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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Leandro José da Silva
Estudo experimental e numérico das
propriedades mecânicas de compósitos
poliméricos laminados com fibras
vegetais
São João Del Rei, 2011
Leandro José da Silva
Estudo experimental e numérico das
propriedades mecânicas de compósitos
poliméricos laminados com fibras
vegetais
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Universidade Federal de São João del-Rei, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Materiais e Processos de Fabricação
Orientador: Vânia Regina Velloso Silva Co-orientador: Túlio Hallak Panzera
São João Del Rei, 2011.
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA
F178p
Silva, Leandro José da
Estudo experimental e numérico das propriedades mecânicas de compósitos poliméricos laminados com fibras vegetais/ Leandro José da Silva – São João del Rei - MG, 2011.
Rei.
Dissertação/Tese - Universidade Federal de São João del
Orientador: Vânia Regina Velloso Silva
1. Compósitos 2. Fibras de sisal 3. fibras de bananeira 4. sílica 5. planejamento experimental 6. análise micromecânica
7. simulação numérica I. Título.
Titulo em Inglês: Experimental and numerical study of mechanical properties of polymeric composites made of natural fibres.
Palavras-chave em Inglês: Composites, sisal fibres, Banana fibres, silica, full factorial design, micromechanical analysis and numerical simulation.
Área de concentração: Materiais e Processos de fabricação Titulação: Mestrado Banca examinadora: Juan Carlos Campos Rubio, Valdir Mano, Vânia
Regina Veloso Silva, Túlio Hallak Panzera Data da defesa: 25/03/2011 Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
iii
iv
Dedico este trabalho aos meus familiares especialmente meus pais Maria Aparecida Maia Silva e Francisco Augusto da Silva.
v
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às
quais presto minha homenagem:
À Professora Doutora Vânia Regina Velloso Silva do corpo docente do
departamento de Engenharia Mecânica, pela orientação deste trabalho, por sua
amizade, dedicação e por acompanhar meus passos desde a graduação.
Ao Professor Doutor Túlio Hallak Panzera do corpo docente do departamento de
Engenharia Mecânica, por ter aceitado ser o co-orientador deste trabalho, por sua
orientação, competência, comprometimento, amizade e por fazer parte da banca
examinadora desta dissertação de mestrado.
Ao Professor Doutor Juan Carlos Campos Rubio do corpo docente do
departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, pelo
interesse, apoio, por permitir a realização de ensaios mecânicos no Laboratório de
Usinagem da UFMG, e por fazer parte da banca examinadora desta dissertação de
mestrado.
Ao Professor Doutor Valdir Mano do corpo docente do departamento de ciências
naturais por fazer parte da banca examinadora desta dissertação de mestrado.
Ao ex-Professor Doutor do corpo docente do departamento de Engenharia
Mecânica Avelino Manuel da Silva Dias, pelos ensinamentos e amizade.
Ao Professor Doutor André Luis Christoforo do corpo docente do departamento de
Engenharia Mecânica, pela amizade, interesse e por sua valiosa colaboração e
parceria nos trabalhos de simulação numérica.
Ao Professor Doutor Frederico Ozanan Neves do corpo docente do departamento
de Engenharia Mecânica e coordenador do programa de pós-graduação em
Engenharia Mecânica, pelos ensinamentos e sua prontidão em auxiliar no
desenvolvimento desta dissertação.
vi
Aos Alunos do curso de graduação em Engenharia Mecânica Silvana Campos e
José Carlos Nogueira Filho, pela valiosa contribuição na fabricação dos corpos de
prova dos compósitos e ensaios mecânicos.
Ao aluno do curso de graduação em Engenharia Mecânica Marcos Estevão
Assumpção pela contribuição nas simulações numéricas dos compósitos.
Aos técnicos do Laboratório de caracterização mecânica Francisco Marcelino da
Silva e Emílio Dias Moreira pela valiosa colaboração nos ensaios mecânicos
preliminares e definitivos dos compósitos.
À CAPES – Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ensino Superior,
pela concessão da bolsa de mestrado.
Aos colegas, professores e funcionários do curso de pós-graduação em
Engenharia Mecânica pela convivência neste período, especialmente Jader dos Santos
Miranda, Mônica Jaques e Alessandra Olinda de Carvalho pela espontaneidade e
disposição em ajudar.
Aos colegas da AEURC - Associação dos Estudantes Universitários de Resende
Costa, pelos momentos de descontração, amizade e companheirismo durante as
viagens diárias de Resende Costa à São João del Rei.
Finalmente, mas não por último, gostaria de registrar meus agradecimentos a
todos meus familiares, especialmente aos meus pais Francisco Augusto da Silva e
Maria Aparecida Maia Silva pelo incentivo em todos os momentos da minha vida.
vii
"Você nunca sabe que resultados virão da sua ação. Mas se você não fizer nada, não existirão resultados." (Mahatma Gandhi).
viiiviii
Resumo
O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento mecânico de compósitos, obtidos
de resina epóxi (com e sem adição de micropartículas de sílica e anidrido maléico),
reforçados com fibras de sisal e fibras de bananeira. A metodologia experimental foi
baseada no planejamento fatorial completo de experimentos. Foram realizadas análise
micromecânica e simulação numérica por meio do método de elementos finitos. Os
fatores investigados foram os tipos de fibra vegetal (sisal e bananeira), a fração
volumétrica de fibras (30% e 50%), a fração mássica de micropartículas de sílica (0%,
20% e 33%) e a fração mássica de anidrido maléico (0% e 2%). Os compósitos
fabricados com fibras de sisal apresentaram maior resistência mecânica, enquanto os
fabricados com fibras de bananeira exibiram maior rigidez, principalmente os
compósitos fabricados com 30% de fibras. Embora o fator experimental “adição de
sílica” tenha exibido efeito significativo sobre as variáveis respostas analisadas, o
mesmo não atuou como fase reforçadora, reduzindo a resistência mecânica dos
compósitos e aumentando a densidade, a porosidade e a absorção de água. O anidrido
maléico não afetou a adesão interfacial matriz/fibra em ambos os compósitos de fibras
de sisal e bananeira. Entretanto, a análise micromecânica revelou boa adesão
interfacial nos compósitos fabricados com 30% de fibras, principalmente os compósitos
de fibras de sisal. A análise numérica confirmou a boa adesão fibra/matriz dos
compósitos fabricados com 30% de fibras e a pequena influência do coeficiente de
Poisson da fibra no comportamento mecânico global do material compósito,
principalmente os compósitos fabricados com fibras de bananeira.
Palavras-Chave: Compósitos, fibras de sisal, fibras de bananeira, sílica, planejamento
experimental, análise micromecânica e simulação numérica.
ixix
Abstract
This work aims to study the mechanical behaviour of composites, made of epoxy resin
(modified or not with silica microparticles and maleic anhydride), reinforced with sisal
fibres and banana fibres. The experimental methodology was carried out based on full
factorial design. A micromechanical analysis and a numerical simulation using the finite
element method were also performed. The investigated factors were: the type of fibres
(sisal and banana fibres), the volume fraction of fibres (30% and 50%), the weight
fraction of silica microparticles (0%, 20% and 33%) and the weight fraction of maleic
anhydride (0% and 2%). The composites manufactured with sisal fibres presented
higher mechanical strength, while the composites with banana fibres exhibited higher
stiffness, mainly the composites with 30% of fibres. Despite the experimental factor
“silica addition” has exhibited significant effect on the responses, there was no effect as
a reinforced phase, decreasing the mechanical strength of the composites, besides
increasing the density, the porosity and the water absorption. The maleic anhydride did
not improve the interfacial adhesion between matrix and fibres for both composites
made with sisal and banana fibres. However, the micromechanical analysis revealed a
good interfacial adhesion for the composites made with 30% of fibres, mainly those
laminated with sisal fibres. The numerical analysis confirmed perfect adhesion between
fibres and matrix of the composites manufactured with 30% volume of fibres and a weak
effect of fibre’s Poisson ratio on mechanical behaviour of the composites, especially
those with Banana fibres.
Key Words: Composites, sisal fibres, banana fibres, silica, full factorial design,
micromechanical analysis and numerical simulation.
xx
Lista de Figuras
2.1 Classificação dos materiais compósitos quanto ao tipo de reforço 07
2.2
Orientação do reforço no compósito
08
2.3
Laminado simétrico com camadas em diferentes orientações
08
2.4
Estrutura Química de uma resina epóxi diglicidil éter do bisfenol-A
(DGEBA)
12
2.5
Estrutura Química de uma resina epóxi diglicidil éter do bisfenol-F
(DGEBF)
12
2.6
Estrutura Química de uma resina epóxi bromada
13
2.7
Estrutura Química de uma resina epóxi flexível
13
2.8
Constituição de uma fibra vegetal elementar
16
2.9
Estrutura do mero da celulose
16
2.10
Estrutura molecular do anidrido Maléico
23
2.11
Mecanismo de reação química da fibra natural e matriz MAPP
25
2.12
Reação da fibra natural com o anidrido maléico e reação da resina
fenólica com a fibra tratada
28
2.13
Plantação de sisal, folha de sisal e ampliação mostrando os tipos
de fibras na folha de sisal
30
2.14
Esquema ilustrativo de uma bananeira
35
2.15
Pseudocaule da bananeira e suas bainhas foliares
36
2.16
Máquina desfibradora e processo de desfibramento da bainha foliar
37
2.17 Mecanismo esquemático da propagação da trinca no compósito
híbrido matriz/partícula/fibra
44
xixi
2.18 Mercedes Classe A e a fibra de bananeira e possibilidade de
aplicação de compósitos naturais em máquinas agrícolas
46
2.19
Gráfico de resíduos “quatro em um”
52
2.20
Volume representativo do compósito alumínio/δ-Al2O3
56
2.21
Micrografia da superfície de fratura de um compósito reforçado por
fibras unidirecionais (esquerda) e o modelo de elementos finitos
gerado contendo 20 fibras com remoção de camadas para potencial
fratura
56
2.22
Modelo de compósito sem interfase e com interfase para simulação
numérica
57
2.23
Resultados experimentais e numéricos pra o ensaio de tração dos
compósitos reforçados com fibras de juta
58
3.1
Mecha de fibras de sisal
60
3.2
Corte do Pseudocaule da bananeira, corte das bainhas foliares em
tiras de 3 – 5 cm de largura, retirada da camada interna das bainhas,
bainhas após três semanas submersas em água, raspagem da parte
não fibrosa da bainha, Penteamento das bainhas, secagem das
fibras ao sol e fibras limpas e secas
61
3.3
Corpo de prova para ensaios nas fibras
66
3.4
Aspecto das matrizes A – F da Tabela 3.4
67
3.5
Moldes de silicone para corpos de prova de tração e flexão
68
3.6
Aspecto dos corpos de prova de tração, flexão e compressão
69
3.7
Estrutura de madeira utilizada para alinhamento das fibras de sisal
70
3.8
Corpos de prova de tração para os compósitos fabricados com fibra
de sisal
71
3.9
Seqüência da laminação dos compósitos com fibras de bananeira
72
xii
3.10 Corpos de prova de tração e flexão dos compósitos de fibra de
bananeira
73
3.11
Ensaio de tração nos compósitos de fibra de sisal
74
3.12
Fibra de sisal sendo ensaiada
75
3.13
Ensaio de flexão nos compósitos com fibra de sisal
76
3.14
Câmara de vácuo para ensaio de densidade aparente
79
3.15
Modelo bidimensional dos compósitos e elemento finito Plane182
82
3.16
Elemento finito Solid 185 do ANSYS
83
3.17
Fotografia obtida por MEV da seção transversal do corpo de prova
do compósito fabricado com fibras de sisal
83
3.18
Fotografia obtida por MEV da seção transversal do corpo de prova
do compósito fabricado com fibras de bananeira
84
3.19
Modelo tridimensional dos compósitos com fibra de sisal e porção
representativa simulada
85
3.20
Modelo tridimensional dos compósitos com fibra de bananeira e
modelo discretizado
85
4.1
Gráfico Tensão X Deformação para a fibra de sisal
88
4.2
Gráfico Tensão X Deformação para a fibra de bananeira
88
4.3
Efeito da adição de anidrido maléico na resina epóxi
89
4.4
Gráficos da densidade e porcentagem de poros abertos e absorção
de água das matrizes
90
4.5
Gráficos da Resistência e módulo de elasticidade das matrizes
92
4.6
Gráfico Tensão x Deformação para resina epóxi
93
4.7
Gráfico Força x Deflexão para resina epóxi
94
4.8 Gráficos de resíduos 4 em 1 para a resistência à tração dos
compósitos
97
xiiixiii
4.9 Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica sobre a média
da resistência à tração dos compósitos
98
4.10
Efeito da interação Fração volumétrica*Aditivo químico sobre a
média da resistência à tração dos compósitos
98
4.11
Efeito da interação Tipo de fibra*Adição de sílica*Aditivo químico
sobre a média da resistência à tração dos compósitos
99
4.12
Gráficos de resíduos para o módulo de elasticidade dos
compósitos
100
4.13
Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Adição de
sílica*Aditivo químico sobre a média do módulo de elasticidade dos
compósitos
101
4.14
Gráficos de resíduos para a resistência à flexão dos compósitos
103
4.15
Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica sobre a média
da resistência à flexão dos compósitos
104
4.16
Efeito da interação Tipo de fibra*Adição de sílica sobre a média da
resistência à flexão dos compósitos
105
4.17
Efeito da interação Tipo de fibra*Aditivo Químico sobre a média da
resistência à flexão dos compósitos
105
4.18
Efeito da interação Fração volumétrica*Adição de sílica*Aditivo
Químico sobre a média da resistência à flexão dos compósitos
106
4.19
Gráficos de resíduos para o módulo de elasticidade em flexão dos
compósitos
107
4.20
Efeito da interação Tipo de fibra*Aditivo Químico sobre a média do
módulo de flexão dos compósitos
108
4.21 Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Adição de
sílica sobre a média do módulo de flexão dos compósitos
109
xivxiv
4.22 Efeito da interação Fração volumétrica*Adição de sílica*Aditivo
químico sobre a média do módulo de flexão dos compósitos
110
4.23
Gráficos de resíduos para a densidade volumétrica dos compósitos
111
4.24
Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica sobre a média
da densidade volumétrica dos compósitos
111
4.25
Gráficos de resíduos para a densidade aparente dos compósitos
112
4.26
Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Adição de sílica
sobre a média da densidade aparente dos compósitos
113 4.27 Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Aditivo químico
sobre a média da densidade aparente dos compósitos 114
4.28
Efeito da interação Tipo de fibra*Adição de sílica*Aditivo químico
sobre a média da densidade aparente dos compósitos
115
4.29
Gráficos de resíduos para a porosidade aparente dos compósitos
116
4.30
4.31
Efeito do fator principal Aditivo químico (D) sobre a média da
porosidade aparente dos compósitos
Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica sobre a média
da porosidade aparente dos compósitos
116
117
4.32
Efeito da interação Fração de fibras*Adição de sílica sobre a média
da porosidade aparente dos compósitos
118
4.33
Gráficos de resíduos para a absorção de água dos compósitos
119
4.34
Efeito do Tipo de fibra sobre a média da absorção de água dos
compósitos
119
4.35
Efeito do Aditivo químico sobre a média da absorção de água dos
compósitos
120
4.36 Efeito da interação Adição de sílica*Aditivo químico sobre a média
da porosidade aparente dos compósitos
120
xvxv
4.37 Comparativo entre a análise micromecânica e os resultados
experimentais para os compósitos fabricados com a fibra de
sisal
123
4.38
Comparativo entre a análise micro mecânica e os resultados
experimentais para os compósitos fabricados com a fibra de
bananeira
126
4.39
Fotografias obtidas por MEV nos compósitos fabricados com fibra
de sisal e fibras de bananeira
127
4.40
Deslocamento sofrido pelo modelo numérico bidimensional dos
compósitos com fibras de sisal
128
4.41
Curvas tensão/deformação para o modelo numérico bidimensional
dos compósitos com fibras de sisal
129
4.42
Curvas tensão/deformação para o modelo numérico tridimensional
dos compósitos com fibras de sisal
131
4.43
Curvas tensão/deformação para o modelo numérico bidimensional
dos compósitos com fibras de bananeira
133
4.44 Curvas tensão/deformação para o modelo numérico tridimensional
dos compósitos com fibras de bananeira
135
xvixvi
Lista de Tabelas
2.1 Composição de fibras vegetais 18
2.2
Propriedades mecânicas de fibras vegetais
19
2.3
Propriedades típicas do anidrido maléico
23
2.4
Composição da fibra de bananeira
38
2.5
Matriz de planejamento experimental
50
3.1
Características de cura da resina epóxi RQ-0100RF
59
3.2
Propriedades gerais da areia de sílica
62
3.3 Condições experimentais, planejamento fatorial completo (233
1)
65
3.4
Composição das matrizes analisadas
67
4.1
Propriedades físicas e mecânicas das fibras de sisal e bananeira
87
4.2
Propriedades físicas das matrizes de resina epóxi
90
4.3
Propriedades mecânicas das matrizes de resina epóxi
91
4.4
Análise de Variância (ANOVA)
95
4.5
Propriedades mecânicas estimadas e experimentais
121
4.6
Deformações específicas para o compósito de fibras de sisal
– Modelo bidimensional
129
4.7
Deformações específicas para o compósito de fibras de sisal
– Modelo tridimensional
131
4.8
Deformações específicas para o compósito de fibras de bananeira
– Modelo bidimensional
133
4.9
Deformações específicas para o compósito de fibras de bananeira
– Modelo tridimensional
134
xvii
Lista de Equações
2.1 Regra da mistura 52
2.2 Parâmetro de eficiência do reforço (Halpin-tsai) 53
2.3 Parâmetro de eficiência do reforço (Halpin-tsai) 53
2.4 Modelo de Halpin-tsai 53
3.1 Densidade volumétrica 77
3.2 Volume do corpo de prova 77
3.3 Densidade aparente 78
3.4 Volume dado pelo deslocamento de água 78
3.5 Porosidade aparente 79
3.6 Absorção de água 80
3.7 Volume do corpo de prova cilíndrico 81
3.8 Deformação específica dos compósitos 86
xviiixviiixviii
Lista de Abreviaturas e Siglas
Letras Latinas
A – tipo de fibra vegetal
Ab – Absorção de água [%]
b – base do corpo de prova [cm]
B - fração volumétrica de fibras [%]
C – adição de micro partículas de sílica [%]
D – adição de anidrido maléico [%]
Dc – diâmetro do corpo de prova [cm]
e - espessura do corpo de prova [cm]
h – altura do corpo de prova [cm]
L – comprimento original do corpo de prova [mm]
m – massa do corpo de prova [g]
m1 – massa do corpo de prova seco [g]
m2 – massa da amostra saturada com água [g]
m3 – massa da amostra totalmente submersa na água [g]
P*
- propriedade efetiva do compósito [GPa]
PF – propriedade da fase fibra [GPa]
PM – propriedade da fase matriz [GPa]
VF – fração volumétrica de fibras [%]
R2
- proporção da variabilidade presente nas observações da variável resposta y [%]
Tg – Temperatura de transição vítrea [ºC]
V - volume do corpo de prova [cm3]
V1 - volume do corpo de prova dado pelo deslocamento de água [cm3]
Vc – Volume do corpo de prova cilíndrico [cm3]
VM – fração volumétrica de matriz [%]
...................................................
xixxixxix
Letras Gregas
ΔL – variação do comprimento original do corpo de prova [mm]
ε – deformação específica [mm/mm]
η – parâmetro de eficiência do reforço de Halpin-tsai
νf – coeficiente de Poisson da fibra
ξ – parâmetro de eficiência do reforço de Halpin-tsai
ρa - densidade aparente do material [g / cm3]
ρν - densidade volumétrica do material [g / cm3]
...................................................
Abreviações
ANOVA – Analysis of Variance (Análise de variância)
CMC – Compósitos de matriz cerâmica
CMM – Compósitos de matriz metálica
CMP - Compósitos de matriz polimérica
DGEBA - Diglicidil éter do bisfenol-A
DGEBF - Diglicidil éter do bisfenol-F
DOE – Design of experiments (Planejamento de experimentos)
EPI’s – Equipamentos de proteção individual
MAPP - Polipropileno modificado com anidrido maléico
MEF – Método de elementos finitos
MEV - Microscópio eletrônico de varredura
PC – Policarbonato
PE – Polietileno
PET - Poli(tereftalato de etileno)
PMMA – Poli(metacrilato)
PP – Polipropileno
PS – Poliestireno
PTV – Princípios dos trabalhos virtuais
xxxxxx
PVC - Poli(cloreto de vinila)
RTM - Moldagem por transferência de resina
...................................................
Siglas
ASTM – American Society of Testing Materials
BS – British standard
UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais
UFSJ – Universidade Federal de São João del Rei
...................................................
xxixxixxi
Sumário
1 INTRODUÇÃO 1
1.1 Comentários gerais 1
1.2 Objetivos do trabalho 3
1.3 Organização da dissertação 4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5
2.1 Mecânica de compósitos 5
2.1.1 Definição 5
2.1.2 Tipos e classificação 6
2.1.2.1 Matrizes Poliméricas 9
2.1.2.1.1 Resina Poliéster 11
2.1.2.1.2 Resina Epóxi 11
2.1.2.1.3 Resina Fenólica 14
2. 2 Compósitos de fibras naturais 14
2.3 Aditivos Químicos 19
2.3.1 Anidrido Maléico 23
2.4 Compósitos de fibras de sisal 28
2.4.1 A fibra de sisal 28
2.4.2 Estudos realizados: compósitos com fibras de sisal 31
xxii
2.5 Compósitos com fibra de bananeira 34
2.5.1
Fibra de bananeira
34
2.5.2
Estudos realizados: compósitos com fibras de bananeira
38
2.6
Compósitos híbridos fibra/partícula
41
2.7
Processos de fabricação
44
2.8
Aplicações
46
2.9
Planejamento Experimental
47
2.9.1
Terminologia básica
47
2.9.2
Procedimento experimental
48
2.9.3
Planejamento fatorial
49
2.10
Análise micromecânica de compósitos
52
2.11
Análise de compósitos utilizando o método de elementos finitos
53
3
MATERIAIS E MÉTODOS
59
3.1
Materiais
59
3.1.1
Fase matriz: resina Epóxi
59
3.1.2
Fase dispersa: fibra de sisal
60
3.1.3
Fase dispersa: fibra de bananeira
60
3.1.4
Fase dispersa: partículas de sílica
62
3.1.5
Anidrido Maléico
63
3.2
Planejamento experimental: escolha dos fatores e níveis experimentais
63
xxiiixxiiixxiii
3.3 Fabricação dos corpos de prova 66
3.3.1
Corpos de prova para ensaios de tração nas fibras
66
3.3.2
Corpos de prova para ensaios da fase matriz
67
3.3.3
Fabricação dos compósitos laminados
69
3.3.3.1
Compósitos reforçados com fibras de sisal
69
3.3.3.2
Compósitos reforçados com fibras de bananeira
71
3.4
Variáveis respostas
73
3.4.1
Resistência à tração e módulo de elasticidade
73
3.4.2
Resistência à flexão e módulo de flexão
75
3.4.3 Densidade volumétrica e aparente, porosidade aparente e absorção de
água 77
3.4.3.1 Densidade volumétrica 77
3.4.3.2 Densidade aparente 78
3.4.3.3 Porosidade aparente 79
3.4.3.4 Absorção de água 80
3.4.4 Propriedades das matrizes 80
3.5 Análise estatística utilizando o Minitab 81
3.6 Análise micromecânica dos compósitos 81
3.7 Simulação numérica do comportamento dos compósitos 81
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 87
xxivxxivxxiv
4.1 Determinação das propriedades das fases constituintes dos compósitos 87
4.1.1
Propriedades das fibras de sisal e fibra de bananeira
87
4.1.2
Propriedades físicas e mecânicas das matrizes
89
4.1.2.1
Efeito do anidrido maléico na resistência mecânica da resina
89
4.1.2.2
Propriedades das matrizes definitivas de resina epóxi pura e modificada
90
4.2
Ensaios mecânicos nos compósitos
94
4.2.1
Resistência à tração
96
4.2.2
Módulo de elasticidade
100
4.2.3
Resistência à flexão
102
4.2.4
Módulo de elasticidade em flexão
106
4.2.5
Densidade volumétrica
110
4.2.6
Densidade Aparente
111
4.2.7
Porosidade Aparente
115
4.2.8
Absorção de água
118
4.3
Análise micromecânica dos compósitos
121
4.3.1
Compósitos fabricados com fibras de sisal
122
4.3.2
Compósitos fabricados com fibras de bananeira
125
4.4
Simulação numérica dos compósitos
128
4.4.1
Compósitos fabricados com fibras de sisal
128
4.4.1.1
Modelo bidimensional
128
xxvxxvxxv
4.4.1.2 Modelo tridimensional 130
4.4.2
Compósitos fabricados com fibras de bananeira
132
4.4.2.1
Modelo bidimensional
132
4.4.2.2
Modelo tridimensional
134
4.4.3
Comentários finais
135
5
CONCLUSÕES
138
6
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
140
7
TRABALHOS PRODUZIDOS
141
REFERÊNCIAS 1413
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 Comentários gerais
Os materiais compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais vêm sendo
investigados, nos últimos anos, pela comunidade científica e industrial na busca de
novos materiais que possam substituir eficientemente os materiais sintéticos em
diversas aplicações, principalmente nas indústrias da construção civil, automobilística,
aeronáutica e naval. Características inerentes aos compósitos naturais, tais como
moderada resistência mecânica associada ao baixo peso específico, baixo custo, aliada
às exigências por matérias-primas sustentáveis e renováveis têm estimulado a
realização de novas pesquisas nessa área.
