UFMS – UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS COM FIBRAS NATURAIS

Campo Grande, __ de janeiro de 2013.

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ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS COM FIBRAS NATURAIS

Anteprojeto de pesquisa apresentado ao Programa de Mestrado em Eficiência Energética e Sustentabilidade da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul.

Professor(a) Orientador:

Prof. Dr. Odilar Costa Rondon

Campo Grande/MS, 25 de janeiro de 2013

SUMÁRIO

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Resumo.......................................................................................................................................41 Objetivos.................................................................................................................................62 Introdução...............................................................................................................................73 Revisão bibliográfica..............................................................................................................93.1 Polímeros..............................................................................................................................93.2 Resinas Epoxídicas..............................................................................................................93.3 Agentes de Cura................................................................................................................123.4 Fibras..................................................................................................................................153.4.1 Fibras Sintéticas.............................................................................................................153.4.1.1 Fibras de vidro.............................................................................................................163.4.2 Fibras naturais...............................................................................................................173.4.2.1 Fibras de Sisal..............................................................................................................183.4.2.2 Fibras de Cana-de-açúcar..........................................................................................193.4.2.3 Fibras de Curauá........................................................................................................203.4.2.Fibras de Buriti..............................................................................................................203.5 Ciclodextrinas....................................................................................................................223.6 Materiais Compósitos.......................................................................................................253.7 Ensaios de tração...............................................................................................................263.7.1 Ensaio de tração em polímeros termorrígidos.............................................................273.7.2 Propriedades Mecânicas obtidas pelo Ensaio de Tração............................................283.7.2.1 Tensão Deformação no ensaio de tração...................................................................283.7.2.2 Resiliência....................................................................................................................283.7.2.3 Módulo de elasticidade ou Young (E)........................................................................293.7.2.4 Tenacidade...................................................................................................................293.7.2.5 Resistência à propagação de trincas (K1C)...............................................................304. Metodologia.........................................................................................................................314.1 Resina epoxídica e agente de cura utilizados..................................................................314.2 Fibras de buriti..................................................................................................................314.3 Utilização de ciclodextrina...............................................................................................324.4 Composição dos compósitos.............................................................................................324.5 Produção dos compósitos..................................................................................................334.6 Ensaios Mecânicos.............................................................................................................335. Bibilografia..........................................................................................................................35

Resumo

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Este projeto tem o objetivo de avaliar as propriedades mecânicas de materiais

compósitos com a base de resina epoxídica curada (DGEBA/TETA) com a adição da

ciclodextrina e reforçados com fibras de buriti. Primeiramente as fibras serão picadas no

comprimento de 1 centímetro e cortadas no tamanho total do corpo de prova.

Posteriormente se adicionará apenas ciclodextrina a resina epóxi em concentrações de 1,

2, 3, 4, 5 e 7% . Depois adicionará as fibras de buriti picadas e contínuas a essa mistura

DGEBA/TETA/ciclodextrina. O corpo de prova final do compósito

DGEBA/TETA/ciclodextrina/fibras de buriti será aquele constituído pelas porcentagens

de ciclodextrina e fibras com as melhores propriedades avaliadas em ensaios mecânicos

separados.

Abstract

4

This project aims to evaluate the mechanical properties of composite materials with the

base epoxy resin cured (DGEBA / TETA) with the addition of cyclodextrin and fiber

reinforced buriti. First the fibers are chopped 1 inch in length and cut the overall size of

the specimen. Only subsequently add the cyclodextrin epoxy resin in concentrations of

1, 2, 3, 4, 5 and 7%. Then add the chopped fibers, continuous buriti this mixture

GEBA / TETA / cyclodextrin. The specimen of the composite end DGEBA / TETA /

cyclodextrin / buriti fibers that will consist of the percentages of cyclodextrin and fibers

with better mechanical properties evaluated in separate trials.

1 Objetivos

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Esse projeto tem o objetivo principal analisar a influência da ciclodextrina - β nas

propriedades mecânicas do compósito, através de ensaios de tração com corpos de

provas. Estes, formados de matriz epoxídica, e diferentes porcentagens de ciclodextrina

reforçado com fibras de buriti.

Em primeiro instante serão ensaiados separados com cada componente integrante do

compósito, mantendo sempre a matriz de resina epóxi em todos os testes. No caso das

fibras, as mesmas serão testadas em duas especificações distintas: fibras contínuas e

fibras cortadas, com porcentagens de 1, 3 e 5%. Para a ciclodextrina – β as porcentagens

a serem adicionadas no corpo de prova serão de 1,2,3,4,5 e 7%.

Depois de feito todos os ensaios separados e obtido as melhores porcentagens de

ciclodextrina - β e de fibras de buriti, serão unidas todas essas melhores porcentagens,

em um último corpo de prova, para obter a máxima eficiência nos valores das

propriedades mecânicas do compósito.

