MATERIAIS COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORÇADOS POR FIBRAS DE VIDRO E FIBRAS VEGETAIS (JUTA, ALGODÃO E PALHA-DA- COSTA): PROPRIEDADES EM TRAÇÃO

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1 MATERIAIS COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORÇADOS POR FIBRAS DE VIDRO E FIBRAS VEGETAIS (JUTA, ALGODÃO E PALHA-DA- COSTA): PROPRIEDADES EM TRAÇÃO G. F. Miranda (1) ; I. S. Gomes (1) (1) ; D. S. Silva (1) ; Branco, C. T. N. M; R. T. Fujiyama (1) Universidade Federal do Pará UFPA geisiane.f.v.miranda@gmail.com RESUMO Foram desenvolvidos materiais compósitos de matriz poliéster terefitálica insaturada em monômero de estireno com fibras contínuas e alinhadas de origem vegetal e sintética. As fibras vegetais foram as de juta, palha da costa e algodão. Foram utilizadas fibras de vidro com 200g/m 2. As fibras de algodão foram de barbante 100% retorcido 4/4. As fibras de p.-da-costa foram tratadas com água raz. Os arranjos produzidos foram: algodão/juta/algodão, algodão/vidro/algodão, algodão/palha-da-costa/algodão e vidro/vidro/vidro. As fibras foram alinhadas em tear artesanal para a norma astm d3039. Foi utilizada a relação percentual de resina/iniciador de 0,45 % m/m. Os corpos-de-prova do tipo algodão/vidro/algodão apresentaram o melhor desempenho com 56,57 mpa de limite de resistencia a tração, seguidos pelos do tipo algodão/juta/algodão com 37,73 mpa e algodão/palhada-costa com 23,70 mpa. Os corpos-de-prova do tipo vidro/vidro/vidro obtiveram 331,13 mpa de lrt. Como análise, é possível respaldar o uso de processos manuais de fabricação sem comprometer a obtenção de resultados satisfatórios. Palavra-chave: ensaio mecânico, materiais compósitos, matriz polimérica, fibra sintética, fibras vegetais. INTRODUÇÃO É de grande importância os esforços da comunidade científica no que confere ao desenvolvimento de novos materiais, pois os tipos de materiais aos quais uma sociedade dispõe está intimamente relacionado com seu grau de desenvolvimento científico e tecnológico. Desde as descobertas das primeiras ligas metálicas de 2000

2 bronze, ferro e aço, o homem já desenvolveu outras técnicas de produção de novos materiais a partir da união de dois ou mais materiais diferentes que associam propriedades como resistência à baixa massa específica, seria agora a era dos materiais compósitos (SHACKELFORD, J. F., 2008) 1. Dentro da linha de pesquisa associada aos materiais compósitos, vem crescendo os estudos associados ao uso de fibras vegetais, portanto de fonte renováveis, como uma alternativa ao uso, já consolidado, das fibras sintéticas, tais como as fibras de carbono que são de natureza fóssil. Mesmo com os crescentes esforços para alcançar bons resultados de desempenho no uso de fibras vegetais é inegável a necessidade de desenvolvimento de técnicas que potencialize o uso delas em detrimento das fibras sintéticas. Assim, seria um grande golpe nos setores industriais que utilizam as fibras sintéticas se em busca do desenvolvimento sustentável repentinamente fosse suspendido totalmente o uso das fibras sintéticas sem que novas técnicas de fabricação potencializasse o uso das fibras de origem vegetal. Neste contexto, o presente estudo desenvolveu materiais compósitos híbridos de resina poliéster com fibras unicamente vegetais e/ou sintéticas. A Tabela 1 expõe exemplos de resistência à tração de materiais compósitos poliméricos que utilizam algumas fibras vegetais e sintéticas que foram utilizadas na presente pesquisa. Referências Tabela 1 Resistência à tração de compósitos de matriz poliéster reforçado por fibras vegetais Tipo de Material compósito Fração Mássica (FM%) Resistência a Tração (MPa) (2) Mantas de 50% de incorporação de fibra de vidro e o curauá com 50 mm de comprimento de fibra (fração mássica de fibras de vidro) (3) Híbrido: Tecidos de fibra de juta e vidro 41,10 (4) Poliéster com fibras de algodão contínuas e alinhadas Poliéster com fibras de juta continuas e alinhadas Poliéster com fibras de vidro contínuas e alinhadas 9,82 31,24 8,98 40,25 33,49 176,99 MATERIAIS 2001

