COMPORTAMENTO MECÂNICO DO COMPÓSITO … · As fibras curtas e a resina foram depositadas...

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 23601

COMPORTAMENTO MECÂNICO DO COMPÓSITO SISAL/POLIURETANO

DERIVADO DE ÓLEO DE MAMONA

Silva, R. V.(1); Silvestre Filho, G. D.(3); Santos, N. C.(2); Bose Filho, W. W.(1);

Carvalho, J.(3); Spinelli, D.(1).

1 Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística, Escola de

Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo – Brasil.2 Departamento de Mecânica, Centro Federal de Educação Tecnológica – Paraíba – Brasil.3 Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade

de São Paulo, - Brasil.

Resumo

A atual necessidade de preservar o meio ambiente e de utilizar produtos naturais vem

contribuindo para o maior interesse na utilização de materiais derivados da biomassa. Este

trabalho é uma contribuição neste sentido. O seu objetivo foi avaliar as propriedades

mecânicas do compósito formado por resina poliuretano derivada de óleo de mamona e fibras

curtas de sisal distribuídas aleatoriamente. Os compósitos foram feitos por moldagem por

compressão utilizando-se fibras de sisal sem tratamento e também fibras tratadas com

hidróxido de sódio (10%). As propriedades mecânicas em tração e em flexão foram avaliadas

em função da fração volumétrica de fibras e do tratamento alcalino. O comportamento da

interface fibra/matriz foi também avaliado através de análise por microscopia eletrônica de

varredura (MEV). Foi observado um acréscimo gradual das propriedades mecânicas em

tração e em flexão com o aumento da fração volumétrica de fibras. No entanto apenas o

compósito com 37% em volume de fibras apresentou resistência à tração superior à matriz. O

baixo desempenho dos demais percentuais ocorreu devido a distribuição aleatória das fibras e

a presença de vazios decorrentes do processo de mistura dos componentes da resina. A

aplicação de vácuo em molde aberto foi eficiente na eliminação dos vazios causando melhoria

nas propriedades mecânicas do compósito. O tratamento das fibras com NaOH (10%) foi

também eficiente melhorando as propriedades adesivas da interface fibra/matriz, observado

nas análises por MEV, e consequentemente acrescendo as propriedades mecânicas quando

comparadas aos compósitos com fibras não tratadas.

Palavras - chave: Fibras naturais, Sisal, Poliuretano, Compósitos


1. INTRODUÇÃO

A utilização de compósitos poliméricos reforçados com fibras vegetais não é recente e

as primeiras patentes datam da década de 60. Durante os anos 70 e 80, as fibras sintéticas

substituíram as fibras vegetais, devido ao seu melhor desempenho e aos aspectos econômicos.

A partir da década de 90, uma visão mais realista ou “ecológica” do processo industrial fez

ressurgir o interesse em materiais renováveis, tais como as fibras e os óleos vegetais,

principalmente na indústria automotiva [1]. A questão social é também um forte argumento

para o incentivo da produção destes compósitos uma vez que a agricultura de matéria prima

não alimentar gera uma importante fonte de renda, principalmente nos países em

desenvolvimento de onde a maior parte das fibras vegetais são originárias. A tendência em se

usar mais fibras vegetais na indústria automotiva, uma das maiores do mundo, dá o impulso

para esta agricultura em todo o mundo.

A caracterização das propriedades mecânicas destes “novos” materiais é fundamental

para a sua introdução como material estrutural de engenharia na indústria automotiva ou em

outras aplicações. Estas propriedades dependem de alguns fatores, tais como fração

volumétrica, tamanho (curtas ou longas), distribuição e orientação das fibras, adesão

fibra/matriz e composição química da matriz polimérica e das fibras.

A fibra de sisal é uma das mais utilizadas neste tipo de compósito, sendo o Brasil o seu

maior produtor. Pode ser utilizada como reforço de matrizes termofíxas (poliéster, epoxy e

fenol-formaldeído) e termoplásticas (polietileno linear de baixa densidade) [2], como também

para o reforçamento de borracha [3]. As matrizes termofíxas apresentam um enorme potencial

para a utilização das fibras vegetais pois, neste caso, pode-se utilizar processos de fabricação

bastante simples e a um custo reduzido.

