DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA E PIAÇAVA Regina Coeli M. P. Aquino (1), José Roberto M. d Almeida (2), Sérgio N. Monteiro (3) (1) Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET Campos) (2) Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PU C - Rio de Janeiro (3) Laboratório de Materiais Avançados CCT/UENF Resumo A piaçava é uma fibra natural extraída de várias palmeiras. No Brasil ocorrem a Attalea-funífera-Mart e a Leopoldina-piassaba-Wallace. Atualmente encontram utilização na fabricação de vassouras, escovas, cordas, capachos e coberturas. A microanálise demonstra 54,5% de carbono, 5,8% de oxigênio e 0,5% de nitrogênio, além de hidrogênio e outros elementos menos importantes. Por estas características a piaçava poderia ser utilizada como fase de reforço em compósitos. Assim, no presente trabalho, foi realizada uma investigação relativa ao emprego de resíduos de piaçava como fase reforçadora em compósitos de matriz polimérica. Utilizando-se a resina poliester como matriz, foram confecionados corpos de prova com diferentes percentuais de piaçava. Além disso, caracterizou-se por microscopia eletrônica de varredura, após ensaios de flexão, a microestrutura e a ligação entre as fases na região de fratura nos compósitos fabricados. Os resultados preliminares mostram que esta fibra, possui um potencial de competitividade, com outros produtos industriais a base de madeira que vale a pena ser desenvolvido. Palavras-chave: compósitos - piaçava fibra natural.. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19601
1 INTRODUÇÃO A piaçava é uma fibra natural extraída de várias palmeiras. No Brasil é explorada desde o período colonial sendo a Bahia responsável por 95% do total da produção nacional. A exploração das piaçaveiras na Bahia, Amazonas e Pará é uma atividade puramente extrativista, por isso existe a necessidade de um manejo racional para que sua sobrevivência seja garantida. A piaçava desenvolve-se bem em climas quentes (24 o C) e sempre úmidos (umidade relativa do ar acima de 80%). Existem duas espécies de piaçava : a Attalea funifera Mart, encontrada na Bahia e conhecida como piaçava da Bahia, e a Leopoldina piassaba Wallace, piaçava do Pará, originária do alto rio Negro, Amazonas, e no norte do Pará. Elas pertencem à espécie das palmáceas. A piaçava do Pará, tem textura bem macia e possui maior valor comercial. As folhas são achatadas e sua fibra é flexível e mais elástica. Já a piaçava da Bahia tem a vantagem de ser impermeável, de conservar sua elasticidade quando umedecida e de formar fibras mais longas. Segundo Moreau[1], a exploração da fibra só compensa após seis a oito anos do plantio. Uma das principais características da piaçava é sua adaptação a solos de baixa fertilidade, considerados impróprios para outras culturas. A coleta da fibra é feita uma única vez, em qualquer época do ano. Um trabalhador experiente chega a coletar 45 quilos de piaçava por dia, que rendem aproximadamente 30 quilos de material limpo. Cada pé rende até 8 a 10 quilos de fibra por ano. O tempo de vida de uma piaçaveira é de até 20 anos. Depois de colhidas, as fibras são estendidas e postas para secarem em terreiros sendo reviradas com freqüência para obter uma secagem uniforme. Quando secas, elas são limpas e batidas para que resíduos sejam retirados. O produto é amarrado em molhos podendo depois ser cortado quando destinado à indústria específica. As fibras alcançam até 4 metros de comprimento e tem cerca de 1,1 milímetro de espessura [1]. No sul da Bahia encontra-se em média até 1670 piaçaveiras por hectare. Além da fibra, a piaçaveira fornece o coco e o palmito como alimentos. A amêndoa é transformada em óleo para culinária e empregada na indústria de sabão. Da casca do fruto se faz a farinha de satim, própria para cuscuz e mingaus. As folhas que não desabrocham são utilizadas para fazer chapéus de palha e bolsas. O bagaço da fibra é destinado a indústria de papelão. A borra, um subproduto que se desprende lateralmente do pecíolo da palmeira, esta sendo muito difundida e procurada para cobertura de casas, barracas, chalés e instalações [2]. A importância econômica da fibra da piaçava pode ser avaliada a partir da exportação CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19602
