ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA FIBRA DE JUTA EM COMPOSTOS DE SBR

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1 Universida Presbiteriana Mackenzie ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA FIBRA DE JUTA EM COMPOSTOS DE SBR Bruna Niccoli Ramirez (IC) e Nilson Casimiro Pereira (Orientador) Apoio: PIBIC Mackenzie/MackPesquisa Resumo Uma questão extrema importância na utilização um material é o conhecimento sua resistência mecânica, havendo sempre a busca pela otimização dos materiais. Além disso, a preocupação da socieda para com o meio ambiente fomenta pesquisas relacionadas à utilização materiais produção ecologicamente sustentável, como é o caso da fibra juta. O objetivo sta pesquisa é a caracterização mecânica materiais compósitos borracha SBR com fibra juta. Constatou-se que a adição fibra juta à borracha gera melhor sempenho mecânico do material, elevando seu módulo em até 2000%. Buscou-se terminar a influência do percentual fibra juta na mistura e verificou-se que o aumento da proporção fibra juta na massa do compósito é proporcional ao aumento do módulo do material. Além disso, foi possível averiguar o comportamento positivo da rigiz do material ao se adicionar fibra juta tratada quimicamente (processo mercerização). A mercerização evita a gradação térmica da fibra durante o processo calandragem (a 50⁰C) e prensagem do material (a 150⁰C). Isso permite que haja elevação na resistência mecânica das fibras e, consequentemente, do material compósito. Analisou-se o comportamento mecânico do compósito SBR e fibra juta através dos ensaios resistência a tração e resistência ao rasgamento. Em ambos os testes, constatou-se aumento da rigiz do material com a adição fibra. Palavras-chave: borracha SBR (Styrene Butadiene Rubbers), fibra juta, mercerização. Abstract One issue of importance in the use of a material is the knowledge of its mechanical strength, there is always the search for the optimization of materials. In addition, the society s concern for the environment promotes research related to the use of materials from ecologically sustainable production, as is the case of jute fiber. The objective of this research is the mechanical characterization of composite materials with rubber SBR and jute fiber. It was found the addition of jute fiber to rubber leads to better mechanical performance of the material, increasing its modulus of elasticity up to 2000%. Determined the influence the percentage of jute fiber in the composite mass is proportional to the increase in modulus of elasticity of the material. Furthermore, it was possible to verify the positive behavior of the stiffness of the material by adding chemically treated jute fiber (mercerization process). Mercerization prevents thermal gradation of the fiber during the process of the calenring (at 50⁰C) and pressing the material (at 150⁰C). This allow for raising the mechanical behavior of the composite SBR and jute fiber through the testing material of tensile strength and tear resistance. In both tests, we found increased stiffness of the material with the addition fiber. Key-words: SBR (Styrene Butadiene Rubbers), Buna S, GRS (Government Rubber Styrene), jute fiber, composite materials, mercerization. 1

2 VII Jornada Iniciação Científica Introdução A presente pesquisa buscou analisar a influência da fibra juta (FJ) quando inserida em uma matriz polimérica borracha SBR (sigla em inglês para Styrene Butadiene Rubbers), também signadas Buna S ou GRS (Government Rubber Styrene). Em geral, a adição fibras em compostos poliméricos agrega ao material maior resistência mecânica quando comparado ao material bruto. O objetivo sta pesquisa consiste na averiguação da melhora da resistência mecânica ste material compósito quando comparado à borracha SBR sem adição fibra juta. A investigação das propriedas da borracha SBR com fibra juta abrangeu a caracterização do material a partir ensaios tração e rasgamento, tornando possível terminar a rigiz do material e analisar seu comportamento quando submetido a tensões. A partir das propriedas obtidas, será possível avaliar a empregabilida ste material. As fibras Juta estão entre as fibras naturais celulósicas mais produzidas no mundo. As plantas Juta crescem originalmente na Ásia, mais especificamente em Banglash, Índia e Tailândia, alcançam cerca 2,5 a 3,5 metros. Gran parte da produção é stinada para a indústria têxtil, na elaboração ensacamentos, cordas e cordéis, apresentando coloração marrom creme. As fibras processadas variam s 5 a 800 milímetros comprimento. A juta é resistente a luz solar e microorganismos. Referencial Teórico A borracha SBR é conhecida por suas boas propriedas físicas, como excelente resistência à abrasão, e provêm da polimerização butadieno e estireno, este último em geral compõe 23% do material (NAGDI, 1993). Figura 1 - Síntese SBR 2

