VERÔNICA SCARPINI CANDIDO

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1 MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE DOUTORADO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS VERÔNICA SCARPINI CANDIDO CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Rio de Janeiro 2014

2 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA VERÔNICA SCARPINI CANDIO CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Tese de Doutorado apresentada ao Curso de Doutorado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Doutora em Ciência dos Materiais. Orientador: Prof. Sérgio Neves Monteiro Ph.D. Rio de Janeiro 2014

3 c 2014 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro RJ CEP: Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluílo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es) Candido, Verônica Scarpini S455h Caracterização e propriedades de compósitos poliméricos reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar; orientado por Sergio Neves Monteiro Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, p. : il. Tese (doutorado) Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Ciência dos Materiais teses e dissertações 2. Materiais Compósitos. 3. Caracterização dos materiais I. Monteiro, Sergio Neves. II. Título. III. Instituto Militar de Engenharia.

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5 Rio de Janeiro 2014 Este trabalho é dedicado a mim que não desisti em nenhum momento do meu objetivo e superei todas as dificuldades. 4

6 AGRADECIMENTOS A Deus por ter me dado a vida e a chance de fazer de cada dia um novo recomeço. Aos meus pais, minha irmã e minha segunda mãe pelo incentivo. À Felipe Fajardo por ser meu porto seguro Ao meu orientador Sérgio Neves Monteiro por ter acreditado em mim e nunca ter deixado de me ensinar um pouco a cada dia. Levarei seus ensinamentos por toda minha vida. Obrigada! Aos professores do IME pela dedicação e ensinamentos que contribuíram para minha formação. Ao Professor T.C. Sousa Lima, Professor Frederico Margem e à Professora Bluma Guenther que foram essenciais para o esclarecimento de dúvidas que surgiram durante a confecção dessa tese. Aos técnicos do IME e do LAMAV - UENF que permitiram que meus experimentos fossem realizados. Ao LNDC (COPPE UFRJ), IMA (UFRJ), CBPF e ao LAMAV (UENF) pelos ensaios realizados durante minha tese. Aos amigos que fiz no IME e que serão para a vida toda: Suzana Arleno, Jheison Lopes, Cirene Prata, Rayanne Dézio, Jandir e Elson Renato. O apoio, amizade e força foram essenciais para que pudesse chegar ate aqui. Vocês tornaram essa caminhada algo mais leve e divertido. Aos alunos de Iniciação científica que foram essenciais para esse trabalho. A todos os meus amigos e amigas que de uma maneira ou de outra sempre me apoiaram e trouxeram palavras de conforto e incentivo. Ao lado de vocês consegui forças para chegar ao final. Ao Michel Picanço e Felipe Perissé pela amizade, parceria e troca de conhecimentos ao longo de todos esses anos de amizade. 5

7 A persistência é o caminho do êxito. CHARLES CHAPLIN 6

8 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES...11 LISTA DE TABELAS INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVAS ORIGINALIDADE REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Fibras Lignocelulósicas Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Polímeros Resinas Poliméricas Resina Epóxi Resina Poliéster Materiais Compósitos Reforçados com Fibras Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Bagaço de Cana-deaçúcar Blindagem Balística MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Utilizados

9 6.2 Caracterização das Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Beneficiamento da Matéria-Prima Determinação da Massa Específica das Fibras Análises Térmicas das Fibras e dos Compósitos Análise Termo-Acústica da Fibra de Bagaço de Cana-de-açúcar Espectroscopia Vibracional no Infravermelho (FTIR) Preparação dos Compósitos Utilizados nos Ensaio Mecânicos Ensaios Mecânicos Ensaio de tração nas fibras de bagaço de cana-de-açúcar Ensaios de Flexão, Impacto (Izod e Charpy) e Tração Análise Microestrutural Ensaios de Impacto Balístico em Sistema Multiblindagem Confecção dos Corpos de Prova para Ensaio de Impacto Balístico Realização do Ensaio de Impacto Balístico RESULTADOS E DISCUSSÕES Caracterização das Fibras Caracterização Dimensional e Determinação da densidade das fibras de bagaço de cana-de-açúcar Ensaios de Tração nas Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Microscopia Eletrônica de Varredura da Fibra de Bagaço de Cana-de-açúcar (MEV) Caracterização Térmica das Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Análise Termogravimétrica (TG/DTG) Análise Calorimétrica Diferencial de Varredura (DSC) Análise Termo-Acústica Espectroscopia Vibracional no Infravermelho (FTIR) das Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Análise Térmica dos Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar

10 7.2.1 Análise Termogravimétrica Análise Termogravimétrica dos Compósitos Epóxi/fibras de Bagaço de Canade-açúcar Análise Termogravimétrica dos Compósitos Poliéster/fibra Bagaço de Canade-açúcar Análise Calorimétrica Diferencial de Varredura Análise Calorimétrica Diferencial de Varredura dos Compósitos Epóxi/fibra de Bagaço de Cana-de-açúcar Análise Calorimétrica Diferencial de Varredura dos Compósitos Poliéster/fibra de Bagaço de Cana-de-açúcar Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) Análise Dinâmico-Mecânica dos Compósitos Epóxi/fibra de Bagaço de Canade-açúcar Análise Dinâmico-Mecânica dos Compósitos Poliéster/fibra de Bagaço de Cana-de-açúcar Espectroscopia Vibracional no Infravermelho (FTIR) Espectroscopia Vibracional no Infravermelho dos Compósitos Epóxi/fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Espectroscopia Vibracional no Infravermelho dos Compósitos Poliéster/fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Ensaios Mecânicos e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Ensaio de Flexão Estática e Microscopia Eletrônica de Varredura Ensaio de Flexão Estática e Microscopia Eletrônica de Varredura em Compósitos de Matriz Epóxi Reforçados com Fibras de Bagaço de Cana-deaçúcar Ensaio de Flexão Estática e Microscopia Eletrônica de Varredura em Compósitos de Matriz Poliéster Reforçados com Fibras de Bagaço de Canade-açúcar Ensaio de Impacto Izod e Microscopia Eletrônica de Varredura

11 Ensaio de Impacto Izod e Microscopia Eletrônica de Varredura em Compósitos de Matriz Epóxi Reforçados com Fibras de Bagaço de Cana-deaçúcar Ensaio de Impacto Izod e Microscopia Eletrônica de Varredura em Compósitos de Matriz Poliéster Reforçados com Fibras de Bagaço de Canade-açúcar Ensaio de Impacto Charpy e Microscopia Eletrônica de Varredura Ensaio de Impacto Charpy e Microscopia Eletrônica de Varredura em Compósitos de Matriz Epóxi Reforçados com Fibras de Bagaço de Cana-deaçúcar Ensaio de Impacto Charpy e Microscopia Eletrônica de Varredura em Compósitos de Matriz Poliéster Reforçados com Fibras de Bagaço de Canade-açúcar Ensaio de Tração e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Ensaio de Tração e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) em Compósitos de Matriz Epóxi Reforçada com Fibras de Diferentes Faixas de Diâmetro de Bagaço de Cana-de-açúcar Ensaios de Tração e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) em Compósitos de Matriz Poliéster Reforçada com Fibras de Diferentes Faixas de Diâmetro de Bagaço de Cana-de-Açúcar Blindagem Multicamadas Utilizando Compósitos Reforçados com Bagaço de Cana-de-açúcar CONCLUSÕES SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

12 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG.5.1 FIG.5.2 FIG.5.3 FIG.5.4 FIG.5.5 FIG.5.6 FIG.5.7 FIG.5.8 FIG.5.9 FIG.5.10 FIG.5.11 FIG.5.12 FIG.5.13 FIG.5.14 FIG.5.15 FIG.6.1 FIG.6.2 FIG.6.3 FIG.6.4 Ciclo de reaproveitamento para materiais reforçados com fibras vegetais...31 Representação esquemática da macromolecula da celulose...31 Estrutura molecular parcial da hemicelulose...32 Estrutura molécula hipotética da lignina...32 Representação esquemática da fibra lignocelulósica...33 (a) Plantação e (b) bagaço de cana-de-açúcar...38 Curvas de análise termogravimétrica diferencial...39 Análise calorimétrica exploratória...40 Micrografia das fibras de bagaço de cana-de-açúcar...40 Resina epóxi à base de Bisfenol A...43 Reação de cura de uma resina poliéster...46 Representação esquemática de classificação para os vários tipos de compósitos...47 Termograma da resina poliuretano, fibras de bagaço de cana-deaçúcar e dos compósitos...50 Curvas termogravimétricas das fibras de bagaço de cana-de-açúcar..51 Curvas termogravimétricas da resina e dos compósitos com fibras não tratadas e fibras tratadas...52 (a) Bagaço de cana-de-açúcar sendo desfiado. (b) Fibras do bagaço da cana-de-açúcar...56 Amostra do corpo-de-prova de fibras de bagaço de cana-de-açúcar para análise Termo-acústica...58 Aparelho de célula aberta para medição térmica (LcFIS/UENF)...59 Corpos de prova para ensaios de (a) flexão e impacto (b) Izod e (c) Charpy

13 FIG.6.5 FIG.6.6 FIG.6.7 FIG.6.8 FIG.6.9 FIG.6.10 FIG.6.11 FIG.7.1 FIG.7.2 Corpos de prova com fibras de bagaço de cana-de-açúcar destinados ao ensaio de tração...64 Máquina de ensaios universais utilizada para ensaios de tração e flexão (a) e esquema de preparo das fibras para ensaio de tração (b)...65 Pêndulo Izod e Charpy...67 Microscópio eletrônico de varredura...68 Representação esquemática do sistema multicamadas para ensaio de impacto balístico...69 Corpos de prova cerâmico utilizados no sistema multiblindagem...72 Sistema utilizado para o ensaio de impacto balístico...73 Número de fibras de bagaço de cana-de-açúcar por intervalo de diâmetro (a) e de comprimento (b)...74 Massa específica em função do intervalo de diâmetro...75 FIG.7.3 Massa específica em função do inverso do diâmetro das fibras...76 FIG.7.4 FIG.7.5 FIG.7.6 FIG.7.7 FIG.7.8 FIG.7.9 Gráficos de Weibull para tensão característica de cada intervalo de diâmetro...78 Tensão característica em tração das fibras de bagaço de cana-deaçúcar...79 Linearização da tensão característica em tração das fibras de bagaço de cana-de-açúcar...80 Tensão máxima em tração das fibras de bagaço de cana-de-açúcar..81 Micrografias obtidas por MEV da fibra de bagaço de cana de açúcar com diâmetro menor que 200 µm. (a) aumento 100x. (b) aumento 400x...82 Micrografias obtidas por MEV da fibra de bagaço de cana de açúcar com diâmetro entre 200 e 400 µm. (a) aumento 100x. (b) aumento 400x

14 FIG.7.10 FIG.7.11 FIG.7.12 FIG.7.13 FIG.7.14 FIG.7.15 FIG.7.16 FIG.7.17 FIG.7.18 FIG.7.19 FIG.7.20 Micrografias obtidas por MEV da fibra de bagaço de cana de açúcar com diâmetro maior que 400 µm. (a) aumento 100x. (b) aumento 400x...83 TG/DTG da fibra de bagaço de cana-de-açúcar...84 DSC da fibra de bagaço de cana-de-açúcar...86 Variação da fase φ do sinal fotoacústico em função da frequência f para a fibra de bagaço de cana-de-açúcar...87 Evolução da temperatura com o tempo de retorno da superfície a amostras após o desligamento da iluminação...87 Espectro vibracional no infravermelho das fibras de bagaço de canade-açúcar...89 Curvas de TGA/DTG para resina epóxi pura...90 Curvas de TG/DTG para o compósito de epóxi reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar...90 Curvas de TG/DTG para o compósito de epóxi reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar...91 Curvas de TG/DTG para o compósito de epóxi reforçado com 30% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar...91 Curvas de TG/DTG para a resina poliéster...93 FIG.7.21 Curvas de TG/DTG para o compósito de poliéster reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar...94 FIG.7.22 Curvas de TG/DTG para o compósito de poliéster reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar...94 FIG.7.23 Curvas de TG/DTG para o compósito de poliéster reforçado com 30% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar...95 FIG.7.24 FIG.7.25 Calorimetria Diferencial de Varredura da resina epóxi. (a) curva do primeiro aquecimento; (b) curva do segundo aquecimento...96 Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina epóxi reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento

15 FIG.7.26 FIG.7.27 FIG.7.28 FIG.7.29 FIG.7.30 FIG.7.31 FIG.7.32 Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina epóxi reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento...97 Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina epóxi reforçado com 30% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento...98 Calorimetria Diferencial de Varredura da resina poliéster. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento...99 Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina poliéster reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina poliéster reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina poliéster reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento Módulo de armazenamento da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra FIG.7.33 Módulo de perda da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra FIG.7.34 FIG.7.35 FIG.7.36 Tangente de perda da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-deaçúcar Módulo de armazenamento da resina poliéster e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de canade-açúcar Módulo de perda da resina poliéster e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-deaçúcar

16 FIG.7.37 FIG.7.38 FIG.7.39 FIG.7.40 FIG.7.41 FIG.7.42 FIG.7.43 FIG.7.44 FIG.7.45 FIG.7.46 FIG.7.47 Tangente de perda da resina poliéster e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-deaçúcar FTIR da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúcar ((b), (c) e (d)), respectivamente FTIR da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúcar ((b), (c) e (d)), respectivamente..111 Curva de carga versus extensão do ensaio de flexão da resina epóxi (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra Resistência à flexão (a) e Módulo de Elasticidade em Flexão (b) da resina epóxi e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra Micrografia da região da fratura por flexão estática obtida por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume. 400x Curva de carga versus extensão do ensaio de flexão da resina poliéster (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra Resistência à flexão (a) e módulo de elasticidade (b) para o ensaio de flexão da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra Micrografia da região da fratura por flexão estática obtida por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume. 400x Micrografias da região da fratura por flexão estática obtida por MEV dos compósitos de matriz epóxi com adição de 10% em volume de fibra (a) e de matriz poliéster com adição de 10% (b) em volume de fibra. 100x Variação da energia de impacto Izod dos compósitos de matriz epóxi em função da fração em volume de fibras de bagaço de cana-deaçúcar

17 FIG.7.48 FIG.7.49 FIG.7.50 FIG.7.51 FIG.7.52 FIG.7.53 FIG.7.54 FIG.7.55 FIG.7.56 FIG.7.57 FIG.7.58 Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz epóxi Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz epóxi ensaiados em impacto por pêndulo Izod. (a) resina epóxi, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x Variação da energia de impacto Izod dos compósitos de matriz poliéster em função da fração em volume de fibras de bagaço de canade-açúcar Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz poliéster Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz poliéster ensaiados em impacto por pêndulo Izod. (a) resina poliéster, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x Variação da energia de impacto Charpy dos compósitos de matriz epóxi em função da fração em volume de fibras de bagaço de cana-deaçúcar Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz epóxi Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz epóxi ensaiados em impacto por pêndulo Charpy. (a) resina epóxi, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x Variação da energia de impacto Charpy dos compósitos de matriz poliéster em função da fração em volume de fibras de bagaço de canade-açúcar Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz poliéster Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz poliéster ensaiados em impacto por pêndulo Charpy. (a) resina poliéster, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x

18 FIG.7.59 Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz epóxi reforçada com fibras de bagaço de cana-de-açúcar ensaiados em tração FIG.7.60 Curvas de tração da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10 (d), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras finas de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm FIG.7.61 FIG.7.62 Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm Micrografias obtidas por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos reforçados com 10 (a), 20 (b) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro inferior a 200 µm. 100x FIG.7.63 Curvas de tração da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm FIG.7.64 FIG.7.65 Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm Micrografias obtidas por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos reforçados com 10 (a), 20 (b) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro entre 200 e 400 µm. 100x FIG.7.66 Curvas de tração da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm FIG.7.67 FIG.7.68 Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm Micrografias obtidas por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos reforçados com 10 (a), 20 (b) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro superior a 400 µm. 100x

19 FIG.7.69 FIG.7.70 FIG.7.71 FIG.7.72 FIG.7.73 FIG.7.74 FIG.7.75 FIG.7.76 FIG.7.77 FIG.7.78 FIG.7.79 Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar ensaiados em tração Curvas de tração da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm Micrografias obtidas por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos reforçados com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro inferior a 200 µm. 100x Curvas de tração da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm Micrografias obtidas por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos reforçados com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro entre 200 e 400 µm. 100x Curvas de tração da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm Micrografias obtidas por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos reforçados com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro maior que 400 µm. 100x Sistema multiblindagem utilizando como camada intermediária a resina epóxi. (a) antes do impacto. (b) após o impacto

20 FIG.7.80 FIG.7.81 FIG.7.82 Micrografia obtida por MEV da resina epóxi após o impacto balístico. (a) aumento de 100x e (b) aumento de 400x Sistema multiblindagem utilizando como camada intermediária o compósito de matriz epóxi reforçado com bagaço de cana-de-açúcar. (a) antes do impacto. (b) após o impacto Micrografia obtida por MEV do compósito de matriz epóxi após o impacto balístico. (a) aumento de 100x e (b) aumento de 400x

21 LISTA DE TABELAS TAB.5.1 TAB.5.2 TAB.5.3 TAB.5.4 TAB.5.5 TAB.5.6 TAB.5.7 TAB.6.1 TAB.6.2 TAB.6.3 TAB.7.1 TAB.7.2 TAB.7.3 TAB.7.4 TAB.7.5 TAB.7.6 Fibras lignocelulósicas estudadas..34 Propriedades mecânicas de fibras lignocelulósicas...36 Propriedades das fibras naturais comparadas com as fibras de vidro...36 Características de algumas resinas termorrígidas...42 Estrutura e característica de algumas aminas utilizadas como catalizadores de resina epóxi...44 Propriedades das resinas epóxi em temperatura ambiente...45 Tipos de resinas poliésteres e suas características...46 Composições formuladas. E Epóxi, B Bagaço de cana-de-açúcar, P Poliéster, F Fina, M Misturada e G Grossa...62 Composição química da alumina...70 Composição química da nióbia...70 Parâmetros da Estatística de Weibull para a resistência em tração associados com os diferentes intervalos de diâmetro...77 Valores da difusividade térmica, capacidade de calor específico e condutividade térmica para as fibras de bagaço de cana-deaçúcar...88 Principais Bandas de Adsorção na região do FTIR para as fibras de bagaço de cana-de-açúcar...90 Principais Bandas de Adsorção na região do FTIR para resina epóxi e os compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume fibras de bagaço de cana-de-açúcar Principais Bandas de Adsorção na região do FTIR para resina poliéster e os compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume fibras de bagaço de cana-de-açúcar Valores para resistência à flexão e módulo de elasticidade para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra

22 TAB.7.7 TAB.7.8 TAB.7.9 TAB.7.10 TAB.7.11 TAB.7.12 TAB.7.13 TAB.7.14 TAB.7.15 TAB.7.16 TAB.7.17 Valores para resistência à flexão e módulo de elasticidade para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra Valores de energia de impacto Izod a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra Valores de energia de impacto Izod da resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra Valores de energia de impacto Charpy a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra Valores de energia de impacto Charpy a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro menor que 200 µm Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro entre 200 e 400 µm Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro maior que 400 µm Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro menor que 200 µm Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro entre 200 e 400 µm Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro maior 400 µm

23 TAB.7.18 TAB.7.19 TAB.7.20 Valores de indentação medidos na plastilina, utilizando como camada intermediária no sistema multiblindagem a placa de epóxi puro Valores de indentação medidos na plastilina, utilizando como camada intermediária no sistema multiblindagem, compósito de matriz epóxi reforçado com 30% em volume de bagaço de cana-de-açúcar Valores médios de indentação para resina epóxi, compósito reforçado com bagaço de cana-de-açúcar e aramida

24 RESUMO A busca por materiais ecologicamente corretos e que associem bom desempenho mecânico com sustentabilidade tem sido muito frequente nos dias atuais. O bagaço de cana-de-açúcar é um tipo de resíduo industrial que não possui uma destinação ambientalmente correta. Esse resíduo é gerado da moagem da cana de açúcar (Saccharum officinarum L.), uma planta extremamente abundante nas regiões Nordeste e Sudeste do Brasil e que constitui matéria-prima nas agroindústrias para obtenção do açúcar e do álcool. Em muitas dessas indústrias o bagaço é incinerado ou descartado em locais inapropriados, contribuindo para o aumento da poluição ambiental. Nesse contexto, a utilização fibras de bagaço de cana como agente de reforço em matrizes poliméricas surge como uma alternativa de destinação final ambientalmente correta. Muitas fibras lignocelulósicas têm sido usadas como agente de reforço em compósitos poliméricos, pois apresentam bom desempenho mecânico e boa estabilidade térmica. Os compósitos reforçados por esse tipo de fibra têm sido estudados para diversos tipos de aplicação, por exemplo, na fabricação de madeiras ecológicas e revestimento na construção civil. Dessa forma, esse trabalho tem por objetivo realizar uma caracterização térmica e mecânica das fibras de bagaço de cana-de-açúcar; avaliar o comportamento térmico e mecânico dos compósitos de matriz epóxi e poliéster reforçados com diferentes frações volumétricas de fibra de bagaço de cana-de-açúcar; e, ainda, investigar o desempenho do compósito de matriz epóxi reforçado com bagaço de cana-deaçúcar quando submetido ao impacto balístico. Foram realizados ensaios de tração nas fibras a fim de avaliar a influência do diâmetro sobre a resistência. Adicionalmente foram realizados também ensaios temo-acústico e espectroscopia vibracional no infravermelho por transformada de Furrier (FTIR), ensaios de termogravimetria (TG/DTG) e calorimetria exploratória diferencial (DSC). A caracterização dos compósitos poliméricos foi feita por meio de ensaios de FTIR, TG/DTG, DSC e dinâmico-mecânico (DMA). Foram realizados também ensaios de flexão e impacto Izod e Charpy, além de ensaios de tração em corpos de prova reforçados com fibras de diferentes diâmetros. A caracterização das fibras revelou que as mais finas apresentaram maior resistência mecânica e maior densidade. Além disso, a análise térmica revelou certa estabilidade da fibra de bagaço de canade-açúcar. Os resultados apontaram que a incorporação das fibras não afetou, significativamente, a estabilidade dos compósitos como um todo e, a adição das fibras, diminuiu de maneira geral, a rigidez dos compósitos quando comparados à resina pura (epóxi e poliéster). No que se refere à resistência à flexão, a adição de fibras de bagaço em matriz epóxi gerou um reforço no compósito, já a adição em matriz poliéster afetou negativamente essa propriedade. Quanto à energia de impacto, na medida em que foram adicionadas fibras a matriz, essa energia sofreu um ligeiro aumento, e os compósitos de matriz poliéster apresentaram o maior valor para propriedade. Os ensaios de tração revelaram que compósitos reforçados com fibras finas apresentaram melhor desempenho em tração. Além disso, os compósitos de matriz epóxi mostraram maiores valores para essa propriedade e a composição com adição de 10% em volume de fibras finas foi a que mais se destacou entre todos os compósitos. Os ensaios de impacto balístico revelaram que, apesar da placa de bagaço apresentar valor de indentação inferior ao recomendado pela norma, esse material não é indicado para emprego em balística. 23

