Compsito de resina poliuretano derivada de leo de mamona e fibras vegetais.

Rosana Vilarim da Silva

Tese apresentada rea Interunidades em Cincia e Engenharia de Materiais, da Universidade de So Paulo, para obteno do ttulo de Doutor em Cincias e Engenharia de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Dirceu Spinelli

So Carlos 2003

Aos meus pais, Manoel e Severina, irmos e amigos pelo apoio e incentivo.

AGRADECIMENTOS

Meu maior agradecimento aos professores Dr. Dirceu Spinelli e Dr. Waldek

Wladimir Bose Filho pela orientao, amizade e confiana durante os anos de

convvio.

Ao Prof. Dr. Gilberto Oriovaldo Chierice, ao pesquisador Dr. Salvador Claro

Neto e ao Toninho, ambos do GQATP-IQSC, pelo fornecimento da resina, por

permitir a utilizao dos equipamentos do seu laboratrio e pelas indispensveis

sugestes na utilizao da resina.

Ao Prof. Dr. Elias Hage Jr. por permitir a utilizao dos equipamentos de

DMTA e de ensaios mecnicos e ao amigo Nelson pela ajuda na realizao dos

ensaios de DMTA.

s indstrias LWARCEL - Celulose e papel Ltda e Diniz S/A - Fbrica de

vassouras e capachos, que doaram as fibras de sisal e coco, respectivamente.

Aos amigos Neilor, Geraldo e Volnei do Departamento de Engenharia

Mecnica pela amizade e grande ajuda no incio da realizao deste trabalho.

Ao amigo Douglas de Brito e ao Prof. Dr. Sergio Campana do IQSC pela

realizao de experimentos de anlises trmicas.

Sandra Patrcia pelas sugestes na realizao do tratamento das fibras.

Aos tcnicos do Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronutica e

Automobilstica, Tico, Silvano, Joo, Pedro e Alberto pela ajuda na realizao do

trabalho experimental.

s secretrias, Regina, Ana, Eliete e Lcia pelos servios prestados.

s bibliotecrias Eleninha e Elenise pelos servios prestados.

Aos amigos e companheiros de trabalho, Ricardo, Heloisa, Cassius,

Marcelo, Falco, Nei e Omar pela amizade e auxlio.

Aos alunos de iniciao cientfica Carlos, Leandro e Guilherme pela grande

ajuda nas ltimas etapas do trabalho.

Ao amigo Andr Paschoal pela ajuda na fotografia dos corpos de prova e

equipamentos.

Ao amigo Marcelo Ueki do Dema-UFSCar pela amizade e sugestes no

trabalho.

Aos amigos Helaine, Ingrid, Lucineide e Andr Itman pela pacincia e

grande amizade.

FAPESP, processo 98/13405-7, pelo apoio financeiro.

SUMRIO

PUBLICAES __________________________________________________________________ i

LISTA DE FIGURAS _____________________________________________________________ ii

LISTA DE TABELAS _____________________________________________________________ vi

LISTA DE ABREVIATURAS OU SIGLAS___________________________________________ vii

LISTA DE SMBOLOS __________________________________________________________ viii

RESUMO_______________________________________________________________________ ix

ABSTRACT _____________________________________________________________________ xi

1. INTRODUO ________________________________________________________________ 1

2. FUNDAMENTAO TERICA E REVISO BIBLIOGRFICA_______________________ 3

2.1 Materiais Compsitos _______________________________________________________ 3 2.1.1 Definio e Classificao ________________________________________________ 3 2.1.2 Compsitos Polimricos Reforados por Fibras_____________________________ 4 2.1.3 Moldagem por Compresso______________________________________________ 5 2.1.4 Propriedades Mecnicas de Compsitos Polimricos e Ensaios Normatizados. _ 6

2.2 Fratura em Polmeros e Compsitos____________________________________________ 9 2.2.1 Introduo_____________________________________________________________ 9 2.2.2 Mecnica da Fratura Aplicada aos Polmeros _____________________________ 10 2.2.3 Fratura em Compsitos ________________________________________________ 14

2.2.3.1 Tenacidade Fratura de Compsitos _____________________________ 16

2.3 Resinas Poliuretano ________________________________________________________ 20 2.3.1 Histrico e Aplicaes__________________________________________________ 20 2.3.2 Reao de Polimerizao ______________________________________________ 21

2.4 Fibras Vegetais ____________________________________________________________ 22 2.4.1 A Fibra de Sisal _______________________________________________________ 27 2.4.2 A Fibra de Coco_______________________________________________________ 29 2.4.3 Mtodos de Modificao Superficial das Fibras Vegetais____________________ 31 2.4.4. Efeito do Tratamento Alcalino nas Fibras Vegetais ________________________ 34

2.5 Compsitos Polimricos Reforados com Fibras Vegetais _________________________ 36

2.6 Anlise Trmica Dinmico-Mecnica (DMTA)__________________________________ 41

3. MATERIAIS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL _______________________________ 45

3.1 Materiais _________________________________________________________________ 45 3.1.1 Resina Poliuretano ____________________________________________________ 45 3.1.2 Fibras de Sisal e Coco _________________________________________________ 45 3.1.3 Reagentes ___________________________________________________________ 47

3.2 Procedimento Experimental _________________________________________________ 48 3.2.1 Tratamento Alcalino das Fibras de Sisal e Coco ___________________________ 48 3.2.2 Moldagem dos Corpos de Prova de Resina Poliuretano_____________________ 48 3.2.3 Moldagem dos Compsitos _____________________________________________ 49 3.2.4 Ensaios de Trao e Flexo ____________________________________________ 52 3.2.5 Tenacidade Fratura __________________________________________________ 53

3.2.5.1 Confeco dos Corpos de Prova _________________________________ 53 3.2.5.2 Ensaio de Tenacidade Fratura da Resina Poliuretano _______________ 54 3.2.5.3 Ensaio de Tenacidade Fratura dos Compsitos ____________________ 56

3.2.6 Ensaio de Impacto Charpy______________________________________________ 56 3.2.7 Ensaio de Absoro dgua _____________________________________________ 57 3.2.8 Anlise Trmica Dinmico Mecnica _____________________________________ 57

3.2.9 Anlise da Superfcie de Fratura dos Corpos de Prova _____________________ 57 3.2.10 Determinao da Frao Volumtrica ___________________________________ 58

4. RESULTADOS E DISCUSSO __________________________________________________ 59

4.1 Tratamento Alcalino das Fibras de Sisal e Coco _________________________________ 59

4.2 Propriedades Mecnicas em Trao___________________________________________ 64

4.3 Propriedades Mecnicas em Flexo ___________________________________________ 79

4.4 Tenacidade Fratura_______________________________________________________ 85 4.4.1 Tenacidade Fratura da Resina Poliuretano ______________________________ 85

4.4.1.1 Morfologia da Superfcie de Fratura_______________________________ 88 4.4.2 Tenacidade Fratura dos Compsitos ___________________________________ 91

4.5 Resistncia ao Impacto_____________________________________________________ 107

4.6 Absoro dgua__________________________________________________________ 114

4.7 Anlise Trmica Dinmico Mecnica _________________________________________ 119

5. CONCLUSES ______________________________________________________________ 126

6. SUGESTES PARA FUTUROS TRABALHOS ____________________________________ 129

7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ____________________________________________ 130

i

PUBLICAES

SILVA, R. V.; BOSE FILHO, W. W.; SPINELLI, D. Anl ise Trmica

Dinmico Mecnica de um Compsito Derivado da Biomassa. IN: XV

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CINCIA DOS

MATERIAIS, Natal -RN, 2002.

SILVA, R. V.; BOSE FILHO, W. W.; SPINELLI, D. Composites based

on Polyurethane Resin Derived from Castor Oi l and Sisal Weave and

Short Fiber. IN: EIGHTEENTH ANNUAL MEETING OF THE

POLYMER PROCESSING SOCIETY (PPS-18), Guimares,

Portugal, 2002.

SILVA, R. V.; BOSE FILHO, W. W.; SPINELLI, D. Sisal Weave-

Polyurethane Composite: Mechanical and Dynamical Propert ies.

In: FOURTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NATURAL

POLYMERS AND COMPOSITES, So Pedro SP, 2002.

SILVA, R. V.; BOSE FILHO, W. W.; SPINELLI, D. Inf luncia do Tratamento

Alcal ino na Resistncia ao Impacto do Compsito Sisal/Pol iuretano.

In: V SIMPSIO EM CINCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS, So

Carlos SP, 2002.

SILVA, R. V. et al. Pol iuretano Derivado do leo de Mamona

Tenacidade Fratura e Morfologia da Superfcie de Fratura. In: IV

SIMPSIO EM CINCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS, So

Carlos SP, 2001.

SILVA, R. V. et al . Comportamento Mecnico do Compsito

Sisal/Pol iuretano Derivado de leo de Mamona. In: IV XIV

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CINCIA DOS

MATERIAIS, So Pedro - SP, 2000.