3 Universida Presbiteriana Mackenzie Como é característico dos polímeros, compostos SBR apresentam-se resistentes e duráveis sob ação intempéries. Há ainda outras propriedas interessantes na borracha SBR, como seu endurecimento quando submetida a altas temperaturas e a não formação cristais a baixas temperaturas. As fibras, por sua vez, são finidas como unidas matéria caracterizadas pela flexibilida, pequena grossura e uma elevada razão entre comprimento e espessura (MORTON, 1975). Em geral são classificadas em dois grupos principais: fibras naturais e manufaturadas. As fibras naturais são aquelas originadas por um processo da natureza, sendo subdividas em fibras vegetais, animais e minerais (OLNEY, 1947). O estudo da utilização fibras como reforço materiais surgiu na década 1920 a partir dos trabalhos Griffith. Como são materiais mais finos, as fibras tenm a apresentar menor número feitos indutores falhas, tendo sua resistência próxima à resistência teórica do material. Embora as fibras sintéticas sejam mais resistentes, a opção por fibras naturais busca a análise cargas recicláveis e baixo custo em materiais compósitos, tendo como esta a principal justificativa sua utilização. Fibras naturais caracterizam-se por apresentarem baixa massa específica, maciez e abrasivida reduzida, por sua atoxiz e biogradação, além do baixo consumo energético para produção e estimulação à empregabilida na zona rural (NETO, 2007). Esse tipo fibra não necessita altas temperaturas para o processamento, não suportando mais do que 200ºC durante sua consolidação no interior dos compósitos. Apresentam também svantagens como acentuada variabilida nas seções transversais e propriedas mecânicas e alta sensibilida a efeitos ambientais. A fibra juta, que possui origem vegetal, em geral é utilizada para a produção tecidos malha grossa dos quais se fabricam sacos aniagem para armazenagem e transporte alimentos (MONTEIRO,2006). Dessa forma, a adição fibra natural à borracha SBR apresentou-se como uma possibilida otimizar a resistência ste material a partir um recurso renovável. Nesta pesquisa foi admitido o comportamento linear dos materiais conforme a Lei Hooke Generalizada, como apresentada nas fórmulas abaixo (HIBBELER, 2010): (1) E = + (2) E = + (3) E = + Segundo Fish (2009), por se tratar um problema linear, a solução po ser terminada pela resolução um sistema equações lineares, on o número incógnitas é igual ao 3

4 VII Jornada Iniciação Científica número nós. A solução ste sistema gera informações acerca do comportamento do material, tais como suas formações, sendo objeto interesse nesta pesquisa. Método A revisão bibliográfica acerca dos constituintes do material compósito aqui estudado permitiu stacar algumas suas propriedas, as quais justificam a empregabilida ssas substâncias para a produção do compósito. O uso dos aceleradores MBTS e TMTD aumenta a velocida da vulcanização em temperaturas mais baixas, evitando, assim, a terioração térmica e oxidativa das borrachas. O acelerador TMTD pertence à família aceleradores baseados em sais metálicos e amônio do ácido ditiocarbânico, os ditiocarbamatos, consirados ultra-aceleradores. Já o MBTS provém da família dos aceleradores baseados no 2-mercaptobenzotiazol (MBT) que são extremamente efetivos em sua ação, possibilitando também um maior tempo pré cura. O ácido esteárico e o óxido zinco são adicionados à mistura como ativadores que aumentam a eficiência da reação reticulação. O óxido silício, também inserido na formulação, agrega, ao compósito, rigiz. A partir das consirações acima, a proporção dos constituintes da mistura para a massa borracha é apresentado na tabela abaixo: Tabela 1 - Componentes da massa padrão do compósito Componente Quantida (phr) Amostra SBR 100,00 Ácido Esteárico 2,00 Óxido Zinco 3,00 Dióxido Silício 20,00 Negro fumo 5,00 MBTS 1,00 TMTD 0,50 Enxofre 2,50 Antioxidante 1,00 Dessa forma, os componentes acima apresentados foram mesclados a partir da utilização uma calandra dois rolos. A temperatura dos rolos se aproximou a cerca 50ºC para a boa arência dos aditivos à borracha SBR. Foram confeccionadas sete misturas com o 4