As fibras vegetais são fibras lignocelulósicas com caráter hidrofílico incompatível
com a maioria dos polímeros predominantemente hidrofóbicos. Essa incompatibilidade
resulta em baixa adesão entre a matriz polimérica e as fibras vegetais, sendo este o
principal problema apresentado pelos compósitos reforçados por essas fibras.
Entretanto, tratamentos com aditivos químicos podem ser empregados, tanto nas fibras
quanto no polímero utilizado como matriz, com o intuito de aumentar a adesão na
interface matriz/reforço. Quanto maior a adesão interfacial, melhor o desempenho do
compósito, ou seja, mais efetiva é a transferência dos esforços da matriz para o
reforço, aumentando o efeito reforçador das fibras.
Diversos fatores podem influenciar nas propriedades físico-mecânicas de
compósitos reforçados por fibras vegetais, entre eles: o tipo de matriz e fibra, a fração
volumétrica das fases, o comprimento, a orientação e o tratamento da fibra, o
tratamento da fase polimérica, o processo de fabricação, entre outros. Para os
compósitos com adição de fase particulada, fatores como a natureza, o tamanho, a
geometria e a fração mássica das partículas afetam significativamente suas
propriedades.
2
Experimentos planejados podem ser úteis na identificação e verificação do efeito
desses fatores sobre as propriedades dos materiais do ponto de vista estatístico. O
planejamento fatorial é um tipo de metodologia estatística que permite verificar se os
fatores possuem efeito significativo nas respostas do material (propriedades),
permitindo, ainda, verificar possíveis interações entre os efeitos desses fatores. Com o
planejamento fatorial, vários fatores podem ser estudados simultaneamente, através de
todas as combinações possíveis entre os diversos fatores nos seus diferentes níveis,
podendo conduzir a resultados de interesse.
A dificuldade em prever o comportamento dos compósitos em uma escala
micromecânica (início de uma fratura e delaminação, danos devido ao impacto, etc.) é
a principal razão para a aplicação limitada dos compósitos, especialmente os
compósitos reforçados por fibras naturais, devido à variabilidade nas propriedades
mecânicas inerentes a essas fibras. O emprego de metodologias numéricas tem sido
importante, principalmente devido à dificuldade em prever, por meio de métodos
analíticos, o comportamento dos materiais compósitos. O método de Elementos Finitos
tem sido uma ferramenta computacional fundamental para as análises micromecânicas
de compósitos. Nessas análises, os compósitos são considerados como uma mistura
de diferentes materiais isotrópicos e anisotrópicos modelados separadamente. A
utilização do método de Elementos Finitos permite avaliar os efeitos de diversas
variáveis microestruturais, tais como a orientação das fibras, a adesão interfacial, o
desempenho da matriz na transferência de esforço e o comportamento global do
compósito.
Portanto, a inserção de aditivos químicos e fase particulada em compósitos
poliméricos de fibras vegetais, aliada à avaliação e caracterização das propriedades da
interface matriz/fibra, pode representar um avanço na investigação e emprego dos
compósitos naturais.
3
1.2 Objetivos do trabalho
O objetivo geral deste trabalho é desenvolver e estudar um material compósito de
matriz polimérica (resina epóxi), fabricado com reforço de fibras vegetais e
micropartículas de sílica, visando à obtenção de um material sustentável, de baixo
custo, com boas propriedades mecânicas que atendam aos padrões e normas técnicas
da indústria brasileira.
Os objetivos específicos estão relacionados com a verificação dos principais
fatores que podem afetar significativamente as variáveis-respostas, entre elas
resistência à tração, módulo de elasticidade, resistência à flexão, módulo de flexão,
densidade aparente e porosidade aparente dos compósitos, por meio de uma
metodologia estatística de planejamento de experimentos.
O planejamento de experimentos (DOE) e a análise de variância (ANOVA)
permitirão identificar os efeitos dos fatores experimentais sobre as propriedades dos
compósitos, entre eles tipo de fibra vegetal, fração volumétrica de fibras, fração
mássica de micropartículas de sílica e fração mássica de anidrido maléico. Poderão ser
verificados os efeitos das interações de segunda, terceira e quarta ordem entre os
fatores principais. A análise em Elementos Finitos permitirá a comparação dos
resultados numéricos com os resultados experimentais, podendo assim validar a
metodologia numérica, sendo capaz de estimar o comportamento mecânico dos
compósitos e verificar a qualidade da interface matriz/fibra.
Por meio de uma análise micromecânica será possível determinar e comparar as
propriedades efetivas de compósitos reforçados por fibra vegetais com os resultados
experimentais, verificando a eficiência da interface matriz/fibra.
Finalmente, o trabalho proposto permitirá a identificação dos efeitos dos fatores e
níveis analisados nas propriedades dos compósitos, verificando o desempenho dos
compósitos desenvolvidos.
4
1.3 Organização da dissertação
A dissertação de mestrado está dividida nos seguintes capítulos: Capítulo 1 -
Introdução, Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica, Capítulo 3 – Materiais e Métodos,
Capítulo 4 – Resultados e Discussões, Capítulo 5 – Conclusões e Capítulo 6 –
Sugestões para trabalhos futuros.
O capítulo 2 proporciona ao leitor a compreensão dos principais aspectos teóricos
relacionados ao tema do trabalho desenvolvido. Dentre os principais temas abordados
estão: mecânica de compósitos, compósitos fabricados com fibras naturais,
tratamentos e aditivos químicos em compósitos naturais, compósitos fabricados com
fibra de sisal, compósitos fabricados com fibra de bananeira, compósitos híbridos
fibra/partícula, processos de fabricação, aplicações, planejamento experimental e
análise de compósitos utilizando o método de Elementos Finitos.
O capítulo 3 exibe os materiais e métodos empregados, bem como o processo de
fabricação dos compósitos.
O capítulo 4 apresenta os resultados experimentais e numéricos, com as
respectivas análises e discussões.
O capítulo 5 traz os resultados gerais obtidos e conclusões geradas neste
trabalho.
O capítulo 6 exibe algumas sugestões colocadas pelo autor para trabalhos
futuros, visando o avanço da pesquisa dos materiais compósitos desenvolvidos.
Por fim, o capítulo 7 exibe alguns trabalhos produzidos e publicados em anais de
eventos nacionais e internacionais.
5
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Mecânica de compósitos
2.1.1 Definição
Há na literatura diversas definições para a classe de materiais compósitos. A
definição mais empregada, apresentada por Daniel e Ishai (1994), define um compósito
estruturado como um sistema de materiais formado de duas ou mais fases numa
escala macroscópica, cujo desempenho mecânico e propriedades são projetados para
serem superiores àqueles dos constituintes atuando independentemente.
Uma das fases é geralmente descontínua, mais forte e resistente, sendo
denominada “fase dispersa” ou reforçador; enquanto que a fase mais fraca é contínua e
denominada “matriz”. A função da fase dispersa é oferecer resistência e rigidez ao
compósito, enquanto a matriz tem a função de envolver o reforço protegendo contra
ataques químicos, umidade, além de transferir os esforços para a fase reforçadora.
Outras definições, tal como a apresentada por Pereira (2003), define um
compósito como um material composto formado pela união de dois materiais de
naturezas diferentes, resultando em um material de desempenho superior àquele de
seus componentes tomados separadamente. O material resultante é um arranjo de
fibras, contínuas ou não, de um material resistente (reforço) que são impregnados em
uma matriz de resistência mecânica inferior às fibras.
Ainda segundo a norma ASTM D3878 (2007), compósito é uma substância
consistindo de dois ou mais materiais, insolúveis entre si, que são combinados para
formar um material de engenharia útil, exibindo certas propriedades que não se
encontram nos materiais isoladamente.
Uma fase adicional pode surgir, algumas vezes, entre a fase dispersa (reforço) e a
fase matriz, devido a interações químicas entre os materiais ou efeitos de outros
processos (PANZERA, 2003). A qualidade da interface exerce um papel fundamental
6
no desempenho de um compósito, isto porque a interface é a principal responsável
pela eficiente transferência dos esforços da matriz para o reforço.
Além do exposto acima, para o material ser classificado como um compósito é
necessário, ainda, satisfazer três critérios (DANIEL e ISHAI, 1994):
1. Ambos os constituintes devem estar presentes em proporções maiores que 5%;
2. As fases constituintes devem ter propriedades diferentes, e, portanto;
3. As propriedades do compósito devem ser notoriamente diferentes daquelas dos
materiais constituintes.
Dessa forma, um compósito consiste em um material multifásico feito
artificialmente, em contraste com um material que ocorre ou se forma naturalmente.
Além disso, as fases constituintes devem ser quimicamente diferentes e devem estar
separadas por uma interface distinta. Assim, a maioria das ligas metálicas, além de
muitos materiais cerâmicos, não se enquadra nessa definição, pois as suas múltiplas
fases são formadas como conseqüência de fenômenos naturais (PANZERA, 2003).
2.1.2 Tipos e classificação
Segundo Lima Júnior (2007), não há ainda uma classificação universal, oficial,
para os materiais compósitos. Estes materiais podem ser agrupados de acordo com a
forma, processo, tipo de matriz, tipo de reforço, entre outros critérios. Classificações
quanto à natureza da fase dispersa e da matriz, no entanto, são as mais encontradas
na literatura.
Em relação ao reforço, os compósitos podem ser classificados em compósitos
laminados (reforçados por fibras) e compósitos particulados (reforçados por partículas).
As partículas podem ser materiais metálicos, poliméricos ou cerâmicos, podendo ser
sintéticos ou naturais. Segundo Agarwal apud Lima Júnior (2007), uma partícula é
naturalmente não fibrosa, podendo ser esférica, cúbica, tetragonal, escamada ou
quaisquer outras formas regulares ou irregulares, sendo que a forma sempre será
possível de se aproximar, por abstrações matemáticas, das quatro formas
supracitadas. A fibra, por sua vez, é caracterizada pelo seu comprimento ser muito
maior que a sua seção transversal, podendo ser de origem animal, vegetal (sisal, juta,
7
bananeira etc.) ou sintética (fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de aramida etc.). A
Figura 2.1 exibe a classificação dos compósitos em relação ao tipo de reforço em um
organograma.
Materiais
compósitos
Compósitos
reforçados por
fibras
Compósitos
particulados
Camada única Multicamada Orientação
preferencial
Orientação
Aleatória
Fibras
contínuas
Fibras
descontí-
nuas
Lamina-
dos
Hibrídos
Unidireci-
onais
Bidirecio-
nais
Orient.
Preferen-
cial
Orient.
Aleatória
Figura 2.1 - Classificação dos materiais compósitos quanto ao tipo de reforço
Nos compósitos fabricados com apenas uma camada de fibras, as fibras podem
ser classificadas em contínuas ou descontínuas (também chamadas de fibras curtas ou
Whiskers). A Figura 2.2 ilustra a orientação do reforço em função da direção de
aplicação da carga no material compósito.
Os compósitos fabricados com uma única camada de fibras contínuas são
classificados como compósitos unidirecionais, cujas fibras são alinhadas em uma dada
direção preferencial e podem também ser classificados como compósitos bidirecionais
ou multidirecionais quando fabricados com tecidos de fibras. Os compósitos laminados
são aqueles fabricados com camadas de fibras sobrepostas, sejam unidirecionais ou
multidirecionais. Conforme ilustra a Figura 2.3, dependendo das exigências de projeto,
8
a seqüência de empilhamento das lâminas no compósito laminado pode ser realizada
com as camadas em diferentes orientações (TITA, 1999).
Figura 2.2 - Orientações dos reforços no compósito: compósito particulado (a),
compósitos reforçados por fibras curtas orientadas (b) e fibras curtas aleatórias (c).
Figura 2.3 - Laminado simétrico com camadas em diferentes orientações.
Os compósitos são denominados híbridos quando são fabricados com mais de um
tipo de reforço, como por exemplo tecidos híbridos de fibras de vidro e kevlar®. Além
disso, os compósitos podem conter mais de uma fase reforçadora, tais como os
compósitos laminados de fibras de vidro reforçados com micro partículas de minerais
cerâmicos.
A matriz pode ser um material metálico, cerâmico ou polimérico. Dessa forma, os
materiais são denominados de compósitos de matriz metálica (CMM); compósitos de
matriz cerâmica (CMC); e compósitos de matriz polimérica (CMP); respectivamente.
Em geral, devido à sua ductilidade e fácil moldagem, os metais e os polímeros são
9
mais usados que os materiais cerâmicos como matriz para compósitos. De acordo com
esse critério, compósitos poliméricos são, também, mais comuns que metálicos
(PANZERA, 2003).
Em função do escopo deste trabalho, as principais características de matrizes
poliméricas serão explanadas, em especial as matrizes termorrígidas de resina epóxi.
2.1.2.1 Matrizes Poliméricas
Polímero é um composto químico de massa molar elevada, formado por muitas
moléculas simples, iguais (monômeros) ou de vários tipos diferentes, unidas umas às
outras por ligações covalentes, resultantes de muitas reações de adição ou de
condensação (substituição) consecutivas. Quando um polímero é formado a partir de
um único monômero, ele é nomeado homopolímero, e copolímero quando os
monômeros são diferentes (CANEVAROLO JÚNIOR, 2006).
Há diversas maneiras de se classificar os polímeros, sendo a classificação
conforme as características mecânicas uma das mais utilizadas na fabricação de
compósitos. De acordo com o comportamento mecânico, os polímeros podem ser
divididos em plásticos (termoplásticos ou termorrígidos, de acordo com a fusibilidade),
elastômeros (borrachas) e fibras (MANO e MENDES, 1999).
Os polímeros termoplásticos constituem a maior parte dos polímeros comerciais,
tendo como principal característica a capacidade de ser fundido diversas vezes.
Dependendo do tipo do plástico, também podem dissolver-se em vários solventes.
Logo, sua reciclagem é possível, uma característica bastante desejável nos dias de
hoje. São polímeros de alta massa molar, constituídos de cadeias lineares e, em alguns
casos, apresentam alguma ramificação. O emaranhamento das cadeias confere
integridade física ao material, sendo passíveis, entretanto, de deformação plástica
quando submetidos a tensões mecânicas (LEVY NETO e PARDINI, 2006). São
exemplos de polímeros termoplásticos o polietileno (PE), polipropileno (PP),
poli(tereftalato de etileno) (PET), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poli(cloreto de
vinila) (PVC), poli(metacrilato de metila) (PMMA), entre outros.
1010
Polímeros termorrígidos, diferentemente dos termoplásticos, são rígidos e
apresentam ruptura frágil, sendo muito estáveis a variações de temperatura. Após a
polimerização (cura), não possuem a capacidade de se fundir novamente,
apresentando decomposição quando aquecido a altas temperaturas. Esta característica
torna a reciclagem desses polímeros bastante complicada. Na sua estrutura molecular
as moléculas formam cadeias que estão ligadas fisicamente entre si, formando uma
rede ou reticulado. Elas estão presas entre si por meio de numerosas ligações, não se
movimentando com liberdade como no caso dos termoplásticos (GORNI, 2011).
Exemplos: baquelite, usada em tomadas e no embutimento de amostras
metalográficas; poliéster usado em carrocerias, caixas d'água, piscinas, e outros, na
forma de plástico reforçado (fibra de vidro), epóxi, fenólico, etc.
Elastômero (borracha) é uma classe de polímeros intermediária aos
termoplásticos e termorrígidos. Não são fundíveis, mas apresentam alta elasticidade,
não sendo rígidos como os termorrígidos. Sua reciclagem é também complicada de
forma análoga aos termorrígidos, devido à incapacidade de fusão. A estrutura
molecular é similar à do termorrígido, mas neste caso, há menor número de ligações
entre as cadeias. Exemplos: vedações, mangueiras de borracha (GORNI, 2011).
Nos compósitos reforçados por fibras, tanto sintéticas quanto vegetais, vários
tipos de polímeros têm sido utilizados como matrizes sejam eles termoplásticos ou
termorrígidos. Quanto aos compósitos reforçados por fibras vegetais, os mais
comumente empregados são polímeros termorrígidos (poliéster, epóxi e fenólico),
devido à capacidade da polimerização poder ser realizada a baixas temperaturas,
reduzindo o risco de deterioração das fibras.
Ainda assim, termoplásticos (polietileno, poliestireno, polipropileno, etc.) são
também utilizados como matrizes em compósitos, devido à maior tenacidade à fratura,
maior resistência ao impacto, maior tolerância a danos em relação aos termorrígidos,
além da capacidade de reciclagem desses materiais (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
O efeito de reforçamento das fibras, em geral, pode variar bastante devido a diferentes
afinidades com as matrizes acompanhada das diferenças em suas estruturas químicas
(JOSEPH et al., 1996).
1111
2.1.2.1.1 Resina Poliéster
As resinas de poliéster, segundo Levy Neto e Pardini (2006), são um grupo
de polímeros formados da reação de ácidos orgânicos dicarboxílicos e glicóis, que,
quando reagidos, dão origem a moléculas de cadeias longas lineares. A resina é dita
insaturada se um ou ambos constituintes são insaturados e a reação de síntese da
resina é uma reação de polimerização por condensação em etapas, formando um éster
e água.
As resinas de poliéster são fornecidas ao moldador na forma de um líquido
viscoso e se transforma em um sólido infusível por meio de uma reação de reticulação
ou cura. Entretanto, essa cura se processaria muito lentamente, porque as moléculas
constituem a resina de poliéster têm pequena mobilidade. De forma a agilizar a cura
pode-se usar aquecimento da resina ou mesmo a adição de um catalisador (peróxido
de metil-etil-cetona + nafteno cobalto ou dimetilanilina) quebrando as duplas reações
(insaturações).
Como há um grande número de ácidos e glicóis disponíveis, há possibilidade de
se obter grande número de resinas. Os mais comuns são: ácidos saturados (ácido
ortoftálico e isoftálico), que são mais tenazes; ácidos insaturados (ácido maléico),
possuindo muitas ligações duplas; e glicóis (etileno-glicol e propileno-glicol) que afetam
a tenacidade do polímero curado (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
2.1.2.1.2 Resina Epóxi
As resinas epóxi são polímeros termorrígidos de alto desempenho mecânico que
contêm pelo menos dois grupos epóxi terminais conhecidos também como grupos
oxirano ou etoxilina, por molécula. As aplicações de maior vulto incluem recobrimentos
protetivos, adesivos, equipamentos para indústria química, compósitos estruturais,
laminados elétricos e encapsulados eletrônicos (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
As resinas epóxi mais utilizadas têm como base o diglicidil éter do bisfenol A
(DGEBA). A Figura 2.4 exibe a estrutura básica desse tipo de polímero, onde as
unidades de repetição (n) podem variar de 0 a 25, podendo ser obtidas resinas líquidas
de baixa viscosidade (0<n>1), até resinas sólidas (n>1).
1212
Figura 2.4 - Estrutura química de um polímero epóxi diglicidil éter do bisfenol-A
(DGEBA) (http://www.silaex.com.br/epoxi.htm, 2011).
Atualmente, existem quatro tipos de resina comercializados
(http://www.silaex.com.br/epoxi.htm, 2011): resina epóxi à base de bisfenol A (Figura
2.4), à base de bisfenol F e/ou Novolac, resina epóxi bromada e resina epóxi flexível. A
troca do Bisfenol A pelo Bisfenol F propicia às resinas (Figura 2.5) epóxi maior número
de ligações cruzadas e melhor desempenho mecânico, químico e térmico,
principalmente quando curado com aminas aromáticas ou anidridos.
A Figura 2.6 exibe a estrutura de um polímero epóxi bromado que é uma resina à
base de Epicloridrina, Bisfenol A e Tetrabromobisfenol A com quatro moléculas
adicionais de bromo.
Figura 2.5 - Estrutura química de um polímero epóxi diglicidil éter do bisfenol-F
(DGEBF) (http://www.silaex.com.br/epoxi.htm, 2011).
1313
Figura 2.6 - Estrutura química de um polímero epóxi bromado
(http://www.silaex.com.br/epoxi.htm, 2011).
Resinas epóxi flexíveis (Figura 2.7) são resinas que possuem longas cadeias
lineares substituindo os bisfenóis por poliglicóis pouco ramificados. São resinas de
baixa reatividade que normalmente são utilizados como flexibilizantes reativos em
outras resinas, melhorando a resistência ao impacto com acréscimo da flexibilidade.
Figura 2.7 - Estrutura química de um polímero epóxi flexível
(http://www.silaex.com.br/epoxi.htm, 2011).
Uma enorme variedade de agentes de cura é empregada no processamento de
resinas epóxi. O tipo de reagente determina o tipo de reação, velocidade da reação e a
gelificação. Os agentes de cura mais comuns são amínicos divididos em aminas
alifáticas e aminas aromáticas. As alifáticas são muito reativas, exibindo tempo de gel
relativamente baixo a temperatura ambiente. As aromáticas têm menor reatividade e
necessitam de altas temperaturas (150 a 180oC) de cura. Os agentes de cura tipo
anidrido, entre eles anidrido metil nádico e anidrido ftálico, têm menor reatividade que
as aminas aromáticas, possibilitando longo tempo de utilização durante o processo. A
1414
relação epóxi/endurecedor afeta, após a cura, a transição vítrea, o módulo de
elasticidade e a resistência mecânica. Em princípio, não deve haver nenhum grupo
epóxi ou agente de cura não reagido após o processo de cura, objetivando obter
propriedades otimizadas (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
2.1.2.1.3 Resina Fenólica
A síntese de resina fenólica é realizada pela utilização de uma mistura de
formaldeído e fenol, sendo bifuncional e trifuncional, respectivamente, tendo uma
relação 3:2 em razão molar. Exibem um tempo de cura muito curto, dificultando o
trabalho de laminação e são divididas em dois tipos: novolacas e resóis (LEVY NETO e
PARDINI, 2006). Para o processo de cura da novolaca adiciona-se um produto capaz
de fornecer o restante de formaldeído ou equivalente para a reação. Normalmente,
utiliza-se hexametileno tetramina (C6H6N4) que age com a mistura de formaldeído. As
resinas fenólicas do tipo resol são sintetizadas com catalisadores básicos e com
formaldeído na quantidade certa para reação completa. Os catalisadores alcalinos são
utilizados na síntese de resinas novolacas, mas requerem a presença de excesso de
fenol para suprir a acumulação de alcoóis fenólicos e éteres dibenzílicos que devem ser
removidos e reciclados posteriormente (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
2. 2 Compósitos de fibras naturais
A utilização de fibras naturais como reforço em compósitos poliméricos
substituindo as fibras sintéticas, tais como a fibra de vidro, tem sido o foco de inúmeras
pesquisas nas últimas décadas. As fibras vegetais apresentam algumas vantagens
incluindo baixo custo, baixa densidade, alta resistência específica, biodegradabilidade e
menor abrasividade se comparadas com as fibras de vidro, além de serem
provenientes de fonte renovável de matéria-prima (JOSEPH et al., 1996; NABI SAHEB
e JOG, 1999; RONG et al., 2001).
De acordo com Silva (2003), devido às novas exigências legislativas quanto ao
uso e destino final das fibras sintéticas e resinas derivadas do petróleo, os materiais
1515
compósitos naturais vêm sendo uma alternativa na busca de novos materiais; além
disso, o alto preço das fibras sintéticas e a maior conscientização dos próprios
consumidores da necessidade de preservação do meio ambiente têm contribuído para
o desenvolvimento de novas pesquisas nesta área.
As fibras vegetais apresentam algumas desvantagens, tais como a
incompatibilidade com matrizes poliméricas hidrofóbicas e a tendência de formar
agregados durante o processamento, que reduzem o potencial das fibras a serem
utilizadas como reforço em polímeros. Outras desvantagens apresentadas pelas fibras
vegetais são: baixa temperatura de processamento, limitadas a aproximadamente
200ºC, falta de uniformidade de propriedades que dependem da origem das fibras, da
região do plantio e da habilidade manual durante a colheita e a alta absorção de
umidade que pode causar o “inchaço” das fibras (NABI SAHEB e JOG, 1999; SILVA,
2003).
As fibras vegetais são, geralmente, classificadas de acordo com a sua origem e
podem ser agrupadas em fibras de semente (algodão), fibras de caule (bananeira, juta,
linho, cânhamo), fibras de folhas (sisal, piaçava, curauá, abacá, henequém), fibras de
fruto (coco) e fibras de raiz (zacatão), de acordo com Morassi apud Silva (2003).
Segundo Nabi Saheb e Jog (1999), as fibras de Juta, Rami e sisal são as mais
utilizadas para compósitos poliméricos.
A composição química e a estrutura celular das fibras vegetais são bastante
complexas. A fibra é constituída de várias fibras elementares ligadas fortemente entre
si por um material de cementação constituído principalmente de lignina. Uma fibra
natural elementar é essencialmente um compósito natural no qual microfibrilas rígidas
de celulose são envolvidas em uma matriz amorfa de lignina e hemicelulose. A lignina
atua como matriz, unindo as microfibrilas, enquanto a hemicelulose age como interface
entre a lignina e as microfibrilas de celulose (NABI SAHEB e JOG, 1999; SILVA, 2003).
