DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITO HÍBRIDO POLIPROPILENO / FIBRAS DE VIDRO E COCO PARA APLICAÇÕES DE ENGENHARIA A. M. Santos 1 ; S. C. Amico 2, T. H. D. Sydenstricker 3 ; 1 Universidade Federal do Paraná - Centro Politécnico. Caixa Postal 19011. 81531-900. Curitiba/PR. maneira@demec.ufpr.br 2 Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. amico@ufrgs.br 3 Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Paraná. thais@demec.ufpr.br RESUMO Materiais termoplásticos reforçados são bastante utilizados na indústria automobilística, destacando-se as resinas de polipropileno (PP) reforçadas por fibras de vidro (FV). No entanto, estes compósitos são relativamente caros, abrasivos aos equipamentos e susceptíveis à perda de propriedades devido à quebra das fibras durante o processamento. Neste trabalho, foram estudados compósitos híbridos de PP / FV e fibras de coco. Os compósitos foram processados por extrusão durante sua preparação e por injeção, para a confecção dos corpos de prova para ensaios mecânicos. Foram avaliados os efeitos da adição de fibras de coco de diferentes perfis granulométricos e tratamentos químico com soluções de hidróxido de sódio com distintas concentrações. A morfologia das fibras foi analisada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Dentre as propriedades avaliadas, o aumento da severidade do tratamento químico provocou um claro aumento do índice de fluidez, do módulo de Young e da resistência ao impacto dos compósitos. Palavras-chave: compósitos híbridos, fibra de coco, polipropileno. 3800
INTRODUÇÃO A substituição de materiais tradicionais por polímeros na indústria vem sendo gradualmente executada ao longo das últimas décadas, tendo se intensificado o ritmo de substituição nos últimos 20 anos. Os polímeros têm demonstrado um alto grau de confiabilidade e muitas vantagens sobre os materiais convencionais. Além de maior flexibilidade de projeto e economia na produção, sua baixa densidade é essencial para a redução do consumo de combustíveis (1). O uso de polipropileno reforçado com fibra de vidro é ainda objeto de muita investigação científica e tecnológica, em função do grande atrativo deste compósito para aplicações de engenharia cada vez mais exigentes, como requerida na indústria automobilística, na qual os requisitos da relação custo/desempenho mecânico devem ser otimizados. Grande parte do desenvolvimento está concentrado na melhoria das características materiais dos compósitos, isto é, das propriedades da matriz polimérica, do reforço fibroso e da interface polímeroreforço (2). As fibras naturais têm sido investigadas para uso como reforço em compósitos de matriz polimérica, pois aliam aspectos relacionados ao forte apelo ecológico entre suas características, como baixo custo, baixa densidade, fonte renovável, biodegradabilidade, atoxicidade, caráter não abrasivo e boas propriedades térmicas, o que as tornam candidatas em potencial para estas aplicações (3,4). Nos últimos anos, especial atenção vem sendo dada para a minimização ou reaproveitamento de resíduos sólidos gerados nos diferentes processos industriais. O aumento crescente do consumo de coco verde natural para a industrialização de sua água vem aumentando a geração do rejeito, que corresponde a cerca de 85% do peso do fruto. Aproximadamente 70% dos resíduos gerados pelos usuários das praias do nordeste brasileiro consistem de casca de coco verde. Seu consumo está disseminado por todos os estados da federação e como conseqüência direta, ocorre a geração do resíduo formado pelas cascas que contribuem para a diminuição da vida útil dos aterros, onde são normalmente dispostas (5), além de representarem risco ao ambiente e à saúde da população (6), pois demoram de 10 a 12 anos para se decompor e servem como hospedagem para o mosquito da dengue. Entre as alternativas para o aproveitamento do coco, cita-se que no aterro do Janguruçu, bairro pobre de Fortaleza no Ceará, há um projeto da EMBRAPA para a 3801