ii

LISTA DE FIGURAS Figura 1 Mecanismos de falha em materiais compsitos (Anderson, 1995). ....................... 15 Figura 2 Constituio estrutural de uma fibra vegetal (Rong et al., 2001). ........................... 25 Figura 3 Estrutura da celobiose, unidade repetitiva da celulose (Fengel; Wegener, 1989)............................................................................................................................................................... 26 Figura 4 Foto de uma plantao de sisal (EMBRAPA CNPA, 1997).................................. 27 Figura 5 Seo transversal do fruto do coqueiro (Cempre - Compromisso Empresarial para Reciclagem, 1998). ........................................................................................................................... 30 Figura 6 Foto de um Mercedes classe E com os componentes interiores que utilizam fibras naturais (Suddell, 2002). .................................................................................................................. 38 Figura 7 - Relao entre os vrios parmetros utilizados para expressar os resultados de uma medida dinmico mecnica (Murayama, 1978). .................................................................. 42 Figura 8 - Fibras de sisal e coco nas suas diferentes formas. (a) bobina de fios de sisal, (b) fibras curtas de sisal, (c) tecido de sisal, (d) fibras curtas de coco, (e) fibras de coco penteadas. .......................................................................................................................................... 46 Figura 9 Prensa, estufa e bombra de vcuo utilizadas na fabricao dos compsitos....... 50 Figura 10 (a) aspecto geral e (b) desenho esquemtico do molde utilizado na fabricao dos compsitos. ................................................................................................................................. 50 Figura 11 Canaleta e alinhadores utilizados na moldagem dos compsitos com fios de sisal unidirecionais. ........................................................................................................................... 51 Figura 12 - Dimenses e geometria dos corpos de prova para o ensaio de trao (a) e flexo (b). Obs: Dimenses em milmetros. .............................................................................................. 52 Figura 13 (a) Dimenses do corpo de prova do tipo compacto (CT). (b) Detalhe do entalhe e da pr-trinca, feita com uma lmina de ao, em um corpo de prova de resina poliuretano............................................................................................................................................................... 54 Figura 14 Montagem do extensmetro no corpo de prova do tipo CT. ................................. 55 Figura 15 Superfcie de uma fibra de sisal sem tratamento. Em (a), as marcas transversais decorrem das clulas de parnquema que envolvem a fibra. Em (b), imperfeies e resduos da folha so observados. ................................................................................................................. 60 Figura 16 Superfcie de uma fibra de sisal tratada em soluo de NaOH (10%) por 1h. Em (a) algumas marcas das clulas de parnquema so ainda visveis. Em (b) possvel visualizar as fibrilas que formam a fibra......................................................................................... 60 Figura 17 (a) Superfcie de uma fibra de coco sem tratamento. (b) Superfcie de uma fibra de coco tratada em soluo de NaOH (10%) por 1h. .................................................................. 61 Figura 18 (a) Superfcie de uma fibra de coco tratada em soluo de NaOH (10%) por 24h. (b) Seo transversal de uma fibra de coco tratada em soluo de NaOH (10%) por 24h (imagem obtida da superfcie de fratura do compsito coco/PU ensaiado em trao). A seta indica o lumen. ................................................................................................................................... 62

iii

Figura 19 Curvas da fora em funo do deslocamento obtidas nos ensaios de trao, para o poliuretano e compsitos com fibras curtas de sisal e coco no tratadas (NT), e tratadas (T), em soluo de NaOH (10%). Vff refere-se a frao volumtrica de fibras......... 64 Figura 20 - Curvas da fora em funo do deslocamento obtidas nos ensaios de trao, para o poliuretano e compsitos com reforo de sisal de diferentes geometrias. NT- No tratado, T - tratado em soluo de NaOH (10%). Vff refere-se a frao volumtrica de fibras............................................................................................................................................................... 65 Figura 21 Grficos da resistncia trao (a), mdulo de elasticidade (b), e alongamento total (c), do poliuretano e compsitos com fibras curtas de sisal e coco no tratadas e tratadas em soluo de NaOH (10%). ........................................................................................... 66 Figura 22 - Grficos da resistncia trao (a), mdulo de elasticidade (b), e alongamento total (c), do poliuretano e compsitos com reforo de sisal de diferentes geometrias. .......... 68 Figura 23 - Morfologia de fratura dos corpos de prova de trao de compsitos com fibras curtas de sisal no tratadas, (a), e tratadas em soluo de NaOH (10%), (b). Em (a) as setas pretas indicam o mecanismo de extrao de fibras, em (b) mostram fibras fraturadas sem a ocorrncia de extrao. A seta branca indica uma bolha. .............................................. 71 Figura 24 - Morfologia de fratura dos corpos de prova de trao de compsitos com fibras curtas de coco tratadas em soluo de NaOH (10%). Em (a) v-se vrias fibras com boa aderncia na interface e sem a ocorrncia de extrao, em (b) tm-se a indicao de extrao de fibras e fraca adeso na interface............................................................................. 72 Figura 25 - Morfologia de fratura dos corpos de prova de trao dos compsitos com tecido. (a) Compsito com tecido tratado. (b) Compsito com tecido no tratado. ............................. 75 Figura 26 - Grficos da resistncia flexo (a), e do mdulo de elasticidade em flexo (b), do poliuretano e compsitos com fibras curtas de sisal e coco no tratadas e tratadas em soluo de NaOH (10%). ................................................................................................................. 80 Figura 27 - Grficos da resistncia flexo (a), e do mdulo de elasticidade em flexo (b), do poliuretano e compsitos com reforo de sisal de diferentes geometrias. ......................... 81 Figura 28 - Curvas da fora em funo do deslocamento obtidas no ensaio de tenacidade fratura, para as duas velocidades de carregamento utilizadas. ................................................. 85 Figura 29 - Curvas J-R para a resina poliuretano nas duas velocidades de carregamento utilizadas. ............................................................................................................................................ 86 Figura 30 Foto das superfcies de fratura de corpos de prova de resina poliuretano, ensaiados com velocidades de carregamento de 0,5mm/min (a e b) e 1mm/min (c). As regies I, II e III correspondem ao entalhe usinado, pr-trinca e propagao estvel da trinca (a), respectivamente....................................................................................................................... 88 Figura 31 (a) Superfcie de fratura de um corpo de prova ensaiado com velocidade de carregamento de 0,5mm/min. (b) Ampliao da rea de incio de propagao da trinca. A direo de propagao da trinca indicada pela seta. I, II e III indicam as regies de pr-trinca, propagao estvel e fratura final em nitrognio lquido................................................. 90 Figura 32 (a) Superfcie de fratura de um corpo de prova ensaiado com velocidade de carregamento de 1mm/min. (b) Ampliao da rea de incio de propagao da trinca. A direo de propagao da trinca indicada pela seta. I e II indicam as regies de pr-trinca e propagao estvel da trinca. ...................................................................................................... 90

iv

Figura 33 Corpos de prova do tipo CT, aps o ensaio de tenacidade. (a) compsito com fibras curtas de sisal no tratadas, (b) compsito com fibras curtas de coco no tratadas, (c) compsito com tecido de sisal no tratado. .................................................................................. 92 Figura 34 Superfcie de fratura dos corpos de prova do tipo CT fraturados em nitrognio lquido. As fotos (a), (b) e (c) so de compsitos com fibras curtas de sisal, fibras curtas de coco e tecido de sisal no tratados, respectivamente. As fotos (d), (e) e (f) so dos mesmos tipos de compsitos com fibras tratadas em soluo de NaOH (10%). A seta indica a direo de crescimento da trinca e a linha pontilhada delimita a regio da pr-trinca. ........................ 93 Figura 35 Curvas da fora em funo do deslocamento obtidas dos ensaios de tenacidade, com velocidade de carregamento de 0,5mm/min, para o poliuretano e compsitos com fibras curtas de sisal e coco. NT - No tratadas, T - Tratadas em soluo de NaOH (10%). ................................................................................................................................ 94 Figura 36 - Curvas da fora em funo do deslocamento obtidas dos ensaios de tenacidade, com velocidades de carregamento de 0,5 e 1,0 mm/min, para o poliuretano e compsitos com fibras curtas de sisal e coco no tratadas (NT).................................................................... 94 Figura 37 Curvas da fora em funo do deslocamento obtidas dos ensaios de tenacidade com velocidade de carregamento de 0,5mm/min, para os compsitos com tecido de sisal no tratados, (NT) e tratados, (T), em soluo de NaOH (10%). O nmero de camadas de tecido utilizados na moldagem dos compsitos indicado na legenda. .................................. 95 Figura 38 Influncia do tratamento alcalino na Rigidez (a), e na tenacidade, G-Pmx (b), para os compsitos ensaiados com velocidade de carregamento de 0,5mm/min. A frao volumtrica de reforo dos compsitos com tecido indicada nas colunas do grfico correspondente. ................................................................................................................................. 97 Figura 39 - Superfcie de fratura mostrando a regio de propagao estvel da trinca em compsitos com fibras curtas de sisal no tratadas, (a), e tratadas, (b), em soluo de NaOH (10%)..................................................................................................................................... 100 Figura 40 - Superfcie de fratura mostrando a regio de propagao estvel da trinca em compsitos com tecido de sisal no tratado (a) e tratado em soluo de NaOH (10%). ..... 101 Figura 41 - Superfcie de fratura mostrando a regio de propagao estvel da trinca em compsitos com fibras de coco no tratadas. (a) Viso geral da fratura. (b) detalhe da interface entre fibra e matriz. ......................................................................................................... 102 Figura 42 - Superfcie de fratura mostrando a regio de propagao estvel da trinca em compsitos com fibras de coco tratadas em soluo de NaOH (10%) por 24h. (a) Viso geral da fratura. (b) detalhe da interface entre fibra e matriz com a indicao de desfibrilao (setas). .............................................................................................................................................. 103 Figura 43 Influncia da velocidade de carregamento na Rigidez (a) e na taxa de liberao de energia na carga mxima, G-Pmx (b), para os compsitos com fibras no tratadas. Os nmeros entre parnteses no grfico dos compsitos com tecido correspondem ao nmero de camadas utilizadas na moldagem dos compsitos. ............................................................. 105 Figura 44 Resistncia ao Impacto do poliuretano e compsitos. A linha horizontal que cruza os grficos corresponde ao resultado da resina poliuretano sem reforamento. ....... 108 Figura 45 Corpos de prova Charpy aps os ensaios de impacto. (a) compsitos com fibras curtas de sisal, (b) compsitos com fibras curtas de coco e (c) compsitos com tecido de sisal. NT Fibras no tratadas, T Fibras tratadas. ................................................................. 110 Figura 46 - Superfcie de fratura de corpos de prova Charpy com fibras curtas de sisal no tratadas, (a) e tratadas, (b), em soluo de NaOH (10%). ....................................................... 111

v

Figura 47 - Percentual de gua absorvida em funo do tempo de imerso para o poliuretano e compsitos com fibras curtas de sisal. Os percentuais de frao volumtrica e condio da fibra, no tratada ou tratada em soluo de NaOH (10%), so indicados na legenda. ............................................................................................................................................ 114 Figura 48 - Percentual de gua absorvida em funo do tempo de imerso para o poliuretano e compsitos com fibras curtas de coco. Os percentuais de frao volumtrica e condio da fibra, no tratada ou tratada em soluo de NaOH (10%), so indicados na legenda. ............................................................................................................................................ 115 Figura 49 - Percentual de gua absorvida em funo do tempo de imerso para o poliuretano e compsitos com fibras de sisal de diferentes geometrias. Os percentuais de frao volumtrica e condio da fibra, no tratada ou tratada em soluo de NaOH (10%), so indicados na legenda. ............................................................................................................. 115 Figura 50 (a) Mdulo de armazenamento, (b) Mdulo de perda e (c) tan, em funo da temperatura, para o poliuretano e compsitos com fibras curtas de sisal e coco. Os compsitos so identificados pela frao volumtrica e condio da fibra, no tratada (NT) ou tratada (T). .................................................................................................................................. 120 Figura 51 - (a) Mdulo de armazenamento, (b) Mdulo de perda e (c) tan, em funo da temperatura, para o poliuretano e compsitos com reforo de sisal de diferentes geometrias. Os compsitos so identificados pela frao volumtrica e condio da fibra, no tratada (NT) ou tratada (T). ......................................................................................................................... 121