A adição de ciclodextrina ao material compósito visa um aumento na resistência à

propagação de trincas (K1c) e a adição de fibras de buriti tem por objetivo o aumento da

resistência mecânica do material, pois quando a resina epóxi é curada, a mesma se torna

pouco resistente a essa propagação de trincas e os valores de módulo de elasticidade e

tensão de escoamento são insuficientes para aplicações no mercado automobilístico,

aeroespacial, naval, esportivo, etc.

2 Introdução

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Pensando em sustentabilidade, a introdução de fibras naturais em substituição às

sintéticas, no reforço de matrizes compósitas, se faz necessário entre outras coisas à

preservação do meio ambiente, redução de custos, sem que se perca a qualidade final do

material.

As resinas epoxídicas são uma importante classe dos polímeros termorrígidos, suas

características principais são facilidade no processo de cura, alto módulo de elasticidade

(E), baixa densidade, boa resistência à corrosão, baixa condutividade, elétrica e térmica

e boa aderência.

Quando se cura a resina ela pode perder algumas dessas características, que dependendo

da aplicação, a mesma se torna inviável. Porém quando se utiliza esse material como

matriz de um material compósito podem-se obter melhorias nas características da resina.

Através do estudo e pesquisa dos materiais compósitos, têm se aberto muitas

oportunidades de desenvolvimento nesta área.

Diante disto pensou-se em unir a fibra natural com a matriz epoxídica adicionada a

ciclodextrina. Com essa união busca-se um material com melhores resultados

mecânicos, como a resistência a propagação de trincas (K1c), módulo de elasticidade

(E) e tensão de escoamento.

Materiais semelhantes já são utilizados em aplicações no mercado automotivo,

aeronáutico e aeroespacial. Porém sem a adição da ciclodextrina e da fibra natural da

palmeira Mauritia Flexuosa, popularmente conhecido como Buriti.

Além de reforço do material compósito, as fibras naturais podem ajudar a desenvolver a

economia de uma região, pois além da produção das fibras, precisa-se de mão de obra

para a sua colheita, geralmente empregando vários trabalhadores.

Como a região oeste do Estado de São Paulo está entre as regiões que o Buriti mais se

concentra, a mesma possui um grande potencial para criação de empregos nos ramos de

plantação, extração e industrialização de fibras de Buriti.

Um dos motivos para o emprego da ciclodextrina na composição desse projeto é que o

estado de São Paulo está entre os maiores produtores de fécula de mandioca e de etanol

do Brasil tendo como a ciclodextrina um substrato em potencial.

Para que seja feito os levantamentos dos resultados das propriedades mecânicas do

material, serão realizados testes através de corpos de prova, os mesmos serão realizados

na máquina de ensaio de tração.

A escolha do assunto em questão, para o desenvolvimento do trabalho, deve-se ao fato

da fibra natural ser encontrada em abundância em várias regiões do país, principalmente

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no cerrado, e que e não há registro da utilização da matriz epoxídica com a adição de

ciclodextrina reforçada por esta fibra.

A adição da ciclodextrina à matriz deve-se a sua capacidade de diminuir a propagação

de trincas e o reforço das fibras naturais para melhoria das propriedades mecânicas do

material compósito.

3 Revisão bibliográfica

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3.1 Polímeros

Na engenharia os materiais sólidos são com frequência classificados em três tipos

principais: materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos ou plásticos.

Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas e naturais, os

mesmos são baseados nos átomos de carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e

em outros elementos não metálicos, alguns tipos de polímeros são plásticos e borracha

que são do tipo polímeros sintéticos e couro, seda e chifre são constituídos de

macromoléculas orgânicas naturais.

Uma característica importante dessas macromoléculas é que seu formato não é definido

podendo ela assumir um número quase infinito de formas.

O mero em um polímero é uma única molécula de hidrocarboneto e são formadores de

uma longa cadeia de meros juntos para a formação de um polímero.

Os polímeros normalmente são alternativas leves e de baixo custo aos metais nas

aplicações de desenho estrutural, apesar de suas limitações os polímeros são materiais

muito versáteis e úteis.

Quando se fala de comportamento mecânico os polímeros podem ser classificados como

plásticos, elastômeros e fibras. Essa classificação é retirada do valor obtido do módulo

elástico de cada tipo de material.

Cada material possui suas características básicas que são plasticidade e mobilidade para

os plásticos, elasticidades para os elastômeros e ductilidade para as fibras.

3.2 Resinas Epoxídicas

Resinas epoxídicas são compostos caracterizados pela presença de pelo menos dois

grupos epoxídicos tendo a capacidade de se transformarem em uma cadeia polimérica

tridimensional de característica termorrígida. Estes grupos são formados por um anel de

três membros conhecidos como epóxido ou simplesmente epóxi, exemplificado na

Figura 1.

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Figura 1 - Grupo epoxídico

As resinas epóxi convertem-se em polímeros termorrígidos, a partir de um estado

líquido, por um processo chamado reação de cura, após mistura de endurecedores

(agentes de cura). Esta reação de cura pode ser realizada tanto à temperatura ambiente

como à altas temperaturas, dependendo do tipo de produto utilizado na reação ou de

suas propriedades físicas e mecânicas.

