Anais do 9 o Congresso Brasileiro de Polímeros

Transcrição

1 APLICAÇÃO DE FIBRAS DE PALMITO PUPUNHA COMO REFORÇO EM RESINA DE POLIÉSTER INSATURADO: EFEITO DE DIFERENTES TRATAMENTOS QUÍMICOS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS COMPÓSITOS Marina Z. Farina 1 ; Carlos A. A. Junior 2 ; Adriane S. Santos 3 ; Ana Paula T. Pezzin 1,2 ; Denise A. K. Silva 1,3*. Universidade da Região de Joinville (UNIVILLE), Campus Universitário s/n o, Bom Retiro,CEP , Joinville SC. 1 Depto. Engenharia Ambiental, 2 Depto. Engenharia Química; 3 Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente. marina.zambonato@univille.net; *dabatti@univille.edu.br Application of Pejibaye fibers as reinforcement in resin of insatured polyester: the effect of different chemical treatments on the mechanical properties of the composites Vegetal fibers can be used as reinforcement in polymer composites replacing non-renewable and synthetic fibers as glass. The effect of chemical treatment of the pejibaye fibers and that influence on the mechanical properties of composites based on unsaturated polyester resin were verified. The pejibaye fibers were extracted in the laboratory, cut and separated in agreement with particle size, 25mm. The fibers were pre-treated with soda, acrilonitrile and hydrogen peroxide. Composites of polyester resin/pejibaye fibers, treated and no-treated, were prepared with mass proportion of fiber of approximately 10wt%. The tensile strength, Young s modulus and Izod impact were evaluated. From the results of tensile tests of the composites it is possible to conclude that the chemical treatment did not change these properties. On the other hand, peroxide treatment of the fibers influenced the impact profile, which increased 288%, when compared with no-treated fiber composite. Introdução A fibra de vidro é um material muito utilizado como reforço em materiais plásticos, principalmente por possuir excelente resistência à corrosão e umidade, por manter suas propriedades mecânicas sob altas temperaturas, além da facilidade de processamento e baixo custo. É um material que permite o trabalho com formas complexas e de grande porte, tais como cascos de barcos, peças para frentes e traseiras de ônibus e caminhões, carrocerias de carros esportivos, piscinas, tubos para esgoto, etc (MANO & MENDES, 1999). Entretanto, é um material de difícil reaproveitamento de resíduos sólidos, além de ser altamente tóxico, podendo ocasionar várias doenças respiratórias quando em contato (HESTERBERG et al.,1999) (BAAN & GROSSE, 2004). A utilização de fibras naturais que substituam a fibra de vidro pode ser uma alternativa viável na geração de produtos, pensando em alternativa de renda para o produtor rural. De acordo com a Fundação Municipal de Desenvolvimento Rural 25 de Julho (FMDR), a agroindústria da região de Joinville/SC caracteriza-se principalmente pela produção de banana e arroz, sendo que a cultura de palmito pupunha está em ascensão. Durante a extração do palmito, ocorre a geração de grande quantidade de resíduos, tais como o caule, pseudocaule e folhas. Atualmente, é crescente o número de pesquisas que envolvem compósitos com fibras vegetais, principalmente referentes à substituição de fibras sintéticas. Autores como Joseph et al. (1999),

