AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TEOR DE FIBRAS EM COMPÓSITO HÍBRIDO POLIMÉRICO REFORÇADO POR TECIDO DE JUTA E ACRÉSCIMO DE RESÍDUO DE MADEIRA

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1 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TEOR DE FIBRAS EM COMPÓSITO HÍBRIDO POLIMÉRICO REFORÇADO POR TECIDO DE JUTA E ACRÉSCIMO DE RESÍDUO DE MADEIRA A. I. Pereira (1) ; I. S. da Silva (1) ; I. S. Gomes (1) ; D. S. Silva (1) ; T. O. Rocha (1) ; G. O. Miranda (1) ; V. S. Reis (1) ; C. T. N. M. Branco (1) ; F. X. da Silva Lima (1) ; J. S. Andrade (1) ; M. M. Ribeiro (1) ; R. T. Fujiyama (1) (1) Universidade Federal do Pará UFPA ale.iglesiasp89@gmail.com RESUMO Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento, em molde aberto, compósitos poliméricos reforçados com fios contínuos e alinhados de juta, com adição de cargas de resíduos de madeira. Para tanto, foram fabricados compósitos de matriz polimérica reforçados com 1 Tecido e 3 Tecidos com e sem a adição de resíduo de madeira piquiarana. Assim, avaliaram-se os teores de fios de juta e resíduo de madeira junto à matriz de poliéster e sua correlação, a partir de ensaio de tração de acordo com a norma ASTM D638, com as propriedades mecânicas de resistência à tração, alongamento, deformação e módulo de elasticidade. Verificou-se, também, que os principais mecanismos e aspectos da falha dos compósitos através de recursos microscópicos. Palavras-chave: Caracterização mecânica, laminados híbridos, fibras vegetais, resíduos de madeira. INTRODUÇÃO A utilização de fibras vegetais como reforço em compósitos poliméricos, substituindo fibras sintéticas, especialmente fibras de vidro, vem crescendo nas últimas décadas em diferentes setores industriais, tais como embalagens, 1862

2 automóveis e até mesmo no setor da construção (1), devido sua baixa densidade e custo atrativo, além de os reforços advirem de fontes renováveis e serem biodegradáveis (2). Os materiais compósitos podem estar submetidos a inúmeros tipos de tensões, sendo que o tipo e a forma do mecanismo de falha ou dano podem ser influenciados pelo sentido do carregamento aplicado, as propriedades mecânicas da fibra e da matriz, o processo de fabricação, a configuração do material compósito, os percentuais de fibra, matriz e vazios, a umidade absorvida e a temperatura de trabalho (3). Dentre as fibras vegetais, a juta (Corchorus capsularis), cultivada em climas úmidos e tropicais na região norte do país, produz uma fibra de alta resistência, que quando misturada a polímeros, pode dar origem a produtos com menor densidade, podendo apresentar elevada aplicabilidade (4). As Tabelas 1 e 2 mostram, respectivamente, alguns exemplos de trabalhos que estudaram a utilização de fibras e de cargas de resíduo de madeira como reforços em compósitos poliméricos. Tabela 1. Propriedades mecânicas de compósitos poliméricos reforçados pelas fibras de sisal e juta. Tipo amostra Fração mássica do reforço Resist. tração (MPa) Relação (%) Sisal / pó de maçaranduba Fibra de sisal Pó de maçaranduba Média (Desvio Padrão) (5) 15 mm (50/50) 1,96% 4,80% 18,11 (± 1,14) Relação (%) Sisal / pó de marupá Fibra de sisal Pó de marupá Média (Desvio Padrão) (6) 15 mm (25/25) 1,68% 1,44% 25,70 (± 2,61) Relação (%) Juta / pó de marupá Fibra de Juta Pó de marupá Média (Desvio Padrão) (6) 15 mm (25/25) 2,11% 1,43% 25,15 (± 2,26) Relação (%) Sisal / pó de quaruba Fibra de sisal Pó de quaruba Média (Desvio Padrão) (6) 15 mm (25/25) 1,68% 1,54% 27,70 (± 2,59) Relação (%) Sisal / pó de quaruba Fibra de juta Pó de quaruba Média (Desvio Padrão) (6) 15 mm (25/25) 2,11% 1,53% 20,30 (± 1,92) Tabela 2. Resistência à tração de materiais compósitos de matriz polimérica e resíduo de madeira encontrados na literatura. 1863