do produto. Por exemplo em 1988, 783 toneladas foram exportadas, o equivalente a mais de um milhão de dólares. Os principais países compradores foram: Portugal, Alemanha, Holanda, Estados Unidos, Inglaterra e Bélgica. Considerando que a exportação da fibra representa somente 5% da produção brasileira, o valor resultante da comercialização interna do produto é de 20 milhões de dólares [2]. Atualmente a piaçava encontra utilização na fabricação de vassouras, escovas, cordas para navios, cestos, capachos e coberturas. A fibra da piaçava tem aproximadamente 14% de umidade, contém 0,8% de resíduo mineral, 0,7% de extrativos, 45% de lignina e 28,6% de celulose. A análise dos elementos presentes nas fibras mostra 54,5% de carbono, 5,84% de oxigênio e 0,52% de nitrogênio. Por estas características a piaçava poderia ser utilizada como reforço em compósitos. Estima-se que o percentual de desperdício nas indústrias, que trabalham com esta fibra, é da ordem de 20%. O presente trabalho procura encontrar um destino para estes resíduos que atualmente são queimados ou jogados no lixo. Devido a potencialidade desta fibra, vale a pena pesquisar mais sobre suas propriedades, pois não existem informações sobre compósitos poliméricos com carga de piaçava. Segundo Leão [3] os compósitos lignocelulósicos correspondem a uma área da ciência dos materiais em crescente expansão. As fibras naturais, em abundância no nosso país, se forem direcionadas para investimentos em novos materiais compósitos, podem conter o êxodo rural e impulsionar o crescimento econômico no setor agrícola. A ISO 14000 dá a esses compósitos a chance de serem considerados não somente como uma alternativa isolada, mas também uma estratégia para reduzir problemas ambientais. 2 MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 2.1 FLUXOGRAMA Para que se tenha uma idéia geral das alternativas de produção de materiais compósitos a partir de resíduos de fibras de piaçava, a Figura 1 mostra o diagrama com o fluxo de processamento que serviu de base para a metodologia empregada neste trabalho. Os produtos primários que se constituíram na matéria prima para produção dos compósitos foram: - como carga: piaçava - como matriz: resina poliéster. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19603
Resíduos de fábricas de vassoura piaçava Classificação e caracterização do material coletado Mistura piaçava + resina Fratura Análise microestrutural - teor de resina - alinhamento das fibras Ensaios Mecânicos Flexão Figura 1 Fluxo de processamento do compósito de piaçava. 2.2 PIAÇAVA As fibras de piaçava empregadas neste trabalho foram coletadas de indústrias da região Norte Fluminense, e são provenientes do sul da Bahia. Este material tinha como destino final ser jogado no lixo. A fibra coletada pode ser observada na Figura 2. Como etapa inicial de caracterização deste material foi feita uma classificação das fibras por comprimento e foram determinados seu diâmetro médio e densidade. A seguir as fibras foram analisadas microestruturalmente através de microscopia eletrônica de varredura. Os resíduos da piaçava foram ensaiados à tração utilizando-se uma máquina de ensaios universal, com garras especiais para ensaios de fibras. Figura 2 Fibra coletada como resíduo das indústrias da região Norte Fluminense. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19604
