INFLUÊNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA DE SISAL E DO SEU TRATAMENTO QUÍMICO NAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS COM POLIÉSTER. Alegre/RS.

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1 INFLUÊNCIA DO COMPRIMENTO DA FIBRA DE SISAL E DO SEU TRATAMENTO QUÍMICO NAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS COM POLIÉSTER C.A. Angrizani 1, C.A.B. Vieira 2 ; A.J. Zattera 2 ; E. Freire 2 ; R.M.C. Santana 1 ; S. C. Amico* 1 1 LAPOL/PPGEM/Escola de Engenharia/UFRGS, C.P , CEP: , Porto Alegre/RS. *amico@ufrgs.br 2 LPOL/Centro de Ciências Exatas e Tecnologia/UCS RESUMO Nos últimos anos, observa-se um aumento de estudos que focam na substituição de fibras sintéticas por naturais em compósitos poliméricos. O objetivo deste trabalho é o estudo da influência do preparo das fibras, pela imersão em água destilada ou tratamento químico em solução de hidróxido de sódio, e do seu o comprimento, 1, 3 ou 5 cm, nas propriedades físicas e mecânicas de compósitos sisal/poliéster isoftálica moldados por compressão a quente. Os compósitos produzidos, contendo uma fração mássica de 28% em fibras, foram caracterizados em suas propriedades físicas (massa específica, teor de vazios e absorção de água) e mecânicas (tração, flexão e impacto IZOD). Um melhor desempenho geral nas propriedades foi obtido para os compósitos com fibras de 5 cm de comprimento, porém estes compósitos mostraram desvios maiores provavelmente devido à dificuldade de distribuição e homogeneização destas fibras na matriz polimérica. Palavras-chave: Compósitos poliméricos; fibras naturais; sisal; tratamento de fibras; moldagem por compressão. 1

2 INTRODUÇÃO Estudos demonstram que compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais tais como juta, sisal, abacaxi, curauá e cânhamo, entre outras, são adequadas a um grande número de aplicações e seu uso é vantajoso em termos econômicos e ecológicos (1,2). O sisal é uma importante fibra nacional utilizada principalmente em cordoaria e artesanato, mas que pode ter seu valor agregado multiplicado se utilizado como reforço de compósitos poliméricos. O sisal é uma fibra ligno-celulósica leve e atóxica, que apresenta alto módulo e resistência específica (3), custa aproximadamente dez vezes menos que a fibra de vidro e, ao contrário desta fibra inorgânica, causa menos danos por abrasão aos equipamentos e moldes. Entre outras vantagens do sisal podemos apontar a facilidade de modificação superficial, característica das fibras vegetais, sua abundância no Brasil, facilidade de cultivo, o fato de ser um material biodegradável que provem de fonte renovável, além de apresentar boas propriedades como isolante térmico e acústico (4,5). Estes fatores, aliados à alta tenacidade, resistência à abrasão e ao baixo custo, tornam o sisal uma das mais estudadas fibras naturais (6,7). As propriedades de compósitos reforçados por fibras vegetais dependem de fatores como adesão fibra/matriz, fração volumétrica de fibra e orientação, entre as mais importantes (8). Para um melhor desempenho fibra/matriz, são realizados diferentes tratamentos superficiais nas fibras antes de atuarem como reforço. Embora o tratamento químico seja conduzido para promover a separação de fibras individuais e a adesão com a matriz do compósito, efeitos indesejáveis como baixo desempenho mecânico, desestruturação através do forte inchamento ou degradação da superfície podem ocorrer (9). O objetivo deste trabalho é a realização de um estudo comparativo das propriedades mecânicas de tração, flexão e impacto de compósitos de poliéster insaturado reforçado com fibras de sisal, com e sem tratamento superficial das fibras, e a avaliação da influência do tamanho das fibras nas propriedades mecânicas dos compósitos. 2