2 Cavani et al. (2004), Mothé e Araújo (2004) e Salazar et al. (2005) destacam a utilização das fibras vegetais em substituição às sintéticas, tais como as fibras de vidro, principalmente por estas apresentarem uma ou mais das seguintes características: custo elevado, serem abrasivas a equipamentos de processamento, possuírem alta densidade, não serem biodegradáveis, além de gerarem alto custo de reciclagem e potenciais problemas à saúde e ao ambiente. Desta forma, o uso de fibras vegetais torna-se vantajoso justamente por ter características opostas: baixo custo, baixa densidade, não serem abrasivas, serem fonte de recursos naturais renováveis, biodegradáveis, não tóxicas, reduzindo o impacto ambiental formando um ciclo quase fechado de CO 2 no caso da queima de materiais de origem vegetal, podendo ser incineradas e facilmente modificadas por agentes químicos (JOSEPH et al., 1999), além de serem uma alternativa de grande importância tecnológica na utilização da biomassa vegetal para a produção de materiais mais compatíveis com o ambiente. Portanto, a utilização de fibras vegetais que substituam a fibra de vidro pode ser uma alternativa viável na geração de produtos, de forma a agregar valor a esses resíduos. A compatibilização das características superficiais, matriz/reforço pode ser conseguida através de modificações superficiais do reforço. Existem basicamente dois tipos de tratamentos: a alteração química da característica superficial do reforço e o recobrimento do reforço com uma substância de característica bifuncional (HAGE, 1989). Estudos demonstram que a adesão de fibras vegetais com uma matriz é um fator crítico na melhoria das propriedades mecânicas dos compósitos e que as soluções ainda estão sendo testadas. Estas recaem principalmente na utilização de processos de tratamento superficial das fibras, como também modificações químicas nas resinas, melhorando as características de interface entre a matriz e a fibra (SANCHEZ et al., 2002). Para Metha et al. (2004) a aplicação de um tratamento químico nas fibras naturais pode tornar possível o emprego de compósitos com essas fibras e resina poliéster, uma vez que consegue melhorar suas características mecânicas. Sem a aplicação de tratamentos, a utilização destes biocompósitos pode ficar comprometida ou limitada, pois a característica hidrofílica é responsável pela absorção de água, sendo contrária à característica da fibra de vidro, por exemplo, de resistir às intempéries. Metha et al. (2004) mostram que a fibra de cânhamo, quando tratada com acrinolitrila (C 3 H 3 N), aumenta em 80% sua resistência à tração. Já Cavani et al. (2004) aplicaram sobre fibras de bagaço de cana, tratamentos com solução de hidróxido de sódio (NaOH) a 10% por 24h e com solução metanol e silano 2%, também por 24h. Os ensaios de impacto realizados mostraram que os compósitos confeccionados com o bagaço tratado com NaOH apresentaram resultados superiores aos compósitos com bagaço sem tratamento. As observações ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) confirmaram a adesão entre as fibras tratadas e a matriz polimérica, evidenciando

3 a mudança da superfície do bagaço em função do tratamento químico. Fibras extraídas do pseudocaule da bananeira foram utilizadas por Wessler et al. (2004) que fizeram experimentos realizando tratamento superficial com solução aquosa a 5% de NaOH e tratamento de imersão na própria resina poliéster. De acordo com os resultados dos experimentos, o tratamento efetuado pela imersão prévia das fibras na resina não resultou em compósitos com boas propriedades. Entretanto, o material preparado com fibras tratadas com NaOH apresentou maior resistência à tração, porém com um comprometimento da resistência ao impacto. Neste trabalho, foram preparados compósitos de resina poliéster insaturado reforçados com fibras de palmito pupunha, tratadas previamente com hidróxido de sódio (NaOH), acrilonitrila (C 3 H 3 N) e peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) 20V, sendo avaliadas a influência dos tratamentos nas propriedades mecânicas de tração e impacto destes compósitos. Experimental Extração e obtenção das fibras Para a obtenção das fibras, foram realizadas coletas de folhas jovens podadas em uma propriedade de cultivo de Palmácea na região do Quiriri, município de Joimville/SC, onde o palmito é cortado semanalmente, sendo os resíduos deixados no solo. As folhas coletas foram selecionadas e os folíolos separados; as fibras foram retiradas uma a uma manualmente, sendo submetidas a um processo de raspagem com facas para remoção de resíduos clorofilados. As fibras mediam aproximadamente 800mm de comprimento, variando a espessura ao longo deste comprimento; foram então cortadas em tamanho aproximado de 25mm (conforme comprimento das fibras de vidro) e separadas por espessura, que variaram de 0,8 a 3,0 mm (MOREIRA et al. 2007). Tratamentos superficiais com as fibras Baseado nos resultados obtidos nos tratamentos de fibras de outras culturas (WESSLER et al. 2004) (METHA et al. 2004) optou-se por usar três tratamentos químicos distintos nas fibras da pupunha: hidróxido de sódio (NaOH), (C 3 H 3 N) e (H 2 O 2 ). As fibras foram submersas em solução de NaOH, 5% v/m em água destilada, permanecendo por 72h. Posteriormente, foram lavadas duas vezes em água destilada, uma vez em uma solução de ácido clorídrico (HCl) 0,1M e mais duas vezes em água destilada, espalhadas em uma bandeja de alumínio e secas em estufa por 3h a 100 C (ALVES JR et al. 2006). As fibras permaneceram por 24h em solução de C 3 H 3 N 3% v/v em álcool etílico puro (99,5%), dispostas em uma bandeja e secas a temperatura ambiente na capela.

