COMPORTAMENTO MECÂNICO DE COMPÓSITOS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDADE COM RESÍDUOS DE FIBRAS DE PIAÇAVA DA ESPÉCIE ATTALEA FUNIFERA MART

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1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE COMPÓSITOS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDADE COM RESÍDUOS DE FIBRAS DE PIAÇAVA DA ESPÉCIE ATTALEA FUNIFERA MART Sara P. Agrela 1*, Danilo H. Guimarães 1, Marina A.O. Medeiros 1, Ricardo F. Carvalho 2, Nadia M. José 1 1* Universidade Federal da Bahia - UFBA, Instituto de Química, Grupo de Energia e Ciências dos Materiais, GECIM Rua Barão de Geremoabo, s/n, Ondina, Salvador-BA saraagrela@hotmail.com 2 Universidade Federal da Bahia - UFBA, Escola Politécnica, Mestrado em Engenharia Ambiental Urbana. Rua Prof. Aristides Novis, 2. Federação, Salvador-BA *saraagrela@hotmail.com Nos últimos anos, o interesse pelo uso de fibras naturais em materiais compósitos poliméricos tem aumentado significativamente devido às suas vantagens ambientais e tecnológicas. No presente trabalho foram avaliadas as propriedades mecânicas de compósitos de polietileno de alta densidade (PEAD) e resíduos de fibras de piaçava do sul do estado da Bahia Attalea funifera Mart (in natura) em diferentes proporções (5, 10 e 20% de resíduos de fibra). O trabalho tem como objetivo a obtenção de compósitos a fim de atender as exigências do mercado como materiais alternativos, visando à fabricação de placas de baixo custo para estruturas sob pequeno esforço. O desempenho mecânico dos materiais foi investigado por ensaios de tração e impacto. Palavras-chave: Compósitos, piaçava, ensaios de tração, desempenho mecânico. MECHANICAL BEHAVIOR OF COMPOSITES OF HIGH DENSITY POLYETHYLENE WITH STAPLE FIBER RESIDUES OF PIASSAVA OF SPECIES ATTALEA FUNIFERA MART In recent years, the interest in the use of natural fibers in polymeric composite materials has increased significantly because of their unique environmental and technological advantages. In the present work (HDPE) had been evaluated the mechanical properties of composites of polyethylene of high density and staple fiber residues of piassava of the south of the state of the Bahia Attalea funifera Mart (in natura) in different ratios (5, 10 and 20% of fiber residues). The work has as objective the attainment of composites in order to take care of the alternative requirements of the market as material, aiming at to the manufacture of plates of low cost for structures under small effort. The mechanical performance of the materials was investigated by tensile and impact tests. Keywords: Composites, piassava, tensile test, mechanical performance, high density polyethylene. Introdução O uso de matérias-primas de fontes renováveis vem sendo objeto de muitos estudos e pesquisas recentes, devido ao seu potencial na substituição de derivados petroquímicos. Por serem materiais ecologicamente corretos compósitos com fibras vegetais tem-se mostrado uma alternativa viável em muitas aplicações na substituição de polímeros reforçados com fibra de vidro e outras cargas. Um fator importante que favorece o emprego de fibras vegetais como insumos renováveis é o crescente significado que vem assumindo a perspectiva de economia de energia por meio da redução de peso dos componentes, bem como os aspectos ligados à recuperação das matérias-primas e reaproveitamento de materiais no final do ciclo de vida do produto [1].

