ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PP/FIOS ALINHADOS E CONTÍNUOS DE JUTA

Transcrição

1 ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PP/FIOS ALINHADOS E CONTÍNUOS DE JUTA Joselito M. de F. Cavalcante 1, Laura H. de Carvalho 2 * 1 Universidade Federal do Semi-Árido UFERSA, Campus de Angicos, Angicos RN 2 Universidade Federal de Campina Grande UFCG, CCT/UAEMAT, Campina Grande PB laura@dema.ufcg.edu.br A utilização de fibras naturais como reforço em matrizes termoplásticas tem crescido ano a ano. A maioria das fibras utilizadas para este fim é curta, o que gera produtos com propriedades mecânicas relativamente baixas. Para contornar este problema, uma série de processos vem sendo desenvolvidos com o intuito de incorporar fibras longas, contínuas e alinhadas em matrizes termoplásticas. Neste trabalho uma destas técnicas foi utilizada para preparar compósitos PP/juta com dois fios de juta e duas matrizes PP distintos. Os resultados demonstram que a incorporação de fibras longas, alinhadas e contínuas em matriz termoplástica (polipropileno) levou a aumentos significativos na resistência à tração (> 139%), no módulo de elasticidade em tração e em flexão (>264 e 234%, respectivamente) e diminuição da resistência ao impacto, em relação à matriz. Compósitos manufaturados com fios mais finos tenderam a ser mais rígidos enquanto os produzidos com o fio mais espesso foram mais resistentes. Matrizes mais fluidas tenderam a gerar compósitos com melhores propriedades. Palavras-chave: Polipropileno, juta, compósitos, propriedades mecânicas, fios alinhados Comparative study on the mechanical properties of PP/long, aligned jute yarn Composites. The use of natural fibers as reinforcement in thermoplastic matrices grows yearly. Most of the fibers used for this purpose are short, which leads to products with relatively low mechanical properties. In order to overcome this problem, a series of processes have been developed in order to incorporate long, continuous and aligned fibers in thermoplastic matrices. In the present work on of these techniques was employed in the manufacture of PP/jute composites with two distinct jute yarns and two PP matrices. Our results indicate that the addition of long, aligned continuous jute fibers in polypropylene matrices leads to significant increases the tensile strength (>139%), tensile and flexural moduli (>264 and 234%, respectively) and to decreases impact strength with respect to the matrix. It was also shown that composites manufactured with the thinner jute yarns tend to be stiffer and those manufactured with thicker yarns tend to be stronger. Best overall properties were displayed by composites manufactured with the lower melt flow index matrix. Keywords: Polypropylene, jute, composites, mechanical properties, aligned yarns Introdução As fibras vegetais, por serem compostas principalmente de celulose, são também conhecidas como fibras celulósicas ou lignocelulósicas. Estas fibras são abundantes e disponíveis em todo o mundo. No passado, as fibras vegetais eram utilizadas na fabricação de cordas, fios, carpetes e outros produtos decorativos. Porém, com o avanço no desenvolvimento das fibras sintéticas, houve um decréscimo no consumo das fibras vegetais. Atualmente, devido ao elevado custo do petróleo, que é fonte não renovável de energia com disponibilidade limitada e possibilidade de escassez, além do crescente apelo ecológico, as fibras naturais voltaram à cena, na produção de compósitos poliméricos. Isto porque são provenientes de fontes renováveis e biodegradáveis, apresentam baixa densidade, são relativamente duráveis, de fácil secagem e de baixo custo, além de apresentar propriedades mecânicas relativamente boas [1].