A utilização de resina poliuretano em materiais compósitos é relativamente recente e

restringe-se em sua maioria a fibras sintéticas [4,5]. A resina poliuretano utilizada neste

trabalho é derivada de óleo de mamona e sua origem data dos primeiros trabalhos propostos

na década de 40 [6]. Desde então, o interesse no seu desenvolvimento ocorreu devido a

tendência mundial na procura de materiais que são inteiramente baseados em matéria prima

renovável. Na atualidade suas principais aplicações são na engenharia como material

estrutural e na área biomédica como material de implante. O objetivo deste trabalho é

desenvolver um novo material compósito derivado da biomassa, formado por fibras de sisal e

resina poliuretano termofíxa derivada de óleo de mamona, e caracterizar suas propriedades

mecânicas em tração e em flexão.


2. MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS

2.1 Materiais

As fibras de sisal foram obtidas do comércio local na forma de fios com densidade

aproximada de 1,3g/cm3. A resina poliuretano (PU) foi fornecida pelo Grupo de Química

Analítica e Tecnologia de Polímeros (GQATP) do Instituto de Química de São Carlos – USP.

A mesma apresenta-se na forma bicomponente, constando de um poliol e um pré-polímero. O

poliol foi sintetizado a partir de óleo de mamona. O pré-polímero foi sintetizado a partir do

difenilmetano diisocianato (MDI) e pré-polimerizado com um poliol também derivado do

óleo de mamona, permanecendo com um percentual de isocianato livre para posterior reação.

Sua densidade aproximada foi de 1,17g/cm3. Para o tratamento químico das fibras foi

utilizada solução de NaOH (10%), preparada com hidróxido de sódio em lentilhas.

2.2 Métodos Experimentais

2.2.1 Tratamento alcalino das fibras de sisal

As fibras foram inicialmente cortadas em tamanho aproximado de 10 a 15mm. Foram

lavadas com água destilada em fervura por 1h e em seguida imersas em solução de NaOH

(10%), também por 1h. Durante o tratamento a solução foi mantida sob agitação. Utilizou-se

1 litro de água destilada ou solução alcalina para cada 15g de fibras. Ao término do

tratamento, as fibras foram extensivamente lavadas com água destilada até ser alcançado um

pH entre 6 e 7. Posteriormente, foram então secas em estufa à 80°C, até total remoção da água

e umidade.

2.2.2 Determinação da Fração Volumétrica

A fração volumétrica de fibras, matriz e vazios foi determinada a partir do volume dos

componentes e do compósito. As equações utilizadas são apresentadas a seguir:

c

fff V

VV = sendo f

ff

MV ρ= (1)

c

mfm V

VV = sendo m

mm

MV ρ= (2)


( )fmfffv VVV +−=1 (3)

Onde Vff, Vfm e Vfv são as frações volumétricas de fibras, matriz e vazios respectivamente. Mf é

a massa de fibras, Mm é a massa da matriz, ρf e ρm são as densidades de fibra e matriz

respectivamente. As composições utilizadas são apresentadas na Tabela I. Os compósitos

foram classificados segundo a sua composição (a fração volumétrica de fibras foi aproximada

para um valor inteiro), tratamento das fibras e condição de moldagem.

Tabela I - Fração volumétrica de fibras (Vff), matriz (Vfm) e vazios (Vfv).

Composição 10%NT 10%T 20%NT 20%T 20%NTV 30%NT 37%NT

Vff (%) 10,3 10,6 19,4 19,6 22,0 29,8 36,9

Vfm (%) 43,8 55,7 45,2 56,5 77,6 38,5 38,4

Vfv (%) 45,9 33,7 35,4 23,9 0,4 31,7 24,7

(NT – Fibras não tratadas, T – Fibras tratadas, NTV – Fibras não tratadas, vácuo).