vi

LISTA DE TABELAS Tabela I Propriedades mecnicas e caractersticas de fibras vegetais e fibras convencionais de reforamento (Mohanty et al., 2000), (Bledzki; Gassan, 1999), (Baley et al., 1997). ............................................................................................................................................ 24 Tabela II Composio qumica provvel de algumas fibras vegetais (% em peso) (Bledzki; Gassan, 1999), (Bisanda; Ansell, 1992). ....................................................................................... 24 Tabela III Resultados do ensaio de trao das fibras de sisal e coco tratadas e no tratadas. .............................................................................................................................................. 63 Tabela IV Resultados do ensaio de trao dos fios tratados e no tratados........................ 75 Tabela V - Resumo das propriedades mecnicas dos compsitos em estudo e de alguns compsitos polimricos com fibras naturais encontrados na literatura..................................... 78 Tabela VI Temperatura de transio vtrea, Tg, pico de tan e mdulo de armazenamento, E, temperatura ambiente, para o poliuretano e compsitos. Os compsitos so identificados pela frao volumtrica e condio da fibra, no tratada (NT) ou tratada (T). .................................................................................................................................. 119

vii

LISTA DE ABREVIATURAS OU SIGLAS

ABS Estireno butadieno acrilonitrila

ASTM - American Society for Testing Materials

CT Compact tension

CTDIC Uretano derivado do cardanol

DCB - Double Cantilever Beam

DMTA Anlise Trmica Dinmico Mecnica

DSC Calorimetria Exploratria Diferencial

EWF - Trabalho Essencial de Fratura.

GQATP Grupo de Qumica Analtica e Tecnologia de Polmeros

L0 Comprimento inicial para a medida do alongamento total no ensaio de trao

LDPE Polietileno de baixa densidade

MAN Anidrido maleico

MDI - difenilmetano diisocianato

MFEL - Mecnica da Fratura Elstica Linear

MFEP - Mecnica da Fratura Elasto-Plstica

NaOH Hidrxido de sdio

NT Fibras no tratadas

OH Grupo hidroxila

PEEK Polietereter cetona

PU - Poliuretano

PVC Poli (Cloreto de vinila)

T Fibras tratadas em soluo de NaOH

TDI Tolueno di-isocianato

Tg Temperatura de transio vtrea

UD Unidirecional

VFE - Variao da Flexibilidade Elstica

J-R - Curva de resistncia ao trincamento dctil tendo como parmetro de

tenacidade a Integral-J da MFEP

N - Nmero de ciclos de carregamento aplicado a um componente

P Carga genrica aplicada a um corpo

Pmx - Carga mxima atingida durante ensaios mecnicos de trao e tenacidade

S Tenso cclica aplicada a um componente

U - rea (energia) sob a curva da Fora em funo do Deslocamento

V Deslocamento da abertura da trinca medido por um extensmetro

viii

LISTA DE SMBOLOS

- Coeficiente de Poisson - Deslocamento - Deslocamento medido na abertura da trinca - Funo de a/W amx Propagao mxima da trinca y - Valor mdio entre o limite de escoamento e o limite de resistncia a - Comprimento de trinca

ai Comprimento inicial da trinca

ac Comprimento crtico de trinca

ao - Comprimento inicial da trinca

B - Espessura do corpo de prova

bo - Ligamento original do corpo de prova

E - Mdulo de elasticidade em trao monotnica

E Mdulo de perda

E Mdulo de armazenamento

f(a/W) - Funo flexibilidade elstica

G - Taxa de liberao de energia ou taxa de alvio de energia

GIC Taxa de liberao de energia crtica no modo I de carregamento

GIIC - Taxa de liberao de energia crtica no modo II de carregamento

G-Pmx Tenacidade fratura medida na carga mxima

J - Integral-J

JIC - Valor J de iniciao no modo I de carregamento em deformao plana Jmx - Valor mximo de J em uma curva J-R

K - Fator de intensidade de tenso

KIC - Tenacidade fratura sob deformao plana

tan - fator de dissipao de energia ou tangente de perda Vf - Volume de fibras

Vff Frao volumtrica de fibras

Vfm Frao volumtrica da matriz

Vm Volume da matriz

W - Largura do corpo de prova

ix

RESUMO

O novo paradigma de se preservar o meio ambiente e de se utilizar produtos

naturais vem contribuindo para um maior interesse na utilizao de materiais

derivados da biomassa. Neste sentido, os compsitos polimricos com fibras

vegetais surgem como uma boa alternativa no campo dos materiais para aplicaes

de engenharia. Os principais objetivos deste trabalho foram o processamento e a

caracterizao do compsito formado por uma resina poliuretano derivada do leo

de mamona e fibras de sisal e coco. O processamento foi realizado utilizando-se a

tcnica de moldagem por compresso. As fibras foram utilizadas em diferentes

formas como fibras curtas, fibras longas, tecido e fios contnuos. A caracterizao

foi realizada atravs dos seguintes ensaios: trao, flexo, impacto, tenacidade

fratura, absoro dgua e DMTA. Foi tambm avaliado o efeito do tratamento com

hidrxido de sdio (10%), nas fibras de sisal e coco, nas anlises realizadas. O

resultados mostraram que o desempenho dos compsitos com fibras de coco foi

inferior aos compsitos com fibras de sisal, e mesmo ao poliuretano. Nos ensaios

de trao e flexo, as fibras longas de sisal apresentaram o melhor efeito de

reforamento, seguido dos fios contnuos, fibras curtas e tecido. Nos ensaios de

impacto e tenacidade fratura, o melhor desempenho foi dos compsitos com

tecido de sisal. O efeito do tratamento alcalino variou em funo do tipo de ensaio e

da geometria do reforo. Nos ensaios de trao e flexo, o seu efeito foi positivo

para os compsitos com fibras longas e curtas, e negativo para os compsitos com

tecido e fios, devido deteriorao da estrutura dos fios. Nos ensaios de

tenacidade e impacto foi prejudicial, pois ao melhorar a aderncia na interface,

reduziu os principais mecanismos de absoro de energia, que so, a extrao de

fibras e o descolamento na interface. Com relao s medidas de absoro dgua,

x

foi observado aumento no nvel de absoro dos compsitos com o aumento da

frao volumtrica de fibras. O mximo percentual de absoro foi de 17%, para os

compsitos com fibras curtas de coco no tratadas. Este percentual diminuiu com o

tratamento alcalino das fibras. Na anlise trmica dinmico mecnica, de uma

forma geral, os compsitos mostraram acrscimo do mdulo de armazenamento e

decrscimo do amortecimento e da temperatura de transio vtrea, Tg, em relao

ao poliuretano. Este comportamento foi proporcional ao aumento da frao

volumtrica de fibras.

xi

ABSTRACT

The new paradigm in preserving the environment and the use of natural

products has contributed to increase the interest in the development and use of

derived biomass materials. In this sense, the polymeric composites with natural

fibers appear to be a good alternative for engineering applications. The main targets

of this work were the processing and characterization of composites obtained by a

polyurethane resin derived from castor oil and sisal and coir fibers. The compression

moulding technique was used to process the composite. The fibers were employed

in different forms such as: short fibers, long fibers, biaxial weave and continuos

yarns. Tension, bend, impact, fracture toughness, water absorption and DMTA tests

were used to characterize the composites. The sodium hidroxide (10%) treatment

effect on the sisal and coir fibers was also evaluated. The results showed, in

general, that the coir fibers composites performance were inferior to the sisal fibers

composites, and even to the polyurethane matrix. Under tension and bending

conditions, the long sisal fibers presented the best reinforcement effect, followed by

the continuous yarns, short fibers, and the biaxial weave. Under impact and fracture

toughness tests, the best performance was enhanced by sisal weave composites.

The alkaline treatment effect varied in accordance with test type and reinforcement

geometry. In tension and bending tests, its effect was positive for composites with

short and long fibers and negative for composites with weave and yarns. This late

was due to deterioration of the yarn structure. In the impact and toughness tests, the

alkaline treatment effect was harmful, because when adherence is improved at the

interface, the main energy absorption mechanisms are reduced, that mean, the

fibers are pulled out and interface is debonded. Water absorption measurements

showed an increase in the absorption level for the composites with higher volumetric

fraction of fibers. The maximum water absorption was 17% for composites with non-

treated coir short fibers. This percentage decreased for composites with treated

xii

fibers. In the dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) the composites showed

an increased storage modulus and a decreased glass transition temperature, Tg,

when compared to polyurethane matrix. This behaviour was proportional to the

increase of the fibers volumetric fraction.

1

1. INTRODUO

Compsitos formados por matrizes polimricas e fibras vegetais constituem,

na atualidade, uma das maiores reas de interesse na pesquisa de materiais

compsitos. Este interesse surgiu com mais intensidade no incio da dcada de 90

devido s exigncias das autoridades legislativas quanto ao uso e destino final de

fibras sintticas e resinas derivadas do petrleo e a maior conscientizao dos

consumidores, da necessidade de preservao do ambiente e de fontes naturais.

Quando fibras vegetais so associadas com resinas derivadas de leos

vegetais forma-se uma classe especial de materiais chamada de oko-composite,

isto , um compsito formado por materiais derivados de fontes renovveis. Se o

polmero utilizado for biodegradvel tem-se o chamado bio-composite ou

compsito biodegradvel. Neste caso, alm de biodegradvel, o polmero

tambm, geralmente, derivado da biomassa (Schuh; Gayer1, 1997).

A fibra de sisal mostra-se promissora no desenvolvimento de materiais

compsitos devido ao seu baixo custo, boas propriedades mecnicas e

disponibilidade no mercado. O incentivo ao seu uso fundamental para o

desenvolvimento das regies de onde estas fibras so originrias, geralmente

regies subdesenvolvidas, como ocorre no Brasil que o maior produtor mundial

das fibras de sisal (FAO2, 2002).