4 As fibras foram tratadas em soluções de H 2 O 2 20V, com e sem agitação, sendo retiradas após 144h, lavadas com água destilada por três vezes e secas em estufa a 100 C por 3h (MOREIRA et al. 2007). Preparação dos compósitos e confecção dos corpos de prova Foram confeccionadas placas de compósitos resina/fibra, utilizando-se fibras não tratadas e tratadas quimicamente. Os compósitos foram confeccionados em placas de resina/fibra 10% (m/m), utilizando 1,5% de peróxido de metil etil cetona (PMEK) para a reticulação por 20min. O tempo de cura para cada placa foi de 24h. Para a desmoldagem, foi usada a cera de carnaúba. Paralelamente, obtiveram-se corpos de prova confeccionados com 10% e 25% m/m de fibra de vidro. Posteriormente, os corpos de prova foram usinados, conforme as dimensões previstas nas normas para cada ensaio mecânico. Ensaios mecânicos de tração e impacto Os corpos de prova foram previamente climatizados a 23ºC (± 2ºC) e umidade relativa de 50% (± 5%) po 48h (ASTM 618). Os ensaios de tração foram realizados em equipamento EMIC, modelo DL 10000/700 (ISO 527). Para a obtenção de valores médios e desvio padrão da resistência à tração, módulo de elasticidade e alongamento, os ensaios de tração foram realizados com 20 corpos de prova para os compósitos com fibras vegetais e 10% fibra de vidro e 12 para os com 25% de fibra de vidro. Os corpos de prova fraturados foram fixados em suporte metálico, recobertos com ouro (metalizador BAL-TEC SCD 050) e observados ao MEV (Zeizz DSM 940). Os ensaios de impacto IZOD foram conduzidos em equipamento AIC da EMIC, usando martelo de 5,4J para as amostras com fibras de pupunha e de 10,8J para as amostras com fibra de vidro (ASTM D-256). Para a obtenção dos valores médios do ensaio de impacto foram analisados 20 corpos de prova para cada compósito com fibras vegetais (com e sem tratamento) e 8 corpos de prova para os compósitos com fibra de vidro (10% e 25%). Para tratar os dados registrados nos ensaios mecânicos foi usado o teste t duas variáveis presumindo variâncias equivalentes, com nível de significância de 5%. Resultados e Discussão Extração e obtenção das fibras Na Figura 1a verifica-se as folhas deixadas como resíduo da extração do palmito de pupunha, que não têm uso nobre na região, sendo utilizadas como adubo e material para queima ou cama de animais. Nas Figuras 1b e 1c houve uma pré-seleção da parte fibrosa das folhas. Estas

5 fibras foram separadas uma a uma (Fig. 1d) e sofreram uma raspagem manual, para se retirar todo o material verde (Fig. 1e), resultando apenas a fibra (Fig. 1f). Figura 1 - Processo de obtenção das fibras das folhas da palmácea. Fonte: arquivo pessoal. Preparação dos compósitos e confecção dos corpos de prova Na confecção das placas houve algumas dificuldades, como a distribuição das fibras, que foi feita aleatoriamente, sendo observada a concentração de fibra em alguns pontos e em outros, alguns espaços vazios. Estes espaços podem tornar o material mais frágil, pois a matriz nestas regiões fica sem reforço. Também foi notado durante a confecção das placas o aparecimento de bolhas de ar de forma heterogênea, sendo que os corpos de prova com bolhas presentes foram descartados no momento dos ensaios mecânicos. Verificou-se também que as fibras eram rígidas e partiam quando dobradas, indicando que o material cortado e moldado desta maneira apenas poderia ser usado em placas planas. A confecção de peças com formatos complexos não seriam possíveis de serem moldadas, pois a fibra, neste comprimento poderia ficar espetada ou escorrer, num processo de