Este tipo de resina epoxídica, está presente nas matrizes poliméricas mais utilizadas em

compósitos encontradas nas indústrias automobilísticas, de construção e aeroespacial,

sendo que o pré-polímero mais usado é o Diglicidil éter de bisfenol - A (DGEBA)

(ROMÃO et al, 2003).

Cerca de 90% das resinas epóxi comerciais são derivadas a partir da reação do bisfenol -

A (2, 2 – di (4‟ – hidroxifenil) propano) e epicloridrina (1-cloro-2,3-epóxi propano).

Essa reação produz a resina diglicidil éter de bisfenol – A (DGEBA), tendo sua

estrutura química representada na Figura 2.

Figura 2 - Estrutura química do diglicidil éter de bisfenol A

Algumas características dessas resinas são muito importantes como o peso molecular é

imensurável (insolúvel), adesividade, resistência à abrasão, baixa contração após a

aplicação do agente de cura, a densidade varia entre 1,15 – 1,20 g/cm3 e possuem tom

amarelado e transparente.

As resinas epoxídicas também apresentam outras excelentes propriedades mecânicas

quando associada às fibras de reforço, por exemplo: boa impregnação, estabilidade

dimensional, baixa concentração de cura e bom comportamento térmico.

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São aplicados geralmente em compósitos de fibra de vidro e carbono inseridos na

indústria aeronáutica, em componentes de equipamentos elétricos até mesmo em moldes

e matrizes. Apesar de estarem inseridas em muitas aplicações, estas resinas apresentam

baixa resistência à propagação de trincas.

As resinas epoxídicas comerciais são classificadas em três tipos: cadeias alifáticas,

cicloalifáticas ou aromáticas. A Tabela 1 ilustra essas resinas comerciais.

Tabela 1 - Resinas epoxídicas comerciais

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3.3 Agentes de cura

O processo de cura de uma resina termorrígida é considerado complexo, fazendo com

que haja mudanças nas propriedades químicas e físicas de uma determinada mistura

resina/endurecedor (agente de cura). O conhecimento das relações de mistura e taxa de

cura é muito importante para se conhecer a morfologia, propriedades mecânicas e

durabilidade do compósito final.

“Os agentes de cura são compostos capazes de promover a abertura do anel epoxídico

da resina, por meio de uma reação denominada reação de cura. O produto desta reação e

uma resina epoxídica com cadeia tridimensional rígida, insolúvel e infusível que

apresenta excelente desempenho e boas propriedades mecânicas‟ (RANGEL, 2006).

Os agentes de cura são classificados em dois tipos: agentes de cura a frio e agentes de

cura a quente. No caso dos agentes de cura a frio, ocorre a polimerização rapidamente e

à temperatura ambiente, já com o agente de cura à quente a polimerização pode ocorrer

em temperatura ambiente mais de forma mais rápida entre 120 e 250°C.

Os principais produtos usados pela indústria são: aminas alifáticas, aminas ciclo

alifáticas, aminas aromáticas entre outras. No caso desse trabalho, será usada a amina

alifática trietilenotetramina (TETA). A Tabela 2 relaciona as principais aminas

utilizadas como agente de cura no mercado.

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Tabela 2: Agentes de curas comerciais

A Tabela 3 compara as vantagens e desvantagens de cura dessas aminas nas resinas epoxídicas.

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Tabela 3: Vantagens e desvantagens e aplicações de resinas epóxi curadas com aminas

As aminas alifáticas são em sua maioria, líquidos de baixa viscosidade com odor

característico e irritante, são moléculas muito voláteis, que reagem através dos seus

radicais livres de hidrogênio. Propiciam a cura à temperatura ambiente, tem baixo custo

e de fácil mistura com resinas.

Os agentes de cura possuem outro tipo de classificação, originando os catalíticos ou os

coreativos. Os catalíticos funcionam como um iniciador para a homopolimerização da

resina epóxi (Figura 3) enquanto que os agentes de cura coreativos atuam como um

monômero no processo de polimerização (Figura 4).

Figura 3 - Reação de cura catalítica entre grupos epóxi

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Figura 4 - Reação de cura entre grupos amina e grupos epóxi

Quando a resina DGEBA é curada com aminas alifáticas, as aminas primárias reagem

duas vezes mais rápido que as aminas secundárias. As aminas aromáticas reagem à cura

de forma muito mais lenta em relação às aminas alifáticas.

3.4 Fibras

3.4.1 Fibras Sintéticas

As primeiras fibras sintéticas que inicialmente eram obtidas através do petróleo e carvão

mineral começaram a ser lançadas no fim do século XIX, porém foram desenvolvidas e

aplicadas no século XX. Um exemplo disso é o náilon que foi desenvolvido em 1935,

utilizado inicialmente em paraquedas, posteriormente em meias e em vestuário em

geral.