3 (5) (6) (6) Tipo de Material Compósito Compósito Poliéster/ Pó Maçaranduba Poliéster / Pó de Quaruba 25% do Molde Poliéster / Pó de Marupá 25% do Molde Fração Mássica (FM) e Volumétrica (FV) (%) Resistência a Tração (MPa) 9,64 14,88 (± 1,15) 1,56 24,05 (± 2,02) 1,47 25,28 (± 2,35) Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico de compósitos poliméricos reforçados com tecidos de fios contínuos e alinhados de juta, bem como a influência nas propriedades de tração a partir da adição de cargas de resíduos de madeira piquiarana. MATERIAIS E MÉTODOS Resina poliéster Foi utilizada a resina poliéster tereftálico insaturado, (tipo CRISTAL), e agente iniciador de cura o peróxido de metil-etil-cetona (MEKP), fabricados pela CENTERGLASS RESINAS & FIBRAS DE VIDRO. Estes são mostrados na Figura 1. Figura 1. Resina poliéster e agente iniciador de cura. O agente de cura foi utilizado na proporção 0,7% da massa da matriz, pois de acordo com estudo (5) acerca das concentrações de agente de cura em matriz poliéster, foram verificadas boas propriedades na faixa da referida proporção. Tecido de fios de juta O tecido de fios de juta, mostrado na Figura 2, foi adquirido no comércio da Região Metropolitana de Belém, sob condições ambientes, sem excesso de umidade e sem nenhum tipo de tratamento químico. Resíduo de madeira 1864

4 O resíduo de madeira, mostrado na Figura 2, trata-se da piquiarana, proveniente da indústria moveleira da cidade de Belém. Além desses materiais, foram utilizados molde de silicone, cera desmoldante e monômero de estireno. Preparação do tecido de fibra de juta e resíduo O tecido de fibra de juta foi cortado na dimensão 320 mm x 230 mm e préimpregnado com a resina poliéster diluída com 65,75 g de monômero estireno, tal como mostrado na Figura 2(c). Para tanto, foi utilizado um borrifador. (c) Figura 2. Tecido de fios de juta, resíduo de madeira e (c) préimpregnação da matriz no tecido de juta. A pré-impregnação dos tecidos facilitou o corte do tecido nas dimensões da norma ASTM D638 (7), o qual é representado na Figura 3. A Figura 3 mostra cada tecido cortado neste formato possuía aproximadamente 0,63g. Figura 3. Dimensões da norma ASTM D638 e tecido cortado. O resíduo de madeira foi utilizado na granulometria de 0,59 mm, em quantidade de 1,2 g. Este foi posto ao forno a uma temperatura de 75 C, durante 10min, para a retirada da umidade. Fabricação dos compósitos com tecido de fibra juta e com resíduo de madeira Para a fabricação dos compósitos foi utilizado molde de silicone, no qual foi depositada uma fina camada de cera desmoldante. Aferiu-se a massa de 63,4 g de resina poliéster e utilizou-se 0,4 g de agente iniciador de cura, em massa. Esta massa de resina, segundo cálculos preliminares, é suficiente para a fabricação de 4 corpos de prova, que corresponde a um molde de silicone. 1865

5 O corpo de prova foi fabricado na sequência de deposição de camadas de matriz poliéster intercaladas de tecido de fios de juta; isso para 1 e 3 tecidos, tal como mostra o esquema na Figura 4. O mesmo procedimento se deu para a fabricação dos corpos de prova matriz poliéster com acréscimo de resíduo de madeira reforçados com 1 e 3 tecidos de fios de juta, mostrada na Figura 5. A diferença é que o resíduo de piquiarana foi misturado à matriz antes de se vazar no molde de silicone. Figura 4. Esquema de fabricação dos compósitos matriz poliéster reforçados por 1 tecido e 3 tecidos de fios de juta. Figura 5. Esquema de fabricação dos compósitos de matriz poliéster com resíduo de madeira, reforçados por 1 tecido e 3 tecidos de fios de juta. A Figura 6 mostra a sequência de fabricação dos compósitos, onde em temse a mistura de resina com resíduo, em o vazamento desta mistura no molde de silicone, em que são colocadas as camadas de tecido de fios de juta. Em (c) os corpos de prova devidamente dispostos no molde, já em processo de cura. 1866