25 ABSTRACT Nowadays, the search for ecological correct, sustainable and good mechanical performance materials is very frequent. Bagasse cane is a kind of industrial waste without an appropriate environmental allocation. It is resulting from the grinding of sugarcane (Saccharum officinarum). This plant is extremely abundant in the Northeast and Southeast regions of Brazil and is the raw material in agricultural industry in obtaining sugar and alcohol. The bagasse is incinerated or disposed of in inappropriate places, contributing to increased pollution. In this context, the use of bagasse fiber as a reinforcing agent in polymer matrices is an alternative ecologically correct to a final destination. Many lignocellulosic fibers have been used as a reinforcing agent in polymer composites, since they have good mechanical performance and good thermal stability. The composites reinforced by this type of fiber have been studied for many types of applications, for example, in the greenwood manufacturing and coating in building construction. Thus, the aims of the present study are perform a thermal and mechanical characterization of sugarcane bagasse fibers; evaluate the thermal and mechanical behavior of epoxy and polyester matrix composites reinforced with different volume fractions of sugarcane bagasse fiber; and investigate the performance of epoxy composite reinforced with sugarcane bagasse when it is subjected to ballistic impact. Tensile tests were performed on the fibers in order to assess the influence of the diameter on the resistance. Additionally, tests thermo-acoustic, Furrier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetry (TG / DTG) and differential scanning calorimetry (DSC) were performed. The characterization of polymer composites was made by testing FTIR, TG / DTG, DSC and dynamic mechanical (DMA). The characterization of the fibers revealed that the thinner fibers had higher mechanical strength and higher density. Furthermore, thermal analysis showed certain stability of sugarcane bagasse fiber. Flexural and impacts tests Charpy and Izod were also conducted, and tensile tests on specimens reinforced with bands of different diameter fibers. The results showed that the fiber did not significantly affect the stability of the composite as a whole, and the addition of fibers, in percentages of 10 and 20%, decreased overall stiffness of the composite compared to the pure resin (epoxy and polyester). As regards flexural strength, the addition of bagasse fibers in epoxy matrix generated a reinforcement in the composite, while the addition of polyester matrix affected negatively this property. Regarding the impact energy, to the extent that fibers were added to the matrix, the energy increased slightly, and the polyester matrix composites showed the highest value for property. Tensile tests revealed that reinforced composites with thin fiber showed better traction performance. In addition, the epoxy matrix composites showed higher values for this property and the composition with the addition of 10% fiber volume was the one that stood out among all the composites. The ballistic impact tests revealed that, despite the bagasse board presents value lower than recommended by the standard indentation, this material is not indicated for use in ballistics. 24

26 1. INTRODUÇÃO. Os materiais podem ser divididos, de maneira geral, em quatro grandes grupos: materiais metálicos, cerâmicos, poliméricos e compósitos (CALLISTER, 2012). Dentre esses, os compósitos é o grupo que vem apresentando um grande desenvolvimento científico (NETO e PARDINI, 2006). Compósito é um tipo de material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades (CALLISTER, 2007). Essas fases possuem composição e estrutura diferentes o que as tornam praticamente insolúveis entre elas (CHAWLA, 1987). Normalmente os compósitos são formados por uma fase contínua, também chamada de matriz e uma fase dispersa (CALLISTER, 2007). Tal definição pode ser considerada ampla e inclui ligas metálicas, co-polímeros de plástico, minerais e madeiras (MAZUNDAR, 2002). Um compósito polimérico reforçado com fibras consiste em uma fase matriz constituída de uma resina e a outra fase de fibra, que pode ser sintética ou natural. O interesse atual em fabricar compósitos reforçados com fibras naturais se deve, entre outros fatores, a preocupação com a conservação ambiental e utilização de materiais renováveis (SATYANARAYANA, 2007). Além disso, a produção desses materiais naturais, em substituição aos artificiais, pode representar uma diminuição no consumo de energia durante o seu processo de fabricação e, consequentemente, redução de custos de produção. A utilização de fibras como reforço em matrizes poliméricas favorece aspectos ambientais e econômicos e resulta em novos materiais com propriedades mecânicas satisfatórias, o que permite diferentes aplicações (JONH E THOMAS, 2008). Baixo custo, baixa densidade, resistência específica e módulo de elasticidade elevados (MONTEIRO et al., 2009), são algumas das características que favorecem a utilização em diversos setores industriais. As fibras lignocelulósicas são constituídas basicamente de celulose, hemicelulose e lignina (SATYANARAYANA, 2007). A celulose apresenta uma forma fibrosa que, juntamente com suas características estruturais, confere a fibra requisitos necessários para diversas aplicações na grande área de engenharia. 25

27 Porem, a presença de propriedades não uniformes pode se uma desvantagem na utilização esse tipo de material (LEÃO et al., 1998). A substituição das fibras sintéticas, como a de vidro e a de carbono, por fibras naturais tem sido observada no setor automobilístico na fabricação de tapetes, estofados e painéis (MONTEIRO et al., 2009). Além da indústria automobilística, o setor da construção civil e de artigos esportivos também tem investido nesse novo tipo de material. Um exemplo de fibra natural que pode ser utilizada para essa finalidade é a fibra de bagaço de cana-de-açúcar. A cana-de-açúcar (Saccharum officinarum), desde a época da colonização, é cultivada em larga escala pelo Brasil, mas foi com a explosão do álcool como combustível que esse vegetal se tornou conhecido e cultivado por todo o Brasil (ÚNICA, 2014). O centro-oeste, sul e sudeste juntos correspondem a 85% do cultivo da cana no país, deixando para o norte e nordeste os 15% restantes. De acordo com a FAO (Food and Agriculture Orgaization of the United Nations), cerca de 35% em peso da cana de açúcar produzida é constituída do bagaço, e na maioria das vezes inutilizado (ÚNICA, 2014). A utilização das fibras do bagaço da cana-de-açúcar para confecção de compósitos poliméricos apresenta vantagens comuns às outras fibras naturais e, além disso, contribui para a diminuição do desperdício dessa matéria-prima já que esse resíduo pode ser reutilizado. Dessa forma, nota-se que a utilização de materiais compósitos reforçados com fibras naturais é um ramo promissor na grande área de Ciência e Engenharia de Materiais e o estudo das propriedades desses materiais é de extrema importância. Assim, esse trabalho tem como objetivo caracterizar, física, mecânica e termicamente, as fibras de bagaço de cana-deaçúcar, bem como os compósitos poliméricos por elas reforçados. 26

28 2. OBJETIVOS OBJETIVO GERAL. Esse trabalho tem como objetivo geral determinar as propriedades térmicas, mecânicas e físicas tanto da fibra de bagaço de cana-de-açúcar quanto dos compósitos poliméricos reforçados por fibras contínuas e alinhadas de bagaço de cana-de-açúcar OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Caracterizar as fibras de bagaço de cana-de-açúcar; Correlacionar a resistência da fibra com a variação do seu diâmetro; Produzir amostras de compósitos com 0, 10, 20 e 30% em volume de fibra, em matriz polimérica; Avaliar as propriedades físicas e mecânicas bem como as propriedades térmicas da fibra e dos compósitos; Avaliar a tenacidade ao impacto; Estudar a resistência do compósito polimérico reforçado com bagaço de cana-de-açúcar quando utilizado em conjunto com placa cerâmica e metálica em ensaio de impacto balístico Analisar microestruturalmente as fibras de bagaço e os compósitos poliméricos por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV). 27

29 3. JUSTIFICATIVAS. A indústria açucareira tem grande expressividade no cenário nacional. A principal matéria-prima dessa atividade é a cana-de-açúcar e um dos principais resíduos gerados é o seu bagaço. A grande produção e descarte incorreto desse tipo de resíduo podem gerar consequências graves como poluição de recursos hídricos e proliferação de vetores de doenças. Com a finalidade de evitar esses impactos ambientais, o bagaço de cana-de-açúcar pode retornar ao processo produtivo gerando energia ou tornar-se matéria-prima, através da utilização das suas fibras ou das cinzas, em outros setores industriais. No caso da geração de energia o bagaço é queimado em caldeiras e, além de energia térmica gera também gases como CO 2, ao qual se atribui a maior contribuição ao efeito estufa responsável pelo aquecimento global (GORE, 2008). Por outro lado, a utilização direta das fibras do bagaço como reforço de compósitos poliméricos evita a emissão de gases estufa que podem causar mudanças climáticas. Assim, do ponto de vista ambiental, esse trabalho justifica-se, pois utiliza fibras naturais em substituição às fibras sintéticas contribuindo para minimizar prováveis impactos gerados pelas indústrias de cana-de-açúcar e pelas indústrias de fabricação de fibras artificiais. No âmbito cientifico, esse trabalho justifica-se pelo entendimento das propriedades mecânicas, físicas e térmicas desse material natural e dos mecanismos de reforço entre a fibra de bagaço de cana-de-açúcar e a matriz poliéster e epóxi. Além disso, por meio desse estudo, podem-se obter materiais compósitos com elevado desempenho mecânico podendo ser aplicados em diversos setores como, por exemplo, o da defesa. Economicamente, justifica-se a utilização dessas fibras, pois apresenta baixo custo inicial, quando comparado às fibras sintéticas, podendo se tornar um incentivo para produção de materiais de inovação tecnológica. 28

30 4. ORIGINALIDADE. O trabalho aborda o estudo de fibras de bagaço de cana-de-açúcar na formação de um material compósito de matriz epóxi e poliéster. Como proposta de ineditismo, esse estudo avaliou a correlação da diminuição do diâmetro da fibra com o aumento da resistência. Além disso, foi investigado também, o aumento da resistência mecânica dos materiais compósitos de acordo com a diminuição do diâmetro da fibra de bagaço de cana-de-açúcar incorporada. Não foram encontradas na literatura, informações a respeito do comportamento termo-acústico das fibras e, tão pouco sobre a aplicação de compósitos poliméricos reforçados com bagaço de cana-de-açúcar em blindagem o que indica, também, o caráter inédito dessa tese. Estudos recentes mostraram que compósitos reforçados com fibras lignocelulósicas podem ser utilizados em diversos setores industriais e que a melhoria do desempenho mecânico desse material está associada, entre outros fatores, a diâmetros cada vez menores. Dessa forma, o presente estudo pretende colaborar, de maneira inédita, com a previsão o comportamento mecânico dessas fibras, mais especificamente a do bagaço de cana-de-açúcar. 29

31 5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FIBRAS LIGNOCELULÓSICAS. Fibras naturais, ou fibras vegetais, ou ainda, fibras lignocelulósicas (FLNs) são materiais biodegradáveis e recicláveis. São utilizadas na indústria têxtil e também em associação com outros materiais formando compósitos (SATYANARAYANA et al., 2007, MONTEIRO, et al., 1998, MOTHÉ et al., 2004, TOMCZAK, et al., 2007, THOMAS E JOHN, 2008). Este último torna-se uma alternativa para a substituição das fibras artificiais como a de vidro (WAMBUA. et al., 2007). Muitas fibras como a do bagaço de cana-de-açúcar, após a extração do açúcar para produção do etanol, torna-se um resíduo industrial que por vezes não é descartado de maneira correta no ambiente. A incorporação dessa fibra em uma matriz polimérica pode ser uma alternativa para uma destinação final ambientalmente correta para esse resíduo. A aplicação desse tipo de material compósito pode ser amplo, indo desde a fabricação de materiais esportivos até componentes automotivos (SATYANARAYANA et al., 2007) e artefatos de defesa. A FIG. 5.1 apresenta o ciclo de reaproveitamento de materiais reforçados com fibras lignocelulósicas. 30

32 Fabricação Compósitos Verdes Convertedores de Plástico Aplicações Aterros Desenvolvimento de Polímero Biodegradável Compostagem Recursos Renováveis (Amido, Fibras, etc.) Fotossíntese CO 2 FIG. 5.1: Ciclo de reaproveitamento para materiais reforçados com fibras vegetais. Modificado de Goda e Cao, As fibras lignocelulósicas são constituídas principalmente de celulose, hemicelulose e lignina. A celulose, FIG. 5.2, apresenta como unidade elementar a anidro-d-glicose, que contém três radicais hidroxilas (-OH) que formam ligações de hidrogênio dentro das moléculas (intramoleculares) e entre moléculas de celulose (intermoleculares), bem como com grupos hidroxila da umidade do ar. Assim, todas as fibras lignocelulósicas são hidrofílicas e absorvem água numa faixa de 8 a 12,6% (BLEDZKI et al., 1996). FIG. 5.2: Representação esquemática da macromolecula da celulose. Modificado de BLEDZKI et al.,

33 A celulose constitui cerca de 15 a 30% da massa seca da parede celular primária e até 40% da massa seca da parede celular secundária, onde é encontrada na forma de microfibrilas que apresentam regiões cristalinas intercaladas com regiões amorfas (STICKLEN, 2008). As ligações intra e intermoleculares de hidrogênio são as responsáveis pela manutenção das redes cristalinas e torna a celulose altamente resistente a tratamentos químicos (GAMBARATO, 2010). A celulose apresenta unidades de 1,4-β-D-anidroglicose cadeia linear e alto grau de polimerização (BLEDZKI & GASSAN, 1999). A hemicelulose é um polissacarídeo de cadeia linear e ramificada. É amorfa e apresenta peso molecular relativamente baixo (MARTINS, 2005). A hemicelulose está disposta de maneira intercalar nas microfibrilas de celulose e confere a elas flexibilidade e elasticidade (AGUIAR, 2010). A FIG. 5.3 apresenta a estrutura molecular parcial da hemicelulose. FIG. 5.3: Estrutura molecular parcial da hemicelulose. Modificado de ALVES, (2011). A Lignina é uma macromolécula tridimensional amorfa, extremamente ramificada e apresenta em sua estrutura grupos aromáticos e alifáticos (FERGEL & WEGENER, 1984). A FIG. 5.4 apresenta a fórmula estrutural da lignina. 32

34 FIG. 5.4: Estrutura molécular hipotética da lignina. Modificado de FERGEL & WEGENER, A lignina envolve as microfibrilas celulósicas fortalecendo e enrijecendo a parede celular, conferindo a planta maior resistência mecânica (ALVES, 2011). As fibras, de modo geral, estão organizadas em uma complexa estrutura fibrilar em camadas e consiste em uma fina casca que envolve uma segunda camada interna mais espessa. Esta segunda camada é que determina as propriedades mecânicas da fibra. As fibrilas estão dispostas em camadas de diferentes espessuras e ângulos de orientação. A primeira camada é a mais externa e possui uma estrutura reticulada. A camada secundaria é constituída por três camadas: a primeira camada que apresenta estrutura reticulada; segunda camada em que as fibrilas estão orientadas segundo o ângulo θ, com relaxação ao eixo longitudinal da célula em espiral e, a terceira camada, mais interna, com fibrilas em espiral. A segunda camada é a de maior espessura e, também, a de maior teor de celulose (GRAM, 1988 e COUTTS, 1992). As fibrilas formam espirais ao longo do eixo da 33

35 fibra. A resistência e a rigidez das fibras correlacionam-se com o ângulo entre a fibra e esse eixo. Quanto menor esse ângulo, melhor as propriedades mecânicas das fibras (BLEDZKI, 1996). A FIG. 5.5 mostra uma representação esquemática da fibra natural. FIG. 5.5: Representação esquemática da fibra lignocelulósica. Modificado de GRAM, (1988) e COUTTS, As microfibras, que compõem a fibra, encontram-se aglomeradas pela lamela intercelular, composta de hemicelulose, pectina e lignina. Essas substâncias são cadeias poliméricas que vão, desde longas, celulose, até menores, lignina. As cadeias de celulose possuem alto grau de polimerização (GP) da ordem de e estão aglomeradas por hemicelulose e lignina amorfa. Maior ou menor solubilidade em meio aquoso e alcalino depende do GP. Substâncias com menor GP tendem a ser mais solúveis e por isso, como no caso da lignina, podem provocar perda de resistência mecânica por decomposição quando empregadas como reforço (THOMAS et al., 2011). As fibras lignocelulósicas apresentam domínios amorfos e cristalinos com alto grau de organização. A taxa de cristalinidade depende da origem do material. Eliminação progressiva de partes menos organizadas leva a uma crescente cristalinidade das fibrilas podendo chegar até 100%. A cristalinidade da celulose resulta parcialmente das ligações de hidrogênio entre as cadeias celulósicas, mas algumas ligações de hidrogênio também podem ocorrer na fase amorfa (THOMAS et al., 2011). As propriedades das fibras dependem do teor de celulose, do grau de polimerização e do ângulo das fibrilas. Fibras com maior conteúdo de celulose, alto 34

36 grau de polimerização e um baixo ângulo micro-fibrilar, exibem alta resistência à tração e rigidez (JAYARAMAN, 2003). Além disso, essas propriedades podem variar dependendo de onde são retiradas do vegetal, se do caule ou da folha, ou do local da plantação e do pré-condicionamento das mesmas (BLEDZKI, 1996). As ceras também fazem parte da composição das fibras, porém em menor quantidade, e são responsáveis pelas características de molhabilidade e adesão das fibras (BLEDZKI, 1996, SATYANARAYANA et al., 1990). Diversos estudos estão sendo desenvolvidos com vários tipos de fibras lignocelulósicas retiradas de diferentes partes do vegetal. A TAB. 5.1 apresenta os tipos de fibras mais estudados atualmente. TAB. 5.1: Fibras lignocelulósicas estudadas. Fibra Parte da planta Nome científico Banana Folha Musa sapientum Coco Mesocarpo Cocus nucifera Curauá Folha Ananas erectifolius Alcodão Semente Gossipium M. Abacaxi Folha Ananas comoscis Juta Caule Corchorus capsularis Piaçava Bainha Foliar Attaleia funifera Sisal Folha Agava sisalana Bucha Fruto Luffa cylindrica Rami Caule Boehmeria nívea Cana-de-açúcar Caule Sacharum officirarum Adaptado de SATYANARAYANA et al., 2007, NETO e PARDINI, As fibras apresentam propriedades que podem ser divididas em primárias e secundárias. As propriedades primárias envolvem relação comprimento-largura (fator de forma), tenacidade, flexibilidade, coesão e uniformidade. As propriedades secundárias englobam a densidade, capacidade de absorção de água, alongamento, elasticidade, resiliência, comportamento térmico, resistência a microorganismos, exposição à luz, dentre outros (GASSAN, 2000). 35

37 O fator de forma, taxa ou coeficiente de aspecto pode ser definido como a razão entre o comprimento e o diâmetro da fibra sendo considerada uma importante variável numérica, pois contribui para diferenciar as fibras. Esse fator, além de influenciar na forma e textura superficial, influencia na resistência das fibras à tração (SAVASTANO e AGOPYAN, 1999). No que se refere à geometria das fibras, pode-se considerar que esse parâmetro influencia diretamente na aderência dos compósitos e implica diretamente na forma ruptura dos mesmos, além de afetar de forma significativa a ductilidade (SAVASTANO e AGOPYAN, 1999). Além da geometria, outro parâmetro importante que contribui para uma melhoria das propriedades das fibras naturais é a sua estrutura atômica. A matéria é composta por átomos que permanecem unidos por pontes de resistência variadas. A distribuição desses átomos e a força das ligações determinam as propriedades da fibra. Geralmente, a orientação molecular e a cristalinidade da celulose influenciam diretamente nas características das fibras. A boa orientação e a organização da estrutura cristalina estão normalmente associadas a uma elevada resistência e baixo alongamento da fibra (SAVASTANO e AGOPYAN, 1999). Em relação às propriedades mecânicas, as fibras naturais geralmente apresentam elevada resistência e rigidez e baixa densidade (GASSAN e BLEDZKI, 1996). A TAB. 5.2 apresenta algumas dessas propriedades para vários tipos de fibras lignocelulósicas. As propriedades e estrutura das fibras são influenciadas por diversas variáveis como a área de plantio do vegetal, o clima e a idade da planta (KALIA et al., 2009). 36

38 TAB. 5.2: Propriedades mecânicas de fibras lignocelulósicas. Fibra Módulo de Elasticidade (GPa) Resistência a Tração (MPa) Alongamento (%) Módulo de Flexão (MPa) Sisal 19, ,5 Coco 2,5-4, ,7-41 Banana Juta 465 0,7 0,3-0,5 Rami ,2 Bagaço de 27, ,1 cana-de-açúcar Abacaxi ,2 Piaçava 1,07-4,59 134,58-142,9 6,4-21,9 Algodão ,03-0,10 Adaptado de SATYANARAYANA, A TAB. 5.3 apresenta um comparativo de propriedades entre as fibras naturais e fibras artificiais, mais especificamente a de vidro. Nota-se que as fibras naturais, em geral, apresentam boa densidade para produção de materiais que combinam boa resistência mecânica com baixo peso (GIACOMINI, 2003). TAB. 5.3: Propriedades das fibras naturais comparadas com as fibras de vidro. Propriedade Linho Rami Juta Sisal Curauá Vidro Densidade (g cm -3 0,67 - ) 1,2-1,4 1,5 1,45 1,4 2,5 1,4 0,25-0,25-0,2-3,4- Resistência à tração (GPa) 0,5 0,48 0,39 0,5 0,8 3,5 9,5- Módulo elástico (GPa) , ,7-11, Alongamento na ruptura 3,3-1,2-1,4 1,8 0,8-3, ,2 (%) 4,8 Adaptado de GIACOMINI, De maneira geral, pode-se observar que as fibras apresentam valores mais baixos de resistência à tração, módulo de elasticidade e alongamento na ruptura que 37

