COMPÓSITO DE POLIPROPILENO REFORÇADO COM … · propriedades se comparadas com as fibras...

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COMPÓSITO DE POLIPROPILENO REFORÇADO COM FIBRAS DE LINHO

MODIFICADAS COM SF6

Anderson Thiago Vasconcelos Veiga

Rio de Janeiro

Dezembro de 2016

Projeto de Graduação apresentado ao

Curso de Engenharia de Materiais da

Escola Politécnica, Universidade Federal do

Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientadora: Renata Antoun Simão

ii

COMPÓSITO DE POLIPROPILENO REFORÇADO COM FIBRAS DE LINHO

MODIFICADAS COM SF6


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA DE MATERIAIS DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO DE MATERIAIS.

Examinado por:

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

DEZEMBRO de 2016

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Vasconcelos Veiga, Anderson Thiago

Compósito de polipropileno reforçado com fibras de

linho modificadas com SF6 de Anderson Thiago Vasconcelos

Veiga – Rio de Janeiro: UFRJ/ESCOLA POLITÉCNICA,

2016.

vii, 44 p, 29,7 cm.

Orientadora: Renata Antoun Simão.

Projeto de Graduação - UFRJ/ Escola Politécnica/

Engenharia de Materiais, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 33-34

1. Fibra de linho 2. Polipropileno 3. Compósitos 4.

Tratamento com plasma 5. Reciclagem 6. Comportamento

mecânico

I. Simão, Renata Antoun. II. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia de

Materiais. III. Compósito de polipropileno reforçado com fibras

de linho modificadas com SF6.

iv

À toda a minha família, em especial à minha mãe Ivani.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro de Materiais.

Compósito de polipropileno reforçado com fibras de linho modificadas com SF6


Dezembro/2016

Orientadora: Professora Renata Antoun Simão

Curso: Engenharia de Materiais

A partir da necessidade de buscar fontes renováveis para a produção dos materiais que

venham possuir baixo custo, baixa densidade, boas propriedades mecânicas,

abundância, entre outros, diversos estudos apontam para a utilização de fibras naturais

como reforço em compósitos de matriz polimérica, devido as suas excepcionais

propriedades mecânicas em relação ao custo e densidade. Porém, essas fibras

apresentam a desvantagem de não possuírem boa adesão a matriz polimérica de um

compósito. Para tal, são realizados diversos tratamentos, um destes ganha destaque, e

utiliza plasma para promover modificações na superfície das fibras. Nesse trabalho

avaliou-se a modificação superficial em fibras de linho com o uso de plasma para uma

melhoria na interação fibra-matriz. Foi utilizado gás SF6 para tratar a fibra de linho, os

tratamentos duraram 30 e 60 minutos. As fibras foram adicionadas em matriz polimérica

contendo 100% de resina virgem e 40% resina reciclada com 60% virgem. Após

tratadas, foram analisadas em MEV e os compósitos foram submetidos a ensaios de

tração para avaliar a eficácia do tratamento. Os resultados obtidos para tensão máxima

e módulo de elasticidade indicam que o compósito com fibras tratadas por 60 minutos

apresentou resultados similares ao polímero virgem, e a utilização de polipropileno

reciclado promoveu grande melhoria nas propriedades mecânicas analisadas.

Palavras chave: Fibra de linho, Polipropileno, Compósitos, Tratamento com Plasma,

Reciclagem, Hexafluoreto de Enxofre.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer.

POLYPROPYLENE COMPOSITES REINFORCED WITH MODIFIED FLAX FIBERS

WITH SF6


December/2016

Advisor: Professor Renata Antoun Simão

Course: Materials Engineering

From the need to seek renewable sources for the production of low cost materials, low

density, with good mechanical properties, abundance, among others, several studies

point for the use of natural fibers as reinforcement in polymer matrix composites, due to

their exceptional mechanical properties in relation to cost and density. However, such

fibers have the disadvantage that they do not have good adhesion to the polymer matrix

of a composite. For this, several treatments are performed, one of these is highlighted,

and uses plasma to promote modifications on the surface of the fibers. In this work the

superficial modification in flax fibers with the use of plasma was evaluated for an

improvement in fiber-matrix interaction. SF6 gas was used to treat flax fiber, which lasted

30 and 60 minutes. The fibers were added in polymer matrix containing 100% virgin resin

and 40% recycled with 60% virgin resin. After treatment, they were analyzed in SEM and

the composites were submitted to tensile tests to evaluate the effectiveness of the

treatment. The results obtained for maximum tension and modulus of elasticity indicate

that the composite with fibers treated for 60 minutes presented similar results to the virgin

polymer, and the use of recycled polypropylene promoted a great improvement in the

mechanical properties analyzed.

Keywords: Flax Fibers, Polypropylene, Composites, Plasma Treatment, Recycling,

Sulfur Hexafluoride.

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Sumário

1. Introdução 01

2. Objetivo 03

3. Revisão Bibliográfica 04

3.1. Polipropileno 04

3.2. Fibras Naturais 06

3.3. Materiais Compósitos 09

3.4. Interface matriz-fibra – modificação superficial com plasma 11

3.5. Métodos de caracterização 13

3.5.1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) 13

3.5.2. Ensaio de Tração 13

4. Procedimento Experimental 15

4.1. Materiais Usados 15

4.2. Metodologia Experimental 15

4.2.1. Preparação das fibras 16

4.2.2. Montagem do Reator de Plasma 18

4.2.3. Tratamento com plasma 19

4.2.4. Preparação dos compósitos 20

4.2.5. Ensaio Mecânico 22

4.2.6. Caracterização por MEV 23

5. Resultados e Discussões 24

5.1. Caracterização por MEV – fibras tratadas e não tratadas 24

5.2. Ensaio de Tração e superfície de fratura 26

6. Conclusão 32

7. Bibliografia 33

Anexo I – Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura 35

Anexo II - Gráficos dos ensaios de tração nos compósitos 42

1

1. Introdução

Atualmente há uma forte pressão para que se utilize materiais de fontes

renováveis que possam reduzir a grande dependência dos óleos fósseis que são

altamente danosos para o meio ambiente. O assunto é tão importante que é

frequentemente citado nas Assembleias Gerais da Organização das Nações Unidas

(ONU), além das reuniões onde diversos países assinam tratados internacionais

comprometendo-se com a diminuição dos gases poluentes. Para tal, processos de

reciclagem e da redução do uso de petróleo tornam-se necessários, convergindo assim

para a utilização de materiais sustentáveis.

Além dos aspectos ambientais, há ainda o interesse econômico. Com as

frequentes oscilações do preço do petróleo no mercado internacional, há grande

interesse da redução do uso do polímero virgem substituindo-o por polímero reciclado

– em geral 40% mais barata do que a virgem – e outros materiais sem perda de

propriedades mecânicas (FERNANDES, et al., 2007). Com isso, as fibras naturais têm

emergido como alternativa para redução do uso do petróleo e possuem boas

propriedades se comparadas com as fibras sintéticas.

O desenvolvimento de materiais compósitos de matriz polimérica reforçados por

fibras naturais tem crescido mundialmente nas últimas décadas, já que possuem boas

propriedades quando comparadas aos compósitos reforçados com fibras sintéticas

(PAT, et al., 2013). Estudos têm apontado que uma das melhores fibras naturais é a

fibra de linho – comumente utilizada na indústria têxtil – que encontra novos usos

quando embutida em matriz polimérica, por exemplo promovendo o reforço no

polipropileno.