2 Termoplásticos como polietileno e polipropileno vêm sendo usados como matrizes de compósitos reforçados com fibras naturais, entretanto muito pouco tem sido relatado sobre o uso de piaçava como reforço em compósitos. A caracterização das propriedades termo-mecânicas desses compósitos é fundamental para indicação de sua utilização. Fatores como fração volumétrica, tamanho, distribuição e orientação das fibras, adesão fibra-matriz e composição química afetam essas propriedades. A disposição pós-uso de resíduos de fibras sintéticas e materiais poliméricos reforçados com fibras em aterros dos pólos têxteis têm acarretado problemas ao meio ambiente. Uma alternativa que tem sido proposta para minimizar o problema é o desenvolvimento de materiais obtidos a partir de fontes renováveis, tais como compósitos formados de fibras naturais [2]. A utilização de fibras naturais como reforço em polímeros termoplásticos tem sido estimulada também devido ao elevado custo ambiental de se produzir fibras sintéticas, que possuem maior conteúdo energético devido ao processo de fabricação [3], tais como vidro, carbono e Kevlar [4], além de considerar aspectos relacionados à biodegradação [5]. Já foram relatados na literatura compósitos reforçados com fibra de madeira com propriedades específicas similares aos compósitos de polipropileno com fibra de vidro [6,7]. As propriedades mecânicas dos compósitos dependem de diversos fatores, tais como o tipo, volume, orientação, dispersão da fibra curta na matriz polimérica, bem como a afinidade química entre a fibra e a matriz. No presente trabalho foram avaliadas as propriedades mecânicas (tração e impacto) dos compósitos de polietileno de alta densidade (PEAD) e fibras de piaçava do Sul do estado da Bahia Attalea funifera Mart (in natura), com diferentes proporções (5, 10 e 20% de reforço). Parte Experimental Fibras de piaçava do tipo Attalea funifera Mart, de ocorrência nativa do sul do estado da Bahia, foram obtidas como rejeito industrial de uma fábrica de vassouras localizada na cidade de Ilhéus. Estas fibras encontravam-se em estado natural com quantidade relativamente alta de umidade. Compósitos utilizando as fibras de piaçava, após serem lavadas e secas em estufa a vácuo, durante 48 horas, em quantidade de 5, 10 e 20% em fração volumétrica foram preparados com matriz polietileno de alta densidade. Placas dos compósitos foram fabricadas em molde de aço com 150 x 150 mm e espessura de 3 mm para os ensaios de tração e 150 x 150 mm e espessura de 5 mm e em seguida foram então cortadas e serviram como base para a confecção de corpos de prova de ensaios de tração e impacto, segundo a norma ASTM D638 e ASTM D256, respectivamente.

3 A figura 1 representa a moldagem e estampagem dos corpos de prova dos compósitos para os ensaios de tração. Figura 1 Fotografia da moldagem e estampagem dos corpos de prova dos compósitos. A figura 2 ilustra os ensaios de tração nas amostras. Figura 2 Ensaio mecânico de tração. Resultados e Discussão Tabela 1 - Resultados obtidos no ensaio de tração MATERIAIS ε t (%) σ t (MPa) PEAD PURO 10,91 ± 0,87 25,37 ± 1,09 PEAD/5% Borra in natura 2,04 ± 1,39 12,02 ± 1,96 PEAD/10% Borra in natura 0,27 ± 0,26 13,97 ± 4,72 PEAD/20% Borra in natura 0,49 ± -----* 7,62 ± 6,43 *Para essa amostra foi realizada apenas uma medida.

4 Analisando a tabela 1, é possível observar que os compósitos reforçados com resíduos de fibras de piaçava apresentaram resultados inferiores em relação ao polietileno de alta densidade puro. Assim, pode-se afirmar que a adição de resíduos de fibras de piaçava in natura à matriz polimérica, utilizando o método de mistura física, não teve efeito positivo sobre a resistência à tração. A figura 3 ilustra as fotos dos compósitos. Figura 3 Fotos dos compósitos. Para a confecção do entalhe com 10,16 mm de profundidade e ângulo de 45º exigidos pela norma, Figura 4, utilizou-se um entalhador manual da marca CEAST modelo Os corpos de prova foram ensaiados em um pendulo instrumentado, em configuração Izod, conforme ASTM D256. A energia de impacto foi de 2.0 J, para cada grupo de 6 corpos de prova associado às diferentes quantidades de fibras de piaçava nos compósitos. A figura 4 apresenta uma foto do aspecto dos corpos de prova, com diferentes frações em volume de piaçava, após terem sido rompidos por impacto Izod. 20% 10% 5% PEAD PURO Figura 4 Aspecto dos corpos de prova rompidos por impacto Izod. A figura 5 apresenta a curva de variação da energia de impacto Izod com a quantidade de resíduo de fibra de piaçava no compósito. Pode-se observar que a incorporação de fibra de piaçava à 5% de carga na matriz de polietileno de alta densidade aumenta consideravelmente a tenacidade ao