6 (c) Figura 6. Sequência de fabricação dos corpos de prova. Foram também fabricados corpos de prova de matriz pura com cargas de resíduo de madeira, apenas. Em seguida ao processo de cura em temperatura ambiente e consequente desmoldagem, os corpos de prova passaram por um processo de pós-cura em estufa, à temperatura de 40 C, pelo período de 7 dias. Ensaio de tração Os ensaios de tração de acordo com a norma ASTM D638 foram realizados em uma máquina universal de ensaio fabricada pela Kratos, com célula carga de 5 kn, a uma velocidade de ensaio de 5 mm/min. RESULTADOS E DISCUSSÕES Propriedades mecânicas dos compósitos Na Tabela 3 têm-se as propriedades mecânicas dos compósitos ensaiados. Tabela 3. Propriedades mecânicas dos compósitos de matriz pura, reforçados com 1 tecido e 3 tecidos de fios de juta. Fração Tensão na Deformação na mássica de Carga Máxima Carga E Carga Máxima fios de juta (N) Máxima (GPa) (%) (%) (MPa) Resina (8) - 826,5 ± 171,7 25,94 ± 4,9 4,57 ± 1,6 0,829 ± 0,01 Resina + 1 Tecido 3,82 890,46 ± 54,67 27,77 ± 2,30 10,16 ± 0,54 0,284 ± 0,05 Resina + 3 Tecidos 10,64 989,51 ± 168,09 30,29 ± 4,98 9,70 ± 2,44 0,307 ± 0,05 De acordo com a Tabela 3, observa-se que o compósito de matriz polimérica com 3 Tecidos de fios de juta apresenta a média de tensão na carga máxima de 30,29 MPa, ligeiramente superior ao compósito com 1 Tecido, cuja média foi 27,77 MPa. Isso pode estar relacionado ao aumento da fração mássica de fibra, que para 1 Tecido foi de 3,82% e para 3 Tecidos 10,64%. O comportamento de ambos os compósitos supera o de matriz pura, ensaiada por (8), tal como mostra o 1867

7 comparativo na Figura 7, o qual mostra a eficiência de tanto 1 Tecido quanto 3 Tecidos de fios de juta como reforço em material compósito. A inclinação da curva tensão x deformação, Figura 7, é maior para o compósito Resina + 3 Tecidos, evidenciando sua maior rigidez, sendo o módulo de elasticidade deste da ordem de 0,307 GPa. O compósito Resina + 1 Tecido possui menor rigidez, 0,284 GPa; tendo, porém, maior deformação na carga máxima, 10,16%. Figura 7. Comparativo das tensões média da matriz pura e matriz com reforços e curvas características da tensão x deformação dos compósitos de matriz polimérica reforçados por 1 Tecido e 3 Tecidos de fios de juta. Na Tabela 4 tem-se as propriedades mecânicas que evidenciam a influência da adição de resíduo de madeira piquiarana nos compósitos de matriz polimérica reforçados com 1 Tecido e 3 Tecidos. Tabela 4. Propriedades mecânicas dos compósitos polimérico reforçados com 1 tecido e 3 tecidos de fios de juta, e com resíduo de piquiarana. Fração Fração Tensão na Deformação mássica mássica Carga Máxima Carga na Carga E do de fios (N) Máxima Máxima (GPa) resíduo de juta (MPa) (%) (%) (%) Resina + Resíduo 1,85-785,53 ± 70,79 23,53 ± 3,01 9,63 ± 1,31 0,256 ± 0,02 Resina + Resíduo + 1 Tecido 1,78 3,75 370,7 ± 53,53 11,06 ± 1,48 8,32 ± 0,21 0,092 ± 0,01 Resina + Resíduo + 3 Tecidos 1,66 11,9 1010,10 ± 142,08 29,25 ± 3,3 12,27 ± 1,76 0,245 ± 0,03 Segundo a Tabela 4, a adição de resíduo de madeira à matriz pura ocasiona redução da média da tensão do material na carga máxima, de 25,94 MPa para 23,53 MPa. E este valor de tensão cai drasticamente quando foi adicionado 1 Tecido de 1868