O interesse por esse tipo de compósito é crescente devido ao baixo custo se

comparado aqueles reforçados com fibras sintéticas, além da busca por materiais de

fontes renováveis. Essas fibras podem ser dispostas das seguintes formas: aleatória,

contínua, curta ou longa. Porém para que haja a transferência das propriedades

mecânicas das fibras para a matriz, é necessário que haja boa interação entre a

superfície da fibra e o polímero. As fibras naturais (e especialmente o linho) possuem

estrutura complexa, sendo grande parte dessa composta por celulose (em torno de

75%), o que promove um caráter hidrofílico nesta superfície. Já os polímeros são

conhecidos pelo seu caráter hidrofóbico, o que dificulta a ancoragem destas fibras. Para

resolver esse problema, muitos pesquisadores propõem diversos métodos para

2

tratamento superficial das fibras naturais, tornando-as compatíveis com o material

polimérico. Um dos tratamentos superficiais que tem emergido nos últimos anos é o

tratamento com plasma, que através de diversos mecanismos tem mostrado melhoria

significativa nas propriedades mecânicas do compósito de fibras naturais. O tratamento

com plasma em atmosfera de SF6 a baixa pressão tem exibido resultados interessantes,

já que promove alteração química na superfície da fibra, com o aumento da

compatibilidade interfacial. Além disso, a tecnologia a plasma vem ganhando destaque

devido ao baixo consumo de insumo, facilidade no controle dos parâmetros do processo

e baixo impacto ambiental se comparado com os tratamentos tradicionais de limpeza e

modificação de superfícies.

3

2. Objetivo

Este trabalho tem como objetivo melhorar a adesão entre a superfície das fibras

naturais de linho e matriz polimérica de polipropileno, através do tratamento com plasma

em atmosfera SF6 a baixa pressão na superfície das fibras.

Para avaliar a eficácia do processo, serão analisadas as propriedades

mecânicas (tensão máxima e módulo de elasticidade) dos compósitos obtidos em

misturador termo cinético, além do auxílio de imagens da superfície fraturada obtida em

microscopia eletrônica de varredura.

Além disso, também se avaliará a substituição parcial do polímero virgem por

polímero reciclado no intuito de obter-se materiais mais “verdes” e com as propriedades

mecânicas analisadas, no mínimo, similares àqueles preparados com matéria-prima

obtida a partir de fontes não renováveis.

4

3. Revisão Bibliográfica

3.1. Polipropileno

O polipropileno é um polímero termoplástico muito versátil e um dos mais

utilizados, representando 23,7% da demanda mundial de termoplásticos no começo do

século XXI. É também um polímero semicristalino e que pode ser produzido através da

poliadição. Esse material possui boa combinação de propriedades química, térmica e

elétrica, com facilidade para o processamento e acabamento. Dada suas

características, desde 1957 tem sido produzido em larga escala sendo aplicado em

diversos ramos da indústria e no dia a dia, como por exemplo, na indústria

automobilística, elétrica, eletrônica, em utensílios domésticos, entre outros (PASQUINI,

et al., 2005).

O processo de obtenção deste polímero se dá através de reações de

polimerização de monômeros que se combinados formam moléculas maiores, sendo

caracterizado pela repetição de uma unidade básica. O propileno, de fórmula C3H6, é o

monômero utilizado para a obtenção do polipropileno, e é produzido no craqueamento

da nafta oriunda a partir do fracionamento do petróleo.

Imagem 1: Reação de Polimerização (PETRY, 2011)

Como já citado, o grande interesse pelo polipropileno se dá devido a boa

combinação de diversas características e também a sua baixa densidade (0,905 g/cm3),

boa resistência a temperaturas mais elevadas (temperatura de fusão de 170 °C), e

quando reforçado por fibras de vidro pode competir com outros plásticos de engenharia

(PACHECO, 2015). Alguns aditivos podem ser adicionados para melhorar algumas

características e propriedades, como a adição de antioxidante, estabilizantes anti UV,

modificantes de dureza (através de plastificantes e cargas), corantes, biocidas (para

prevenir o crescimento biológico na superfície), entre outros (PASQUINI, et al., 2005).

O polipropileno pode ser processado por diversas maneiras de acordo com o

produto final desejado. Os processos de transformação mais comuns pelo qual ele pode

passar são: extrusão, injeção, filme, moldagem por compressão, ráfia e sopro, sendo

que cerca de 39% dos produtos no Brasil feitos de polipropileno são obtidos através do

processo de injeção (ABIPLAST, 2011).

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Uma das principais demandas do polipropileno no Brasil e no mundo é da

indústria automotiva. Diversas partes de um veículo são produzidas por essa resina,

sendo utilizado tanto no interior (painel do carro, revestimento das portas reservatórios

de fluídos, por exemplo), quanto no exterior (para-choques, para-lamas, entre outros).

Sua utilização vem aumentando pois ele reduz o peso dos automóveis, ajudando a

diminuir o consumo de combustível e emissão de gases poluentes.

Um fator muito importante na utilização do polipropileno é a possibilidade de

reciclagem sem grandes perdas nas propriedades. Estima-se que o preço do polímero

reciclado é em torno de 40% mais barato do que material virgem, aumentando a

competividade e redução de custos, além da redução do impacto ambiental

(FERNANDES, et al., 2007). O polipropileno pode ser reutilizado através da reciclagem

mecânica (também conhecida como reciclagem secundária) e servir de matéria prima

para fabricação de produtos plásticos através de processos mecânicos. Para tal é

necessário que o material seja devidamente separado, higienizado e preparado sem

contaminantes, para que seja possível obter um produto de alta qualidade, homogêneo

e limpo. Porém esse tipo de reaproveitamento envolve algumas desvantagens que

podem comprometer o resultado final, como os processos de degradação e a

heterogeneidade do produto pós-consumo. Como as reações químicas de

polimerização são reversíveis, em teoria, a energia e o calor fornecidos durante o

processamento podem causar foto-oxidação e também podem causar alterações nas

propriedades mecânicas. Isso se dá pelo fato do comprimento das cadeias poliméricas

possivelmente ser alterado a partir da formação de componentes oxidados ou da

exposição ao ambiente. Apesar disso, a recuperação ainda é altamente viável

economicamente, onde diversos produtos do nosso dia a dia provêm desse tipo de

reciclagem, como papel de bala e perfis de portas e janelas. (SALEM, et al., 2009)

De maneira a incluir o polipropileno pós-consumo na rota de processamento,

diversos estudos avaliam a possibilidade da inclusão de uma quantidade de

polipropileno reciclado à resina virgem, como na avaliação realizada por Fernandes et

al. (2007). Nessa pesquisa foram testadas algumas composições de mistura do material

virgem e reciclado até a utilização de 100% do polipropileno reciclado. Foi concluído

que houve aumento na rigidez (confirmado pelo ensaio de impacto), diminuição da

deformação na ruptura e satisfatória tensão a tração entre 30% e 50% de polímero pós

consumo. Acima desses valores, o resultado foi um material muito frágil que não atende

as especificações exigidas para aplicação desejada.

6

3.2. Fibras Naturais

As fibras naturais nos últimos anos têm recebido grande destaque em diversas

aplicações devido as suas potenciais vantagens, como o baixo peso específico, preço

competitivo, e baixo impacto ambiental quando descartadas. Elas vêm substituindo as

já tradicionais fibras de vidro em diversas aplicações, como na indústria automotiva,

mesmo com algumas limitações (baixa durabilidade e baixa resistência a tração).

Podem ser contornadas através de diversos tratamentos que são objetivos de diversas

pesquisas, como esse trabalho. Porém, antes de falar como usar, é necessário que se

analise a estrutura e a composição dessas fibras naturais.