A Figura 2.8 mostra a constituição estrutural de uma fibra vegetal elementar
apresentando um lúmen no centro com uma parede externa espessa formada por
várias espirais de microfibrilas ao longo do eixo da fibra.
1616
Parede terciária Lumem
Microfibrilas
de celulose
cristalina
Região amorfa
constituída
principalmente
de lignina e
hemicelulose
Parede secundária S2
Ângulo espiral
Parede secundária S1
Parede primária
Figura 2.8 - Constituição de uma fibra vegetal elementar (SILVA, 2003).
A celulose, que é o principal componente das fibras vegetais e principal
responsável pela estabilidade e resistência mecânica, é um polissacarídeo linear de
alta massa molar constituído por uma cadeia molecular formada pela união de
unidades de anidro-D-glicose, ou simplesmente glicose-D. A estrutura da glicose-D é
mostrada na Figura 2.9, sendo que cada unidade contém três grupos hidroxila (-OH).
Estas hidroxilas formam ligações de hidrogênio dentro da molécula (intramolecular) e
entre moléculas de celulose (intermolecular). As ligações de hidrogênio
intermoleculares são as principais responsáveis pela cristalinidade da celulose (LIMA
JÚNIOR, 2007; SILVA, 2003).
Figura 2.9 - Estrutura do mero da celulose
As ligações de hidrogênio proporcionam natureza hidrofílica às fibras vegetais que
é incompatível com a natureza hidrofóbica da maioria dos polímeros. Este é o maior
problema da utilização de fibras vegetais como reforço em compósitos de matriz
1717
polimérica, haja vista que a natureza hidrofílica influencia tanto nas propriedades da
fibra quanto nas propriedades do compósito (SILVA, 2003). Ainda segundo Passos
(2005), fibras com grande quantidade de celulose seriam econômicas e tecnicamente
viáveis para serem usadas na produção de têxteis, papel, e como reforços em
compósitos. Entretanto, além do teor de celulose, o tipo de polímero a ser utilizado no
compósito deve ser levado em consideração.
A hemicelulose é um polissacarídeo constituído por diferentes unidades de
açúcares incluindo glicose, xilose, galactose, arabinose e manose (PASSOS, 2005). O
seu grau de polimerização é de 10 a 100 vezes menor que o da celulose e as cadeias
possuem um considerável grau de ramificação em relação à celulose (SILVA, 2003).
Normalmente, a hemicelulose atua como um elemento de ligação entre a celulose e a
lignina, não estando diretamente correlacionada à resistência e rigidez das fibras.
Fibras contendo grande concentração de hemicelulose se tornam interessantes para a
produção de açúcares e combustíveis, tal como o etanol, pelo fato da hemicelulose ser
hidrolisada mais facilmente que a celulose (PASSOS, 2005).
A lignina tem a função de unir as fibras celulósicas, formando a parede celular. É
um polímero amorfo com constituintes alifáticos e aromáticos. Sua concentração nas
fibras influencia a estrutura, as propriedades, a morfologia, a flexibilidade e a taxa de
hidrólise. Fornece resistência à compressão ao tecido celular e às fibras, enrijecendo a
parede celular e protegendo os carboidratos (açúcares) contra danos físicos e
químicos. Fibras com alto teor de lignina são de excelente qualidade e flexíveis
(PASSOS, 2005).
Outros constituintes das fibras vegetais são a pectina e componentes minerais. A
pectina, que tem função aglutinante, é um polissacarídeo rico em ácido galacturônico,
presente nas paredes celulares. Já os componentes minerais, após a incineração das
fibras, são os responsáveis pela formação das cinzas (PASSOS, 2005).
A Tabela 2.1 exibe a composição de algumas fibras vegetais especialmente
cultivadas para obtenção de fibras para reforços em compósitos, fabricação de cordas
ou de subprodutos da agricultura.
1818
Tabela 2.1 - Composição de fibras vegetais (BLEDZKI e GASSAN, 1999).
Fonte de
fibra Ângulo
espiral (º) Celulose
(%) Hemicelulose
(%) Lignina
(%) Pectina
(%) Cinzas
(%) Água
(%)
sisal
20
65,8
12
9,9
0,8
NA
10
Folha de
bananeira - 60-65 6-8 5-10 NA 4,7 10-15
Juta
8,0
64,4
12
11,8
0,2
NA
10
Rami
7,5
68,6
13,1
0,6
1,9
NA
10
Coco
45
36-43
0,15-0,25
20-45
3,0
2,7-10,2
10-12
Algodão
-
82,7
5,7
-
5,7
NA
10
Linho
10,0
64,1
16,7
2,0
1,8
NA
10
As propriedades mecânicas variam em função do tipo de fibra devido à variação
da composição e orientação das fibrilas de celulose. A Tabela 2.2 exibe as
propriedades mecânicas e características de algumas fibras vegetais em comparação
com fibras convencionais para reforçamento de compósitos. A fibra de coco possui a
menor resistência dentre as fibras vegetais, uma vez que apresenta baixo teor de
celulose e, ainda, alto ângulo espiral das fibrilas (Tabela 2.1). Quanto maior for o
alinhamento das microfibrilas da celulose ao longo do eixo da fibra, maior é a sua
resistência.
Nos compósitos reforçados por fibras vegetais, vários tipos de polímeros têm sido
utilizados como matrizes. Os mais comumente empregados são polímeros
termorrígidos como poliéster, epóxi e fenólico. A reação de polimerização desses
polímeros pode ser realizada em baixa temperatura o que evita a deterioração da fibra.
No entanto, termoplásticos como polietileno, poliestireno, polipropileno, etc., também
têm sido utilizados como matrizes. Em geral, os polímeros podem apresentar diferentes
afinidades com as fibras devido a diferenças em suas estruturas químicas. Como
conseqüência, o efeito de reforçamento das fibras nessas matrizes pode variar
bastante (JOSEPH et al.,1996). Muitas vezes, devido à incompatibilidade entre as
fibras hidrofílicas e os polímeros que são hidrofóbicos, torna-se necessária a inserção
de aditivos para aumentar a capacidade de ligação química entre as fases. Os aditivos
1919
químicos podem ser utilizados para tratamentos tanto nas fibras quanto no próprio
polímero.
Tabela 2.2 - Propriedades mecânicas de fibras vegetais (NABI SAHEB e JOG, 1999).
Fibra Diâmetro
(µm)
Densidade
(g/cm3)
Resistência à
tração (MPa)
Módulo de
Elasticidade
Alongamento
(%)
(GPa)
Algodão 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
Cânhamo --- --- 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
Devido à importância desses tratamentos, os aditivos químicos serão abordados
detalhadamente na seção 2.3 deste capítulo.
2.3 Aditivos Químicos
As propriedades mecânicas de compósitos de matriz polimérica reforçada com
fibras naturais são fortemente controladas pela eficiência da adesão interfacial entre
fibra e matriz. A função principal da interface é facilitar a transferência de esforço para
as fibras por meio da matriz. Entretanto, os materiais lignocelulósicos são conhecidos
por exibir fraca adesão com resinas sintéticas. Este fato é devido, principalmente, à
presença de substâncias orgânicas e inorgânicas na superfície da fibra, o que impede o
2020
contado direto entre as moléculas da resina e da fibra e à incompatibilidade entre a
natureza polar - hidrofílica da fibra vegetal e a natureza apolar - hidrofóbica da matriz
polimérica (BISANDA, 2000).
Uma solução possível para aumentar a interação fibra/polímero é por meio da
utilização de aditivos compatibilizantes e promotores de adesão que reduzem a
absorção de umidade das fibras (KALIA et al., 2009). Pré-tratamentos das fibras podem
limpar sua superfície, modificando-as quimicamente, além de parar o processo de
absorção de umidade e aumentar a rugosidade superficial. As fibras naturais possuem
grupos hidroxilas na celulose e lignina, que são, portanto susceptíveis à modificação.
Na celulose, os grupos hidroxilas fazem ligações de hidrogênio intramoleculares,
reduzindo sua disponibilidade para interação com a matriz polimérica. As modificações
químicas podem ativar esses grupos ou podem introduzir novas espécies que podem
ligá-las eficientemente com a matriz polimérica.
Tamanho é o interesse no aumento da aplicabilidade das fibras naturais em
compósitos poliméricos que inúmeros trabalhos de pesquisa podem ser encontrados na
literatura avaliando vários tipos de aditivos químicos e tratamentos na busca da
melhoria da adesão entre a fibra vegetal e a matriz polimérica. Kalia et al. (2009), em
seu trabalho de revisão sobre pré-tratamentos de fibras naturais e sua aplicação como
material de reforço em compósitos poliméricos, apontam uma variedade de
possibilidades de modificação química na superfície da fibra. Segundo estes autores,
diversos tratamentos tais como mercerização, tratamento com isocianatos, tratamentos
à base de permanganatos, acetilação, tratamentos com silanos e peróxidos com vários
agentes de acoplamento e outros pré-tratamentos de fibras naturais têm alcançado
sucesso na melhoria da resistência das fibras, da sua relação diâmetro/comprimento e
da adesão de compósitos reforçados por fibras naturais.
A mercerização, nome dado ao tratamento alcalino de fibras vegetais, é um
método comum de produzir fibras de alta qualidade. O principal efeito do tratamento
alcalino é a desfibrilação, ou seja, quebra dos feixes de fibras em fibras menores
(KALIA et al., 2009). Esse processo diminui o diâmetro da fibra ao mesmo tempo em
que aumenta a relação comprimento/diâmetro, remove impurezas naturais e artificiais
da superfície da fibra (PAIVA e FROLLINI, 2006), levando ao desenvolvimento de uma
2121
superfície topograficamente mais rugosa que resulta em melhor adesão interfacial e um
acréscimo nas propriedades mecânicas. De acordo com Park et al. (2006), devido à
remoção da hemicelulose, lignina, pectina e ceras, o tratamento alcalino aumenta a
composição cristalina da celulose. O tratamento alcalino leva a um decréscimo no
ângulo espiral e a um aumento na orientação molecular (GASSAN e BLEDZKI, 1999).
Além disso, a mercerização aumenta o número de sítios reativos e permite melhor
molhamento das fibras (KALIA et al., 2009).
A esterificação da superfície das fibras é outro método que pode ser usado para
melhorar a interface entre a matriz e o material lignocelulósico (TSERKI et al., 2005). A
acetilação de fibras vegetais consiste em um método de esterificação bem conhecido
para introduzir plastificação nas fibras celulósicas. A acetilação, baseada na reação dos
grupos hidroxilas da parede celular com anidrido acético ou propiônico à temperatura
elevada, estabiliza as paredes celulares contra a umidade, melhorando a estabilidade
dimensional e a degradação ambiental (KALIA et al., 2009). Pré-tratamentos de fibras
com anidrido acético substituem os grupos hidroxilas da parede celular da fibra por
grupos acetila, modificando as propriedades desses polímeros de tal forma a torná-los
hidrofóbicos (menos polares) (KALIA et al., 2009, TSERKI et al., 2005). Os grupos que
reagem são as hidroxilas da lignina e hemicelulose, enquanto as hidroxilas da celulose
estão fortemente ligadas por ligações de hidrogênio, prevenindo a difusão de reagentes
e então resultando em reações de baixa extensão.
O tratamento de fibras celulósicas com peróxidos tem sido investigado devido à
fácil processabilidade e melhoria das propriedades mecânicas. Peróxidos orgânicos
tendem a se decompor facilmente em radicais livres que reagem posteriormente com
os grupos hidroxila da matriz e da celulose (KALIA et al., 2009).
Tratamentos com cloreto de benzoíla são utilizados para diminuir a natureza
hidrofílica das fibras vegetais. Geralmente, as fibras são pré-tratadas em hidróxido de
sódio com posterior inclusão de benzoíla.
O recobrimento das fibras vegetais com copolímeros é um método efetivo para a
modificação da superfície da fibra (KALIA et al., 2009). A criação de um sítio ativo na
estrutura polimérica pré-existente é a característica comum dos métodos para a síntese
de copolímeros de enxerto. Os métodos que podem ser utilizados para a geração de
2222
sítios reativos na cadeia polimérica podem ser classificados em métodos físicos,
químicos, físico-químicos, métodos com radiação e enxertamento enzimático. A técnica
de radiação com microondas para modificar as propriedades de fibras naturais na
indústria têxtil, embora ainda limitada, tem sido utilizada em plantas industriais. A
reação de compolimerização é iniciada pelos radicais livres da molécula de celulose. A
celulose é tratada em uma solução aquosa com íons selecionados e é exposta a alta
radiação de energia. A molécula de celulose é então quebrada e radicais são formados.
Posteriormente, os radicais da celulose são tratados em solução adequada (compatível
com a matriz polimérica). O copolímero resultante possui propriedades características
de ambos, da fibra celulósica e do polímero enxertado (BLEDZKI et al., 1996).
Pré-tratamentos com permanganato são conduzidos colocando as fibras em
soluções com diferentes concentrações de permanganato de potássio (KMnO4) em
acetona, durante intervalo de tempo variando de 1 a 3 minutos, tendo as fibras passado
por pré-tratamento alcalino. Como resultado, a tendência hidrofílica da fibra é reduzida,
e então, a absorção de água do compósito reforçado pela fibra vegetal é decrescida.
Outro tratamento que pode ser utilizado para criar melhor compatibilidade entre as
fibras vegetais e a matriz polimérica é o tratamento por meio de isocianatos. Estes
possuem grupos funcionais –N=C=O, que são susceptíveis a reagir com os grupos
hidroxilas da celulose e lignina, formando ligações covalentes fortes na interface
fibra/polímero (KALIA et al., 2009).
A utilização de agentes de acoplamento pode aumentar o grau de ligações
cruzadas na região de interface e oferecer adesão quase perfeita entre as fibras
vegetais e a matriz polimérica. Dentre os vários agentes de acoplamento, os agentes
silanos têm sido considerados efetivos na modificação da interface fibra natural/matriz
polimérica. As cadeias geradas pela aplicação do silano reduzem o inchaço da fibra
pela criação de uma rede cruzada devido à ligação covalente entre a matriz e a fibra.
O anidrido maléico pode ser também utilizado como agente compatibilizador entre
fibras vegetais e a matriz polimérica. Em virtude do objetivo proposto neste trabalho, o
anidrido maléico e sua utilização em compósitos poliméricos reforçados por fibras
vegetais serão tratados com maiores detalhes na seção 2.3.1.
2323
ºC 25 40 52 60 80
g/cm3 1,47 1,39 1,32 1,31 1,29
ºC 52 60 80 100 120
cP 21 18 13 9,8 6,8
2.3.1 Anidrido Maléico
A Figura 2.10 exibe a estrutura molecular do anidrido maléico, nome dado ao
composto orgânico produzido por meio da oxidação do benzeno ou outros compostos
aromáticos. As características do anidrido maléico são mostradas na Tabela 2.3.
Figura 2.10 - Estrutura molecular do anidrido Maléico
(http://pt.wikipedia.org/wiki/anidrido_maléico, 2010).
Tabela 2.3 - Propriedades típicas do anidrido maléico
(http://www.elekeiroz.com.br/anidridomaléico, 2006).
Fórmula Molecular C4H2O3
Peso molecular 98,06
110 (vaso aberto) Ponto de fulgor (ºC)
102 (vaso fechado)
Ponto de ignição (ºC) 476,67
Ponto de ebulição (ºC) (760 mmHg) 202,0
1,4% por volume de ar (inferior) e 7,1% por Limite de explosividade
Solubilidade a 25ºC
(g/100g de solvente)
volume de ar (superior)
Acetona 227,0
Clorofórmio 52,5
Benzeno 50,0
Orto – Xileno 19,4
Tolueno 23,4
Tetracloreto de carbono 0,6
Água Hidrólise lenta
Peso específico
viscosidade
2424
O anidrido maléico é utilizado na produção de resinas poliésteres e alquídicas,
que são utilizadas na produção de tintas de acabamentos; produção de resinas
maléicas, que são utilizadas na fabricação de tintas de secagem extra-rápida ao ar;
como seladores em madeira e “clears”, sendo sua principal característica melhorar o
brilho na tinta e acelerar a secagem. Há outras aplicações para o anidrido maléico
como aglutinante na fabricação de papel, ácido succínico, ácido málico, agentes
tensoativos, inseticidas e herbicidas (http://www.elekeiroz.com.br/anidridomaléico).
O anidrido maléico pode ser utilizado como aditivo em polipropileno visando
induzir modificações nas propriedades deste polímero e em materiais onde este é
adicionado. Grupos derivados do anidrido maléico enxertados nas cadeias poliméricas
têm potencialmente capacidade de evoluir para a formação de ácidos carboxílicos que,
devido ao seu caráter hidrofílico, podem interagir mais efetivamente com superfícies
inorgânicas, normalmente hidratadas. Assim, o enxerto de cadeias poliméricas em
superfícies de agentes de reforço tem sistematicamente levado a melhorias nas
propriedades mecânicas de compósitos (CARVALHO et al., 2007; LÓPEZ MANCHADO
et al., 2003).
A Figura 2.11 ilustra, esquematicamente, a reação química que ocorre entre o
grupo funcional do anidrido maléico com os grupos hidroxilas das fibras vegetais. O
peróxido inicia a formação de radicais na estrutura do polipropileno pela abstração de
hidrogênio e cisão de cadeia. Os radicais então reagem com o anidrido maléico para
formar o MAPP (polipropileno modificado com anidrido maléico) (PARK et al., 2006). O
tratamento de fibras naturais com copolímeros MAPP provê ligações covalentes na
interface. Com tal tratamento, a energia da superfície da fibra é aumentada, provendo
melhor molhamento e maior adesão interfacial (BLEDZKI et al., 1996; KALIA et al.,
2009).
2525
Polipropileno
(PP)
Peróxido
Radicais PP
anidrido maléico
(MA)
Polipropileno Maleato
(MAPP)
Fibras naturais Fibras naturais
Figura 2.11 - Mecanismo de reação química da fibra natural e matriz MAPP (PARK et
al., 2006).
O MAPP como agente de acoplamento para a modificação da superfície de fibras
de juta foi utilizado por Mohanty et al. (2004). Estes autores reportaram que o
tratamento com solução de 0,5% de MAPP em tolueno, com tempo de impregnação de
5 minutos, mostrou o melhor resultado para a fração volumétrica de fibras da ordem de
30%, tendo as fibras comprimento médio de 6 mm. Park et al. (2006) avaliaram a
interface de compósitos de matriz de polipropileno reforçados por fibras de juta tratadas
e não tratadas via solução alcalina e com agente de acoplamento silano. A matriz foi
modificada com o copolímero anidrido maléico/polipropileno (MAPP) em concentrações
variando de 0 a 5%. De acordo com os resultados obtidos por estes autores, observou-
se um aumento da energia superficial das fibras devido ao número de sítios de alta
energia introduzidos continuamente com o aumento do conteúdo de MAPP na blenda
de Polipropileno. Com o aumento desse conteúdo, a resistência ao cisalhamento na
interface da superfície da fibra e da matriz foi aumentada, devido ao aumento do
número de grupos polares introduzidos na matriz.
2626
López Manchado et al. (2003) avaliaram a adição de anidrido maléico (MAPP –
5%) em compósitos de matriz de polipropileno e fibras de linho. O polipropileno
modificado foi adicionado ao polipropileno puro, em uma fração mássica de 8%. Os
resultados apontaram que a matriz funcionalizada reduz a concentração de tensões na
interface e previne o contato fibra-fibra, que é responsável pela fratura prematura do
compósito. Foi observado que as fibras ficaram perfeitamente encapsuladas pela
matriz, não apresentando bolhas na superfície de fratura. Conseqüentemente, os
valores das propriedades mecânicas mostraram aumento considerável quando as
matrizes modificadas com anidrido maléico foram adicionadas ao compósito. Soleimani
et al. (2008) verificaram ligeiro aumento da densidade, diminuição da absorção de
água, aumento da resistência e módulo de elasticidade em tração e flexão, e aumento
da energia de impacto, utilizando 5% de agente de acoplamento (MAPP) em
compósitos de polipropileno com frações de fibra de linho de 15 e 30%.
Kim et al. (2008) utilizaram MAPP em concentrações variando de 0 a 4% como
agente compatibilizador em compósitos de polipropileno reforçados com fibra de
algodão e fibra de madeira. Com o incremento do conteúdo de MAPP, a resistência à
tração e flexão de ambos os compósitos aumentaram, devido ao aumento da interação
entre as fibras e a matriz.
O anidrido maléico é utilizado como agente de acoplamento entre as fases matriz
e reforço, tanto em compósitos fibrosos quanto em compósitos particulados.
Sombatsompop et al. (2005) avaliaram o efeito da incorporação de diferentes frações
do anidrido maléico no polipropileno (MAPP) em compósitos reforçados com serragem
de madeira. Dentre os teores de 0 a 11,1% em massa (em relação a massa do
reforço), os resultados revelaram que a concentração ótima de 2% exibiu maior módulo
de elasticidade e resistência à tração e flexão, indicando alta adesão interfacial entre a
serragem e a matriz. Essa adesão está associada aos grupos ésteres formados pela
reação química do agente de acoplamento MAPP e as partículas de serragem, e ao
emaranhamento físico das moléculas de PP provenientes do agente de acoplamento e
da matriz. Carvalho et al. (2007) utilizaram o anidrido maléico (1%) como reagente
capaz de aumentar a afinidade química entre partículas inorgânicas de ardósia e a
matriz polimérica de polipropileno. A análise das superfícies de fratura dos compósitos,
2727
visualizadas por microscopia eletrônica de varredura, permitiu observar indícios de
aumento da resistência interfacial ardósia-polipropileno quando da adição do anidrido
maléico, ainda que esse aumento não tenha sido capaz de promover aumento
significativo nos valores das propriedades mecânicas dos compósitos.
O anidrido maléico foi utilizado para esterificação de fibras curtas (2,0 - 2,5 mm)
de sisal e bananeira (NAIK e MISHRA, 2007; MISHRA e NAIK, 1998; MISHRA et al.,
2000). As fibras foram extraídas por maceração, processo no qual o pseudocaule da
bananeira e as folhas do agave (sisal) foram imersas em água durante uma semana.
As poupas do pseudocaule da bananeira e da folha de sisal foram removidas
manualmente, sendo as fibras obtidas secas ao sol. As fibras foram tratadas com o
anidrido maléico dissolvido em xileno (concentração de 2% de anidrido maléico), em
uma proporção fibra/solvente de 1:20 (massa/volume). Compósitos de resina fenólica
do tipo Novolac (MISHRA e NAIK, 1998; MISHRA et al., 2000) e polietileno de alta
densidade (NAIK e MISHRA, 2007) foram então moldados sob alta temperatura,
variando-se a pressão aplicada ao molde. Os compósitos fabricados com resina
fenólica e fibras tratadas com anidrido maléico apresentaram absorção de água cerca
de um terço da absorção apresentada pelos compósitos fabricados com fibras sem
tratamento. Segundo Mishra e Naik (1998) a absorção de água por compósitos de
fibras naturais é largamente dependente dos grupos hidroxilas (-OH) disponíveis na
superfície das fibras. No tratamento com anidrido maléico, alguns desses grupos são
esterificados e, portanto, a absorção de água fica restringida. A Figura 2.12 exibe a
provável reação química da fibra vegetal com o anidrido maléico (a) e da resina com as
fibras tratadas pelo anidrido (b). A absorção de água da resina Novolac também é
diminuída devido à adesão química com o grupo – COOH das fibras tratadas com
anidrido, utilizando nessa reação parte dos grupos hidrofílicos metila –CH2OH (MISHRA
e NAIK, 1998).
Em outro trabalho, Mishra et al. (2000) avaliaram compósitos fabricados com
variação da fração em massa de fibras de 40% a 60%. Os resultados revelaram que o
anidrido maléico agiu como agente compatibilizador entre a fibra e a matriz, diminuindo
a absorção de água e aumentando os valores das propriedades mecânicas tais como
2828
módulo de elasticidade em tração e flexão, dureza e resistência ao impacto, para todos
os níveis de fração de fibras avaliados.
Figura 2.12 - Reação da fibra natural com o anidrido maléico (a) e reação da resina
fenólica com a fibra tratada (b) (MISHRA e NAIK, 1998).
Tal como nos compósitos fabricados com a resina fenólica, os compósitos de
polietileno de alta densidade reforçados com fibras de sisal e bananeira apresentaram
redução da absorção de água com o tratamento das fibras com o anidrido maléico,
conforme os resultados apresentados por Naik e Mishra (2007).
Em virtude do escopo deste trabalho os compósitos fabricados com fibras de sisal
e bananeira serão abordados com maiores detalhes nos itens subseqüentes.
2.4 Compósitos de fibras de sisal
2.4.1 A fibra de sisal
O sisal (Agave sisalana perrine) é uma planta utilizada para fins comerciais, sendo
cultivado em regiões semi-áridas. Corresponde a aproximadamente 70% de toda a
produção comercial de fibras duras (MARTIN et al., 2009). O Brasil é o maior produtor
mundial de sisal, sendo o Rio Grande do Norte, a Paraíba e a Bahia (maior pólo
produtor e industrial do sisal do mundo) os principais estados produtores (MARTIN et
2929
al., 2009). A agaveicultura se concentra em áreas de pequenos produtores, com
predomínio do trabalho familiar. O sisal, além de constituir fonte de renda e emprego
para um grande contingente de trabalhadores, é um importante agente de fixação do
homem à região semi-árida nordestina, sendo, em algumas dessas regiões, a única
alternativa de cultivo com resultados econômicos satisfatórios. A fibra do sisal,
beneficiada ou industrializada, representa cerca de 80 milhões de dólares em divisas
para o Brasil, além de gerar mais de meio milhão de empregos diretos e indiretos
através de sua cadeia de serviços, que começa com as atividades de manutenção das
lavouras, colheita, desfibramento e beneficiamento da fibra e termina com a
industrialização e confecção de artesanato (MARTIN et al., 2009).