3 As fibras utilizadas no presente estudo foram Juta, palha-da-costa e vidro tipo e, sendo que algodão foi utilizado no formato de barbante. A juta (Corchorus capsularis) utilizada no presente estudo foi adquirida no comércio local, conforme a Figura 1. Figura 1 ADAPTADO de Revista Globo Rural e Peroni 5 As fibras de palha da costa (Raphia vinifera) foi utilizada segundo a Figura 2. Figura 2 Palha da Costa As fibras de algodão do gênero Gossypium, presente na indústria têxtil, foram utilizadas no formato de fios de barbante conforme a Figura 3. Figura 3 Fios de Algodão As fibras de vidro utilizadas foram do tipo E com gramatura de 200g/m 2, as quais foram obtidas no formato de tecido, conforme a Figura 4, e posteriormente 2002

4 desfiadas para alinhamento em tear artesanal. Figura 4 Tecido de Fibra de Vidro 6 A matriz utilizada no presente estudo foi a Poliéster Terefitálica Insaturada de nome comercial Arazyn AZ 1.0 #34. Juntamente com a resina poliéster foi utilizado o agente de cura peróxido de metil-etil-cetona (PERMEC D-45). Além dos materiais principais, já descritos anteriormente, foram utilizados materiais secundários que auxiliaram o processo de laminação manual dos materiais fabricados. Os materiais secundários utilizados foram: Película transparente de PVC Tear de madeira Prensa Hidráulica Balança de Precisão MÉTODOS O processo de fabricação seguiu conforme o Fluxograma

5 Inicialmente foram determinadas, segundo a disponibilidade, quais fibras iriam compor os laminados. Em seguida, os arranjos foram estabelecidos em: (AJA); (APA); (AVA) e (VVV), com algodão sendo A, Juta sendo J, Palha-da-Costa sendo P e vidro sendo V. Os arranjos estão expostos na Ilustração 1. Ilustração 1 combinações de fibras Em seguida foi sugerido o tratamento químico das fibras de Palha-da-Costa conforme Almeida L. M., que experimentou o processo de laminação desse tipo de fibra. Ele apresentou como solução ao problema de interação entre fibra/matriz o uso do solvente alifático de marca Veloz Diluente A-RRAZ Aguarrás (µ = 0,774g/m³), um poderoso solvente químico que não contem benzeno para a retirada da película protetora de cera que algumas plantas apresentam em sua superfície. As fibras de Palha-da-Costa foram submergidas em recipiente com o solvente e com o auxílio de gazes cirúrgicas foram atritadas e pressionadas para potencializar a absorção e atuação do agente químico sobre elas. As fibras de Juta, Algodão e Vidro não sofreram nenhum processo de tratamento químico para potencializar sua laminação. Porém, as fibras de Juta, Vidro e Palha da Costa foram devidamente desfiadas de seus tecidos para a obtenção dos fios e posterior alinhamento em tear artesanal de madeira, conforme a Figura 5. Figura 5 Alinhamento das Fibras de Juta 2004

6 Os tecidos resultantes do processo de alinhamento no tear artesanal podem ser visualizados na Figura 6, da esquerda para a direta tem-se fibras de Juta, Algodão, Palha da Costa e Vidro. Figura 6 Tecidos Após Alinhamento Para o processo de laminação, foram utilizados os seguintes valores de resina poliéster e agente de cura, conforme Tabela 1. Tabela 2 Valores Utilizados Placa 1 Algodão + Juta +Algodão Resina 300 g Iniciador 1,34 g Placa 2 Algodão + P. da Costa + Algodão Resina 256g Iniciador 1,13g Placa 3 Algodão + Vidro + Algodão Resina 256g Iniciador 1,13g Placa 4 Vidro + Vidro + Vidro Resina 88g Iniciador 0,4g Os valores de resina foram determinados como valores próximos ao mínimo necessário para envolver com qualidade todo o arranjo dos tecidos. A quantidade equivalente de iniciador foi determinada a partir de testes anteriores que apontaram a correspondência de aproximadamente 0,44% (g/g) de iniciador, para o valor total de resina em massa, como um valor que oferece razoável tempo de trabalho para a laminação antes que a resina alcance o ponto de gel. A Figura 7 mostra a distribuição de resina por cada camada de fibras e película PVC, sobre as quais as placas compostas foram laminadas. 2005