construção de uma unidade-piloto de produção de fibra de coco. A EMBRAPA visa inicialmente apoiar a extração de pó e fibra da casca de coco verde para fabricação de produtos com essa matéria prima para melhorar a qualidade de vida da população local. O pó será usado para substratos agrícolas e composto orgânico, e a fibra será usada para a produção de vasos em substituição ao xaxim, matéria prima extraída da samambaiaçu, espécie em extinção. Uma unidade de artesanato fabricará capachos e produtos afins usando a fibra, e será implementada uma horta comunitária, usando parte do substrato agrícola e composto orgânico produzidos na unidade de reciclagem. Neste contexto, a proposta deste trabalho é a utilização destas fibras na fabricação de um compósito híbrido. Os compósitos foram produzidos através da mistura física das fases dispersas na forma de fibras (coco e vidro) na fase contínua, o polipropileno (7, 8). MATERIAIS E MÉTODOS As fibras de coco (FC) foram fornecidas pela Embrapa Agroindústrias Tropical de Fortaleza/CE embaladas em sacos de ráfia, sendo então secas e compactadas. A Figura 1 mostra as FC na sua condição de recebimento. Figura 1. Recebimento das fibras de coco. Realizou-se a moagem das FC com o moinho de facas (Figura 2) do Laboratório de Polímeros/UFPR. Em seguida, foi realizada a classificação das fibras através do conjunto de Peneiras VIA TESTE 76773 Kuhardt TYP VSM 200 com tempo de classificação de 10 minutos. Foram utilizadas as peneiras com as malhas de 3,35 mm, 1,70 mm, 850 µm, 600 µm, 425 µm e 212 µm. 3802
Figura 2. Processo de moagem das fibras de coco. As fibras foram classificadas em três condições granulométricas diferentes em função do número de vezes em que a amostra passou pelo processo de moagem. Assim, foi denominada de "distribuição C" a distribuição de comprimentos de fibras provenientes de uma única passagem pelo processo de moagem, de "distribuição B" a distribuição de fibras obtida após uma passagem dupla pelo processo de moagem (com malha de 850 µm) e de "distribuição A" as fibras provenientes de uma tripla passagem pelo processo de moagem (com malha de 850 µm). As distribuições de comprimentos obtidos podem ser visualizadas na Figura 3. 60% 50% 40% Frequência 30% 20% 10% 0% 3,35 mm 1,70 mm 850 microns 600 microns 425 microns 300 microns 212 microns Fundo Distribuição A Distribuição B Distribuição C Figura 3. Análise granulométrica dos diferentes tamanhos de fibras de coco. Neste trabalho foram estudados compósitos feitos a partir de FC que não sofreram tratamento algum, ou seja fibras in natura, e com fibras que sofreram diferentes tratamentos alcalinos em função das distintas concentrações das soluções de NaOH (, e 5%). 3803
O tratamento químico das FC consistiu na imersão de fibras previamente moídas na solução de NaOH (100 g de FC para cada litro de solução). Estas fibras ficaram em contato com a solução por uma hora em temperatura de 25 ± 5 C sob vigorosa agitação mecânica (Figura 4). Após este período, as FC foram lavadas com água deionizada a fim de remover todas as impurezas e as substâncias solúveis provenientes do tratamento químico e para neutralizar o ph. Estas fibras foram então secas em estufa à temperatura de 60 ± 10 C por 24 horas. O efeito do processo de tratamento das FC foi visualizado por microscopia eletrônica de varredura (MEV) das fibras. Figura 4. Tratamento químico das fibras com solução de hidróxido de sódio. Neste trabalho foram utilizados como fonte de fibra de vidro, pellets de polipropileno comercial reforçado (PP + 20% em peso de fibra de vidro) da empresa Polibrasil (PBD F076), que foram extrudados com um teor controlado de incorporação de FC e posteriormente injetados para a produção de corpos de prova para sua caracterização. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 5 mostra as micrografias das FC in natura e após o tratamento alcalino com e com NaOH. O MEV da fibra in natura (Figura 5a) indica que a superfície da fibra é bastante rugosa e apresenta uma série de partículas globulares de aproximadamente 10 µm de diâmetro em espaços regulares da sua superfície denominadas tiloses (9). As tiloses são um material rico em sílica como 3804
demonstrado por Calado (10). Na Figura 5b, nota-se que uma pequena quantidade de tiloses é removida da superfície da fibra em função do tratamento químico e nota-se também uma considerável alteração na sua morfologia. A Figura 5c retrata a fibra após tratamento químico com NaOH, condição que propicia uma remoção maior das tiloses. Neste caso, as FC apresentam uma superfície pouco rugosa e caracterizada pelos orifícios deixados pelas tiloses removidas e pela ausência dos ácidos graxos e outros extrativos da fibra. Figura 5. (a) Fibra de coco in natura ; (b) Fibra de coco após tratamento com NaOH ; (c) Fibra de coco após tratamento com NaOH. A Tabela 2 mostra os resultados da avaliação do índice de fluidez e das propriedades mecânicas dos compósitos híbridos PP + fibras de vidro + FC, onde variou-se a distribuição dos comprimentos das FC (distribuições A, B e C) e das condições de tratamento das FC (, e 5% de NaOH). Apesar de não ter sido encontrada uma clara tendência na variação da maioria dos parâmetros estudados em função da distribuição do comprimento das fibras e do tratamento químico, pode-se ressaltar que o módulo de Young do compósito aumentou com a concentração de Hidróxido de Sódio no tratamento (Figura 6). Também foi notado um aumento considerável da resistência ao impacto dos compósitos híbridos em função da concentração empregada para o tratamento das FC bem como em função da distribuição do comprimento das fibras (Figura 7), sendo que o aumento da concentração de NaOH e da média de comprimento das fibras de coco agem no sentido de aumentar essa resistência por atuarem na qualidade da interface fibra/matriz, e portanto na transferência de tensões entre as fases. 3805
Tabela 2. Propriedades dos compósitos híbridos polipropileno/fibras de vidro e coco. Distribuição A Distribuição B Distribuição C In natura NaOH NaOH In natura NaOH NaOH NaOH 5% Índice de fluidez (g/10 min) 11,4 ± 1,4 14,9 ± 0,6 14,7 ± 1,9 11,5 ± 0,8 14,5 ± 1,7 13,8 ± 0,7 14,3 ± 1,8 Tensão máxima (MPa) 36,3 ± 1,1 37,8 ± 1,1 39,4 ± 0,8 37,8 ± 1,6 38,7 ± 0,8 37,9 ± 1,3 38,7 ± 0,9 Tensão na ruptura (MPa) 33,7 ± 1,4 35,0 ± 1,1 36,7 ± 1,0 35,5 ± 1,4 35,8 ± 0,8 35,4 ± 1,6 36,1 ± 1,0 Alongamento na ruptura (%) 3,0 ± 0,1 3,0 ± 0,1 2,2 ± 0,1 2,1 ± 0,2 2,4 ± 0,2 2,1 ± 0,2 2,4 ± 0,1 Módulo de Young (GPa) 4,0 ± 0,2 4,1 ± 0,3 4,4 ± 0,3 4,1 ± 0,3 4,1 ± 0,4 4,3 ± 0,3 4,2 ± 0,3 Resistência ao impacto (J/mm 2 ) 42,3 ± 2,3 42,6 ± 1,2 46,0 ± 2,3 43,5 ± 2,3 45,4 ± 2,6 46,5 ± 1,3 48,4 ± 2,6 Dureza (Shore D) 57 ± 0 57 ± 0 57 ± 2 58 ± 1 58 ± 1 57 ± 1 58 ± 1 Índice de contração 0,24 ± 0,03 0,22 ± 0,03 0,19 ± 0,02 0,22 ± 0,02 0,23 ± 0,01 0,22 ± 0,02 0,27 ± 0,03 Módulo de Young (MPa) 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 Dist. C 5% Figura 6. Módulo de Young dos compósitos híbridos polipropileno/fibras de vidro e coco. CONCLUSÕES As fibras de coco apresentaram alterações significativas em sua morfologia quando submetidas ao tratamento alcalino. Enquanto a fibra in natura apresenta uma superfície rugosa e composta por uma grande quantidade de tiloses, as fibras 3806