Tabela 1: Propriedades da fibra de vidro e de fibras naturais (adaptado de BROUWER,

2001)

Propriedades

Fibra

E-glass linho cânhamo juta rami coco sisal algodão

Densidade

(g/cm3) 2.55 1.4 1.48 1.46 1.5 1.25 1.33 1.51

Tensão

máxima*

(10E6 N/m2)

2400

800

-

1500

550 - 900 400 -

800 500 220

600 -

700 400

Módulo de

Elasticidade -

E(GPa)

73 60 -

80 70

10 -

30 44 6 38 12

Módulo de

Elasticidade

Específico

(E/densidade)

29 26 -

46 47

7 -

21 29 5 29 8

Deformação

na fratura (%) 3

1.2 -

1.6 1.6 1.8 2

15 -

25 2 - 3 3 - 10

Absorção de

umidade (%) - 7 8 12

12 -

17 10 11 8 - 25

*a tensão máxima depende fortemente do tipo de fibra, podendo ser um aglomerado

ou um único filamento, além das condições individuais de cada vegetal

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As fibras naturais, provenientes do mundo vegetal, podem ser obtidas de

diferentes partes de uma planta: caule (linho, juta, cânhamo e bambu); folhas (sisal,

abacaxi e bananeira); fruto (algodão e coco); tronco (madeira). Portanto, é de se esperar

que haja grande variedade entre elas, porém três principais componentes em comum

podem ser destacados: a celulose, hemicelulose e lignina (ROWELL, et al., 1997).

A celulose, um polímero natural com alta resistência e dureza por peso, é um

material construído por longas células fibrosas, que podem ser encontradas no caule,

nas folhas, ou nas sementes. É um polissacarídeo com fórmula geral (C6H10O5)n, o grau

de polimerização varia de acordo com o tipo de fibra influenciando as propriedades

mecânicas. Os monômeros (celobiose) contêm grupos hidroxila que formam ligações

de hidrogênio intra e intermoleculares. Com isso, a celulose pode apresentar regiões

cristalinas (regiões com microestrutura ordenada) e regiões não cristalinas (regiões

desordenadas). Esse arranjo promove alta resistência mecânica, o que torna a celulose

a principal estrutura das plantas e das fibras naturais. (GURUNATHAN et al., 2015).

Imagem 2: Estrutura da celobiose (unidade repetitiva da celulose) – (RAZERA, 2006)

Outro componente, presente nas fibras naturais vegetais, é a hemicelulose, uma

mistura de polissacarídeos de cadeia ramificada. Esse é um polímero cuja composição

podem apresentar proporções variadas de unidades de açúcar, responsável pela

flexibilidade das plantas, e atua como ligação entre a celulose e a lignina (FENGEL, et

al., 1984).

Outro componente muito importante nas fibras naturais é a lignina, que pode ser

encontrada em diversas plantas do reino vegetal, mas sua constituição é variável.

Depois da celulose, essa é a estrutura orgânica mais abundante, fornecendo dureza e

rigidez. Dada a heterogeneidade, a lignina não é considerada uma única substância

química, mas uma classe de materiais podendo ser dividida em lignina guaiacila e

lignina guaiacila-siringila. Uma contém principalmente unidades de guaiacila, a outra

possui quantidade similar de guaiacila e siringila, respectivamente. Ambas ainda contêm

quantidades significativas de p-hidroxifenila. Essas unidades estruturais estão ligadas

umas com as outras através de vários tipos de ligações, normalmente as mais

encontradas são do tipo éter ou carbono-carbono (RAZERA, 2006).

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Imagem 3: unidades presentes na lignina: p-hidroxifenila (1), guaiacila (2), siringuila (3)

(RAZERA, 2006)

As fibras podem ser obtidas de diferentes partes das plantas onde é possível

observar grande variação das propriedades de acordo com a estrutura do vegetal. O

arranjo da estrutura dessas fibras é complexo e feito em camadas, podendo ser

observada na representação esquemática (figura 4). Dentro do caule existem uma

determinada quantidade de aglomeração de fibras, cada uma contendo células de fibra

individuais ou filamentos. Elas são compostas por celulose e hemicelulose ligados por

uma matriz de lignina (BROUWER, 2001). Todo vegetal apresenta diversas variações

nessa estrutura influenciadas por diversos fatores, como por exemplo as condições de

crescimento (FARUK, 2012), justificando a amplitude nos resultados de propriedades

mecânicas mesmo quando se considera o mesmo tipo fibra.

(a)

(b)

Imagem 4: Constituintes das fibras naturais. (a) Representação esquemática.

(BOUDET, et al., 2003) (b) Micrografia da fibra de linho

Quando se analisa a tabela 1 pode-se observar que algumas fibras naturais

apresentam resultados para o módulo de elasticidade específico (módulo de

elasticidade dividido pela densidade do material), próximo, ou superiores as fibras de

vidro. Isso pode ser observado nas fibras de linho e cânhamo, que proporcionam fibras

resistentes e duras, competitivas frente as fibras sintéticas. O uso das fibras naturais

para aplicações técnicas tem sido objeto intenso de estudos na Europa, onde diversos

componentes automotivos já são produzidos baseados em poliéster ou polipropileno e

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fibras como o linho ou sisal. O grande interesse se dá pelo baixo custo (já que algumas

dessas fibras vegetais são muito abundantes ou eram consideradas como lixo); pela

redução de peso (que resulta em automóveis mais eficientes com redução no consumo

de combustíveis); e pelo marketing verde (se destacando o processo com materiais de

fontes renováveis) (BROUWER, 2001).

3.3. Materiais compósitos

Os materiais compósitos são definidos por Callister Jr. (2011) como qualquer

material multifásico que exibe uma proporção significativa das propriedades de ambas

as fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhor combinação das

propriedades. Isso se baseia no princípio da ação combinada onde ocorre uma

combinação das propriedades das diferentes fases. Os compósitos podem ser

projetados combinando e melhorando algumas características mecânicas, como a

resistência mecânica, rigidez, tenacidade, e até mesmo melhorar a resistência à

algumas condições ambientais.

Um material compósito é comumente constituído de duas fases, a matriz

(contínua) e o reforço (dispersa), onde as propriedades finais são funções dessas, além

de suas quantidades e geometria da fase dispersa. Um grupo muito importante são os

compósitos reforçados por fibras, que visam obter alta resistência e/ou rigidez em

relação à densidade específica (resistência específica e módulo específico). Para

realizar o reforço com fibras, alguns fatores devem ser considerados, além das

propriedades intrínsecas dessas.

O comprimento da fibra é de grande importância, onde certo comprimento crítico

de fibra é necessário para um aumento efetivo na resistência, porém não deve ser

grande o suficiente de maneira que se comporte como uma falha quando estiver

submetido a alguma tensão. Isso é importante para que haja transmissão de carga

através da interface fibra-matriz, de maneira que quando uma tensão for aplicada, essa

interação cessa nas extremidades da fibra, o que resulta num padrão de deformação da

matriz como pode ser observado na imagem abaixo.

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Imagem 5: Padrão de deformação na matriz que está envolvendo uma fibra submetida

a uma carga de tração σ. (CALLISTER, 2011).

A orientação e concentração das fibras também é outro fator de grande

importância para as propriedades de um compósito reforçado. O arranjo é influenciado

de acordo com o alinhamento, podendo ser em um extremo as fibras estarem orientadas

paralelamente com o eixo longitudinal em uma única direção ou um alinhamento

completamente aleatório. Essa segunda orientação é mais observada quando se tem

fibras descontínuas, porém em todos os casos, a homogeneidade é um fator importante

para se obter um material com boas propriedades.