7 Figura 7 Distribuição de Resina Em seguida, foram determinadas as frações mássicas dos materiais compósitos desenvolvidos. A Tabela 3 expõe esses resultados. Tabela 3 Frações mássicas Fm Material compósito Fm (%) VVV 27,44 AJA 26,07 APA 28,51 AVA 30,83 O processo de laminação foi desenvolvido sobre as superfícies planas de placas de madeira revertida por películas transparentes de PVC. Após o processo de laminação, obedecendo os arranjos citados, os laminados foram submetidos a pressão com o auxílio dessas placas de madeira, conforme Figura 8. Figura 8 Bases de madeira para laminação Em seguida, os laminados foram submetidos à prensa hidráulica. O equipamento foi especificado para 0,5ton. O desmolde dos materiais foi realizado após 24h. A Figura 9 mostra o equipamento utilizado e o resultado do processo após o período estimado. 2006

8 Figura 9 Prensa hidráulica e laminas desmoldadas CORPOS DE PROVA Os laminados foram devidamente dimensionados conforme as especificações previstas na norma ASTM D 3039, conforme a Figura 10, para os ensaios mecânicos uniaxiais de tração. Figura 10 Especificações da norma ASTM D 3039 Após a adequação especificada, os corpos de prova foram selecionados e preparados para o ensaio mecânico de tração. Fez-se uso de Tab s feitos de madeira Duratex para fixar as extremidades dos corpos-de-prova na máquina de ensaio e prevenir deslizamento nas regiões de garra. Os ensaios foram desenvolvidos em máquina universal de ensaios mecânicos KRATOS, com velocidade de deslocamento em 2 mm/min. RESULTADOS Fora desenvolvido ensaio uniaxial de tração nos corpos de prova das três espécies de compósitos, cujos resultados se baseiam na média referente a quatro amostras das respectivas configurações: AVA, AJA, APA. Resultado de AVA e corpo de prova fraturado Algodão + Vidro + Algodão Força Máxima (N) LRT (MPa) Módulo de Elasticidade (MPa) 2007

9 Média 4830,1 56,57 853,06 Desvio Padrão 204,66 3,29 89,07 Figura 11 Algodão + Vidro + Algodão Resultado de AJA e corpo de prova fraturado Algodão + Juta + Algodão Força Máxima (N) LRT (MPa) Módulo de Elasticidade. (MPa) Média 3661,37 37,73 648,92 Desvio Padrão 53,74 0,7 60,43 Figura 12 Algodão + Juta + Algodão Resultado de APA e corpo de prova fraturado Algodão + P. da Costa + Algodão Força Máxima (N) LRT (MPa) Módulo de Elasticidade. (MPa) Média 1812,30 23,70 468,98 Desvio Padrão 62,69 0,72 32,09 Figura 13 Algodão + P. da Costa + Algodão Almeida L. M., 2018 desenvolveu materiais compósitos tri camadas de fibras vegetais e/ou fibras de vidro. A resistência a tração dos laminados de fibras de vidro, Vidro/Vidro/Vidro (VVV), é exposta na Tabela 4. Tabela 4 Resistência da lamina VVV de Almeida, L. M Vidro + Vidro + Vidro Força Máxima LRT (MPa) Módulo de Elasticidade. (GPa) (KN) Média 5,7±0,91 331,13±53,57 6,95±1,29 O presente trabalho utilizou o laminado VVV de Almeida, L. M., 2018 como 2008