8 fios de juta para 11,06 MPa. No entanto, o aumento de 1 Tecido para 3 Tecidos leva ao aumento da média da tensão na carga máxima para 29,25 MPa, possivelmente devido ao aumento da fração mássica de fios de juta de 3,75% (1 Tecido) para 11,9% (3 Tecidos). A Figura 8 mostra o comparativo dos valores de tensão na carga máxima dos referidos materiais. Aliado aos resultados de tensão na carga máxima, a adição de resíduo de madeira fragilizou o compósito, uma vez que para a matriz pura, o módulo era de 0,829 GPa e passou a ser 0,256 GPa. No entanto, com a piquiarana, obteve maior deformação, da ordem de 9,63%. Na Figura 8, a curva característica de tensão x deformação para material compósito Resina + Resíduo possui maior inclinação e, portanto, maior rigidez, a qual é da ordem de 0,256 GPa. As curvas também demonstram que o compósito Resina + Resíduo + 3 Tecidos possui maior deformação comparado aos demais. Figura 8. Comparativo das tensões médias dos compósitos e curvas de tensão x deformação dos compósitos de poliéster reforçados por 1 Tecido e 3 Tecidos de fios de juta, e com resíduo de piquiarana. Aspectos da fratura Na Figura 9 são apresentados os aspectos da fratura dos corpos de prova dos compósitos poliméricos reforçados por 1 e 3 Tecidos. 1869

9 Figura 9. Aspectos da fratura dos compósitos Resina + 1 Tecido e Resina + 3 Tecidos A Figura 9 indica a fratura no compósito Resina + 1 Tecido, a qual é caracterizada pela fratura dos fios na direção longitudinal ao esforço de tração (setas pretas). No entanto, nota-se delaminação de fio do tecido de juta da direção transversal (seta pontilhada), indicando ineficiência na adesão dos fios com a matriz. Além disso, os fios desta direção, por não contribuírem com a resistência à tração, podem ter atuado como agentes concentrados de tensão, fragilizando o material. Já a Figura 9 indica a fratura no compósito Resina + 3 Tecidos, onde também há a fratura dos fios dos 3 Tecidos de juta na direção longitudinal ao esforço de tração (setas pretas), o que, a partir da boa adesão dos fios com a matriz, elevou a resistência do compósito. Na Figura 10 são mostrados os aspectos da fratura dos corpos de prova dos compósitos poliméricos reforçados por 1 e 3 Tecidos, com acréscimo de resíduo de madeira piquiarana. (c) Figura 10. Aspectos da fratura dos compósitos Resina + Resíduo, Resina + Resíduo + 1 Tecido e (c) Resina + Resíduo + 3 Tecidos. No compósito Resina + Resíduo, mostrado na Figura 10, observa-se boa distribuição do resíduo de madeira piquiarana na matriz poliéster (setas pretas) e 1870

10 devido a alta razão de aspecto do resíduo, tem-se a sua efetividade como reforço, comprovado pela sua resistência mecânica superior a da matriz pura. No compósito de Resina + Resíduo + 1 Tecido, mostrado na Figura 10, ocorre delaminação das fibras transversais ao esforço de tração (setas pretas), contribuindo para a redução do desempenho mecânico do material. Além disso, fraturas frágeis da matriz (seta pontilhada). A Figura 10(c) mostra o aspecto da fratura do compósito Resina + Resíduo + 3 Tecidos, em que é observado fio da direção transversal ao esforço, exposto (setas pretas), indicando falta de adesão com a matriz e mecanismo concentrador de tensão. Há também a presença de trincas (setas pontilhadas) e fratura dos fios da direção longitudinal ao esforço, contribuindo para o aumento da resistência do material. Na Tabela 1 e 2 têm-se os comparativos dos trabalhos de diversos autores, os quais fabricaram material compósito polimérico reforçado por pó de madeira e fibras curtas e ensaiados em conformidade com a norma ASTM D638. Comparando os resultados apresentados no presente trabalho com os da literatura, observa-se que o compósito reforçado com pó de marupá a resistência à tração é 7,43% maior e de quaruba é de 2,20% maior que o compósito reforçado com piquiarana, pode-se observar para este resultado que há coerência com o da literatura, no entanto para o pó de maçaranduba a resistência à tração foi de 36,76% menor que o compósito reforçado com piquiarana e neste caso, observa-se que foi utilizado para maçaranduba uma fração mássica de 521,08% maior ao do compósito reforçado com piquiarana o que pode justificar a queda na resistência à tração. Nota-se que para os casos dos compósitos com reforço de fibras mais resíduos da literatura, observa-se que todos ficaram abaixo do valor encontrado neste trabalho que foi de 29,25 MPa (resíduo de madeira + 3 tecidos). CONCLUSÃO O aumento da fração mássica de fios de juta possibilitou tensão na carga máxima dos compósitos de matriz polimérica reforçados com 3 Tecidos 9,07% superior em relação ao compósito reforçado com 1 Tecido e 16,77% em relação à matriz pura. Além disso, o reforço de 3 Tecidos confere maior rigidez ao compósito; a deformação, porém, é inferior quando comparado ao reforço de 1 Tecido. 1871