2 As fibras vegetais apresentam algumas dificuldades para serem utilizadas como cargas para materiais poliméricos, dentre elas pode-se citar: a temperatura de degradação e elevada higroscopia. A temperatura de degradação das fibras vegetais é relativamente baixa, em torno de 200ºC. Nesta temperatura pode ocorrer tanto a degradação propriamente dita, quanto a liberação de voláteis, diminuindo as propriedades mecânicas dos compósitos. Sendo assim, seu uso fica limitado a materiais plásticos com baixa temperatura de processamento, como por exemplo: polietileno, polipropileno, policloreto de vinila e poliestireno. Em relação à higroscopia, a absorção de umidade pode resultar em inchamento das fibras o que pode comprometer a estabilidade dimensional do compósito e diminuir a interação fibra/matriz, fragilizando o compósito [2]. Apesar destas dificuldades, fibras vegetais podem e estão sendo adicionadas a polímeros para a obtenção de compósitos lignocelulósicos. Dentre as fibras vegetais mais utilizadas como reforço em plásticos está a juta, que apresenta um bom conjunto de propriedades mecânicas, disponibilidade e baixo custo [3]. Estas fibras são aplicadas aos plásticos de várias formas: como fibras curtas em compósitos injetados; como fibras longas e contínuas em compósitos pultrudados; e na forma de tecidos em compósitos feitos pelo processo hand lay up e por compressão. Estes últimos processos são mais aplicados em compósitos com matrizes termofixas. Entretanto, devido principalmente à grande produtividade e ao fato de não usar solventes (o que facilita a produção), o uso comercial de compósitos com matrizes termoplásticas vêm crescendo muito nos últimos anos. Para os compósitos com matriz termoplástica o processo mais comumente utilizado é a injeção, normalmente precedido de uma etapa prévia de mistura, que pode ocorrer em misturadores internos ou em uma extrusora. Porém, o uso de máquinas com roscas, leva a uma quebra das fibras, diminuindo o seu tamanho médio e gerando compósitos de propriedades mecânicas inferiores às esperadas. Por este motivo, uma série de trabalhos vem sendo desenvolvidos com o intuito de se utilizar fibras longas, contínuas e alinhadas em matriz termoplástica o que, por si só, melhora significativamente, as propriedades mecânicas dos compósitos [4]. As tecnologias utilizadas para este fim vão desde a modificação do fio, como o microbraid yarn [5] e o commingled yarn [6], passando por modificações de processos tradicionalmente utilizados para produção de compósitos com matrizes termofixas como a pultrusão além do processo de compressão [7-8]. Outras técnicas foram desenvolvidas especificamente para matrizes termoplásticas como o Express Process [9]. Neste trabalho é feito um estudo comparativo das propriedades mecânicas de compósitos com fibras alinhadas, produzidos com dois tipos de fios de juta e com duas matrizes termoplásticas com diferentes índices de fluidez. Para se incorporar os fios de forma alinhada um processo relativamente simples foi desenvolvido. Este processo é descrito a seguir.

3 Experimental Materiais Foram utilizados dois polipropilenos, de referência H 103 e H 301, tendo respectivamente 10 e 40 g/10min por índice de fluidez. Estes são homopolímeros produzidos pela Braskem. A juta, na forma de fio de classificação 10/1 e 10/2, isto é, um fio formado por uma e duas pernas retorcidas, respectivamente, ambos fornecidos pela Companhia Têxtil Castanhal, PA (Figura 1). (a) (b) Figura 1 Fios de juta, (a) 10/1 e (b) 10/2 Preparação dos Filmes Os filmes foram preeparados em prensa hidráulica (Schulz) com aquecimento. Grânulos (pellets) de PP foram colocados entre duas lâminas metálicas e prensados a quente (160 ±. 15 C) por 5min sem que fosse exercida qualquer força sobre o material seguido da aplicação de uma força de 2 ton durante 5 min. As lâminas contendo, o polipropileno na forma de filme, foram retiradas da prensa e deixada resfriar à temperatura ambiente antes do filme ser desmoldado e cortado no formato do molde metálico (Figura 2). Figura 2 Filmes de PP Preparação dos Compósitos O processo de manufatura dos compósitos, desenvolvido pelos autores, está ilustrado na Figura 3. Os filmes de polipropileno (PP H 103 ou PP H 301) foram pesados e colocados sobre uma placa de alumínio formando um sanduíche; fios de juta(10/1 ou 10/2), foram enrolados, manualmente ao redor do conjunto (placa metálica e filme plástico), o conjunto foi envolto por filme plástico e o arranjo foi colocado em um molde metálico bipartido, levado à prensa, onde permaneceu a 160 ± 15 C durante 15 minutos, sendo destes 10 minutos apenas com as placas da prensa encostada no molde e o restante do tempo sob uma força de 3 ton. Ao final da prensagem o molde foi retirado da prensa e deixado resfriar ao ar livre e o produto desmoldado. A placa de