6 laminação manual. O aspecto final do compósito resina/fibra de palmito pupunha sem tratamento pode ser observado na Figura 2. Figura 2 Placa de compósito resina/fibra 10% (m/m) (sem tratamento) para confecção de corpos de prova para ensaios de tração e impacto. Ensaios mecânicos de tração e impacto Os resultados obtidos nos ensaios de tração e impacto referentes às propriedades mecânicas dos compósitos estão relacionados na Tabela 1, enquanto os gráficos comparativos entre estas propriedades são mostrados na Figura 3. Como já era esperado, os resultados dos ensaios mecânicos de tração mostraram, que os valores de resistência a tração dos compósitos resina/fv-10% e resina/fv-25% foram 182 e 339% superiores ao compósito resina/fibra sem tratamento-10%. Tabela 1 Dados de Resistência à tração (MPa), Módulo de Young (MPa) e Alongamento (%) obtidos dos ensaios de tração e dados de Resistência ao impacto (J/m) obtidos dos ensaios de impacto IZOD. Propriedades Resistência à tração (MPa) Módulo de Young (MPa) Alongamento (%) Fibras sem tratamento 10,21 (±3,14) 4,4/16,1 214,49 (±46,15) 88,89/284,44 1,53 (±2,09) - 3,72/3,07 ENSAIOS DE TRAÇÃO NaOH C 3 H 3 N H 2 O 2 FV 10% FV 25% 11,38 (±2,87) 11,38 (±3,11) 11,34 (±1,60) 28,74(±3,88) 44,88 (±6,27) 7/17 5,5/17,4 9,1/13,8 19,6/34,8 35,8/58,4 260,35 (±29,87) 258,48 (±36,69) 200/ ,78/311,11 146,03 (±40,28) 407,06 (± 65,3) 88,89/ ,11/533,33 499,63 (± 64,00) 422,22/631,11 2,01 (±1,27) 2,32 (±0,41) 4,27 (±0,53) 5,69 (±1,24) 3,05 (±0,38) - 3,73/2,89 1,59/3,15 3,47/5,29 4,9/8,98 Propriedades Resistência ao impacto (J/m) Fibras sem tratamento 0,61 (±0,31) 0,24/1,36 ENSAIOS DE IMPACTO NaOH C 3 H 3 N H 2 O 2 FV 10% FV 25% 0,66 (±0,37) 0,46 (±0,15) 2,37 (±0,19) 1,78 (±0,75) 4,27 (±0,72) 0,28/1,72 0,2/0,72 2,14/2,6 1,08/2,88 3,16/5,12

7 Entretanto, observa-se na Figura 3a que os tratamentos químicos realizados com as fibras de palmito pupunha (palmácea) não exerceram influência significativa na resistência à tração. Por outro lado, a Figura 3b mostra que os valores do Módulo de Young dos compósitos reforçados com as fibras tratadas com NaOH e C 3 H 3 N foram ligeiramente superiores (cerca de 21%) em relação às fibras não tratadas, enquanto que o tratamento com H 2 O 2 foi significativamente inferior (32%) quando comparado à fibra não tratada. Da mesma forma, como era esperado os valores do Modulo de Young dos compósitos com 10 e 25% de fibra de vidro respectivamente, 89 e 133% superiores aos compósitos resina/ fibra sem tratamento-10%. A Figura 3c, mostra que embora os resultados indiquem uma tendência ao aumento crescente do alongamento dos compósitos com fibras tratadas respectivamente com NaOH, C 3 H 3 N e H 2 O 2 essas variações não são significativas tendo em vista o elevado desvio padrão obtido nestes ensaios. Em contrapartida, o alongamento dos compósitos com 10 e 25% de FV foram, respectivamente, 179 e 272% superiores aqueles com fibras não tratadas. De acordo com o trabalho de Wessler et al. (2004), o resultado de resistência à tração e alongamento das fibras de bananeira sem tratamento com 10mm de comprimento foram respectivamente 12,02 (± 0,99) MPa e 3,25 (± 0,37) %, ambos similares ao compósito tratado com H 2 O 2. Resistência à tração (MPa) sem tratamento NaOH C 3 H 3 N H 2 O 2 FV (10%) FV (25%) a Módulo de Young (MPa) sem tratamento NaOH C 3 H 3 N H 2 O 2 FV (10%) FV (25%) b 0 Compósitos de resina poliéster/fibra sem e com tratamento 0 Compósitos de resina poliéster/fibra sem e com tratamento Alongamento (%) sem tratamento NaOH C 3 H 3 N H 2 O 2 FV (10%) FV (25%) c Resistência ao impacto (J/m) Compósitos de resina poliéster/fibra sem e com tratamento Compósitos de resina poliéster/fibra sem e com tratamento sem tratamento NaOH C 3 H 3 N H 2 O 2 FV (10%) FV (25%) d Figura 3 Comparação entre os dados: a) Resistência à tração (MPa), b) Módulo de Young (MPa), c) Alongamento (%) obtidos dos ensaios de tração e d) Resistência ao impacto (J/m) obtidos dos ensaios de impacto IZOD.