2.2.3 Moldagem do compósito e confecção dos corpos de prova

O poliuretano foi preparado pela mistura dos dois componentes, poliol e pré-polímero,

utilizando-se uma relação estequiométrica preestabelecida fornecida pelo fabricante. Após a

mistura, o poliuretano foi levado a vácuo para a eliminação de bolhas que surgem durante a

mistura. A câmara de vácuo consiste de um dessecador, acoplado a uma bomba de vácuo de

duplo estágio. Para a confecção dos corpos de prova de tração e flexão o poliuretanto (sem

reforçamento), foi vazado em um molde no formato final dos corpos de prova.

Os compósitos na forma de placas foram confeccionados por moldagem por

compressão. As fibras curtas e a resina foram depositadas alternadamente em um molde

metálico, e logo após, este foi fechado e prensado. O molde consiste de uma cavidade (fêmea)

e um punção (macho) que se encaixam perfeitamente, deixando livre o volume

correspondente às dimensões da placa (290x170x3,2 mm). Entre a cavidade e o punção, existe

uma pequena folga lateral para liberação de ar e excesso de resina. Durante a moldagem, a

pressão utilizada foi apenas a suficiente para o completo fechamento do molde. Após este

fechamento, o punção e a cavidade foram fixados por meio de parafusos e a pressão liberada.

A abertura do molde e desmoldagem do compósito foi feita após um mínimo de 8h (a cura

total dura cerca de 48h). Todo o processo foi realizado à temperatura ambiente e como

desmoldantes, foram utilizados plástico celofane e vaselina.


Neste processo não foi feito o vácuo na resina como descrito para o poliuretano sem

reforço. Foram confeccionados compósitos com fibras sem tratamento (“in natura”) e fibras

tratadas com NaOH (10%). De cada placa confeccionada foram usinados 14 corpos de prova,

sendo 7 de tração e 7 de flexão. Os corpos de prova de tração foram do tipo gravata (tipo I)

conforme a norma ASTM D638-96 [7], com 3,2 mm de espessura. Os corpos de prova de

flexão foram confeccionados com as seguintes dimensões: 127x13x3,2 mm, conforme a

norma ASTM D790-96 [8]. Como forma de teste foi confeccionada uma única placa de

compósito (com 20% de fibras não tratadas) com vácuo em molde aberto, denominado de

20%NTV, ver Tabela I. Neste caso, após a resina e as fibras terem sido depositadas no molde,

o mesmo foi levado a uma câmara de vácuo por aproximadamente 5min, sendo em seguida

fechado e prensado.

2.2.4 Ensaios de tração e flexão

Os ensaios de tração e flexão, para a resina poliuretano e para os compósitos, foram

realizados conforme as normas ASTM D638-96 [7] e ASTM D790-96 [8] respectivamente, e

as velocidades de ensaio foram de 5mm/min, para os ensaios de tração e de 1 mm/min para os

ensaios de flexão.

2.2.5 Microscopia eletrônica de varredura

A morfologia das fibras (tratadas e não tratadas) e da superfície de fratura dos corpos

de prova de tração dos compósitos foi analisada em um microscópio eletrônico de varredura

(LEO 440, LEICA-ZEISS ). Todas as amostras foram recobertas com ouro.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Morfologia da fibra de sisal

O tratamento alcalino visa melhorar a aderência entre a fibra e a matriz e, como

conseqüência, melhorar as propriedades mecânicas do compósito formado. Na Figura 1a é

apresentada a superfície de uma fibra de sisal sem tratamento químico. As pequenas marcas

observadas são decorrentes das células de parênquima, presentes em grande quantidade nas

folhas e envolvendo completamente as fibras. Observa-se ainda a presença de resíduos na

superfície das fibras. A superfície de uma fibra de sisal tratada com NaOH (10%) pode ser


vista na Figura 1b. Observa-se nitidamente as mudanças ocorridas. As marcas das células de

parênquima são parcialmente perdidas, deixando a fibra mais lisa. Observa-se com mais

clareza as fibrilas que formam a fibra de sisal, comprovando-se a extração superficial do

material de cementação, principalmente a lignina, que mantém as fibrilas unidas. Os resíduos

de desfibramento foram também retirados. Morfologias similares foram observadas por outros

autores [9]. O tratamento com hidróxido de sódio, na concentração e condições aqui

utilizadas, é efetivo na melhoria da interface fibra/matriz, sem causar dano a estrutura da fibra

e, dentre outros tratamentos, é o mais simples e de baixo custo. Foram estes os fatores que

influenciaram na escolha deste tratamento para o desenvolvimento deste trabalho.

