de ruptura dos tecidos. A ruptura do tecido de sisal, pode ser compreendida como resultado das rupturas localizadas, de uma ou poucas fibras, e a posterior redistribuição de esforços entre as fibras próximas que passam a atuar sob novos níveis de tensão. No caso do tecido, a transferência dos esforços entre as fibras ocorre apenas pela interação física entre fibras adjacentes. A ruptura do tecido pode ser atribuída tanto à ruptura do conjunto de fibras da seção rompida quanto à perda da interação mecânica das fibras decorrente da torção aplicada na produção dos fios. A forma de ruptura do compósito

7 poliuretano bicomponente-sisal foi semelhante à ruptura em tecidos não impregnados, caracterizando-se pelo deslocamento excessivo antes da ruptura do material. As impregnações com as resinas poliuretanas não resultaram num material visualmente satisfatório. A formação de bolhas superficiais altera as características estéticas do tecido de sisal, sendo a estética um valor a ser considerado em diversas aplicações de reabilitação de estruturas de madeira. O desempenho mecânico da poliuretana bicomponente também foi fortemente influenciado pela presença de vazios. Em relação ao desempenho da impregnação com epóxi, a poliuretana monocomponente apresentou um desempenho comparável. A tabela 4 apresenta a comparação estatística ente as resistências médias obtidas, considerando o grau de significância adotado (5%) não se pode atribuir diferença significativa entre as médias obtidas. Tabela 4.Comparação estatísticas das resistências médias N Médias Desvios t Padrão observado GL t EPOXI 10 4,078 0,809 1, ,740 PU 1 9 3,652 0,652 Tomando-se como referência às seções nominais dos compósitos (30mmx3mm) as tensões correspondentes às resistências médias são de 45,3MPa para o compósito impregnado com epóxi e 40,6MPa para o compósito impregnado com a poliuretana monocomponente. Estas são resistências superiores às registradas pela literatura para madeiras das coníferas (pinus sp).os vazios apresentaram um formato esférico, exceto quando limitados pelo próprio tecido. Pode-se observar pela microscopia que o tamanho dos vazios aprisionados pela resina epóxi são bem menores que os aprisionados pela resina poliuretana monocomponente. Conclusões A aplicação prevista deste material na reabilitação de estruturas de madeiras introduz critérios estéticos para aceitação do material. A formação ou aprisionamento de bolhas superficiais visíveis limita a aplicação em arquitetura das poliuretanas, com as técnicas empregadas neste trabalho. O tecido utilizado foi desenvolvido para aplicações em decoração e portanto a eficiência dos compósitos pode ser aumentada a partir do desenvolvimento de tecidos específicos para o reforço estrutural. Os resultados obtidos demonstram o potencial da substituição de compósitos usuais com fibras sintéticas e resinas epoxídicas por compósitos de fibras de sisal e resinas derivadas da mamona, resultando em produtos menos agressivos ao meio ambiente tanto na produção como na destinação final. Outros métodos de preparação, impregnação, moldagem dos compósitos devem ser investigados de forma a diminuir a quantidade de vazios e tendo em vista as condições de aplicabilidade no canteiro de obra. Agradecimentos CAPES - Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. APAEB - Associação dos Pequenos Agricultores do Município de Valente BA. IQSC Instituto de Química de São Carlos. Referências Bibliográficas CARLO, E.; POLITO, W. L. (2002). Sobre o desenvolvimento, aplicação e caracterização de um novo material poliuretano monocomponente baseado em óleo de vegetal com processo de cura pela umidade do ar. Apresentação em CD. ARAÚJO, L. C. R. (1992). Caracterização química, térmica e mecânica de poliuretanas elastoméricas baseadas em materiasi óloequímicos. São Carlos. Dissertação (mestrado). Instuto de Física Químicade são carlos - usp.

8 American Society for Testing and Materials (1995). ASTM D Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. Philadelphia. CARVALHO, R.F.(2001) Compósito de poliuretana e fibras vegetais para reabilitação estrutural e funcional de estruturas de madeira, Tese de doutorado. EESC/USP. Orientador: Carlito Calil Junior