ANÁLISE DOS COMPRIMENTOS E FRAÇÕES DE FIBRAS CURTAS (SISAL E JUTA) EM COMPÓSITOS POLIÉSTER

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1 ANÁLISE DOS COMPRIMENTOS E FRAÇÕES DE FIBRAS CURTAS (SISAL E JUTA) EM COMPÓSITOS POLIÉSTER E. C. do Rosário 1 ; L. F. Alencar Brandão 1 ; L. S. Nascimento 2 ; J. S. Souza 3 ; A. P. Pinheiro 3 ; D. S Costa 1 ; Universidade Federal do Pará, FEMat, Ananindeua, Pará 1 Instituto Federal do Pará, Belém, Pará. 2 Universidade Federal do Pará, FEQ, Belém, Pará 3. Av. Tiradentes, 24 - Ananindeua-Pa. CEP: ; evandrofanpame@gmail.com RESUMO Este trabalho envolve a produção de compósitos de resina poliéster isoftálica insaturada com adição de fibras de juta e sisal com dimensões de 15 e 30 mm dispostas de forma aleatórias com concentrações em massa de 0 %, 1 %, 3 % e 5 %, utilizou-se o método de fabricação hand lay-up com as proporções de 1 % do catalisador e 1,5 % de acelerador, ambos em volume. As caracterizações dos compósitos foram através de ensaios de tração (ASTM D3039), flexão (ASTM D790), as caracterizações físicas de Porosidade Aparente (PA), Absorção de Água (AA) e Massa Específica Aparente (MEA) de acordo com NBR Como resultados, metade dos compósitos fabricados com fibras como reforço apresentaram resistência mecânica a tração superior com relação a matriz plena, enquanto que na resistência à flexão houve uma diminuição. Em relação as análises físicas observaram-se que o aumento da proporção das fibras nos compósitos, provocou um aumento nas propriedades físicas dos compósitos, assim como o aumento do tamanho da fibra ocasionou um aumento em suas propriedades. Palavras chaves: Materiais, Compósitos Poliméricos, Fibras Naturais, Propriedades. 2292

2 INTRODUÇÃO A concorrência da tecnologia entre as nações é criar um melhor padrão de vida em benefício da humanidade. Os materiais desempenham um papel importante no avanço da vida humana. Os materiais utilizados no desenvolvimento de produtos dependem da disponibilidade, desempenho e custo. Os materiais compósitos substituíram muitos materiais convencionais, como metais, cerâmicas, madeiras e polímeros devido às vantagens que eles oferecem, como força e rigidez específicas. Hoje em dia, o uso de materiais compósitos em nossas vidas tornou-se muito comum e estes são encontrados em nossos móveis, transportes, educação, esporte e lazer, e sistema de construção e infraestrutura (1). Na busca pela sustentabilidade, várias pesquisas e trabalhos na área de materiais poliméricos e compósitos foram, e estão sendo realizados para garantir a preservação ambiental e proporcionar um melhor padrão de vida à sociedade. Dentre as pesquisas nesta área, as que buscam a aplicação de recursos naturais vêm crescendo, podendo-se destacar o uso de fibras naturais (3). A incorporação de fibras naturais na matriz polimérica dos compósitos está associada à melhoria de suas propriedades devido a vantagens como o fato das fibras serem biodegradáveis e menos abrasivas, quando comparadas às fibras sintéticas. As fibras podem sofrer modificações químicas para aumentar a interação matriz-fibra, melhorando a adesão entre a fibra natural e a matriz polimérica (4). A partir do exposto o objetivo desta pesquisa é avaliar o desempenho de compósito com matriz poliéster com adição de fibras de juta e sisal em tamanhos de 15 e 30 mm. As fibras serão incorporadas de forma aleatória, nas frações de 1, 3 e 5 % METODOLOGIA MATERIAIS Para a fabricação dos compósitos foram utilizadas fibras de juta e sisal; resina poliéster isoftálica insaturada; acelerador de cobalto e iniciador MEK-P, utilizando-se o método denominado hand lay up. 2293