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As fibras sintéticas apresentam uma vantagem sobre as fibras naturais, pois possuem

maior resistência ao ataque de produtos químicos e do calor. Grande parte destas fibras

caracteriza-se por uma baixa absorção de umidade, como o nylon que absorve menos de

4% comparado com fibras como a de algodão que absorve cerca de 8% de umidade

relativa.

3.4.1.1 Fibra de vidro

Atualmente a fibra de vidro é uma das fibras sintéticas mais utilizadas como reforço de

materiais compósitos, além de serem materiais amorfos, ou seja, que não possuem

forma determinada possuem um baixo coeficiente de expansão térmica, baixo custo e

facilidade de processamento. A Figura 5 ilustra uma fibra de vidro.

Figura 5 – Fibra de Vidro

Alguns dos objetivos principais da adição da fibra de vidra aos materiais compósitos são

melhorias nas propriedades mecânica do material, algumas delas são: o aumento na

resistência à tração, maior rigidez e resistência à fluência.

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A fibra de vidro atualmente é vista como um material excelente e utilizado na

elaboração de materiais isolantes. Estas fibras possuem algumas vantagens como ser um

material incombustível e possuir uma grande resistência.

Comparado à fibra de carbono a fibra de vidro é tão bom quanto, ou até melhor, isso

dependendo da aplicação, lembrando sempre que a fibra de vidro é de duas a seis vezes

mais barato quando comparada à fibra de carbono.

Devido às diversas melhorias nas características mecânicas, como maior LRT e menor

densidade, os compósitos poliméricos reforçados com fibras e vidro e carbono, cada vez

mais estão sendo empregados no mercado automotivo. Porém para se firmarem nesse

mercado eles precisam de preços mais competitivos perante o alumínio e aço.

3.4.2 Fibras naturais

Nos dias atuais há uma forte tendência mundial em valorizar produtos e materiais que

sejam corretos no ponto de vista ambiental. Visto que a expansão tecnológica e a

crescente demanda industrial estão trazendo consequências irreparáveis para o planeta,

o conceito da sustentabilidade interfere na busca por materiais que não prejudiquem

nossa flora.

Atualmente, o uso de fibras naturais como curauá, sisal, rami, coco, cana-de-açúcar e

juta, como reforço de compósitos poliméricos está tendo um expressivo crescimento.

Além de servirem como reforço, as fibras naturais são bastante abundantes em nossa

flora, não toxicas, de baixo custo, são providas de fontes renováveis, são

biodegradáveis, baixa densidade e de tratamento e processamento simples.

Visto que, se forem encaminhadas para pesquisas e desenvolvimento de novos materiais

compósitos, a produção de fibras naturais podem elevar o número de empregos no

campo e impulsionar o setor econômico agrícola.

Nas últimas décadas, a incorporação de fibras naturais em materiais frágeis é cada vez

mais utilizada com o intuito de melhorar as propriedades mecânicas do compósito,

como a redução do número de fissuras e sua velocidade de propagação.

Fatores esses, que contribuem para uma significante substituição de materiais derivados

do petróleo por fibras naturais e seus compósitos e um enorme potencial de aplicação na

indústria automobilística, introduzindo essas fibras no revestimento interno de veículos

automotores e em materiais da construção civil.

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3.4.2.1 Fibra de Sisal

A fibra de sisal é obtida através das folhas do Agave sisalana (Figura 6), Agave

veracruz ou Agave cantala (SENAI/BA, 2005). É uma importante fibra nacional

utilizada principalmente em artesanatos, cordoarias e compósitos moldados por

compressão de fibra com a matriz.

A fibra de sisal é considerada leve, atóxica, que apresenta alto módulo e resistência

específica e tem um custo dez vezes menor que a fibra de vidro. Apresentando

vantagens como a facilidade de modificação superficial, grande produção brasileira e

facilidade no cultivo. Considerada um polímero natural é constituída basicamente por

celulose, hemicelulose e lignina, contribuindo para uma boa resistência mecânica.

Figura 6 - Plantação de sisal

Os compósitos com base em fibras de sisal possuem elevada resistência ao impacto,

além de possuir moderada resistência à tração e flexão quando comparada a outros

compósitos reforçados com fibras naturais. A Tabela 4 apresenta algumas propriedades

mecânicas do sisal comparado a outras fibras vegetais

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Tabela 4 - Propriedades de algumas fibras naturais

Atualmente a indústria automobilística está substituindo as fibras derivadas do petróleo

por fibras de sisal. Ganhando espaço em grandes empresas automobilísticas como a

Mercedes Benz e a General Motors e países desenvolvidos como o Estados Unidos e

China.

O Brasil deve incentivar o cultivo e projetos oportunos que envolvem matérias-primas

de origem vegetal, agregando valor a estes produtos. Pois possui condições climáticas

favoráveis à agricultura e solos férteis em abundância.

3.4.2.2 Fibra de Cana-de-açúcar

As fibras de bagaço de cana-de-açúcar (Figura 7) apresentam as seguintes

características: massa específica de 300 a 400 kg/m³, diâmetro de 0,2 a 0,4 mm,

comprimento variando de 26 a 300 mm, resistência à tração de 170 a 290 Mpa, módulo

de elasticidade de 15 a 19 GPa com absorção de água variando de 70 a 78,5%.