5 Universida Presbiteriana Mackenzie dobro do material que fora exposto na tabela acima. A seis stas sete massas foram acrescidas terminadas quantidas fibra juta em diferentes proporções, permanecendo a sétima massa sem a adição fibra. Essa massa pura foi consirada como referencial para a comparação das propriedas mecânicas com as mais massas. Dentre as seis massas restantes, três las foram mescladas com fibra juta sem tratamento químico e as outras três restantes foram mescladas com fibra juta tratada. O tratamento químico da fibra juta é conhecido como mercerização. Para que esse tratamento fosse realizado, 100 gramas Hidróxido Sódio em micropérolas foram dissolvidos em 1 litro água stilada. Submergiram-se, então, na solução aproximadamente 22 gramas fibra juta ainda não tratada, que permaneceram em repouso por 24 horas. Em seguida, realizou-se a lavagem sse material em duas etapas: primeiramente com água e em seguida com água stilada. Finalmente, as fibras tratadas sofreram secagem na estufa. Como era necessário terminar qual a proporção ial fibra para massa borracha, as massas geradas tinham as seguintes constituições: Tabela 2 - Proporções fibra juta no compósito Número da massa/ intificação (I) / Referência (II) / 10% em massa FJ (III) / 20% em massa FJ (IV) / 30% em massa FJ (V) / 10% em massa FJ mercerizada (VI) / 20% em massa FJ mercerizada (VII) / 30% em massa FJ mercerizada Constituição Massa padrão sem adição fibra Massa padrão + 20 g FJ natural Massa padrão + 40 g FJ natural Massa padrão + 60 g FJ natural Massa padrão + 20 g FJ mercerizada Massa padrão + 40 g FJ mercerizada Massa padrão + 60 g FJ mercerizada As fibras foram cortadas com um comprimento aproximadamente 2 cm e adicionadas aleatoriamente ao polímero, buscando-se a homogeneida das misturas. Uma vez constituídas as massas, realizou-se o ensaio reológico das matérias acima intificadas. O ensaio reológico uma borracha permite terminar o tempo que ve transcorrer para que o material vulcanize. Esse processo, no qual o material é submetido à pressão e elevação temperatura, faz com que ligações cruzadas sejam formadas na borracha, tornando-a rígida e mais resistente às formações. Utilizou-se o reômetro Mini Tester Moving Die Prescott Instruments, e trabalhou-se com o software Acquire, capaz gerar curvas reométricas. 5

6 VII Jornada Iniciação Científica É importante aqui explicar brevemente o comportamento uma curva reométrica. Trata-se uma análise dois parâmetros, a viscosida e o tempo durante o qual o polímero é submetido a pressão e elevada temperatura. Em uma primeira etapa, constata-se, em geral, a redução da viscosida. Não há ainda vulcanização do material que se comporta como termoplástico, havendo cisão macromolecular. Ocorre em seguida a elevação da viscosida; trata-se um período subcura. A fase sobrecura também é caracterizada pela elevação da viscosida, na qual ocorre efetivamente a vulcanização. A figura a seguir ilustra a curva reométrica uma amostra da massa (I). A vulcanização do compósito aqui senvolvido ocorreu a 150 ⁰C, a partir uma amostra 5 gramas e os valores dos tempos vulcanização são apresentados na tabela abaixo: Gráfico 1 - Curva reológica (I) Tabela 3 - Tempo vulcanização Número da massa Tempo vulcanização aproximado (mim) (I) 5,5 (II) 15 (III) 16 (IV) Não vulcanizou (V) 6 (VI) 6 (VII) 6 Uma vez terminados os tempos vulcanização foi possível moldar placas (das quais se retiram corpos tração e rasgamento) material. Retirou-se, então, 100 gramas cada massa e prensou-se este material na prensa da marca Jundiaí Ciola, no período tempo corresponnte a vulcanização do material. Os materiais foram então ensaiados na máquina universal ensaios da marca QTest e os resultados são apresentados a seguir. Foram utilizados quatro corpos para o 6