39 a fibra de vidro. Porem quando incorporada a uma matriz polimérica as fibras podem apresentar uma melhora significativa desses parâmetros uma vez que atuam reforçando a matriz e assim podem proporcionar uma melhora nas propriedades do compósito. O uso de fibras lignocelulósicas no lugar de fibras artificiais como a de vidro, por exemplo, tem se tornado cada vez mais comum, pois é uma fonte renovável, biodegradável (SATYANARAYANA et al., 2007), são recicláveis podendo ser facilmente convertidas em energia térmica através da combustão sem deixar resíduos, com menos poluentes e com adicional de créditos de carbono. Adicionalmente, esses materiais possuem baixa densidade representando uma economia de energia por meio da redução de peso dos componentes (GAYER & SCHUH, 1996). Assim, nota-se que estudar as propriedades das fibras é de extrema importância para que possam ser utilizadas como agente de reforço em matriz polimérica. O conhecimento dessas propriedades faz com que a aplicação das fibras torne-se muito mais viável e a fabricação de materiais compósitos de elevado desempenho, mais barata FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A fibra do bagaço da cana-de-açúcar é o subproduto da indústria de açúcar sendo um dos recursos renováveis com maior potencial energético. Algumas indústrias utilizam o próprio bagaço para produção de energia utilizada durante o processo produtivo do açúcar (ÚNICA, 2014). A FIG. 5.6 (a) apresenta foto de uma plantação de cana-de-açúcar e (b) do bagaço dessa planta. 38

40 (a) FIG. 5.6: (a) Plantação e (b) bagaço de cana-de-açúcar. (b) O Brasil é o segundo maior produtor de cana-de-açúcar (SATYANARAYANA et al., 2007) e na safra de 2013/14 a produção ficou em torno de 652,02 milhões de toneladas (CONAB, 2013). O bagaço in natura é composto, aproximadamente, por 44,5% de fibras lignocelulósicas, 50% de umidade, 2,5% de sólidos solúveis em água e 3% de teor de cinza (JHON & THOMAS, 2008). Essa fibra é constituída basicamente por α-celulose (54,3-55,2%), hemicelulose (16,8-29,7%), lignina (25,3-24,3%), cinzas (1,1%) e outros extratos (0,7-3,5%) (FILHO et al., 2004., SATYANARAYANA et al., 2007). Com relação às propriedades mecânicas, é desejável que as fibras apresentem excelente resistência à tração, alta durabilidade, baixa densidade e boa aderência à matriz (Kalia et al., 2011). A fibra de bagaço de cana-de-açúcar apresenta módulo de elasticidade igual 27,1 GPa e resistência à tração de 222 MPa (Filho et al, 2004, Hatakeyama et al., 1982). As propriedades mecânicas das fibras podem ser compreendidas quando são observados outros parâmetros estruturais como, por exemplo, a presença de poros e defeitos ao longo da fibra. TRINDADE et al. (2005) determinaram as propriedades das fibras de bagaço de cana-de-açúcar (modificadas e não modificadas) e dos compósitos reforçados com essas fibras e fibras de curauá. A caracterização dos componentes do bagaço de cana-de-açúcar revelou que as fibras apresentaram teores de celulose, holo e hemicelulose e lignina iguais a 55,2; 72,1; 16,8 e 25,3%, respectivamente e uma cristalinidade de 47%. 39

41 No que se referem às propriedades mecânicas das fibras, os autores observaram que a modificação das fibras, por diversos agentes, provocou, de modo geral, uma redução na resistência à tração de 222 para 126 MPa. GUIMARÃES et al. (2009) caracterizaram a fibra de bagaço de cana e de outras duas fibras naturais. A análise termogravimétrica, FIG. 5.7, revelou que a fibra de bagaço apresenta três perdas de massa associadas à perda de água de umidade (até 100ºC), a decomposição da celulose em aproximadamente 300ºC e a quebras de ligações na cadeia de lignina em aproximadamente 400ªC. FIG. 5.7: Curvas de análise termogravimétrica diferencial. Adaptado de GUIMARÃES et al., A análise calorimétrica exploratória, FIG. 5.8, mostrou a presença de pico exotérmico, entre 300 e 400ºC, onde houve perda de massa associada à liberação de substâncias voláteis devido à degradação da celulose. 40

42 FIG. 5.8: Análise calorimétrica exploratória. Adaptado de GUIMARÃES et al., Ao avaliar a morfologia das fibras, os autores concluíram que as células são quase esféricas e compactamente arranjadas apresentando lúmen central e grande. As micrografias das fibras de bagaço de cana-de-açúcar estão apresentadas na FIG FIG. 5.9: Micrografia das fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Adaptado de GUIMARÃES et al., POLÍMEROS. Polímero é uma macromolécula composta por muitas unidades repetidas denominadas meros. Essas unidades estão ligadas por ligações covalentes e 41

43 conferem à macromolécula, alto peso molecular (LUCAS et al., 2001, CANEVAROLO, 2003). Os materiais poliméricos podem ser classificados quanto ao seu comportamento térmico em termorrígidos e termoplásticos (CALLISTER, 2012). Os polímeros termorrígidos ou termofixos são aqueles que amolecem quando submetidos ao efeito da temperatura e da pressão e assumem a forma do molde. Uma nova exposição à temperatura e pressão não fará com que esse material altere sua forma. Essa incapacidade de alteração de forma se deve a formação e ligações cruzadas entre as cadeias adjacentes. Isso acarretará em maior resistência da cadeia aos movimentos vibracionais e rotacionais gerados em elevadas temperaturas (MANO, 2000). Epóxi e algumas resinas poliéster são exemplos desse polímero. Polímeros termoplásticos são capazes de serem moldados varias vezes quando submetidos aos efeitos da temperatura e pressão. Essa característica se deve às forças de ligação secundárias que são diminuídas quando há um aumento de temperatura facilitando o movimento relativo das cadeias quando uma tensão é aplicada (MANO, 2000). Polipropileno e policloreto de vinila são exemplos desse tipo de polímero. Nesse trabalho será utilizada resina epóxi e poliéster para confecção dos compósitos. A utilização desses materiais deve-se ao fato de serem amplamente empregados nas indústrias, apresentarem baixo custo, propriedades mecânicas desejáveis e fácil manuseio (LUCAS et al., 2001) RESINAS POLIMÉRICAS O estudo para o desenvolvimento de novos materiais tem apresentado um elevado crescimento nos últimos anos. Resinas epóxi e poliésteres são bons exemplos desses tipos de materiais. Essas resinas pertencem à classe dos polímeros termorrígidos e são as principais representantes desse grupo (LUCAS et al., 2001). Além disso, apresentam um conjunto desejável de propriedades que favorecem sua aplicação em diversos setores industriais (BRIDSON, 1966). A TAB. 5.4 apresenta algumas características das resinas poliméricas. 42

44 TAB. 5.4: Características de algumas resinas termorrígidas. Resina Características Limitações Epóxi - Excelente propriedade - Longos ciclos de cura. em compósitos. - Boa resistência química. - Melhores propriedades são obtidas em altas temperaturas de cura. - Boas propriedades térmicas e elétricas. - Baixa contração durante a cura. Poliéster - Muito utilizada. - Emissão de estireno. Poliuretano Silicone - Fácil manuseio. - Contração durante a - Cura a temperatura ambiente. - Boa resistência química cura. - Inflamável. - Boas propriedades em - Cor. compósitos. - Boa resistência química - Isocianetos como agentes de cura. - Elevada dureza. - Ótimas propriedades - Adesão. térmicas. - Resistente a hidrólise e - Longos períodos de oxidação. cura. - Não tóxico. - Cura somente em elevadas temperaturas. - Boa resistência ao fogo. Adaptado de ROSATO e ROSATO, RESINA EPÓXI. As resinas epoxídicas mais simples apresentam como grupo funcional dois carbonos ligados a um átomo de oxigênio formando um anel. Esse anel apresenta considerável reatividade favorecendo a utilização de diversos compostos químicos (MENEZES et al., 2004). Essa reatividade permite que o anel seja aberto formando ligações cruzadas ocasionando o endurecimento e eventualmente a solidificação do polímero (MENEZES et al., 2004). A resina epóxi à base de Bisfenol A, FIG. 5.10, é oriunda da reação da Epicloridrina e Bisfenol A podendo ser encontrada no estado 43

45 líquido ou semi-sólido. Esse tipo de resina é versátil e por esse fato é a mais utilizada comercialmente (SILAEX, 2014). FIG. 5.10: Resina epóxi à base de Bisfenol A. SILAEX, Esse tipo de resina apresenta como características elevada resistência química, propriedades térmicas e elétricas desejáveis e baixa contração durante a cura. Entretanto, para que as propriedades obtidas apresentem valores satisfatórios, a cura deve ser em longos ciclos e em altas temperaturas (ROSATO e ROSATO, 1994). As resina epoxídicas tem como catalizadores as aminas que são compostos orgânicos em que um ou mais grupos alquilo ou arilo estão ligados a um átomo de azoto. As aminas são oriundas do amoníaco e podem ser classificadas como primária, secundária ou terciaria. A maioria das aminas de cadeia linear ou ramificada é líquida em temperatura ambiente, exceto a metilamina, dimetilamina e trimetilamina que são gases (SOLOMONS, 1996). Alguns tipos de agentes de cura das resinas epóxi são apresentados na TAB 5.5. TAB. 5.5: Estrutura e característica de algumas aminas utilizadas como catalizadores de resina epóxi. Aminas Fórmula Química Peso Molecular (g/mol) Etilenodiamina H 2 N-(CH 2 ) 2 -NH 2 60 Dietilenotriamina H 2 N-(CH 2 ) 2 -NH-(CH 2 ) NH 2 Trietilenotetramina H 2 N-(CH 2 ) 2 -NH-(CH 2 ) 2 - NH-(CH 2 ) 2 -NH 2 Tetraetilenopentamina H 2 N-(CH 2 ) 2 -NH-(CH 2 ) NH-(CH 2 ) 2 -NH-(CH 2 )-NH 2 Modificado de GONZÁLEZ et al.,

46 Os catalizadores mais comuns são as aminas lineares, por apresentarem elevada reatividade. Essas aminas apresentam alta velocidade de reação em temperatura ambiente, são hidrofóbicas e, por induzirem a um aumento das ligações cruzadas, aumentam a resistência química e melhora as propriedades físicas da resina (GERSIFI et al., 2003). Durante o processo de cura, as reações químicas provocam mudança de estado físico, saindo do estado líquido viscoso, passando por gel e se transformando em um estado sólido vitrificado. Essa mudança permite que o material alcance boas propriedades propriedade mecânicas, térmicas, elétricas e químicas (RANGEL, 2006). A TAB. 5.6 apresenta algumas propriedades das resinas epóxi em temperatura ambiente. TAB. 5.6: Propriedades das resinas epóxi em temperatura ambiente. Propriedades das Resinas Epóxi Densidade 1,11-1,40 g/cm 3 Módulo de elasticidade 2,41 GPa Limite de resistência à tração 27,6-90,0 MPa Tenacidade á fratura 0,6 MPa m Condutividade térmica 0,19 W/m-K Calor específico 1050 J/Kg-K Resistividade elétrica Ω-m Alongamento Percentual 3-6 Adaptado de CALLISTER, As resinas epoxídicas são utilizadas como colas, tintas e como materiais compósitos para fabricação de tacos de golfe e carros de corrida. Essas resinas são de grade interesse, pois combinam versatilidade com propriedades mecânicas desejáveis, podendo assim, satisfazer as exigências do mercado (GOODMAN, 1986). 45

47 RESINA POLIÉSTER. Resinas poliésteres são polímeros de alto peso molecular que podem ser saturados ou insaturados. A reação entre um diálcool e um anidrido ou um ácido dibásico com liberação de uma molécula de água forma os poliésteres insaturados que são ésteres complexos e de cadeia longa. A denominação insaturados é oriunda das ligações duplas presentes na cadeia e, geralmente, é fornecida pelo ácido maléico ou anidrido maléico, assim como pelo acido fumárico. (SILAEX, 2014). O poliéster insaturado apresenta, geralmente, o monômero de estireno como mero que também possui ligações duplas que são desfeitas por ação de catalisadores dando origem a um polímero termoestável (SILAEX, 2014). A FIG apresenta a reação de cura de uma resina poliéster. FIG. 5.11: Reação de cura de uma resina poliéster. SILAEX, Diversos são os tipo de resinas poliésteres presentes no mercado a TAB 5.7 apresenta algumas dessas resinas com suas características principais. 46

48 TAB. 5.7: Tipos de resinas poliésteres e suas características. Tipos de Resinas Características Bisfenólica Bom desempenho químico e térmico. Isoftálica Bom desempenho químico, mecânico e térmico. Isoftálica com Neo Pentil Glicol (NPG) Maior resistência à hidrólise devido à substituição do glicol por NPG. Ortoftálica Boa resistência física. Resina de menor custo e utilizada em fins menos nobres. Tereftálicas Boa resistência física e baixa resistência a UV. Adaptado de SILAEX, 2014 Assim como as resinas epoxídicas, as resinas poliésteres também apresentam ampla aplicação, sendo utilizadas desde aditivos para tintas até componentes para indústria aeroespacial (CALLISTER, 2012) MATERIAIS COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS. Materiais compósitos são constituídos por duas fases, a matriz e a fase dispersa. São classificados em compósitos reforçados com partículas, com fibras e compósitos estruturais (CALLISTER, 2007). A FIG mostra uma representação esquemática dessa classificação. Esses materiais apresentam constituintes que são diferentes no nível molecular e podem ser separados mecanicamente (CALLISTER, 2007). 47

49 Compósitos Reforçados com Partículas Reforçados com Fibras Estrutural Partículas Grandes Reforço por dispersão Contínuas (Longas) Descontínuas (Curtas) Laminado Painéis em Sanduíche Alinhadas Desalinhadas FIG. 5.12: Representação esquemática de classificação para os vários tipos de compósitos. Adaptado de CALLISTER, De acordo com FOLKES (1982) o estudo da interface e do agente de reforço é muito importante, pois esse dois parâmetros contribuem diretamente para o aumento da resistência mecânica e resistência à fluência da matriz. Os materiais compósitos são projetados de modo a combinar características desejáveis dos materiais que os compõem. A matriz pode ser metálica, cerâmica ou polimérica e o tipo de reforço pode ser na forma de partículas, fibras, lâminas, bastões ou partículas dispersas (CALLISTER, 2012). Os compósitos reforçados com fibras são materiais tecnologicamente importantes e apresentam, com frequência, alta resistência e alta rigidez em relação ao peso (CALLISTER, 2007). Os compósitos reforçados por fibras podem ser subclassificados de acordo com a orientação e o comprimento das fibras na matriz, e esses fatores podem influenciar nas propriedades mecânicas do material. Geralmente são observadas seguintes orientações: Fibras contínuas e alinhadas: geralmente as fibras são dispostas na direção longitudinal; Fibras descontínuas e alinhadas: as fibras são descontinuas e estão alinhadas longitudinalmente; 48

50 Fibras descontínuas e orientadas aleatoriamente: as fibras são descontínuas e estão dispostas de maneira aleatória dentro da matriz (CALLISTER, 2007). A utilização de fibras alinhadas faz com que o compósito apresente anisotrópico, ou seja, assuma um caráter direcional. Essa característica faz com que a força aplicada seja no sentido longitudinal, que é o de maior resistência do compósito (OCHOLA, 2004). A utilização das fibras como reforço para compósito depende da interação entre fibra matriz e também da aderência da fibra à própria matriz (WEETON & SCALA, 1974). Essa interação influencia diretamente nas propriedades mecânicas e físicas dos compósitos, pois é através dela que ocorre transferência de carga da matriz para fibra (TITÃ et al., 2002, MOHANTY et al., 2000). O comprimento da fibra é outro fator determinante nas propriedades do compósito. Normalmente as fibras apresentam um comprimento crítico que contribui para um aumento efetivo na resistência e na rigidez do compósito. O comprimento crítico é dependente do diâmetro da fibra, do limite de resistência à tração da fibra e da resistência da ligação fibra-matriz (CALLISTER, 2007). As fibras contínuas apresentam comprimento maior que o comprimento crítico e as fibras descontínuas apresentam comprimento menor que o comprimento crítico (CALLISTER, 2007). Estas últimas, quando submetidas a uma solicitação mecânica, geralmente não fornecem a matriz um aumento efetivo na resistência, fornece apenas um pequeno reforço permitindo que a matriz seja deformada ao redor da fibra não havendo transferência de tensão da matriz para a fibra (CALLISTER, 2007). A EQ. 5.1 determina o comprimento critico da fibra. = (5.1) em que : lc é o comprimento crítico; σ * f é o limite de resistência à tração; d é o diâmetro da fibra; T c tensão de escoamento ou cisalhamento da matriz. As fibras dos compósitos com comprimento, l, muito maior que o comprimento crítico são chamadas de fibras contínuas; as que possuem comprimento menor que 49

51 o critico são denominadas descontínuas ou curtas. Para que se desenvolva uma melhora significativa na resistência do compósito, as fibras devem ser contínuas (CALLISTER, 2007). Dessa forma, determinação da resistência na interface fibra-matriz, avaliação do comprimento critico da fibra bem como a análise das propriedades físicas, mecânicas e térmicas são essenciais para determinação de projetos de engenharia COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Nos últimos anos tem aumentado o interesse da sociedade por produtos que degradem menos o ambiente. A elaboração de materiais que apresentem alto desempenho e concomitantemente sejam ambientalmente corretos tem sido alvo de estudos para elaboração de projetos de engenharia. Nesse contexto, os compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais ganham destaque, pois são materiais de baixo custo, podem apresentar elevado desempenho e as fibras podem ser oriundas de atividades industriais como, por exemplo, da atividade açucareira. Muitos estudos têm sido desenvolvidos com bagaço de cana-de-açúcar como reforço para matrizes poliméricas. MONTEIRO et al.(1998) avaliaram o desempenho de compósitos poliméricos reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar em flexão para fabricação de materiais de baixo custo. Os autores concluíram que o baixo valor do módulo de flexão obtido, 19,5 MPa, pode estar associado à presença de açúcar e lignina na fibra, o que não permite uma boa aderência da fibra à matriz. Apesar disso, o valor obtido pelo compósito, quando comparado a outros materiais estruturais como painéis e concreto, o desempenho mecânico foi satisfatório. MOTHÉ et al. (2002) avaliou o comportamento térmico de compósitos de matriz poliuretânica reforçada com fibra de bagaço de cana-de-açúcar. A FIG 5.13 mostra os resultados obtidos por termogravimetria. 50

52 FIG. 5.13: Termograma da resina poliuretano, fibras de bagaço de cana-de-açúcar e dos compósitos. MOTHÉ et al., Os resultados mostraram que a resina apresenta uma perda de massa de 4% a 314 ºC. As fibras por sua vez, apresentaram uma perda de massa de 10% associada a perda de água. Segundo os autores, os compósitos apresentaram comportamento similar ao observado na resina com maior perda de massa próxima a 321 ºC. MULINARI et al.(2009) avaliaram o efeito da incorporação de fibras bagaço de cana-de-açúcar tratadas e não tratadas nas propriedades mecânicas de compósitos de resinas termoplásticas. Os autores verificaram que os compósitos confeccionados com fibras tratadas apesentaram bom desempenho em tração, redução do percentual de alongamento e aumento o modulo de elasticidade quando comparado com as fibras não tratadas. Os autores concluíram que o tratamento das fibras pode melhoras algumas propriedades mecânicas, viabilizando seu emprego com agente de reforço em materiais poliméricos. SANCHEZ et al. (2010) estudaram a influência do tratamento das fibras de bagaço de cana-de-açúcar em compósitos de resina poliéster. A análise termogravimétrica (TG) das fibras revelou que as fibras tratadas apresentou maior estabilidade térmica que as fibras não tratadas. Em geral, as fibras apresentaram duas perdas de massa significativas: a primeira relacionada à despolimerização térmica da hemicelulose e a quebra de ligações glicosídicas da celulose, e a 51

53 segunda à de composição da lignina. A FIG 5.14 apresenta os resultados obtidos por TG/DTG da fibra. FIG. 5.14: Curvas termogravimétricas das fibras de bagaço de cana-deaçúcar. Adaptado de SANCHEZ et al., No que se refere ao comportamento termogravimétrico dos compósitos, os autores constataram que a estabilidade térmica não foi afetada com a adição das fibras (tratadas quimicamente e não tratadas). Além disso, a degradação do material ocorre em duas etapas: a primeira por volta de 300 a 400ºC com 91% de perda de massa e a segunda entre 500 e 600ºC. As curvas termogravimétricas para os compósitos estão apresentadas na FIG

54 FIG. 5.15: Curvas termogravimétricas da resina e dos compósitos com fibras não tratadas e fibras tratadas. SANCHEZ et al., As propriedades mecânicas dos compósitos foram testadas através de ensaios de impacto e tração. Os autores observaram que os compósitos apresentaram maior resistência ao impacto que a resina pura, porém, quando ensaiados em tração, os compósitos apresentaram menor resistência. Ao avaliar a influência efeito do tratamento da fibra sobre a resistência à tração dos compósitos, os autores observaram que os que foram reforçados com fibras tratadas apresentaram uma melhoria significativa da resistência quando comparados aos que foram reforçados com fibras não tratadas, apresentando valores para essa propriedade iguais a 27,7 e 15,4 Mpa, respectivamente. CERQUEIRA et al. (2011) estudaram o Comportamento mecânico de compósitos de polipropileno reforçados com fibras tratadas de bagaço de cana-de-açúcar incorporando de 5 a 20% em peso dessa fibra à matriz. Os autores constataram que a incorporação das fibras melhorou a resistência à tração e ao impacto. Os maiores valores para essas propriedades foram observados com a incorporação de 20% de fibra alcançando valores iguais a 1442,5 MPa e 52,5 J/m². Em outro estudo sobre compósitos poliméricos reforçados com fibras de bagaço de cana, BRUGNAGO et al. (2011) avaliaram por meio de análise termogravimétrica 53

55 (TG), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e dinâmico-mecânica (DMA) o feito do tratamento das fibras de bagaço por exposição ao calor e lavagem química sobre os compósitos de poliéster insaturado. Os autores concluíram que o tratamento das fibras melhorou a estabilidade térmica dos materiais e, também, que o reforço com essas fibras apresentou resultados satisfatórios em termos de análise dinâmicomecânica. Dessa forma, nota-se que a incorporação de fibras de bagaço de cana-de-açúcar pode contribuir para melhorar a estabilidade térmica dos compósitos. Entretanto, a baixa adesão da fibra à matriz, devido ao seu caráter higroscópico, pode influenciar negativamente nas propriedades mecânicas do material, assim, o tratamento das fibras pode ser uma solução para melhorar essa adesão proporcionando melhores valores para essas propriedades BLINDAGEM BALÍSTICA. Desde os primórdios o homem buscou meios de se defender de ataques inimigos, mas foi a partir da segunda guerra mundial que os estudos sobre proteção balística se intensificaram. A balística é a ciência que estuda o movimento de objetos lançados ao ar, a esses corpos dá-se o nome de projéteis (LEITE SEGUNDO, 2013). A balística pode ser dividida em três fases: balística interna, externa e terminal. A balística interna engloba os fenômenos que antecedem a saída do projetil do cano da arma. A balística externa avalia a ocorrência dos fenômenos desde a saída do projetil até o momento em que ele atinge o alvo e a terminal, estuda o comportamento do projetil ao atingir o alvo (GONÇALVES, 2004). A proteção balística, por sua vez tem o objetivo de proteger o alvo do impacto do projétil. Os sistemas atualmente utilizados consistem em uma blindagem híbrida constituída de uma camada de cerâmica e uma camada de compósito. A cerâmica tem a função de destruir a ponta do projetil e compósito de absorver a energia residual dos fragmentos do projetil e da cerâmica (KAUFMANN, 2003). Quando um projetil atinge um alvo de blindagem híbrida, é gerada na camada de cerâmica uma onda compressiva, essa onda percorre todo o material e, ao atingir a 54