Figura 7 - Fibras de cana-de-açúcar alinhadas

A fabricação de compósitos reforçados com fibras de cana-de-açúcar pode vir a

substituir fibras artificiais e sintéticas, em vez de ser apenas reaproveitado para queima

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em caldeiras industriais para geração de energia. Pois apresenta muitas vantagens como

baixa densidade, alta deformabilidade, baixa abrasividade aos moldes, viscoelasticidade

e ampla distribuição.

3.4.2.3 Fibra de Curauá

O curauá (Ananas erectifolius), cultivado as margens dos rios Amazônicos produz uma

fibra de alta resistência, que quando aplicada como reforço em uma matriz polimérica,

originam materiais de baixa densidade e grandes variedades de aplicações

As fibras extraídas são relativamente macias e com elevada resistência mecânica

(Figura 8), comparativamente com outras fibras lignocelulósicas, estando entre as

quatro mais rígidas mundialmente conhecidas. Atualmente fibras picadas de curauá

estão sendo introduzidas como reforço em matriz de polipropileno para compósitos

utilizados no teto e na parte interna do compartimento de bagagem de automóveis como

o Fox e o Polo da Wolkswagen do Brasil.

Figura 8 - Fratura de uma fibra de curauá em ensaio de tração

Com base na densidade, os compósitos contendo fibras de curauá podem apresentar

uma redução de peso de até 15% em comparação com compósitos reforçados com fibras

sintéticas, como fibra de vidro, mantendo as mesmas propriedades mecânicas.

3.4.2.4 Fibras de buriti

Presente principalmente no cerrado brasileiro e em planícies alagadas do Centro, Norte

e Nordeste do Brasil, a palmeira chamada buriti (Mauritia flexuosa) da família

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Arecaceae é muito importante na preservação da fauna, pois seus frutos alimentam aves

e mamíferos. A Figura 9 ilustra a fibra de buriti de forma trançada.

Figura 9 - Compósito trançado de fibra de buriti

Buriti na língua indígena significa "a árvore que emite líquidos" ou "a árvore da vida".

Considerada sagrada pelos índios por dela se fazer tudo o que é necessário para a

sobrevivência, a casa, os objetos e a alimentação.

M. flexuosa (Figura 10) é explorada por populações indígenas e extrativistas,

mostrando-se muito viável economicamente. No entanto, esta espécie de palmeira ainda

é pouco pesquisada em relação ao seu manejo.

Figura 10 - Mauritia flexuosa (buriti)

Apesar de não possuir características morfológicas para o perfil papeleiro, a fibra de

buriti (Figura 11) pode ser empregada na produção de papel Kraft, pois possui bons

índices de resistência físico-mecânica.

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Figura 11 - Fibra de buriti 30

3.5 Ciclodextrinas

As ciclodextrinas (CDs) são carboidratos compostos de unidades de glicose (α-D-

glucopiranose) agregadas por ligações tipo α-1,4. É possível obter ciclização de seis,

sete ou oito unidades de glicose por meio da modificação enzimática (Figura 12),

originando assim a α, β e γ-CD respectivamente (CEREDA, 2002).

Figura 12 - Representação da estrutura química da ciclodextrina

Esta ciclização é feita pela enzima ciclodextrina glucanotransferase (CGTase),

sintetizada principalmente do Bacillus macerans, além de outros. A CGTase apresenta a

propriedade de transformar a cadeia linear de amido em moléculas cíclicas.

A ciclodextrinas apresentam cavidade interna hidrofóbica, mas externamente são

hidrofílicas. Têm a propriedade de formar complexos de inclusão com uma variedade de

substâncias, mudando as suas características físicas e químicas (Tabela 5). O aumento

constante da aplicação da CD nas indústrias de cosméticos, alimentos, farmacêuticas,

produtos agroquímicos e plásticos, justifica a importância desta propriedade.

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Um dos vários efeitos de encapsulação de compostos de CDs é a proteção contra

oxidação, degradação pela luz, calor, perdas por volatilidade e o aumento de

solubilidade de produtos fármacos.

Estudos realizados sobre a toxicidade da ciclodextrina em ratos e cachorros, durante 52

semanas indicaram efeito não tóxico ao nível de 12.500 ppm em ratos (equivalente a

654 ou 864 mg/Kg/dia para machos e fêmeas, respectivamente) e 50.000 ppm em

cachorros (equivalente a 1831 ou 1967 mg/Kg/dia para machos e fêmeas,

respectivamente).

A Tabela 5 relaciona algumas dessas propriedades físico-químicas e toxicológicas dos

três tipos de ciclodextrinas.

Tabela 5 - Propriedades físico-químicas e toxicológicas das ciclodextrinas

A fécula e o farelo de mandioca são substratos em potenciais para a produção de CDs,

possuindo 95% e 60% de amido respectivamente. As principais fecularias do Brasil

estão concentradas nos Estados do Mato Grosso do Sul, São Paulo e Paraná.