5 entalhe do compósito, medida pela energia de impacto Izod. Este resultado, de um modo geral, já era esperado, uma vez que o reforço de fibras, tanto sintéticas [8] quanto naturais [9], reconhecidamente aumenta a energia de impacto de compósitos com matriz polimérica. O que surpreende nos valores obtidos para energia de impacto Izod na figura 5 são os níveis relativamente baixos para frações de resíduos de fibras de piaçava acima de 5%. Por exemplo, os níveis de 52,7 ± 8,1 J/m, 48,1 ± 11,0 J/m obtidos para os compósitos com 10% e 20% em volume de fibra de piaçava em matriz de PEAD, respectivamente, é inferior aos níveis de energia de impacto Izod mencionados para compósitos com 5% Energia de Impacto Izod (J/m) Fração de Fibras de Piaçava (%) Figura 5 Energia de impacto Izod em função da fração em volume de fibras de piaçava. piaçava. Tabela 2 Resultados da determinação das densidades aparentes do PEAD PURO e dos compósitos com diferentes frações em volume de Tipo da amostra Densidade (g/ml) PEAD PURO 0,89 PEAD/5% Borra (in natura) 0,81 PEAD/10% Borra (in natura) 0,85 PEAD/20% Borra (in natura) 0,91 A figura 6 ilustra os picnômetros utilizados na determinação das massas específicas do PEAD e compósitos de piaçava. Figura 6 Picnômetros

6 A picnometria é uma técnica laboratorial utilizada para fazer a determinação da massa específica e da densidade de líquidos e também utilizada para determinar a massa específica e a densidade de sólidos, devendo antes ser dissolvido. O picnômetro é uma vidraria especial que possui baixo coeficiente de dilatação. A substância padrão é a água, à temperatura ambiente (25ºC). Conclusões Compósitos de matriz polietileno de alta densidade reforçada com resíduos de fibras de piaçava apresentam um aumento na densidade aparente, medida pela picnometria, quanto maior for a fração incorporada. Esse aumento é devido à massa específica da borra apresentar um valor maior comparado à densidade do polietileno. Observou-se também que a quantidade de reforço na matriz, influenciou diretamente sobre as propriedades mecânicas dos compósitos, reduzindo a resistência à tração e, aumentando a energia absorvida no ensaio de impacto. A borra ou resíduo da fibra de piaçava é uma fibra de origem diferente da fibra de piaçava usual apresentando-se mais flexível e, portanto pode-se sugerir como estudos futuros estabelecer as diferenças de constituição e comportamento dessas fibras em relação às fibras usuais. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio financeiro do CNPq e à contribuição de Juscelino Bernardes Leal Comércio de Piaçava pelo fornecimento das fibras e borras de piaçava e ao Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia, UFBA. Referências Bibliográficas 1. P.A. Santos, M.A.S. Spinacé, M.A. Fermoselli, Efeito da forma de processamento e do tratamento da fibra de curauá nas propriedades de compósitos com poliamida-6, 2009, v.19, 1, C.M.C. Bonelli &. E.B. Mano Revista Gerenciamento Ambiental, 2001, São Paulo, SP, 3, A.L. Leão, F.X. Carvalho, E. Frollin, São Paulo, Brasil: USP & UNESP. 4. J.R.M. D Almeida, S.N. Monteiro, Compósitos Reforçados por Fibras Naturais Oportunidades e Desafios, Rio de Janeiro, Brasil, 2003, R.C.M.P. Aquino, J.R.M. D Almeida, S.N. Monteiro, Flexural Mechanical Porperties of Piassava Fibers (Attalea funifera)-resin Matrix Composites, 2001, 20,

7 6. J.R.V. Melo, J. Souza, J. S. Nakagawa, L.A.M., E.S. Mori, Perspectiva da produção de sementes de piaçava (Attalea funifera Mart.) em áreas litorâneas do estado da Bahia in Anais do 6 Congresso e Exposição Internacional sobre florestas, Porto Seguro, 2000, R.C.M.P. Aquino, S.N. Monteiro, J.R.M. D Almeida, Evaluation of the Critical Fiber Length of Piassava (Attalea funifera) Fibers using the Pullout Test, 2003, 22, S.Y. Fu, B. Lauke, E. Mader, X. Hu,, C.Y. Yue, J Mater Process Tech, 1999, 89/90, A.L. Leão, J.C. Caraschi, I.H. Tan, Natural Polymers and Agrofibers Composites, São Paulo, Brasil, 2000,