56 parte posterior da cerâmica ela é parcialmente refletida na forma trativa promovendo a fratura dessa primeira camada (TASDERMICI, 2012). As ondas geradas nos materiais após o choque de um projetil podem ter natureza compressiva ou trativa. Uma onda ao se propagar de um meio para outro tem alteração na sua velocidade, densidade e pressão. A impedância de choque é um parâmetro que relaciona a velocidade da onda com a densidade. Quando uma onda de choque passa de um meio de maior impedância para menor, é gerada uma onda de choque trativa o que pode ocasionar na fratura do material (DE LUCA, 1997). 55

57 6. MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS UTILIZADOS. As fibras de bagaço de cana-de-açúcar utilizadas nesse trabalho foram obtidas por meio de coleta em estabelecimentos comerciais. As resinas utilizadas como matrizes foram: epóxi do tipo éter diglicilídico do bisfenol A (DEGEBA) e como endurecedor trietileno tetramina (TETA) na proporção estequiométrica correspondente ao phr =13 (13 partes de endurecedor por 100 partes de resina); e uma resina poliéster ortoftáfica com uma proporção do catalisador metil-etil-cetona de 5% em peso, ambas da empresa Dow Chemical CARACTERIZAÇÃO DAS FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR BENEFICIAMENTO DA MATÉRIA-PRIMA. Inicialmente, em laboratório, as fibras de bagaço de cana-de-açúcar foram lavadas em água corrente para retirada do excesso de açúcar e colocadas em estufa a 60ºC durante 24h para secagem. Posteriormente, foram desfiadas manualmente sendo o comprimento mínimo de 10 cm. A FIG. 6.1 apresenta o processo de desfiamento (a) e as fibras de bagaço de cana-de-açúcar (b). Para a medição do comprimento das fibras, foi utilizado um paquímetro digital de precisão igual 0,01 mm da Mitutoyo. As fibras foram medidas em estereoscópio da ZEISS, modelo Stemi 2000-C para determinação de seu diâmetro. As medidas foram realizadas em 5 posições ao longo da fibra. Em cada posição obteve-se uma segunda medida girando a fibra em noventa graus e considerando-se a média das duas medidas nesta posição. Este procedimento foi realizado devido ao fato da seção reta da fibra não ser perfeitamente circular, característica da variabilidade de fibras naturais. Após essa etapa, as fibras foram divididas em seis intervalos de diâmetro com a finalidade de avaliar sua resistência em tração de acordo com sua espessura. 56

58 FIG. 6.1: (a) Bagaço de cana-de-açúcar sendo desfiado. (b) Fibras do bagaço da cana-de-açúcar DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DAS FIBRAS. Para determinação da massa específica das fibras, mediu-se a massa das fibras em uma balança analítica da Gehaka, modelo BK300, de precisão 0,001g. Considerando que as fibras apresentam uma geometria cilíndrica, o volume foi EQ = ² (6.1) Em que: V m - volume médio; r raio. l m - comprimento médio. Com a obtenção dos parâmetros anteriores, a massa específica das fibras foi obtida de acordo com a EQ = (6.2) Em que: Ρ - a massa específica; M massa; V m - volume médio. 57

59 6.3. ANÁLISES TÉRMICAS DAS FIBRAS E DOS COMPÓSITOS. As fibras de bagaço de cana-de-açúcar foram maceradas em almofariz e pistilo de porcelana com a finalidade de diminuir sua granulometria. Após essa etapa, as fibras foram encaminhadas ao Laboratório de Materiais Avançados (LAMAV) da Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF) para realização da análise termogravimétrica (TGA/DTG). O ensaio foi realizado em um equipamento da TA Instrument, modelo 2910, operando a uma taxa de aquecimento de 10ºC/min em um intervalo de temperatura de ºC e atmosfera de nitrogênio. Para a análise Calorimétrica Diferencial de Varredura (DSC) as fibras de bagaço também tiveram sua granulometria diminuída assim como feito para o ensaio de TGA e, posteriormente, encaminhadas ao Instituto de Macromoléculas (IMA) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). O ensaio foi feito em equipamento da Netzsch modelo DSC 204 F1 Phoenix operando em atmosfera de nitrogênio com taxa de aquecimento de 10ºC/min em um intervalo de temperatura de ºC/min. Os compósitos poliméricos foram fabricados com resina epóxi e poliéster e fibras contínuas e alinhadas de bagaço de cana-de-açúcar. Os corpos de prova foram confeccionados em um molde cilíndrico de 5,5 mm de diâmetro e 20 mm de comprimento. As fibras foram inicialmente colocadas dentro desse molde cilíndrico que em seguida foi preenchido com as resinas poliméricas e apoiado em base de silicone até o final da cura da resina, cerca de 24 horas. Após essa etapa, as amostras foram cortadas em pequenos discos com 2 mg em peso, correspondendo a aproximadamente 1 mm de espessura e 0,6 mm de raio. Os corpos de prova para análise de TGA/DTG foram encaminhados ao LAMAV-UENF e ensaiados em equipamento da TA Instrument, modelo 2910, operando a uma taxa de aquecimento de 10ºC/min em um intervalo de temperatura de ºC e atmosfera de nitrogênio. As amostras destinadas à análise de DSC foram encaminhadas ao IMA-UFRJ e ensaiadas em equipamento da Netzsch modelo DSC 204 F1 Phoenix operando em atmosfera de nitrogênio com taxa de aquecimento de 10ºC/min em um intervalo de temperatura de ºC/min. 58

60 Para realização da análise Dinâmico-Mecânica (DMA) foram fabricados, em matriz de silicone, corpos de prova retangulares nas dimensões 50 x 40 x 60 mm de resina epóxi e poliéster com fibras de bagaço contínuas e alinhadas. Os ensaios foram realizados em modo de flexão em três pontos com uma amplitude de deslocamento de 50 µm e frequência de 1 Hz em uma faixa de variação de temperatura de -20 a 400ºC em equipamento da Perkin Elmer modelo DMA ANÁLISE TERMO-ACÚSTICA DA FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE- AÇÚCAR. As fibras de bagaço de cana-de-açúcar foram previamente maceradas e prensadas a fim de se obter um disco de espessura menor que 0,5 mm, FIG Posteriormente, as amostras foram encaminhadas ao laboratório de Ciências Físicas (LcFis) da UENF. FIG. 6.2: Amostra do corpo-de-prova de fibras de bagaço de cana-de-açúcar para análise Termo-acústica. O corpo de prova foi ensaiado em uma célula fotoacústica aberta e em método de elevação fototérmica sob iluminação de laser contínuo. A difusividade térmica foi avaliada pela técnica fotoacústica, que leva em consideração a perda de calor em uma amostra devido a um processo de relaxamento térmico após a absorção da luz. O valor da difusividade foi obtido pela montagem de dados da fase experimental (φ), utilizando-se as EQ. 6.3 e

61 φ = φ + arctan( 1 ) o x -1 (6.3) 1/ 2 πf x =l s( ) (6.4) αs onde ls é a espessura da amostra e f a frequência do sinal fotoacústico. Supõe-se que a amostra é oticamente opaca e que o fluxo de calor no ar circundante é desprezível. A FIG. 6.3 apresenta o aparelho utilizado na realização desse ensaio. FIG. 6.3: Aparelho de célula aberta para medição térmica (LcFIS/UENF). A opacidade implícita ótica foi assegurada pela utilização de uma folha de alumínio absorvente circular presa com graxa de vácuo na superfície frontal da amostra. Considerando que o tempo de difusão térmica na folha de alumínio é muito curto (13,6 ms), o calor gerado pode ser a considerado como transmitido instantaneamente para a amostra. Considerando a EQ. 6.5, a capacidade de calor específico foi obtida (HATTA, 1979; POLEY et al., 2005; VARGAS E MIRANDA, 1988). T = ( l s Io τ ) (1 e ρ cp t τ ) (6.5) onde l o é a intensidade de luz incidente e o tempo de aumento de temperatura (τ) é dado pela EQ. 6.6: 60

62 τ = l s ρ cp (2H) (6.6) O coeficiente de transferência de calor irradiado composto pela constante de Stefan-Boltzmann, σ, até a temperatura ambiente T o pode ser calculado pela EQ H = 4σ T o (6.7) Essas técnicas permitiram determinar a difusividade térmica (α s ) e a capacidade térmica específica (ρc p ). De posse desses parâmetros, a condutividade térmica, k, da fibra de bagaço de cana-de-açúcar foi determinada através da EQ k = α s ρc p (6.8) 6.5. ESPECTROSCOPIA VIBRACIONAL NO INFRAVERMELHO (FTIR). A espectroscopia vibracional no infravermelho foi realizada nas fibras de bagaço de cana-de-açúcar e nos compósitos. A preparação dessas amostras se deu através da maceração das fibras até a forma de pó e da preparação dos compósitos em formas de silicone assim como preparado para a análise de TGA citada no item 6.3. Após a confecção e cura dos corpos de prova, discos 2 mg em peso foram cortados correspondendo a aproximadamente 1 mm de espessura e 0,6 mm de raio. Esses espécimes juntamente com as fibras foram encaminhados ao centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) para serem ensaiados. O FTIR foi feito em um espectrofotômetro Shimadzu IR-Prestige-21/AIM-880, na faixa de cm -1 com resolução de 2 cm -1, 258 scans. O preparo de amostras em pastilhas de KBr foi realizado numa proporção maior de amostra (0,100g Kbr : 0,0010g amostra), de modo a aumentar o sinal de adsorção. Os espectros obtidos em escala de absorção foram tratados com correção de ar atmosférico e linha base pelo programa IR Solution do próprio equipamento. A determinação do índice de cristalinidade (IC) foi feita utilizando a EQ 6.9: = (6.9) 61

63 em que A 1392 é a absorbância registrada a 1372 cm -1 (C-H angular) e A 2900 é a absorbância registrada 2900 cm -1 (C-H axial). A determinação da cristalinidade para fibras lignocelulósicas é feita de maneira indireta utilizando a razão entre a absorbância dos picos citados anteriormente. A banda 2900 cm -1 corresponde ao padrão interno de correção da amostra, assim, ela não é afetada por alterações de cristalinidade. Já a banda 1372 cm -1 mede a intensidade de acordo com a variação da cristalinidade não sendo influenciada pela presença de água PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS UTILIZADOS NOS ENSAIO MECÂNICOS. Os corpos de prova foram fabricados utilizando se resina epóxi e poliéster e fibras de bagaço com fração volumétrica variando entre 0 e 30%. A TAB. 6.1 apresenta essa relação resinas/fibras utilizada nesse trabalho. 62

64 TAB. 6.1: Composições formuladas. E Epóxi, B Bagaço de cana-de-açúcar, P Poliéster, F Fina, M Misturada e G - Grossa. Composições Matérias primas (% em volume) Resina (%) Fibra (%) E0BF E10BF E20BF E30BF E0BM E10BM E20BM E30BM P0BF P10BF P20BF P30BF P0BM P10BM P20BM P30BM Para confecção dos corpos de prova para ensaio de flexão e impacto as resinas foram vertidas sobre as fibras alinhadas longitudinalmente dispostas em moldes de silicone. O tempo de cura foi aproximadamente 24 horas a temperatura ambiente e depois, 2 horas em estufa a 100ºC. Após essa etapa, os corpos de prova foram lixados e cortados a fim de obterem as medidas solicitadas pelas normas para ensaios de flexão, ASTM D 790, e impacto Izod e Charpy, ASTM D 256 e ASTM D 6110, respectivamente. A FIG. 6.4 apresenta uma representação esquemática dos corpos de prova de flexão (a) e impacto Izod (b) e impacto Charpy (c). 63

65 a ,7 60 b direção de alinhamento das fibras c FIG. 6.4: Corpos de prova para ensaios de (a) flexão e impacto (b) Izod e (c) Charpy. Os corpos de prova destinados à tração foram fabricados individualmente com resina epóxi e poliéster em molde de silicone seguindo as recomendações da norma ASTM D 638. As fibras foram previamente selecionadas de acordo com seu diâmetro o que permitiu a fabricação de três tipos de amostras: corpos de prova com fibras finas (diâmetro menor 200µm), fibras médias (diâmetro entre 200 e 400µm) e fibras grossas (diâmetro 400µm). Após essa seleção, as fibras foram molhadas com a resina e posicionadas longitudinalmente no molde que foi preenchido novamente com a resina. O tempo de cura foi de 24 horas em temperatura ambiente e, depois, em estufa por 2 horas a 100ºC. A FIG. 6.5 apresenta uma representação esquemática dos corpos de prova de tração (a) com as dimensões iguais a 6 x 5 mm de seção transversal e 35 mm de comprimento e os corpos de prova (b) utilizados nesse ensaio. 64

66 ,0 1,3 6,0 FIG. 6.5: Corpos de prova com fibras de bagaço de cana-de-açúcar destinados ao ensaio de tração ENSAIOS MECÂNICOS ENSAIO DE TRAÇÃO NAS FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Para determinação da resistência em tração das fibras, foram selecionados 20 espécimes de cada intervalo de diâmetro. Os ensaios foram realizados seguindo os procedimentos recomendados pela norma ASTM D2101 em máquina de ensaios universais da Instron modelo 5582, FIG. 6.6 (a), com uma taxa de 0,6 mm/min no LAMAV UENF. Para realização desse ensaio, fita crepe foi colada em cada extremidade da fibra com a finalidade de evitar o seu escorregamento e fratura, como mostrado na FIG. 6.6 (b). 65

67 (a) F (b) FIG. 6.6: Máquina de ensaios universais utilizada para ensaios de tração e flexão (a) e esquema de preparo das fibras para ensaio de tração (b). Após o ensaio, a confiabilidade dos dados e a possível correlação existente entre a variação do diâmetro da fibra e suas propriedades mecânicas como resistência a tração e módulo de elasticidade, foi avaliada por meio da estatística de Weibull. 66

68 ENSAIOS DE FLEXÃO, IMPACTO (IZOD E CHARPY) E TRAÇÃO. O ensaio de flexão estática foi realizado no LAMAV-UENF em máquina de ensaios universais da Instron modelo 5582 utilizando a técnica de flexão em 3 pontos com uma taxa de deformação 0,5 mm/min e uma capacidade de 100 kn seguindo a norma ASTM D 790. A determinação da tensão máxima (δ m ) associada à resistência dos compósitos e o módulo de flexão foi feita utilizando-se as EQ e 6.11, respectivamente. = m ² = m ³ ³ (6.10) (6.11) Em que: Qm carga máxima L a distância entre suportes; b a largura; d a espessura; γ deflexão. Os ensaios de impacto Izod e Charpy seguiram as diretrizes da norma ASTM D 256 e também foram realizados no LAMAV-UENF. Os corpos de prova foram ensaiados utilizando um pêndulo instrumentado da PANTEC, Modelo XC-50, 1x 220V x 60Hz. O entalhe foi feito com entalhador manual da marca CEAST modelo Notchvas com 2,54 mm de profundidade e ângulo de 45. O equipamento utilizado para o ensaio de impacto em pêndulo Izod e Charpy está apresentado na FIG

69 FIG. 6.7: Pêndulo Izod e Charpy. Os ensaios de tração foram realizados no LAMAV-UENF seguindo as diretrizes da norma ASTM D638 em máquina de ensaios Universais da Instron modelo 5582 com uma taxa de deformação 0,5 mm/min e uma capacidade de 100 kn. A tensão máxima (σ ) suportada pelos corpos de prova foi obtida pela razão entre a força aplicada e a área, como mostra a EQ σ = F/A (6.12) em que F é a força aplicada e A é a área da seção retangular do corpo de prova. O módulo de elasticidade (E) foi obtido através da razão entre tensão máxima ( σ ) e o alongamento (ε ), como apresentado na EQ E = σ ε (6.13) 68

70 6.8. ANÁLISE MICROESTRUTURAL. Para a análise microestrutural, as fibras e compósitos foram observados em microscópio eletrônico de varredura (MEV) da FEI modelo Quanta FEG 250 no laboratório de microscopia do IME. A FIG. 6.8 mostra o microscópio usado para essa análise. Além do laboratório de microscopia do IME, foi utilizado também o microscópio da ZEISS DSM 930 do laboratório de multiusuário de microscopia eletrônica e microanálise da COPPE - UFRJ FIG. 6.8: Microscópio eletrônico de varredura ENSAIOS DE IMPACTO BALÍSTICO EM SISTEMA MULTIBLINDAGEM. A utilização do bagaço de cana-de-açúcar como material para blindagem foi feito em um sistema multicamadas. A representação esquemática desse sistema está apresentado na FIG A primeira camada é composta de uma cerâmica feita com Al 2 O 3 dopada com 4% em peso de Nb 2 O 5 de formato hexagonal com 15 mm espessura e 31 mm de lado. A placa de bagaço de cana-de-açúcar feita com resina epóxi e 30% em volume de bagaço e constitui a segunda camada desse sistema e, a terceira e ultima camada, uma placa de liga de alumínio 6061-TG com as dimensões 150 x 150 mm e 5 mm de espessura, fornecido pela empresa Brasileira METINOX S.A. Esse sistema é acoplado à plastilina que é uma massa deformável formada por argila. A plastilina simula o corpo humano e permite avaliar a energia residual transmitida após o choque por impacto na blindagem e a profundidade da deformação causada após a interação do projétil com o alvo. Dependendo da 69

71 profundidade de deformação na plastilina, pode-se avaliar a letalidade da ameaça ao corpo humano. Camadas: a) Cerâmica. b) Compósito polimérico de matriz epóxi reforçado com bagaço de cana-de-açúcar. c) Liga de alumínio. d) Plastilina. FIG. 6.9: Representação esquemática do sistema multicamadas para ensaio de impacto balístico. Adaptado de SILVA, CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA PARA ENSAIO DE IMPACTO BALÍSTICO. As placas cerâmicas foram confeccionadas a partir da obtenção dos pós de alumina e nióbia. A alumina foi adquirida da empresa nacional Treibacher Scheifmittel. A composição química informada pelo fornecedor é apresentada na TAB

72 TAB. 6.2: Composição química da alumina. Elemento Análise Especificação Al 2 O 3 (%) 99,4 Min. 99,1 SiO 2 (%) 0,04 Máx. 0,06 Fe 2 O 3 (%) 0,04 Máx. 0,06 Na 2 O (%) 0,11 Máx. 0,15 MgO (%) 0, Umidade a 300 ºC (%) 0,20 Máx. 0,5 Outros (%) 0,18 Adaptado de SILVA, A nióbia HP foi utilizada como aditivo de sinterização e foi obtida da Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM). A composição química informada pelo fornecedor é apresentada na TAB TAB. 6.3: Composição química da nióbia. Elemento Análise Nb 2 O 5 (%) 99,5 Perda ao fogo (%) 0,1 Ta (ppm) 745 Ti (ppm) 240 Fe (ppm) 136 Si (ppm) 66 Adaptado de SILVA, Os pós de alumina e nióbia foram misturados e homogeneizados em um moinho de bolas da Marconi modelo MA 500, por 12 horas. A moagem foi realizada com 1,5% de polietileno glicol (PEG) que atua como um ligante, 3,9% de Nb 2 O 5 e 94,6% 71

73 de Al 2 O 3, todas as porcentagens em peso. Após essa etapa, o material foi colocado em estufa a 100ºC durante 24 horas. Após a secagem, o pó foi desaglomerado utilizando-se um almofariz e pistilo e, em seguida, peneirado em uma peneira com abertura igual a 0,355 mm. Após o beneficiamento da matéria prima, pesaram-se 95 g do pó que foi, posteriormente, depositado em uma matriz de formato hexagonal e prensado sob pressão de 30 Mpa. A sinterização do corpo cerâmico foi feita em um forno INTI a uma temperatura de 1400 ºC por 3 horas. A rota de sinterização consistiu na elevação da temperatura de 25 ºC até 158 ºC, em uma taxa lenta de 1 ºC/minuto, no qual permaneceu nessa temperatura por 60 minutos para permitir a eliminação do ligante orgânico. Em seguida procedeu-se o aquecimento da amostra até 375 ºC também com a taxa de 1 ºC/minuto, para garantir a retirada de algum ligante residual. A partir de 375 ºC o aquecimento continuou até 1000 ºC a uma taxa de 8 ºC/minuto. A temperatura então subiu entre 1000 ºC até 1400 ºC em uma taxa de 5 ºC/minuto no qual permaneceu durante 180 minutos. O resfriamento foi realizado em uma taxa de 3 ºC/minuto de 1400 ºC até 700 ºC. Posteriormente, o material foi resfriado até a temperatura ambiente obedecendo à inércia do forno. A FIG mostra os espécimes cerâmicos obtidos. 72

74 FIG. 6.10: Corpos de prova cerâmico utilizados no sistema multiblindagem. Adaptado de SILVA, Para a confecção dos compósitos, utilizou-se 30% em volume de bagaço de cana-de-açúcar e resina epóxi do tipo diglicidil bisfenol A (DGEBA) e trietileno tetramina (TETA) como agente endurecedor. Inicialmente, o bagaço de cana foi lavado em água corrente de modo a retirar o excesso de açúcar e depois seco em estufa a 70ºC por 24 horas. As placas de resina epóxi bem como os compósitos foram feito em uma matriz retangular metálica. O preenchimento da matriz para confecção do compósito foi feito da seguinte forma: uma camada de resina e uma camada de bagaço de cana. Esse ciclo foi repetido até que todo material preparado fosse utilizado. Em seguida, o molde foi submetido a uma pressão de 5 MPa por 24 horas REALIZAÇÃO DO ENSAIO DE IMPACTO BALÍSTICO. Os ensaios de impacto balísticos foram realizados no Centro de Avaliações de Exército Brasileiro (CAEx) e seguiram as normas NIJ e NIJ , utilizando como munição projéteis de calibres 7.62 mm. A FIG apresenta o sistema utilizado para esse ensaio. A mutiblindagem foi estruturada colando as 73