Dentro deste contexto, o etanol também pode ser utilizado na produção de CDs,

possuindo várias vantagens como: ser praticamente inofensivo, pode ser evaporado e

reutilizado, sua presença durante o processo de produção previne contaminações

microbianas e reações hidrolíticas. Além disso, o Brasil é responsável por um quarto da

produção mundial de cana-de-açúcar, sendo a principal fonte de etanol atualmente.

Foram registrados até março de 2007, 39.679 publicações e patentes referentes às

ciclodextrinas (Figura 13). Além de 1.000 artigos e resumos produzidos anualmente,

grande parte dedicada a aplicações farmacêuticas.

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Figura 13 - Número de publicações relacionadas com as ciclodextrinas (barras brancas) e aplicações farmacêuticas envolvendo solubilização (barras pretas).

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3.6 Materiais Compósitos

Um grupo importante que é composto por combinações individuais de alguns tipos de

materiais são os materiais compósitos, um dos exemplos mais comuns desse grupo é a

fibra de vidro, que é composto das melhores propriedades de cada componente.

A combinação da resistência da fibra de vidro com a ductilidade da matriz de polímeros

pode gerar um material forte e capaz de suportar grandes cargas.

Os materiais compósitos são também conhecidos como materiais conjugados ou

materiais compostos, por serem materiais projetados de modo a conjugar características

desejáveis de dois ou mais materiais. A matriz pode ser polimérica, metálica ou

cerâmica.

Esses materiais se dividem em compósitos laminados, particulados e fibrosos. Os

compósitos fibrosos possuem vários tipos diferentes como os compósitos de fibras

contínuas, os de tecidos, os de fibras cortadas e os híbridos, esses tipos são conforme

sua aplicação. A Figura 14 representa compósitos reforçados com fibras contínuas e

cortadas.

Figura 14 - Representações de compósitos reforçados com fibras (a) contínuas e alinhadas, (b) descontínuas e alinhadas e (c) descontínuas e aleatoriamente orientadas.

A maioria dos materiais compósitos são feitos pelo homem, como as fibras de vidro e de

carbono que são uma combinação de um material resistente com as fibras, mais também

podem ser encontrados na natureza como é o caso da madeira que é um compósito de

longas fibras de celulose juntamente com uma matriz resinosa de lignina.

Os materiais compósitos estão sendo utilizados cada vez mais em aplicações de alta

solicitação mecânica, como estruturas aeronáuticas, devido sua alta relação resistência-

peso e sua alta resistência à temperatura e à corrosão.

Outra razão dos compósitos estarem se tornando muito populares e aplicações

automotivas, aeronáuticas e aeroespaciais, são:

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Altas razões de resistência por peso, até cinco vezes maiores que aqueles de aços de alta

resistência, podem ser conseguidos. Da mesma forma, podem ser obtidas altas razões de

rigidez por pesos até mesmo oito vezes maiores que aquelas de metais estruturais.

Os materiais compósitos na maior parte deles são constituídos de dois materiais, o

reforço que também pode ser chamado de enchimento e uma matriz.

O reforço busca rigidez e resistência ao material, já a matriz busca deixar o material

mais coeso e serve para transferir carga entre os reforços descontínuos. Fibras

contínuas, cortadas miúdas e particuladas são os reforços mais comuns, no caso das

matrizes as mais comuns são as resinas plásticas, porém usam-se também outros

materiais, entre eles os metais.

3.7 Ensaios de tração

Para que seja possível utilizar um material, com segurança em alguma aplicação, é

necessário entender o comportamento mecânico do mesmo. Sendo que a única forma de

determinar o comportamento desse material e suas características quando são

influenciados por cargas, é através de um ensaio de tração com corpos de prova,

fornecido por uma máquina de teste.

Uma máquina de ensaio de tração é constituída basicamente de duas garras, um

elemento de medida preso na garra e um sistema de processamento e armazenagem de

dados, estes mostrados normalmente em forma de gráficos e tabelas, como

exemplificado na Figura 15.

Figura 15 - Máquina de teste de tração com sistema automático de processamento de dados.

O ensaio de tração é um dos mais utilizados para a determinação de propriedades

mecânicas, pois é feito de forma simples. Neste tipo de ensaio o corpo de prova é

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submetido a uma força de tração que tende a esticá-lo. Sendo que durante todo o ensaio

são medidas as forças aplicadas na máquina de teste e a deformação do material até a

sua ruptura total.

Padronizados pela American Society for Testing and Materials (ASTM) os corpos de

prova poliméricos possuem formato de gravata, pois este formato propicia o surgimento

da falha entre as marcas e não próximo às garras, como mostrada na Figura 16.

Figura 16 - Geometria do corpo de prova utilizado em ensaios de tração de polímeros

Quando se trata de um novo compósito polimérico, consequentemente não existem

propriedades mecânicas catalogadas para fins de pesquisa e aplicações. De forma que

uma quantidade razoável dessas propriedades pode ser obtida através do ensaio de

tração, tais como módulo de elasticidade, resistência à propagação de trincas, resistência

à tração, tenacidade e resiliência.