Figura 1 – Morfologia da fibra de sisal. (a) Sem tratamento, (b) Tratada com NaOH (10%).

3.2 Propriedades mecânicas do compósito sisal/PU

As propriedades mecânicas em tração e em flexão do compósito, nas diversas

composições, bem como as da resina pura são apresentadas nas Figuras 2 e 3.

NT

TNT

T NTV NT

NT

0 10 10 20 20 20 30 370

10

20

30

40

50a

Res

istê

ncia

à T

raçã

o (M

Pa)

Fração Volumétrica de Fibras (%)

NT

T NT

TNTV NT

NT

0 10 10 20 20 20 30 370,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6b

Mód

ulo

de E

last

icid

ade

(GPa

)



Figura 2 – Resistência à tração na ruptura (a) e Módulo de elasticidade (b) versus fração

volumétrica de fibras, (NT – Fibras não tratadas, T – Fibras tratadas, NTV – Fibras não

tratadas, vácuo).

NT

T

NT

TNTV

NT

NT

0 10 10 20 20 20 30 370

10

20

30

40

50

60

70

80a

Res

istê

ncia

à F

lexã

o (M

Pa)


NT

T

NT

T NTV

NT

NT

0 10 10 20 20 20 30 370,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0 b

Mód

ulo

de F

lexã

o (G

Pa)


Figura 3 – Resistência à flexão (a), e Módulo de flexão (b) versus fração volumétrica de

fibras, (NT – Fibras não tratadas, T – Fibras tratadas, NTV – Fibras não tratadas, vácuo).

De uma forma geral, os compósitos apresentaram resistência à tração e a flexão

inferior à matriz, sendo a única exceção a composição 37%NT, quando ensaiada em tração,

Figura 2a. Observa-se ainda que houve um acréscimo gradual das propriedades estudadas

(resistência e módulo) com o aumento da fração volumétrica de fibras.

Os principais fatores que influenciaram no desempenho dos compósitos foram a

presença de vazios provenientes da mistura dos componentes da resina e do processo de

moldagem, o tratamento alcalino e a distribuição aleatória das fibras. Algumas fibras podem

estar transversalmente dispostas à direção de carregamento, fazendo com que haja uma

diminuição considerável da resistência do compósito. A fração volumétrica de vazios foi

apresentada na Tabela I.

O tratamento alcalino teve um efeito significativo no aumento das propriedades

mecânicas em tração e em flexão, como pode ser observado para as composições 10%T e

20%T, quando comparadas com as composições 10%NT e 20%NT. O efeito do tratamento

alcalino pode ser também constatado na Figura 4 que apresenta fotos das superfícies dos

corpos de prova de tração (20%NTV e 20%T) após o ensaio. Na Figura 4a observa-se que

houve deslizamento das fibras em relação à matriz durante o ensaio, mantendo ligadas as

partes fraturadas do corpo de prova (efeito denominado de fiber-bridging). Isto não ocorreu


nos compósitos com fibras tratadas, Figura 4b, comprovando que o tratamento alcalino foi

efetivo na melhoria da interface fibra/matriz.

A Figura 4a, 20%NTV, refere-se a uma única placa de compósito que foi submetida a

vácuo em molde aberto antes da prensagem, comparando-a com a Figura 4b observa-se que a

aplicação do vácuo reduziu de maneira significativa o número de vazios do compósito (ver

também a Tabela I). A redução do número de vazios resultou, como esperado, em acréscimo

nas propriedades mecânicas, quando comparado com as composições não submetidas a

aplicação de vácuo, 20%NT e 20%T.

