ANÁLISE DA RESISTÊNCIA A PROPAGAÇÃO DE TRINCAS EM MATERIAIS COMPÓSITOS EPÓXI/FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE- AÇÚCAR

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1 ANÁLISE DA RESISTÊNCIA A PROPAGAÇÃO DE TRINCAS EM MATERIAIS COMPÓSITOS EPÓXI/FIBRA DE BAGAÇO DE CANA-DE- AÇÚCAR Rafael Ferreira Gregolin 1*, Fernando Montanare Barbosa 2, Newton Luiz Dias Filho 3, Fabiano Pagliosa Branco 4 1 Prof. Me. Engenharia Mecânica - Universidade Federal da Grande Dourados (UFGD), Dourados/MS 2 Prof. Dr. Ciência dos Materiais - Universidade Católica Dom Bosco (UCDB), Campo Grande/MS 3 Prof. Dr. Ciência dos Materiais - Universidade Estadual Paulista (UNESP), Ilha Solteira/SP 4 Prof. Me. Engenharia Mecânica - Universidade Católica Dom Bosco (UCDB), Campo Grande/MS *rfgregolin@gmail.com Resumo Materiais compósitos cujos reforços são fibras naturais são de grande importância para a pesquisa de novos materiais, pois estes apresentam além de baixa densidade e custo quando comparados com metais ou cerâmicos, uma fonte sustentável. Quando se utiliza fibras naturais em compósitos, estas podem deixar a matriz com uma baixa resistência à propagação de trincas (K 1C ) pelo aparecimento de microbolhas ao redor das fibras. Este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito da adição de fibras de bagaço de cana-de-açúcar de tamanhos compreendidos entre 106 e 212 µm em uma matriz epoxídica DGEBA/TETA para se avaliar a resistência à propagação de trincas. Foram adicionados fibras em porcentagens de 1, 3, 5, 7,5 e 10% em massa de fibras. Para a adição de 10% em massa de fibras de cana-de-açúcar houve um decréscimo de 8% no K 1C. Palavras-chave: Compósitos, Fibras naturais, Trincas, epóxi

2 1. INTRODUÇÃO Resinas epoxídicas são uma importante classe de polímeros termorrígidos, que têm como principais características o alto módulo de elasticidade, baixa densidade, boa resistência à corrosão, baixa condutividade elétrica e térmica, boa aderência. Ela é muito utilizada no setor aeroespacial, automobilístico, naval, entre outras, como revestimentos, isolantes, matrizes de estruturas, podendo em alguns casos reduzir o custo de fabricação de 20 a 30%, com redução de peso de 25%. Algumas propriedades muito importantes (como limite de resistência a tração, módulo de elasticidade e resistência à fratura) não são boas quando esta resina é curada, limitando-as em várias aplicações. Mas quando a resina é modificada, ou seja, quando é usada em um compósito, estes valores podem ser melhorados, tendo-se ainda a vantagem destes compósitos terem baixa condutividade térmica e elétrica e, densidade menor que os demais, que são propriedades muito importantes para estes fins. Portanto, fica evidente a necessidade de melhorar suas propriedades mecânicas, pois esta é de grande interesse tecnológico e industrial.[1,2] A resina DGBA é, atualmente, uma das resinas mais usadas, pois é versátil e de menor custo. Ela pode ser líquida, sólida ou semi-sólida. [2] Os materiais compostos são os materiais que apresentam dois ou mais constituintes quimicamente diferentes. Os materiais obtidos pela associação de duas ou mais fases exibem quase sempre melhores qualidades do que seus componentes separadamente. As mais diversas combinações de matriz/reforço têm sido atualmente estudadas objetivando obter propriedades que tenham utilização industrial. [3,4] Modificadores são substâncias que, ao serem adicionadas a resina, tem o poder de mudar algumas propriedades da mesma. São usados como modificadores: elastômeros, partículas inorgânicas, dendrímeros, etc. Todos eles apresentam algum tipo de melhoria nas propriedades finais do compósito, porém na maioria das vezes, eles apresentam alto custo, podendo deixar o produto final inviável para o uso. Este é um dos motivos que têm atraído cientistas do mundo todo para a pesquisa de materiais compósitos feitos de fibras naturais. [2,4] 2472