3 EXPERIMENTAL MATERIAIS Como matriz no compósito foi utilizada uma resina isoftálica de poliéster insaturado (105 da FIBERGLASS). O iniciador aplicado à resina foi o peróxido metil-etilcetona (MEKP) na proporção 2% em volume. As fibras de sisal, oriundas da região nordeste do país, foram fornecidas pela CISAF na forma de cordas finas. As fibras de sisal foram cortadas em três tamanhos diferentes: 1, 3 ou 5 cm. Após o corte, cada grupo foi fracionado em três partes, uma parte permaneceu sem tratamento de superfície (S/T), outra foi imersa em solução alcalina (NaOH) 2 M, e a outra foi submetida a um banho de água destilada (H 2 0). O tratamento químico foi realizado por 1 hora e após isto foram secas em estufa com circulação de ar por 2 horas à 60 C. As fibras foram então dispostas aleatoriamente, porém cobrindo homogeneamente a área do molde e foram comprimidas por 1 hora, a 3 t de pressão, em temperatura ambiente, formando-se assim a manta. MÉTODOS A técnica de fabricação dos compósitos utilizada foi a moldagem por compressão à quente. A preparação se deu com a aplicação de desmoldante à base de silicone na superfície do molde e sobre este uma camada de filme de PVC comercial com o intuito de inibir a adesão da resina curada com o molde. A resina líquida já misturada ao iniciador, foi vertida dentro do molde inferior. A manta de sisal foi cuidadosamente depositada e o molde foi fechado. O molde foi pressionado lentamente para a expulsão de bolhas de ar do interior do compósito, até que se alcançasse uma pressão de 3 t. A moldagem foi conduzida à temperatura de 85 C por 1 h e 15min. Após a cura, o molde foi resfriado até a temperatura ambiente e o compósito foi desmoldado. A fração mássica de fibras em todos os compósitos foi de aproximadamente 28%. As dimensões das placas de compósitos produzidas nesta etapa foram de ,3 cm. 3

4 Corpos de prova foram obtidos mediante corte das placas em serra-fita e lixamento a seco em uma politriz, utilizando-se diferentes tipos de lixa, para a remoção de irregularidades provocadas pelo corte. A caracterização dos compósitos foi realizada seguindo as normas ASTM D792 (massa específica) e ASTM D2734 (teor de vazios). A ASTM D570 foi seguida para o cálculo de água absorvida, cujo procedimento escolhido foi o de imersão em água fervente por duas horas. O ensaio de tração foi realizado com base na norma ASTM D3038 em uma máquina universal de ensaios mecânicos EMIC 2000 com velocidade de 5 mm/min. O ensaio de impacto realizado foi Izod com entalhe, em um aparelho de impacto CEAST, com martelo de 2 J e temperatura de teste de 22 C, conforme a norma ASTM D256. Para flexão, a norma empregada foi a ASTM D790, utilizando-se o mesmo equipamento EMIC. RESULTADOS E DISCUSSÕES Propriedades físicas Observando-se a Figura 1 e a Tabela 1 para massa específica, vê-se que há uma leve tendência de aumento com o aumento no tamanho da fibra, provavelmente devido à menor mobilidade da fibra mais longa e maior facilidade no preenchimento de resina entre as fibras. Tal situação pode ser analisada e corroborada pela Figura 2 para teor de vazios, que mostra uma tendência de haver uma quantidade inferior de vazios em compósitos de fibras mais longas. Nessas figuras, não está clara a influência do tratamento químico das fibras nessas propriedades, embora se possa esperar que as amostras cujo reforço sofreu tratamento sejam mais densas devido uma maior área de contato originada pela nova topografia da fibra após o tratamento. Quanto à absorção de água nos compósitos (Figura 3), apesar do elevado desvio encontrado nos resultados, observa-se que compósitos de fibras sem tratamento absorvem, substancialmente mais água que os compósitos de fibras com tratamento. O fenômeno envolvido para a explicação deste, tanto com o tratamento de água destilada como com o tratamento de soda, é a possível remoção da lignina e outros componentes 4