75 placas umas as outras por meio de um adesivo de nome comercial SIKAFLEX da SIKA S.A. FIG. 6.11: Sistema utilizado para o ensaio de impacto balístico. Adaptado de SILVA, A realização desse ensaio permitiu realizar a avaliação da absorção de energia dos compósitos obtida através do cálculo que utiliza a velocidade residual do projetil emitida pelo radar Doppler, e o teste de profundidade de indentação que permite medir a profundidade na qual a plastilina é deformada devido ao impacto do projetil. 74

76 7. RESULTADOS E DISCUSSÕES CARACTERIZAÇÃO DAS FIBRAS CARACTERIZAÇÃO DIMENSIONAL E DETERMINAÇÃO DA DENSIDADE DAS FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A análise estatística da distribuição do número de fibras de bagaço de cana-deaçúcar por intervalo de diâmetro e comprimento foi feita a partir da medição de 100 fibras aleatórias e individuais. A FIG. 7.1 ((a) e (b)) mostra o padrão de distribuição diametral e de comprimento apresentado nesse lote, respectivamente. a b FIG. 7.1: Número de fibras de bagaço de cana-de-açúcar por intervalo de diâmetro (a) e de comprimento (b). MARTINS et al., 2012 Observa-se que o maior número de fibras foi observado nos intervalos de 0,11 0,17 e 0,17 0,23. Tal resultado pode estar associado à natureza das fibras que geralmente é mais compacta e de menor diâmetro. No que se refere à distribuição do comprimento nota-se que há um maior número de fibras nos intervalos de menor magnitude, isso se deve provavelmente a dificuldade de extrair fibras de grandes comprimentos. As fibras ao serem desfiadas manualmente, há o rompimento ao longo de sua extensão, devido ao bagaço estar com parte de sua estrutura danificada da moagem e estocagem. 75

77 A massa específica das fibras em função da distribuição do intervalo diametral está apresentada na FIG FIG. 7.2: Massa específica em função do intervalo de diâmetro. MARTINS et al., De maneira geral, pode-se observar que com o aumento do diâmetro, há uma diminuição da massa específica aparente. Isso indica que fibras de menor diâmetro são mais compactas e possuem menos espaços vazios em sua microestrutura que as fibras de maior diâmetro, isto é menos defeitos estruturais. A relação entre a massa específica e o inverso do diâmetro das fibras está apresentada na FIG

78 FIG. 7.3: Massa específica em função do inverso do diâmetro das fibras. MARTINS et al., Baseado na aproximação linear feita obteve-se a equação da aproximação linear da massa especifica (ρ) pelo inverso do diâmetro (D), EQ =, 0,44542 (7.1) ENSAIOS DE TRAÇÃO NAS FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. As fibras utilizadas para determinação do diâmetro foram posteriormente ensaiadas em tração e desse ensaio foram obtidos valores de Força vesus Alongamento para cada ensaio por faixa de diâmetro analisado. De posse de tais resultados obteve-se a resistência máxima da fibra e a partir daí pode-se analisar os dados por meio da estatística de Weibull. A TAB 7.1 apresenta os valores dos parâmetros de probabilidade e estatística de Weibull calculados utilizando-se o Método de Máxima Verossimilhança (CARVALHO, 2007). 77

79 TAB. 7.1: Parâmetros da Estatística de Weibull para a resistência em tração associados com os diferentes intervalos de diâmetro. Tensão Intervalo de Módulo de Caracteristica Diâmetro Weibull θ (mm) β (MPa) Parâmetro Tensão de Ajuste Média R 2 (MPa) Desvio (MPa) 0,10-0,17 2,48 174,10 0, ,40 66,68 0,17-0,23 4,21 124,80 0, ,50 30,39 0,23-0,29 2,25 70,72 0, ,64 29,49 0,29-0,35 1,22 36,73 0, ,43 28,46 0,35-0,41 0,98 27,15 0, ,42 28,04 0,41-0,47 1,50 25,43 0, ,96 15,59 Adaptado de CANDIDO, et al., Os parâmetros apresentados na TAB 7.1 possuem as seguintes características: β é o Parâmetro de forma ou Módulo de Weibull. De um modo geral, β possui valores entre 0,5 e 15. Quanto maior for o valor de β, mais a média se aproximará do parâmetro de escala e a variância tenderá a zero (CARVALHO, 2007). θ é um parâmetro, chamado de parâmetro de escala, que indica que o valor característico do que está sendo medido tem uma confiança de 63,8% (CARVALHO, 2007). No presente trabalho, θ representa a tensão característica das fibras de bagaço de cana-de-açúcar. R 2 é o parâmetro de ajuste que mostra o quanto os pontos do gráfico estão bem ajustados à sua reta central. O valor de R 2 pode variar de 0 a 1. Quanto mais próximo o parâmetro estiver de 1, melhor ajustados estarão os pontos experimentais à reta central. Pode-se notar que o parâmetro β apresenta, em princípio, baixos valores, chegando a aproximadamente 4. Tal resultado indica que a distribuição apresenta baixa representatividade estatística. Além disso, nota-se que as fibras mais finas apresentam valores para esse mesmo parâmetro quase quatro vezes maior que o intervalo de fibras mais grossas, confirmando a correlação existente entre resistência em tração com o inverso do diâmetro. 78

80 Os valores obtidos em tração para cada intervalo de diâmetro de fibra de bagaço de cana-de-açúcar permitiram a realização de uma análise por meio da estatística de Weibull. A FIG. 7.4 mostra os gráficos Logarítmicos da confiabilidade versus parâmetro de localização. 0,10-0,17 0,17-0,23 0,23-0,29 0,29-0,35 0,35-0,41 0,41-0,47 FIG. 7.4: Gráficos de Weibull para tensão característica de cada intervalo de diâmetro. Os gráficos apresentados são unimodais com apenas uma reta cortando todos os pontos para um mesmo intervalo de diâmetro. Esse comportamento indica que as fibras de bagaço divididas em cada intervalo de diâmetro pertencem a um grupo mesmo comportamento mecânico. A FIG 7.5 apresenta a tensão característica em tração de acordo com a variação do diâmetro das fibras obtida pela estatística de Weibull. 79

81 Tensão Característica (MPa) Diâmetro (mm) FIG. 7.5: Tensão característica em tração das fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Adaptado de CANDIDO, et al., Nota-se claramente que as fibras de menor diâmetro tendem a um maior valor de resistência em tração que as fibras de maior diâmetro. Esse comportamento era esperado, pois se acredita que fibras mais finas apresentem menos defeitos que fibras mais grossas. Além disso, como observado nos valores de densidade, as fibras mais finas são mais compactas apresentando menos defeitos estruturais que fibras mais grossas. A FIG. 7.6 apresenta a linearização da tensão característica versus diâmetro. O valor obtido para R foi próximo a 1 confirmado que a relação entre o aumento da tensão com a diminuição do diâmetro segue uma tendência linear. 80

82 180 R= 0, Tensão (MPa) Diâmetro (mm) FIG. 7.6: Linearização da tensão característica em tração das fibras de bagaço de cana-de-açúcar. A EQ. 7.2 representa a equação que melhor se ajustaria ao ajuste linear apresentado na FIG Essa equação corresponde à correlação entre a média das tensões características (σ) e o diâmetro médio (d) das fibras de bagaço de cana-deaçúcar (MARTINS et al., 2014). σ = 21,60 183,52d (7.2) A tensão máxima em tração para cada intervalo de diâmetro é apresentada na FIG

83 Tensão Máxima (MPa) Diâmetro (mm) FIG. 7.7: Tensão máxima em tração das fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Adaptado de CANDIDO et al., Assim como observado para a tensão característica, a tensão máxima também confirma correlação existente entre o aumento da resistência com a diminuição do diâmetro da fibra. Entretanto, vale ressaltar que os desvios são bastante elevados e não há uma diferença significativa entre os valores de resistência das fibras médias e grossas. Apesar fibra de bagaço de cana-de-açúcar apresentar uma resistência relativamente alta, o valor máximo encontrado ainda é muito inferior ao reportado na literatura. SATYANARAYANA (2007) apresentou valor um valor de resistência à tração da fibra de bagaço igual a 222 MPa, entretanto, em seu trabalho o autor não fez uma investigação sobre a influência do diâmetro na resistência. A variação da resistência à tração com o diâmetro das fibras é um estudo inédito e, por esse motivo, não há dados na literatura que permitam estabelecer um padrão de comparação. Os dados encontrados se referem a outros tipos de fibras naturais como, por exemplo, o curauá que possui tensão característica próxima a 300 MPa (FERREIRA et al., 2009) o sisal que apresenta para esse mesmo parâmetro um valor próximo à 1016 MPa (INÁCIO et al., 2010) e a juta que exibe tensão característica de 364 MPa (BEVITORI, et al., 2010). 82

84 Assim, observa-se que as fibras de bagaço de cana-de-açúcar apresentam uma resistência à tração relativamente baixa quando comparada as outras fibras naturais. O baixo valor dessa propriedade pode refletir nas propriedades mecânicas dos compósitos poliméricos por elas reforçados MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA DA FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR (MEV). A microscopia eletrônica de varredura foi feita em três grupos de fibras de bagaço: diâmetro menor que 200 µm, diâmetro entre 200 e 400 µm e diâmetro maior que 400 µm. A FIG. 7.8 apresenta a micrografia das fibras com diâmetro menor que 200 µm. FIG. 7.8: Micrografias obtidas por MEV da fibra de bagaço de cana de açúcar com diâmetro menor que 200 µm. (a) aumento 100x. (b) aumento 400x. MARTINS, et al., Pode-se observar que a fibra fina apresenta áreas lisas associadas a poucas áreas rugosas e poucos defeitos. A FIG. 7.9 apresenta a micrografia de fibra de bagaço com diâmetro entre 200 e 400 µm. 83

85 (a) (b) FIG. 7.9: Micrografias obtidas por MEV da fibra de bagaço de cana de açúcar com diâmetro entre 200 e 400 µm. (a) aumento 100x. (b) aumento 400x. A análise por MEV revelou que assim como as fibras finas, as fibras com diâmetro médio apresentam poucas imperfeições e superfície lisa com poucas áreas rugosas. Na FIG é apresentada a micrografia da fibra de bagaço com diâmetro maior que 400 µm. b FIG. 7.10: Micrografias obtidas por MEV da fibra de bagaço de cana de açúcar com diâmetro maior que 400 µm. (a) aumento 100x. (b) aumento 400x. MARTINS, et al.,

86 Pode-se notar que as fibras mais grossas apresentam muitas áreas rugosas com poucas áreas lisas, além de defeitos. Observa-se ainda, de modo geral, que as fibras de bagaço de cana de açúcar apresentam células parenquimáticas dispostas ao longo de todo o comprimento CARACTERIZAÇÃO TÉRMICA DAS FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE- AÇÚCAR ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TG/DTG). A FIG apresenta o comportamento termogravimétrico da fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 331,25 43,75 218,75 481,25 FIG. 7.11: TG/DTG da fibra de bagaço de cana-de-açúcar. O termograma das fibras revela que aproximadamente a 43 ºC há uma pequena perda de massa de aproximadamente 10% que está ligada à perda de água de umidade. Até aproximadamente 200ºC é observada certa estabilidade térmica das fibras, entretanto, em 331,25 ºC nota-se perda de massa de aproximadamente 55%, que pode estar associada à degradação da hemicelulose. A partir dessa temperatura, não se observa estabilidade térmica e uma nova perda de massa é observada em temperatura próxima a 481,25 ºC que pode estar associada à degradação da lignina e a decomposição da α-celulose. Comportamento similar foi 85

87 observado por GUIMARÃES et.al., (2009) e também MOUBARIK et al. (2013) ao estudar o comportamento térmico das fibras de bagaço de cana de açúcar. Ao avaliar o comportamento termogravimétrico da fibra de bagaço, SANCHEZ et al. (2010) observou que a degradação da fibra acontece em dois estágios. O primeiro, por volta de 200 ºC, associado à despolimerização da hemicelulose e quebra das ligações glicosídicas da celulose e o segundo, em temperaturas próximas a 500 ºC, relacionado com a decomposição da α-celulose. Segundo esses autores, a degradação da lignina ocorre em uma ampla faixa de variação de temperatura que vai de 200 a 500 ºC. Os resultados encontrados por Sanchez e colaboradores confirmam os encontrados nesse estudo. O desempenho térmico mostrado pelas fibras indica que esse material é estável entre 100 e 200 ºC podendo ser utilizado em diversas aplicações. Acima dessa temperatura, seu uso não é indicado, pois há grande perda de massa e maior instabilidade térmica ANÁLISE CALORIMÉTRICA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC). A Calorimetria Diferencial de Varredura da fibra de bagaço de cana-de-açúcar está apresentada na FIG Nota-se um pico endotérmico por volta de 100 ºC associado à perda de água de constituição da estrutura da celulose. Esse mesmo comportamento foi obtido por MARTIN et al. (2009) ao estudar o comportamento térmico das fibras de bagaço e SPINACÉ et. al. (2009) ao avaliar o desempenho térmico de fibras de curauá. 86

88 0,0 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,2-0,4-0,6-0,8-1,0-1,2 91, Temperatura ( C) FIG. 7.12: DSC da fibra de bagaço de cana-de-açúcar ANÁLISE TERMO-ACÚSTICA. A FIG apresenta a variação da fase do sinal (φ) em graus pela função da frequência (f) em hertz. A fase do sinal é a diferença de fase entre o sinal gerado e o detectado, e a frequência é uma variável independente. Vale ressaltar que os pontos sólidos representam um dado experimental enquanto a linha contínua é o melhor enquadramento para os pontos experimentais. 87

89 FIG. 7.13: Variação da fase φ do sinal fotoacústico em função da frequência f para a fibra de bagaço de cana-de-açúcar. Baseado na equação 6.5 pode-se determinar a difusividade térmica da fibra de bagaço de cana-de-açúcar (α s ) levando em consideração a espessura da amostra (l s = 0,5 mm). O valor encontrado para essa propriedade foi igual a (3,7±0,2) x 10-7 m²/s. Na FIG é apresentado o tempo de evolução da amostra de bagaço de cana-de-açúcar durante o resfriamento quando a iluminação é desligada. FIG. 7.14: Evolução da temperatura com o tempo de retorno da superfície a amostras após o desligamento da iluminação. 88

90 A linha formada pelos quadrados representa os dados experimentais, enquanto a linha formada pelos círculos representa o ajuste ideal dos dados experimentais utilizando as EQ. 6.5 a 6.7. Utilizando τ como um parâmetro de ajuste e as equações 6.5 a 6.7, a capacidade de calor específica (ρc p ) apresentou valor igual a (6,8±0,8) x 10 5 J/K.m³. O valor de condutividade térmica foi obtido utilizando a equação 6.8 com os valores de difusividade térmica e a capacidade de calor específico. O valor encontrado para essa propriedade foi igual a 0,23±0,03 W/m.K. A TAB. 7.2 apresenta os valores dessas propriedades. TAB. 7.2: Valores da difusividade térmica, capacidade de calor específico e condutividade térmica para as fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Fibra de bagaço de cana-deaçúcar Difusividade térmica (m²/s) Capacidade de Calor específico (J/K.m³) Condutividade Térmica (W/m.K) (3,7 ± 0,2) x 10-7 (6,3 ± 0,8) x ,23 ± 0,03 Assim como diversos outros polímeros, o valor da condutividade térmica apresentado pela fibra de bagaço de cana-de-açúcar é relativamente baixo (CALLISTER, 2012). Tal resultado sugere que as fibras de bagaço de cana-deaçúcar podem ser utilizadas como um bom isolante térmico ESPECTROSCOPIA VIBRACIONAL NO INFRAVERMELHO (FTIR) DAS FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Na FIG 7.15 está apresentado o espectro vibracional no infravermelho das fibras de bagaço de cana-de-açúcar. 89

91 . Transmitância (%) ,34 582, , , , , , N de onda (cm¹) FIG. 7.15: Espectro vibracional no infravermelho das fibras de bagaço de cana-deaçúcar. Por meio da análise do espectro de FTIR da fibra de bagaço de cana-de-açúcar pode-se identificar absorção em uma frequência aproximada de 3405 cm -1 associada à deformação axial do grupamento O-H (YANG et al., 2007). Essa banda é comum a todas as fibras lignocelulósicas e para fibra de bagaço esse pico é bastante intenso, o que sugere que o grupamento OH é mais ativo, indicando menor interação com os compostos químicos como o anidrido acético (OH et al., 2007). Em um estudo também com fibras de bagaço de cana, o mesmo grupo funcional com banda de 3400 cm-1 em espectro de FTIR apresentou componente o metanol (YANG et al., 2007). A deformação axial do grupo C-H está associado às vibrações em uma frequência próxima a 2925 cm -1. Em 1723 e 1639 cm -1 observa-se picos relativos à banda de carbonila (C=O) associados à hemicelulose presente nas fibras (COLLON et al., 2003). O pico em 1257 cm -1 refere-se às ligações C-O-C presentes na cadeia de celulose e, em 1050 observa-se um novo pico associado à deformação de C-H e C-O (MAIA & MULINARI, 2011). Em 582 cm -1 um novo pico associado à deformação de C-C é notado (YANG et al., 2007). IBRAHIM et al., (2010) e TOMCZAK et al., (2007) também observaram a presença dessas bandas ao estudarem fibras de banana e curauá, respectivamente. Segundo esses autores, as faixas de

92 cm -1 podem estar relacionadas às atividades específicas de grupos funcionais. Além disso, os autores afirmam que o aparecimento da banda 582 cm -1, que está dentro da faixa acima, é comum em todas as fibras lignocelulósicas e, portanto, esperavase que também fosse constatada na fibra de bagaço. A TAB 7.3 apresenta os principais eventos identificados por FTIR nas fibras bagaço. TAB. 7.3: Principais Bandas de Adsorção na região do FTIR para as fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Número de onda (cm -1 ) Banda original Ligação O-H Ligação C-H (alifático + aromático) Ligação C=O (acetona, éster ou grupos carboxílicos) Ligação C=O em grupos aromáticos 1257 Deformação de C-O-C Deformação de C-H, C-O Deformação de C-C (aromático) YANG et al., 2007, OH, et al., 2005 e COLLON et al., O índice de cristalinidade encontrado para as fibras de bagaço de cana-deaçúcar foi de aproximadamente 47%. Os limites para IC das fibras naturais estão entre 50 e 80%, logo, o valor para fibras de bagaço pode ser considerado irreal, pois se encontra fora desses limites (RAY & SARKAR, 2001) ANÁLISE TÉRMICA DOS COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA/DTG) ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA DOS COMPÓSITOS EPÓXI/FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A FIG mostra as curvas TGA/DTG para a resina epóxi pura DGEBA/TETA. 91

93 FIG. 7.16: Curvas de TGA/DTG para resina epóxi pura. A análise do termograma permite inferir que a resina epóxi é termicamente estável até aproximadamente 250ºC. A aproximadamente 370 ºC ocorre uma perda mássica de aproximadamente 90% do total da amostra que pode ser atribuída à degradação da cadeia polimérica. As FIG a 7.19 apresentam os termogramas dos compósitos com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúcar, respectivamente. FIG. 7.17: Curvas de TG/DTG para o compósito de epóxi reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. 92

94 FIG. 7.18: Curvas de TG/DTG para o compósito de epóxi reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. FIG. 7.19: Curvas de TG/DTG para o compósito de epóxi reforçado com 30% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. A análise dos termogramas dos compósitos revela que, de maneira geral, a adição das fibras de bagaço de cana-de-açúcar não interfere significativamente na estabilidade do compósito. Os compósitos com 10, 20 e 30% em volume fibra apresentaram uma estabilidade térmica até aproximadamente 250 ºC. A partir dessa temperatura e até próximo a 450 ºC ocorre uma grande perda de massa, cerca de 90% do total. Esse resultado sugere que adição das fibras de bagaço não interfere, significativamente, 93

95 no comportamento da resina epóxi uma vez que os compósitos apresentaram comportamento similar ao da resina ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA DOS COMPÓSITOS POLIÉSTER/FIBRA BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A FIG apresenta o resultado do TGA/DTG da resina poliéster pura após a cura de 24 horas em temperatura ambiente. Pode-se notar que há certa estabilidade térmica até aproximadamente 200ºC, a partir dessa temperatura ocorre uma pequena perda de massa de aproximadamente 5%. Após esse evento, ocorre novamente uma perda de massa de maior magnitude (cerca de 90% da massa inicial) em temperatura próxima a 300 ºC. Essa grande perda de massa pode estar associada à degradação térmica do polímero. A aproximadamente 500 ºC há uma nova perda de massa e um lento declínio pode ser observado. FIG. 7.20: Curvas de TG/DTG para a resina poliéster. As FIG a 7.23 apresentam os termogramas dos compósitos de resina poliéster com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúcar, respectivamente. 94

96 FIG. 7.21: Curvas de TG/DTG para o compósito de poliéster reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. FIG. 7.22: Curvas de TG/DTG para o compósito de poliéster reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. 95

97 FIG. 7.23: Curvas de TG/DTG para o compósito de poliéster reforçado com 30% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Os resultados obtidos a partir da análise termogravimétrica mostraram que a incorporação da fibra de bagaço de cana-de-açúcar nas três frações volumétricas não modificou significativamente comportamento térmico da resina. A diferença sutil observada entre o termograma da resina e dos compósitos é referente ao primeiro e o terceiro evento de perda de massa que não são observados nos termogramas dos compósitos. Essa característica sugere que a incorporação das fibras propiciou certa estabilidade térmica ao material ANÁLISE CALORIMÉTRICA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC) ANÁLISE CALORIMÉTRICA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC) DOS COMPÓSITOS EPÓXI/FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. As curvas de DSC do primeiro e segundo aquecimento da resina epóxi pura após cura de 24 horas em temperatura ambiente estão apresentadas na FIG (a) e (b), respectivamente. A curva do primeiro aquecimento serve como base de comparação com a curva do segundo aquecimento. 96

98 0,0 0,0-0,1-0,1 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,2-0,3-0,4-0,5 70,17 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,2-0,3-0,4-0,5-0, Temperatura ( C) -0, Temperatura ( C) (a) (b) FIG. 7.24: Calorimetria Diferencial de Varredura da resina epóxi. (a) curva do primeiro aquecimento; (b) curva do segundo aquecimento. A curva de DSC para o primeiro aquecimento da resina epóxi pura apresenta um único evento a aproximadamente 70 ºC de caráter endotérmico que pode estar associado à temperatura de transição vítrea (Tg). A temperatura de transição vítrea é uma reação de segunda ordem e está associada à mudança do polímero do estado vítreo para o estado em que as cadeias poliméricas apresentam maior mobilidade (CANEVAROLO, 2003 e LUCAS et al, 2001). No segundo aquecimento o evento endotérmico associado à Tg do material não é observado claramente. Esse comportamento pode estar associado ao processo de pós-cura que acontece quando a resina é aquecida. Vale ressaltar que a cura de resinas epoxídicas em temperatura ambiente pode não ser completa e uma vez aquecida a pós-cura é favorecida, pois o catalizador continua reagindo com os anéis da molécula epoxídica. As FIG a 7.27 apresentam os gráficos de DSC com as curvas do primeiro e segundo aquecimento dos compósitos de resina epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar em um percentual volumétrico que varia entre 10 a 30%. 97