10 parâmetro de comparação dos resultados obtidos nos materiais compósitos tri camadas de fibras vegetais e fibras sintéticas de vidro tipo E. CONCLUSÕES Mesmo as amostras que romperam nas regiões de garra apresentaram Limite de Resistência a Tração próximo aos limites das amostras que romperam no comprimento útil. Os resultados de LRT s apresentaram baixo desvio padrão para as três configurações de AVA, APA e AJA. O baixo desvio padrão indica que a distribuição das fibras dentro da matriz poliéster foi aproximadamente uniforme e que o reforço foi alcançado. As amostras com fibras de Juta (AJA) apresentaram desempenho superior em relação aos corpos de prova com as fibras da Palha da Costa (APA). As amostras com fibras de vidro (AVA) apresentaram resultado superior em relação aos corpos de prova compostos exclusivamente por fibras de origem vegetal. Este resultado era esperado devido à grande resistência a tração das fibras sintéticas. As amostras apresentaram pequenas variações dimensionais apesar do processo de fabricação manual. Porém essas variações dimensionais não sortiram em grandes variações no desempenho entre dessas amostras. Como análise geral, o processo de fabricação manual foi satisfatório para as três configurações experimentadas. A baixa variação de resistência entre as amostras de cada combinação respalda a laminação manual como um processo de fabricação que permiti a obtenção de resultados satisfatórios mesmo com um processo simplificado como esse. REFERÊNCIAS (1) SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. Pearson: Engenharia Edition,

11 (2) SILVA, H. S. P da. Desenvolvimento de compósitos poliméricos com fibras de curauá e híbridos com fibras de vidro. Porto Alegre: 2010, 72f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Departamento de Materiais da Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, (3) FONTE, R. S., Compósito Polimérico Híbrido: Comportamento mecânico, Descontinuidade Geométrica e Resistência Residual; Dissertação de Mestrado, Mestrado em Engenharia Mecânica - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, PP. 81, (4) NASCIMENTO, G. M., Materiais Compósitos de Matriz Poliéster e Fibras Contínuas e Alinhadas Utilizando Fibras Naturais e Sintéticas. Relatório Final de iniciação científica do Programa Institucional de Bolsas de iniciação científica PIBIC/CNPq Universidade Federal do Pará, 2017, 15p. (5) ADAPTADO; PERONI, acessado em agosto de 2017; Disponível em: Site Globo Rural, acessado em julho de 2017; Disponível em: PRODUCAO+DE+JUTA+E+MALVA+ENVOLVE+MIL+FAMILIAS+NO+NORTE+DO+ PAIS.html (6) SERCEL, acessado em agosto de 2017; Disponível em: (7) ALMEIDA, L. M. Compósitos Híbridos com Fibras Naturais e Sintéticas Contínuas e Alinhadas. 2018, 78p. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica - Materiais) Instituto de Tecnologia, ITEC-UFPA/PA, Belém. COMPOSITE MATERIALS OF POLYESTER MATRIX REINFORCED BY GLASS FIBERS AND VEGETABLE FIBERS (JUTE, COTTON AND STRAW): PROPERTIES IN DRAIN ABSTRACT Composite materials were developed from matrix terefitálica polyester with styrene monomer with continuous and aligned fibers of vegetal and synthetic origin. The vegetable fibers were those of jute, straw of the coast and cotton. 200g / m2 glass fibers were used. The cotton fibers were of string 100% twisted.4/4. The straw of the coast fibers were treated with Aguarrás. The arrangements produced were: cotton / 2010

12 jute / cotton, cotton / glass / cotton, cotton / straw of the coast / cotton and glass / glass / glass. the fibers were aligned in artisan loom to ASTM D The percentage relation of resin / initiator was 0.45% m / m. The specimens of the cotton / glass / cotton type presented the best performance with MPa of tensile strength limit, followed by those of the cotton / jute / cotton type with MPa and cotton / straw-of-the-coast with mpa. glass / glass / glass specimens obtained MPa of lrt. Keywords: mechanical testing, composite materials, polymer matrix, synthetic fiber, vegetable fibers. 2011