Imagem 6: Representações esquemáticas de compósitos reforçados com fibras (a)

contínuas e alinhadas, (b) descontínuas e alinhadas, (c) descontínuas e orientadas

aleatoriamente. (CALLISTER, 2011)

As fibras descontínuas e orientadas aleatoriamente, apesar de terem a eficiência

do reforço limitada, têm a vantagem de serem isotrópicas, ou seja, são independentes

da direção na qual a tensão é aplicada. Com isso é possível que esse compósito possa

ser utilizado em aplicações que possam envolver tensões aplicadas

multidirecionalmente. Esse material também tem a vantagem quanto ao processamento,

onde é possível conformar formas mais complexas e com custos menores que das fibras

contínuas e alinhadas. Eles podem ser processados através de moldagem, extrusão, e

injeção. Baseado nisso, é possível concluir que, para tirar bom proveito das fibras

naturais essas devem ser um reforço descontínuo e aleatório para que possam ser

11

versáteis, com baixo custo, atenuadno a demanda por material polimérico de origem

não renovável.

3.4. Interface matriz-fibra – modificação superficial com plasma

Um fator muito importante nos compósitos reforçados é a interação entre as

fibras e a matriz (a interface). Nos compósitos de fibras naturais, as principais

desvantagens são a baixa compatibilidade entre a fibra e matriz, e a alta absorção de

umidade. Com isso se faz necessário o emprego de alguns tratamentos para

modificação da superfície das fibras (hidrofílicas), aumentando a adesão em matrizes

poliméricas (hidrofóbicas). Uma boa transferência da tensão da matriz para as fibras

pode ser alcançada com uma boa interface (FARUK, 2012). Para tal, quatro tipos de

modificação superficiais podem ser encontrados na literatura: química (mercerização,

acetilação, silanização e etc), físico-química (extração com solvente), física (uso de

diferentes raios ou plasma, exposição a vapor), e tratamentos mecânicos (laminação,

estampagem) (GURUNATHAN, et al., 2015).

Os tratamentos físicos envolvem a mudança estrutural e as propriedades da

superfície das fibras influenciando a ligação mecânica com os polímeros sem que haja

grandes alterações na composição química das fibras. Eles melhoram a adesão fibra-

matriz através da redução entre o caráter hidrofílico e hidrofóbico da fibra e matriz.

Dentre os principais tratamentos que podem ser realizados, o realizado com plasma

oferece uma abordagem única para a modificação de estruturas químicas e físicas da

matriz e da fibra sem alterar a estrutura interna e as características resultantes dos

materiais.

O tratamento com plasma é principalmente aplicado para limpeza, esterilização,

e ataque na superfície em filmes para aplicação de embalagem de alimentos. Essa

técnica é baseada na modificação das superfícies do material e uma grande variedade

de alterações podem ser obtidas dependendo do tipo e da natureza do gás utilizado. O

plasma induz a formação de radicais livres, pode aumentar ou reduzir a energia de

superfície, e ligações cruzadas podem ser induzidas.

O plasma pode ser considerado como o quarto estado físico da matéria, onde

elétrons livres e íons podem coexistir em um gás ionizado. Para se obter tal estado é

necessário que atinja alta temperatura ou através de um forte campo eletromagnético,

geralmente em baixas pressões. Esse processo promove a remoção de elétrons dos

átomos ou moléculas, que são acelerados devido ao campo elétrico ou magnético

12

induzido ou imposto. Esses elétrons com energia cinética podem sofrer colisões com

outros átomos e moléculas, e assim, remover outros elétrons produzindo novos íons e

elétrons livres. Isso promove um processo de ionização em cascata que faz com que

novas espécies químicas sejam produzidas, criando uma nuvem de espécies no estado

ionizado (FARIAS, 2012). Essa técnica possui algumas vantagens que é o baixo

consumo de insumos, baixa emissão de poluentes, fácil controle nas variáveis do

processo (pressão de trabalho, gás utilizado, pressão de base, potência inserida), e

permitir que diversos tipos de gases, estáveis e inertes, possam se tornar altamente

reativos (PACHECO, 2015).

Para realizar os tratamentos com plasma, diversos projetos e aparatos podem

ser utilizados de acordo com o resultado a ser desejado para a obtenção e manutenção

de um plasma a baixa temperatura e baixa pressão. Para promover a modificação

superficial nas fibras naturais, Farias (2012) relata os seguintes materiais:

a) um gás de trabalho;

b) uma câmara de reação;

c) uma fonte externa de energia ionizante para que átomos e moléculas, em estado

gasoso, alcancem o estado de plasma;

d) um sistema de vácuo, de forma a reduzir a pressão interna, aumentando o livre

caminho médio dos elétrons, favorecendo assim o processo de ionização molecular.

Como já comentado, diversos tipos de interação e reações podem ocorrer dentro

do plasma. CORDEIRO (2016) destaca alguns mais importantes, como:

Remoção do material: pelo sputtering (colisão de espécie energética do plasma

com a superfície, com energia suficiente para remover espécies do sólido) e

ataque químico (reações químicas envolvendo espécies reativas geradas no

plasma com as espécies da superfície, resultando na formação de produtos

voláteis). Isso geralmente resulta em uma superfície áspera que pode promover

melhor interação com a matriz;

Polimerização a plasma: formação de um revestimento superficial do gás

utilizado, quando esse apresenta tendência em polimerização (metano, etano,

etc);

Modificação química superficial: incorporação de átomos ou grupos funcionais

na superfície do material, geralmente repondo átomos ou fragmentos no material

removido por plasma. Isso pode ocorrer devido a direção da reação ou pela

13

formação de radicais livres seguidos pela reação com espécies no plasma (íons

ou neutras) ou depois de exposição a atmosfera. Alguns exemplos são o O2, N2,

CO2, SF6, He, Ar e NH3.

Diversos estudos apontam que o tratamento com plasma nas superfícies das

fibras pode promover melhoria nas propriedades mecânicas dos compósitos com fibras

naturais dependendo do gás utilizado. Cordeiro (2016) demonstrou que o tratamento

com plasma em atmosfera de SF6 promoveu a incorporação do flúor que, ligado

covalentemente ao carbono presente nas fibras, altera o comportamento das fibras

naturais de hidrofílica para altamente hidrofóbica. Essa modificação química na

superfície da fibra aumentou a interação entre a fibra e o polipropileno, podendo ser

observado aumento no módulo de elasticidade em comparação com os compósitos com

fibras não tratadas. Também foram observados em microscopia eletrônica de varredura

(MEV) indícios de melhorias na interface fibra-matriz da superfície fraturada.

3.5. Métodos de Caracterização

A literatura relata diversas técnicas para se avaliar a eficácia da modificação das

fibras naturais, podendo serem analisadas qualitativamente ou quantitativamente.

Nesse trabalho, as seguintes técnicas foram utilizadas:

3.5.1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

A microscopia eletrônica de varredura é muito utilizada, pois nela, é possível se

obter imagens em alta resolução da superfície da amostra, podendo assim proceder a

análise. Essa consiste na emissão de feixes de elétrons mediante a aplicação de uma

diferença de potencial em um filamento capilar de tungstênio, que pode variar de 0,5 kV

a 30 kV. Como a imagem é obtida através da incidência de elétrons, é necessário o

processo de metalização em amostras não condutoras, prevenindo a acumulação de

cargas elétricas. Esse processo de metalização pode ser realizado com ouro, que

também ajuda a melhorar o contraste da imagem obtida.