7 Universida Presbiteriana Mackenzie ensaio tração e quatro corpos para o ensaio rasgamento, para cada uma das massas. As dimensões médias dos corpos (c.p) em milímetros são apresentadas na tabela abaixo. As dimensões espessura e largura apresentadas para os corpos tração e rasgamento referem-se às medidas obtidas na região dimensões reduzidas, on ocorre o empescoçamento do material sujeito a forças externas. Tabela 4 - Dimensões dos corpos N⁰ da massa c.p tração largura x espessura c.p. rasgamento largura x espessura (I) 3.45 x x 4.07 (II) 3.95 x x 3.24 (III) 4.01 x x 3.73 (IV) 3.98 x x 3.48 (V) 3.57 x x 3.53 (VI) 3.75 x x 3.93 (VII) 3.78 x x 3.74 Resultados e Discussão Ao se realizar um ensaio tração em um material, po-se terminar seu comportamento sob regime elástico e sob regime plástico. Como nesta pesquisa admite-se um problema linear, será analisado somente o comportamento do material regido pela lei Hooke, como anteriormente explicado. Os ensaios tração forneceram os seguintes dados: Tabela 5 - SBR sem adição fibra juta / ensaio tração Módulo Média

8 VII Jornada Iniciação Científica Tabela 6 - SBR + 10% em massa fibra juta/ ensaio tração Módulo Média ,61 Tabela 7- SBR + 20% em massa fibra juta / ensaio tração Módulo Média Tabela 8 - SBR + 30% em massa fibra juta/ ensaio tração Módulo Média ,47 Tabela 9 - SBR + 10% em massa fibra juta mercerizada/ ensaio tração (mm 2 ) Módulo Média

9 Universida Presbiteriana Mackenzie Tabela 10 - SBR + 20% em massa fibra juta mercerizada / ensaio tração Módulo Média Tabela 11 - SBR + 30% fibra juta mercerizada / ensaio tração Módulo Média A partir dos resultados obtidos através do ensaio tração é possível compreenr a influência da fibra juta na resistência à tração da borracha SBR. Esta borracha apresenta tensão média escoamento igual a 1.16 MPa, o que é um resultado condizente com a literatura (CALLISTER, 2006). Segundo os resultados obtidos, a adição fibra juta aumentou a rigiz do material em todos os casos analisados. Quando há a adição fibra juta sem tratamento químico, constatou-se que o aumento do percentual do reforço causa aumento do módulo do compósito. Contudo, quando a fibra juta sofre mercerização, o módulo para as misturas 10% e 20% reforço são semelhantes. Porém, foi a mistura 30% em massa fibra juta mercerizada adicionada à borracha SBR que apresentou maior rigiz. Esse resultado po ser justificado pela ação do tratamento químico da fibra, que gera maior estabilida térmica e modifica sua composição perante o calor [MARTINS, 2001]. Como todo o processo produtivo da massa compósitos borracha SBR reforçados com fibra juta e a confecção dos corpos necessitaram aquecimento, é possível que a fibra juta tenha sofrido gradação por ação térmica, perndo resistência mecânica. Logo, a causa pela qual os resultados obtidos em compósitos que continham fibra juta tratada serem mais positivos que aqueles que continham fibra juta sem tratamento químico, em termos resistência mecânica, ve-se ao fato que o tratamento químico reduz a gradação do material sob ação do calor. 9

10 VII Jornada Iniciação Científica Tabela 12 - SBR sem adição fibra juta/ ensaio rasgamento Módulo Média Tabela 13- SBR + 10% em massa fibra juta não mercerizada / ensaio rasgamento Módulo Média Tabela 14 - SBR + 20% em massa fibra juta não mercerizada/ ensaio rasgamento Módulo Média Tabela 15 - SBR + 30% em massa fibra juta não mercerizada / ensaio rasgamento Módulo Média

11 Universida Presbiteriana Mackenzie Tabela 16 - SBR + 10% em massa fibra juta mercerizada/ ensaio rasgamento Módulo Média Tabela 17 - SBR + 20% em massa fibra juta mercerizada/ ensaio rasgamento Módulo Média Tabela 18 - SBR + 30% em massa fibra juta mercerizada/ ensaio rasgamento Módulo Média A partir dos ensaios rasgamento é possível obter também a medida da rigiz do material, o módulo. Ao se ensaiar por rasgamento a borracha SBR sem adição fibra juta, obteve-se o valor 1.30 MPa para a tensão escoamento, que é um valor semelhante aquele terminado através do ensaio tração. No entanto, constatou-se que para os compósitos borracha com fibra SBR os valores módulo encontrados através do ensaio rasgamento são sempre inferiores aqueles encontrados através do ensaio tração. Esse comportamento se justifica pelo fato que o ensaio rasgamento consiste na submissão um material sob influência forças longitudinais que propagam o rasgo do corpo. Segundo a norma ASTM D tipob, que caracteriza os ensaios rasgamento em borrachas vulcanizadas, os valores 11