5 presentes na fibra vegetal tornando a fibra mais rugosa, mais irregular e hidrofóbica diminuindo a interação da superfície da fibra através de seus grupos hidroxila. Figura 1 Densidade de compósitos com fibras sem tratamento (S/T), tratadas com água destilada (H2O) ou com solução alcalina (NaOH). Figura 2 Teor de vazios de compósitos com fibras sem tratamento, tratadas com água destilada ou com solução alcalina. De modo a confirmar este resultado, fez-se um ensaio de absorção da água pela fibra somente, sem e com tratamento, cujo resultado (Tabela 1) mostra uma absorção menor para as fibras tratadas. Tabela1 Resultados de propriedades físicas dos compósitos. Massa Específica (g/cm 3 ) Teor de Vazios (%) Absorção de Água (%) 1 cm 3 cm 5 cm 1 cm 3 cm 5 cm Fibra 1 cm 3 cm 5 cm S/T 1,13 ± 0,03 1,07 ± 0,08 1,08 ± 0,02 3,1 ± 0,1 4,3 ± 0,3 3,4 ± 0,1 123,5 23,8 ± 10,2 22,5 ± 7,1 23,9 ± 9,6 NaOH 1,07 ± 0,10 1,09 ± 0,06 1,09 ± 0,06 6,2 ± 0,2 3,1 ± 0,2 2,6 ± 0,2 120,1 22,6 ± 3,1 15,3 ± 1,6 12,2 ± 1,2 H 2 O 1,07 ± 0,05 1,08 ± 0,02 1,15 ± 0,06 4,8 ± 0,2 3,3 ± 0,1 2,7 ± 0,1 116,9 14,0 ± 3,7 13,3 ± 3,9 18,4 ± 8,1 O maior teor de vazios pode levar a uma maior absorção de umidade dos compósitos, pois os poros (vazios) da superfície de corte dos corpos de prova facilitam 5

6 a entrada da umidade para o interior do compósito, alojando-se nas interfaces fibra/matriz. Figura 3 Absorção de água em compósitos com fibras sem tratamento, tratadas com água destilada ou com solução alcalina. Propriedades Mecânicas: Os resultados dos ensaios mecânicos, especialmente de resistência, dão uma indicação indireta da eficiência da adesão do reforço (tratado ou não superficialmente) com a matriz polimérica. Como se observa nas Figuras 4 e 5, obtiveram-se resultados positivos com relação ao tratamento com água, comparáveis aos resultados dos compósitos tratados com solução de NaOH. De fato, embora o tratamento alcalino promova vários sítios apolares para a ancoragem da resina, ele, por sua vez, atenua o diâmetro da fibra pela remoção de camadas superficiais de sujeiras e componentes da fibra que tem estrutura lignocelulósica e pode eventualmente levar ao enfraquecimento do reforço. A explicação para o desempenho favorável dos compósitos de fibras tratadas com água provavelmente está em um tratamento menos agressivo que o alcalino, todavia garantindo a retirada de compostos introduzidos nas etapas de produção industrial do fio de sisal (como agentes anti-mofo, anti-roedores e corantes) que podem prejudicar a adesão da fibra no meio polimérico. 6