3.5.2. Ensaio de Tração

O ensaio de tração é um ensaio destrutivo muito utilizado para se obter as

propriedades mecânica de diversos tipos de materiais. Um corpo de prova padronizado

é submetido a um esforço que promoverá o alongamento até a sua ruptura. Esse é

14

fixado em um equipamento onde um esforço crescente e variável é aplicado na direção

axial e as informações de deformação são registradas em formato de um gráfico de

tensão x deformação. Diferentes tipos de materiais possuem respostas diferentes a esse

tipo de ensaio dependendo das suas propriedades individuais. A primeira parte da curva

(linear) está relacionada com a deformação elástica do material e relaciona a tensão e

deformação de acordo com a lei de Hooke (σ = E x ε). Já a segunda parte da curva

(variável) está relacionada com a deformação plástica e a deformação nessa região é

permanente. No ensaio, em geral, é possível ser observados alguns pontos importantes:

na região elástica é possível obter o máximo de tensão que pode ser aplicada

no qual a deformação sofrida pode ser recuperada após a retirada dos esforços

(indicado como módulo de elasticidade)

limite de escoamento é o ponto no qual o material deixa de sofrer deformações

elásticas (recuperável) e passa a sofre deformações plásticas (irreversível)

15

4. Procedimento Experimental

4.1. Materiais usados

Para a confecção dos compósitos, foram utilizadas fibras de linho de 10

milímetros do tipo TechnoFlax, cedidas pelo Doutor Rafael Cavalcante Cordeiro,

fornecidas pela empresa SachsenLeinen e. V., Alemanha.

O Polipropileno Prolen foi cedido pela Professora Marysilvia Ferreira da Costa,

fornecido pela empresa Polibrasil Resinas S.A.

Além dos pellets de Polipropileno, ainda foram utilizados copos descartáveis de

Polipropileno afim de avaliar a viabilidade da reciclagem desse material na confecção

dos compósitos. Eles foram picotados em pequenos pedaços e cedidos pela Engenheira

Laura Villela Pacheco.

Imagem 7: copos plásticos de polipropileno picados

O gás hexafluoreto de enxofre (SF6) com 99,95% de pureza foi fornecido por

White Martins Praxair Inc.

4.2. Metodologia Experimental

O processo de preparação e caracterização dos compósitos se deu nas

seguintes etapas: preparo das fibras, tratamento com plasma em atmosfera de SF6,

análise das fibras em MEV, processamento dos compósitos e ensaio de tração e análise

dos compósitos em MEV.

16

4.2.1. Preparação das fibras

As fibras de linho fornecidas apresentavam comprimento em 10 mm e foram

levadas em estufa a 80 ºC por 12h para remoção da umidade. Para tal, foi utilizada a

Estufa Microprocessada de Secagem Quimis Q-317M no Laboratório de Superfícies e

Filmes Finos do Departamento de Engenharia Metalúrgia e de Materiais da Escola

Politécnica.

A seguir, procedeu-se a moagem das fibras no Moinho de Facas SL-30 da

empresa Solab Científica, também pertencente ao Laboratório de Superfícies e Filmes

Finos do Departamento de Engenharia Metalúrgia e de Materiais da Escola Politécnica.

Imagem 8: Moinho de Facas SL-30

Após moídas, foi realizada a classificação por tamanho das fibras de linho em

uma sequência de peneiras de 75, 125 e 250 µm, por 20 minutos em Agitador de

Peneiras Produtest vibratória do Laboratório de Análises Químicas e Processamento

Cerâmico do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais. O esquema de

montagem pode ser observado na imagem 9.

17

Imagem 9: Agitador de Peneiras Produtest e peneiras de 250, 125 e 75 µm de cima

para baixo.

A partir da classificação das fibras de linho, foram selecionadas aquelas com

tamanho entre 75 e 250 µm para realização do tratamento com plasma e também a

produção dos compósitos com fibra sem tratamento. Estas fibras escolhidas são

mostradas na imagem a seguir:

Imagem 10: fibras de linho após peneiramento com tamanhos entre 75 e 250 µm

18

4.2.2. Montagem do Reator de Plasma

O tratamento foi realizado no reator a plasma desenvolvido no Laboratório de

Superfícies e Filmes Finos do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

Nesse tipo de reator, uma corrente elétrica, através de uma bobina que envolve o

cilindro de vidro externo, gera um campo magnético que, sob vácuo, induz a formação

de plasma, tornando-se possível a reação desejada em toda a superfície de uma

amostra com simetria axial (como as fibras naturais) que está exposta no interior do tubo

(FARIAS, 2012). O esquema de montagem do aparato é exibido a seguir.

Imagem 11: Esquema do reator de plasma indutivo: (a) bobina em espiral; (b) cilindro

de vidro externo; (c) bomba de vácuo; (d) medidor de pressão; (e) motor de passo; (f)

entrada de fluxo de gás; (g) fonte de radiofrequência; (h) casador de impedância; (i)

porta amostras. (FARIAS, 2012)

Como pode ser observado na imagem 11, dentro do cilindro de vidro externo é

inserido o porta amostra (onde as fibras são depositadas). Esse tubo menor, aberto nas

pontas, é conectado em um motor de passo que permite a rotação em seu eixo principal.

É importante destacar que esse recipiente possui algumas reentrâncias, que podem ser

observadas na imagem 12, promovendo o movimento catarata dentro do tubo durante

a rotação e expondo toda a superfície das fibras ao plasma homogeneamente durante

o tratamento. Nesse porta amostra é possível acomodar até 7g de fibra para o

tratamento.

19

Imagem 12: Porta amostra utilizado. Atenção as reentrâncias para promover o efeito

cascata quando rotacionado no eixo principal

4.2.3. Tratamento com Plasma

Para o tratamento com o plasma escolheu-se o gás SF6, pois foi constatado por

CORDEIRO (2016) a eficácia para o aumento do módulo de elasticidade em compósitos

com 17% de fibras de madeira.

No presente trabalho utilizou-se as condições atmosféricas para o tratamento:

pressão de base do sistema 4,5 x 10-2 mbar e pressão de trabalho utilizada foi de 6,0 x

10-2 mbar, com tempo de exposição das fibras de 30 minutos e 60 minutos. A potência

utilizada foi de 90W para uma composição de 15% de fibras no compósito.

Em cada tratamento foi utilizada a massa de 3,0 gramas de fibra, sendo

recuperada massa aproximada de 2,5 gramas de fibra tratada ao final do procedimento.

Para melhor eficácia do plasma, as fibras ficaram por 12h em estufa a 60 graus Celsius

para remoção da umidade.

A tabela a seguir resume as condições de trabalho utilizadas durante o projeto

para o tratamento.

Tabela 2: Condições de tratamento

Gás

utilizado Tempo Potência

Teor de

Fibras

Pressão de Base

(mbar)

Pressão de

Trabalho (mbar)

SF6 30 min 90 W 15% 4,5 x 10-2 6,0 x 10-2

SF6 60 min 90 W 15% 4,5 x 10-2 6,0 x 10-2

20

Imagem 13: Reator de plasma em funcionamento a 90W em atmosfera de SF6

4.2.4. Preparação dos compósitos

Os compósitos naturais de polipropileno reforçado com fibras de linho foram

preparados no Misturador Termocinético da empresa M.H. Equipamentos Ltda,

pertencente ao laboratório de Superfícies e Filmes Finos no Departamento de

Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Imediatamente após a homogeneização, a

mistura fibra e polímero foi removida e disposta entre duas chapas de aço com um

espaçador de 2 mm e disposta em uma prensa hidráulica aquecida (M.H. Equipamentos

Ltda, mesmo laboratório do misturador). Após resfriamento do disco, os corpos de

provas foram cortados utilizando uma cunha no formato de “gravata”, e prensa hidráulica

Carver, Modelo 3912, pertencente ao Laboratório de imagem 14 mostra as fotos tiradas

durante os passos citados acima.

(a)

(b)

(c)

Imagem 14: Discos de compósito antes de serem cortados (a); Prensa hidráulica

Carver (b); Corpos de prova cortados (c).