12 VII Jornada Iniciação Científica obtidos pelo ensaio resistência ao rasgamento pom ser somente consirados como medida força para este teste em particular, sem relação direta com os valores dos artefatos. Dessa forma, o teste resistência ao rasgamento ocasiona a ruptura direcionada um material. Ao se tratar borracha com fibras aleatoriamente dispostas na matriz, não há um sentido preferencial para que se exerça força longitudinal. Segundo Callister (2006), compostos fibrosos alinhados são anisotrópicos, e, a resistência e o reforço máximo são obtidos ao longo da direção do alinhamento (longitudinal). Na direção transversal, o reforço vido as fibras é inexistente, fazendo com que ocorra fratura em níveis tensão baixos. Para outras orientações tensão, a resistência do compósito é intermediária. O material aqui estudado apresenta aleatorieda na distribuição das fibras, logo, para qualquer direção que seja tensionado, terá valores intermediários resistência mecânica, mas, no ensaio rasgamento, busca-se propagar o rasgo do corpo, havendo um direcionamento do rompimento do material e, por conseguinte, menores valores para rigiz do mesmo. Embora os resultados para a adição fibra juta ao elastômero tenham sido positivos, o aquecimento da fibra juta durante a calandragem e a prensagem causou sprendimento gases das fibras. O efeito da liberação gases no material ocasionou a formação bolhas, as quais pom haver prejudicado o sempenho do compósito quando mecanicamente ensaiado. Conclusão A presente pesquisa buscou caracterizar mecanicamente materiais compósitos borracha SBR reforçados com fibra juta. Buscou-se averiguar se a adição fibra juta ocasionaria alterações no módulo do elastômero e a influência da proporção em massa fibra adicionada ao polímero. Além disso, analisou-se a extensão da mercerização no aumento da resistência mecânica. Para alcançar estes objetivos, ensaios resistência do material a tração e a rasgamento foram realizados. Constatou-se que, conforme era esperado pelo teoria, a adição fibra natural ao elastômero acarretou em alterações positivas para o módulo do material. O aumento mais significativo para o módulo ocorreu para o compósito SBR com 30% em massa fibra juta mercerizada, corresponndo a um aumento mais 2000% na rigiz do material. Através do ensaio tração, constatouse que conforme se aumenta a proporção fibra na mistura, maior será o módulo do material. 12

13 Universida Presbiteriana Mackenzie O tratamento químico da fibra juta a partir uma solução NaOH também se revelou um método positivo otimização da resistência mecânica do compósito. A mercerização gera maior resistência à gradação térmica das fibras e, por essa razão, as amostras com fibras tratadas quimicamente apresentaram melhor sempenho mecânico à tração do que as amostras reforçadas com fibras sem tratamento. Embora os resultados obtidos através do ensaio resistência ao rasgamento tenham divergido quantitativamente aos resultados obtidos através do ensaio resistência à tração, qualitativamente observou-se um aumento significativo no módulo sse material. O resultado mais positivo foi aquele que correspon à mistura borracha SBR com 30% em massa fibra juta sem tratamento químico, no qual se constatou um aumento maior que 800% na rigiz do material. Uma possível explicação para essa divergência valores é o fato que o ensaio rasgamento direciona a ruptura do material, isto é, busca-se continuar o rasgo previamente existente no corpo. Enquanto no ensaio tração, mesmo que a carga ocorra em um terminado sentido, não há direcionamento da ruptura do material, permitindo assim maiores valores módulo. Os comportamentos anômalos do tempo vulcanização elevado dos compósitos SBR e fibra juta mercerizada não foram analisados na presente pesquisa. Contudo, próximos trabalhos abordarão o tema. Referências BRITO, K. Ensaio resistência ao rasgamento segundo norma ASTM D 624 tipo B. SENAI-RS CETEPO, 2009 CALLISTER, W. (2006). Fundamentos da Ciência e Engenharia Materiais. Rio Janeiro: LTC. FISH, J., BELYTSCHKO, T. (2009). Um Primeiro Curso Elementos Finitos. Rio Janeiro: LTC; HIBBELER, R. (2009). Resistência dos Materiais. São Paulo: Pearson. MORTON, W. (1975). Physical propertiers of Textile Fibers. London: Heinemann. MONTEIRO, Sergio N. et al. Propriedas compósitos tecido juta scartado reforçando matriz polietileno reciclado. Matéria (Rio J.), Rio Janeiro, v. 11, n. 4, Dec Disponível em: 13

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