99 0,0 0,0-0,1-0,1 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,2-0,3-0,4-0,5 68,70 144,77 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,2-0,3-0,4-0,5-0, Temperatura ( C) -0, Temperatura ( C) (a) (b) FIG. 7.25: Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina epóxi reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento. 0,0 0,0-0,1-0,1 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,2-0,3-0,4-0,5 62,82 150,57 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,2-0,3-0,4-0,5-0, Temperatura ( C) -0, Temperatura ( C) (a) (b) FIG. 7.26: Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina epóxi reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento. 98

100 0,0 0,0 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 63,54 143,47 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0, Temperatura ( C) (a) -0, Temperatura ( C) (b) FIG. 7.27: Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina epóxi reforçado com 30% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento. De maneira geral, pode-se observar que os compósitos apresentam comportamento similar ao longo de uma faixa de variação de temperatura. A aproximadamente 70 ºC ocorre um evento endotérmico que pode estar associado à Tg dos compósitos e em temperatura próxima a 150 ºC ocorre um novo pico endotérmico que pode estar associado à perda de água adsorvida (PAIVA e FROLLINI, 1999). Os resultados obtidos por DSC revelam que a incorporação das fibras à matriz polimérica não influenciou significativamente no comportamento térmico do polímero. 99

101 ANÁLISE CALORIMÉTRICA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC) DOS COMPÓSITOS POLIÉSTER/FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE- AÇÚCAR. A calorimetria diferencial de varredura da resina poliéster está apresentada na FIG 7.28 (a) primeiro aquecimento e (b) segundo aquecimento. Fluxo de Calor (mw/mg) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0,06-0,08-0,10-0,12-0,14 133,76 61, Tempertura ( C) Fluxo de calor (mw/mg) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0,06-0,08-0,10-0,12-0, Temperatura ( C) (a) (b) FIG. 7.28: Calorimetria Diferencial de Varredura da resina poliéster. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento. A curva de DSC para o primeiro aquecimento revela um evento endotérmico associado à Tg da resina em temperatura próxima a 70 ºC e um evento exotérmico a 133,76 ºC associado à pós-cura do material. No segundo aquecimento, a Tg da resina ocorre em temperatura próxima a 70 ºC e o evento associado a pós-cura não é observado. Sabe-se que a cura de resinas termofixas em temperatura ambiente pode ser incompleta e ao ser realizado o primeiro aquecimento a cura pode ser favorecida. Devido a esse processo de pós-cura, na segunda curva do aquecimento, o evento exotérmico não é observado (LUCAS et al., 2001) As FIG a 7.31 apresentam os DSC dos compósitos de resina poliéster com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100

102 Fluxo de Calor (mw/mg) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0,06-0,08-0,10-0,12-0,14 132,05 60, Temperatura ( C) Fluxo de Calor (mw/mg) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0,06-0,08-0,10-0,12-0, Temperatura ( C) (a) (b) FIG. 7.29: Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina poliéster reforçado com 10% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento. 0,0 0,0 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,1-0,2-0,3 135,37 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,1-0,2-0,3-0,4 62,91-0, Temperatura ( C) (a) Temperatura ( C) (b) FIG. 7.30: Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina poliéster reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento. 101

103 0,0 0,0 Fluxo de Calor (mw/mg) -0,1-0,2-0,3 131,84 Fluxo de Calor mw/mg) -0,1-0,2-0,3-0,4 61,14-0, Temperatura ( C) Temperatura ( C) (a) (b) FIG. 7.31: Calorimetria Diferencial de Varredura do compósito de resina poliéster reforçado com 20% de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. (a) primeiro aquecimento; (b) segundo aquecimento. As curvas de DSC para os compósitos revelaram comportamento similar ao da resina. As curvas do primeiro aquecimento de todas as composições apresentaram um pico endotérmico próximo a 70 ºC que está associado à Tg dos compósitos e um evento exotérmico a aproximadamente 150 ºC associado ao processo de pós-cura. No segundo aquecimento a Tg das composições é observada novamente em temperaturas próximas a 70 ºC e o pico exotérmico associado à pós-cura não é observado. De maneira geral, pode-se notar que a incorporação da fibra de bagaço à matriz de poliéster não provocou alterações significativas no comportamento térmico do polímero ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA (DMA) DOS COMPÓSITOS EPÓXI/FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A FIG 7.32 apresenta o módulo de armazenamento (E ) da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-deaçúcar. 102

104 Modulo de Armazenamento (Pa) 2,20E+010 2,00E+010 1,80E+010 1,60E+010 1,40E+010 1,20E+010 1,00E+010 8,00E+009 6,00E+009 4,00E+009 2,00E+009 0,00E+000-2,00E+009 E_0_C E_10_C E_20_C E_30_C Temperatura ( C) FIG. 7.32: Módulo de armazenamento da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra. O módulo de armazenamento é a energia mecânica que o material pode armazenar sob a forma de energia elástica ou potencial (CANEVAROLO, 2003 e WETTON, 1986). Os valores iniciais para o módulo de armazenamento para a resina epóxi pura e para o compósito com 30% de fibra de bagaço estão em torno de 18 GPa. Esse resultado sugere que a adição de 30% em volume de fibra provocou um reforço na matriz. Já as composições com 10 e 20% em volume, diminuíram o módulo de armazenamento provocando a diminuição da rigidez viscoelástica. Na FIG 7.33 estão apresentadas curvas do módulo de perda (E ) da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra.. 103

105 Modulo de Perda (Pa) 2,40E+009 2,20E+009 2,00E+009 1,80E+009 1,60E+009 1,40E+009 1,20E+009 1,00E+009 8,00E+008 6,00E+008 4,00E+008 2,00E+008 0,00E+000-2,00E Temperatura ( C) E_0_C E_10_C E_20_C E_30_C FIG. 7.33: Módulo de perda da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra. Os resultados obtidos por meio do módulo de perda também são semelhantes aos do módulo de armazenamento. A resina epóxi e o compósito com 30% de fibra apresentaram, praticamente, o mesmo comportamento ao longo de toda faixa de variação de temperatura, o que não é observado nas outras composições. Esses resultados sugerem que a adição de 10 e 20% em volume de fibra provoca uma diminuição da rigidez viscosa. Além disso, todas as amostras avaliadas apresentaram o pico de relaxação (α) entre temperaturas de 60 e 80ºC. Segundo MOHANTY et al. (2006), a relaxação estrutural, que acarreta esse pico, pode ser atribuída à mobilidade das cadeias na fase cristalina do polímero da matriz devido à reorientação de defeitos. Tal resultado confirma a Tg apresentada nos resultados de DSC. A FIG apresenta as curvas da tangente de perda (tan δ) da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 104

106 Tangente de Perda (Tanσ) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 E_0_C E_10_C E_20_C E_30_C 0, Temperatura ( C) FIG. 7.34: Tangente de perda da resina epóxi e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. A tan δ está relacionada com o amortecimento ou atrito interno, sendo assim, nota-se que a resina apresenta maior amortecimento estrutural, como já era esperado. A adição das fibras provoca uma diminuição desse amortecimento e isso pode ser consequência das fibras de bagaço de cana suportarem parte da tensão aplicada sobre a matriz polimérica. A análise térmica por meio do ensaio de DMA permite inferir que, de maneira geral, a adição de 30% em volume de fibra provoca um reforço sutil na matriz e a adição de 10 e 20% em volume gera uma diminuição da rigidez do sistema. 105

107 ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA (DMA) DOS COMPÓSITOS POLIÉSTER/FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Na FIG estão apresentadas as curvas do módulo de armazenamento (E ) da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. 2,50E+010 Modulo de Armazenamento (Pa) 2,00E+010 1,50E+010 1,00E+010 5,00E+009 0,00E Temperatura ( C) P_0_C P_10_C P_20_C P_30_C FIG. 7.35: Módulo de armazenamento da resina poliéster e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. Nota-se que a adição das fibras, de maneira geral, gerou uma diminuição do módulo de armazenamento ocasionando em uma redução da rigidez viscoelástica indicando menor armazenamento de energia pelo sistema. O módulo de perda (E ) da resina e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibras de bagaço de cana-de-açúcar está apresentado na FIG

108 2,50E+009 2,00E+009 P_0_C P_10_C P_20_C P_30_C Modulo de Perda (Pa) 1,50E+009 1,00E+009 5,00E+008 0,00E Temperatura ( C) FIG. 7.36: Módulo de perda da resina poliéster e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. Assim como observado para o módulo de armazenamento, o módulo de perda também diminuiu com o incremento das fibras na matriz poliéster. Pode-se inferir que a adição dessas fibras deslocou a temperatura máxima associada ao módulo e, na composição com 30% em volume foi observado o menor valor. A diminuição dessa temperatura acarreta a maior mobilidade da matriz indicando um deslocamento da Tg para temperaturas mais baixas. A tangente de perda da resina poliéster e dos compósitos com 10, 20 e 30% em volume está apresentada na FIG

109 Tangente de Perda (Tanσ) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 P_0_C P_10_C P_20_C P_30_C 0, Temperatura ( C) FIG. 7.37: Tangente de perda da resina poliéster e dos compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. A adição de fibras à matriz de poliéster provocou uma diminuição da Tanδ e também deslocou a temperatura máxima para valores mais baixos. Esse comportamento indica um deslocamento da Tg para temperaturas mais baixas fato esse comprovado pelo módulo de perda e também pelo DSC dos compósitos. 108

110 7.3. ESPECTROSCOPIA VIBRACIONAL NO INFRAVERMELHO (FTIR) ESPECTROSCOPIA VIBRACIONAL NO INFRAVERMELHO (FTIR) DOS COMPÓSITOS EPÓXI/FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A FIG apresenta os espectros obtidos por FTIR da resina epóxi (a) e dos compósitos ((b), (c) e (d)) com 10, 20 e 30% em volume de fibra, respectivamente Transmitância (%) , , , , , , , N de onda (cm-¹) (a) Transmitância (%) , , , , , , N de onda (cm -1 ) (b) Transmitância (%) , , ,26 823, , , Transmitância (%) , , , ,67 821, , , N de onda (cm -1 ) N de onda (cm -1 ) (c) (d) FIG. 7.38: FTIR da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúcar ((b), (c) e (d)), respectivamente. 109

111 Os espectros obtidos por FTIR revelaram de maneira geral que tanto a resina epóxi quanto os compósitos apresentam bandas de adsorção similares. A faixa de absorção entre cm -1 está associada ao estiramento simétrico da ligação O-H. As bandas de absorção cm -1 são atribuídas ao estiramento das ligações C-H do anel aromático. Picos menos intensos referentes à banda 3055 cm -1 foram observados. ARJURNAN et al. (2015) atribuíram esse pico ao estiramento simétrico da ligação C-H. A composição com 30% em volume de fibras foi a única que não apresentou esse pico. A banda de 2928 cm -1, apresentada por todos os compostos avaliados, pode ser associada ao estiramento simétrico das ligações C-H do grupo metileno da cadeia alifática (ARJURNAN et al., 2015). Na faixa de absorção entre cm -1 notam-se picos menos intensos, observados em todas as amostras referentes ao estiramento das ligações C=C de anéis aromáticos (LAU et al., 2005). Entre cm -1 são observados picos referentes à deformação assimétrica da ligação C-O do anel aromático e, a banda 1035 cm -1, à deformação simétrica desse mesmo tipo de ligação da cadeia alifática. Na banda 821 cm -1 ocorre à deformação de anéis aromáticos fora do plano (PANDITA, et al., 2012). A TAB. 7.4 apresenta os principais eventos observados nos espectros obtidos por FTIR. 110

112 TAB. 7.4: Principais Bandas de Adsorção na região do FTIR para resina epóxi e os compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume fibras de bagaço de cana-deaçúcar. Número de onda (cm -1 ) Banda original Estiramento simétrico da ligação O-H Estiramento da ligação C-H do anel aromático 3050 Estiramento simétrico da ligação C-H 2928 Estiramento da ligação C-H do grupo metileno da cadeia alifática Estiramento da ligação C=C de anéis aromáticos Deformação assimétrica da ligação C- O do anel aromático Deformação assimétrica da ligação C- O da cadeia alifática 821 Deformação dos anéis aromáticos fora do plano LAU et al., 2005 e PANDITA, et al., 2012 São observados ainda picos de menor intensidade como, por exemplo, o existente na faixa de absorção entre 700 e 400 cm -1 associado à celulose, hemicelulose e lignina anteriormente descrito no FTIR da fibra de bagaço de canade-açúcar. De maneira geral, nota-se que os picos mais intensos são referentes às bandas de absorção dos constituintes da resina epóxi. Além disso, não foi observada diferença significativa entre os picos presentes nos espectros da resina e dos compósitos. 111

113 ESPECTROSCOPIA VIBRACIONAL NO INFRAVERMELHO (FTIR) DOS COMPÓSITOS POLIÉSTER/FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A FIG apresenta os espectros obtidos por FTIR da resina poliéster (a) e dos compósitos ((b), (c) e (d)) com 10, 20 e 30% em volume de fibra, respectivamente. Transmitância (%) , , , , , , , N de onda (cm -1 ) a Transmitância (%) , , , , N de onda (cm -1 ) b Transmitância (%) , , , N de onda (cm -1 ) c 1274,94 755, ,35 697,66 Transmitância (%) , , , N de onda (cm -1 ) 1128, ,94 FIG. 7.39: FTIR da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10, 20 e 30% de fibra de bagaço de cana-de-açúcar ((b), (c) e (d)), respectivamente. d 750,30 As análises dos espectros da resina e dos compósitos revelaram, de maneira geral, a presença de bandas de absorção na faixa de cm -1 que pode 112

114 estar associado ao estiramento simétrico da ligação O-H. O pico subsequente, compreendido entre a faixa é referente ao estiramento simétrico da ligação C-H (CAMPOY, 1996). Em 1730 cm -1 há um novo pico associado ao estiramento da ligação C=O do grupo éster e em 1274 cm -1 ao estiramento da ligação C-O também do grupo éster. A banda de adsorção 1128 cm -1 também está associada ao grupo éster devido a estiramento da ligação C=O de anéis aromáticos (DUTRA E DINIZ, 1993). Os picos subsequentes ocorrem na faixa de cm -1 associado à banda do benzeno orto substituído e de atribuído à banda do benzeno mono substituído (CAMPOY, 1996). A TAB. 7.5 apresenta os principais eventos observados nos espectro de FTIR. TAB. 7.5: Principais Bandas de Adsorção na região do FTIR para resina poliéster e os compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume fibras de bagaço de canade-açúcar. Número de onda (cm -1 ) Banda original Estiramento simétrico da ligação O-H Estiramento da ligação C-H Estiramento da ligação C=O do grupo éster 1274 Estiramento da ligação C-O do grupo éster 1128 Estiramento da ligação C=O de anéis aromáticos Benzeno orto substituído Benzeno mono substituído CAMPOY, 1996 e DUTRA E DINIZ,

115 7.4. ENSAIOS MECÂNICOS E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ENSAIO DE FLEXÃO ESTÁTICA E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ENSAIO DE FLEXÃO ESTÁTICA E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA EM COMPÓSITOS DE MATRIZ EPÓXI REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A FIG apresenta o comportamento típico das curvas de Carga versus Extensão para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra para o ensaio de flexão estática. Carga de Flexão (N) (a) 0% Extensão da flexão (mm) Carga de Flexão (N) (b) 10% Extensão da flexão (mm) 114

116 Carga de Flexão (N) (c) 20% Extensão da flexão (mm) Carga de Flexão (N) (d) 30% Extensão da flexão (mm) FIG. 7.40: Curvas típicas de Carga versus Extensão do ensaio de flexão da resina epóxi (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra. O padrão apresentado tanto pela resina quanto pelos compósitos sugere uma tendência linear correspondendo ao regime elástico até a ruptura o que pode caracterizar esses materiais como frágeis. Esse comportamento indica que no ponto de máxima resistência ocorre a ruptura súbita com queda da carga aplicada. A partir dos resultados obtidos dos gráficos Carga de flexão versus Extensão obteve-se os valores de resistência à flexão e o módulo de elasticidade, apresentados na TAB

117 TAB. 7.6: Valores para resistência à flexão e módulo de elasticidade para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Fração em Volume das Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar (%) Tensão Máxima em Flexão (MPa) Módulo Máximo de Elasticidade em Flexão (GPa) 0 62,49 ± 1,54 1,23 ± 0, ,38 ± 4,10 1,63 ± 0, ,71 ± 3,89 1,78 ± 0, ,18 ± 2,20 1,84 ± 0,24 A FIG apresenta a resistência à flexão e o módulo de elasticidade que foram obtidos a partir das curvas do ensaio de flexão estática. Resistência à Flexão (MPa) Fração em Volume de Fibra (%) Módulo de Elasticidade (GPa) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0, Fração em Volume de Fibra (%) (a) (b) FIG. 7.41: Resistência à flexão (a) e Módulo de Elasticidade em Flexão (b) da resina epóxi e dos compósitos epoxídicos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. A análise dos resultados permite inferir que a adição de 10 e 30% em volume de fibra aumentou substancialmente a resistência à flexão do compósito quando comparado com a resina epóxi. Entretanto, dentro de uma margem de erro, a adição de 20% em volume de fibra não provocou uma variação significativa nos valores de resistência à flexão quando comparado aos alcançados pela resina epóxi. Esse baixo desempenho para o compósito com 20% em volume de fibra talvez reflita a dificuldade na fabricação do compósito. 116

118 No que se refere ao módulo de elasticidade, dentro de um erro estatístico, não há uma variação significativa ao adicionar fibras a matriz. Os valores elevados das barras de erro, sobretudo para o epóxi puro, podem ser atribuídos a falhas no processamento dos corpos de prova e também a falhas durante o ensaio. O comportamento apresentado pelos compósitos de epóxi com fibras de bagaço sugerem que, FIG de maneira geral, a adição de 10 e 30% em volume de fibra pode melhorar tanto a resistência à flexão, quanto o módulo de elasticidade do compósito. Pelo menos como uma tendência nos resultados obtidos. A FIG apresenta a micrografia da região da fratura da resina epóxi e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibras com um aumento de 400x. 117

119 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.42: Micrografia da região da fratura por flexão estática obtida por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume. 400x. Nesta figura pode ser observado que a resina epóxi, FIG (a), apresenta uma superfície irregular composta por muita rugosidade e poucas áreas lisas. Nos compósitos são notadas marcas de rio que é uma característica de propagação irregular da trinca principal ao encontrar uma fibra de bagaço. As fibras aparentam estar bem embutidas na matriz epoxídica. 118

120 ENSAIO DE FLEXÃO ESTÁTICA E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA EM COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Na FIG estão apresentadas as curvas típicas de Carga versus Extensão para resina poliéster e os compósitos, com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibras, obtidos a partir do ensaio de flexão estática. Carga de Flexão (N) (a) 0% Carga de Flexão (N) Extensão da flexão (mm) (b) 10% Extensão da flexão (mm) Carga de Flexão (N) (c) 20% Extensão da flexão (mm) 119

121 Carga de Flexão (N) (d) 30% Extensão da flexão (mm) FIG. 7.43: Curvas típicas de Carga versus Extensão do ensaio de flexão da resina poliéster (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra. A curva de Carga de flexão versus Extensão da resina poliéster, FIG (a), apresentou comportamento diferente do apresentado pela resina epóxi. Pode ser observado que a curva apresenta uma tendência parabólica com suave inclinação o que caracteriza um certo comportamento plástico após o elástico. Diferentemente da resina poliéster pura, os compósitos apresentaram somente o comportamento elástico, da mesma forma como a resina epóxi e seus respectivos compósitos. A partir dos resultados obtidos dos gráficos de Carga de flexão versus Extensão obteve-se os valores de resistência à flexão e do módulo de elasticidade, apresentados na TAB TAB. 7.7: Valores para resistência à flexão e módulo de elasticidade para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Fração em Volume das Fibras de Bagaço de Cana-de-açúcar Tensão Máxima em Flexão (MPa) Módulo Máximo de Elasticidade em Flexão (GPa) (%) 0 96,65 ± 5,77 1,57 ± 0, ,30 ± 3,60 0,85 ± 0, ,78 ± 7,00 1,16 ± 0, ,93 ± 2,46 1,86 ± 0,09 120

122 A FIG apresenta a resistência à flexão e o módulo de elasticidade da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Resistência à Flexão (MPa) Fração em Volume de Fibra (%) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0, Fração em Volume de Fibra (%) (a) (b) FIG. 7.44: Resistência à flexão (a) e módulo de elasticidade (b) para o ensaio de flexão da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Módulo de Elasticidade (GPa) O ensaio de flexão revelou que adição da fibra de bagaço prejudicou tanto a resistência quanto o módulo de elasticidade. Esse fato pode estar associado à baixa adesão da fibra na matriz o que não favoreceu um reforço efetivo. Essa baixa adesão pode estar também associada ao elevado teor de lignina presente na fibra. Entretanto, considerando exclusivamente os compósitos, ocorre aumento tanto na resistência à flexão quanto no módulo de elasticidade com o aumento do volume incorporado de fibra de bagaço. MONTEIRO et al., (1998) em um estudo sobre as propriedades de compósitos de poliéster incorporados com diferentes frações volumétricas de fibras de bagaço também observaram valores muito baixos para resistência à flexão dos compósitos. Os autores associaram tal resultado também ao alto teor de lignina, as imperfeições da fibra e à limpeza ineficiente que permitiu a permanência de açúcar superfície. Segundo MONTEIRO et al., (1998), todos esses fatores dificultam a aderência da fibra na matriz. Em outro estudo sobre a influência do tratamento das fibras nas propriedades mecânicas de compósitos de poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-deaçúcar, VILAY et al. (2008) verificaram que a resistência à flexão aumentou quando 121

123 foram incorporadas fibras tratadas. Os autores atribuíram essa melhora a um aumento na adesão fibra/matriz. Os resultados apresentados pelos compósitos de matriz poliéster indicam que a adição de fibras de bagaço de cana-de-açúcar pode comprometer o desempenho do material quando solicitado em flexão. A FIG apresenta a micrografia da região da fratura da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibras com um aumento de 400x. 122