Do sisal, utiliza-se principalmente a fibra das folhas que, após o beneficiamento,
tem-se os fios biodegradáveis utilizados em artesanato; no enfardamento de forragens;
cordas de várias utilidades, inclusive navais; torcidos, terminais e cordéis. O sisal
também é utilizado na produção de estofos; pasta para indústria de celulose; produção
de tequila; tapetes decorativos; remédios; biofertilizantes; ração animal; adubo orgânico
e sacarias. As fibras podem ser utilizadas também na indústria automobilística,
substituindo a fibra de vidro (http://pt.wikipedia.org/wiki/sisal, 2010).
O sisal pode produzir entre 200 e 250 folhas antes de florescer. Cada folha que
mede de 6 a 10 cm de largura e 150 a 200 cm de comprimento contém
aproximadamente 700 a 1400 feixes de fibras com comprimento variando de 0,5 a 1,0
m. A folha de sisal consiste em uma estrutura composta por aproximadamente 4% de
fibras, 1% de película (cutícula), 8% de matéria seca e 87% de água. Esses materiais,
exceto as fibras, são considerados resíduos do beneficiamento, sendo utilizados como
adubo orgânico, ração animal e pela indústria farmacêutica (MARTIN et al., 2009;
SILVA et al., 2008). Ao longo da folha, são encontrados três tipos básicos de fibras: a
fibra mecânica (estrutural), a fibra arco e a fibra xilema (ver Figura 2.13). A fibra
mecânica, que confere resistência à folha, é encontrada na periferia da mesma. Seu
diâmetro equivalente está em torno de 200 µm, tendo seção transversal raramente
circular. Essas fibras são de grande importância comercial pelo fato de não
arrebentarem durante o processo de extração. As fibras arco crescem em associação
com os tecidos da planta e são usualmente encontrados no meio da folha. Tais fibras
3030
se estendem da base até o topo da planta, possuindo boa resistência mecânica. As
fibras xilema crescem opostas às fibras de arco e são conectadas a elas pelo tecido
condutor (SILVA et al., 2008).
(a) (b) (c)
Figura 2.13 - Plantação de sisal (a), folha de sisal (b) e ampliação mostrando os tipos
de fibras na folha de sisal (c) (SILVA et al., 2008).
O processo de extração da fibra de sisal, que consiste na eliminação da polpa das
fibras, pode ser feito manualmente, por maceração ou por meio de um processo
mecânico chamado de decorticamento (SALAZAR e LEÃO, 2006; SILVA et al., 2008).
No processo de decorticamento, as folhas de sisal são esmagadas pela passagem
entre duas rodas com facas sem corte (desfibrilador), de forma que somente as fibras
permanecem (SILVA et al., 2008). No nordeste brasileiro, o desfibramento é realizado
por meio de uma máquina denominada “motor de agave” ou “máquina Paraibana”. Esta
máquina desfibra em torno de 150 a 200 kg de fibra seca em um turno de 10 horas de
trabalho, desperdiçando, em média, 20 a 30% da fibra. A fibra obtida é imersa, por
período de oito a dez horas, em tanques com água limpa para a eliminação dos
resíduos da mucilagem péctica e da seiva clorofílica, que ficam aderidos à fibra de
sisal. Após a lavagem, as fibras são secas ao sol por período que varia de 8 a 10
horas. Depois de secas, as fibras são amarradas em pequenos feixes e armazenadas.
Segundo Angrizani et al. (2006), o sisal pode ter seu valor agregado multiplicado
se utilizado como reforço em compósitos poliméricos. A fibra ligno-celulósica é leve e
atóxica, apresenta altos módulo e resistência específica, custo aproximadamente dez
vezes menor que a fibra de vidro e, ao contrário desta fibra inorgânica, causa menos
danos por abrasão aos equipamentos e moldes.
3131
Entre outras vantagens do sisal pode-se apontar a facilidade de modificação
superficial, característica das fibras vegetais; sua abundância no Brasil; facilidade de
cultivo; o fato de ser um material biodegradável que provém de fonte renovável; além
de apresentar boas propriedades como isolante térmico e acústico. Estes fatores,
aliados à alta tenacidade, resistência à abrasão e ao baixo custo, tornam o sisal uma
das mais estudadas fibras naturais (ANGRIZANI et al., 2006).
No entanto, a utilização da fibra de sisal em compósitos de alto desempenho
requer o entendimento do comportamento mecânico das fibras. Segundo Silva et al.
(2008), há uma grande discrepância entre os valores reportados na literatura para a
resistência à tração e módulo de elasticidade da fibra de sisal. A variabilidade nas
propriedades dessas fibras pode ser atribuída a três fatores principais: parâmetros e
condições de teste; características das plantas; e o método de medição da seção
transversal. Dentre os parâmetros e/ou condições de teste que podem influenciar nas
propriedades mecânicas das fibras, podem ser citados a precisão dos instrumentos, o
comprimento da fibra, a velocidade de ensaio, os tipos de garras utilizados e a própria
sensibilidade do equipamento. Como características das próprias plantas entendem-se
a origem da planta, idade, tipo de processamento (processo de extração) assim como
também sua microestrutura (SILVA et al., 2008). A medição da seção transversal pode,
ainda, ocasionar variações na medida das propriedades mecânicas pelo fato da forma
indefinida da seção e pela própria variação ao longo da fibra. Martin et al. (2009)
apontaram uma variação de diâmetro da fibra de sisal acima de 65% da parte basal (0 -
30 cm) para a parte apical (90 – 120 cm) da folha do agave. Segundo estes autores, a
parte mais resistente da fibra de sisal está localizada a cerca de 30 a 60 cm da sua
base e a de menor desempenho na região apical.
2.4.2 Estudos realizados: compósitos com fibras de sisal
Há na literatura vários trabalhos envolvendo compósitos fabricados com fibras
curtas de sisal com vários tipos de polímeros. Em geral, é avaliado nesses compósitos
o efeito do comprimento da fibra, da fração volumétrica das fibras presente no material,
3232
assim como o efeito de tratamentos superficiais das fibras. Esta seção abordará alguns
trabalhos realizados sobre o estudo de compósitos reforçados por fibras de sisal.
Joseph et al. (1996) avaliaram as propriedades mecânicas de compósitos
fabricados com resina fenólica, epóxi, poliéster e de polietileno de baixa densidade,
variando o comprimento e fração volumétrica das fibras. Os resultados mostraram que
houve uma tendência de aumento dos valores das propriedades mecânicas para fibras
de maior comprimento, em que a faixa de comprimento avaliada foi de 5 a 30 mm. Para
a matriz fenólica, a maior resistência foi obtida com fibras de 30 mm. Entretanto, para a
matriz de poliéster e epóxi, os resultados apontaram decréscimo dos valores das
propriedades para o aumento do comprimento das fibras de 20 mm para 30 mm, em
virtude do maior contato entre fibras devido ao processo de fabricação. Já para a matriz
termoplástica com fibras variando de 2 a 10 mm de comprimento, um valor crítico de 6
mm foi observado, sendo este menor que nas matrizes termorrígidas, devido ao maior
limite de fluidez do polietileno. Assim, os compósitos de maior resistência mecânica
foram aqueles fabricados com os seguintes comprimentos/frações volumétricas de
fibras: 20mm/50%; 30mm/50%; 20mm/35%; 06mm/30%; para as matrizes de resina
epóxi, fenólica, poliéster e polietileno de baixa densidade; respectivamente.
Diferentemente de Joseph et al. (1996) e Kiran et al. (2007) estudaram as propriedades
mecânicas de compósitos de matriz poliéster reforçada com fibras curtas de sisal (10,
20, 30, 40, 50 e 70 mm) tratadas numa solução de 1% de NaOH por 30 minutos. Os
maiores valores de resistência mecânica foram obtidos para o compósito fabricado com
54% de fração volumétrica de fibras de sisal com comprimento de 30 mm.
Paul et al. (1997) estudaram compósitos de polietileno de baixa densidade
reforçados com fibras curtas (6 mm) de sisal testando diversos tratamentos das fibras
nas propriedades elétricas dos compósitos. Foram avaliados os tratamentos alcalino,
acetilação, peróxidos de benzoila, ácido esteárico, permanganato de potássio, e
isocianato. Os valores da constante dielétrica dos compósitos decresceram com os
tratamentos químicos devido à baixa absorção de água das fibras tratadas, e
aumentaram com o aumento da fração volumétrica das fibras. Já a resistividade
volumétrica aumentou com os tratamentos da superfície das fibras.
3333
Paiva et al. (2006) estudaram compósitos de matriz fenólica e lignofenólica
reforçados com fibras curtas de sisal (3 mm). Foram investigados os efeitos dos
tratamentos mercerização (10% NaOH), esterificação (anidrido succínico) e tratamento
com ar ionizado (corrente de descarga de 5 mA) das fibras, sobre as propriedades das
fibras e dos compósitos, principalmente propriedades térmicas. Os resultados
apontaram maior adesão interfacial para as fibras mercerizadas e esterificadas em
comparação com o tratamento com ar ionizado. No entanto, os autores sugerem que
outros testes devem ser realizados para esse último tratamento por se tratar de um
método de tratamento via seco.
Os compósitos reforçados com fibras unidirecionais têm sido investigados por
vários autores. Bisanda (2000) avaliou a influência do tratamento alcalino com hidróxido
de sódio em fibras contínuas de sisal na resistência à compressão dos compósitos
fabricados com resina epóxi. Os resultados revelaram aumento da resistência à
compressão com o aumento da fração de fibras, assim como o tratamento alcalino
proporcionou melhoria das propriedades mecânicas e físicas dos compósitos em
relação às fibras não tratadas. Rong et al. (2001) estudaram o efeito de tratamentos
químicos e físicos na fibra de sisal sobre as propriedades mecânicas de tração e flexão
de compósitos de resina epóxi com fibras contínuas, revelando que as fibras de sisal
podem ser efetivamente modificadas por tais tratamentos. Os resultados revelaram que
nos compósitos de fibras não tratadas a resistência à tração aumentou com o aumento
do percentual de fibras até 58%, acima do qual um pequeno incremento na resistência
foi apresentado. Já nos compósitos com fibras tratadas a resistência mecânica foi
maior que os de fibras não tratadas e continuou aumentando para percentuais mais
elevados de fibras. O módulo de elasticidade em tração apresentou decréscimo com o
aumento da fração de fibras tratadas. Em relação ao comportamento do compósito em
flexão, notou-se um aumento gradativo em função do teor de fibras, tanto na
resistência quanto no módulo de elasticidade dos compósitos.
Towo e Ansell (2008) estudaram o comportamento em fadiga de compósitos
reforçados por fibras unidirecionais de sisal, fabricados com matrizes poliméricas de
resina epóxi e poliéster. As fibras foram utilizadas como recebidas e mercerizadas
(tratamento alcalino com solução de 0,06 mol/L NaOH) ) em frações volumétricas de
3434
68,2% e 64,4 % para a resina poliéster e 71,5% e 68,5% para a resina epóxi,
respectivamente. Os resultados mostraram que o tratamento das fibras de sisal com
solução de hidróxido de sódio aumenta a resistência à tração dos compósitos
fabricados com resina poliéster, mas não influencia a vida do material em fadiga,
especialmente em baixos níveis de carga aplicada. Os compósitos fabricados com
resina epóxi e fibras de sisal tratadas não apresentaram aumento na vida em fadiga em
relação às fibras sem tratamento. Este comportamento pode ser atribuído à forte
adesão entre a resina epóxi e as fibras de sisal não tratadas.
Chand e Jain (2005) avaliaram o efeito da orientação da fibra sobre as
propriedades elétricas de compósitos fabricados com resina epóxi reforçada por fibras
longas de sisal (VF 20%). As direções das fibras avaliadas foram de 0o
e 90º, ou seja,
fibras paralelas e perpendiculares ao campo elétrico aplicado. Os resultados revelaram
que a constante dielétrica é maior para o compósito com fibras orientadas a 90º, devido
à maior área de contato da fibra de sisal com os eletrodos nessa orientação. A
orientação da fibra no compósito muda a estrutura do material que causa mudanças na
constante dielétrica em diferentes orientações.
2.5 Compósitos com fibra de bananeira
2.5.1 Fibra de bananeira
A fibra de bananeira é uma fibra celulósica extraída do pseudocaule da planta,
sendo classificada como uma fibra de caule com propriedades mecânicas
relativamente atrativas para utilização em materiais compósitos poliméricos. No
entanto, a extração da fibra de bananeira não é prática comum, sendo considerado um
subproduto do cultivo da banana (JOSEPH et al., 2002; MUKHOPADHYAY et al.,
2007).
A banana é uma das frutas mais importantes do mundo, tanto no que se refere à
produção quanto à comercialização, constituindo o quarto produto alimentar mais
produzido mundialmente, a seguir ao arroz, trigo e milho. As bananas formam-se em
cachos na parte superior dos "pseudocaules" da bananeira (ver Figura 2.14) que
3535
nascem de um verdadeiro caule subterrâneo (rizoma ou cormo) que chega a ter uma
longevidade de 15 anos ou mais. Depois da maturação e colheita do cacho de
bananas, o pseudocaule morre (ou é cortado), dando origem, posteriormente, a um
novo pseudocaule (SOFNNER et al., 2001).
A Índia é o maior produtor mundial de banana com mais de 16,8 milhões de
toneladas anuais, correspondendo a cerca de 20% do total produzido no planeta. O
Brasil, com 7 milhões de toneladas por ano (FIORAVANÇO, 2003), é o segundo
colocado com área plantada aproximadamente de 518020 hectares (CERQUEIRA,
2010). Segundo Moreira apud Garavello (1999), as condições de produção da
bananicultura resultam em grande quantidade de matéria vegetal acumulada no solo
após a colheita dos cachos, gerando de 180 a 200 toneladas de resíduos vegetais
(folhas, pseudocaule e engaço) por hectare, por ano, podendo provocar problemas
fitossanitários.
Figura 2.14 - Esquema ilustrativo de uma bananeira (SOFNNER, 2001)
Após o corte, o pseudocaule da bananeira pode servir como fonte de matéria-
prima para a produção de fios na indústria têxtil, fibras para reforços em compósitos,
adubo orgânico, substrato para produção de cogumelos comestíveis, alimentação
3636
animal por meio de silagem, e ainda ter suas palhas e fibras provenientes das bainhas
foliares utilizadas para produção de produtos artesanais.
A matéria-prima para o artesanato - palhas e fibras - é extraída do pseudocaule
verde, cortado após a colheita do cacho (ver Figura 2.15). As bainhas foliares são
destacadas do tronco, uma por uma, e recortadas em tiras longitudinais. Cada tira pode
ser aproveitada inteira ou ser desdobrada, retirando-se as camadas internas. Numa
mesma bainha, após o desmembramento, obtêm-se diferentes tipos de palha
(GARAVELLO, 1999).
As características das palhas também se diferenciam de acordo com a espécie,
variedade, localidade de crescimento da planta, condições edafoclimáticas e tratos
culturais, e conforme sua localização no pseudocaule. As bainhas mais externas
fornecem palhas mais escuras e mais resistentes, que se tornam mais claras e mais
frágeis à medida que se aproximam do centro do mesmo. Após a extração das palhas
do pseudocaule, elas podem ser tratadas e colocadas para secar. O material obtido é
então trabalhado com técnicas de tecelagem, cestaria e trançados, transformando-se
em tapetes, esteiras, cestos, bandejas, acessórios femininos, sandálias, bolsas,
revestimentos como cortinas, assentos de cadeiras e objetos diversos de decoração
(GARAVELLO, 1999; KULKARNI et al., 1983).
Figura 2.15 - Pseudocaule da bananeira e suas bainhas foliares
Para a obtenção de fibras pode-se utilizar processo manual ou mecânico. No
processo de extração manual, após o corte do pseudocaule, as bainhas foliares são
retiradas e passadas numa calandra manual (tipo cilindro para massas), para extração
3737
da água, colocadas sobre uma mesa e “penteadas” com garfo ou escova fina de aço
para soltar a porção não fibrosa existente entre as fibras. Esse procedimento se repete
e depois o material é lavado e pendurado em varal, onde as fibras são separadas com
as mãos e deixadas para secar.
No processo de extração por maceração as bainhas são colocadas em um tanque
com água por alguns dias, até que as fibras se separem do tecido. Muitas vezes o
material se perde por apodrecimento. Para uma fibra de qualidade é recomendável que
a água seja de boa qualidade, que a temperatura e a limpeza do tanque sejam
adequadas.
A extração mecânica da fibra de pseudocaule de bananeira depende de uma
máquina desfibradora, conforme ilustrado na Figura 2.16. O rendimento em fibras
longas secas comparado ao peso verde do pseudocaule está em torno de 1 a 1,5% por
meio deste processo de extração.
Após a operação de desfibragem, seja manual ou mecânica, recomenda-se que a
fibra de bananeira seja lavada em água para se eliminar a mucilagem residual,
melhorando a limpeza e aumentando o brilho. Também é indicada a secagem ao sol,
que age como um alvejante natural (por degradar a clorofila).
(a) (b)
Figura 2.16 - Máquina desfibradora (a) e processo de desfibramento da bainha foliar (b) (KULKARNI et al., 1983).
A Tabela 2.4 exibe a composição química da fibra de bananeira, segundo Bilba
apud Mukhopadhyay et al. (2009).
3838
Tabela 2.4 - Composição da fibra de bananeira (BILVA apud MUKHOPADHYAY et al.,
2009).
Número
Constituinte
Porcentagem
01
Celulose
31,27 ± 3,61
02 Hemicelulose 14,98 ± 2,03
03 Lignina 15,07 ± 0,66
04 Extrativos 4,46 ± 0,11
05 Umidade 9,74 ± 1,42
06 Cinzas 8,65 ± 0,10
Mukhopadhyay et al. (2009) e Kulkarni et al. (1983) estudaram a resistência
mecânica de fibras de bananeira investigando o efeito do diâmetro da fibra,
comprimento livre entre as garras e a velocidade de deformação da fibra no ensaio de
tração. Os resultados encontrados pelos primeiros autores sugerem que as fibras com
diâmetros menores apresentam maior tenacidade e comportamento mais regular se
utilizadas para aplicações em compósitos, resultado divergente de Kulkarni et al.
(1983). Em relação às outras características do teste, comprimento da fibra e
velocidade, os resultados de ambos os trabalhos estão em concordância. A resistência
diminuiu com o aumento do comprimento entre as garras, devido à maior probabilidade
de ocorrer defeitos nas fibras, levando à concentração de tensões e,
conseqüentemente, reduzindo a resistência da fibra. A taxa de deformação (velocidade
do ensaio) desempenha um papel importante na determinação da resistência da fibra,
aumentando sua tenacidade. No entanto, os resultados apontaram um valor ótimo
acima do qual a resistência diminui devido, provavelmente, à presença de defeitos na
estrutura da fibra.
2.5.2 Estudos realizados: compósitos com fibras de bananeira
A fibra de bananeira tem se mostrado com potencial para utilização no
desenvolvimento de compósitos estruturais (JÚSTIZ-SMITH et al., 2008). Conforme
3939
demonstrado por Joseph et al. (2002), compósitos de matriz termorrígida fenólica e
fibras de bananeira exibem propriedades mecânicas equivalentes às propriedades do
mesmo compósito com fibras de vidro, em termos de propriedades específicas. Ainda
segundo estes autores, a adesão interfacial é muito superior para as fibras de
bananeira devido à natureza hidrofílica da resina fenólica e da fibra de bananeira.
Pothan et al. (2006) estudaram vários tratamentos superficiais em fibra de
bananeira. A autocondensação de agentes silanos e a rede formada na vizinhança da
superfície da fibra é uma excelente ferramenta para a funcionalização da mesma,
podendo ser usada para aumentar a compatibilidade com a matriz polimérica. Segundo
esses autores, os produtos da reação dos silanos contribuem para proteger as fibras
contra absorção de água indesejada em materiais compósitos. Em um trabalho
posterior, o efeito do tratamento superficial de fibras curtas (30 mm) de bananeira em
compósitos de poliéster com fração volumétrica de fibras de 40% foi estudado por
Pothan et al. (2006). Dos agentes de modificação analisados (silanos, hidróxido de
sódio e anidrido acético), os melhores resultados foram apresentados pelo silano A174
e NaOH, mostrando maiores valores de módulo de armazenamento para os compósitos
(análise mecânico-dinâmica). Ainda de acordo com esses autores, compósitos com
melhor módulo e baixo amortecimento, ideal para a utilização como substituto de
materiais de construção, podem ser desenvolvidos com resina poliéster e fibra de
bananeira por meio do controle criterioso da interfase química.
Estudos tais como o realizado por Kiran et al. (2007) demonstram haver um
comprimento ótimo para fibras curtas de bananeira em matrizes termorrígidas, assim
como há também uma fração ótima de fibras para o melhor desempenho do compósito.
Kiran et al. (2007) apontaram maior resistência à tração para o compósito fabricado
com resina poliéster reforçada com 51% (em massa) de fibras de bananeira com 30
mm de comprimento, sendo essas fibras tratadas em solução de 1% de NaOH por 30
minutos. Resultados semelhantes foram apresentados por Joseph et al. (2002),
demonstrando maiores resistência à tração, flexão e impacto para fibras de bananeira
sem tratamento e com comprimento de 30 mm em matrizes de resina fenólica. Ainda
de acordo com esses autores, as propriedades mecânicas aumentaram com o aumento
da fração volumétrica de fibras, apresentando um valor ótimo em torno de 50%.
4040
Análise mecânico-dinâmica em compósitos de matriz poliéster reforçada por fibras
curtas de bananeira (30 mm) foi realizada por Pothan et al. (2003). Os resultados
mostraram dependência das propriedades com a fração volumétrica das fibras,
apresentando valores máximos com 40% de fibras. O módulo dinâmico mostrou
diminuição com a inserção de fibra de bananeira abaixo da temperatura de transição
vítrea, e efeito positivo em temperaturas acima de Tg. A avaliação do relaxamento de
tensão foi realizada por Pothan et al. (2004) para os mesmos compósitos de poliéster e
fibras curta de bananeira, mostrando que a fração volumétrica de 40% proporcionou o
menor valor do módulo de relaxamento de tensão.
Compósitos de matriz termoplástica têm sido também estudados para fibras de
bananeira. Balzer et al. (2007) verificaram que fibras curtas (10 mm) inseridas em
matriz de PVC rígido produzem compósito com maior resistência à tração e impacto em
comparação ao PVC puro. Foi obtido efeito de reforçamento para ambas as frações
volumétricas de fibras avaliadas de 5, 10 e 20%. No entanto, melhores resultados
foram obtidos com a fração de 10% de fibras.
Hannefa et al. (2008) estudaram compósitos híbridos de fibras de vidro e
bananeira em matriz de poliestireno, variando a proporção entre as fibras e a fração
volumétrica total. Melhores resultados foram obtidos para os compósitos fabricados
com fibra de vidro e bananeira na proporção de 70:30, sendo observado que a
resistência à tração e o módulo de elasticidade dos compósitos aumentaram com a
fração volumétrica de fibras de vidro, devido à melhor compatibilidade entre esta fibra e
o poliestireno, enquanto o alongamento na ruptura diminuiu com o aumento do teor da
fibra de vidro. Comportamento similar foi encontrado para a resistência e módulo de
flexão dos compósitos. O efeito da quantidade de fibras nos compósitos mostrou
aumento regular das propriedades até a fração de 30% de fibras.
Idicula et al. (2010) e Idicula et al. (2005) estudaram compósitos de matriz
poliéster com reforços híbridos de fibras curtas (30 mm) e aleatórias de bananeira e
sisal. Os resultados apontaram um aumento das propriedades mecânicas com o
aumento da fração volumétrica de fibras, entretanto, o maior desempenho foi obtido
com 40% de fibras. Uma maior resistência à tração foi observada para os compósitos
tendo fração de fibras de bananeira e sisal de 3:1, mostrando o efeito da adição de
4141
fibra de bananeira no reforço híbrido (IDICULA et al., 2010). Mantendo a fração de
fibras em 40% e a relação de fibras de bananeira e sisal em 1:1, diferentes
ordenamentos de camadas das fibras foram avaliados. Propriedades de impacto e
flexão foram maiores em compósitos com reforços de bicamadas sisal/bananeira.
Idicula et al. (2005) avaliaram o efeito do ordenamento de camadas em propriedades
dinâmico-mecânicas dos compósitos, revelando que o material fabricado com as fibras
de bananeira nas superfícies externas e o sisal no núcleo mostrou uma maior rigidez
(IDICULA et al., 2005) e resistência à tração (MALHOTRA et al., 2005). O reforço de
bicamada bananeira/sisal apresentou maior fator de amortecimento (IDICULA et al.,
2005) e maior resistência à flexão (MALHOTRA et al., 2005).