3 Nas últimas décadas, a busca de novos materiais que atendam às tendências mundiais, que visem à viabilidade econômica e ao mesmo tempo a preocupação com o meio ambiente, leva à alternativa de fazer uso dos recursos naturais renováveis. Aliando-se este fato com o de que o Brasil têm uma grande área de plantação de cana-de-açúcar, fibras de cana-de-açúcar estão sendo usadas como modificadores em polímeros. Outras fibras vegetais também tem despertado o interesse tecnológico, tais como sisal, juta, bananeira, piaçava, coco, coruá, pois estas também oferecem vantagens quando comparadas com fibras inorgânicas, em termos de custos, propriedades específicas, por serem biodegradáveis e de baixa densidade. [5,6] As fibras de bagaço de cana-de-açúcar apresentam as seguintes características típicas (AZIZ et al., 1986; RACINES & PAMPA, 1978): massa específica aparente: 300 a 400 Kg/, resistência à tração 170 a 290 MPa, módulo de elasticidade 15 a 19 GPa. No entanto, elas oferecem certas desvantagens, como a pouca compatibilização com a matriz polimérica. Esta interface fibra/matriz desempenha um papel importante nas propriedades mecânicas e físicas dos materiais compósitos, porque é através desta interface que ocorre a transferência de carga da matriz para a fibra. Para reduzir este dano são utilizados alguns métodos físicos e químicos, tais como reações químicas, com a utilização de reagentes de acoplamento para modificar a natureza química da fibra, que posteriormente irá reagir com a matriz polimérica. Alguns métodos físicos utilizados são: plasma e descarga elétrica (corona e ar ionizado). [2, 7, 8] O trabalho apresentado a seguir relata a modificação do sistema epoxídico DGEBA/TETA usando como agente modificador bagaço de cana-de-açúcar de tamanho compreendido entre 106 e 212 µm, com o objetivo de avaliar o efeito da adição de destas fibras, cujas porcentagens utilizadas foram 1, 3, 5, 7,5 e 10% em massa de fibras, na propriedade de resistência à fratura (K 1C ). [3, 9] 2473

4 2. MATERIAL E MÉTODOS As fibras utilizadas (cedidas gentilmente pela Usina Santa Adélia Pereira Barreto/SP) apresentavam como características 4,23 de Brix (porcentagem, em massa, de sólidos dissolvidos em uma solução) e 3,10 de Pol (porcentagem, em massa, de sacarose dissolvidos em uma solução). Depois de desmeduladas, o seu comprimento ficou compreendido entre 106 a 212 μm. As fibras foram tratadas em água destilada a 700C por 24 horas. Em seguida, foram tratadas com uma solução de NaOH 10% durante 1 hora, para obter uma melhor aderência entre fibra/matriz. O tratamento com NaOH 10% por 1 hora apresenta melhor resultado em relação a outras concentrações, pois baixas concentrações de NaOH não provoca um tratamento efetivo da fibra, ao passo que, um tratamento mais severo pode proporcionar uma maior desfibrilação, comprometendo a eficiência das fibras como reforço. Depois disso, as fibras foram lavadas até remover o NaOH. Então, estas foram mantidas em uma estufa a aproximadamente 600C. A resina epoxídica (DGEBA/TETA) foi misturada às fibras, com porcentagens de 1%, 3%, 5%, 7,5% e 10% em massa de fibra. Não foram usadas porcentagens maiores, pois ter-se-ia que ter um método mais adequado para fazer a mistura fibra/matriz, já que esta mistura fica dificultada de ser feita manualmente quando a porcentagem ultrapassa os 10%. Foi utilizado como agente de cura uma amina alifática (ARADUR HY 951), pois esta apresenta algumas vantagens que seriam adequadas ao trabalho, tais como baixa viscosidade e cura a temperatura ambiente. Para efeito de comparação, foi realizada uma mistura contendo a resina epoxídica (DGEBA/TETA) somente com o agente de cura sem reforço. As curas foram feitas utilizando-se o ponto estequiométrico e em temperatura ambiente. Os compósitos foram ensaiados a temperatura ambiente ( 25 ± 2 ο C). Para o ensaio de tração para se obter o K 1C, foi utilizado a norma ASTM E399 (1990) por tração. Uma trinca foi induzida no corpo de prova utilizando-se serras e lâminas, como ilustrado na Figura