21

Para determinação das composições e condições foram realizados alguns

testes, sendo inicialmente determinada a temperatura ideal para a prensa hidráulica.

Testou-se diferentes temperaturas, como 70, 100, 150, 160, 170 e 190 graus Celsius.

Utilizou-se o processo de degaseificação sugerido por PACHECO (2015), feito em

etapas, aplicando e retirando a carga, variando de 1 a 5 ton, ao passo de 1 ton. Também

se analisou a quantidade de massa suficiente para promover a fusão e observância da

homogeneização do polímero só, e com as fibras. Inicialmente constatou-se que a

capacidade máxima de copos picotados era de 25 gramas, o que seria suficiente para

o disco de 10 (ou 15) cm utilizado na normalização. Porém ao se adicionar a fibra nessa

mistura, observou-se que a fusão não acontecia. A partir disso, foi sugerida a mistura

na proporção de 40% copo plástico e 60% de pellet de polipropileno para a composição

da matriz polimérica com massa total de 40 gramas. Dada a dificuldade de fusão da

matriz polimérica com as fibras, primeiro fundiu-se o polímero e a seguir adicionaram-

se as fibras, procedendo a seguir a homogeneização pelo mesmo tempo de fusão (30

segundos em baixa rotação e 28 segundos em alta rotação).

Os compósitos d fibra natural com matriz de polipropileno reforçada com fibras

de linho foram preparados utilizando a proporção de 15% de fibra em matriz de

polimérica composta de 100% de pellets de polipropileno (virgem) ou composta de 40%

de copos descartáveis (reciclado) e 60% de pellets de polipropileno (virgem), variando-

se a composição das fibras de acordo com a tabela 3.

22

Tabela 3: composição dos compósitos preparados.

Disco Teor de

Fibra

Fibra

Tratada -

30 min (g)

Fibra

Tratada

- 60 min (g)

Fibra Não

Tratada

(g)

PP -

virgem

(g)

PP -

reciclado

(g)

Total

1 15% 6,00 g 20,40

g 13,60 g 40,00 g

2 15% 6,00 g 20,40

g 13,60 g 40,00 g

3 15% 6,00 g 20,40

g 13,60 g 40,00 g

4 15% 6,00 g 34,00

g 40,00 g

5 15% 6,00 g 34,00

g 40,00 g

6 0% 36,00

g 36,00g

7 0% 24,00

g 16,00 g 40,00 g

4.2.5. Ensaios mecânicos

Os ensaios de tração foram realizados no Laboratório Multiusuário de

Caracterização de Materiais e foram realizados de acordo com a norma ISO 527, no

equipamento de tração universal Instron 33R5567. Para cada disco de compósito ou

polímero, foram testados 5 corpos de prova, onde foi obtido para cada um o Módulo de

Young, em MPa e a tensão máxima, em MPa. Em todos os ensaios foi utilizada a carga

de célula de 5kN com a taxa de deformação de 2 mm/min, porém sem o uso de

extensômetro. Afim de avaliar se não havia deslizamento dos corpos de prova nas

garras do aparelho, os ensaios foram filmados e os resultados comparados aos valores

obtidos pelo deslocamento do travessão. Como não foi observado significativo

deslizamento, foi considerada nos cálculos a deformação nominal (deslocamento do

travessão/distância entre as garras).

23

4.2.6. Caracterização por microscopia eletrônica de varredura

Para a análise das superfícies das fibras tratadas e não tradas, e das fraturas

nos corpos de prova, foi utilizado o microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM 6460-

LV, pertencente ao Laboratório de Microscopia Eletrônica e Microanálise do Programa

de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (PEMM/COPPE). Nessa análise, foram

analisadas as modificações superficiais causadas pelo tratamento nas fibras naturais de

linho, e também as superfícies fraturadas dos corpos de provas após o ensaio de tração

para avaliar a adesão da fibra à matriz e distribuição do reforço na matriz polimérica. As

fibras de linho e os compósitos foram fixados em suporte e metalizadas com ouro de

forma a permitir a condução de elétrons. As imagens foram obtidas através de elétrons

secundários acelerados em 15 e 20 kV.

Imagem 15: Compósitos fraturados fixados em suportes e metalizados com ouro.

24

5. Resultados e Discussões

Nesta seção serão expostos os resultados obtidos durante o trabalho que serão

organizados por subseção de acordo com o ensaio realizado. Também serão realizadas

as discussões sobre cada um dos resultados comparando-os com o que se esperava,

baseado no trabalho de Cordeiro (2016). Além disso, alguns gráficos e imagens

adicionais serão apresentados ao final do texto nos anexos I e II.

5.1. Caracterização por MEV – fibras tratadas e não tratadas.

A olho nu foi possível observar pequena diferença na coloração das fibras

tratadas, onde essas se apresentaram ligeiramente mais escuras do que as fibras sem

tratamento. Além disso também pode-se observar que, após o tratamento, as fibras

tendiam a se aglomerar em pequenas bolinhas, dado o aumento da energia superficial

dessas. Durante o processamento, uma quantidade razoável (aproximadamente 25%)

de fibras saiu pelas extremidades do porta amostra devido à sua geometria. Essas fibras

acabaram sofrendo tratamento de maneira heterogênea, onde apenas as fibras que

ficavam na superfície sofriam tratamento, portanto, foram descartadas e não

consideradas para a confecção do compósito.

As micrografias têm como objetivo avaliar de maneira qualitativa a superfície das

fibras que foram expostas ao tratamento por plasma e aquelas sem tratamento. As

imagens obtidas para ambos os casos podem ser vistas a seguir.

(a) fibras sem tratamento

(b) fibras sem tratamento

25

(c) fibras tratadas com plasma

(d) fibras tratadas com plasma

Imagem 16: Micrografia obtida no MEV das fibras sem tratadas (a) e (b) e fibras

tratadas com SF6 a 90W por 60 minutos (c) e (d)

Já analisando superficialmente através das micrografias obtidas em MEV, nas

fibras que sofreram tratamento com plasma e sem tratamento, não foi possível observar

modificações consideráveis que possam indicar a eficácia do processo. Como pode ser

observado nas imagens, uma grande variedade visual pode observada na superfície

das fibras, incluindo a diferença de tamanhos, limitada pelo processo de classificação.

Algumas superfícies se mostraram mais lisas do que outras, assim como algumas fibras

tendem aglomerar-se. Isso pode resultar em uma grande amplitude nos resultados das

propriedades mecânicas do compósito. As fibras naturais são conhecidas por possuírem

grande variedade em propriedades mecânicas e superficiais, especialmente após o

processo de cominuição utilizado para atingir os tamanhos de fibra desejado. Essa

pouca diferença de resultados nas micrografias já era esperada, visto que o plasma com

SF6 atua de duas maneiras: (i) no aumento da rugosidade em escala manométrica, o

que cria pontos de ancoragem mecânica; (ii) adição de grupos de flúor na superfície da

fibra, que só é detectável através de algum ensaio que detecta a variação da

composição química. Com isso, pode-se concluir que se alguma modificação superficial

aconteceu, não é um padrão detectável além da variação natural da superfície das

fibras.