11 A adição de resíduo de madeira à matriz pura levou a uma maior deformação do material, mas também não só o fragilizou como ocasionou a redução da média da tensão na carga máxima, em torno de 8,22%. E esta redução foi ainda maior, cerca de 53%, e também levou a maior fragilidade com o reforço deste material por 1 Tecido de fios de juta. No entanto, houve aumento em 24,30% da tensão na carga máxima e da deformação com o reforço de 3 Tecidos, mas permaneceu frágil em comparação ao material com adição de resíduo de píquiarana. Em relação aos aspectos da fratura, verificou-se a ineficiência de adesão entre fios de juta e matriz para os compósitos de baixas médias de tensão na carga máxima e eficiência de ancoragem na interface fios/matriz para os compósitos de altas médias de tensão. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio financeiro da CAPES, CNPq e Pró Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação da Universidade Federal do Pará. REFERÊNCIAS 1. WAMBUA, P.; VANGRIMDE,B.; LOMOV, S.; & VERPOEST, I. The response of natural fibre composites to ballistic by fragment simulating projectiles. Composite structures. 77, , (2007). 2. DITTENBER, D. B.; GANGARAO, H. V. S. Critical Review of Recent Publications on Use of Natural Composites in Infrastructure, Composites: Part A, Appl Sci Manuf, 43, pp , THAKUR, V. K.; THAKUR, M. K.; GUPTA, R. K.; et al. Review: raw natural fiber based polymer composites. Inter J Polym Anal Charact 19: COSTA, D.S; ANTUNES, M.L.P.; EL BANNA, W.R.; MAFRA, M.P.; OLIVEIRA,L.S.; SANTOS, I.F.; FUJIYAMA, R.T.; SOUZA, J.A. Aproveitamento da Lama Vermelha e Fibras Vegetais (sisal e juta) em Compósitos Poliméricos. In: 60 Congresso Brasileiro de Cerâmica, 2016, Água de Lindóia, São Paulo, RODRIGUES, J. da S. Comportamento mecânico de material compósito de matriz poliéster reforçado por sistema híbrido fibras naturais e resíduos da indústria Madeireira. Belém: 2008, 91 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia: Materiais e processos de Fabricação) Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém,

12 6. RIBEIRO, M. M. Comportamento em tração/flexão e aspecto fractográfico de matriz poliéster com pó de aerosil e de madeira com inclusão de fibras curtas de sisal e juta. Belém: 2015, 198 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia: Materiais e processos de Fabricação) Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, ASTM D Standard Test Method for Tensile Properties of Plastic (Metric). Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials. 8. OLIVEIRA FILHO, E. G. Estudo do comportamento mecânico de compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais nas condições in natura e tratadas quimicamente. Belém: 2017, 205 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia: Materiais e processos de Fabricação) Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2017 EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES AND FIBER PROPORTION IN POLYMERIC COMPOSITE REINFORCED BY JUTE FABRIC WITH INCREASE OF WOOD RESIDUE ABSTRACT This work aims at the development in open mold of polymer composites reinforced with continuous yarns aligned of jute fabrics, with addition of loads of wood residues. For this purpose, composites of polymeric matrix reinforced with 1 Tissue and 3 Tissues were fabricated with and without the addition of piquiarana wood residue. The values of jute yarn and wood residue at the polyester matrix and their correlation were determined from a tensile test according to ASTM D638 with the mechanical properties of tensile strength, elongation, deformation and modulus of elasticity. It was also verified that the main mechanisms and aspects of composite failure through microscopic resources. Keywords: Mechanical characterization, hybrid laminates, vegetable fibers, wood residues. 1873