124 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.45: Micrografia da região da fratura por flexão estática obtida por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume. 400x. Assim como observado para a resina epóxi, FIG (a), a resina poliéster e os compósitos apresentam muitas áreas rugosas com poucas regiões lisas além de marcas de rio, o que é um indicativo de fratura frágil. Além disso, observa-se que as marcas de rio tem ponto de iniciação na interface fibra/matriz indicando que as fibras não aturam como um agente de reforço efetivo. Apesar dos valores baixos observados nos ensaios de flexão para os dois tipos de resina, os compósitos de matriz epóxi testados em flexão apresentaram melhor 123

125 desempenho que os de matriz poliéster. Isso pode estar associado ao fato do melhor acoplamento fibra/matriz como pode ser observado na FIG A micrografia com menor aumento dos compósitos de matriz epóxi e poliéster, a fim de visualizar a disposição das fibras e a sua permanecia da matriz após o ensaio, é apresentada na FIG 7.46 ((a) e (b)), respectivamente. (a) (b) FIG. 7.46: Micrografias da região da fratura por flexão estática obtida por MEV dos compósitos de matriz epóxi com adição de 10% em volume de fibra (a) e de matriz poliéster com adição de 10% (b) em volume de fibra. 100x. A observação da região da fratura permite inferir que interface gerada entre a matriz (epóxi e poliéster) e a fibra de bagaço não é contínua, pois apresenta evidências de desacoplamento da fibra. MONTEIRO et al. (2005) associaram esse fato à baixa tensão de cisalhamento encontrada para esse tipo de compósito. De maneira geral, os valores de resistência à flexão, tanto dos compósitos de matriz epóxi quanto os de matiz poliéster, apresentaram valores relativamente baixos quando comparados aos encontrados em compósitos reforçados com outras fibras naturais na literatura. MONTEIRO, et al. (2006) ao investigarem o desempenho em flexão de compósitos reforçados com fibras de curauá encontraram valores próximos à 90 MPa para as adições 30% em volume de fibra. DE DEUS et al. (2005) ao incorporarem diferentes frações de fibras de piaçava em matriz poliéster alcançaram valores próximos à 70 MPa. 124

126 O baixo desempenho em flexão pode ser explicado pela baixa aderência, como citado anteriormente, e também, pelos defeitos inerentes à fibra natural. Além disto, em flexão, os corpos de prova estão submetidos a esforços mecânicos complexos. Isto pode, também, justificar a maior propensão à uma ruptura prematura ENSAIO DE IMPACTO IZOD E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ENSAIO DE IMPACTO IZOD E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA EM COMPÓSITOS DE MATRIZ EPÓXI REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Os valores de energia de impacto Izod para os compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço estão apresentados na TAB 7.8. TAB 7.8: Valores de energia de impacto Izod para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Fração em Volume das Energia de Impacto Izod Fibras de Bagaço de (J/m) Cana-de-açúcar (%) 0 25,79 ± 0, ,14 ± 6, ,44 ± 0, ,39 ± 3,73 Os valores obtidos para energia de impacto Izod para a matriz epóxi para todas as frações volumétricas são inferiores aos encontrados por MONTEIRO et al. (2009) ao avaliarem a capacidade de reforço de matrizes poliméricas incorporadas com fibras de piaçava em diferentes frações volumétricas. Os resultados obtidos por impacto Izod dos compósitos reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar são apresentados na FIG

127 100 Energia de Impacto Izod (J/m) Fração em Volume de Fibras (%) FIG. 7.47: Variação da energia de impacto Izod dos compósitos de matriz epóxi em função da fração em volume de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Nota-se que há uma tendência de aumento da tenacidade dos compósitos. Entretanto, considerando-se as barras de erro, pode-se sugerir que essa incorporação não contribui significativamente para o aumento dessa propriedade. Esse fato pode ser atribuído à natureza heterogênea das fibras lignocelulósicas o que pode acarretar em uma elevada dispersão nas propriedades dos compósitos. De acordo com BLEDZKI & GASSAN (1999) com o aumento da fração da fibra, há uma tendência no aumento da dispersão nos valores de tenacidade, traduzindo-se em maiores desvios padrão. Apesar dos elevados desvios apresentados, pode-se interpretar uma tendência de aumento da tenacidade com o incremento do volume fibras de bagaço de maneira linear. A interpretação matemática para esse comportamento corresponde, preliminarmente, a EQ. 7.3 para os compósitos de matriz epóxi. Ee = 25,78.L + 0,20 (7.3) em que Ee é a energia absorvida pelo compósito no impacto Izod em J/m e L a fração volumétrica de fibras de bagaço de cana-de-açúcar em percentagem. De acordo com YOU et al., (1995) os compósitos podem apresentar elevada resistência ao cisalhamento interfacial, acarretando em elevada resistência mecânica devido à transferência eficiente de carga da matriz para as fibras. Ao 126

128 mesmo tempo em que apresentam elevada resistência interfacial, esse materiais apresentam baixa tenacidade, ou seja, para a propagação das trincas pela fratura é necessária baixa energia. Por outro lado, os materiais de baixa resistência interfacial apresentam elevada tenacidade e, consequentemente, maior energia associada à propagação da trinca. Isso decorre do fato da ruptura pela superfície das fibras representar maior área de fratura e consequentemente maior energia. A FIG 7.48 apresenta a típica característica de ruptura dos compósitos de matriz epóxi ensaiados em impacto Izod. Nota-se que os corpos de prova foram separados em duas partes após o impacto com o martelo Izod gerando uma ruptura transversal o que indica nucleação da trinca no entalhe e propagação pela matriz ate a total ruptura. 0% 10% 20% 30% FIG. 7.48: Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz epóxi. As micrografias obtidas por MEV da região da fratura dos compósitos de matriz epóxi estão apresentadas na FIG A análise dessas imagens permite compreender melhor o mecanismo de absorção de energia por impacto Izod. 127

129 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.49: Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz epóxi ensaiados em impacto por pêndulo Izod. (a) resina epóxi, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x É possível observar que a resina epóxi, FIG (a), bem como os compósitos, FIG (b), (c) e (d), apresentou fratura frágil, indicada pelas marcas de rio. Notase também que as fibras atuaram com pontos de desvios de propagação de trinca. Segundo YUE et al., (1995), quando as trincas esbarram nas fibras, elas tendem a mudar sua trajetória e passam a se propagar pela interface fibra/matriz. Segundo esses autores, esse fenômeno é devido à fraca resistência interfacial existente. Este 128

130 mecanismo, como já indicado, permite maior absorção de energia no impacto e justifica o aumento observado na FIG ENSAIO DE IMPACTO IZOD E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA EM COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Os valores de energia de impacto dos compósitos de matriz poliéster estão apresentados na TAB TAB. 7.9: Valores de energia de impacto Izod da resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Fração em Volume das Energia de Impacto Izod Fibras de Bagaço de (J/m) Cana-de-açúcar (%) 0 21,34 ± 2, ,85 ± 5, ,14 ± 5, ,46 ± 0,41 O resultado de impacto por pêndulo Izod dos compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar é apresentado na FIG

131 100 Energia de Impacto Izod (J/m) Fração em Volume de Fibras (%) FIG. 7.50: Variação da energia de impacto Izod dos compósitos de matriz poliéster em função da fração em volume de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Assim como observado para os compósitos de matriz epóxi, FIG (a), há uma tendência de aumento da energia de impacto dos compósitos. Mesmo com os elevados valores de desvio apresentados, pode-se dizer que esse aumento da tenacidade segue uma tendência linear. A EQ. 7.4 apresenta essa relação para os compósitos de matiz poliéster. Ee = 21,22.L + 0,31 (7.4) em que Ee é a energia absorvida pelo compósito no impacto Izod em J/m e L a fração volumétrica de fibras de bagaço de cana-de-açúcar em percentagem. O aspecto macroscópico da fratura dos corpos de prova é apresentado na FIG % 10% 20% 30% FIG 7.51: Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz poliéster. 130

132 Assim como foi observado para os compósitos de matriz epóxi, Fig. 7.48, os de matriz poliéster também apresentaram uma ruptura transversal com propagação da trinca a partir do entalhe, além da separação total do corpo de prova. As micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura dos compósitos de matriz poliéster estão apresentadas na FIG (a) (b) (c) (d) FIG. 7.52: Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz poliéster ensaiados em impacto por pêndulo Izod. (a) resina poliéster, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x 131

133 O aspecto da fratura observado também é semelhante aos compósitos de matriz epóxi, FIG (a). A diferença marcante é que nas composições com adição de 20 e 30% em volume de fibras em matiz poliéster, FIG (c) e (d), respectivamente, há vazios referentes ao descolamento das fibras. Isso sugere que a tensão na interface fibra/matriz é relativamente fraca. Os valores de energia de impacto apresentados pelos dois tipos de compósitos são relativamente próximos o que não permite inferir em qual tipo de matriz há um reforço efetivo gerado pela inserção das fibras. O mecanismo de reforço no impacto está associado à propagação das trincas pela região de tensão cisalhante interfacial entre a fibra e a matriz (YUE et al., 1995) ENSAIO DE IMPACTO CHARPY E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ENSAIO DE IMPACTO CHARPY E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA EM COMPÓSITOS DE MATRIZ EPÓXI REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Na TAB são apresentados os valores de energia de impacto dos compósitos de matriz epóxi ensaiados em Charpy. TAB. 7.10: Valores de energia de impacto Charpy da resina epóxi e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Fração em Volume das Energia de Impacto Fibras de Bagaço de Charpy Cana-de-açúcar (J/m) (%) 0 113,49 ± 21, ,80 ± 10, ,28 ± 10, ,08 ± 16,14 132

134 O resultado obtido pelo ensaio de impacto com pêndulo Charpy dos compósitos de matriz epóxi está apresentado na FIG Energia de Impacto Charpy (J/m) Fração em Volume de Fibras (%) FIG. 7.53: Variação da energia de impacto Charpy dos compósitos de matriz epóxi em função da fração em volume de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Observa-se que, na medida em que foram adicionadas fibras à matriz, houve um acréscimo no valor médio da energia de impacto. A grande dispersão apresentada pode estar associada aos defeitos inerentes da própria fibra. Apesar desses valores elevados, pode-se inferir que o crescimento da energia de impacto segue uma tendência linear. A EQ. 7.5 descreve essa tendência. Ee = 109,87.L + 1,9 (7.5) em que Ee é a energia absorvida pelo compósito no impacto Charpy em J/m e L a fração volumétrica de fibras de bagaço de cana-de-açúcar em percentagem. Os aspectos macroscópicos dos corpos de prova ensaiados em charpy são mostrados na FIG

135 0% 10% 20% 30% FIG. 7.54: Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz epóxi. Os corpos de prova apresentaram uma fratura transversal e, após o impacto do pêndulo, foram separados em duas partes. Como visto anteriormente, na medida em que foram adicionadas fibras à matriz, a tenacidade aumentou sugerindo uma ineficiência na transferência de carga da matriz para as fibras. O mesmo padrão também foi observado por MONTEIRO et al. (2006) ao estudarem a tenacidade ao impacto charpy em compósitos poliméricos reforçados com fibras de piaçava. A FIG 7.55 apresenta a superfície da fratura dos compósitos de matriz epóxi ensaiados em impacto Charpy. 134

136 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.55: Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz epóxi ensaiados em impacto por pêndulo Charpy. (a) resina epóxi, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x A resina epóxi, FIG (a), apresenta, assim como os compósitos, FIG (b), (c) e (d), muitas marcas e degraus deixados pela propagação das trincas. São observadas também regiões em que as fibras foram arrancadas da matriz indicando fraca tensão interfacial fibra/matriz (AQUINO et al., 2003). 135

137 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA EM COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORÇADOS COM FIBRAS DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Os valores obtidos de energia de impacto dos compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar são mostrados na TAB TAB 7.11: Valores de energia de impacto Charpy da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra. Fração em Volume das Energia de Impacto Izod Fibras de Bagaço de (J/m) Cana-de-açúcar (%) 0 113,22 ± 23, ,48 ± 25, ,55 ± 35, ,65 ± 32,75 O resultado obtido pelo ensaio de impacto com pêndulo Charpy dos compósitos de matriz poliéster está apresentado na FIG

138 160 Energia de Impacto Charpy (J/m) Fração em Volume de Fibras (%) FIG. 7.56: Variação da energia de impacto Charpy dos compósitos de matriz poliéster em função da fração em volume de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. Os valores apresentados pelos compósitos de matriz poliéster mostraram um ligeiro aumento nos valores médios de energia de impacto, como já era esperado. Esse padrão também foi observado para os compósitos de matriz epóxi, FIG O comportamento apresentado pode ser descrito através de uma aproximação linear, apresentada na EQ Ee = 113,12.L + 0,92 (7.6) em que Ee é a energia absorvida pelo compósito no impacto Charpy em J/m e L a fração volumétrica de fibras de bagaço de cana-de-açúcar em percentagem. Através da equação da energia obtida pelos compósitos de matriz poliéster pode-se concluir que esses compósitos apresentam maior capacidade de absorção de energia que os de matriz epóxi. A FIG 7.57 apresenta o aspecto macroscópico da fratura dos corpos de prova ensaiados em charpy. 137

139 0% 10% 20% 30% FIG. 7.57: Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz poliéster. Os compósitos de matriz poliéster também foram totalmente separados com o impacto do martelo assim como observado para os corpos de prova de matriz epóxi, FIG Vale ressaltar essa separação associada aos elevados valores de energia são indicativos de baixa resistência interfacial associada ao reforço ineficiente da matriz. As micrografias obtidas da região da fratura dos compósitos de matriz poliéster são apresentadas na FIG

140 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.58: Micrografias obtidas por MEV dos compósitos de matriz poliéster ensaiados em impacto por pêndulo Charpy. (a) resina poliéster, (b) 10, (c) 20 e (d) 30 % em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar. 100x Como observado para os compósitos de matriz epóxi, FIG (b), (c) e (d), os de matriz poliéster também apresentam uma superfície irregular com áreas em que as fibras foram arrancadas da matriz. Também existem evidências de bloqueio das trincas pelas fibras, sobretudo na FIG 7.58 (c). Os valores de tenacidade encontrados para os compósitos de matriz poliéster foram relativamente maiores que os de matriz epóxi, isso pode ser devido à maior capacidade de absorver energia durante o impacto da própria resina e das fibras. 139

141 ENSAIO DE TRAÇÃO E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ENSAIO DE TRAÇÃO E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) EM COMPÓSITOS DE MATRIZ EPÓXI REFORÇADA COM FIBRAS DE DIFERENTES FAIXAS DE DIÂMETRO DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Na FIG estão apresentados os compósitos ensaiados em tração de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar. 0% 10% 20% 30% FIG. 7.59: Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz epóxi reforçada com fibras de bagaço de cana-de-açúcar ensaiados em tração. No geral, os corpos de prova apresentaram fratura dentro do comprimento útil não havendo uma região preferencial. Isso é uma característica dos compósitos reforçados com fibras naturais e que pode levar a uma imprecisão elevada, ou seja, interferir diretamente na estatística dos resultados. A FIG ((a), (b), (c) e (d)) apresenta as curvas típicas de ensaio de tração para a resina epóxi e os compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibras finas (diâmetro menor que 200 µm) de bagaço de cana-de-açúcar, respectivamente. 140

142 2000 (a) 1500 Carga (N) (b) (c) (d) Alongamento (mm) FIG. 7.60: Curvas de tração da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10 (d), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras finas de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm. Nota-se que a resina epóxi pura (E0B) bem como a composição E10BF (epóxi com 10% em volume de fibras finas) FIG (a) e (b), respectivamente, apresenta um comportamento parabólico com uma suave inclinação indicando certa plasticidade. Já as composições E20BF e E30BF (epóxi com 20% em volume de fibras finas e epóxi com 30% em volume de fibras finas, respectivamente), FIG (c) e (d), revelam uma tendência linear sugerindo que esses materiais apresentam um comportamento elástico terminando com a ruptura de forma quase frágil. Os valores referentes à resistência à tração, ao módulo de elasticidade e à deformação dos compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar retirados dos gráficos estão apresentados na TAB

143 TAB. 7.12: Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina epóxi e para os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro menor que 200 µm. Composições Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Deformação Média (%) E0B 35,92 ± 2,31 1,32 ± 0,16 0,05 ± 0,03 E10BF 60,25 ± 5,02 1,83 ± 0,12 0,04 ±0,01 E20BF 41,40 ± 2,56 1,74 ± 0,11 0,03 ± 0,00 E30BF 44,37 ± 5,79 1,43 ± 0,10 0,04 ±0,01 O gráfico da resistência à tração e do módulo de elasticidade dos compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras finas de bagaço de cana-de-açúcar obtida a partir das curvas Força versus Alongamento e está apresentada na FIG (a) e (b), respectivamente ,0 Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) 1,8 1,6 1,4 1,2 0 1, Fração em Volume de Fibras (%) Fração em Volume de Fibras (%) (a) (b) FIG. 7.61: Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) dos compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm. Os resultados apresentados mostram que a incorporação das fibras de bagaço gerou um aumento nos valores médios de resistência quando comparado ao valor obtido pela resina pura. Entre as composições, a E10BF foi a que apresentou maior 142

144 valor para essa propriedade. As composições E20BF e E30BF, dentro de um erro estatístico, não apresentaram aumento da resistência quando comparadas à composição anterior. No que se refere ao módulo de elasticidade, FIG. 7.61, as adição das fibras também gerou um aumento nessa propriedade quando comparado à resina pura. Esse fato só não se aplica a composição E30BF que, dentro de um erro estatístico, não apresentou um aumento considerável. Segundo CALLISTER (2012), o módulo de elasticidade está associado à rigidez do material, logo quanto mais rígido for esse material, menor a capacidade de se deformar plasticamente. Assim, como a composição E30BF obteve o menor módulo entre as demais, pode-se afirmar que a adição da fibra de bagaço não contribuiu para aumentar o reforço da matriz. A adição desse percentual de fibra talvez dificulte o processamento resultando em menor aderência fibra/matriz. Em relação à deformação média, o maior valor está associado à resina epóxi. Esse resultado confirma o comportamento hiperbólico apresentado na curva Carga versus Alongamento. Na medida em que foram adicionadas fibras à matriz aumentaram também os valores médios de deformação, indicando um aumento na rigidez do compósito. Esse aumento da rigidez também confirma o aumento dos valores médios da absorção de energia apresentado e ratifica o resultado obtido no ensaio de impacto Izod, FIG A FIG ((a), (b), (c) e (d)) apresenta, respectivamente, as micrografias obtidas por MEV da região da fratura dos corpos de prova ensaiados em tração para a resina epóxi e compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibras de bagaço de cana-de-açúcar. 143

145 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.62: Micrografias obtidas por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos reforçados com 10 (a), 20 (b) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro inferior a 200 µm. 100x. As micrografias obtidas por MEV permitem dizer que tanto a resina pura quanto a matriz dos compósitos apresentaram marcas de rio que é um aspecto de fratura frágil. Pode-se observar ainda que, em todas as composições, algumas fibras foram arrancadas indicando baixa aderência com a matriz. Além disso, nota-se que apesar da composição E30CF, FIG (d), apesentar certa homogeneidade na distribuição das fibras, esse compósito não apresentou um reforço efetivo. 144

146 A FIG ((a), (b), (c) e (d)) apresenta as curvas típicas de Carga versus Alongamento obtidas a partir do ensaio de tração para a resina epóxi pura e os compósitos reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibras médias (diâmetro entre 200 e 400µm) de bagaço de cana-de-açúcar, respectivamente (a) 1500 Carga (N) (c) (b) (d) Alongamento (mm) FIG. 7.63: Curvas de tração da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm. Assim como observado para a resina pura e para os compósitos reforçados com fibras finas, FIG. 7.60, os compósitos reforçados com fibras médias também apresentaram, de maneira geral, um comportamento parabólico com uma suave inclinação. A partir dessas curvas, os valores de resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação foram obtidos e são apresentados na TAB

147 TAB. 7.13: Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro entre 200 e 400 µm. Composições Resistência à Módulo de Deformação Tração Elasticidade Média (MPa) (GPa) (%) E0B 35,92 ± 2,31 1,32 ± 0,16 0,05 ± 0,03 E10BM 45,88 ± 2,35 1,53 ± 0,18 0,04 ±0,01 E20BM 48,41 ± 2,48 1,60 ± 0,11 0,04 ±0,01 E30BM 33,92 ± 4,84 1,21 ± 0,12 0,03 ±0,01 Na FIG ((a) e (b)) são mostrados os gráficos de resistência e módulo de elasticidade, respectivamente, dos compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras médias de bagaço de cana-de-açúcar ,0 Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) 1,8 1,6 1,4 1, , Fração em Volume de Fibras (%) Fração em Volume de Fibras (%) (a) (b) FIG. 7.64: Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm. Assim como observado para as fibras de menor diâmetro, a incorporação de 10 e 20% em volume proporcionou um aumento médio nos valores de resistência e módulo de elasticidade, entretanto a adição de 30% em volume provocou uma diminuição nessas duas propriedades. A composição E20BM (epóxi com adição de 146

148 20% de fibras médias) foi a que apresentou os maiores valores médios tanto para resistência quanto para o módulo. Esse fato indica que, para fibras com diâmetro entre 200 e 400 µm, a proporção ideal a ser adicionada à matriz epóxi é de 20% em volume. Esse mesmo padrão não foi observado para a faixa de diâmetro menor que 200 µm. No que refere à deformação, pode-se afirmar que apesar dos valores médios serem diferentes, dentro de uma margem de erro, não há variação significativa entre os compósitos e a resina. As micrografias obtidas por MEV da região da fratura da resina e dos compósitos reforçados com fibras médias de bagaço de cana-de-açúcar estão apresentadas na FIG ((a), (b), (c) e (d)). 147

149 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.65: Micrografias obtidas por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos reforçados com 10 (a), 20 (b) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro entre 200 e 400 µm. 100x. Assim como observado para os compósitos reforçados com fibras finas, os reforçados com fibras médias também apresentam marcas de fratura indicando fratura frágil. Além disso, podem ser observadas franjas de fratura indicando que a fratura não ocorreu de maneira plana, o que já era esperado. Nota-se ainda, que algumas fibras também foram arrancadas da matriz e, que apesar da distribuição homogênea das fibras na composição E30BM (epóxi com adição de 30% em volume de fibras médias) a aderência foi prejudicada. 148