7 Figura 4 Resistência à tração de compósitos com fibras sem tratamento, tratadas com água destilada ou com solução alcalina. Figura 5 Alongamento na ruptura em compósitos com fibras sem tratamento, tratadas com água destilada ou com solução alcalina. Tabela 2 - Resultados das propriedades mecânicas em tração dos compósitos. S/T NaOH H 2 O Resistência (MPa) Módulo (MPa) Alongamento (%) 1 cm 3 cm 5 cm 1 cm 3 cm 5 cm 1 cm 3 cm 5 cm 30,3 ± 32,0 ± 29,1 ± 1047 ± 1193 ± 1270 ± 6,6 ± 5,7 ± 3,9 ± 2,5 2,6 4, ,3 0,5 1,0 27,3 ± 32,2 ± 37,4 ± 1168 ± 1240 ± 1378 ± 5,4 ± 4,5 ± 5,3 ± 2,9 2,9 4, ,7 0,6 0,4 33,3 ± 33,2 ± 33,8 ± 1287 ± 1165 ± 1270 ± 5,3 ± 5,6 ± 5,5 ± 3,6 4,9 5, ,6 0,9 1,4 Na Tabela 2, observa-se em geral aumento nos valores de resistência à tração nos compósitos com fibras tratadas. Os compósitos confeccionados com fibras de 1 e 3 cm obtiveram resultados mais significativos em termos de resistência à tração que os compósitos de fibra de 5 cm. Tal fato se dá pela dificuldade de homogeneização e dispersão das fibras mais longas no interior do molde de 15 cm de lado. O acréscimo no módulo para compósitos com reforço tratado indica materiais de maior rigidez e menor alongamento (Figura 5). Na figura 6 observa-se um aumento de até 33%, para valores de resistência à flexão nas amostras de 1 cm em comparação com as de 5 cm de fibras tratadas. O aumento no tamanho da fibra resulta numa maior resistência à flexão como também inferido nos resultado de alongamento. 7

8 Para o ensaio de flexão o tratamento não repercutiu tão drasticamente como nos demais ensaios mecânicos. A rigidez detectada através dos valores de módulo para tração se manteve, com alguns desvios, para a flexão também. Figura 6 Resistência à flexão em compósitos com fibras sem tratamento, tratadas com água destilada ou com solução alcalina. Tabela 3 Resultados dos ensaios mecânicos em flexão e impacto dos compósitos. S/T 53,4 ± 7,8 NaOH 63,4 ± 7,6 H 2 O 67,3 ± 7,7 Resistência (MPa) Módulo (MPa) Alongamento (%) Resistência ao Impacto (J/m) 1 cm 3 cm 5 cm 1 cm 3 cm 5 cm 1 cm 3 cm 5 cm 1 cm 3 cm 5 cm 67,9 ± 80,4 ± ,6 ± 3,6 ± 3,9 ± 34,0 32,6 50,1 9,7 6,6 ± 397 ± 426 ± 364 0,2 0,4 0,3 ± 4,2 ± 5,0 ± 2,9 71,7 ± 72,4 ± ,3 ± 3,2 ± 3,4 ± 27,0 28,0 27,6 5,7 4,1 ± 362 ± 222 ± 265 0,4 0,2 0,5 ± 4,1 ± 3,5 ± 5,3 61,3 ± 62,2 ± ,2 ± 3,6 ± 3,2 ± 33,3 41,2 45,2 10,9 10,8 ±470 ± 435 ± 603 0,2 0,5 0,2 ± 5,5 ± 7,7 ± 6,6 Os resultados de resistência ao impacto, apresentados na Figura 7 e na Tabela 3, deveriam expressar que o tratamento químico das fibras causa uma maior interação entre a fibra e a matriz polimérica que refletiria em uma transferência de esforço da matriz que é mais frágil para a fibra, como foi observado nos compósitos tratados com água se comparados com os sem tratamento. Entretanto, deve-se analisar ainda que a queda nos valores resistência nos compósitos com fibra tratada com NaOH deve advir de um possível enfraquecimento da fibra devido à condição mais drástica de tratamento, que modificou a estrutura da fibra, causando fragilidade. 8