O efeito do ordenamento de camadas em compósitos de matriz poliéster com
reforço híbrido de fibra de vidro e bananeira foi também avaliado por Pothan et al.
(2007). Das curvas de absorção dos compósitos, pôde-se concluir que a absorção de
água é máxima para amostras fabricadas com as fibras de bananeira e fibras de vidro
totalmente misturadas; e mínima para amostras com a fibra de bananeira formando um
sanduíche entre duas camadas de fibra de vidro, devido à descontinuidade no fluxo de
solvente.
2.6 Compósitos híbridos fibra/partícula
A melhoria do desempenho mecânico de compósitos poliméricos reforçados por
fibras tem sido o foco de inúmeras pesquisas que investigam a adição de partículas e
minerais cerâmicos na fase matriz. Há na literatura diversos estudos envolvendo a
adição de nano partículas em compósitos fabricados com resina epóxi e fibras de vidro.
Estes compósitos são muito estudados devido à baixa viscosidade e longo tempo de
gel da resina epóxi, facilitando o processo de mistura das nanopartículas, além de ter
aplicação difundida nas indústrias aeronáutica e aeroespacial. Os compósitos com fibra
de vidro são largamente estudados pelo fato da fibra de vidro apresentar melhor
relação custo/resistência mecânica, em relação às fibras de carbono e aramida.
Mahrholz et al. (2009) avaliaram a adição de nanopartículas de sílica em resina
epóxi como uma nova matriz para a moldagem líquida de compósitos. A fração de sílica
4242
de 25% em massa apresentou resultados relevantes, melhorando as características da
matriz, e por sua vez aumentando o desempenho de compósitos estruturais reforçados
por fibras.
Rosso et al. (2006) avaliaram a resistência mecânica da resina epóxi ao adicionar
5% em volume de nano partículas de sílica. Foi observado que a adição de sílica foi
capaz de aumentar a rigidez e a tenacidade da fase matriz. O módulo de elasticidade
aumentou 20% e a tenacidade à fratura (K1C) aumentou 70% com a adição de sílica.
Isik et al. (2003), Yasmin et al. (2003), estudaram o efeito da adição de nano
argila em percentuais variando de 0% a 10% em massa na matriz epóxi. Isik et al.
(2003) obtiveram um valor ótimo de adição de nanoargila com o percentual de 1%,
onde uma maior resistência ao impacto, resistência à tração e deformação na ruptura
foram observados. Já o módulo de elasticidade dos nanocompósitos aumentou
gradativamente com o aumento da fração de nano argila na matriz. Yasmin et al. (2003)
observaram um efeito de reforçamento de 80% do módulo de elasticidade para a
adição de 10% de nanoargila.
Já Haque et al. (2003) e Ávila et al. (2006) estudaram o efeito dos mesmos
percentuais de nanoargila adicionados na resina epóxi em compósitos laminados
reforçados por fibras de vidro. Haque et al. (2003) estudaram além das propriedades
mecânicas, as propriedades térmicas dos nanocompósitos, observando aumento da
temperatura de decomposição e de transição vítrea dos nanocompósitos. O
cisalhamento interlaminar e a resistência à flexão apresentaram um aumento de 44% e
24%, respectivamente, com a adição de 1% de nanoargila no sistema. A tenacidade à
fratura mostrou-se ser aumentada a um percentual de 23%. Esses autores concluíram
que as propriedades termomecânicas aumentam significativamente com a adição de
baixos percentuais de nanopartículas (1-2%) e decrescem a percentuais mais elevados
(5% ou mais). Em seus estudos Ávila et al. (2006), compararam as propriedades de
rigidez e tenacidade à fratura, em que observou-se os compósitos mais rígidos com a
fração de 10% de nanoargila, entretanto o mesmo não produziu aumento da
tenacidade tal como a fração de 5%. Assim sendo, para a fração de nanoargila
variando de 0% a 10%, uma fração ótima de nanoargila em torno de 5% foi encontrada
para resistência ao impacto à baixa velocidade. Ávila et al. (2007) analisaram a
4343
influência da adição de nanoargila na matriz polimérica durante o amortecimento
estrutural, verificando mudança significativa no fator de perda de amortecimento
(damping loss factor) dos compósitos, podendo esse fato ser usado para incrementar o
desempenho dos mesmos quando submetidos a vibrações.
A adição de nanopartículas de argila na matriz polimérica apresenta melhoria
significativa na resistência à compressão de compósitos reforçados por fibras, uma vez
que as propriedades de rigidez da matriz governam o comportamento do material
quando submetido a esforços de compressão. Subramaniyan e Sun (2006) avaliaram o
efeito da modificação da matriz (resina epóxi) com adição de baixos percentuais de
nanoargila (0%, 3%, 5% e 8%). Os resultados apontaram um aumento percentual da
resistência à compressão longitudinal dos compósitos de 22% e 36% com a adição de
3% e 5% em massa de nanoargila, respectivamente.
Nanopartículas de sílica vêm sendo também investigadas para produção de nano
compósitos de fibra de vidro. Tsai e Cheng (2009) analisaram o efeito da adição de
nanosílica de 10%, 20% e 30% em massa na fase matriz, sobre a resistência à
compressão. Foi também investigado o ângulo de orientação da fibra (0°, 5°, 10°, 15° e
90°) em relação à direção de aplicação da carga no ensaio de compressão. Os
resultados mostraram aumento gradativo da resistência à compressão dos compósitos
com o aumento do percentual de nanosílica adicionada, para todos os ângulos de
orientação das fibras estudados. O maior valor de resistência à compressão foi obtido
para o compósito fabricado com fibras de vidro alinhadas na direção do carregamento e
com 30% de nanopartículas de sílica adicionadas na matriz.
Cao e Cameron (2006) investigaram a modificação da superfície da fibra de vidro
com a adição de partículas de sílica avaliando a resistência ao impacto dos compósitos
fabricados com resina epóxi. O efeito significativo das partículas de sílica na resistência
mecânica final dos compósitos foi obtido por meio de um pré-tensionamento das fibras
durante o processo de cura. Conforme ilustra a Figura 2.17, a trinca é nucleada na
matriz e se propaga tangenciando a superfície da fibra, delaminando o compósito. Ao
encontrar a partícula em seu caminho, a frente da trinca não consegue rompê-la devido
à resistência extremamente alta da mesma. Esforço adicional é então requerido para
que a trinca possa se propagar por meio da interface fibra/partícula ou da interface
4444
mais longa entre partícula/matriz. Este esforço adicional resulta em menor velocidade
de propagação da trinca e aumento da resistência mecânica final do compósito (GAO e
CAMERON, 2006).
Fibra
Aplicação do esforço Partícula
Matriz
Figura 2.17 - Mecanismo esquemático da propagação da trinca no compósito híbrido
matriz/partícula/fibra (GAO e CAMERON, 2006)
2.7 Processos de fabricação de compósitos laminados
No processamento de compósitos (moldagem), diferentemente dos materiais
metálicos e cerâmicos, a manufatura do material em si ocorre ao mesmo tempo em que
o componente é submetido à moldagem. O estabelecimento do processo adequado
para cada moldagem é determinado basicamente pelo tipo de matéria prima, tipo de
reforço e matriz, e pelo tipo de geometria do componente a ser obtido. Os processos de
fabricação podem ser manuais e/ou automatizados e a moldagem pode ser efetuada
em molde aberto ou molde fechado. Os moldes abertos podem ser do tipo macho ou
fêmea e os fechados incorporam, simultaneamente, as características dos moldes tipos
macho e fêmea (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
Ainda de acordo com Levy Neto e Pardini (2006) os processos de fabricação
correspondem a 50 – 60% do custo total de um compósito. Este fato torna o assunto de
fundamental importância para a comunidade industrial e científica, visando à redução
dessa parcela no custo total do material.
Para os compósitos poliméricos, há diversos tipos de processos, dependendo,
principalmente, dos processos de transformação físico-química a que são sujeitas as
matrizes durante a fase de moldagem. Os principais métodos de fabricação são:
4545
moldagem manual (http://www.fibercenter.com.br/Processos/LAMINAÇÃOMANUAL.pdf,
2010), moldagem por aspersão (http://www.fibercenter.com.br/Processos/LAMINAÇÃO
Spray-Up.pdf, 2010), moldagem a vácuo, moldagem por compressão (LEVY NETO e
PARDINI, 2006), pré-impregnados (NOGUEIRA et al., 1999; PARDINI e PEREZ, 1996),
moldagem em autoclave, bobinagem contínua
(http://www.fibercenter.com.br/Processos/FilamentWinding.pdf, 2010), pultrusão
(http://www.fibercenter.com.br/Processos/Pultrusão Fiber.pdf, 2010) e moldagem por
transferência de resina (HILLER et al., 2006; ROSSELL, 2004;
http://www.fibercenter.com.br/Processos/RTM LIGHT.pdf, 2010). A moldagem manual
foi utilizada na preparação das amostras investigadas neste trabalho.
A laminação manual talvez seja o mais simples e antigo processo de fabricação
utilizado pela indústria de compósitos reforçados por fibras. Consiste em um processo
de laminação realizado em molde aberto, sendo possível produzir uma variedade de
peças com aplicações típicas em barcos, peças automotivas, dutos, piscinas, chapas
lisas ou onduladas, protótipos, tanques, etc
(http://www.fibercenter.com.br/Processos/LAMINAÇÃOMANUAL.pdf, 2010). O primeiro
passo para a fabricação é a preparação do molde que consiste na limpeza e aplicação
de desmoldante para facilitar a desmoldagem da peça (LEVY NETO e PARDINI, 2006).
Pode-se, também, recobrir a superfície do molde com gel pigmentado ou transparente,
aplicado a pincel ou a pistola, se for desejado um bom acabamento. As fibras de
reforço, juntamente com a resina previamente acelerada e catalisada, são aplicadas
posteriormente sobre o gel, assentando-se as fibras e removendo-se as bolhas de ar
com pincel ou roletes. A cura das peças pode ser realizada em estufas, se desejado,
ou à temperatura ambiente, como é mais comum
(http://www.fibercenter.com.br/Processos/LAMINAÇÃOMANUAL.pdf, 2010).
São consideradas vantagens da laminação manual o baixo investimento em
moldes, nenhuma restrição ao tamanho das peças, flexibilidade e facilidade de
modificação do projeto, baixo investimento em equipamentos e a possibilidade de
laminação em campo. Entretanto, são limitações a alta incidência de mão-de-obra,
apenas uma superfície da peça acabada e a qualidade dependente da habilidade do
laminador.
4646
2.8 Aplicações de compósitos laminados
Segundo Neto e Pardini (2006), o uso de compósitos em estruturas, e
principalmente os fabricados com fibras sintéticas de carbono, têm permitido uma
significativa redução de peso destas, bem como contribuído para melhorar as
resistências à corrosão e à fadiga de uma infinidade de componentes de aeronaves de
última geração, plataformas marítimas de petróleo, satélites, sub-marinos, foguetes,
veículos automotores, trens de alta velocidade, de artigos esportivos como raquetes de
tênis e tacos de golfe, e de implantes ortopédicos, entre outras aplicações.
De acordo com Silva (2003), os compósitos fabricados com fibras vegetais, entre
outras inúmeras aplicações, possuem um enorme potencial de aplicação na indústria
automotiva, sejam elas estruturais e não-estruturais, incentivando a redução de custo e
peso dos veículos, além dos aspectos ecológicos decorrentes da sua utilização frente
aos compósitos com fibras sintéticas. As principais aplicações dos compósitos naturais
incluem componentes internos, tais como painéis (console e traseiro), revestimento de
portas, cintos, partes acolchoadas e painéis solares (SUDDELL, 2002). É possível,
entretanto, encontrar aplicações de compósitos com fibras vegetais em peças
automotivas externas. A Figura 2.18a exibe uma foto do Mercedez Classe A, cujo
suporte para o pneu reserva é fabricado com fibras de bananeira. A Figura 2.18b ilustra
possibilidade de aplicação de compósitos fabricados com fibra de sisal em máquinas
agrícolas, segundo Silva (2007).
(a) (b)
Figura 2.18 - Mercedes Classe A e a fibra de bananeira (a)
(http://www.ecoinforme.com.br/main_noticia.asp, 2009) e possibilidades de aplicação
de compósitos naturais (b) (SILVA, 2007).
4747
2.9 Planejamento Experimental
O planejamento de experimentos, do inglês Design of Experiments (DOE),
representa um conjunto de ferramentas estatísticas que permite identificar fatores
importantes em um dado sistema ou processo, identificar e corrigir problemas, e
também identificar a possibilidade de interações entre os fatores (BUTTON, 2005). De
acordo com Hendler e Vaccaro (2007), do ponto de vista prático, apresenta-se como
uma ferramenta essencial no desenvolvimento de novos processos e no
aprimoramento de processos em utilização. Um projeto de experimentos adequado
permite, além de aprimoramentos de processos, a identificação de causas de
variabilidade de resultados, a redução de tempos de análises e dos custos envolvidos.
Apresenta-se a seguir, a terminologia básica utilizada, antes de prosseguirmos
para os principais conceitos em planejamento de experimentos.
2.9.1 Terminologia básica
Algumas terminologias importantes da análise estatística estão definidas a seguir:
- Variável resposta: o resultado de interesse registrado após a realização de um
ensaio;
- Unidade experimental: é a unidade básica para a qual será feita a medida da
resposta;
- Variáveis de processo: são aquelas controláveis pelo pesquisador e que
supostamente têm grande efeito na resposta. Podem ser divididas em duas categorias:
- Fatores: variáveis que serão investigadas no experimento;
- Variáveis fixas: variáveis que terão valores fixos no experimento;
- Variáveis de ruído: são aquelas que podem afetar a resposta, mas não são
controláveis, quer seja por impossibilidade técnica, inviabilidade econômica ou pelo
grau de perturbação na variável resposta;
- Níveis de um fator: cada um dos diferentes modos de presença de um fator no
estudo;
- Tratamento: são as combinações específicas dos níveis de diferentes fatores;
4848
- Ensaio: cada realização do experimento em uma determinada condição de
interesse;
- Aleatorização: é um método de alocação do material experimental às diversas
condições experimentais e ordenação dos ensaios de maneira aleatória. Seu propósito
é obter estimativa não tendenciosas dos efeitos dos fatores e respostas independentes;
- Replicação ou réplica: é a repetição do experimento sob as mesmas condições. É
capaz de estimar o erro experimental envolvido na diferença entre os tratamentos. 2.9.2 Procedimento experimental
Um experimento pode ser definido como um teste no qual se faz mudanças nas
variáveis de entrada de um determinado sistema ou processo. Tais mudanças, que são
propositais, permitem avaliar as alterações ocorridas na variável resposta (ou variáveis
de interesse) e ainda permitem identificar as razões das alterações ocorridas. Desta
forma, a escolha dos fatores que controlam um determinado processo/produto tem
fundamental importância em sua qualidade. Um planejamento experimental adequado
pode ser uma ferramenta útil na identificação de tais fatores.
Geralmente, um roteiro pode ser seguido na elaboração de um dado experimento,
segundo Werkema e Aguiar (1996).
1) Identificação dos objetivos do experimento;
2) Seleção da variável resposta;
3) Escolha dos fatores e seus níveis;
4) Planejamento do procedimento experimental;
5) Realização do experimento;
6) Análise de dados;
7) Interpretação dos resultados;
8) Elaboração do relatório.
4949
2.9.3 Planejamento fatorial
Nos experimentos mais simples, geralmente é realizada a comparação de
tratamentos de apenas um tipo ou fator, permanecendo os demais fatores constantes.
Entretanto, existem casos em que vários fatores devem ser estudados
simultaneamente para que possam conduzir a resultados de interesse. Para tanto, são
utilizados os experimentos fatoriais que são aqueles nos quais são estudados, ao
mesmo tempo, os efeitos de dois ou mais tipos de tratamentos ou fatores. Cada
subdivisão de um fator é denominada nível do fator e os tratamentos nos experimentos
fatoriais consistem de todas as combinações possíveis entre os diversos fatores nos
seus diferentes níveis. A alocação das unidades experimentais aos tratamentos e a
ordem de realização são feitas de modo aleatório. Assim, é possível determinar
estimativas e comparações dos efeitos dos fatores, possíveis efeitos de interação entre
os fatores e a estimativa da variância dos resultados.
Ainda, segundo Button (2005), devido ao pequeno número de ensaios utilizado no
planejamento fatorial, esse planejamento é indicado para o início do procedimento
experimental quando há necessidade de definirem-se as variáveis de influência e
estudar seus efeitos sobre a variável de resposta escolhida. O autor destaca também
que o planejamento fatorial é um modelo de efeitos fixos, assim os resultados de sua
análise não podem ser transferidos para outros níveis que não os analisados no
planejamento.
O planejamento fatorial mais comum é o planejamento composto por 2k
combinações experimentais distintas, sendo avaliados k fatores em apenas dois níveis,
nível alto (+) e nível baixo (-). Assim, Se “n” representa o número de réplicas em cada
condição experimental, o número de ensaios é dado por n x 2k. Como há somente dois
níveis para análise de cada fator, assume-se que a variável de resposta apresente
comportamento linear entre esses níveis (BUTTON, 2005).
Para o desenvolvimento deste trabalho, o planejamento envolvendo fatores com
diferentes níveis 233
1, ou seja, três fatores (A, B e C) em dois níveis (+/-) e um fator (D)
em três níveis (+/0/-), totalizando 24 condições experimentais distintas mostradas na
matriz de planejamento abaixo (Tabela 2.5), foi adotado. Em cada combinação
5050
01
A
-
B
-
C
-
D
-
02 - - + -
03 - - - 0
04 - - + 0
05 - - - +
06 - - + +
07 - + - -
08 - + + -
09 - + - 0
10 - + + 0
11 - + - +
12 - + + +
13 + - - -
14 + - + -
15 + - - 0
16 + - + 0
17 + - - +
18 + - + +
19 + + - -
20 + + + -
21 + + - 0
22 + + + 0
23 + + - +
24 + + + +
experimental podem ser realizadas “n” repetições ou réplicas. A réplica é importante
para estimar o erro experimental de uma resposta individual, cuja extensão permite a
decisão da existência ou não de efeitos significativos que possam ser atribuídos à ação
dos fatores.
Tabela 2.5 - Matriz de planejamento experimental
Planejamento fatorial – 233
1
Fatores Condições
Os efeitos significativos são mostrados em gráficos de “efeitos principais” e de
“interações”. Os primeiros são usados para comparar as variações no nível da média,
5151
investigando quais fatores possuem efeito significativo sobre a variável-resposta.
Quando diferentes níveis do fator afetam a resposta diferentemente, diz-se que um
efeito principal está presente. A “interação” existe quando a variação da média da
resposta depende do nível de um segundo fator. A visualização do efeito de interação
de dois ou mais fatores experimentais sobre a variável resposta é feita pelos gráficos
de interações, permitindo, ainda, comparar a significância relativa entre os efeitos
(WERKEMA e AGUIAR, 1996).
Outro parâmetro informado na Análise de Variância é o R2, medindo a proporção
da variabilidade presente nas observações da variável resposta y explicada pelas
variáveis preditoras presentes na equação de regressão. Segundo Montgomery (2001),
quanto mais próximo de 1 (100%) for o valor de R2, melhor é a qualidade da equação
ajustada aos dados.
Segundo Panzera (2007), para a utilização da Análise de Variância, faz-se a
suposição de independência, distribuição normal com média zero e variância constante.
Estes parâmetros podem ser verificados pelos gráficos de resíduos “quatro em um”,
exibido pelo Minitab (Figura 2.19), verificando a adequação do modelo utilizado sobre
as condições da Análise de Variância, e tornando, assim, válidas as conclusões
estabelecidas no experimento.
O gráfico de probabilidade normal, mostrado na Figura 2.19, tem o objetivo de
avaliar a suposição de normalidade, onde os pontos devem estar localizados,
aproximadamente, ao longo de uma linha reta. Pontos distantes da reta podem
representar uma fonte de erro na coleta dos dados. O gráfico de resíduos versus
valores ajustados é utilizado para detectar variância constante do erro e presença de
valores extremos (outliers). Os pontos devem apresentar um padrão aleatório, sem
pontos discrepantes em relação ao conjunto de dados. O histograma é utilizado para
avaliar a suposição de normalidade e, nesse caso, espera-se que o gráfico apresente
um comportamento, aproximadamente, simétrico com média zero. O último gráfico,
“resíduos versus ordem dos dados”, avalia a suposição de independência dos resíduos
(PANZERA, 2004).
5252
Fre
qu
ên
cia
P
erc
en
tua
l
Re
síd
uo
s
Re
síd
uo
s
*
Resíduos para Resistência
Gráfico de probabilidade normal para os resíduos Resíduos versus valores ajustados
99
90
50
10
1 -1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
0,50
0,25
0,00
-0,25
-0,50
4,5
5,0
5,5
6,0
Resíduos Valore aj ustado
6,0
4,5
3,0
1,5
0,0
Histograma de resíduos Resíduos versus ordem de dados
0,50
0,25
0,00
-0,25
-0,50
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Residual Ordem da observ ação
Figura 2.19 - Gráfico de resíduos “quatro em um”.
2.10 Análise micromecânica de compósitos
A determinação de propriedades de compósitos pode ser feita basicamente por
métodos analíticos partindo das propriedades individuais de seus componentes ou por
meio de ensaios mecânicos experimentais em corpos de prova padronizados.
Nos primeiros métodos de análise de laminados, chamada de análise
micromecânica de compósitos, as propriedades de cada lâmina são calculadas com
base no conhecimento prévio das propriedades individuais das fases fibra e matriz,
bem como suas proporções no compósito.
Um caso particularmente simples de análise micromecânica é a Regra da Mistura.
A Equação 2.1 exibe a formulação deste método para a estimativa das propriedades
efetivas do compósito, na direção de alinhamento das fibras, em função das
propriedades das fases fibra e matriz. Os índices f e m na Equação 2.1 indicam fase
fibra e matriz, respectivamente.
P Pf V
f P
m V
m (2.1)
5353
m f
m
A regra da mistura fornece bons resultados somente em certas situações ideais,
pois não considera as características da interface fibra/matriz. Em outras palavras,
supõe-se que a adesão entre as fases constituintes é perfeita.
Um método mais elaborado, chamado de modelo de Halpin-Tsai, foi desenvolvido
introduzindo-se dois novos coeficientes para compensar o efeito da interface no cálculo
das propriedades do compósito (HALPIN e KARDOS, 1976). As Equações 2.2 e 2.3
mostram a formulação desses coeficientes, que são calculados em função das
propriedades das fases individuais e da propriedade efetiva estimada pela regra da
mistura.
P
f
(P * P
) V f
P* (P
Pm
)
(2.2) P
m (P
f P* ) V (P
f P
m )
P
f P
m
(2.3) P
f P
m
A Equação 2.4 exibe a formulação do método Halpin-Tsai para estimativa das
propriedades efetivas de materiais compósitos, na direção de alinhamento das fibras,
ajustadas para condições de interface não perfeita.
P*
Pm
(1 ξ η Vf )
1 η Vf
(2.4)
2.11 Análise de compósitos utilizando o método de elementos finitos
Uma maneira mais abrangente de prever o desempenho de componentes
mecânicos, em relação às soluções analíticas que podem ser aplicadas, consiste no
emprego de métodos numéricos de análise, utilizados principalmente em problemas
cuja solução analítica é de difícil obtenção ou simplesmente não existe, tendo destaque
o Método dos Elementos Finitos (MEF), ferramenta matemática comumente
empregada também na análise do comportamento mecânico de materiais e de
estruturas.
5454
O MEF consiste em transformar um domínio de interesse inicialmente contínuo
em discreto, constituído por um conjunto de elementos finitos (malha) conectados por
nós, sendo a solução aproximada do problema dependente não só da escolha
adequada da malha, mas também das funções de forma utilizadas na formulação do
elemento.
O emprego das funções interpolativas do MEF em métodos energéticos como o
Princípio dos Trabalhos Virtuais (PTV), ou sobre a forma forte do problema, via Método
de Resíduos Ponderados (CHRISTOFORO et al., 2007), conduz à geração da matriz
de rigidez do elemento e, conseqüentemente, da estrutura, assim como do vetor de
deslocamentos nodais, cujos deslocamentos, incógnita primária na análise estrutural,
são obtidos mediante a resolução do sistema de equações, permitindo a determinação
das deformações, tensões e esforços nos elementos componentes da malha.
Pela versatilidade do método, uma gama enorme de geometrias pode ser
modelada, já que os elementos podem ser colocados juntos em número muito grande
de diferentes configurações. Além disso, o projetista tem flexibilidade na aplicação de
cargas e condições de contorno, tornando o MEF o método mais amplamente utilizado
em análises estruturais (TITA, 1999).
Para interpretar e avaliar o desempenho mecânico de materiais compósitos
particulados ou reforçados com fibras é utilizada uma gama de modelos matemáticos,
fundamentados na mecânica dos meios contínuos, na mecânica do dano, na mecânica
da fratura, entre outros. Entretanto, segundo Mishnaevsky Junior e Brøndsted (2009),
uma das principais razões para a aplicação limitada dos compósitos é a dificuldade em
prever o comportamento em uma escala microscópica, tais como o inicio de uma
fratura e delaminação, danos devido a impacto, etc.
Tradicionalmente, métodos de aproximação, macroscópicos e microscópicos, têm
sido considerados na análise de estruturas compósitas. Recentemente, a maioria
dessas análises é desenvolvida através de metodologias numéricas, tais como o MEF,
em razão da dificuldade em se avaliar o comportamento mecânico da estrutura
compósita por métodos analíticos.