1 Schuh, T.; Gayer, U. Automotive Applications of Natural Fiber Composites. In: LEO, A.; CARVALHO F.X., FROLLINI, E., eds. Lignocellulosics-Plastics Composites. So Paulo, USP/UNESP, 1997. 2 FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS (FAO). Agriculture statistical database. http://apps.fao.org (acesso em 09/2002).

2

A inerente natureza rica em hidroxilas das fibras vegetais sugere que elas

so particularmente teis em sistemas termorrgidos, tal como o poliuretano, onde o

grupo hidroxila das fibras pode reagir com o grupo isocianato do poliuretano.

Poliuretanos so polmeros muito versteis que, pela escolha adequada dos seus

elementos, podem ser preparados como um termoplstico, termorrgido,

elastmero, espuma rgida ou adesivo. Pode ser derivado tanto do petrleo como

de leos vegetais, o que o torna um grande atrativo no ramo dos chamados oko-

composites.

Com a crescente preocupao mundial com o meio ambiente, a utilizao

de recursos materiais renovveis, os quais no agridem o meio ambiente e

representam uma fonte alternativa de grande potencial econmico, tornou-se vital

para a sobrevivncia das indstrias em um mercado globalizado e competitivo. O

presente estudo se encaixa muito bem dentro desta tendncia, pois faz uso de

recursos renovveis como matrias-primas para a formao do compsito, isto , o

leo de mamona na sntese da resina poliuretano e as fibras vegetais de sisal e

coco. No intuito de desenvolver um material de fcil processamento e baixo custo

foram utilizadas alm das fibras, denominadas de fibras tcnicas, tecido e fios de

sisal. O desenvolvimento do processo de fabricao e a caracterizao deste

compsito so fundamentais para a sua introduo como material de engenharia,

com grande potencial de aplicao na indstria automotiva.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um compsito formado por uma

resina poliuretano derivada do leo de mamona e fibras de sisal e coco. Foram

avaliadas as propriedades mecnicas de trao, flexo, impacto e tenacidade

fratura, propriedades trmicas (Anlise Trmica Dinmico Mecnica) e nveis de

absoro dgua. Tambm foram avaliadas a influncia da geometria do reforo e

do tratamento alcalino, aplicado s fibras de sisal e coco.

3

2. FUNDAMENTAO TERICA E REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Materiais Compsitos

2.1.1 Definio e Classificao

Segundo a norma ASTM D3878-95, compsito uma substncia

consistindo de dois ou mais materiais, insolveis entre si, que so combinados para

formar um material de engenharia til com certas propriedades que no se

encontram nos materiais isoladamente. A denominao destes materiais bastante

diversificada, podendo ser tratados na literatura como: compostos, conjugados ou

compsitos (Mano, 1991).

Os compsitos podem surgir de combinaes entre metais, cermicas e

polmeros. As possveis combinaes so condicionadas s condies de

processamento e s provveis incompatibilidades entre os componentes.

Compsitos para aplicaes estruturais geralmente utilizam fibras, sintticas ou

naturais, como agentes de reforamento. As fibras podem ser contnuas ou

descontnuas, alinhadas ou com distribuio aleatria, podendo ser obtidas em uma

variedade de formas, como mantas e preformas txteis de diferentes arquiteturas.

Como componente matricial, os polmeros so os materiais mais utilizados devido

sua leveza e fcil moldagem. Em relao ao peso, os materiais compsitos

polimricos apresentam propriedades mecnicas especficas que podem exceder

consideravelmente s dos metais.

4

2.1.2 Compsitos Polimricos Reforados por Fibras

Os compsitos polimricos reforados por fibras contnuas constituem os de

melhor performance mecnica. Diferente dos compsitos reforados por fibras

descontnuas, que apresentam um comportamento isotrpico em uma escala

macroscpica, apresentam propriedades mecnicas ortotrpicas que conduzem a

mecanismos de falha especficos. Apresentam alta resistncia e rigidez na direo

das fibras, porm, um baixo desempenho na direo transversal s mesmas, e

neste caso a resistncia e a rigidez so controladas pelas propriedades da matriz.

Para carregamentos biaxiais so geralmente utilizados compsitos laminados,

formados pela unio de vrias lminas com diferentes orientaes. O desempenho

destes materiais depende do tipo de fibra e matriz, volume de fibra e seqncia de

empilhamento das lminas. Os fundamentos da teoria de laminados j esto bem

compreendidos e estabelecidos (Hyer, 1989).

Embora possuam propriedades mecnicas inferiores quando comparados

aos compsitos com fibras contnuas, os compsitos com fibras descontnuas

oferecem maior facilidade de processamento a um menor custo. Nos compsitos

com fibras descontnuas o carregamento na fibra funo de seu comprimento e

geralmente segue a distribuio de Weibull. Os extremos das fibras so geralmente

pontos concentradores de tenses, que induzem tenses cisalhantes na interface.

Assim como o comprimento das fibras, a sua orientao de igual importncia e

depende essencialmente do processo de fabricao. As propriedades mecnicas

variam consideravelmente de acordo com a mudana na distribuio de orientao

das fibras.

A interface fibra/matriz a principal responsvel pela transferncia da

solicitao mecnica da matriz para o reforo e suas propriedades so especficas

5

para cada sistema fibra/matriz. Existem mtodos experimentais, no normatizados,

para se determinar a resistncia interfacial (Silva; Al-Qureshi, 1999), (Hsueh, 1995).

2.1.3 Moldagem por Compresso

A escolha do processo de fabricao est fortemente ligada s

caractersticas da matriz, principalmente temperatura de trabalho. A tcnica de

moldagem por compresso aplica-se a polmeros termoplsticos ou termorrgidos.

No entanto, a maioria das aplicaes atuais destina-se a polmeros termorrgidos.

De fato, a moldagem por compresso o mtodo mais comum de processamento

de polmeros termorrgidos. Neste mtodo, o material (fibras e resina) colocado

dentro do molde que subseqentemente fechado e mantido a alta presso.

Geralmente o molde aquecido para iniciar a reao de cura da resina.

A tcnica de moldagem por compresso garante alto volume de produo e

compsitos com alta qualidade superficial, alem de permitir o uso de reforos com

diferentes geometrias. Os fatores bsicos que influenciam no mtodo so: a taxa de

aquecimento do molde, a taxa de compresso, o tempo de gel da resina e o tempo

para a desmoldagem. Algumas resinas emitem gases durante a cura, o que pode

implicar em vazios no produto final. Um outro problema diz respeito ao fluxo da

resina dentro do molde, que depende da viscosidade da resina e pode influenciar

na orientao das fibras.

Na moldagem de compsitos de alto desempenho utiliza-se um sistema pr-

formulado, denominado de SMC (sheet molding compound) composto de fibras,

resina e aditivos, que podem ser moldados sem preparao adicional (El-Sheikh et

al., 1997).

6

2.1.4 Propriedades Mecnicas de Compsitos Polimricos e Ensaios Normatizados.

At o presente, quase todo o desenvolvimento de materiais compsitos teve

como objetivo as aplicaes estruturais. Devido sua complexa microestrutura,

estes materiais so de difcil caracterizao. Na avaliao das propriedades

mecnicas, deve-se levar em conta a complexidade da interao mecnica entre o

reforo e a matriz. As propriedades mecnicas de maior interesse so: resistncia

trao, compresso, flexo, impacto, fadiga, e abraso, alm do mdulo de

elasticidade em trao e flexo, dureza e tenacidade fratura.

No ensaio de trao so determinadas as propriedades de resistncia

trao uniaxial, mdulo de elasticidade, alongamento e coeficiente de Poisson. A

resistncia trao avaliada pela carga aplicada ao material por unidade de rea,

no momento de ruptura. O alongamento representa o aumento percentual do

comprimento da pea sob trao, no momento de ruptura. O mdulo de elasticidade

medido pela razo entre a tenso e a deformao, dentro do regime elstico,

onde a deformao totalmente reversvel e proporcional tenso. O coeficiente

de Poisson definido como a razo negativa entre a deformao transversal e a

correspondente deformao longitudinal de um corpo de prova sob tenso uniaxial,

abaixo do limite de proporcionalidade do material. As normas ASTM D638 e D3039

descrevem o ensaio de trao. A norma ASTM D638 mais abrangente enquanto

que a norma ASTM D3039 indicada para compsitos laminados reforados com

fibras de alto mdulo.

No ensaio de flexo as propriedades de interesse so a resistncia flexo

e o mdulo de elasticidade em flexo. As configuraes de carregamento podem

ser flexo em trs pontos e flexo em quatro pontos. A resistncia flexo

representa a tenso mxima desenvolvida nas fibras externas de uma barra sujeita

a dobramento, no momento da quebra. O mdulo de elasticidade em flexo

7

determinado tal como em um ensaio de trao: a razo, dentro do regime elstico,

entre a tenso e a deformao. O ensaio de flexo aplica-se a materiais rgidos e

descrito pela norma ASTM D790.

A resistncia compresso, pode ser obtida segundo a norma ASTM D695

e expressa pela tenso mxima que um material rgido suporta sob compresso

longitudinal, antes do colapso.

A resistncia fadiga representa a resistncia do material em suportar

solicitaes cclicas. O comportamento em fadiga importante, pois a fratura do

material sob carregamento cclico pode ocorrer em nveis de carga muito menores

do que sob carregamento monotnico. H dois mtodos distintos para a medida da

resistncia fadiga dos materiais. O primeiro, a tradicional determinao das

curvas S-N, nmero de ciclos para falhar (N) em funo da tenso cclica (S). O

limite de resistncia fadiga a tenso abaixo da qual o material resiste a um

nmero muito grande de ciclos sem falhar. As normas ASTM D3479 e D6115

descrevem este ensaio. O segundo, direcionado ao crescimento de trinca por

fadiga. A taxa de crescimento de trinca por fadiga (da/dN) relacionada ao fator de

intensidade de tenso (K), atravs da conhecida equao de Paris, da/dN=cKm, onde c e m so constantes determinadas experimentalmente. Esta equao

utilizada para estimar o nmero de ciclos necessrios para a propagao de uma

trinca com um comprimento inicial, ai, at um comprimento crtico ac. Muitos

pesquisadores tm aplicado a equao de Paris para compsitos de fibras curtas,

que na prtica considerado como material isotrpico (Atodaria et al., 1997).