3 MÉTODOS As fibras foram cortadas em forma de fios com tamanho de 15 e 30 mm cada e secas em estufa com temperatura de 100 C durante 20 min. As etapas de fabricação dos compósitos estão exemplificadas na Figura 1. Figura 1 - Fluxograma das etapas de fabricação dos compósitos. O processo de produção dos compósitos foi iniciado com a fabricação da matriz polimérica. Uma balança de precisão foi utilizada para calcular a quantidade de massa da resina e as proporções de catalisador e cobalto necessárias para adicionar na resina. A matriz foi despejada e espalhada sobre o as fibras randômicas com uma espátula, e em seguida colocada na prensa hidráulica a 2,5 ton. Os compósitos permaneceram por 20 minutos prensado e posteriormente permaneceram em repouso por um período de 24 h para o processo de cura final. ENSAIOS Os corpos de prova para ensaio de tração seguiram a norma ASTM D 3039 (5) e os de flexão a ASTM D790 (6) e foram realizados em uma máquina modelo KE 2000 MP da marca KRATOS (tração) e EMIC modelo DL 500 (flexão), sendo utilizada célula de carga de 5 kn e velocidade de ensaio de 2 mm/min. 2294

4 A partir dos corpos de provas de tração foram fabricados os corpos de prova para os ensaios físicos, tais como absorção, porosidade aparente e massa especifica aparente, seguindo a norma NBR (7). RESULTADOS Os compósitos confeccionados tiveram bom aspecto e poucas falhas visíveis, tornando-os viáveis para serem ensaios conforme normas descritas anteriormente, porém os compósitos com 5 % de fibra de sisal apresentaram falhas visíveis a olho nu como macro porosidades, porém após várias tentativas foram obtidos os compósitos com poucas falhas. Os corpos de prova do ensaio de resistência à tração confeccionados saíram com bom aspecto e visualmente sem falhas, como espaços vazios, trincas, entre outros. Alguns corpos de provas após sofrerem a fratura ainda estavam ligados pelas fibras, isso ocorreu principalmente em compósitos de sisal de 30 mm. Os dados referentes a resistência a tração máximas estão mostrados na Tabela 1. Tabela 1 Resistência a tração máxima dos compósitos (MPa). 9,80 (± 1,0600) J15-11,62 (±2,1675) 11,34 (±2,1331) 9,53 (±1,2426) J30-7,82 (±2,4271) 8,96 (±1,5577) 9,86 (±2,2181) S15-11,04 (±2,1774) 10,97 (±1,0169) 12,14 (±1,4946) S30-10,87 (±0,6568) 8,67 (±0,9784) 9,31 (±1,8352) O resultado do ensaio de tração indica houve variação na tensão de ruptura ao qual foi influenciado tanto na porcentagem quanto no comprimento da fibra, porém nota-se que essas variações ocorrem em pequena escala, com variações médias de 2 MPa. Em relação aos compósitos com fibra de juta somente os compósitos com fibras de 15 mm com proporção 1 e 3 % vieram a atuar como reforço. Verifica-se que com o aumento da proporção da fibra, a resistência aumenta para as fibras de 30 mm, enquanto diminuiu para as de 15 mm. 2295