Na aproximação macroscópica, os materiais compósitos são considerados como
homogêneos e anisotrópicos, permitindo avaliar de forma aproximada o comportamento
5555
global da estrutura. Entretanto, tal consideração implica em limitações intrínsecas na
descrição do comportamento local ao nível dos constituintes do compósito.
Na escala microscópica, os compósitos são considerados como sendo uma
mistura de diferentes materiais isotrópicos e anisotrópicos, sendo modelados
separadamente. Segundo Kim et al. (2002), a aplicação do conceito de célula unitária
tem sido amplamente utilizada na obtenção das suas propriedades efetivas, podendo
ser classificada como uma aproximação microscópica, consistindo em uma outra
metodologia de homogeneização, uma vez que assume condições idênticas para todas
as células unitárias. Assim como outras teorias, a célula unitária tem limitações em
prever o comportamento local dos constituintes dos compósitos, entretanto, a
simplicidade contida neste modelo o torna atraente, exigindo menor esforço
computacional.
Na discretização do compósito segundo o MEF, é importante a utilização de
elementos com boa complacência geométrica. Segundo Saliba (1996), quando fatores
de concentração de tensões são analisados sugere-se evitar o emprego de elementos
finitos triangulares, requerendo, para tanto, um grande refinamento de malha. Da
mesma forma, por questões de aproximação da forma, elementos de quatro nós
também são evitados, sendo o elemento de oito nós o mais adequado, em razão da
sua maior adequabilidade na aproximação de geometrias, conferindo maior e melhor
aproximação para os resultados. O MEF tem sido utilizado para analisar as interações
entre as fases constituintes no comportamento global dos compósitos.
Kang e Gao (2002) avaliaram o comportamento mecânico do compósito de matriz
metálica reforçada por fibras curtas de alumina, com diferentes orientações em relação
à direção da carga trativa aplicada, analisando diversas características das fases fibra,
matriz e interface nas propriedades dos compósitos. A Figura 2.20 exibe o modelo do
volume representativo do compósito utilizado, considerando a interface modelada como
sendo perfeita, onde a adesão interfacial é representada somente pelas propriedades
mecânicas da camada interfacial. Os resultados exibiram forte dependência entre a
transferência de esforços da matriz para as fibras, permitindo avaliar o comportamento
mecânico global dos compósitos como as características de plasticidade da matriz,
orientação das fibras, razão de aspecto das fibras e adesão interfacial.
5656
Fibra Interface
Matriz
Seção longitudinal Seção transversal
Figura 2.20 - Volume representativo do compósito alumínio/δ-Al2O3 (KANG e GAO,
2002).
Mishnaevsky Junior e Brøndsted (2009) analisaram, por simulação numérica em
compósitos de matriz polimérica reforçada com fibras de vidro, a interdependência dos
mecanismos de danos: fratura da matriz, fratura da fibra e falhas na interface/interfase
matriz/fibra. Com base na micrografia de um compósito reforçado por fibras
unidirecionais, o modelo numérico implementado consistiu na simulação de uma célula
unitária tridimensional contendo um total de 20 fibras, assim como ilustrado na Figura
2.21.
Figura 2.21 - Micrografia da superfície de fratura de um compósito reforçado por fibras
unidirecionais (esquerda) e o modelo de elementos finitos gerado contendo 20 fibras
com remoção de camadas para potencial fratura (MISHNAEVSKY JUNIOR e
BRØNDSTED, 2009).
Neste trabalho, Mishnaevsky Junior e Brøndsted avaliaram a inserção de planos
de fratura na matriz, nas fibras e na interface fibra/matriz, modelada como um terceiro
5757
material, com propriedades obtidas pela média das propriedades das fases fibra e
matriz. Os resultados revelaram não haver fissuramento na matriz próximo às fibras
com falhas na interface. Da mesma forma, na área onde longos trincamentos são
formados na matriz, as trincas nas fibras não geram danos na interface.
Também foi observado que a interface danificada causa um nível de tensão
menor nas fibras adjacentes, levando a uma situação em que outras fibras em contato
com interfaces intactas falham primeiro. Em outras palavras, pode-se dizer que as
falhas na fibra geram danos na interface, mas, as falhas na interface não geram danos
na fibra.
Shaikh e Channiwala (2006) desenvolveram um modelo analítico para prever a
resistência efetiva de compósitos de resina poliéster reforçada com fibras longas e
unidirecionais de juta. O modelo proposto para um arranjo hexagonal das fibras de juta
acrescenta um novo termo à equação de regra da mistura, que leva em consideração
as propriedades da interface. A validação desse modelo foi realizada através de
ensaios experimentais de tração uniaxial e simulação numérica no software ANSYS®. O
modelo, discretizado por elementos tetraédricos, com e sem a inserção de uma
interfase entre as fases matriz e fibra é ilustrado na Figura 2.22. A região definida como
a interfase é representada pela diminuição do diâmetro da fibra, tendo suas
propriedades determinadas pelo modelo analítico proposto por (SHAIKH e
CHANNIWALA, 2006).
Matriz
Fibra
Matriz
Interfase
Fibra
(a) (b)
Figura 2.22 - Modelo de compósito sem interface (a), e com interfase (b) para
simulação numérica (SHAIKH e CHANNIWALA, 2006).
5858
Res
istê
ncia
à t
raç
ão
(N
/m2 x 1
07)
De acordo com Shaikh e Channiwala, os resultados da simulação numérica
(Figura 2.23) apresentam boa concordância com os obtidos experimentalmente,
principalmente com a consideração da interfase entre as fibras e a matriz.
Ainda do emprego de métodos numéricos aplicados no estudo do desempenho
mecânico de materiais compósitos, outros trabalhos de relevante contribuição científica
podem ser citados, como os de Lee et al. (2007), Virk et al. (2009) e Wimmer et al.
(2009), entre outros.
Exp. Interface Sem interfase
Figura 2.23 - Resultados experimentais e numéricos pra o ensaio de tração dos
compósitos reforçados com fibras de juta (SHAIKH e CHANNIWALA, 2006).
5959
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Materiais
Os compósitos de matriz polimérica em estudo são constituídos de uma fase
matriz polimérica de resina epóxi, com e sem adição de micropartículas de sílica e
aditivo químico (anidrido maléico), e uma fase dispersa de fibras naturais unidirecionais
de sisal e bananeira. Nas seções seguintes, as principais características e propriedades
dessas matérias-primas serão detalhadas.
3.1.1 Fase matriz: resina Epóxi
A resina epóxi rígida do tipo Diglicidil Éter do Bisfenol A, de especificação RQ-
0100RF, juntamente com o agente endurecedor à base de Polieteramina (RQ-0164RF
PLUS), foram fornecidos pela empresa Alpha Resiqualy – SP. A proporção percentual
mássica e estequiométrica entre a resina e o endurecedor fornecida pelo fabricante é
de 68,97% e 31,03%; respectivamente. As características de cura da resina são
exibidas na tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Características de cura da resina epóxi RQ-0100RF.
Reatividade Tempos de secagem
Manuseio, 120 gramas da mistura, a 25º C: 15 minutos
Cura / secagem de camadas finas com aproximadamente 2 mm de espessura: 25º C
12 horas
60º C
1,5 horas
Vitrificação final: 25º C
48 horas
60º C
3 horas
6060
3.1.2 Fase dispersa: fibra de sisal
As fibras de sisal utilizadas como fase reforçadora nos compósitos em estudo
foram utilizadas conforme recebidas da empresa sisalSul - SP. As fibras do sisal
cultivadas na Bahia foram extraídas por meio de processo mecânico de decorticação,
sendo lavadas e secas ao sol na região de cultivo. Na sede da empresa, as fibras (Tipo
A) passaram pelo processo de penteamento (limpeza) e foram embaladas, não sendo
submetidas a tratamentos químicos que modificassem as características de sua
superfície. Assim, as fibras foram utilizadas in natura na fabricação dos compósitos. A
Figura 3.1 exibe uma meada da fibra de sisal com aproximadamente 1,0 kg de fibras.
Figura 3.1 - Mecha de fibras de sisal. 3.1.3 Fase dispersa: fibra de bananeira
As fibras naturais de bananeira utilizadas são provenientes da região sudeste de
Minas Gerais, extraída da planta Musa balbisiana, variedade da bananeira comumente
nomeada como banana prata.
Após a maturação do cacho, a planta foi cortada e o pseudocaule dividido em
partes de aproximadamente 1 m de comprimento. As bainhas foram extraídas e
divididas em tiras de aproximadamente 3 - 5 cm de largura (Figuras 3.2a e 3.2b).
Conforme Garavello (1999), é possível a extração de três tipos de fibras da bananeira:
fibra externa, fibra interna e a renda. As fibras da camada mais externa são mais
resistentes, sendo, portanto, as mais indicadas para utilização como reforço em
6161
compósitos. Assim, a camada intermediária e interna não foram utilizadas para a
extração das fibras, sendo separadas conforme ilustra a Figura 3.2c.
Figura 3.2 - Corte do Pseudocaule da bananeira (a), corte das bainhas foliares em tiras
de 3 – 5 cm de largura (b), retirada da camada interna das bainhas (c), bainhas após
três semanas submersas em água (d), raspagem da parte não fibrosa da bainha (e),
Penteamento das bainhas (f), secagem das fibras ao sol (g), e fibras limpas e secas (h).
As tiras das bainhas foliares do pseudocaule da bananeira foram imersas em
água por um período de tempo variando de 01 a 03 semanas (Figura 3.2d). Após esse
6262
período, as bainhas foram raspadas e penteadas, com o auxílio de uma escova fina de
aço, produzindo mechas de fibras que posteriormente foram lavadas e secas ao sol
(ver Figuras 3.2e – 3.2g).
A etapa seguinte consistiu na eliminação manual dos resíduos remanescentes e
seleção das fibras com comprimento variando de 400 a 700 mm, obtendo-se as fibras
tais como as exibidas na Figura 3.2h.
O processo de fabricação dos corpos de prova será detalhado na seção 3.3.
3.1.4 Fase dispersa: partículas de sílica
As partículas de sílica foram fornecidas pela empresa Moinhos Gerais Ltda,
situada em Ribeirão vermelho – MG. As partículas de sílica recebidas na faixa
granulométrica compreendida entre 200 - 325 US-Tyler. Posteriormente, as partículas
foram classificadas por peneiramento na faixa 325 – 400 US-Tyler (diâmetro médio de
37 µm). A Tabela 3.2 exibe as principais propriedades da areia de sílica utilizada como
fase particulada e modificadora da rigidez da resina epóxi, na fabricação dos
compósitos.
Tabela 3.2 - Propriedades gerais da areia de sílica (CES-4. CAMBRIDGE
ENGINEERING SELECTOR).
Propriedades Gerais Unidade Limite inferior Limite superior
Densidade kg/m3 2170 2220
Módulo de Elasticidade GPa 56 74
Módulo de Cisalhamento GPa 27,9 32,3
Coeficiente de Poisson - 0,15 0,19
Dureza - Vickers HV 450 950
Resistência à tração MPa 45 155
Resistência à compressão MPa 1100 1600
Elongação % 0,1 -
Resistência à fratura Mpa/m2 0,6 0,8
Temperatura vítrea K 1230 1830
6363
3.1.5 Anidrido Maléico
O anidrido Maléico PA utilizado neste trabalho como aditivo químico tem como
objetivo promover uma melhor adesão entre as fases matriz/partícula/fibra. Os grãos de
anidrido foram moídos e classificados na faixa granulométrica de 150 - 200 US-Tyler,
sendo posteriormente adicionadas à resina epóxi na fabricação dos compósitos.
3.2 Planejamento experimental: escolha dos fatores e níveis experimentais
Os fatores de interesse possíveis de serem controlados foram selecionados com
base na teoria clássica de materiais compósitos e publicações recentes. Os seguintes
fatores foram selecionados: tipos de fibra vegetal, fração volumétrica de fibras no
compósito, adição de micropartículas de sílica e a presença do aditivo anidrido maléico
como agente compatibilizador entre a matriz e as fases de reforço.
As fibras de sisal e bananeira foram testadas como reforço por serem fibras
tradicionalmente utilizadas em compósitos poliméricos, além do potencial de cultivo e
produção dessas fibras no território brasileiro, gerando emprego e renda nas regiões
sisaleiras e de cultivo de banana.
Os teores de 30% e 50% de fibras foram escolhidos como níveis experimentais
para o fator fração volumétrica. A elevada fração de reforço foi escolhida devido ao
elevado custo da fase matriz, o que torna interessante a utilização da maior quantidade
de reforço no compósito. Além disso, laminações preliminares com várias frações de
fibras mostraram o melhor acabamento superficial do compósito com o reforço em
torno de 30% do volume total e o limite máximo de 50%, devido à alta absorção de
resina pelas fibras.
Para a determinação dos níveis de adição de micropartículas de sílica, várias
blendas resina/sílica foram fabricadas em diversas frações mássicas. O limite máximo
de 33% em massa de sílica foi obtido, uma vez que a alta viscosidade da mistura
apresentada para maiores frações impossibilita a laminação dos compósitos por
laminação manual. Dessa forma, testou-se o limite extremo de 33% e um limite
intermediário de 20% em massa de micro partículas de sílica adicionados na resina
epóxi.
6464
Os níveis de adição de anidrido (2% e 5%) foram avaliados com base em
mudanças no processo de cura da resina. Para frações mássicas de 5% de anidrido,
adicionados sobre a massa da resina e mantendo-se a proporção estequiométrica
resina/endurecedor, notou-se que as condições de cura da resina foram muito
alteradas, modificando sua consistência e coloração, além de diminuir a resistência
mecânica da mesma.
Dessa forma, foram estudados 2 tipos de fibra, 2 frações volumétricas, 3 frações
de adição de micropartículas de sílica e 2 níveis de adição de anidrido maléico, sendo
analisados pelo planejamento fatorial de experimentos, fornecendo a significância de
cada fator experimental nas variáveis de interesse que serão detalhadas nas seções
seguintes. O software estatístico Minitab versão 14 foi utilizado para o tratamento dos
dados, utilizando as ferramentas estatísticas DOE (Design of Experiment) e ANOVA
(Analysis of Variance).
O planejamento fatorial completo foi adotado no experimento, ou seja, corpos de
prova de todas as combinações possíveis dos fatores e níveis experimentais foram
fabricados e ensaiados. O planejamento fatorial do tipo 233
1 foi utilizado nesta
dissertação, fornecendo 24 combinações experimentais distintas, conforme exibido na
matriz de planejamento da Tabela 3.3.
O método de aleatorização foi adotado na etapa de preparação dos corpos de
prova, como também na etapa de realização dos ensaios. Isto permitiu uma ordenação
arbitrária das condições experimentais, evitando que efeitos de fatores não-controlados
afetassem as variáveis-respostas (BUTTON, 2005).
Considerando a adoção de duas réplicas, 24 condições experimentais, e um
mínimo de 5 corpos de prova para cada condição, 120 corpos de prova foram
preparados para cada tipo de ensaio. A réplica consiste na repetição da condição
experimental, proporcionando a estimativa do erro experimental de uma resposta
individual. A extensão desse erro é importante na decisão se existem ou não efeitos
significativos que possam atribuir à ação dos fatores (WERKEMA e AGUIAR, 1996).
6565
Tabela 3.3 - Condições experimentais, planejamento fatorial completo (233
1).
Condições
Experimentais
Tipo de fibra
Fração
Volumétrica
%
Aditivo químico
%
Adição de sílica
%
C1 sisal 30 0 0
C2 sisal 30 2 0
C3 sisal 30 0 20
C4 sisal 30 2 20
C5 sisal 30 0 33
C6 sisal 30 2 33
C7 sisal 50 0 0
C8 sisal 50 2 0
C9 sisal 50 0 20
C10 sisal 50 2 20
C11 sisal 50 0 33
C12 sisal 50 2 33
C13 bananeira 30 0 0
C14 bananeira 30 2 0
C15 bananeira 30 0 20
C16 bananeira 30 2 20
C17 bananeira 30 0 33
C18 bananeira 30 2 33
C19 bananeira 50 0 0
C20 bananeira 50 2 0
C21 bananeira 50 0 20
C22 bananeira 50 2 20
C23 bananeira 50 0 33
C24 bananeira 50 2 33
6666
3.3 Fabricação dos corpos de prova
3.3.1 Corpos de prova para ensaios de tração nas fibras
Com o objetivo de determinar as propriedades mecânicas das fibras de sisal e
bananeira, corpos de prova para ensaio de tração foram preparados com base nas
recomendações da norma ASTM D 3822 (2007), que trata da determinação de
propriedades mecânicas sob esforços de tração para fibras têxteis.
A colagem de uma proteção nas extremidades das fibras foi necessária (~10 mm
em cada extremidade), para fixação das mesmas nas garras da máquina universal de
ensaios mecânicos, sendo testados diversos materiais como proteção, conforme
mostra a Figura 3.3. Testes preliminares foram realizados observando-se o
arrancamento da fibra das proteções durante o ensaio. A melhor fixação foi obtida com
o papel cartolina (Figura 3.3d); sendo, portanto, os corpos de prova definitivos
fabricados com esse material.
(a) (b) (c) (d)
Figura 3.3 - Corpo de prova para ensaios nas fibras com as seguintes proteções: Tubo
plástico preenchido com resina epóxi (a), Fita Esparadrapo (b), Cola adesiva “durepoxi”
(c) e papel fixado com cola instantânea “Super bonder” (d).
Foi utilizado o comprimento nominal entre garras de 30 mm, sendo determinado
com base nas dimensões propostas pela norma (106) e com base em trabalhos
encontrados na literatura (MUKHOPADHYAY et al., 2009; KULKARNI et al., 1983).
6767
%
A 100 0 0
B 98 2 0
C 80 0 20
D 78,4 1,6 20
E 66,7 0 33,3
F 65,37 1,33 33,3
3.3.2 Corpos de prova para ensaios da fase matriz
Os corpos de prova para a caracterização das matrizes utilizadas na fabricação
dos compósitos foram preparados com as seguintes misturas: resina epóxi pura, resina
epóxi modificada com anidrido maléico e resina epóxi com adição de micropartículas de
sílica. A Tabela 3.4 exibe as combinações de A a F para composição das matrizes.
Tabela 3.4 - Composição das matrizes analisadas
Matriz
Resina + endurecedor
%
anidrido Maléico
%
Micro partículas de
sílica
A Figura 3.4 mostra os corpos de prova fabricados para o ensaio de compressão
com base nas condições experimentais exibidas na Tabela 3.4.
A B C D E F
Figura 3.4 - Aspecto das matrizes A – F da Tabela 3.4.
As frações apresentadas na Tabela 3.4 se referem ao percentual de cada
componente em massa. O percentual de 2% de anidrido maléico foi adicionado sobre a
massa da resina epóxi, já acrescida da proporção estequiométrica de endurecedor. Os
6868
percentuais de micro partículas de sílica foram adicionados sobre a massa da mistura
resina/anidrido maléico.
Inicialmente, a mistura resina/endurecedor foi preparada na proporção em massa
indicada pelo fabricante, sendo 100 partes da resina e 45 partes do endurecedor, o que
equivale aos percentuais de 68,97% e 31,03%; respectivamente. O anidrido maléico na
forma de pó foi adicionado na fração desejada sendo misturado manualmente até
dissolver-se. Posteriormente, o conteúdo de sílica foi adicionado misturando-se durante
o período de 5 minutos para completa homogeneização dos materiais.
As amostras foram fabricadas para os ensaios de tração e flexão nas matrizes. As
dimensões dos corpos de prova seguiram as recomendações das normas ASTM D638
(2003) e ASTM D790 (2007); respectivamente. Moldes fabricados em borracha de
silicone foram utilizados para a obtenção dos corpos de prova de tração (Figura 3.5a) e
flexão (Figura 3.5b). Tubos de PVC com diâmetro externo de 12,7 mm foram utilizados
como molde na fabricação dos corpos de prova para o ensaio de porosidade e
densidade aparente das matrizes.
(a) (b)
Figura 3.5 - Moldes de silicone para corpos de prova de tração (a) e flexão (b).
Durante o vazamento das matrizes, os moldes foram submetidos à vibração
mecânica visando aperfeiçoar o preenchimento e eliminar as bolhas de ar aprisionadas
durante o vazamento. A cura do polímero foi realizada à temperatura ambiente por
período mínimo de 24 horas. Após este período, os corpos de prova foram sacados dos
moldes passando por uma etapa de lixamento a fim de melhorar o acabamento
superficial, evitando possíveis tensões residuais. Os corpos de prova para o ensaio de
6969
densidade e porosidade das matrizes foram cortados garantindo o paralelismo das
faces e a dimensão da altura igual a duas vezes o diâmetro. A Figura 3.6 exibe os
corpos de prova obtidos para tração, flexão e porosidade.
(c)
(b)
(a)
Figura 3.6 - Aspecto dos corpos de prova de tração (a), flexão (b) e porosidade (c) para
fase matriz
3.3.3 Fabricação dos compósitos laminados
Há na literatura diversas formas de processamento de materiais compósitos
reforçados por fibras. Para o presente trabalho, o processo de moldagem manual
(Hand Lay-Up) mostrou-se bastante adequado por não requerer equipamentos
complexos, diminuindo o custo de fabricação. Além disso, segundo a literatura, esse
processo é o mais indicado para testes em laboratórios e coletas de dados (TITA,
1999).
3.3.3.1 Compósitos reforçados com fibras de sisal
Em virtude dos compósitos serem lâminas reforçadas com fibras orientadas
unidirecionalmente, um dispositivo de alinhamento das fibras foi desenvolvido. Para as
7070
fibras de sisal uma grade de madeira foi utilizada para efetuar a tecelagem das fibras,
conforme mostra a Figura 3.7.
Figura 3.7 - Estrutura de madeira utilizada para alinhamento das fibras de sisal.
A massa total de fibras foi calculada com base na diferença entre as massas da
grade antes e após a tecelagem. Baseando-se na densidade aparente média da fibra
de sisal, calculou-se o volume de fibras contido na grade.
A laminação foi possível com a inserção de uma placa de vidro entre as partes
superior e inferior do tecido de sisal garantindo um bom acabamento superficial. Além
disso, um tecido desmoldante (Armalon®) foi adicionado sobre a placa de vidro
facilitando no procedimento de desmoldagem das amostras.
Com base no volume de fibras e na área a ser laminada sobre a placa de vidro, a
matriz, tanto pura quanto modificada, foi acrescentada sobre o tecido de fibras. Por
meio de uma espátula e de um rolo desaerador realizou-se o espalhamento
homogêneo da matriz sobre o tecido de fibras. Após esse espalhamento, uma nova
placa de vidro recoberta com Armalon®
foi colocada sobre a lâmina com o objetivo de
melhorar o acabamento e planicidade da mesma.
O sistema foi mantido em temperatura ambiente para a cura dos compósitos por
24 horas. Após este período, os compósitos foram desmoldados retirando-se os corpos
de prova para os testes de tração e flexão.
Conforme recomendações da norma Bristish Standard BS 2747 (1998), proteções
nas extremidades foram coladas sobre as faces dos corpos de prova para a realização
do ensaio mecânico. Um compósito fabricado com resina epóxi e tecido bidirecional de
7171
fibras de vidro foi utilizado para estas proteções. A fixação da proteção foi realizada
com o adesivo ARALDITE®
(secagem rápida). Estas proteções têm a finalidade de
eliminar o risco de esmagamento do corpo de prova pelas garras da máquina de
ensaios mecânicos. A Figura 3.8 exibe os corpos de prova para o ensaio de tração dos
compósitos.
Figura 3.8 - Corpos de prova de tração para os compósitos fabricados com fibra de
sisal.
3.3.3.2 Compósitos reforçados com fibras de bananeira
As fibras de bananeira, por serem muito rígidas (quebradiças), foram umedecidas
para a tecelagem, visto que as mesmas devem ser amarradas nas extremidades a fim
de produzir um tecido homogêneo, sem emendas. A absorção de umidade pela
moldura de madeira impediria o cálculo correto da massa de fibras com base na
diferença das massas antes e após a tecelagem das fibras. Desta forma, uma estrutura
fabricada com barra chata e vergalhão liso de aço foi utilizada para a produção dos
compósitos com fibra de bananeira. A seqüência da laminação dos compósitos seguiu
as mesmas etapas dos compósitos com fibra de sisal. A Figura 3.9 mostra os
dispositivos utilizados no processo de laminação dos compósitos reforçados com fibra
de bananeira.
7272
(a) (b)
(c)
(d)
Figura 3.9 - Seqüência da laminação dos compósitos com fibras de bananeira: (a)
tecelagem, (b) laminação e fixação do armalon e vidro inferior, (c) vista superior e (d)
vista lateral do compósito laminado.
A Figura 3.10 exibe, respectivamente, os corpos de prova para o ensaio de tração
e flexão dos compósitos laminados com fibra de bananeira.
7373
(a) (b)
Figura 3.10 - Corpos de prova de tração (a) e flexão (b) dos compósitos de fibra de
bananeira.
3.4 Variáveis respostas
As variáveis de interesse para os compósitos poliméricos selecionados para
realização deste estudo foram: resistência à tração, módulo de elasticidade em tração,
resistência à flexão, módulo de elasticidade em flexão, densidade aparente, porosidade
aparente e absorção de água. Nos subitens seguintes uma descrição da metodologia
experimental destas variáveis será apresentada.