A resistncia ao impacto representa a energia para fraturar um corpo de

prova sob impacto. Oferece valores comparativos, mas de grande utilidade no

desenvolvimento de materiais. A norma ASTM D256 descreve este ensaio. Em

compsitos, a resistncia ao impacto depende fortemente da resistncia interfacial.

A energia absorvida pode ser dividida em energia para iniciao da fratura e

8

energia para propagao da fratura. Agarwal e Broutman (1990), em experimentos

com laminados de fibras de vidro/epxi e vidro/polister, observaram que a energia

para a iniciao da fratura aumenta com o aumento da resistncia interfacial. No

entanto, a resistncia ao impacto total (iniciao e propagao) pode ser

maximizada com a reduo da resistncia interfacial. O corpo de prova suporta

menos carga durante a propagao, mas absorve mais energia devido maior

deflexo que o corpo de prova pode sustentar e aos mecanismos de falha atuantes,

como a delaminao.

A dureza mede a resistncia penetrao. A norma ASTM D785 descreve

este ensaio para materiais polimricos. A resistncia abraso representa a

capacidade do material de resistir ao desgaste produzido por frico. A norma

ASTM D1242 descreve a determinao desta propriedade. Os poliuretanos so os

materiais polimricos de maior resistncia abraso.

Das normas acima citadas, algumas so exclusivas para materiais

compsitos, outras so destinadas aos materiais polimricos, podendo ser

adaptadas aos materiais compsitos. As normas exclusivas aos materiais

compsitos foram elaboradas, em sua maioria, visando os compsitos

tradicionalmente utilizados, com fibras de vidro e carbono. No caso dos compsitos

com fibras naturais, estas normas, nem sempre, podem ser diretamente aplicadas.

9

2.2 Fratura em Polmeros e Compsitos

2.2.1 Introduo

Polmeros e compsitos polimricos so amplamente utilizados na

engenharia, e em todas as aplicaes, a ocorrncia de fratura a maior

preocupao. Objetivando simplificar e racionalizar os estudos relativos aos

fenmenos de fratura, alguns pesquisadores desenvolveram um campo de

pesquisa denominado de Mecnica da Fratura. O precursor da idia foi Griffith em

1920, que estudou a ocorrncia de falhas em vidros. No entanto, o maior

desenvolvimento nessa rea ocorreu com os estudos realizados por Irwin em 1948

e Orowan em 1950, em trabalhos independentes. Desde ento muita pesquisa tem

sido realizada, e embora a grande maioria seja relativa aos materiais metlicos,

muito tem sido feito na rea dos materiais cermicos e polimricos.

A mecnica da fratura est dividida em duas grandes reas: A clssica

Mecnica da Fratura Elstica Linear (MFEL) e a Mecnica da Fratura Elasto-

plstica (MFEP). Para a MFEL, o parmetro de medida da tenacidade fratura

dado pelo fator de intensidade de tenso, K, expresso como uma funo da

geometria do corpo de prova utilizado e do carregamento aplicado, ou ainda pela

taxa de liberao de energia, G. Este conceito vlido para uma classe limitada de

problemas, onde corpos de prova trincados apresentam deformao plstica

reduzida na ponta da trinca, podendo ser utilizado para caracterizar a fratura frgil

nos materiais. Para uma grande faixa de materiais que apresentam alta ductilidade,

como a maioria dos polmeros, a ocorrncia de intensa deformao plstica nas

regies ao redor da ponta da trinca inviabiliza o uso da anlise elstica. Para estes

materiais, a anlise feita por meio da MFEP, sendo a Integral-J, neste caso, o

parmetro de medida da tenacidade fratura. A Integral-J, proposta inicialmente

10

por Rice em 1968, uma Integral de contorno utilizada para caracterizar os campos

de tenso e deformao na ponta de uma trinca sob condies elasto-plsticas.

2.2.2 Mecnica da Fratura Aplicada aos Polmeros

Se comparado aos metais, o estudo da mecnica da fratura aplicada aos

polmeros est ainda no princpio. Devido ao seu comportamento viscoelstico, a

metodologia desenvolvida para os metais no poderia ser diretamente aplicada aos

polmeros. As anlises tericas que incorporam o comportamento viscoelstico dos

polmeros so relativamente recentes e raras so as aplicaes prticas destes

conceitos (Anderson, 1995). Apesar de algumas controvrsias, os ensaios para a

determinao da tenacidade fratura sob deformao plana, KIC, e da Integral-J

tm sido aplicados aos polmeros com notvel sucesso (Williams, 1984), (Han et al.,

1999). Os procedimentos utilizados nos ensaios so geralmente similares aos

aplicados aos metais.

Quando um polmero contendo uma trinca submetido a algum tipo de

carregamento, uma zona plstica formada na ponta da trinca. Para os polmeros

termorrgidos esta zona assemelha-se zona plstica formada nos metais, sendo a

deformao por cisalhamento o mecanismo de escoamento dominante. Para os

termoplsticos, o predominante escoamento por crazing (bandas concentradas de

microvazios), produz uma zona de escoamento de tira do tipo Dugdale, na frente da

ponta da trinca (Kausch, 1987).

As resinas termorrgidas so tradicionalmente consideradas frgeis, pois

assume-se que a alta densidade de ligaes cruzadas impedem o fluxo viscoso. No

entanto, foi constatado que estes materiais so capazes de considervel

deformao plstica altamente localizada na ponta da trinca. Em ensaios de

tenacidade fratura, podem ocorrer mecanismos de embotamento da ponta da

11

trinca, (blunting), e freamento ou mesmo a parada da trinca devido alta

plasticidade. Ambas as propagaes estvel e instvel da trinca podem ser

observadas. As resinas epxi e os polisteres insaturados so os polmeros

termorrgidos mais estudados com relao a tenacidade fratura (Kausch, 1987).

Os modos de propagao de trinca tm, obviamente, repercusso na

morfologia da superfcie de fratura. A aparncia da superfcie de fratura do polmero

depende da sua estrutura e das condies de ensaio. Quando a propagao da

trinca estvel e contnua, a superfcie de fratura lisa. Tpicas linhas de

freamento podem ser observadas seguidas por uma regio de estrias paralelas

direo do crescimento da trinca. Estas estrias so caractersticas da propagao

lenta aps o freamento da trinca e tm sido observadas em resinas epxi,

poliamidas e fenol-formaldedo (Kausch, 1987). Em termoplsticos que apresentam

crescimento de trinca por crazing, a superfcie de fratura similar quela

observada nos metais que apresentam crescimento estvel de trinca pelo

coalescimento de microvazios (Anderson, 1995).

Tendo em mente o objetivo do presente trabalho, foi realizada uma reviso

bibliogrfica referente a utilizao da Integral-J na determinao da tenacidade

fratura dos polmeros. Os trabalhos pesquisados so sucintamente descritos a

seguir, focando os principais problemas encontrados e avaliando a aplicabilidade da

Integral-J para os polmeros.

Um dos principais pontos de controvrsia na aplicao da Integral-J aos

polmeros relativo ao uso da linha de embotamento (bluting line), para

determinao do valor crtico da Integral-J, JIC. Alguns pesquisadores argumentam

que o mtodo pode no ser apropriado para alguns polmeros dcteis (Chung;

Williams, 1991). Porm, no h um consenso quanto ao tema.

Narisawa e Takemori (1989) estudaram o processo de iniciao de trinca

em polmeros tenacificados e concluram que a construo da linha de

12

embotamento e, desta forma a determinao de JIC, no eram adequados para

estabelecer as condies de iniciao da trinca para polmeros dcteis. Para eles,

no havia justificativa terica para a equao da linha de embotamento, pois a

ponta da trinca observada em seus ensaios era aguda e no arredondada. Huang e

Williams (1990), discutindo o trabalho de Narisawa e Takemori (1989), comentam

que o principal problema diz respeito s tcnicas normalmente empregadas para a

medida do crescimento da trinca. Estas, no so suficientemente sensveis para

detectar e distinguir os mecanismos de crescimento aparente resultante do

embotamento e do crescimento estvel da ponta da trinca. Alm disto, quando o

corpo de prova descarregado, as faces da trinca podem tocar-se, induzindo o seu

fechamento e mascarando qualquer evidncia do seu embotamento.

Um outro aspecto importante do ensaio de J diz respeito a se garantir a

condio de deformao plana na frente da trinca, ou seja, garantir um valor de J

independente da espessura da amostra. Este problema foi abordado por Hashemi e

Williams (1986), Huang (1991) e Pascaud et al. (1997). De um modo geral, houve

um consenso de que muito dos detalhes experimentais aplicados aos materiais

metlicos, parecem prover resultados satisfatrios, como o uso de entalhes laterais

nos corpos de prova, por exemplo, para aproximar a condio de deformao

plana. No entanto, as recomendaes das normas devem ser reexaminadas para

serem aplicadas aos polmeros. Em particular, as exigncias de espessura mnima

para a condio de um estado de deformao plana, que por demais

conservativa, e o crescimento de trinca mximo permissvel.

Constata-se que, experimentalmente, pode ser difcil determinar o ponto

preciso da iniciao da trinca. Alm disto, para a maioria dos materiais, pode

ocorrer significativo crescimento estvel de trinca aps a iniciao e, neste caso, a

identificao de um valor de tenacidade crtico seria arbitrrio (Huang, 1996). Para

estes casos, o uso da curva de resistncia, ou curva R, parece ser mais apropriado.

13

A curva J-R descreve a energia exigida para o crescimento adicional de trinca aps

a sua iniciao mas, diferentemente de KIC ou JIC, depende da geometria do corpo

de prova.

A ASTM (American Society for Testing and Materials) publicou em 1996 uma

norma exclusiva que estabelece as regras para a determinao da curva J-R para

os materiais polimricos, a ASTM D6068-96, que j foi atualizada em 2002. No

trabalho de Liu et al. (2002), esta norma foi aplicada com sucesso na avaliao da

tenacidade fratura de blendas de um copolmero de acrilonitrila-butadieno-

estireno e plasticos de engenharia semicristalinos.

As tcnicas tradicionalmente empregadas nos ensaios de Integral-J para os

polmeros so a dos mltiplos corpos de prova; com menor freqncia a de um

nico corpo de prova (mtodo da variao da flexibilidade elstica); e mais

recentemente as tcnicas da normalizao.

De acordo com Chan e Williams (1983) a tcnica da Variao da

Flexibilidade Elstica (VFE) pode ser inadequada para os polmeros pois os

repetidos carregamentos/descarregamentos, embora pequenos, podem alterar a

taxa de deformao do material e consequentemente, a medida da tenacidade

fratura.