8 Já em relação aos ensaios de impacto, a Figura 3c evidencia um aumento significativo da resistência ao impacto dos compósitos de resina com fibra de palmito pupunha tratadas com H 2 O 2, que foi de 288% superior em relação ao compósito com fibra sem tratamento e 33% superior também em relação ao compósito com 10% de FV (embora tenha sido obtido um alto desvio padrão deste último). O compósito com 25% de FV foi 600% superior ao compósito com 10% de fibra vegetal sem tratamento e somente 80% superior ao compósito com 10% de fibra vegetal tratada com H 2 O 2, mesmo apresentando 15% a mais de fibra. Os tratamentos com NaOH e C 3 H 3 N não exerceram influência significativa na resistência ao impacto em relação ao compósito com fibra sem tratamento. A Figura 4 ilustra as micrografias das superfícies de fratura dos compósitos reforçados com fibras de palmito pupunha sem e com tratamento. Independente do tratamento, verificou-se que ocorreu baixa interação entre a fibra e a matriz, podendo ser medida em alguns casos. Essas imagens reforçam os resultados obtidos nos ensaios de tração. Figura 4 Micrografias das superfícies de fraturas por MEV dos compósitos resina/fibra de pupunha com tratamento após os ensaios de tração: (a) C 3H 3N; (b) H 2O 2; (c) NaOH; (d) sem tratamento (ampliação 500x).

9 Conclusões Nos ensaios de tração dos compósitos obtidos, todos os tratamentos não influenciaram significativamente esta propriedade do material, entretanto o tratamento com H 2 O 2 mostrou-se efetivo no comportamento do compósito durante o ensaio de impacto, importante registrar que o resultado obtido foi superior ao compósito com fibra de vidro na proporção de 10%, obtendo propriedades mecânicas semelhantes aos compósitos de fibras não tratadas. De um modo geral, os compósitos de fibra de vidro 10% e 25% apresentaram-se maiores na resistência à tração e ao impacto. Agradecimentos Ao CCT/UDESC pelo apoio à realização dos ensaios de MEV e ao Fundo de Apoio à Pesquisa (FAP/UNIVILLE) pelo financiamento do projeto, incluindo as bolsas de IC e ao PIBIC/CNPq. Referências Bibliográficas C.A. ALVES Jr.; M.Z. FARINA; S.E. MOREIRA; A.S. SANTOS; A.P.T. PEZZIN; D.A.K. SILVA In XIV Encontro de Química da Região Sul ( XIV SBQSUL), 2006, Erechim RS. FQ84. C.G. MOTHÉ; ARAUJO; C.R. ARAUJO Polímeros: Ciência e Tecnologia 2004, 14, 274. C.S. CAVANI; C.G. SANCHEZ; C.V. LEAL; E.M.S SANCHEZ In PPS-2004 America's Regional Meeting, 2004, 46. E.B. MANO; L.C. MENDES Introdução a Polímeros 2.ed. São Paulo: Edgard Blücher, E. HAGE Jr. Apostila: Compósitos e Blendas Poliméricas. IBM: Instituto Latino Americano de Tecnologi, Campinas, E.M.S. SANCHEZ; C.G. SANCHEZ; R.A. SOUZA In 25ª Reunião da Sociedade Brasileira de Química, 2002, Poços de Caldas - MG. QM092. G. METHA; A.K. MOHANTY; M.MISRA; L.T. DRZAL Journal of Materials Science 2004, 39, K. JOSEPH; E.S. MEDEIROS; L.H. CARVALHO Polímeros 1999, 9, 136.

10 K. WESSLER; C. FOGAGNOLO; M. EVERLING; H.P. BERNARDO; J.C. SOBRAL; A.P.T. PEZZIN; P.S. BALZER; M.I.S. ARAUJO In Congresso em Ciência dos Materiais do Mercosul - SULMAT, Joinville - SC, R.A. BAAN; Y. GROSSE Mutation Research 2004, 553, 43. S.E. MOREIRA; M.Z. FARINA; C.A. ALVES Jr; A.S. SANTOS; A.P.T. PEZZIN; D.A.K. SILVA In 6th International Symposium on Natural Polymers and Composites, 2007, Gramado RS. P074, 1-4. T.W. HESTERBERG; C. AXTEN; E.E. MCCONELL; G.A. HART; W. MIILLER; J. CHEVALIER; J. EVERITT; P. THEVENAZ; G. OBERDÖRSTER Inhalation Toxicology 1999, 11, 747. V.L.P. SALAZAR; J.C. CARASCHI; A.L. LEÃO Engenharia Sanitária Ambiental 2005, 10, 162.