3.7.1 Ensaio de tração em polímeros termorrígidos

Por apresentarem ligações primárias covalentes entre os átomos da cadeia principal e

ligações secundárias fracas como forças de Van der Walls, os polímeros possuem uma

resistência mecânica inferior ao dos materiais metálicos e cerâmicos. Ao contrário dos

polímeros os materiais metálicos e cerâmicos apresentam ligações primárias fortes, no

caso dos metais ligações metálicas e dos materiais cerâmicos, ligações iônicas e

covalentes.

Fazendo a comparação entre os polímeros termorrígidos, termoplásticos e metais, os

termorrígidos possuem uma baixa elongação e elevado módulo de elasticidade quando

comparado aos termoplásticos ou metais. Por não atingirem a região plástica os

polímeros termorrígidos são considerados materiais frágeis.

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Através da Figura 17 pode-se verificar que uma das características dos materiais frágeis

como os polímeros termorrígidos é a quase inexistência da parte plástica no gráfico

tensão x deformação.

Figura 17 – Gráfico tensão x deformação para material frágil

3.7.2 Propriedades Mecânicas obtidas pelo Ensaio de Tração

3.7.2.1 Tensão-Deformação no ensaio de tração

Com o teste de tração é possível obter dados, que objetivam calcular diversos valores de

tensão e a deformação correspondentes do corpo de prova e depois construir alguns

gráficos com os resultados. A curva resultante do gráfico é denominada diagrama

tensão-deformação, que pode ser descrita de duas maneiras.

Essa maneira é obtida a tensão de engenharia dividindo a carga aplicada P pela área da

seção transversal inicial do corpo de prova Ao.

σ= PA0

(1)

Ou a deformação de engenharia encontrada, dividindo-se a variação no comprimento de

referencia , após o teste de tração, pelo comprimento de referencia inicial.

ε= δL0

3.7.2.2 Resiliência

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A resiliência e capacidade do material em absorver energia quando este é deformado

elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada. Essa

propriedade mecânica pode ser obtida através da área sob a curva do gráfico tensão-

deformação até o escoamento do material em questão. O cálculo da resiliência é feito

conforme a equação 3.

U R=σe

2

2 E(3)

Onde Ur representa a energia de deformação por unidade de volume e σ e é a tensão no

limite de proporcionalidade.

3.7.2.3 Módulo de elasticidade ou Young (E)

O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material: quanto maior o módulo,

maior será o ângulo de inclinação do gráfico tensão versus deformação na deformação

elástica, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais

rígido será o material.

3.7.2.4 Tenacidade

A tenacidade é a propriedade mecânica relacionada com a energia necessária para

romper o material, o que para polímeros termorrígidos é praticamente igual à resiliência,

pois o polímero tem a característica de se romper antes de atingir a região plástica. Um

método de se obter a tenacidade é calculando a área sobre a curva do gráfico tensão -

deformação até o momento de ruptura do material, através da integral da curva gráfica,

como exemplificado na Figura 18.

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Figura 18 - Módulo de tenacidade de um material, (a) dúctil e (b) frágil

3.7.2.5 Resistência à propagação de trincas (K1C)

O ensaio K1C é empregado para materiais frágeis em que a condição de comportamento

linear elástico até a ruptura é valido. As principais normas técnicas que tratam dos

ensaios K1C são a ASTM E399 e a BS 7448-199. Com a possibilidade de se obter a

habilidade do material em resistir a alguma fratura, quando a presença de trinca, com

equação abaixo

Onde Pb é a tensão no momento da fratura, B e w são a espessura e a largura da amostra

e a é o comprimento da trinca induzida no corpo de prova.

Os ensaios de resistência à propagação de trincas são realizados frequentemente em

materiais frágeis, onde no corpo de prova a ser ensaiado é feita uma trinca normalizada

(Figura 19), induzindo uma concentração de tensão no material, que é tracionado até

romper-se.

Figura 19 - Modelo de corpo de prova utilizado em ensaios K1C

30

4. METODOLOGIA

4.1 Resina epoxídica e agente de cura utilizados

A resina epoxídica a ser utilizada na fabricação dos corpos de prova possui nome de

diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA) comercialmente conhecida como Araldite F.

O agente de cura é classificado como uma amina alifática, chamado de

trietilenotetramina (TETA), o fabricante escolhido produz o nome de ARADUR HY

951. Apresenta aspecto e cor segundo a escala Gardner como Claro 2, peso específico

de 0,97 g/cm3 a 20ºC, índice de amina de 1400 - 1458 mg KOH / g e viscosidade de

30mPas.

Além do baixo custo, a TETA também apresenta alta reatividade, reage à temperatura

ambiente, ao contrário de outras resinas onde há necessidade de aquecimento e é

incolor.