tratadas apresentam uma superfície mais lisa, que indica uma solubilização dos extrativos presentes na sua superfície e com uma quantidade menor de tiloses. Com a inclusão das fibras de coco na matriz de polipropileno previamente reforçada com fibra de vidro, notou-se que, dentre as propriedades avaliadas, o aumento da severidade do tratamento químico provocou um claro aumento do índice de fluidez, do módulo de Young e da resistência ao impacto dos compósitos. Além disso, observou-se também o aumento destes valores para perfis granulométricos de maior comprimento médio. 55 Impacto (J/mm 2 ) 50 45 40 35 Dist. C 5% Figura 7. Resistência ao impacto dos compósitos híbridos polipropileno/fibras de vidro e coco. REFERÊNCIAS 1. HEMAIS, C. A. Polímeros e a indústria automobilística. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.13, n.2, p.107-114, 2003. 2. LOPES, P. E.; SOUZA, J. A. influência das condições de processamento nas propriedades mecânicas de compósitos de polipropileno com fibras de vidro. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.ix, n.1, p.85-96, 1999. 3. BLEDZKI, A. K.; GASSAN, J. Composites reinforced with cellulose based fibers. Progress in Polymer Science, v.24, n.2, p.221-274, 1999. 4. Sydenstricker, T. H. D.; Mochnaz, S.; Amico, S. C. Pull-out and other evaluations in sisal-reinforced polyester biocomposites. Polymer Testing, v.22, n.4, p.375-380, 2003 5. SENHORAS, E. M. Estratégias de uma agenda para a cadeia agroindustrial do coco: Transformando a ameaça dos resíduos em oportunidades eco-eficientes. 3807
2003, 36p. Monografia - Instituto de Economia, Universidade Estadual de Campinas, Campinas. 6. BARROSO, T.; COSTA, V. Cooperativa de vendedores de coco vai utilizar tecnologia da Embrapa. Disponível em <www.embrapa.br/noticias/>. Acessado em 07/06/2006. 7. HULL, D. An introduction to composite materials. Cambridge: Univ. Press. Cambridge, 1981. 8. SCHWARTZ, M. M. Composite material handbook. McGraw Hill: New York, 1984. 9. PRASAD, S. V.; PAVITHRAN, C.; ROHATGI, P. K. Alkali treatment of coir fibers for coir-polyester composites. Journal of Materials Science, v.18, n.5, p.1443-1454, 1983. 10. CALADO, V.; BARRETO, D. W.; D ALMEIDA, J. R. M. The effect of a chemical treatment on the structure and morphology of coir fibers. Journal of Materials Science Letters, v. 19, n.23, p.2151-2153, 2000. THE STUDY OF HYBRYD POLYPROPYLENE/GLASS AND COIR FIBER COMPOSITES FOR ENGINEERING APPLICATIONS ABSTRACT Reinforced thermoplastic materials are widely used by the automotive sector, being the system polypropylene (PP) reinforced with glass fiber (GF) very common in many applications. Nevertheless, these composites are relatively expensive, abrasive to equipments and highly susceptible to degrade properties due to fiber breakage during processing. In this work, hybrid composites PP/GF + coir fibers (CF) were studied. The composites were processed via extrusion and injection molding, to manufacture samples for mechanical testing. The effect of the addition of coir fibers with different particle (milled fiber) size distributions and chemical treatment with aqueous solutions of NaOH in different concentrations was evaluated. Fiber morphology was addressed 3808
with scanning electron microscopy (SEM). From the properties evaluated, it has been observed that the increase in the severity of the chemical treatment has produced a clear increase in melting flow rate, Young s modulus and impact strength of the composites. Key-words: Hybrid composite, coir fiber, polypropylene 3809