2.3 RESINA POLIMÉRICA E COMPÓSITOS A resina poliéster encontra-se no grupo das resinas termorrígidas, que uma vez aquecidas atingem um estado de rigidez irreversível. A resina em questão não é solúvel em água e sua formulação se dá na razão de 10 partes em peso de resina para 0,5 partes de endurecedor. Os compósitos foram preparados vertendo-se a resina poliéster sobre as fibras dispostas no molde. Inicialmente foram fabricados compósitos com fração de fibras de 50%, em peso, sem pressão de moldagem e com fibras nos sentidos longitudinal ou transversal ao molde. Compósitos com fibras longitudinais também foram fabricados variando-se a fração de fibras de piaçava. 2.4 ENSAIOS E CARACTERIZAÇÃO Os materiais fabricados foram, então, testados em flexão em três pontos para determinação da tensão de ruptura, T r, empregando-se uma máquina de ensaios de 100kN de capacidade. A velocidade de ensaio utilizada foi de 1mm/min e, em média, 6 corpos de prova foram testados para cada situação analisada. A tensão de ruptura à flexão estática é determinada a partir da relação : T r 3FmaxL = 2 2Ie sendo : Tr = tensão de ruptura à flexão estática, em N/mm 2 F max = carga de ruptura em N L = distância entre os centros dos apoios, em mm l = largura do corpo de prova, em mm e = espessura do corpo de prova, em mm. Os corpos de prova produzidos e a fibra da piaçava foram caracterizados microestruturalmente através de microscopia eletrônica de varredura. Foi utilizado para a referida análise um microscópio eletrônico de varredura, marca Zeiss, modelo DSM 962. A preparação das amostras foi feita fixando-se as superfícies de fratura e a fibra com fita de carbono e cola à base de prata em suportes específicos. As amostras foram em seguida metalizadas com ouro. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19605
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES Numa amostragem proveniente de resíduos gerados por uma fábrica de vassouras de piaçava localizada no município de Campos dos Goitacazes, Rio de Janeiro, obteve-se fibras de diversos comprimentos, conforme mostram as Figuras 3 e 4. Pode-se observar que a maior concentração de fibras encontra-se na faixa de 10 a 15 cm. A Figura 5 mostra a variação da densidade da fibra da piaçava em função do comprimento das mesmas. Na Tabela 1 estão mostrados os resultados experimentais obtidos para a tensão de ruptura e a densidade dos compósitos de fibra de piaçava. Observa-se que os resultados indicam que não há variação da densidade em função da disposição diferenciada das fibras. Percebe-se, entretanto uma forte influência da disposição das fibras sobre a tensão de ruptura em flexão dos compósitos. Os resultados indicam, como esperado, que as fibras dispostas longitudinalmente ao eixo do compósito atuam efetivamente como reforço para a resina poliéster. Tabela 1 - Quadro comparativo da influência da disposição das fibras nas propriedades mecânicas dos compósitos fabricados sem pressão de moldagem com carga de piaçava e matriz polimérica. Propriedade do compósito Disposição das fibras no compósito Longitudinal Transversal Densidade (g/cm 3 ) 1,09 ± 0,2 1,09 ± 0,17 Tensão (MPa) 40,8 ± 8,3 6,75 ± 2,1 Figura 3 Variação do comprimento do resíduo da fibra da piaçava CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19606
220 200 180 160 140 frequência 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 comprimento da fibra (cm ) Figura 4 Variação da freqüência em função do comprimento da fibra da piaçava proveniente de resíduos da indústria de vassouras. densidade (g/cm 3 ) 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 com primento da fibra 1-5 a 10 cm 2-10 a 15 cm 3-15 a 20 cm 4-20 a 25 cm 5-25 a 30 cm 6-30 a 35 cm 7-35 a 40 cm 8-40 a 45 cm 9-45 a 50 cm 10-50 a 55 cm Figura 5 Variação da densidade em função do comprimento médio da fibra da piaçava. É interessante notar que o valor obtido para a tensão de ruptura no compósito com as fibras longitudinais é bastante promissor.este valor é superior ao de diversos compósitos reforçados por outros resíduos naturais, tal como os compósitos poliéster-bagaço de cana-deaçúcar[4,5],também superior a produtos comerciais de madeira largamente empregados na indústria de móveis, tais como aglomerados e compensados [6,7]. Na Figura 6 está mostrada a variação da tensão de flexão em função do percentual da carga (piaçava) utilizada no compósito. Pode-se observar que, de acordo com o esperado a CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19607