Cabe ressaltar que as matrizes também foram submetidas a ensaios mecânicos
visando à obtenção de suas propriedades, a saber: resistências à tração e à flexão e os
respectivos módulos elásticos, além das densidades volumétrica e aparente,
porosidade aparente e absorção de água.
3.4.1 Resistência à tração e módulo de elasticidade
As propriedades mecânicas dos compósitos que podem ser determinadas por
meio do ensaio de tração são: resistência uniaxial, módulo de elasticidade,
alongamento e coeficiente de Poisson. A resistência e o alongamento do material são
medidas tomadas no momento da ruptura do corpo de prova. A resistência à tração é
medida pelo quociente entre a carga aplicada e a área transversal do corpo de prova,
enquanto o alongamento representa o aumento percentual do comprimento da peça
sob tração. O módulo de elasticidade do compósito é medido pela razão entre a tensão
e a deformação, dentro do regime elástico, onde a deformação é totalmente reversível
e proporcional à tensão. O coeficiente de Poisson é definido como a razão negativa
7474
entre a deformação transversal e a correspondente deformação longitudinal de um
corpo de prova sob tensão uniaxial, abaixo do limite de proporcionalidade do material
(SILVA, 2003).
Algumas normas que descrevem o ensaio de tração de compósitos são a ASTM
D638 (2003), ASTM D3039 (1995) e BS EN 2747 (1998). A norma ASTM D638 é mais
indicada para este trabalho, visto que a norma ASTM D3039 é recomendada para
compósitos laminados reforçados com fibras de alto módulo. A norma inglesa British
Standard BS 2747 (1998) trata da determinação de propriedades de compósitos
reforçados por fibras de vidro.
Os ensaios de resistência à tração dos compósitos foram conduzidos seguindo as
recomendações da norma BS 2747. Os ensaios foram realizados em uma máquina de
ensaios universal Autograph com célula de carga Shimadzu com capacidade para 10
toneladas, monitorada pelo software Topazium, a uma velocidade de 2 mm/min. A
Figura 3.11 mostra fotos do ensaio de tração que foram realizados no laboratório de
usinagem do departamento de engenharia mecânica da UFMG – Universidade Federal
de Minas Gerais.
Figura 3.11 - Ensaio de tração dos compósitos de fibra de sisal.
Cabe salientar que as fases constituintes dos compósitos (matrizes e fibras) foram
também submetidas a ensaio de tração para determinação de suas propriedades
mecânicas. O ensaio de tração na fase matriz foi realizado no mesmo equipamento
usado para os compósitos, com a mesma velocidade de deslocamento do cabeçote da
7575
máquina, seguindo as recomendações da norma ASTM D638 (2003) que descreve a
obtenção de propriedades de plásticos reforçados e não reforçados.
As fibras de sisal e bananeira foram ensaiadas em uma máquina de ensaios
EMIC DL 500 com célula de carga com capacidade de 50 N, monitorada pelo software
Tesc 3.01, a uma velocidade de 3,0 mm/min. A Figura 3.12 exibe a montagem da fibra
de bananeira nas garras da máquina de ensaio.
Figura 3.12 - Ensaio de tração da fibra de bananeira.
3.4.2 Resistência à flexão e módulo de flexão
O ensaio de flexão permite a determinação da resistência à flexão e o módulo de
elasticidade sob esforços de flexão. A resistência representa a tensão máxima
desenvolvida nas fibras externas de uma barra sujeita a dobramento, no momento de
sua quebra. O módulo de elasticidade é definido igualmente ao ensaio de tração, ou
seja, a razão entre a tensão e a deformação, dentro do regime elástico. No ensaio de
flexão, as configurações de carregamento podem ser três pontos ou quatro pontos. A
flexão em quatro pontos se aplica a materiais que apresentam grande deformação até
o momento da ruptura. A norma ASTM D790 (2007) descreve o ensaio de flexão para
materiais plásticos reforçados e não reforçados.
7676
Os ensaios de flexão dos materiais em estudo deste trabalho (matrizes e
compósitos) foram realizados de acordo com a norma ASTM D790, em uma máquina
de ensaios Emic DL 500 com célula de carga com capacidade de 500 N, monitorada
pelo software Tesc 3.01. O ensaio foi conduzido a uma velocidade de deslocamento do
cabeçote da máquina de 3 mm/min. O ensaio foi realizado no laboratório de
caracterização de materiais do departamento de engenharia mecânica da UFSJ –
Universidade Federal de São João Del Rei. A Figura 3.13 exibe fotos do ensaio de
flexão dos compósitos fabricados com fibra de sisal.
(b)
(a) (c)
Figura 3.13 - Ensaio de flexão nos compósitos com fibra de sisal: (a) máquima
universal de ensaios, (b) vista superior e (c) vista inferior do punção e corpo de prova.
7777
3.4.3 Densidade volumétrica e aparente, porosidade aparente e absorção de água
3.4.3.1 Densidade volumétrica
A densidade volumétrica de um material é determinada por meio da relação
simples existente entre a massa e o volume de um corpo de prova, conforme expressa
a Equação 3.1.
m
V V
(3.1)
Em que:
ρV é a densidade volumétrica (g/cm3);
m é a massa do corpo de prova (g); e
V é o volume do corpo de prova (cm3).
Os equipamentos envolvidos na determinação da densidade volumétrica são uma
balança de precisão para a medição da massa e um paquímetro digital para efetuar a
medição indireta do volume do corpo de prova, que sendo prismático, tem seu volume
dado pela Equação 3.2.
V b h e (3.2)
Em que:
V é o volume do corpo de prova (cm3);
b é a base do corpo de prova (cm);
h é altura do corpo de prova (cm); e
e é a espessura do corpo de prova (cm).
7878
3.4.3.2 Densidade aparente
A densidade aparente considera o volume do material levando em conta os poros
abertos presentes, sendo inferior ao volume determinado pela medição indireta das
dimensões do corpo de prova no cálculo da densidade volumétrica.
A densidade aparente pode ser determinada de acordo com a norma britânica BS
10545-3 (1997), por meio do princípio de Arquimedes. Este princípio afirma que um
corpo imerso em um fluido sofre um empuxo igual ao peso do volume de fluido
deslocado pelo corpo. A densidade do corpo é igual à razão entre seu peso e o empuxo
do fluido sobre ele. Desta forma, a densidade aparente pode ser calculada a partir da
equação 3.3.
m1
a V1
(3.3)
Em que:
ρa é a densidade aparente do material (g/cm3);
m1 é a massa do corpo de prova seco (g);
V1 é o volume do corpo de prova dado pelo deslocamento de água (cm3).
O volume v1 (m3) é determinado pela Equação 3.4, considerando a densidade da
água como sendo 1000 kg/m3.
V1 m2 m3
1000kg / m3
(3.4)
Em que:
m2 é a massa da amostra saturada com água (kg);
m3 é a massa da amostra totalmente submersa na água (kg).
A saturação dos corpos de prova, onde a água deve penetrar nos poros do
material, foi garantida por meio da aplicação de vácuo em uma cúpula envolvendo o
7979
recipiente contendo os corpos de prova submersos. A Figura 3.14 mostra a montagem
da cúpula, juntamente com o manômetro e a bomba de vácuo, utilizada para manter os
corpos de prova sobre pressão constante, durante o período de 24 horas.
Figura 3.14 - Câmara de vácuo para ensaio de densidade aparente.
3.4.3.3 Porosidade aparente
A porosidade aparente é a relação entre o volume de poros abertos e o volume
externo do corpo de prova. A norma britânica BS 10545-3 (1997) estabelece o
procedimento para a determinação da porosidade aparente por meio do principio de
Arquimedes, assim como para a determinação da densidade aparente.
A Equação 3.5 estabelece a porosidade aparente em função da medição das
massas do corpo de prova seco, saturado e submerso em água. O numerador do
segundo termo da Equação 3.5 expressa o volume de poros acessíveis (abertos),
sendo dado pela diferença entre a massa do corpo de prova saturado (m2) e a massa
do corpo de prova seco (m1). O volume da porção impermeável do corpo de prova
(denominador da Equação 3.5) é dado pela diferença entre as massas da amostra seca
(m1) e submersa (m3), respectivamente.
P m
2 m
1 100
a (3.5) m
1 m
3
8080
m
3.4.3.4 Absorção de água
A absorção de água de um material é dada pelo percentual de água absorvida por
um corpo de prova após a imersão em água sobre pressão negativa constante,
conforme descrito para a determinação da densidade e porosidade aparentes. A
Equação 3.6 foi utilizada para o cálculo desta variável resposta.
A m
2 m
1 100
b (3.6) 1
Em que:
Ab é a absorção de água (%);
m1 é a massa do corpo de prova seco (g); e
m2 é a massa do corpo de prova saturado (g).
3.4.4 Propriedades das matrizes
Conforme mencionado anteriormente, ensaios mecânicos foram conduzidos nas
matrizes, (resina pura e modificada com anidrido maléico e micropartículas de sílica)
para determinação de suas propriedades.
Os ensaios de tração e flexão foram conduzidos seguindo as mesmas
configurações relatadas para os compósitos nos subitens 3.5.1 e 3.5.2,
respectivamente. A realização do ensaio de tração da resina epóxi segiu
recomendações da norma ASTM D638 (2003). Já para o ensaio de flexão em três
pontos, as recomendações da norma ASTM D 790 (2007) foram seguidas.
A determinação da porosidade e densidade aparente foi realizada por meio do
princípio de Arquimedes, tal como para os compósitos (ver subitem 3.5.3). A densidade
volumétrica foi determinada conforme o volume externo calculado pelas dimensões do
corpo de prova cilíndrico, conforme a equação 3.7.
8181
2
V D
C h C
4
(3.7)
Em que:
VC é o volume do corpo de prova cilíndrico (cm3);
DC é diâmetro do corpo de prova (cm);
h é altura do corpo de prova (cm);
3.5 Análise estatística utilizando o Minitab
O software estatístico Minitab®
(versão 14) foi utilizado para efetuar a análise
estatística dos resultados obtidos para os compósitos em estudo. As ferramentas DOE
(Design of experiments) e ANOVA (Análise de variância) foram utilizadas para a análise
das médias de cada réplica. Gráficos de efeitos principais e de interações foram
obtidos para os fatores estatisticamente significativos, assim como os gráficos de
resíduos para as variáveis respostas analisadas.
3.6 Análise micromecânica dos compósitos
Os modelos micromecânicos da regra da mistura e de Halpin-tsai descritos na
seção 2.10 foram utilizados para prever o comportamento mecânico dos compósitos
fabricados com fibras de sisal e fibras de bananeira. Com base nas propriedades
mecânicas individuais das fases fibra e matriz, tanto pura quanto modificada, o
comportamento previsto pela análise micromecânica foi comparado aos valores
experimentais do módulo de elasticidade dos compósitos. Essa comparação permitiu
verificar a qualidade da interface fibra/matriz nos laminados.
3.7 Simulação numérica do comportamento dos compósitos
Com o objetivo de avaliar a eficácia da metodologia de simulação numérica
(método de elementos finitos) em descrever o comportamento mecânico de compósitos
8282
poliméricos reforçados por fibras vegetais, foram realizados ensaios numéricos para os
materiais compósitos fabricados com 30% de fibras de sisal e bananeira, uma vez que
estes compósitos apresentaram o melhor desempenho mecânico nos ensaios
experimentais de tração.
O Pacote comercial ANSYS®
versão 12.1 foi utilizado para a análise numérica dos
compósitos utilizando elementos finitos bi e tridimensionais.
No modelo em duas dimensões as propriedades do compósito foram tomadas
como sendo as efetivas, estimadas através dos modelos de análise micromecânica:
“Regra da Mistura” e “Halpin-Tsai” (Tabela 4.5).
No modelo tridimensional, os materiais foram modelados por um conjunto de
fibras distribuídas uniformemente, com base nas imagens obtidas na microscopia
eletrônica de varredura dos compósitos testados experimentalmente. O comportamento
dos compósitos foi estudado considerando as propriedades individuais das fases fibra e
matriz, reportadas respectivamente pelas Tabelas 4.1 e 4.2.
(ou axial)
Opção triangular
Não recomendada
(ou radial)
Figura 3.15 - Modelo bidimensional dos compósitos (a), elemento finito Plane182 (b).
O modelo bidimensional, consistindo na representação com dimensões reais do
corpo de prova do ensaio experimental de tração uniaxial para ambos os materiais
compósitos, assim como o elemento finito utilizado nas simulações (Plane182) são
apresentados na Figura 3.15.
8383
A discretização dos modelos numéricos tridimensionais foi realizada com o uso do
elemento finito “Solid185” (Figura 3.16), possuindo um total de oito nós, sendo estes
localizados nos vértices do cubo, possuindo seis graus de liberdade por nó, sendo três
translações e três rotações em torno dos eixos x, y e z.
Opção prisma
Opção Tetraedro
Não recomendada
Figura 3.16 - Elemento finito Solid185 do ANSYS.
As Figuras 3.17 e 3.18 mostram respectivamente as imagens obtidas do MEV
para os compósitos com fibras de sisal e de bananeira.
Fibra Matriz
Figura 3.17 - Fotografia obtida por MEV da seção transversal do corpo de prova do
compósito fabricado com fibras de sisal.
8484
Figura 3.18 - Fotografia obtida por MEV da seção transversal do corpo de prova do
compósito fabricado com fibras de bananeira.
Baseando-se na distribuição das fibras de sisal observadas na imagem de MEV
(Figura 3.17), o modelo tridimensional completo do corpo de prova experimental foi
montado com 55 fibras orientadas paralelamente na direção de aplicação do
carregamento.
Conforme pode ser observado da Figura 3.18, o compósito com fibras de
bananeira apresentou bom alinhamento das fibras, além de um espaçamento uniforme
entre ambas. Percebe-se também maior homogeneidade da seção transversal do
compósito com fibras de bananeira em relação ao constituído por fibras de sisal.
Em razão ao enorme esforço computacional exigido para a simulação do modelo
tridimensional completo para ambos os compósitos, apenas uma pequena porção dos
corpos de prova foi utilizada. As Figuras 3.19 e 3.20 exibem respectivamente os
modelos dos compósitos com fibras de sisal e de bananeira, contendo as dimensões
reais dos corpos de prova assim como da porção de material utilizado nas simulações.
A caracterização dos materiais na simulação numérica foi realizada pelo
fornecimento das propriedades elásticas: módulo de elasticidade longitudinal e
coeficiente de Poisson.
Em função das dificuldades inerentes da experimentação para o cálculo do
coeficiente de Poisson das fibras naturais, optou-se por variar o valor desta grandeza
em um intervalo real compreendido entre 0,00 e 0,35, permitindo-se avaliar se o seu
efeito é significativo nas análises mecânicas dos compósitos, simulados com o
8585
emprego de elementos finitos tridimensionais. Para a resina epóxi (matriz), o valor do
Poisson adotado foi de 0,40, sendo extraído da obra de Tita (1999).
(a) (b)
Figura 3.19 - Modelo tridimensional dos compósitos com fibra de sisal (a), Porção
representativa simulada (b).
(a) (b)
Figura 3.20 - Modelo tridimensional dos compósitos com fibra de bananeira (a) e
modelo discretizado (b).
Além das restrições na caracterização das propriedades mecânicas dos materiais,
algumas aproximações em relação à simulação numérica devem ser apontadas,
principalmente no modelo tridimensional. Considera-se aqui o material como um arranjo
de fibras uniformemente espaçadas e perfeitamente paralelas, a matriz e o reforço
como sendo homogêneos, contínuos e isotrópicos. Além disso, a seção transversal das
8686
fibras é considerada como circular e uniforme ao longo do seu comprimento,
assumindo-se uma adesão perfeita entre as fases.
As condições de contorno utilizadas na simulação numérica do ensaio de tração
uniaxial são deslocamentos e rotações nulos em uma das extremidades (engaste fixo)
e força distribuída uniformemente aplicada sobre a seção transversal (pressão) da
outra, variando a sua intensidade de 0 a 100 MPa, com 10 incrementos de igual
magnitude. Este valor fora fixado objetivando-se garantir comportamento elástico-linear
para o material e pequena deslocabilidade nos corpos de prova dos ensaios numéricos,
premissas estas fundamentais para o desenvolvimento de projetos estruturais e
mecânicos.
Aplicando-se os incrementos de pressão no corpo de prova numérico, o software,
dentre outras variáveis estruturais de interesse, exibe os valores extremos dos
deslocamentos sofridos no sólido. Para um incremento de força, conhecido o
comprimento original do corpo (condição indeformada) e o deslocamento longitudinal
extremo, medido na direção das fibras do compósito, pode determinar a deformação
específica ( ) ou de engenharia, expressa pela Equação 3.8, sendo ∆L a variação no
comprimento original do corpo de prova, expresso em mm e L, o comprimento original,
medido em mm.
L L
(3.8)
Com o conhecimento das tensões geradas no ponto médio dos corpos de prova e
das deformações calculadas pela Equação 3.8 constroem-se as curvas tensão –
deformação para os compósitos, comparando-as com as curvas obtidas dos ensaios
experimentais de tração. A qualidade das aproximações permite avaliar, em condições
de projeto, a influência do uso das hipóteses simplificadoras de cálculo utilizadas nas
simulações dos compósitos, avaliando a condição de interface perfeita adotada entre
matriz e reforço nas simulações com elementos finitos tridimensionais e a validade da
Regra da Mistura e Halpin-Tsai através das simulações bidimensionais.
8787
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Determinação das propriedades das fases constituintes dos compósitos
4.1.1 Propriedades das fibras de sisal e de bananeira
Os valores médios das principais propriedades físicas e mecânicas foram
determinados para as fibras de sisal e de bananeira utilizadas como fase reforçadora
nos compósitos sendo exibidos na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 - Propriedades físicas e mecânicas das fibras de sisal e bananeira
Propriedade Fibra de sisal Fibra de bananeira
Diâmetro (µm)
Densidade Aparente (g/cm3)
192,5 (±26,3)
1,41
131,1 (±17,7)
1,35
Porosidade Aparente (%) 76,21 86,69
Resistência à tração (MPa) 887 (±143) 863 (±259,5)
Módulo de Elasticidade (GPa) 16,4 (±2,51) 31,56 (±2,8)
As propriedades mecânicas obtidas para as fibras estão em concordância com os
resultados reportados na literatura, tais como os valores exibidos na Tabela 2.2 para a
fibra de sisal (ver Capítulo 2), obtidos em Nabi e Jog (1999). Os valores da densidade
aparente obtidos por meio do ensaio de Arquimedes estão condizentes com outros
resultados, variando de 1,35 a 1,45 g/cm3
(NABI e JOG, 1999) e 1,30 a 1,40 g/cm3
(MUKHOPADHYAY et al., 2009; HANEEFA et al., 2008; SAPUAN e MALEQUE,2005)
para as fibras de sisal e bananeira, respectivamente.
A Figura 4.1 exibe o comportamento mecânico da fibra de sisal submetida ao
ensaio de tração. Verifica-se um patamar de esgarçamento da fibra com subseqüente
aumento do módulo elástico. Devido à variação de inclinação da região linear da curva
tensão/deformação, o módulo de elasticidade da fibra foi calculado na primeira porção
linear da curva. Desta forma, um valor menor, ou mais conservador, do módulo de
elasticidade foi obtido.
8888
Tensão [
MP
a]
Tensão
[M
Pa]
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Módulo de
Elasticidade
Esgarçamento
0,000 0,052 0,102 0,174 0,295 0,485 0,779 1,063 1,559 2,054
Deformação [mm/mm]
Figura 4.1 - Gráfico tensão versus deformação para a fibra de sisal sob esforços de
tração.
A Figura 4.2 exibe os gráficos tensão/deformação dos corpos de prova de fibra de
bananeira, observando-se uma região de esgarçamento, assim como observado para
as fibras de sisal. Após este fenômeno, um aumento do módulo de elasticidade da fibra
de bananeira é observado, embora este esteja mais próximo do limite de resistência do
material. Da mesma forma, o módulo de elasticidade foi calculado no início da curva
tensão-deformação.
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Módulo de
Elasticidade
Esgarçamento
0,000 0,001 0,002 0,003 0,005 0,007 0,010 0,014 0,019 0,025 0,031
Deformação [mm/mm]
Figura 4.2 - Gráfico tensão versus deformação para a fibra de bananeira sob esforços
de tração.
8989
Te
ns
ão
[M
Pa]
4.1.2 Propriedades físicas e mecânicas das matrizes
4.1.2.1 Efeito do anidrido maléico na resistência mecânica da resina
Com o objetivo de avaliar o efeito da adição de anidrido maléico nas propriedades
mecânicas da resina epóxi, foram realizados ensaios de tração preliminares em corpos
de prova da resina pura e modificada com a inserção de 2% e 5% em massa de
partículas de anidrido (faixa granulométrica de 150 - 200 US-Tyler). A Figura 4.3 exibe
as curvas tensão-deformação encontradas revelando o melhor comportamento
mecânico da resina epóxi modificada com a adição de 2% de anidrido, apresentando
maior resistência e rigidez em relação à resina pura. A matriz modificada com 5% de
anidrido maléico exibiu aumento significativo da tenacidade, contudo a resistência e a
rigidez diminuíram. Desta forma, o nível de 2% de anidrido foi adotado para a
fabricação dos compósitos.
40
5% Anidrido Maleico 2% Anidrido Maleico Resina Epóxi Pura
35
30
25
20
15
10
5
0
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24
Deformação [mm/mm]
Figura 4.3 - Efeito da adição de anidrido maléico na resina epóxi sob esforços de
tração.
9090
Den
sid
ad
e (
g/c
m3)
Po
rce
nta
gem
%
4.1.2.2 Propriedades das matrizes definitivas de resina epóxi pura e modificada
Os valores médios das propriedades físicas densidade, porosidade e absorção de
água, determinadas por meio do princípio de Arquimedes para as matrizes de resina
epóxi tanto pura quanto modificadas com anidrido maléico e micropartículas de sílica
podem ser observadas na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 - Propriedades físicas das matrizes de resina epóxi.
Formulação
Densidade
Volumétrica
Densidade
Aparente
Porosidade
Aparente
Absorção
de água
(g/cm3) (g/cm
3) (%) (%)
Epóxi Pura 1,16 (±0,01) 1,16 (±0,00) 0,30 (±0,07) 0,26 (±0,06)
2% AM
1,15 (±0,00)
1,15 (±0,00)
0,30 (±0,06)
0,26 (±0,06)
20% sílica
1,28 (±0,01)
1,28 (±0,01)
0,30 (±0,06)
0,24 (±0,05)
2% AM + 20% sílica
1,26 (±0,01)
1,27 (±0,00)
0,33 (±0,07)
0,26 (±0,05)
33% sílica
1,34 (±0,03)
1,34 (±0,02)
0,29 (±0,07)
0,22 (±0,05)
2% AM + 33% sílica
1,35 (±0,01)
1,35 (±0,01)
0,33 (±0,07)
0,25 (±0,05)
A Figura 4.4 exibe os gráficos em colunas com as barras de erro representando
os desvios padrão para as propriedades listadas na Tabela 4.2.
1,4
1,35
1,3
1,25
1,2
1,15
Volumétrica Apare nte 0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
Porosidade Absorçã o de água
1,1
1,05
1
Epóxi Pura 2% AM 20% s ílica 2% AM +
20% s ílica
Formulação
33% s ílica 2% AM +
33% sílica
0,1
0,05
0
Epóxi Pura 2% AM 20% s ílica 2% AM +
20% s ílica
Formulação
33% s ílica 2% AM +
33% s ílica
(a) (b)
Figura 4.4 - Gráficos da densidade volumétrica e aparente (a) e porosidade aparente e
absorção de água das matrizes (b).
9191
(GPa)
Epóxi Pura 26,95 (±2,72) 0,83 (±0,05) 39,51 (±2,09) 0,751 (±0,210)
2% AM
35,73 (±0,87)
0,81 (±0,03)
44,96 (±2,37)
0,989 (±0,080)
20% sílica
26,26 (±1,36)
0,95 (±0,03)
44,00 (±3,15)
0,891 (±0,250)
2% AM + 20% sílica
19,76 (±2,08)
0,72 (±0,08)
33,41 (±3,93)
1,19 (±0,040)
33% sílica
22,54 (±2,64)
1,10 (±0,07)
44,11 (±4,42)
1,475 (±0,290)
2% AM + 33% sílica
27,33 (±0,91)
1,21 (±0,16)
24,00 (±2,84)
0,725 (±0,050)
Os dados da Tabela 4.2 e os gráficos da Figura 4.4a e 4.4b revelam que o
anidrido maléico não exerceu influência significativa nas propriedades físicas da matriz,
o que pode ser atribuído ao baixo percentual de anidrido e à proximidade nos valores
de densidade entre a resina (1,16 g/cm3) e o anidrido (1,47 g/cm
3), respectivamente.
Em relação à adição das partículas de sílica, os resultados do ensaio de
Arquimedes apontam acréscimo das densidades volumétrica e aparente, devido ao alto
percentual de partículas utilizado e à alta densidade da sílica (2,2 g/cm3), conforme
pode ser verificado na Figura 4.4a. Os resultados revelam também a baixa porosidade
e absorção de água da matriz tanto pura quanto modificada. Devido à ausência de
porosidade, os valores de densidade aparente e volumétrica são equivalentes.