4.2 Fibras de buriti

As fibras de buriti serão adquiridas por meio de uma indústria especializada em

comércio de fibras naturais. As mesmas vieram em forma de “corda”, como mostra a

Figura 20, trançadas e variando de 80 cm a 100 cm de comprimento.

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Figura 20 - Fibras de buriti a serem utilizadas

As fibras foram desentrelaçadas e passaram por um processo de limpeza de impurezas

(pequenas pedras, terra, poeira...). Após esse procedimento, sobre uma bancada, foi

feito a separação das fibras por uniformidade de tamanho e espessura, buscando evitar

problemas posteriores na adesão da fibra na matriz epóxi.

As fibras serão cortadas em tamanhos de 1, 2 e 3 cm por meio de tamanhos padrões,

reservados separadamente em recipientes plásticos fechados e identificados. Para as

fibras contínuas o procedimento será similar.

4.3 Utilização da ciclodextrina

A ciclodextrina (CD) utilizada será a do tipo β, por ser encontrada mais facilmente do

mercado, ser de baixo custo em comparação aos outros tipos de CD e a possibilidade da

redução na propagação de trincas do material, já que quando a resina epóxi é curada, a

mesma se torna pouco resistente a essa propagação de trincas.

4.4 Composição dos compósitos

Para determinar quais porcentagens em massa de fibra seria mais adequado distribuir

nos corpos de prova. Os primeiros serão realizados em ordem decrescente de

porcentagem de fibras para evitar a saturação de fibras no compósito.

As montagens dos corpos de prova será feita na seguinte ordem: DGEBA/% fibras

picadas, DGEBA/% fibras contínuas, DGEBA/ ciclodextrina. A resina epoxídica

(DGEBA/TETA) será misturada às fibras picadas e contínuas, em porcentagens de 1%,

3%, 5%, 7% e 10% em massa. Ao serem feitos os primeiros testes de fabricação dos

corpos de prova, será constatado qual a porcentagem de saturação das fibras no molde.

A mistura DGEBA/ ciclodextrina será feita com porcentagens em massa de 1%, 2%,

3%, 4%, 5% e 7%.

Será utilizado como agente de cura uma amina alifática de nome comercial ARADUR

HY 951, pois o mesmo apresenta algumas vantagens que seriam adequadas à pesquisa,

tais como baixa viscosidade e cura a temperatura ambiente.

Para efeito de comparação, será realizada uma mistura contendo a resina epoxídica

(DGEBA/TETA) somente com o agente de cura sem o reforço das fibras.

32

Tendo todos os ensaios de tração feitos e analisados os dados de cada mistura

separadamente, serão fabricados os corpos de prova finais unindo-se os que tiveram as

melhores propriedades da mistura (DGEBA/% fibras) com a (DGEBA/ %

ciclodextrina), para obter a combinação entre porcentagem de fibras e de ciclodextrina.

4.5 Produção dos compósitos

Antes da preparação dos corpos de prova, será utilizado um papel alumínio entre a base

e o molde, para evitar que o corpo de prova ficasse em contato com a base metálica.

Para facilitar a retirada do corpo de prova da estrutura do molde, será utilizado um

desmoldante (Desmol - Vedacit).

O próximo passo será adicionar manualmente as fibras no molde, antes da aplicação da

resina epoxídica.

Utilizando uma balança de precisão,a resina epóxi DGEBA e o agente de cura TETA

será pesada, respeitando as proporções exigidas pelo fabricante, e a ciclodextrina nas

suas proporções mencionadas anteriormente. Em um recipiente metálico, será feita uma

mistura com os dois componentes com a ajuda de uma colher por aproximadamente 1

minuto.

Por último será adicionado a mistura DGEBA/TETA ao molde (Figura 21), já com as

fibras pré-dispostas. Então o molde ficará em repouso por volta de 4 a 5 horas para que

a reação de cura se complete.

Figura 21 – Molde para confecção dos corpos de prova de tração

4.6 Ensaios mecânicos

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Os corpos de prova nas dimensões apresentadas figura 22 serão ensaiados a temperatura

ambiente. O ensaio de tração, para a obtenção de gráficos e da maioria das propriedades

mecânicas será feito seguindo a norma internacional ASTM E399 (1990), com uma

velocidade de 1 mm/min em uma máquina universal emic DL 200, com célula de carga

de 50 kgf com célula de carga de 20 KN (Figura 22). Para cada tipo de compósito, serão

feitos no mínimo 4 ensaios de tração para se obter uma média.

Figura 22 - Máquina universal Emic DL 200

A dimensão dos corpos de provas para o ensaio de tração está ilustrado na figura 23

Figura 23 - Dimensões do corpo de prova para polímeros

Para a determinação do K1C, foi utilizada a mesma norma ASTM E399 (1990) para

tração. Uma trinca será induzida no corpo de prova final e posteriormente realizado o

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ensaio. A máquina utilizada para o ensaio de K1C será a mesma do ensaio de tração,

máquina universal Emic DL 200 com célula de carga 50kgf.

5. Bibliografia

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