Com relação ao módulo de elasticidade, observa-se que houve um aumento

pronunciado desta propriedade em relação à da matriz, para as composições com mais de 10%

em volume de fibras. Para o módulo de flexão, este aumento foi verificado para as

composições com mais de 20% em volume de fibras. A maior rigidez do compósito, devido

ao aumento dos módulos de elasticidade e flexão, se reflete na redução do alongamento do

compósito em relação à matriz.

Dos resultados apresentados, pode-se concluir que os menores valores de resistência

do compósito, seja em tração ou em flexão, quando comparado com a matriz polimérica,

ocorreu devido à presença de vazios e à distribuição aleatória das fibras. Os vazios são

originados principalmente no momento da mistura dos componentes da resina (poliol e pré-

polímero). Além disto, a utilização de fibras curtas dificulta a impregnação da resina e pode

também induzir à formação de vazios. No entanto, os baixos percentuais de fração

volumétrica e a distribuição aleatória das fibras parecem serem os fatores mais influentes. É

notoriamente conhecido o fato de que existe um volume crítico de fibras para o reforçamento

do compósito e este valor certamente não foi ainda alcançado. Este volume crítico de fibras

depende das condições de processamento do compósito e das condições da fibra

(comprimento, tratamento e orientação).

O aperfeiçoamento do processo de moldagem é essencial para desenvolver um

material com melhores propriedade mecânicas e a aplicação de vácuo em molde aberto

mostrou-se como uma boa opção neste sentido. Uma outra opção seria a utilização de fibras

longas que facilitaria a impregnação da resina nas fibras, além de garantir melhores

propriedades mecânicas na direção das fibras (longitudinal). Acredita-se que com a utilização

de vácuo em molde aberto, fibras longas e tratamento químico o desempenho do compósito

melhore significativamente.

Um outro importante fator a se considerar é o tempo decorrente desde o início da

mistura dos componentes da resina, poliol e pré-polímero, ao início da gelificação da resina

(tempo de gel). Para a composição utilizada neste trabalho esse tempo foi de


aproximadamente 8min, sendo este o tempo disponível para a realização das etapas de

mistura, deposição no molde e aplicação de vácuo (quando utilizado). Outras composições,

com maior tempo de gel, podem ser requeridas ao fabricante. Porém, quanto maior o tempo

de gel menor será a resistência mecânica do polímero. Estudos suplementares se fazem

necessários para definir a melhor composição do poliuretano adequando-se a relação

propriedades mecânicas/condições de processamento.

Figura 4 – Área de fratura de corpos de prova de tração após o ensaio. (a) Compósito

20%NTV; observa-se o deslizamento das fibras e a quase ausência de vazios. (b) Compósito

20%T; devido ao tratamento das fibras não verifica-se a ocorrência de deslizamento.

3.3 Morfologia de fratura

Na Figura 5 são apresentadas as morforlogias das superfícies de fratura de corpos de

prova de tração dos compósitos com fibras sem tratamento (20%NTV), e com fibras tratadas

(10%T). Na Figura 5a, compósito com fibras não tratadas, observa-se claramente a ocorrência

de descolamento das fibras, evidenciando a fraca adesão entre a fibra e a matriz. Após o

tratamento alcalino, Figura 5b, é possível observar uma ligação mais íntima entre a fibra e a

matriz, comprovando que o tratamento alcalino melhorou a interface e consequentemente o

desempenho mecânico do compósito. O tratamento alcalino é conhecidamente efetivo na

melhoria da interface fibra/matriz e consequentemente, no desempenho mecânico do material

compósito [9, 10].


Figura 5 – Morfologia de fratura dos corpos de prova de tração. (a) Compósito 20%NTV e (b)

Compósito 10%T.

4. CONCLUSÕES

Com relação as propriedades mecânicas o compósito apresentou resistência à tração e à

flexão inferiores à da matriz polimérica, exceção para o compósito com 37% em volume de

fibras. Este baixo desempenho foi devido à presença de vazios e à distribuição aleatória das

fibras.

A utilização de vácuo em molde aberto reduziu significativamente o número de vazios

melhorando as propriedades mecânicas.