5 Verifica-se que os compósitos com fibra de sisal com fibras de 15 mm obtiveram melhores resultados em relação aos com 30 mm, também se verifica um aumento na resistência para os compósitos com fibras de 15 mm com o aumento da proporção das fibras, enquanto para os compósitos com fibras de 30 mm observa-se o fenômeno contrário. Várias variáveis podem levar a estes resultados de baixa resistência, tais como baixa interações entre matriz-fibra, degradação das fibras devido a meios alcalinos ou ácidos, a não disposição da fibra na direção do carregamento da força, criação de vazios e bolhas, o elevado número de pontas das fibras dentro do material que causa áreas de ruptura e assim diminuindo a força necessária para romper o material, má distribuição das fibras no molde, trincas no corpo de prova durante o processo de corte, dentre outras variáveis. Assim como na resistência à tração os corpos de provas que sofreram o ensaio de flexão, não apresentaram falhas, como espaços vazios, trinca além de que os corpos de provas de sisal e de juta permaneceram unidos pelas fibras após o rompimento. Os dados do ensaio a flexão podem ser vistos na Tabela 2. Tabela 2 Resistência máxima a flexão dos compósitos (MPa). 63,05 (± 9,0600) J15-58,35 (± 0,0120) 43,81 (± 0,0070) 40,19 (± 0,0071) J30-63,91 (± 0,0166) 50,80 (± 0,0155) 40,23 (± 0,0287) S15-40,27 (± 0,0149) 33,76 (± 0,0096) 31,65 (± 0,0029) S30-55,55 (± 0,0115) 36,19 (± 0,0151) 46,58 (± 0,0136) Com relação a resistência a flexão percebe-se que apenas um compósito agiu como reforço o com 1 % de fibra de juta de 30 mm. Verifica-se uma tendência a diminuição da resistência para os compósitos com fibra de juta e compósitos com fibras de sisal com o aumento da proporção das fibras. Percebe-se também que os compósitos com fibras de 30 mm obtiveram as maiores resistências em relação aos de 15 mm. A massa específica é uma propriedade fundamental na definição da aplicação para uso tecnológico e os dados coletados podem ser visualizados através da Tabela 2296

6 3, ao qual uma previa analise nos informa sua baixa margem de erro, o que torna mais confiável seus dados. Tabela 3 Massa específica aparente dos compósitos (g/cm 3 ). 1,00 (± 0,0005) J15-1,20 (± 0,0010) 1,20 (± 0,0011) 1,20 (± 0,0019) J30-1,20 (± 0,0003) 1,20 (± 0,0005) 1,20 (± 0,0016) S15-1,00 (± 0,0005) 1,00 (± 0,0019) 1,00 (± 0,0019) S30-1,00 (± 0,0004) 1,00 (± 0,0040) 1,00 (± 0,0006) Os resultados da massa especifica aparente mostra que não houve influência em relação aos comprimentos das fibras, assim como também não houve influência em relação ao aumento da proporção de fibras nos compósitos. Os compósitos com fibra de juta obtiveram um aumento de 20 % na massa específica em relação a matriz plena, enquanto que os compósitos com fibra de sisal não apresentaram variações sensíveis. A presença de poros em um material é uma característica que, em princípio, pode parecer irrelevante ou até mesmo dispensável. No entanto, isso não é verdade. Os poros podem trazer tantas vantagens quanto desvantagens ao material onde eles existem. A presença não controlada de poros pode gerar tensões estruturais que levam à formação de trincas no corpo em análise. Os dados referentes a porosidade aparente estão representados pela Tabela 4. Tabela 4 Porosidade aparente dos compósitos (%). 0,41 (± 0,2062) J15-0,70 (± 0,0471) 0,82 (± 0,1061) 1,09 (± 0,1371) J30-0,72 (± 0,0258) 0,96 (± 0,0648) 1,31 (± 0,1137) S15-0,59 (± 0,0576) 1,06 (± 0,1604) 1,40 (± 0,2616) S30-0,66 (± 0,0481) 1,06 (± 0,3188) 1,16 (± 0,1411) 2297

7 Observa-se que a porosidade dos compósitos aumentou conforme aumenta-se a proporção das fibras, o que foi observado durante a fabricação dos compósitos, podendo observar pequenas vazios em suas superfícies. Para os compósitos com fibra de juta observam-se que as os com fibras de 30 mm são mais porosos em relação aos de 15 mm. Os compósitos com fibra de sisal apresentaram as maiores porosidades em relação aos compósitos com juta. A Tabela 5 apresenta os dados referentes a absorção de água dos compósitos, assim como da matriz plena. Tabela 5 Absorção de água dos compósitos (%). 0,41 (± 0,0311) J15-0,58 (± 0,0396) 0,68 (± 0,0882) 0,90 (± 0,1144) J30-0,60 (± 0,0214) 0,80 (± 0,0541) 1,09 (± 0,0950) S15-0,49 (± 0,0481) 0,88 (± 0,1353) 1,17 (± 0,2204) S30-0,55 (± 0,0399) 0,89 (± 0,2699) 0,96 (± 0,1180) Assim como a porosidade aparente a absorção de água dos compósitos aumenta com o aumento da proporção da fibra, o que está estritamente ligado a porosidade. Observa-se que os compósitos obtiveram variação sensível na absorção de água em relação a matriz plena, fator esse que está intimamente ligado a porosidade dos materiais. Os compósitos com fibra de juta apresentaram uma tendência a possuir uma absorção de água maior para aqueles que possuem fibras de 30 mm em relação aos compósitos com fibras de 15 mm. Também nota-se que há uma tendência ao aumento da absorção dos compósitos com o aumento das proporções das fibras, isso pode ser atribuído a pequenos defeitos como macroporidades verificados após o processo de fabricação para os compósitos com maiores teores de fibras. 2298