150 A FIG 7.66 ((a), (b), (c) e (d)) apresenta as curvas típicas de Carga versus Alongamento das composições E0BG (resina epóxi), E10BG (epóxi com dição de 10% em volume de fibra grossa), E20BG (epóxi com dição de 20% em volume de fibra grossa) e E30BG (epóxi com dição de 20% em volume de fibra grossa), respectivamente (a) 1500 Carga (N) (c) (b) (d) Alongamento (mm) FIG. 7.66: Curvas de tração da resina epóxi (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm. Assim como observado para as composições anteriores, os compósitos reforçados com fibras de diâmetro maior que 400 µm também apresentam uma suave inclinação com uma tendência parabólica. Os valores de resistência, módulo de elasticidade e deformação obtidos a partir das curvas Carga versus Alongamento são mostrados na TAB

151 TAB 7.14: Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina epóxi e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro maior que 400 µm. Composições Resistência à Módulo de Deformação Tração Elasticidade Média (MPa) (GPa) (%) E0B 35,92 ± 2,31 1,32 ± 0,16 0,05 ± 0,03 E10BG 38,90 ± 3,26 1,19 ± 0,09 0,04 ±0,01 E20BG 44,01 ± 1,43 1,25 ± 0,08 0,04 ±0,00 E30BG 43,98 ± 2,86 1,28 ± 0,07 0,04 ±0,01 A resistência à tração e o módulo de elasticidade dos compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras grossas de bagaço de cana-de-açúcar está apresentada na FIG (a) e (b), respectivamente ,0 Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0, Fração em Volume de Fibras (%) 0, Fração em Volume de Fibras (%) (a) (b) FIG. 7.67: Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm. Os valores médios obtidos de a resistência à tração para todas as composições foram superiores ao da resina, porem, dentro de um erro estatístico, não houve variação significativa nesses valores. Considerando as barras de erro, a composição 150

152 E20BG apresentou maior resistência quando comparada as demais e não houve variação significativa entre a composição E10BG e E30BG. Quanto ao módulo de elasticidade e a deformação, pode-se afirmar que não houve variação significativa entre a resina e os compósitos e entre os próprios compósitos. Na FIG são apresentadas as micrografias da região da fratura dos compósitos de matriz epóxi reforçados com 10, 20 e 30% em volume de fibras grossas. (a) (b) (c) (d) FIG. 7.68: Micrografias obtidas por MEV da resina epóxi (a) e dos compósitos reforçados com 10 (a), 20 (b) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro superior a 400 µm. 100x. 151

153 As micrografias obtidas por MEV revelam que tanto a resina, FIG (a), quanto os compósitos, FIG ((b), (c) e (d)) apresentam aspecto de fratura frágil, assim como observado para os compósitos reforçados com fibras finas e grossas, FIG 7.62 e 7.65, respectivamente. Ao estabelecer um comparativo entre os compósitos reforçados com fibras finas, médias e grossas, esperava-se que com o aumento do diâmetro da fibra ocorresse uma diminuição da resistência. Esse comportamento foi observado para todos compósitos com adição de 10 e 30% em volume de fibra, mas para os compósitos com 20% em volume de fibras médias e grossas, esse padrão não foi observado. Isso pode estar associado a problemas durante a confecção dos corpos de prova e/ou durante os ensaios. De maneira geral, a adição de fibras finas gerou um acréscimo de quase 50% na resistência. O aumento dessa propriedade relacionada com a diminuição do diâmetro está associado a menor quantidade de defeitos presente nas fibras mais finas de bagaço. Além disso, fibras mais grossas apesentam muito mais lignina aumentando assim, sua rigidez (SATYANARAYANA et al., 2007). Os resultados de tração em fibras confirmam esse comportamento, pois fibras mais finas apresentaram valores em tração muito superiores que as mais grossas. Pode-se afirmar ainda, que a adição de fibras gerou um reforço na matriz epoxídica e os maiores valores de resistência mecânica foram alcançados pela composição E10BF seguida de E20BM. Assim, pode-se inferir que o valor mais indicado para reforço da matriz epóxi com bagaço de cana-de-açúcar é o de 10% em volume de fibras finas. As micrografias obtidas por MEV permitem inferir que todos os compósitos reforçados com fibras finas, médias e grossas, apresentaram fratura frágil e regiões em que as fibras foram descoladas da matriz indicando baixa aderência. MULINARI et al. (2009) sugerem que um tratamento químico pode favorecer essa aderência, entretanto, FERNANDES & REIS (2012) obtiveram valores inferiores de resistência para compósitos reforçados com fibras de sisal tratadas do que os reforçados com as fibras não tratadas. Dessa forma, de acordo com a literatura, nesse trabalho optou-se por não realizar o tratamento das fibras de bagaço, uma vez que os valores obtidos de resistência mecânica foram muito superiores aos abordados na literatura. 152

154 ENSAIOS DE TRAÇÃO E MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) EM COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORÇADA COM FIBRAS DE DIFERENTES FAIXAS DE DIÂMETRO DE BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. Na FIG estão apresentados os compósitos ensaiados em tração de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar. 0% 10% 20% 30% FIG. 7.69: Aspecto macroscópico da fratura dos compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar ensaiados em tração. Assim como observado para os compósitos de matriz epóxi, FIG. 7.59, os compósitos de matriz poliéster não apresentaram uma região preferencial de fratura indicando heterogeneidade em sua estrutura. As curvas de Carga versus Alongamento da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibras finas (diâmetro menor que 200 µm) estão apresentadas na FIG ((a), (b), (c) e (d)), respectivamente. 153

155 (a) Carga (N) (b) (c) (d) Alongamento (mm) FIG. 7.70: Curvas de tração da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm. A resina poliéster e os compósitos apesentam uma tendência parabólica assim como observado também nos compósitos de matriz epoxídica, FIG Pode-se afirmar ainda que a resina pura apresenta maior inclinação que os compósitos sugerindo maior plasticidade. A TAB 7.15 apresenta os valores da resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação da resina poliéster (P0B) e os compósitos reforçados com 10 (P10BF), 20 (P20BF) e 30% (P30BF) em volume de fibras finas. 154

156 TAB 7.15: Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro menor que 200 µm. Composições Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Deformação Média (%) P0B 19,86 ± 2,35 0,56 ± 0,10 0,11 ± 0,06 P10BF 29,17 ± 5,40 1,00 ± 0,11 0,04 ±0,02 P20BF 20,30 ± 4,69 0,80 ± 0,11 0,04 ±0,01 P30BF 27,25 ± 1,23 0,99 ± 0,18 0,04 ±0,01 Na FIG 7.71 ((a) e (b)) estão apresentados os gráficos de resistência à tração e módulo de elasticidade dos compósitos reforçados com fibras finas de bagaço de cana-de-açúcar, respectivamente ,0 1,8 Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0 0, Fração em Volume de Fibras (%) Fração em Volume de Fibras (%) (a) (b) FIG. 7.71: Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro menor que 200 µm. A adição de fibras provocou um aumento nos valores médios da resistência à tração dos compósitos quando comparado ao valor da resina. Entre os compósitos a composição P10BF apresentou maior valor para essa propriedade seguida da composição P30BF e P20BF. Considerando as barras de erro, pode-se afirmar que 155

157 a adição de 20% em volume não alterou significativamente a resistência da resina, não atuando, então, como um agente de reforço. Porém, a adição de 10 e 30% em volume de fibra ocasionou o aumento da resistência fazendo com que a adição das fibras permitisse um reforço na matriz. A resina poliéster apresentou o menor valor para o módulo de elasticidade e maior valor de deformação. Esse fato confirma o comportamento apresentado pela curva Carga versus Alongamento indicando que quanto menor o módulo de elasticidade, maior a capacidade de se deformar. Ao serem adicionadas as frações em volume de fibra, houve um aumento nos valores médios de módulo de elasticidade e a composição P10BF foi a responsável pelo maior valor alcançado entre os compósitos. A deformação, entre os compósitos, não apresentou variação significativa. As micrografias obtidas por MEV da região da fratura da resina e dos compósitos reforçados com fibras finas de bagaço de cana-de-açúcar estão apresentadas na FIG ((a), (b), (c) e (d)), respectivamente. 156

158 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.72: Micrografias obtidas por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos reforçados com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro inferior a 200 µm. 100x. A resina poliéster assim como a epóxi apresenta marcas de rio como indicativo de fratura frágil, o mesmo padrão é observado pelos compósitos. Observa-se também nos compósitos, a formação de uma interface fibra/matriz irregular mostrando pouca aderência entre esses dois tipos de materiais. Além disso, é notável que para a composição P10BF, as fibras atuaram como barreira diminuindo, provavelmente, a energia de propagação das trincas. 157

159 As curvas de Carga versus Alongamento da resina poliéster pura e dos compósitos com incorporação de 10, 20 e 30% em volume de fibras de diâmetro entre 200 e 400 µm estão apresentadas na FIG ((a), (b), (c) e (d)), respectivamente. 600 (a) 400 Carga (N) (c) (b) (d) Alongamento (mm) FIG. 7.73: Curvas de tração da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm. Diferentemente da resina poliéster pura e dos compósitos reforçados com fibras finas, FIG. 7.70, os compósitos reforçados com fibras médias apesentam uma tendência linear, indicando uma ruptura frágil. A resistência à tração, o módulo de elasticidade e a deformação da resina P0B e dos compósitos com adição de 10 (P10BM), 20 (P20BM) e 30% (P30BM) em volume de fibras médias de bagaço de cana-de-açúcar são apresentados na TAB

160 TAB. 7.16: Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro entre 200 e 400 µm. Composições Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Deformação Média (%) P0B 19,86 ± 2,35 0,56 ± 0,10 0,11 ± 0,06 P10BM 24,97 ± 1,34 1,13 ± 0,16 0,03 ± 0,01 P20BM 31,73 ± 5,53 1,20 ± 0,20 0,04 ± 0,01 P30BM 26,52 ± 3,08 0,84 ± 0,10 0,05 ± 0,10 A resistência à tração e o módulo de elasticidade obtidos a partir dos gráficos de Carga versus Alongamento da resina e dos compósitos estão apresentados na FIG ,0 Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0, Fração em Volume de Fibras (%) 0, Fração em Volume de Fibras (%) (a) (b) FIG. 7.74: Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro entre 200 e 400 µm. A adição das fibras à matriz levou a um ligeiro aumento médio na resistência dos compósitos quando comparados à resina pura. Esse mesmo padrão também foi observado para os compósitos incorporados com fibras finas. 159

161 Entre os compósitos, o maior valor médio foi encontrado para a composição P20BM seguida da P30BM e P10BM, porem dentro de um erro estatístico não é possível verificar diferença significativa entre a adição de 20 e 30% em volume de fibras. Esse comportamento não foi observado para os compósitos reforçados com fibras finas. A deformação sofrida pelos corpos de prova durante o ensaio também não apresentou diferenças significativas. A FIG. 7.75, ((a), (b), (c) e (d)), apresenta as micrografias obtidas por MEV da região da fratura da resina poliéster e dos compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibras médias, respectivamente. 160

162 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.75: Micrografias obtidas por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos reforçados com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro entre 200 e 400 µm. 100x. Assim como observado para os compósitos com fibras finas, os reforçados com fibras médias também apresentam marcas de fratura frágil e regiões com descolamento das fibras indicando que a aderência da fibra na matriz não foi tão eficaz. As curvas de Carga versus Alongamento da resina poliéster (P0G) e dos compósitos reforçados com 10 (P10BG), 20 (P20BG) e 30% (P30BG) em volume de 161

163 fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm estão apresentadas na FIG ((a), (b), (c) e (d)) (a) Carga (N) (b) (c) (d) Alongamento (mm) FIG. 7.76: Curvas de tração da resina poliéster (a) e dos compósitos com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibra de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm. As curvas apresentadas pelos compósitos reforçados com fibras grossas apresentam uma tendência linear, comportamento também observado nos compósitos reforçados com fibras médias, FIG Isso é uma indicativa de que a adição de fibras de maior diâmetro pode diminuir a plasticidade da resina, fato que não foi observado nos compósitos reforçados com fibras finas. Os valores de resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação dos compósitos reforçados com fibras grossas estão representados na TAB

164 TAB. 7.17: Valores para resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação para a resina poliéster e os compósitos com adição de 10, 20 e 30% em volume de fibra de diâmetro maior 400 µm. Composições Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Deformação Média (%) P0B 19,86 ± 2,35 0,56 ± 0,10 0,11 ± 0,06 P10BG 27,30 ± 0,90 1,07 ± 0,10 0,04 ± 0,00 P20BG 30,91 ± 1,40 1,26 ± 0,03 0,03 ± 0,00 P30BG 27,14 ± 2,36 1,02 ± 0,10 0,04 ± 0,00 Os gráficos representativos de resistência à tração e módulo de elasticidade referente aos compósitos reforçados com fibras grossas de bagaço de cana-deaçúcar são mostrados na FIG ((a) e (b)), respectivamente ,0 1,8 Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0, Fração em Volume de Fibras (%) 0, Fração em Volume de Fibras (%) (a) (b) FIG. 7.77: Resistência à tração (a) e Módulo de elasticidade (b) de compósitos de matriz poliéster reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar de diâmetro maior que 400 µm. Nota-se, de maneira geral, que a adição de fibras de bagaço provocou um aumento na resistência do compósito quando comparado à resina poliéster, mesmo padrão observado para os outros compósitos. Ao estabelecer uma comparação entre os compósitos, o maior valor observado de resistência é associado à composição P20BG assim como observado os compósitos de fibras médias. Dentro 163

165 de um erro estatístico, não é observada uma variação significativa dessa propriedade entre a composição P10BG e P30BG. Um aumento nos valores do módulo de elasticidade também pode ser observado à medida que as fibras de bagaço são adicionadas. Esse fato associado à resistência indica que as fibras promoveram um reforço efetivo na matriz. No que se refere à deformação, a adição das fibras diminuiu os valores médios dos compósitos quando comparado à resina e, a composição P20BG apresentou os menores valores para essa propriedade. A FIG apresenta a micrografia obtida por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos com adição de 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras grossas de bagaço de cana-de-açúcar. 164

166 (a) (b) (c) (d) FIG. 7.78: Micrografias obtidas por MEV da resina poliéster (a) e dos compósitos reforçados com 10 (b), 20 (c) e 30% (d) em volume de fibras de diâmetro maior que 400 µm. 100x. As micrografias revelam além das marcas de rio indicando fratura frágil, a baixa aderência entre as fibras e a matriz, como observado pra os compósitos reforçados com fibras finas e médias. Além disso, a adição de 20% em volume de fibra parece ter sido mais uniforme, o que pode ter favorecido o ganho de resistência por essa composição. Com a variação do diâmetro da fibra pode-se notar que houve um aumento na resistência dos compósitos. A incorporação de fibras de menor diâmetro, em linhas 165

167 gerais, promoveu um aumento na resistência dos compósitos quando comparada as demais fibras, como já era esperado. Nas adições de 10 e 30%, os compósitos reforçados com fibras finas atingiram maior resistência média. Entretanto quando foram adicionados 20% em volume, esse padrão não foi observado, uma vez que a maior resistência foi alcançada pela composição P20BM. Isso pode estar associado à melhor distribuição das fibras dentro da matriz. A utilização da resina epóxi como matriz se mostrou mais eficiente que a resina poliéster. Apesar das duas apresentarem valores semelhantes em tração, a incorporação das fibras gerou maior reforço na matriz epóxi. Os compósitos desse tipo de matriz apresentaram, em linhas gerais, um acréscimo de aproximadamente 50% na resistência quando comparados ao outro tipo de matriz, principalmente naqueles reforçados com fibras finas. A influência do diâmetro na resistência do compósito é um trabalho inédito, por isso não há valores comparativos na literatura. Apesar disso, os valores reportados são superiores aos encontrados por MONTEIRO et al. (1998) e, similar ao encontrado por MARTINS et al. (2014) ao estudar influência da adição de 30% em volume na resistência de compósitos reforçados com fibras de bagaço sem seleção de diâmetro. Apesar da melhora no desempenho mecânico dos compósitos reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açúcar, quando uma comparação é estabelecida, os compósitos reforçados com outros tipos de fibras, sem seleção de diâmetro, apresentam valores superiores. LOPES (2011) ao estudar o efeito da incorporação de fibras de curauá em matrizes poliméricas encontrou um valor de resistência à tração, para adição de 10% em volume, igual a 61,78 MPa. Pode-se afirmar, de maneira geral, que os valores relativamente baixos de resistência à tração e à flexão dos compósitos podem estar associados à resistência relativamente baixa das fibras de bagaço de cana-de-açúcar e a baixa adesão entre as fibras e a matriz devido à molhabilidade ineficiente. Para que haja um reforço efetivo, é necessário que a carga aplicada seja transferida da matriz para as fibras, logo é desejável a existência de uma interface que favoreça uma boa aderência dos materiais (VERMA et al., 2012). Uma boa adesão na interface é dificultada pela grande quantidade de lignina presente na fibra. Além disso, a presença do grupo hidroxila (OH) faz com que as 166

168 fibras sejam extremamente higroscópicas dificultando a formação de uma interface ideal (MOHANTY et al., 2000). Outro fator que contribui para baixa adesão fibra/matriz é o fato das fibras de bagaço não passarem por nenhum tipo beneficiamento industrial como outras fibras naturais. O processo de retirada do caldo da cana pode interferir diretamente nas suas propriedades mecânicas, uma vez que para tal atividade é necessário passar o caule do vegetal por um moinho o que danifica grande parte das suas fibras. Esses fatores também explicam os valores encontrados para resistência à flexão e para os valores relativamente altos de tenacidade ao impacto BLINDAGEM MULTICAMADAS UTILIZANDO COMPÓSITOS REFORÇADOS COM BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A blindagem em multicamadas utilizando bagaço de cana-de-açúcar foi feita em parceria com outra tese de doutorado que também avaliou a influência da adição de fibras de curauá e bagaço de cana-de-açúcar em matrizes poliméricas para a mesma finalidade. A resina epóxi e compósito de mesma matriz reforçado com 30% em volume bagaço de cana-de-açúcar foram utilizados como camadas intermediárias no ensaio impacto balístico. A indentação média tanto na resina epóxi quanto nos compósitos foi medida e, para determinação desse parâmetro utilizou-se o valor da profundidade de indentação gerada pelo impacto do projetil. Os valores de indentação na plastilina utilizando a resina epóxi como camada intermediária são apresentados na TAB

169 TAB. 7.18: Valores de indentação medidos na plastilina utilizando como camada intermediária no sistema multiblindagem, a placa de epóxi puro. Corpo de prova Densidade do polímero Velocidade do projetil Indentação (mm) (g/cm 3 ) (m/s) 1 1,10 870,52 20,89 2 1,09 862,47 19,93 3 1,11 859,72 18,71 Adaptado de SILVA, 2014 O valor médio de indentação do projetil na plastilina foi igual a 19,84 ± 1,09 mm. De acordo com a normal internacional NIJ para que um projetil não cause danos letais no ser humano o valor de indentação deve ser menor que 44 mm. O aspecto macroscópico da placa antes a após o impacto balístico é apresentado na FIG.7.79 ((a) e (b)), respectivamente. (a) (b) FIG. 7.79: Sistema multiblindagem utilizando como camada intermediária a resina epóxi. (a) antes do impacto. (b) após o impacto. SILVA, Nota-se que, com o impacto, toda a placa de resina epóxi sofreu estilhaçamento indicando que esse material apresenta um comportamento frágil. A micrografia de um pedaço da placa após o impacto é apresentado na FIG (a) aumento de 100x e (b) aumento de 400x. 168

170 (a) (b) FIG. 7.80: Micrografia obtida por MEV da resina epóxi após o impacto balístico. (a) aumento de 100x e (b) aumento de 400x. Adaptado de SILVA, As micrografias confirmam que a resina apresentou uma ruptura frágil apresentando marcas características desse tipo de fratura. Além disso, são observadas também, partículas mais claras associadas aos fragmentos cerâmicos deixados sobre a placa após o impacto. Os valores de indentação na plastilina obtidos para a placa de compósito de matriz epoxídica reforçado com bagaço de cana-de-açúcar são apresentados na TAB TAB. 7.19: Valores de indentação medidos na plastilina, utilizando como camada intermediária no sistema multiblindagem, compósito de matriz epóxi reforçado com 30% em volume de bagaço de cana-de-açúcar. Corpo de prova Densidade do compósito (g/cm 3 ) Velocidade do projétil Indentação (mm) (m/s) 1 0,82 855,07 29,79 2 0,90 849,91 35,54 3 0,81 856,05 52,19 Adaptado de SILVA,

171 O valor médio de indentação obtido para a placa de compósito foi de 39,24 ± 11,60 mm. Apesar de o valor ser inferior ao recomendado pela norma, ela não é indicada para utilização em balística, pois pode não ser tão eficaz no mecanismo de proteção. Durante o ensaio, o projetil penetrou completamente a camada de alumínio atingindo a plastilina, portanto, não seria possível afirmar que o compósito reforçado com bagaço de cana-de-açúcar atuaria como uma blindagem eficiente. A FIG apresenta o sistema de multicamadas com a placa de compósito como camada intermediária antes do impacto (a) e depois do impacto (b). (a) (b) FIG. 7.81: Sistema multiblindagem utilizando como camada intermediária o compósito de matriz epóxi reforçado com bagaço de cana-de-açúcar. (a) antes do impacto. (b) após o impacto. SILVA, Assim como o observado para a placa de resina epóxi, a de compósito também se estilhaçou o que sugere um comportamento frágil. A micrografia do compósito após o ensaio de impacto balístico está apresentada na FIG (a) aumento de 100x e (b) aumento de 400x. 170

172 (a) (b) FIG. 7.82: Micrografia obtida por MEV do compósito de matriz epóxi após o impacto balístico. (a) aumento de 100x e (b) aumento de 400x. A micrografia obtida por MEV confirma que o compósito apresentou uma fratura frágil devido às marcas e franjas presentes na região da fratura. Os valores médios de indentação da resina, do compósito e aramida, material comumente utilizado em proteção balística, são apresentados na TAB TAB. 7.20: Valores médios de indentação para resina epóxi, compósito reforçado com bagaço de cana-de-açúcar e aramida. Camada intermediária Indentação (mm) Densidade (g/cm 3 ) Epóxi 19,84 ± 1,09 1,1 ± 0,01 Bagaço de cana 39,24 ± 11,60 0,86 ± 0,06 Aramida 13,50 ± 0,15 1,44 ± 0,02 Adaptado de SILVA (2014). O valor de indentação apresentado pelo compósito é, relativamente, muito superior do que o apresentado pela resina e pela aramida. O resultado esperado era uma diminuição no valor da indentação do compósito quando comparado ao da resina pura. O resultado encontrado pode estar associado à adesão ineficiente do bagaço à matriz dificultando assim o reforço da matriz. 171