O mtodo da normalizao tambm utiliza um nico corpo de prova e a

curva J-R obtida atravs de tcnicas analticas/experimentais. Nos trabalhos de

Landes e Zhou (1993), Zhou et al. (1994), Bernal et al. (1996a), Bernal et al.

(1996b) e Brosa et al. (1999), o mtodo foi utilizado para a determinao da

tenacidade fratura de polmeros com relativo sucesso.

Apesar dos problemas encontrados, a metodologia da Integral-J tem sido

aplicada com sucesso a uma srie de polmeros dos mais diferentes tipos e

aplicaes. A norma ASTM D6068 mostra-se como uma boa opo de metodologia

para os polmeros de maior resistncia.

14

Um mtodo relativamente novo de avaliao da tenacidade fratura de

polmeros, que tem despertado o interesse da comunidade cientfica o mtodo do

Trabalho Essencial de Fratura (EWF). Este mtodo surge como uma alternativa

para os casos onde h dificuldade de aplicar a Integral-J. Do ponto de vista

experimental o mtodo simples, no havendo necessidade de medir o

crescimento da trinca, o que uma grande vantagem no caso dos materiais

compsitos. Um valor crtico do Trabalho Essencial de Fratura, parmetro similar ao

JIC em um ensaio de Integral-J determinado no ensaio. Detalhes do mtodo

podem ser encontrados nos trabalhos de Alvares et al. (2002) e Wu e Mai (1996).

2.2.3 Fratura em Compsitos

A caracterizao das propriedades mecnicas dos materiais compsitos no

uma tarefa simples. A primeira questo que surge como aplicar os mtodos

padres, desenvolvidos para materiais homogneos, aos materiais compsitos.

Este especialmente o caso das propriedades locais, como os parmetros de

resistncia ao impacto e tenacidade fratura (Burzic et al., 2001).

A Figura 1 mostra os vrios mecanismos de falha que podem ocorrer em

compsitos reforados por fibras. A fratura raramente ocorre de modo catastrfico,

mas tende a ser progressiva, com falhas subcrticas dispersas atravs do material,

o que constitui uma vantagem.

15

Figura 1 Mecanismos de falha em materiais compsitos (Anderson, 1995).

Os mecanismos de falha local que podem ocorrer durante a fratura de um

compsito fibrado so: a ruptura das fibras, a deformao e o trincamento da

matriz, o descolamento das fibras, o deslizamento interfacial seguido da ruptura das

fibras (pull out) e ainda o efeito denominado de ponte de fibras (fiber bridging), onde

as superfcies de uma trinca so interligadas por fibras. Vrios destes mecanismos

podem atuar simultaneamente durante o processo de fratura de um compsito.

Obviamente, a importncia de cada mecanismo no processo de fratura depender

do tipo de compsito em estudo, do tipo de carregamento aplicado e da orientao

das fibras. Segundo Harmia (1996) quando as fibras esto orientadas

paralelamente direo de propagao da trinca observa-se principalmente

descolamento das fibras, e quando elas esto orientadas perpendicularmente,

deslizamento e fratura das fibras so observados.

O processo de fratura por delaminao, Figura 1b, bastante comum nos

compsitos com fibras contnuas e ocorre devido s propriedades mecnicas

ortotrpicas destes compsitos. Neste tipo de fratura, a propagao da trinca pode

ocorrer entre as camadas do laminado e neste caso so denominadas de trincas

interlaminares, ou entre as fibras, sendo denominadas de trincas intralaminares. As

tenses que conduzem delaminao podem surgir da prpria estrutura

16

geomtrica do compsito, de tenses externas aplicadas, ou ainda devido

diferena nos mdulos de elasticidade da matriz e das fibras. Sendo o mecanismo

de fratura mais comum nos compsitos laminados de alto desempenho, a fratura

por delaminao tem sido amplamente estudada (Schn et al., 2000), (Dvorak,

2000), (Truss et al., 1997).

J os compsitos com fibras curtas (descontnuas), distribudas de forma

aleatria, podem ser considerados materiais isotrpicos. Nestes compsitos, o

efeito das extremidades das fibras de grande importncia, pois estas

extremidades atuam como pontos de concentrao de tenso e so potenciais

iniciadores de trincas. Trincas locais na matriz ou na interface podem colocar em

risco a integridade do compsito, ainda que as fibras restantes permaneam

inalteradas. Os mecanismos de falha destes compsitos so semelhantes aos dos

compsitos com fibras contnuas. Vale citar a importncia da razo de aspecto das

fibras (razo entre o comprimento e o dimetro da fibra), de grande influncia nas

propriedades do compsito (Nielsen; Landel, 1994).

Pelo acima exposto, verifica-se que a condio interfacial fator importante

e governa o comportamento tenso-deformao dos compsitos. O comportamento

da interface tem sido estudado atravs de ensaios de deslizamento de uma nica

fibra (Hsueh, 1995). Estes ensaios avaliam o processo de transferncia de carga

entre fibra e matriz.

2.2.3.1 Tenacidade Fratura de Compsitos

A avaliao da tenacidade fratura em compsitos apresenta algumas

dificuldades normalmente no encontradas nos materiais homogneos. Isto ocorre

porque estes materiais apresentam propriedades mecnicas que variam com a

orientao das fibras. Os compsitos reforados com fibras curtas distribudas de

17

forma aleatria so, na prtica, considerados como materiais isotrpicos e desta

forma seu comportamento similar ao de um material homogneo. Neste caso, as

tcnicas desenvolvidas para os materiais homogneos podem ser aplicadas sem

maiores dificuldades. Porm, os compsitos com fibras contnuas apresentam

propriedades mecnicas ortotrpicas. A metodologia convencional da mecnica da

fratura pode ser aplicada para estes materiais, mas deve-se ter em mente as suas

limitaes.

Nos compsitos laminados com fibras contnuas geralmente realizada a

avaliao da tenacidade fratura interlaminar, sendo um dos poucos casos onde a

mecnica da fratura formalmente aplicada (Anderson, 1995), (Lee; Suh, 1995).

Estes ensaios so largamente aplicados para os compsitos de alto desempenho,

como por exemplo, carbono/epxi e carbono/PEEK, utilizados principalmente na

indstria aeronutica. A literatura contm uma larga quantidade de dados de GIC e

GIIC para materiais compsitos de alto desempenho (Anderson, 1995). A norma

ASTM D5528-01 descreve o ensaio para a medida da tenacidade fratura

interlaminar em materiais compsitos com fibras unidirecionais no modo I de

carregamento.

Para os compsitos reforados com fibras curtas, a determinao da

tenacidade fratura mais simples e sendo assim mais comumente utilizada

(Wong; Mai, 1998), (Atodaria et al., 1997). Comparado aos compsitos com fibras

longas, estes compsitos possuem menor tenacidade e resistncia fratura,

devido, entre outros motivos, concentrao de tenso no final das fibras (Choi;

Takahashi, 1996).

A grande maioria dos compsitos para aplicaes estruturais constituda

de uma matriz frgil e fibras de alto mdulo elstico. Para estes materiais, a

avaliao da tenacidade fratura feita utilizando-se os conceitos da MFEL. A

resistncia fratura avaliada em termos dos parmetros K (fator de intensidade

18

de tenso) e G (taxa de alvio de energia), tomando como base a tenacidade da

matriz polimrica (Zhao; Botsis, 1996), (Choi; Takahashi, 1996), (Gaffney; Botsis,

1999). Quando a matriz apresenta relativa ductilidade, o conceito da Integral J pode

ser aplicado (Wong; Mai, 1998), porm, vale salientar que em se tratando de

compsitos, h sempre bastante dificuldade na medida do crescimento da trinca

durante o ensaio de tenacidade fratura.

Em geral, com resinas termorrgidas frgeis, o compsito apresenta maior

tenacidade do que a resina sem reforamento, mas o efeito pode ser o inverso para

os polmeros de alta tenacidade. Neste caso, apenas uma frao da tenacidade da

matriz transferida ao compsito.

Os mecanismos que contribuem para a tenacidade dos materiais

compsitos so vrios e atuam em conjunto, embora um mecanismo possa ser

dominante (Matthews; Rawlings, 1994).

Pode ocorrer a deflexo da trinca, por um movimento de inclinao (tilting)

ou toro (twisting) ao redor do reforamento. Mais rea superficial criada, o que

aparentemente resulta em maior energia de fratura, da mesma forma atua o

mecanismo de descolamento e deslizamento entre fibra e matriz. As fibras podem

ainda ser extradas da matriz (pull-out) e dissipar energia por frico mecnica. Um

outro importante mecanismo de tenacificao o de pontes de fibras. Neste, as

fibras que sofreram deslizamento na interface mas no fraturaram, compem uma

ligao entre as superfcies da trinca. Parte da tenso aplicada ao compsito

transferida a estas fibras que ficam submetidas a uma tenso de ponte ao longo do

comprimento descolado, retardando o avano da trinca pela diminuio da fora

motriz aplicada na ponta da trinca. Quando a tenso de ponte atingir o seu valor

crtico ocorrer a fratura da fibra (Botsis; Beldica, 1995). O mecanismo de ponte de

fibras geralmente resulta em curvas-R ascendentes devido a natureza cumulativa

19

de seus processos durante a extenso da trinca principal (Miyajima; Mototsugu,

1991).

Um dos requisitos para a aplicao dos conceitos da mecnica da fratura

que a zona de dano na ponta da trinca deve ser muito menor que o comprimento da

trinca ou qualquer dimenso do corpo de prova. No caso dos compsitos, os

mecanismos de dano ocorrem no apenas na zona de processos frontal, (fpz),

frente da ponta da trinca, mas tambm na esteira de propagao da trinca,

denominada de zona de blindagem (shielding zone). Dependendo da extenso do

dano na esteira de propagao da trinca, o comportamento do crescimento da

trinca torna-se dependente do seu tamanho e o conceito de similitude fica

comprometido. Este problema particularmente importante quando se trata de

pontes de fibras. Para contornar este problema, tem sido proposto o uso de uma lei

de pontes (bridging law), em contrapartida ao uso da curva R (Sorensen;

Jacobsen, 1998). Assim como a curva R a lei de pontes pode ser considerada

uma propriedade do material (Lindhagen; Berglund, 2000).