8 CONCLUSÕES Foi possível confeccionar os compósitos utilizando-se as variações de fração mássica de 0 %, 1 %, 3 % e 5 % de fibra. Dentre os compósitos confeccionados o de sisal de 30 mm e 1 % de fibra foi o que obteve melhor resultado de resistência à tração com um aumento de 23,88 % em relação a matriz plena, enquanto que o menor resultado ficou para o compósito com fibra de juta com comprimento de 30 mm que teve uma diminuição de 20,20 % na resistência em relação a matriz plena. Para a resistência à flexão, as fibras não agiram como reforço, sendo que alguns compósitos suas resistências diminuíram em comparação a matriz plena. O aumento da proporção das fibras nos compósitos não provocou alterações na massa específica aparente dos compósitos, enquanto que as fibras de sisal e juta provocaram um aumento de 20 % na massa específica em relação ao de matriz plena. Observou-se que o aumento da proporção da fibra, assim como o aumento do comprimento da fibra ocasionaram um aumento tanto na porosidade aparente, quanto na absorção de água. Fato este que foi mais sensível para os compósitos com fibra de sisal. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Universidade Federal do Pará, ao Laboratório de Engenharia de Engenharia Química por cederem os espaços e equipamentos necessários para a pesquisa e ao Programa de Instrucional de Iniciação Científica (PIBIC) pelo apoio financeiro propiciado durante o desenvolvimento da pesquisa. REFERÊNCIAS 1. SAPUAN, S. M. Composites Materials: Concurrent Engineering Approach. Editora: Butterworth-Heinemann, FERRANTE, M. Seleção de Materiais. 3 a ed. São Carlos: UdUFScar, SILVA, Rafael et al. Aplicações de fibras lignocelulósicas na química de polímeros e em compósitos. Quím. Nova, São Paulo, v. 32, n. 3, p ,

9 4. LEITE, M. C. A. M. et al. Avaliação da biodegradação de compósitos de poli(εcaprolactona)/fibra de coco verde. Polímeros, São Carlos, v. 20, n. 5, p , AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. D3039/D3039: Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials. USA, AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. D790: Standard Test Methods: Flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. USA, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12766: rochas para revestimento - determinação da massa específica aparente, porosidade aparente e absorção d água aparente. Rio de Janeiro, ANALYSIS OF LENGTHS AND FRACTIONS OF SHORT FIBERS (SISAL AND JUTE) IN POLYESTER COMPOSITES ABSTRATC This work involves the production of composites of unsaturated isophthalic polyester resin with addition of jute and sisal fibers with sizes of 15 and 30 mm arranged randomly with mass concentrations of 0%, 1%, 3% and 5% the manual lay-up method was used with the proportions of 1% of the catalyst and 1.5% of the accelerator, both in volume. The composite characterization was performed by tensile tests (ASTM D3039), flexural (ASTM D790), physical characterization of Apparent Porosity (AP), Water Absorption (WA) and Apparent Specific Mass (ASM) according to NBR As results, half of the composites made with fibers as reinforcement showed superior tensile strength in relation to the full matrix, whereas in the flexural strength there was a decrease. In relation to the physical analysis, it was observed that the increase of the proportion of the fibers in the composites, caused an increase in the physical properties of the composites, as well as the increase of the fiber size caused an increase in its properties. Key-words: Materials, Polymer Composites, Natural Fibers, Properties 2300