4 alumínio foi retirada posteriormente, com o auxilio de um estilete, de modo a se obter uma lâmina de PP/fios alinhados de juta. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 3 Processo de manufatura dos compósitos com fibras alinhadas de juta: a) placa de alumínio encoberta por filmes de PP; b) enrolamento dos fios; c) aspecto conjunto recoberto com fios; d) aplicação de nova camada de filme; e) consolidação por prensagem. As lâminas foram pesadas a fim de se determinar o teor de fibra em massa e estas foram empilhadas (1 a 3 camadas) com as fibras orientadas na mesma direção e consolidadas a quente, em molde metálico bipartido, para gerar compósitos com distintos teores de fibras. As condições de prensagem foram as mesmas utilizadas para a confecção das lâminas individuais. Corpos-de-prova para ensaios em tração (ASTM D 3039), flexão (ASTM D 790) e impacto (D 256) foram usinados a partir das placas laminadas obtidas. Os ensaios em tração e flexão formam realizados em máquina universal de ensaios - LLOYD LR10K operando com taxas de deslocamento 10mm/min e 0,5 mm/mim, respectivamente.os ensaios de impacto foram realizados em corpos de prova não entalhados, em equipamento CEAST,RESIL 5,5 empregando pêndulo de 2,75 J. Todos os ensaios realizados na direção das fibras e em sala climatizada (25 C). Os valores reportados são valores médios obtidos a partir de um mínimo de 5 amostras por teste. Resultados e Discussão Comportamento mecânico dos compósitos PP/Fios de juta em tração Na Tabela 1, estão sumarizados os resultados obtidos do ensaio de tração para os dois tipos de polipropileno em função do teor e do diâmetro dos fios de juta. Vale salientar que a dispersão obtida para o teor médio de fibras nos compósitos é função do método de fabricação utilizado e do índice de fluidez das matrizes empregadas. Em geral, maiores dispersões de valores foram obtidas para compósitos preparados com o PP de maior índice de fluidez (PP H301). Os dados reportados na Tabela 1 e ilustrados na Figura 4 indicam que o módulo elástico e a resistência à tração dos

5 compósitos aumentam significativamente com a incorporação de fibras, em comparação com a matriz, quando as mesmas são alinhadas na direção do esforço. Verificam-se aumentos de no mínimo 264% no módulo elástico, obtido para o compósito com uma lamina (menor teor de fibra) produzido com fio 10/2 e o PP H103, e máxima de 515%, para aquele produzido com o PP H103 e com três laminas com fio 10/1. Observa-se ainda que os maiores valores de módulo elástico, predominantemente, ocorrem em compósitos com duas camadas de reforço, independente do tipo de fio de juta ou do índice de fluidez da matriz. Ganho semelhante acontece para a resistência à tração, sendo que para esta propriedade, tem-se um comportamento mais linear. Assim, a resistência aumenta com o teor de fibra, ou seja, os valores mais elevados para esta propriedade foram obtidos para os compósitos com três camadas de reforço. Em termos percentuais, em relação à matriz, a resistência à tração dos compósitos apresentou um acréscimo mínimo de 139% para os compósitos com uma única camada (tanto para o H103 como para o H301, com fio 10/2) e um acréscimo máximo de 254% para os compósitos reforçados com fio 10/2 e produzidos com três laminas e tendo por matriz o H301. Estes resultados eram os esperados, tendo em vista que as propriedades de compósitos reforçados por fibras longas, alinhadas e unidirecionais, testados na direção do reforço, são dominadas pelas fibras, que são mais rígidas e mais resistentes que a matriz. Tabela 1 Propriedades mecânicas dos compósitos PP/fios de juta para a direção 1 Orientação das Fibras Axial Teor de fibra, Módulo de Resistência à Deformação PP laminas em peso Elasticidade Tração (%) (%) (GPa) (MPa) H ,05±0,08 30,54±1,42 12,09±4,09 H ,87±0,04 28,70±0,85 20,76±3,60 H 103/Fio 10/1 H 301/Fio 10/1 H 103/Fio 10/2 H 301/Fio 10/2 2 32,28±4,42 4,72±0,41 60,24±4,07 1,90±0, ,84±6,07 5,41±0,59 59,82±4,84 1,99±0, ,28±4,42 4,72±0,22 52,08±3,14 1,77±0, ,84±6,07 4,10±0,22 46,04±4,73 1,65±0, ,33±2,71 2,78±0,33 42,46±5,22 2,42±0, ,91±6,10 4,34±0,35 58,10±3,49 1,96±0, ,78±6,73 3,88±0,44 64,19±4,26 2,78±0, ,33±2,71 2,50±0,25 39,96±1,72 2,88±0, ,91±6,10 4,11±0,16 55,90±4,31 2,22±0, ,78±6,73 3,90±0,29 73,23±4,68 3,34±0,39

6 (a) (b) Figura 4 Comportamento dos compósitos em função do tipo de fio: (a) fio 10/1; (b) fio 10/2 Segundo Khonder e colaboradores [5], há uma tendência, para compósitos de PLA/fios contínuos e alinhados de juta, das propriedades mecânicas (resistência e módulo elástico) aumentarem com teor de fibra, indo de 72 MPa para 78 MPa e de 7,5 GPa e 8,6 GPa,