Alm da reduo da resistncia e da rigidez, trincas em materiais

compsitos podem expor o material ao do ambiente. Isto tem uma importncia

particular na absoro de umidade; matrizes polimricas podem absorver umidade

que causa mudanas volumtricas e tenses residuais, alm da degradao das

fibras e da matriz (Dvorak, 2000). O problema de absoro de umidade ainda

mais significativo nos compsitos reforados por fibras naturais, uma vez que estas

fibras so de natureza hidroflica.

20

2.3 Resinas Poliuretano

2.3.1 Histrico e Aplicaes

Os poliuretanos (PU) foram desenvolvidos por Otto Bayer et al. em 1937. A

sua comercializao teve incio ainda na dcada de 30, com a fabricao de

espumas rgidas, adesivos e tintas. Na dcada de 40, na Alemanha e Inglaterra,

foram originados os elastmeros de PU. A dcada de 50 registrou o grande

desenvolvimento comercial dos PU(s), como espumas flexveis. Na atualidade, o

maior destaque a moldagem por injeo e reao, RIM, que deu mpeto aos

estudos relacionando estrutura molecular e propriedades dos poliuretanos (Vilar,

1993).

As resinas poliuretano mostram grande versatilidade de aplicao, podendo

ser utilizadas em diferentes segmentos industriais. Estas resinas podem ser obtidas

com densidades que variam de 6 a 1220kg/m3, podendo se apresentar como um

elastmero de alta flexibilidade ou de maior dureza, ou como um plstico de

engenharia (Woods, 1990).

Os poliuretanos so consumidos principalmente sob a forma de espumas

flexveis ou rgidas e elastmeros. Suas aplicaes so variadas e incluem

volantes, painis, assentos e pra-choques na indstria automotiva, colches e

assentos na indstria de mveis, sola de sapatos, ncleo de esquis e pranchas de

windsurfing, na indstria de esporte e lazer, adesivos, refrigeradores,

aquecedores, etc (Bouvier, 1997).

As resinas poliuretano podem ser derivadas tanto do petrleo como de

fontes naturais, e neste caso tem-se os chamados biomonmeros que podem ser

obtidos de fontes renovveis, como os leos vegetais. Estes leos derivam de um

21

nmero de vegetais, tais como, soja, milho, aafroa, girassol, canola, amendoim,

oliva e mamona, entre outros (Petrovic, 1999).

O desenvolvimento dos poliuretanos derivados de leo de mamona teve

origem nos primeiros trabalhos propostos na dcada de 40 (Vilar, 1993). O leo de

mamona obtido da semente da planta Ricinus Communis, que encontrada em

regies tropicais e subtropicais, sendo muito abundante no Brasil. um lquido

viscoso, obtido pela compresso das sementes ou por extrao com solvente (Vilar,

1993).

2.3.2 Reao de Polimerizao

Denomina-se de uretano (ou uretana) o produto da reao qumica entre um

grupo isocianato e um grupo hidroxila (Wultz apud Claro Neto3). A polimerizao

dos poliuretanos ocorre quando um composto com dois ou mais isocianatos em sua

estrutura reage com um poliol.

R N C O + H O R R N C O R

O

H (1)

Isocianato Hidroxila Uretana

O C N R1 N C O + HO R2 OH C N

O

O H

R1 N

H

C

O

O R2 O

Di-isocianato Poliol Poliuretana (2)

3 WULTZ, A. Justus Liebigs Ann. Chem. v. 71, n.326, 1849. apud CLARO NETO, S. C. Caracterizao Fsico-Qumica de um Poliuretano Derivado de leo de Mamona Utilizado para Implantes sseos. So Carlos, 1997. 127p. Tese (Doutorado), Instituto de Qumica de So Carlos, Universidade de So Paulo.

22

As principais matrias-primas empregadas na fabricao dos poliuretanos

so os di ou poli-isocianatos e os polmeros hidroxilados de baixo peso molecular

(poliis). Como os compostos que contm grupos isocianatos so altamente

reativos, geralmente feita uma pr-polimerizao que consiste da reao de um di

ou poli-isocianato com um poliol, nas propores previamente determinadas, para a

obteno do teor de isocianato livre desejado. A reao de polimerizao ocorre

pela mistura a frio do pr-polmero com o poliol final, que conduz policondensao

uretana, gerando o PU de alto peso molecular.

Alm da reao principal podem tambm ocorrer reaes paralelas. A mais

comum a reao do isocianato com a gua que libera dixido de carbono (CO2),

que pode promover a expanso do polmero.

2.4 Fibras Vegetais

As fibras vegetais so classificadas de acordo com a sua origem e podem

ser agrupadas em fibras de semente (algodo), fibras de caule (juta, linho,

cnhamo), fibras de folhas (bananeira, sisal, piaava, curau, abac, henequm),

fibras de fruto (coco) e fibras de raiz (zacato) (Morassi, 1994). As fibras oriundas

do caule ou das folhas so as chamadas fibras duras e so as mais utilizadas como

reforo em compsitos polimricos.

Comparativamente s fibras sintticas, as fibras vegetais oferecem as

seguintes vantagens: fonte abundante e de rpida renovao, baixo custo, baixa

densidade, altas propriedades especficas, so menos abrasivas se comparadas s

fibras de vidro, no-txicas e biodegradveis (Bledzki; Gassan, 1999). Como

desvantagens pode-se citar a baixa temperatura de processamento, limitada a

aproximadamente 200oC. Para os compsitos com resinas termorrgidas essa

caracterstica no limitante, uma vez que a cura das resinas ocorre, geralmente,

23

em temperaturas inferiores a 200oC. Outras desvantagens so a falta de

uniformidade de propriedades, que dependem da origem das fibras, da regio do

plantio e da habilidade manual durante a colheita e a alta absoro de umidade,

que pode causar o inchao das fibras. A absoro de umidade pode ser

drasticamente reduzida pela modificao qumica das fibras e pela boa adeso na

interface fibra/matriz. Na Tabela I so apresentados dados comparativos das

propriedades mecnicas e caractersticas de fibras vegetais e fibras de

reforamento convencionais.

Os principais componentes qumicos das fibras vegetais so substncias

polares, tais como a celulose, a hemicelulose (ou polioses) e a lignina, com

menores percentuais de outros componentes como pectina, cera e substncias

solveis em gua. A composio qumica varia ligeiramente de acordo com a regio

de cultivo, tipo de solo e condies climticas. A composio de algumas fibras

apresentada na Tabela II.

Cada fibra vegetal, denominada de fibra tcnica, constituda de vrias

fibras elementares fortemente ligadas entre si por um material de cementao,

constitudo principalmente de lignina. A constituio estrutural de uma fibra

elementar mostrada na Figura 2. Esta possui uma parede espessa formada por

vrias microfibrilas que formam espirais ao longo do eixo da fibra, tendo um lumen

no centro. Cada fibra elementar , em essncia, um compsito no qual as rgidas

microfibrilas de celulose esto envolvidas por uma matriz de lignina e hemicelulose.

A lignina atua como o material de cementao, unindo as microfibrilas e a

hemicelulose como interface entre a microfibrila de celulose e a lignina.

24

Tabela I Propriedades mecnicas e caractersticas de fibras vegetais e fibras convencionais de reforamento (Mohanty et al., 2000), (Bledzki; Gassan, 1999),

(Baley et al., 1997).

Fibra

Dimetro (m)

Densidade (g/cm3)

Resistncia trao (MPa)

Mdulo de elasticidade

(GPa)

Alongamento (%)

Algodo 16 21 1,5 1,6 287 597 5,5 12,6 7 8

Juta 200 1,3 393 773 26,5 1,5 1,8

Linho --- 1,5 345 1035 27,6 2,7 3,2

Cnhamo --- --- 690 --- 1,6

Rami --- 1,5 400 938 61,4 128 3,6 3,8

Sisal 50 - 300 1,45 511 635 9,4 22 3 - 7

Coco 100 - 450 1,15 1,45 131 - 175 4 13 15 - 40

Vidro E 8 - 14 2,5 2000 - 3500 70 1,8 3,2

Vidro S 10 2,5 4590 86 5,7

Kevlar-49 12 1,48 2800 3792 131 2,2 2,8

Carbono 7 - 10 1,6 1,9 4000 230 240 1,4 1,8

Tabela II Composio qumica provvel de algumas fibras vegetais (% em peso) (Bledzki; Gassan, 1999), (Bisanda; Ansell, 1992).

Sisal

Coco

Algodo

Juta

Linho

Rami

Kenaf Celulose 67-78 36-43 82,7 61-71,5 64,1 68,6 31-39

Hemicelulose 10-14,2 0,15-0,25 5,7 13,6-20,4 16,7 13,1 21,5

Lignina 8-11 41-45 --- 12-13 2,0 0,6 15-19

Pectina 10 3-4 5,7 0,2 0,2 1,9 ---

Solveis em gua

16,2 1,0 1,1 3,9 5,5 ---

Ceras 2 0,6 0,5 0,5 0,3 ---

ngulo espiral 20 41-45 8,0 10,0 7,5

Teor de umidade

11,0 10,0 12,6 10,0 8,0 ---

25

Figura 2 Constituio estrutural de uma fibra vegetal (Rong et al., 2001).

As fibras diferem em sua composio e na orientao das fibrilas (ngulo

espiral). Tais caractersticas dependem da origem da fibra e so determinantes nas

suas propriedades mecnicas (Mohanty et al., 2000). Na Tabela I, a fibra de coco

mostra a menor resistncia trao, o que atribudo ao seu baixo teor de

celulose, como pode ser visto na Tabela II, e alto ngulo espiral.

As hemiceluloses so constitudas por diferentes unidades de acares

sendo solveis em lcalis. Os principais acares so as pentoses, hexoses, 6-

desoxi-hexoses e os cidos urnicos. O seu grau de polimerizao de 10 a 100

vezes menor que o da celulose e as cadeias possuem um considervel grau de

ramificao em relao celulose (Joseph et al., 2000), (Fengel; Wegener, 1989).

A lignina possui uma estrutura complexa com constituintes alifticos e

aromticos. um material amorfo encontrado nas paredes celulares das plantas,

cuja funo conferir rigidez parede celular.