partir das equações de micromecânica de materiais compósitos[8], há um aumento da resistência com o aumento da fração de piaçava empregada. 50 40 tensão de ruptura (MPa) 30 20 10 0 30 40 50 % de piaçava Figura 6- Variação da tensão de flexão em função do percentual de piaçava como carga. Para se determinar a morfologia da fibra da piaçava empregada neste trabalho, o material in natura teve sua microestrutura analisada. Nas figuras 7 e 8 estão mostrados os aspectos da superfície e de uma seção transversal da fibra, onde pode-se observar que trata-se de um compósito natural de fibrílas formando a fibra da piaçava. Esta apresenta uma superfície irregular, o que a princípio facilitaria sua aderência a matriz. Figura 7 Aspecto geral da superfície de fibra da piassava, exibindo área rugosa CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19608
Figura 8 Aspecto da seção transversal da fibra, mostrando conjunto de fibrilas. As Figuras 9 e 10 mostram os aspectos fractográficos do compósito com fração volumétrica de resina de 20%. Pode-se observar ama aparente adesão da fibra à resina. Esses resultados são promissores em relação à possibilidade de utilizar as fibras de piaçava como reforçador em compósitos poliméricos. Figura 9 Aspecto geral da superfície de fratura. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19609
Figura 10 Aspecto da região de fratura, exibindo adesão da fibra a resina. 4 CONCLUSÕES Os resultados demostram que as sobras geradas pelas indústrias que trabalham com a fibra da piaçava têm um grande potencial a ser desenvolvido. Este material pode ser empregado como fase reforçadora em compósitos de matriz polimérica. Os resultados preliminares obtidos neste trabalho mostram que compósitos piaçava - poliéster podem, potencialmente, substituir materiais tradicionais fabricados a base de madeira. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FENORTE, FAPERJ, FINEP, CEFET- CAMPOS e CNPQ pelo suporte financeiro a esta pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Moreau, M.S., Tese de Doutorado, Universidade Estadual de Santa Cruz,UESC, Ba, 1997. [2] Vinha,S. G., A piaçaveira e a vegetaçào associada no sul da Bahia, 1997. [3] Leão, A.L., Carvalho, F.X., Frollini, E., Lignocellulose-Plastics Composites UNESP, 1997. [4] Cabo, O.C.; Ortega, M.M. e López, M.S. - Manual de los Derivados de la Caña de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19610
Azucar, 2 nd ed., H.N. Silverio (ed.), GEPLACEA, México, p.143 (1990). [5] Souza, M.V.; Monteiro, S.N. e d Almeida, J.R.M. Anais do 2 o Congresso Internacional de Tecnologia Metalúrgica e de Materiais, CD-ROM, São Paulo-SP, out (1997). [6] Monteiro, S.N.; Rodrigues, R.J.S.; Souza, M.V. e d Almeida, J.R.M.- Adv. Performance Materials, 5, p.1 (1998). [7] Youngquist,J.A.- in: Encyclopedia of Composite Materials and Components, p.661, M. Grayson (ed.), John Wiley & Sons, New York (1983). [8] Gibson, R. F. Principles of Composite Material Mechanics McGraw-Hill, New York, 1994. PROPERTIES OF POLYMERIC MATRIX-PIASSAVA COMPOSITES (1) Abstract Piassava is a natural fiber obtained from many palms. It is extract from Attalea funifera Mart and Leopoldina piassaba Wallace in Brazil. Nowadays the piassava fibers are used for the fabrication of broom, brush, ropes, carpets and roofs. The piassava fiber has approximately 14% of humidity, 0.8% of mineral residues, 0.7% of extracts, 45% of lignin and 28.6% of cellulose. Its elemental composition is about 54.5% carbon, 5.84% oxygen and 0.52% nitrogen. Due to these characteristics and its fibrous form piassava could be potentially used as reinforcement in composites. Therefore, in this work a study was undertaken to investigate the use of residues from piassava fibers in resin matrix composite materials. The characterization of the microstructure of piassava was performed in this work by scanning electron microscopy. The fracture surface morphology of piassava based agglomerates was also analysed. The preliminary results obtained show that piassava fibers have a strong potential to be developed. Keywords: composites - piassava natural fibers. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 19611