O tratamento com NaOH (10%) foi efetivo na melhoria da interface com conseqüente

melhoria nas propriedades mecânicas, comparativamente aos compósitos com fibras não

tratadas.

Dos resultados apresentados, acredita-se que com as alterações nas condições de

processamento do material (próxima etapa deste trabalho), e utilização de maiores percentuais

de fibras, o compósito venha a apresentar um desempenho superior.

5. AGRADECIMENTOS

- À FAPESP pelo suporte financeiro e ao Prof. Dr. Gilberto Oriovaldo Chierice (GQATP -

Instituto de Química de São Carlos – USP) pelo fornecimento da resina poliuretano.


6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Schuh, T., Gayer, U., 1996, Automative applications of natural fiber composites, First

International Symposium on Lignocellulosics-Plastics, São Paulo, Brazil.

[2] Joseph, K., Varghese, S., Kalaprasad, G., Thomas, S., Prasannakumari, L., Koshy, P.,

Pavithan, C., 1996, Influence of Interfacial Adhesion on the Mechanical Properties

and Fracture Behavior of Short sisal fibre reinforced Polymer Composites, vol 32, n

10, p.1243-1250.

[3] Martins, M. A., Joekes, I., 2000, A preliminary study on the use as a reinforcement for

tire rubber, Third International Symposium on Natural Polymers and Composites –

ISNAPoL, São Pedro, SP, Brazil.

[4] Shonaike, G. O., Matsuo, T., 1997, The dependence of shear coupling deformation on

impregnation condition of glass fiber reinforced thermoplastic polyurethane

composites, Journal of reinforced plastics and composites, vol 16, n 15.

[5] Chen, C. H., Ma, C. C. M., 1994, Pultruded fibre reinforced polyurethane composites. III.

Static mechanical, thermal, and dynamic mechanical properties, Composites Science

and Tecnology, vol 52, p. 427-432.

[6] Vilar, W. D., 1993, Química e Tecnologia dos Poliuretanos, Grupo PRONOR.

[7] American Society For Testing And Materials, 1996, ASTM D638-96 Standard test method

for tensile properties of plastics.

[8] American Society For Testing And Materials, 1997, ASTM D790-96a Standard test

methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical

insulating materials.

[9] Mattoso, L. H. C., Ferreira, F. C., Curvelo, A. A. S., 1997, Sisal fiber: morphology and

applications in polymer composites, First International Symposium on

Lignocellulosics-Plastics Composites, São Paulo, Brazil.

[10] Joseph, K., Thomas, S., Pavithran, C., 1996, Effect of chemical treatment on the tensile

properties of short sisal fibre-reinforced polyethylene composites, Polymer, vol 37, n

23, p. 5139-5149.


MECHANICAL BEHAVIOR OF THE COMPOSITE SISAL/POLYURETHANE

DERIVED FROM CASTOR OIL

Abstract

The current need to preserve the environment and to use natural products has

contributed to increase the interest in the use of materials derived from the biomass. In this

work the mechanical properties of composites in which both the matrix and the filler were

obtained from renewable sources were investigated. Randomly distributed short sisal fibers

were used as reinforcement on a polyurethane matrix derived from castor oil. Both untreated

and alkaly treated sisal fibers were used as reinforcement of compression moulded

composites. The tensile and flexural mechanical properties were evaluated as function both

the fiber volume fraction and the alkaline treatment. The fiber/matrix interfacial behaviour,

was evaluated by scanning electron microscopy, SEM. The results show that there was a

gradual increase on tensile and flexural properties with fiber volume fraction. However, only

the composite material with 37% fiber volume fraction presented higher tensile properties

than the matrix. The low performance of composites with lower volume fractions was mainly

attributed to the presence of voids arising from the molding technique as well as from the

mixing of the resin and to the random fiber distribution. The use of vacuum in opened mold

was efficient in void elimination and allowed the increase in the mechanical properties of the

composite. The fiber alkaline treatment was also efficient in improving the composite’s

mechanical properties and its fiber/matrix interfacial properties as observed by SEM analysis.

Key-words: Natural fibers, sisal, polyurethane, composites.

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