A celulose o componente principal de todas as fibras vegetais e principal

responsvel pela sua resistncia mecnica. constituda de unidades de anidro-D-

glicose (C6H10O5), que unidas formam uma cadeia molecular. Sua estrutura

mostrada na Figura 3. A celulose pode ser descrita como um polmero linear com

uma estrutura de cadeia uniforme (Fengel; Wegener, 1984). Cada unidade de

26

anidro-D-glicose contm trs grupos hidroxila (-OH). Estas hidroxilas formam

ligaes de hidrognio dentro da molcula (intramolecular) e entre molculas de

celulose (intermolecular). A cristalinidade da celulose deve-se principalmente s

ligaes de hidrognio intermoleculares.

Devido s ligaes de hidrognio, as fibras vegetais so de natureza

hidrfila. Este o maior problema das fibras vegetais, se usadas como

reforamento em compsitos polimricos, pois so incompatveis com a maioria dos

polmeros, que so hidrofbicos. Sua natureza hidrfila influencia todas as

propriedades mecnicas e fsicas, tanto das fibras como dos compsitos. Por outro

lado, sua natureza rica em hidroxilas sugere que elas so particularmente teis em

sistemas termorrgidos, tal como o poliuretano.

OH2COH

H

OH

H

H

OHO

H

OH

OH

H

H

H2COH

OH2COH

H

OH

H

H

OHO

H

OH

H

H2COH

OH

H HO

HH O

HH O

H H O

H

O

Figura 3 Estrutura da celobiose, unidade repetitiva da celulose (Fengel; Wegener, 1989).

Fibras vegetais so tradicionalmente utilizadas para a produo de fios,

cordas, sacarias, mantas, tapetes, artefatos de decorao, etc (Cruz-Ramos, 1986).

Existe um crescente interesse em encontrar novas aplicaes para este abundante

e renovvel recurso natural. Os materiais compsitos estruturais aparecem como

um importante campo para a utilizao destas fibras, como reforo em matrizes

polimricas termorrgidas ou termoplsticas, em substituio s fibras sintticas

(Young, 1997).

Unidade repetitiva

27

2.4.1 A Fibra de Sisal

As primeiras plantaes de sisal, foto na Figura 4, classificado como Agave

Sisalana Perrine, foram desenvolvidas pelos Maias, no Mxico, antes da chegada

dos Europeus. Atualmente so conhecidas 57 espcies (Chavami et al., 1999). A

cultura sisaleira comeou a ser difundida no Brasil a partir de 1920, no estado da

Paraba. O Brasil o maior produtor de fibras de sisal, respondendo por cerca de

183.000 Mt por ano (FAO, 2002). A cultura do sisal, uma das fibras mais utilizadas

mundialmente, de extrema importncia scio-econmica para o Brasil, por ser a

nica economicamente vivel na regio semi-rida do Nordeste, com cerca de 1

milho de pessoas que dela dependem para sua subsistncia (Mattoso et al.,

1997).

Figura 4 Foto de uma plantao de sisal (EMBRAPA CNPA, 1997).

28

O crescimento da planta depende, entre outros fatores, da disponibilidade

de gua; a planta estoca gua na estao chuvosa e consome na estao seca

(Medina apud Paula4). O trabalho no campo se concentra basicamente no corte das

folhas, desfibramento, lavagem/secagem e batimento das fibras. A produo

destina-se, em geral, exportao como matria prima.

O principal e mais conhecido produto do sisal o fio biodegradvel utilizado

para empacotamentos em geral. Atualmente, com o uso de fibras sintticas para tal

fim, cresce a necessidade de novos usos.

As fibras de sisal classificam-se no grupo de fibras chamadas estruturais,

cuja funo a de dar sustentao e rigidez s folhas. So extradas das folhas por

um processo que utiliza uma desfibradeira. Cada folha de sisal contm em mdia

4% em peso de fibras. Dos 96% restantes, 81% lquido (suco) e 15% so os

resduos de desfibragem e podem ser utilizados como adubo orgnico e rao

animal (Mattoso et al., 1997).

Cada fibra de sisal (fibra tcnica) constituda por uma centena de fibras

elementares ligadas entre si. Possuem um alto teor de celulose, excelentes

propriedades de resistncia ruptura e alongamento e boa resistncia ao da

gua salgada.

A planta de sisal produz aproximadamente 200 a 250 folhas antes de

florescer e cada folha contm entre 700 e 1400 fibras (Mattoso et al., 1997). As

fibras de sisal dispem-se longitudinalmente ao longo do comprimento da folha e de

forma praticamente regular, com comprimentos que variam de 45 a 120 cm.

Compreendem trs tipos: fibras mecnicas, fibras de fita e fibras de xilemas. As

fibras mecnicas esto presentes em maior nmero e dificilmente se dividem

4 MEDINA, J. C. O sisal. Secretaria da Educao do Estado de So Paulo, So Paulo, 1954. apud PAULA, C. M. S. S. Estudo da influncia do tratamento qumico de fibras de sisal na resistncia mecnica de compsitos sisal/epoxy. Campinas, 1996. Dissertao (mestrado) Faculdade de Engenharia Qumica, Universidade Estadual de Campinas.

29

durante os processos de manufatura, o que lhes confere maior importncia

comercial.

2.4.2 A Fibra de Coco

As fibras de coco so extradas do fruto do coqueiro comum, Cocos

Nucifera. Os coqueiros so palmeiras tropicais com at 35m de altura que

florescem durante todo o ano e de forma mais abundante no vero, em regies

tropicais e subtropicais. No Brasil, o coco chegou em 1553, a bordo das

embarcaes portuguesas, proveniente das ilhas de Cabo Verde, para onde, por

sua vez, tambm havia sido levado pelos portugueses (A Biblioteca Virtual do

Estudante Brasileiro, 1999).

Na atualidade, os maiores produtores mundiais de coco so as Filipinas, a

Indonsia e a ndia. No Brasil, a rea cultivada ocupa cerca de 300.000 hectares e

os principais produtores so os estados de Alagoas, Sergipe e Bahia. Segundo a

FAO (2002) a produo nacional de fibras de coco em 1999 foi superior a 7000

ton/ano. Uma grande quantidade da casca do coco ainda negociada como

resduo quando, de fato, constitui uma fonte de matria prima para uso em

aplicaes industriais (Salazar; Leo, 2000). As fibras de coco tm ampla utilizao

na fabricao de capachos, sacos, escovas, redes, colches, esteiras, pincis, etc.

Alm das fibras e da madeira, o coqueiro fornece alimentos como a polpa e a gua-

de-coco, leos, produtos cosmticos, rao animal, etc (A Biblioteca Virtual do

Estudante Brasileiro, 1999). Existem pesquisas em andamento que estudam a

utilizao destes resduos na construo civil, como uma opo para construes

de baixo custo (Savastano, 1997). As partes principais de um coco podem ser

vistas na Figura 5. As fibras so obtidas do mesocarpo, a parte espessa fibrosa.

30

Figura 5 Seo transversal do fruto do coqueiro (Cempre - Compromisso Empresarial para Reciclagem, 1998).

O processo de desfibrao do mesocarpo para a obteno da fibra de coco

pode ser feita por macerao em gua ou por processo mecnico. O comprimento

das fibras varia de 10 a 200mm. Comparada a outras fibras vegetais, a fibra de

coco apresenta baixo teor de celulose, alto teor de lignina e polioses e alto ngulo

espiral, ver Tabela II.

A superfcie da fibra revestida por uma camada de cera, de origem aliftica

e no polar, denominada de cutcula (Satyanarayana et al., 1990). So tambm

observadas protruses globulares identificadas como marcas silicificadas

(Geethamma et al., 1998).

Segundo Morassi (1994) o uso da fibra de coco na indstria automobilstica

data de meados da dcada de 40 quando era utilizada, em complementao com

uma manta de algodo, como enchimento de estofamentos de veculos. No Brasil,

o primeiro veculo a usar estofamentos em fibra de coco foi o VW - 1957. A partir do

final da dcada de 60, a espuma de poliuretano comeou gradualmente a substituir

a fibra de coco, visando aumento da produtividade e reduo de custos. No

entanto, na dcada de 90 foram iniciados estudos para se reverter ao uso da fibra

de coco, devido constatao de que estas fibras ofereciam melhor conforto e

maior durabilidade, quando comparadas espuma de poliuretano. Alm disto, havia

31

a preocupao em produzir veculos com o mximo de matria prima renovvel. O

incentivo utilizao de fibras de coco na indstria automobilstica, seja em

estofamentos ou em outras aplicaes um incentivo ao desenvolvimento das

regies onde estas fibras so produzidas.

2.4.3 Mtodos de Modificao Superficial das Fibras Vegetais

A regio interfacial de fundamental importncia na determinao das

propriedades dos compsitos, pois atravs da interface que os esforos atuantes

na matriz so transmitidos ao reforo. Mtodos qumicos e fsicos podem ser

usados para modificar a fibra e otimizar a interface.

Como visto anteriormente, as fibras vegetais so constitudas basicamente

de celulose e de uma quantidade relativamente alta de lignina e hemicelulose, que

influi diretamente em suas propriedades adesivas. Nos compsitos, a celulose

responsvel pela ligao das fibras ao polmero enquanto a lignina atua impedindo

a difuso da matriz na celulose, dificultando a aderncia da fibra ao polmero (Dotan

et al., 1989).

Um dos mais antigos mtodos de modificao das fibras vegetais o

tratamento alcalino, que visa limpar a superfcie da fibra de ceras e graxas,

provenientes possivelmente do manuseio e manufatura das fibras, alm de remover

parcialmente a hemicelulose e a lignina, principalmente a hemicelulose, que

solvel em baixssimas concentraes de lcali (Fengel; Wegener, 1989).

Com o tratamento alcalino, aumenta-se a rugosidade da superfcie da fibra e

melhora-se a aderncia mecnica entre fibra e matriz. Paula (1996) obteve

acrscimo de 28% nas resistncias trao e flexo do compsito sisal/epxi,

tratando as fibras de sisal com NaOH 5% a 100C. Joseph et al. (1996a) obtiveram

32

acrscimo de 10% nas propriedades mecnicas do compsito sisal/LDPE, tratando

as fibras de sisal com NaOH 10% a 100C. A efetividade do tratamento depende das condies do tratamento alcalino,

(concentrao, tempo e temperatura) e do sistema fibra/matriz. Condies timas

de tratamento asseguram melhores propriedades de trao dos compsitos

(Joseph et al., 1996a).

Tratamentos superficiais com ionizao de gases so tambm utilizados

para mudana das propriedades estruturais e superficiais