Em relação alteração da composição química após o tratamento com SF6,

Cordeiro (2016) obteve algumas conclusões após o ensaio com XPS (Espectroscopia

de fotoelétrons excitados por Raios-X). O autor pode observar que o flúor é incorporado

na superfície através de ligações covalentes com o carbono (C-F, C-F2 e C-F3), sendo

o aumento dessas ligações comparável com a redução das ligações C-C, e uma

pequena redução das ligações O-C-O e C=O. O mesmo concluiu que a redução das

ligações C-C está associada com a quebra na lignina, já que a celulose, nem a

26

hemicelulose, têm os carbonos ligados somente a outros carbonos e hidrogênios. Além

da lignina, pode ainda haver pequena contribuição de alguns componentes e

contaminantes na fibra. Uma outra análise foi realizada pelo pesquisador, que foi o FTIR

(Espectroscopia de infravermelho por Transformada de Fourier) que visa observar

mudanças na composição química. Nessa segunda análise não foram obtidos

resultados significativos quanto as mudanças ocorridas na superfície das fibras tratadas.

5.2. Ensaio de tração

Para cada disco, obtido de cada compósito, foi possível obter 5 corpos de provas,

sendo todos esses ensaiados e o melhor e o pior resultado em relação a tensão máxima

foram descartados de acordo com o descrito na norma utilizada. Com isso foram

testados 7 grupos de amostras:

1. Compósito de fibra de linho sem tratamento em matriz polimérica com 40%

de polipropileno reciclado e 60% de polipropileno virgem (CPr0)

2. Compósito de fibra de linho tratada com SF6 por 30 minutos em matriz

polimérica com 40% de polipropileno reciclado e 60% de polipropileno virgem

(CPr30)


polimérica com 40% de polipropileno reciclado e 60% de polipropileno virgem

(CPr60)

4. Compósito de fibra de linho sem tratamento em matriz polimérica de

polipropileno virgem (CPv0)


polimérica de polipropileno virgem (CPv30)

6. Polipropileno virgem (PPv)

7. Combinação de 40% de polipropileno reciclado e 60% de polipropileno

virgem (PPr)

Os seguintes resultados para Tensão Máxima (MPa) e Módulo de Elasticidade

(MPa) foram obtidos a partir da curva de tensão deformação em cada um dos grupos

(as curvas são apresentadas no anexo 2).

27

Gráfico 1: Tensão máxima para os compósitos e polímeros

Gráfico 2: Módulo de elasticidade para os compósitos e polímeros

Tabela 4: Propriedade Mecânica dos compósitos

Material Tensão

Máxima (MPa)

Desvio

Padrão

Módulo de

Elasticidade

(MPa)

Desvio

Padrão

1 – CPr0 23,49 0,48 821,99 24,90

2 – CPr30 23,44 0,59 893,59 71,60

3 – CPr60 25,65 0,82 1028,31 29,25

4 – CPv0 22,35 0,79 616,66 87,83

5 – CPv30 23,89 0,49 782,71 17,54

6 – PPv 27,80 0,29 721,45 17,91

7 - PPr 32,29 0,25 1054,11 124,15

CPr0 CPr30CPr60

CPv0CPv30

PPv

PPr

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7

Tensão Máxima (MPa)

CPr0CPr30

CPr60

CPv0

CPv30PPv

PPr

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 3 4 5 6 7

Módulo de Elasticidade (MPa)

28

Além dos resultados numéricos exibidos acima, a análise da superfície fraturada

também auxilia na análise da eficiência do tratamento com SF6 na superfície das fibras.

(a) CPr0

(b) CPr0

(c) CPr30

(d) CPr30

(e) CPr60

(f) CPr60

29

(g) CPv0

(h) CPv0

(i) CPv30

(j) CPv30

(k) PPv

(l) PPv

30

(m) PPr (n) PPr

Imagem 17: Micrografia da superfície de fratura após o ensaio de tração.

A partir da análise dos gráficos contendo os resultados obtidos para a tensão

máxima e para o módulo de elasticidade e das micrografias da superfície de fratura, é

possível chegar as seguintes conclusões:

É possível observar que o melhor resultado para as propriedades mecânicas foi

onde houve a mistura do polímero virgem com o polímero reciclado. Isso é

decorrente aos processos de degradação, além da especificação do fabricante

dos copos descartáveis. Durante a reciclagem as macromoléculas são

submetidas a alta temperatura e a intensivo cisalhamento, o que provoca

diversos mecanismos de degradação como: térmica, mecânica, oxidativa, ou

uma combinação dessas. Gonzalez et al. (1998) procedeu um estudo avaliando

o impacto da reciclagem do polipropileno após diversos processos de extrusão.

Nesse trabalho, foi concluído que o FTIR não apresentou grandes diferenças no

resultado (indicando que não existem reações oxidativas durante a reciclagem

e, portanto, sem grandes alterações na composição química), porém observou

redução no peso molecular, indicando assim que houve cisão nas cadeias;

A inclusão das fibras de linho reduziu a tensão máxima e o módulo de

elasticidade do material, nas duas situações – matriz 100% virgem e 60% virgem

e 40% reciclada. Isso acontece pois houve baixa adesão entre a matriz e o

reforço, onde as fibras atuaram como ponto de falha dentro da matriz polimérica

causando a fratura prematura. Nas imagens das fraturas, para ambos os casos,

pode-se observar grande quantidade de buracos na matriz, estrias mostrando a

textura das fibras que foram puxadas, buracos ao redor das fibras e fibras sem

polímero aderido na superfície, indícios de que não houve adesão entre as fibras

e a matriz. Os mecanismos de falhas envolvidos incluem o crescimento de trinca

de uma falha de interface fibra-matriz ou de uma falha dentro da fibra, já que não

é uma fibra unitária, são constituídas de pequenas unidades (células da planta)

que podem não estar bem aderidas depois do processamento termo-cinético;

O tratamento com SF6 apresentou algumas melhorias nas propriedades

mecânicas no compósito quando se comparado com o compósito sem

tratamento. O tratamento com 30 minutos não se mostrou muito eficiente para

melhoria da tensão máxima, porém se mostrou eficaz para o aumento do módulo

de elasticidade. Para a situação onde houve uma mistura de polímero reciclado

e virgem, o módulo de elasticidade melhorou em 8,7% em relação ao compósito

com fibras sem tratamento. Já na outra situação, onde a matriz era apenas de

31

polímero virgem, a melhoria foi de 26,92% no módulo em relação ao compósito

sem tratamento;

Já o tratamento com 60 minutos apresentou resultados significativos em ambas

as propriedades mecânicas em relação ao compósito sem tratamento. Na

situação em que houve a presença de polímero reciclado na matriz, obteve-se

melhoria na tensão máxima de 9,18% e de 25,10% do módulo de elasticidade.

Para esse tratamento não foi possível realizar o compósito contendo apenas

polímero virgem na matriz, porém pode-se esperar aumento significativo nas

propriedades nessa situação.

Analisando as imagens obtidas para as fraturas dos compósitos contendo fibra

que sofreram modificação superficial, ainda pode-se observar diversas falhas de

adesão da fibra com a matriz, como por exemplo, alguns buracos e estrias,

porém pode-se observar que algumas fraturas se deram próxima a superfície e

também a redução dos buracos ao redor das fibras. Isso indica uma melhor

adesão do reforço com a matriz do compósito, porém não foi muito eficiente.

Uma razão para tal é uma das características intrínsecas das fibras naturais, que

são conhecidas pela grande variedade nas propriedades mecânicas e

superficiais. Isso pode ser observado nas imagens obtidas puramente das fibras,

onde pode se constatar fibras com superfície lisa e outras enrugadas, além da

diferença entre o diâmetro das fibras;

Um fator que é muito relevante para parte da falta de adesão nas fibras tratadas

está relacionado ao processamento termo-cinético de mistura das fibras e o

polímero. Nesse processo há quebra de muitas fibras, expondo novas

superfícies que não foram tratadas e, portanto, com baixa interação com a matriz

polimérica.