9 Nota-se, também que fibras mais longas resultam em uma maior absorção de energia no impacto, pois possibilitam maior dissipação de energia ao longo de seu comprimento. Aqui novamente é possível observar que o tratamento das fibras por água destilada promoveu uma melhor adesão em comparação à das fibras não tratadas. Figura 7 Resistência ao impacto em compósitos com fibras sem tratamento, tratadas com água destilada ou com solução alcalina. CONCLUSÕES Apesar da dispersão encontrada nos resultados, que deve ser atribuída à heterogeneidade das fibras naturais, foi possível observar um melhor desempenho geral nas propriedades em amostras que utilizaram fibras com 5 cm de comprimento, porém estes compósitos tiveram desvios maiores em seus valores provavelmente devido à dificuldade de distribuição e homogeneização destas fibras na matriz polimérica. Os compósitos com fibras tratadas apresentaram maiores valores de resistência à e módulo e foram responsáveis por uma diminuição da dispersão nos resultados. A resistência ao impacto, no entanto diminuiu para os compósitos com fibras tratadas com NaOH devido à fragilização das fibras. Analisando todos os resultados é possível 9

10 propor a imersão em água destilada como um tratamento de relação custo/beneficio bem interessante pois mesmo não alterando significativamente algumas propriedades não mostrou danificar a fibra. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e à CAPES pelo apoio financeiro a esse projeto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. WAMBUA, P.; IVENS, J.; VERPOEST, I. Composites Science and Technology. Cap. 63, p , CARVALHO, L.H - Chemical Modification of Fiber for Plastic Reinforcement in Composites. In : LEÃO, A.L.; CARVALHO, F.X.; FROLLINI, E., Lignocellulosic Plastic Composites, GASSAN, J.; BLEDZKI, A.K. Composites reinforced with cellulose based fibres. Progress in Polymer Science, v. 24, p , AMICO, S. C.; COSTA, T. H. S.; CARRERA, L. C.; SANTANA, W.; GALVÃO, D. A. Caracterização de fibras de sisal da região nordeste do Brasil. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA MECÂNICA, 16, Brasil, Proceeding Materials Science, Vol. 2, p FROLLINI, E.; PAIVA, J.M.F.; TRINDADE, W.G.; RAZERA, I.A.T.; TITA, S.P. Natural Fibers, Plastics and Composites. Klumer Academic, USA, p , KURUVILLA, J.; TOLEDO FILHO, R.D.; BEENA, J.; SABU, T. & CARVALHO, L.H.; A Review on Sisal Fibre Reinforced Polymer Composites; Revista Bras. Eng. Amb., v.3, n.3, p , KURUVILLA, J.; MEDEIROS, E.; CARVALHO, L.H.; Compósitos de Matriz de Poliéster Reforçados por Fibras Curtas de Sisal. Polím. C& T., Brasil, p , Out/Dez AZIZI, M.A.S., SAMIR, S.; ALLOIN, F.; SANCHES, J.Y.; DUFRESNE, A. Polymer, v. 45, p. 4149,

11 9. BALEY, C.; BUSNEL, F.; GROHENS, Y.; SIRE, O. Influence of chemical treatments on surface properties and adhesion of flax fibre polyester resin. Composites: Part A; Applied Science and Manufacturing, INFLUENCE OF SISAL FIBER LENGTH AND ITS CHEMICAL TREATMENT ON THE PROPERTIES OF POLYESTER COMPOSITES ABSTRACT In the past years, an increase in the number of studies focusing on the replacement of synthetics fibers with natural fibers in polymer composites has been noticed. The aim of this work is to study the influence of fiber treatment, with distilled water or chemical treatment in sodium hydroxide solution, and fiber length (1, 3 or 5 cm) on the physical and mechanical properties of sisal/polyester composites produced by compression molding. Physical (specific gravity, void content and water absorption) and mechanical tests (tensile, flexural and IZOD impact) were used to characterize the 28% fiber weight fraction composites. According to the results, the 5-cm long fibers treated in distilled water presented the best set of properties, although difficulties were identified regarding fiber distribution in the polymer matrix. Key-words: Polymer composites, natural fibers, sisal, fiber treatment, compression molding. 11