7 respecitvamente, quando o teor de fibra passou de 22,5% para 38,0% w/w. Os resultados obtidos no presente estudo, apresentam este mesmo comportamento principalmente em relação a resistência à tração, inclusive com valores bem próximos. Já para o módulo de elasticidade, no estudo desnvolvido por Khonder et al. [5], o crescimento do módulo de elasticidade não é tão expressivo, e em relação aos resultados obtidos há uma queda para teores mais elevados de fibra (compósitos com três camadas), fato que também observado no presente trabalho. A explicação mais provável para esta ocorrência é de cunho prático. Com três camadas de fibra, é provável, que sob as condições experimentais adotadas e com o equipamento disponível, o processo de moldagem não tenha sido tão eficiente quanto para compósitos reforçados por duas camadas de fibras, provocando uma falha na interação entre as camadas (Figura 7). Comportamentos Mecânico dos Compósitos PP/Fios de Juta em Flexão Tabela 2. Os resultados mecânicos em flexão dos compósitos PP/fios de juta são apresentados na Polipropileno Tabela 2 Resultados dos ensaios mecânicos em flexão Laminas Teor de fibra, em peso (%) Resistência ao Dobramento (MPa) Módulo de Elasticidade ao Dobramento (GPa) PP H ,87±0,82 1,47* PP H ,96±1,70 1,53* Fio 10/1 PP H 103 PP H 301 PP H 103 PP H 301 *Dados fornecidos pelo fabricante 2 35,21 46,79±4,56 7,84±0, ,05 53,05±3,58 8,16±0, ,41 47,57±2,24 6,41±0, ,20 56,54±3,07 5,31±0,85 Fio 10/2 2 36,71 43,57±2,12 6,00±0, ,00 61,72±4,81 4,92±0, ,72 45,63±4,19 5,60±0, ,82 53,76±3,83 3,58±0,91 Os resultados mostram que independente do tipo de matriz e do diâmetro do fio utilizado, a resistência ao dobramento aumenta com o aumento do teor de fibra. Comportamento similar a este tem sido reportado por vários autores [10-11]. Este resultado, pode ser atribuido ao comprimento da fibra utilizada. Com fios longos e alinhados, tem-se um maior contato entre a fibra e a matriz, fazendo com que os esforços trativos e compressivos, experimentados pelo compósito durante o ensaio, sejam mais facilmente transmitidos da matriz para a fibra. Por outro lado, a resistência à flexão está intimamente ligada ao material colocado na superfíce do compósito, que neste caso, são os fios de juta (Figura 9), pois o filme que recobre as fibras é extremamente fino.

8 Para o módulo de elasticidade o comportamento não é o mesmo que o observado para a resistência ao dobramento. Houve uma decréscimo nesta propriedade, quando o teor de fibra foi aumentado(2 para 3 camadas) em praticamente todos os compósitos analisados. Somente os compósitos produzidos com o PP H 103 e fio 10/1, apresentaram comportamento diferente, o que pode estar ligado ao fato que, com fios mais finos, tem-se uma maior área de contato facilitando a transferência dos esforços da matriz para a fibra. Some-se a isto, a tendência desta matriz, de molhar melhor a fibra, devido a sua maior fluidez. Mesmo com o decréscimo nesta propriedade, citado anteriormente, compósitos com teor de fibra elevado, apresentaram módulo de elasticidade bastante superior ao da matriz pura. A redução no módulo elástico observada em compósitos com três camadas de reforço, também pode estar associada à camada de fibra no interior do compósito, que pode estar possicionada na linha neutra, não gerando, qualquer efeito reforçante. (a) (b) Figura 9 Compósitos com duas e três camadas Os resultados indicam que a resistência ao dobramento dos compósitos investigados não foi significativamente influenciada pelo tipo de matriz ou pelo tipo tipo de fio utilizados. Comportamento mecânico dos compósitos PP/fios de juta em impacto A Tabela 3 mostra os valores de resistência ao impacto dos compósitos. Os valores apresentados são para corpos de prova não entalhados. No caso das matrizes os valores apresentados são de corpos de prova entalhados, tendo-se em vista que, neste caso e nas condições adotadas, os corpos de prova não entalhados não romperam durante o ensaio. Os resultados apresentados na Tabela 3 mostram que a incorporação de um material rígido em uma matriz tenaz, provoca uma redução na resistência ao impacto, quando se compara o compósito a matriz pura. Esta redução foi observada de maneira qualitativa, pois os corpos de prova de polipropileno puro, não entalhados, não romperam. Contudo, normalmente a adição de fibras lignocelulósitcas a uma matriz termoplástica tende a diminuir a resistência ao impacto, principalmente se fibras curtas forem utilizadas [12]. Por outro lado quando tecidos são utilizados como reforço, esta propriedade se mantém inalterada [13]. Observa-se, para os compósitos em questão, o aumento no teor de fibras eleva a resistência ao impacto dos sistemas, fato este provocado por uma maior quantidade de fios de juta impedindo a