Na micrografia apenas da mistura dos polímeros, pode ser observado dois tipos

de fratura: dúctil e frágil. A primeira característica do polímero virgem e a

segunda do polímero reciclado. O polímero com 100% de material reciclado se

mostrou extremamente frágil, quebrando-se em vários pedaços quando se

realizou o corte dos corpos de prova e por isso não foi ensaiado.

32

6. Conclusão

Através do presente trabalho é possível concluir que o tratamento com SF6

apresenta melhorias significativas nas propriedades mecânicas de compósitos de

polipropileno reforçados com fibras naturais de linho. O tempo de tratamento se mostrou

extremamente importante, de forma que o resultado relevante foi obtido apenas em 60

minutos de tratamento, não sendo possível obter resultados significativos em 30

minutos.

Outro resultado interessante obtido nesse trabalho está relacionado com a

reciclagem de copos descartáveis para a confecção de compósitos reforçados com

fibras naturais. O polipropileno pós consumo apresentou resultados positivos quando

adicionado em polipropileno virgem, onde melhorou consideravelmente as propriedades

mecânicas analisadas. O resultado foi melhor do que a inserção de fibras tratadas,

porém as fibras representam uma alternativa para a redução de produtos oriundo de

fontes não renováveis.

Estudos adicionais podem ser realizados, otimizando o método de tratamento com

SF6, além de avaliar outros parâmetros de tratamento como o tempo e a potência. Os

resultados levam a concluir que é possível, num futuro próximo, a redução da

quantidade de materiais oriundos de fontes poluentes através da utilização de fibras

naturais com plasma e da reciclagem de polipropileno reciclado.

33

7. Bibliografia

ABIPLAST, Perfil de 2010 da Indústria Brasileira de Transformação de Material

Plástico, 2011. Disponível em: <

http://file.abiplast.org.br/download/estatistica/perfil_2010.pdf >. Acesso em 05 de

Novembro de 2016, 21:35.

BOUDET, A. M., et. al. 2003, “Lignins and lignocellulosics: a better control of synthesis

for new and improved uses”, Trends in Plant Science, v 8, n. 12, pp. 576-581.

BROUWER, W. D., 2001, Natural fibre composites in structural components:

alternative applications for sisal?. In: Common Fund for Commodities - Alternative

Applications for Sisal and Henequen. Disponível em < http://www.fao.org/3/a-

y1873e/index.html > Acesso em 22 nov. 2016, 13:15.

CALLISTER JR, W. D., 2011, Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução.

Rio de Janeiro, Editora LTC.

CORDEIRO, R. C., 2016, Plasma treatment of Natural Fibers to Improve Fiber-Matrix

Compability. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

FARIAS, J., 2012, Modificação superficial de fibras de coco por tratamento a plasma

para utilização como fase de reforço em amido termoplástico. Projeto Final de

Graduação, POLI/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

FERNANDES, B. L., DOMINGUES, A. J., 2007, “Caracterização mecânica de

polipropileno reciclado para a indústria automotiva”, Polímeros, v. 17, n. 2, pp. 85-87.

FARUK, O., et al., 2012, “Biocomposites Reinforced with Natural Fibers: 2000-2010”.

Progress in Polymer Science, v. 37, n. 11, pp. 1552–1596.

FENGEL, D., WEGENER, G, 1984, Wood – chemistry, ultrastructure, reactions.

Berlin e Nova York, Editora Walter de Gruyter.

GONZÁLEZ, V. A. G., VELÁZQUEZ, G. N., SÁNCHEZ, J. L. A., 1998, “Polypropylene

chain scissions and molecular weight changes in multiple extrusion”. Polymer

Degradation and Stability, v 60, n. 1, pp. 33-42

GURUNATHAN, T., MOHANTY, S., NAYAK, S. K., 2015, “A Review of the Recent

Developments in Biocomposites Based on Natural Fibres and Their Application

Perspectives”. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v. 77, pp.

1–25.

PACHECO, L. V., 2015, Compósitos de Polipropileno Reforçados com Fibras de Coco.

Projeto de graduação, POLI/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

PASQUINI, N., ADDEO, A., 2005, Polypropilene Handbook. 2 ed. Munique, Editora

Carl Hanser Verlag, pp. 584.

34

PAT, A. M., GONZÁLEZ, A. V., FRANCO, P.J.H., 2013, “Effect of fiber surface

treatments on the essential work of fracture of HDPE-continuous henequen fiber-

reinforced composites”, Polymer Testing, v. 32, n. 6 (Set), pp. 1114-1122.

PETRY, A., 2011, A. Mercado Brasileiro de Polipropileno com Ênfase no Setor

Automobilístico. Trabalho de conclusão de curso, DEQUI/UFRGS, Porto Alegre, RS,

Brasil.

RAZERA, I. A. T., 2006, Fibras lignocelulósicas como agente de reforço de compósitos de matriz fenólica e lignofenólica. Tese de doutorado, IQ/USP, São Carlos, SP, Brasil.

ROWELL, R. M., SANADI, A. R., CAULFIELD, D. F., JACOBSON, R. E, 1997,

Utilization of natural fibers in plastic composites: Problems and opportunities. In: LEÃO,

A . L.; CARVALHO, F. X.; FROLLINI, E. Lignocellulosic-Plastics Composites, São

Paulo: USP/UNESP, p.21-51.

SALEM, S. M. A., LETTIERI, P., BAEYENS, J., 2009, “Recycling and recovery routes

of plastic solid waste (PSW): A review”, Waste Management, v. 29, n. 10, pp. 2625-

2643

35

ANEXO I – Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura

1 – Compósito com 15% de fibras sem tratamento e matriz polimérica com 60% virgem

e 40% reciclado.

2 – Compósito com 15% de fibras tratadas com SF6 por 30 min a 90W e matriz polimérica

com 60% virgem e 40% reciclado.

36


com 60% virgem e 40% reciclado.

37

4 – Compósito com 15% de fibras sem tratamento e matriz polimérica com 100% virgem.

38


com 100% virgem.

39

6 – Polímero 100% virgem

40

7 – Polímero 40% reciclado e 60% virgem

41

8 – Fibras Tratadas a 90W por 60 minutos

9 – Fibras não tratadas

42

ANEXO II – Gráficos dos ensaios de tração nos compósitos

Em todos os ensaios é possível observar um degrau entre 5 e 10 MPa, que está

relacionado a folga das peças do equipamento de tração. Essa primeira parte da curva

foi desconsiderada no cálculo do módulo de elasticidade (que está relacionado com a

inclinação da primeira parte da curva)

1 – Compósito de fibra de linho sem tratamento em matriz polimérica com 40% de

polipropileno reciclado e 60% de polipropileno virgem (CPr0)

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20

Ten

são

(M

Pa)

Deformação Nominal (%)

CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

43

2 – Compósito de fibra de linho tratada com SF6 por 30 minutos em matriz polimérica

com 40% de polipropileno reciclado e 60% de polipropileno virgem (CPr30)


com 40% de polipropileno reciclado e 60% de polipropileno virgem (CPr60)

4 – Compósito de fibra de linho sem tratamento em matriz polimérica de polipropileno

virgem (CPv0)

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20

Ten

são

(M

Pa)


CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20

Ten

são

(M

Pa)


CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50

Ten

são

(M

Pa)


CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

44


de polipropileno virgem (CPv30)

6 – Polipropileno virgem (PPv)

7 – Combinação de 40% de polipropileno reciclado e 60% de polipropileno virgem

(PPr)

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35

Ten

são

(M

Pa)


CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Ten

são

(M

Pa)


CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

Ten

são

(M

Pa)


CP1

CP2

CP3

CP4

CP5

COMPÓSITO DE POLIPROPILENO REFORÇADO COM … · propriedades se comparadas com as fibras...

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