5 Figura 01- Formato dos corpos de prova utilizados para o ensaio de K 1C. No cálculo dos resultados, foram utilizadas no mínimo 4 medidas de cada propriedade mecânica. Os compósitos fraturados pelo ensaio de tração foram analisados por MEV LEO 1450 VP. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO O tamanho médio das fibras ficou compreendido entre 106 a 212 µm, O tamanho médio das fibras foi escolhido por facilitar o processo de moldagem dos corpos de prova, pois com estes, além de se obter fibras com pouca diferença de comprimentos, torna-se mais fácil de se ter uma mistura homogênea, resultando em menores erros. Concentrações de tensões causam fraturas em materiais, provocadas por descontinuidades no material, tais como fissuras, bolhas, defeitos, etc. No caso de materiais compósitos, ocorre a formação de bolhas durante o processo de cura e durante a mistura da fibra com a matriz. Uma solução para o problema é submeter ao vácuo o material que está sendo curado, porém existem dificuldades para tal processo. Uma delas é a dificuldade de se manter as fibras de maneira homogênea durante o processo de vácuo, fazendo com que este processo amenize a formação de bolhas, mas por sua vez, aumente a heterogeneidade das fibras na matriz. A outra dificuldade é o alto custo e grande complexidade de se construir um sistema de vácuo adequado para conseguir uma alta eficiência no sistema. Afim de analisar estes estas bolhas, foi realizado a Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Figura 02. [9] 2475

6 . Figura 02 Fotomicrografias das superficies de fratura dos compósitos fibra/epóxi: (a) epóxi sem fibras, (b) 1% de fibras, (c) 3% de fibras, (d) 5% de fibras, (e) 7,5% de fibras, (f) 10% de fibras. Na figura 02, observa-se que no material sem a adição de fibras, há pouca formação de bolhas. Após a adição de fibras à matriz, a quantidade de bolhas aumenta, mostradas através de setas nas figuras. Os resultados para K 1C são ilustrados na tabela 01 e Figura

7 Tabela 01 Valores de K 1C obtidos no ensaio de tração % Fibra K1C (MPa.m 1/2 ) 0 1,5 ± 0,13 1 1,18 ± 0,38 3 1,14 ± 0,09 5 1,14 ± 0,32 7,5 1,16 ± 0, ,15 ± 0,09 Figura 02 Resistência à fratura dos compósitos Como esperado, o desvio padrão das medidas foram em média 15,55%. Isto se deve a imprecisão ao se fazer o entalhe no corpo de prova, o qual é feito manualmente. O valor de K 1C apresentou um pequeno decréscimo quando foi adicionado 1% de fibras (5,6%), permanecendo praticamente constante com a adição de mais fibras. Teoricamente a adição de fibra teria que aumentar o valor do K 1C, pois a fibra serveria como uma barreira à esta propagação. Porém, observa-se na Figura 02 que com a adição de maiores porcentagens de fibras, há também uma maior formação de bolhas, que para materiais frágeis, como é o caso do 2477

8 epóxi, pode causar pontos de concentração de tensão, iniciando assim a formação de mais trincas. 4. CONCLUSÃO Conclui-se que com a adição de fibras em porcentagens superiores a 2% em massa de fibras faz com que o K 1C tenha uma acentuada queda devido a formação de bolhas, que aumentam proporcionalmente ao aumento das porcentagens de fibras. Portanto no que diz respeito a resistência a propagação de trincas, a inclusão de fibras em uma resina epóxi não traz nenhuma vantagem.. REFERÊNCIAS [1] M. C. Rezende; E. C. Botelho Polímeros: Ciência e Tecnologia 2000, 10, 4. [2] T. P. Amaral; G. M. O. Barra, F. L. Barcia Polímeros: Ciência e Tecnologia 2001, 11, 149 [3] W. D. Callister; Ciência e engenharia de materiais; uma introdução, LTC, Rio de Janeiro, [4] S. A. Rangel, Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho, Campus de Ilha Solteira, [5] D. S. Pereira, Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho, Campus de Ilha Solteira, [6]. N. S. M. El-Tayeb Materials & Design 2009, 30, [7]. S. M. Luz; A. R. Gonçalves; A. P. Del Arco Jr Revista Matéria 2006, 11, 101. [8]. A. Ferreira; G. W. Lebrão; L. Nagashi in 17 CBECIMat,Foz do Iguaçu, 2006, [9]. J. Marin Mechanical behavior of engineering materials, Prentice-Hall, Englewood cliffs,

9 ANALYSIS OF RESISTANCE TO CRACK SPREAD IN EPOXY COMPOSITE MATERIALS / FIBER BAGASSE OF CANE SUGAR Abstract Composites whose boosters are natural fibers are of great importance to the research of new materials, as they have in addition to low density and cost when compared to metals, ceramics, a sustainable source. When using natural fibers in composites, they can leave the array with a low resistance to crack propagation (K 1C ) by the appearance of microbubbles around the fibers. This work aims to evaluate the effect of the addition of bagasse from sugarcane of sizes ranging between 106 and 212 microns in an epoxy matrix DGEBA / TETA fibers to evaluate the resistance to crack propagation. Fibers were added in percentages of 1, 3, 5, 7.5 and 10% by weight of fibers. For the addition of 10% by mass of sugar cane fibers was decreased 8% in K 1C. 2479