9 propagação da trinca catastrófica. Verifica-se também que este aumento é maior para os compósitos produzidos com fio 10/2 (mais grosso). Quando se compara os efeitos dos dois tipos de polipropileno utilizados nas propriedades de impacto dos sistemas produzidos, verifica-se que aquele que apresenta uma maior resistência ao impacto (PP H 301) foi o que apresentou a maior queda nesta propriedade. Em outras palavras, o prolipropileno com maior resistência ao impacto foi o mais afetados pela incorporação de material mais rígido, apresentando decréscimo mais acentuado nesta propriedade do que os compósitos manufaturados com o PP de menor resistência e maior índice de fluidez (PP H 103). Tabela 3 Resistência ao impacto dos compósitos Polipropileno Laminas Teor de fibra, Resistência ao impacto (J/m) em peso (%) Axial PP H * PP H * Fio 10/1 PP H ,21 166± ,05 171±25 PP H ,41 151± ,20 156±32 Fio 10/2 PP H ,71 197± ,00 258±55 PP H ,72 201± ,82 227±37 *Valores fornecidos pelo fabricante, para corpos de prova entalhados. Conclusões Uma tecnologia simples e econômica para a incorporação de fios longos, alinhados e contínuos de juta em matrizes termoplásticas foi desenvolvido localmente. Os compósitos PP/juta produzidos apresentaram propriedades bem superiores às da matriz. De modo geral, as propriedades tenderam a aumentar com o teor de fibras e com o uso de uma matriz mais fluida. Melhores resistência à tração, à flexão e ao impacto foram obtidos quando fios de juta mais espessos (10/2) foram utilizados como reforço nos compósito. Módulos de elasticidade em tração e em flexão mais elevados foram obtidos em compósitos reforçados por fios mais finos (fio 10/1). O pequeno decréscimo observado nesta propriedade em teores elevados de fibra foi associado a dificuldades de impregnação das fibras pela matriz. A matriz aquela que gerou compósitos com melhor balanço de propriedades foi a de maior índice de fluidez (menor viscosidade), ou seja, o PP H 103.

10 Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro (Pronex Fapesq/MCT/CNPq e CNPq # /2003-9; # /2006-7); à Braskem e a Companhia TêstilCastanhal pela doação dos materiais utilizados nesta pesquisa e ao CNPq pela bolsa PQ em favor de Carvalho, L.H. Referências Bibliográficas 1. W. S. Cavalcanti, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Campina Grande, J. M. F. Cavavalcante, L. H. de Carvalho in 9 Congresso Brasileiro de Polímeros, Campina Grande, PB, 2007, Vol. 1, W. W. Batista, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal da Paraíba, Campus II, Composites: Part B, 30, , A. G. Facca, Composites Part A, 2006, 37, 10, O.A. Khondker, U.S. Ishiaku, A. Nakai, H. Hamada, Composites: Part A, 2006, 37, B. Madsen, Thesis, Technical University of Dennark, K. van de Velde, P. Kikens, Composites Structures, 2001, 64, I. Angelov, S. Wieder, M. Evstatiev, K. Friedrich, G. Mennig, Composite Part A, 2007, 38, A. K. Bledzki, J Gassan, Progress in Polymer Science, 1999, 24, S. N. Monteiro, L. A. Terrones, L. A. Camerini, L. J. Petrucci, J. R. d Almeida, Revista Matéria, 2006, 11, S. Mohanty, S.K. Nayak, S.K. Verma, S.S. Tripathy, Journal of Reinforce Plastics and Composites, 2004, 23, D. Plackett,T. L. Andersen, W. B. Pedersen, L. Nielsen, Composites Science and Technology, 2003, 63, pp T.V. Dieu, L.T. Phai, P.M. Ngoc, N.H. Tung, L.P. Thao, L.H. Quang, JSME International Journal, 2004, 47, 4,