A Tabela 4.3 exibe os resultados dos ensaios de tração e flexão; realizados em
corpos de prova fabricados com as matrizes investigadas neste trabalho.
Tabela 4.3 - Propriedades mecânicas das matrizes de resina epóxi.
Formulação
Resist. à tração
(MPa)
Mód. de
Elasticidade
Resist. à flexão
(MPa)
Mód. de Flexão
(GPa)
As Figuras 4.5a e 4.5b exibem os gráficos de barra com respectivos erros para as
resistências e módulos de elasticidade em tração e flexão, respectivamente.
9292
Resis
tên
cia
(M
Pa)
Mó
du
lo (
GP
a)
60 Resistência à Tração Resistência à Flexão
50
40
30
20
10
0
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Módulo em tração Módulo em Flexão
Epóxi Pur a 2% AM 20% s ílica 2% AM +
20% s ílica
33% s ílica 2% AM +
33% s ílica
Epóxi Pur a 2% AM 20% s ílica 2% AM +
20% s ílica
33% s ílica 2% AM +
33% s ílica
Formulação Formulação
(a) (b)
Figura 4.5 - Gráficos da Resistência à tração (a) e módulo de elasticidade das matrizes
(b).
Os dados mostrados na Tabela 4.3 e na Figura 4.5a e 4.5b exibem o aumento da
resistência à tração com a inserção do anidrido maléico, em relação à resina epóxi
pura, sendo observada uma pequena redução do módulo de elasticidade. Para o nível
de 20% de adição de sílica, o aditivo químico diminuiu a resistência e o módulo de
elasticidade do material, sob esforços de tração. Contudo, para o nível mais alto de
adição de micropartículas de sílica (33%), os resultados apontaram uma interação entre
a sílica e o anidrido maléico aumentando os valores de resistência mecânica e módulo
de elasticidade. A Figura 4.6 mostra os gráficos tensão/deformação típicos, exibindo as
variações do módulo de elasticidade da matriz. Pode-se observar na Figura 4.6 o
aumento da tenacidade das matrizes com a adição do anidrido maléico, exceto para a
matriz contendo 33% de sílica.
Com relação à adição de micropartículas de sílica, verificou-se a redução da
resistência mecânica e o aumento do módulo elástico da matriz entre os níveis de 0%,
20% e 33%. O aumento do módulo de elasticidade pode ser atribuído principalmente à
alta rigidez da sílica incorporada na resina epóxi.
9393
Figura 4.6 - Gráfico tensão versus deformação para as matrizes poliméricas sob
esforços de tração.
Os resultados obtidos no ensaio de flexão mostrados na Tabela 4.3 e na Figura
4.5a e 4.5b revelam o aumento da resistência mecânica da resina epóxi com a adição
de 2% de anidrido maléico. Contudo, a inserção de maior conteúdo de micropartículas
de sílica (33%) na resina inibiu o efeito positivo do anidrido sobre a resistência e
módulo de elasticidade (ver Figura 4.5a e 4.5b), onde a redução dessas propriedades
pode ser observada.
A Figura 4.7 exibe o gráfico tensão/deformação para as matrizes em ensaio de
flexão em três pontos. As curvas da Figura 4.7 foram obtidas em função dos gráficos
de força/deslocamento seguindo as recomendações da norma ASTM D790 (2007). Os
dados da Tabela 4.3 e a variação da inclinação das curvas exibidas na Figura 4.7
exibem o aumento do módulo de elasticidade das matrizes com a adição de
micropartículas de sílica, o que pode ser atribuído à alta rigidez do mineral cerâmico
particulado. Pode-se verificar também pelas curvas da Figura 4.7 que a tenacidade das
9494
Te
ns
ão
[M
Pa
]
matrizes com partículas de sílica foi aumentada com a adição de anidrido maléico,
embora a resistência e o módulo de elasticidade tenham diminuído.
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0 0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,07 0,16 0,23 0,30 0,37
Deformação [mm/mm]
Epóxi pura 20% Sílica 2%Anidrido + 20% Sílica 33% Sílica 2% Anidrido + 33% Sílica 2% Anidrido
Figura 4.7 - Gráfico tensão versus deformação para as matrizes poliméricas sob
esforços de flexão.
Comparando-se os ensaios de tração e flexão observa-se um comportamento
divergente entre os resultados obtidos para as matrizes fabricadas com 33% de sílica e
2% de anidrido. Enquanto a resistência e o módulo de elasticidade em tração foram
aumentados com a inserção do anidrido, os mesmos em flexão diminuíram. Tal
diferença pode ser atribuída aos esforços de compressão gerados na parte superior
dos corpos de prova durante o ensaio de flexão.
4.2 Ensaios mecânicos nos compósitos
A Tabela 4.4 apresenta os resultados da Análise de Variância (ANOVA) realizada
no software Minitab para as médias das variáveis respostas investigadas para os
compósitos.
9595
ais Tração Tração Flexão
Flexão Vol. AP.
A
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
B
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,341
0,000
0,000
0,773 0,000 0,000 0,308
0,334
0,037
0,000
0,186
0,100
0,391
0,355
0,046
0,137
0,697
0,555
0,065
0,954
0,064
91,63% 92,38%
91,67%
94,43%
93,26%
93,11%
93,67%
Inte
raçã
o d
e
Fa
tore
s
Fa
tore
s
Pri
nc
ipa
is
Tabela 4.4 - Análise de Variância (ANOVA)
ANOVA P-valor ≤ 0,05
Fatores
Experiment
Resist. Mód.
Elast.
Resist. Mód.
Elast.
Densidade
Densidade Porosidade
Ap.
Ab. Água
C 0,000 0,000 0,042 0,050
D 0,352 0,419 0,000 0,000 0,616 0,004 0,000 0,000
AB
0,002
0,145 0,000
0,732 0,026 0,001 0,000 0,189
0,013 0,239 0,000 0,259 0,944
0,027 0,823 0,012 0,118 0,302
0,028 0,321 0,005 0,014 0,020
0,016 0,696 0,000 0,636 0,937
0,005 0,172 0,012 0,294 0,733
0,024 0,083 0,009 0,060 0,099
0,546 0,127 0,001 0,571 0,551
0,409 0,749 0,034 0,149 0,477
AC
0,007
0,001 0,009
AD
0,898
0,706 0,000
BC
0,268
0,211 0,033
BD
0,036
0,497 0,004
CD
0,000
0,053 0,583
ABC
0,146
0,573 0,197
ABD
0,792
0,862 0,138
ACD
0,005
0,690 0,545
BCD 0,896
ABCD 0,087
R2
(ajustado) 93,4%
Os fatores principais designados pelas letras A, B, C e D na Tabela 4.4
representam, respectivamente a influência dos fatores experimentais Tipo de fibra
vegetal (A), Fração volumétrica de fibras (B), Adição de micro partículas de sílica (C) e
Adição de anidrido maléico (D) na composição final do compósito. A designação
9696
formada pela composição das letras representa os efeitos de interação, por exemplo, o
conjunto ABCD representa o efeito da interação entre os fatores Tipo de fibra*Fração
volumétrica*Adição de micro partículas*Adição de anidrido maléico sobre a média das
variáveis de interesse.
Os fatores relacionados a P-valor menor ou igual a 0,05 (95% de confiabilidade)
são considerados significativos (WERKEMA e AGUIAR, 1996), sendo seus efeitos
mostrados nos gráficos de “efeitos principais” e de “interações”. Quando uma interação
de ordem superior é significativa, os efeitos principais não são avaliados
individualmente. Os gráficos de “efeitos principais” são usados para comparar as
variações no nível da média, investigando quais fatores possuem efeito significativo
sobre a variável-resposta. Gráficos de interações são usados para visualização do
efeito de interação de dois ou mais fatores experimentais sobre a variável resposta e
comparar a significância relativa entre os efeitos (WERKEMA e AGUIAR, 1996).
O valor de R2
exibido na ANOVA mede a proporção da variabilidade preditora
presente na equação de regressão. Quanto mais próximo de 1 (ou de 100%) melhor a
qualidade da equação ajustada aos dados, de acordo com Werkema e Aguiar (1996).
4.2.1 Resistência à tração
Os valores de resistência à tração dos compósitos variaram de 60 MPa a 170,50
MPa. Os fatores principais Tipo de fibra (A), Fração volumétrica (B) e Adição de sílica
(C) foram significativos, exibindo P-valor nulo (ver tabela 4.4). As interações Tipo de
fibra*Fração volumétrica (AB), Fração volumétrica*Adição de anidrido (BD), e Tipo de
fibra*Adição de sílica* Adição de anidrido (ACD) foram também significativas,
apresentando (Tabela 4.4) P-valores de 0,002; 0,036; e 0,005; respectivamente.
O valor de R2
exibido na Tabela 4.4 mostra a boa correlação dos dados obtidos
para a variável resposta resistência à tração dos compósitos. A Figura 4.8 exibe o
gráfico 4 em 1 dos resíduos de probabilidade normal para a resistência à tração dos
compósitos. Conforme abordado na seção 2.9.3 da Revisão bibliográfica, de modo
geral, o comportamento de resíduos mostra-se adequado às condições de normalidade
9797
(a) (b)
(c) (d)
Fre
qu
ên
cia
P
orc
en
tag
em
Re
síd
uo
s
Re
síd
uo
s
do experimento, exibindo distribuição normal com média próxima de zero (Figura 4.8a e
4.8c), variância constante (Figura 4.8b) e independência (Figura 4.8d).
Gráfico de Probabilidade normal dos resíduos Resíduos x Valores Ajustados
99
10 90
5
50 0
10
1
-10 -5 0
5 10
-5
-10
80 100
120
140
160
Resíduos Valores Aj ustados
Histograma dos Resíduos Resíduos x Ordem dos Dados
16 10
12 5
8 0
-5
4
-10
0 -12 -6 0 6 12 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Resíduos Ordem de Observ ação
Figura 4.8 - Gráficos de resíduos 4 em 1 para a resistência à tração dos compósitos.
Conforme Werkema e Aguiar (1996), somente os fatores significativos de ordem
superior devem ser analisados. Desta forma somente os efeitos de interações serão
discutidos.
A Figura 4.9 exibe o gráfico do efeito da interação entre os fatores Tipo de fibra e
Fração volumétrica (AB) sobre a média da resistência à tração dos compósitos. A
Figura 4.9 revela a redução da resistência à tração com o aumento da fração
volumétrica de fibras de 30% para 50%. A maior resistência dos compósitos fabricados
com menor fração de fibras pode ser atribuída à facilidade de molhamento das fibras,
evitando a formação de bolhas na matriz polimérica. As reduções percentuais médias
de resistência mecânica de 17,87% e 11,46% foram observadas entre os níveis de
fração de fibras (30% e 50%) de sisal e bananeira; respectivamente.
9898
Mé
dia
da
Re
sis
tên
cia
à t
ração
(M
Pa)
Mé
dia
da R
esis
tên
cia
à T
ração
(M
Pa)
150
140
130
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
120
110
100
90
80
70
39,33 %
30%
34,59 %
50%
Fração Volumétrica (%)
Figura 4.9 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica (AB) sobre a média da
resistência à tração dos compósitos.
A Figura 4.10 exibe o gráfico do efeito da interação Fração volumétrica de
fibras*Adição de anidrido maléico (BD) sobre a média da resistência à tração dos
compósitos. Um aumento da resistência à tração (2,4%) foi verificado com a adição do
aditivo químico nos compósitos fabricados com a fibra de sisal. O comportamento
oposto foi verificado para os compósitos com fibra de bananeira, apresentando uma
redução percentual média de 6,92% da resistência entre os teores (0% e 2%) de
anidrido presentes na matriz polimérica.
115
110
105
100
95
6,92 %
2,4 %
Fração
Volumétrica
30%
50%
0 2%
Aditivo químico (%)
Figura 4.10 - Efeito da interação Fração volumétrica*Aditivo químico (BD) sobre a
média da resistência à tração dos compósitos.
9999
O efeito da interação de terceira ordem Tipo de fibra*Adição de sílica*Aditivo
químico (ACD) sobre a média da resistência à tração dos compósitos é mostrado na
Figura 4.11. A Figura 4.11a mostra a redução da resistência mecânica com a adição de
micro partículas de sílica no compósito. Pode ser observado também o efeito do tipo de
fibra empregada como reforço nos compósitos sobre o efeito da adição de sílica. O
aumento do teor de particulado diminuiu a resistência à tração dos compósitos com
fibra de sisal, apresentando maior percentual de redução entre os níveis de 20% e 33%
de sílica. Já para os compósitos de fibra de bananeira, verificou-se maior redução da
resistência entre os teores de sílica na matriz de 0% e 20% e um ligeiro aumento da
resistência com o aumento da fração mássica de sílica para 33% em relação ao nível
de 20%.
0 20% 33% 0 2%
Tipo de fibra
(a) (b) 130
105
T i po de fi bra
Si sal
Bananei ra
Adição de s ílica
(c)
80
130
105
80
Adição
de
síl i ca
0
20%
33%
Aditivo quím ico
Figura 4.11 - Efeito da interação Tipo de fibra*Adição de sílica*Aditivo químico (ACD)
sobre a média da resistência à tração dos compósitos.
A Figura 4.11b exibe o efeito da interação Tipo de fibra*Aditivo químico (AD),
podendo-se notar a redução da resistência à tração dos compósitos com a inserção do
anidrido maléico no compósito. Em relação ao tipo de fibra, nota-se menor redução da
resistência para os compósitos fabricados com a fibra de bananeira.
Conforme discutido anteriormente, verifica-se no gráfico da Figura 4.11c a
variação pouco significativa da resistência mecânica entre os níveis de 20% e 33% de
sílica adicionada na matriz polimérica. Entretanto, o aditivo anidrido maléico mostrou-se
100100100
(c) (d)
Po
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Re
síd
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s
Re
síd
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s
positivo quando inserido em conjunto com micro partículas de sílica na fração mássica
de 20%. Estes resultados indicam uma possível reação entre a sílica e o anidrido
maléico melhorando as características da interface fibra/matriz/partícula e,
conseqüentemente, a resistência mecânica do material compósito.
4.2.2 Módulo de elasticidade
Os valores do módulo de elasticidade dos compósitos variaram entre 4,53 GPa e
9,46 GPa. Assim como para a resistência à tração, os fatores principais Tipo de fibra
(A), Fração volumétrica (B) e Adição de sílica (C) foram significativos apresentando
(Tabela 4.4) P-valores nulos. A interação de ordem superior Tipo de fibra*Fração
volumétrica*Adição de sílica*Aditivo químico (ABCD) exibiu efeito significativo (P-valor
de 0,046, ver Tabela 4.4).
O valor de R2
(91,6%) exibido na ANOVA demonstra boa correlação dos dados
obtidos para o módulo de elasticidade dos compósitos. O gráfico de resíduos para o
módulo de elasticidade é exibido na Figura 4.12.
Gráfico de Probabilidade Normal dos Resíduos Resíduos x Valores Ajustados
99 0,8
90 0,4
50 0,0
10 -0,4
1 -0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
-0,8
5 6
7 8 9
Resíduos Valores Aj ustados
(a) (b) Histograma dos Resíduos Resíduos x Ordem dos Dados
8 0,8
6 0,4
4 0,0
2 -0,4
0 -0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
-0,8 1 5
10 15 20
25 30 35 40 45
Resíduos Ordem de Observ ação
Figura 4.12 - Gráficos de resíduos para o módulo de elasticidade dos compósitos.
101101101
(a) (b) (c)
ração Volumétrica
(d) (e)
(f)
De modo geral, a exibição de distribuição normal com média próxima de zero
(Figura 4.12a e 4.12c), variância constante (Figura 4.12b) e independência dos
resíduos (Figura 4.12d), mostram-se adequadas às condições de normalidade do
experimento
A Figura 4.13 exibe o gráfico de efeito da interação (ABCD) entre os fatores
experimentais Tipo de fibra, Fração volumétrica, Adição de micro partículas de sílica e
Adição de anidrido maléico sobre o módulo de elasticidade dos compósitos.
30% 50% 0 20% 33% 0 2%
9,0
7,5
T i po de fibra
Si sal
Tipo de fibra Bananeira
6,0
9,0
7,5
F
6,0
Fração
Vol um étrica
30%
50%
Adição de sílica
9,0
7,5
6,0
Adi ção
de
síl ica
0
20%
33%
Aditiv o químico
Figura 4.13 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Adição de
sílica*Aditivo químico (ABCD) sobre a média do módulo de elasticidade dos
compósitos.
Diferentemente da resistência à tração, os compósitos fabricados com a fibra de
bananeira apresentaram maior desempenho que os fabricados com fibra de sisal, em
relação ao módulo de elasticidade (Figura 4.13a). Este fato pode ser atribuído ao valor
superior do módulo elástico das fibras de bananeira.
Os compósitos com maior módulo de elasticidade foram aqueles fabricados com
30% de fração volumétrica de fibras, o que pode ser atribuído à melhor condição de
molhamento das fibras pela matriz, resultando em melhor transferência de esforços e
menor volume de bolhas aprisionadas na matriz polimérica.
102102102
Os resultados plotados na Figura 4.13f, revelam a contribuição negativa da
presença de sílica na rigidez dos compósitos. Em conjunto com as fibras de bananeira,
maior redução foi observada entre os níveis 0 e 20% de micro partículas de sílica,
tendo pouca variação com o aumento da fração de 33% (Figura 4.13b). Já para as
fibras de sisal o comportamento inverso pode ser observado, ou seja, uma maior
redução entre os níveis 20% e 33% de sílica. Nota-se também na Figura 4.13d, uma
redução gradativa do módulo com o aumento da fração mássica de sílica na matriz
para os compósitos fabricados com 30% de fibras. Para a fração volumétrica de 50%
de fibras houve redução do módulo de elasticidade com a adição de 20% de sílica. No
entanto, não houve diferença significativa entre o nível intermediário e máximo de micro
partículas de sílica.
O anidrido maléico não atuou efetivamente na adesão entre fibra e matriz,
principalmente nos compósitos fabricados com 50% de fibras de bananeira, onde maior
redução do módulo de elasticidade foi observada (Figura 4.13e). Assim como para a
resistência à tração, o aditivo químico foi favorável atuando em conjunto com a sílica na
fração de 20%, exibindo um aumento do módulo de elasticidade do material, entretanto
um valor de módulo de elasticidade inferior foi obtido com a ausência de micro
partículas de sílica.
4.2.3 Resistência à flexão
No ensaio de flexão em três pontos as tensões máximas nos compósitos variaram
de 22,2 MPa a 63,1 MPa. Os resultados da análise de variância (Tabela 4.4) mostram
que os fatores principais Tipo de fibra (A), Fração volumétrica (B), Adição de sílica (C) e
Adição de anidrido maléico (D) foram significativos para esta variável resposta, exibindo
ambos os P-valores menores que 0,05. Os P-valores 0,009; 0,000 e 0,037; sublinhados
na Tabela 4.4 correspondem respectivamente às interações significativas Tipo de
fibra*Adição de sílica (AC), Tipo de fibra*anidrido maléico (AD) e Fração
volumétrica*Adição de sílica*anidrido maléico (BCD).
O valor de R2
exibido na Tabela 4.4 mostra boa correlação dos dados obtidos
para a variável resposta resistência à flexão, validando o modelo de ANOVA utilizado.
103103103
Fre
qu
ên
cia
P
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síd
uo
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síd
uo
s
O gráfico de resíduos exibido na Figura 4.14, de forma geral, apresenta distribuição
normal com média próxima de zero (Figura 4.14a e 4.12c), variância constante (Figura
4.14b) e independência dos resíduos (Figura 4.14d). Desta forma, os resíduos
mostram-se adequados às condições de normalidade do experimento.
Gráfico de Probabilidade Normal dos Resíduos Resíduos x valores ajustados
99
5,0
90 2,5
50 0,0
10
1
-5,0
-2,5
0,0
2,5
5,0
-2,5
-5,0
20
30 40 50 60
Resíduos (a)
Valores aj ustados (b)
10,0
7,5
5,0
Histograma dos resíduos Resíduos x ordem dos valores
5,0
2,5
0,0
2,5
0,0
-6
-4 -2 0 2 4 6
-2,5
-5,0
1 5
10 15
20 25 30 35
40 45
Resíduos Ordem de observ ação
(c) (d)
Figura 4.14 - Gráficos de resíduos para a resistência à flexão dos compósitos.
A Figura 4.15 exibe o efeito da interação entre os fatores Tipo de fibra e Fração
volumétrica (AB) sobre a média da resistência à flexão dos compósitos. Os compósitos
fabricados com fibras de sisal apresentaram maior resistência à flexão em comparação
com os laminados com fibras de bananeira em ambas as frações volumétricas. As
diferenças percentuais médias de 34,3% e 22,4% podem ser observadas entres os
níveis de 30% e 50% de fibras, respectivamente. Nota-se uma redução da resistência
para o maior volume de fibras no compósito (50%), sendo esta redução mais
significativa para os compósitos de fibra de sisal.
104104104
Mé d
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lex ã
o (
MP
a)
55
50
45 34,3 %
40
35
30
22,9 %
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
30%
Fraçã o Volumétrica
50%
Figura 4.15 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica (AB) sobre a média
da resistência à flexão dos compósitos.
No ensaio de flexão as tensões mais efetivas ocorrem nas fibras mais externas da
face inferior do corpo de prova. Desta forma, as propriedades da matriz polimérica
governam a resistência do compósito, ou seja, a capacidade do material resistir ao
carregamento de tração na face inferior até que a trinca seja nucleada. Assim, o
desempenho inferior dos compósitos contendo 50% de fibras pode ser explicado pela
menor quantidade de matriz na face inferior do corpo de prova, formando uma camada
polimérica mais fina. Além disso, a matriz é responsável pelo molhamento e
transferência de esforços para as fibras.
A Figura 4.16 exibe o gráfico da interação dos fatores Tipo de fibra*Adição de
sílica (AC) sobre a média da resistência à flexão dos compósitos. Embora os
compósitos fabricados com fibras de sisal apresentarem maior resistência à flexão, é
possível notar que a adição de micro partículas de sílica apresentou melhor resultado
nos compósitos com fibra de bananeira, havendo um ligeiro acréscimo da resistência
com o aumento do conteúdo de sílica adicionado na matriz polimérica.
O efeito da interação entre os fatores Tipo de fibra*Aditivo químico (AD) é exibido
na Figura 4.17. O anidrido maléico não apresentou efeito positivo em ambos os tipos
de fibras utilizados. No entanto, uma menor redução da resistência à flexão foi
observada nos compósitos fabricados com as fibras de bananeira.
105105105
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50
45
40 35,5 %
35
30
0
20%
Adição de sílica
23,2 %
33%
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Figura 4.16 - Efeito da interação Tipo de fibra*Adição de sílica (AC) sobre a média da
resistência à flexão dos compósitos.
50
45
35,9 %
40
35
30
0
Aditivo químico
21,9 %
2%
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Figura 4.17 - Efeito da interação Tipo de fibra*Aditivo Químico (AD) sobre a média da
resistência à flexão dos compósitos.
A Figura 4.18 exibe os efeitos da interação de terceira ordem Fração
volumétrica*Adição de sílica*Aditivo químico (BCD) sobre a média da resistência à
flexão dos compósitos. Para os compósitos fabricados com 20% de micro partículas de
sílica um comportamento divergente pode ser observado entre as frações volumétricas
de 30% e 50% (Figura 4.18a). Para o nível baixo da fração de fibras um ligeiro aumento
da resistência pode ser observado enquanto uma redução foi enunciada no nível 50%
de fibras (Figura 4.18a). A Figura 4.18b exibe uma menor redução da resistência
106106106
(a) (b)
(c)
ocasionada pela adição do anidrido maléico na resina para o nível mais alto de fibras
(50%) (Figura 4.18b). A interação entre a Adição de sílica e o anidrido maléico revela
uma menor redução da resistência à flexão com a adição de 20% de micro partículas
na presença do aditivo químico (Figura 4.18c). Assim, estes resultados revelam um
melhor efeito do anidrido maléico sobre a interface matriz/partícula do que sobre a
interface matriz/fibra.
Fração Volumétrica
0 20% 33% 0 2%
50
Fração
Volumétrica
40 30%
50%
Adição de sílica
30
50
Adição
de
40 sílica
0
20%
30 33%
Aditivo químico
Figura 4.18 - Efeito da interação Fração volumétrica*Adição de sílica*Aditivo Químico
(BCD) sobre a média da resistência à flexão dos compósitos.
4.2.4 Módulo de elasticidade em flexão
Os valores dos módulos de elasticidade dos compósitos em flexão variaram de
1,3 GPa a 3,8 GPa. A partir dos dados da Tabela 4.4, todos os fatores principais
apresentaram efeitos significativos sobre o módulo de flexão, exibindo P-valores
menores ou iguais a 0,05; ou seja, atendendo a um nível de significância de 95%. As
interações entre os fatores Tipo de fibra*Aditivo químico, Tipo de fibra*Fração
volumétrica*Adição de sílica e Fração volumétrica*Adição de sílica*Aditivo químico
exibiram efeito significativo, apresentando P-valores de 0,027; 0,024 e 0,000;
respectivamente (ver Tabela 4.4).
107107107
0,4 3,5
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cia
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s
Re
síd
uo
s
O valor de 91,67% encontrado para o R2
mostra uma boa correlação da equação
preditora para o módulo elástico. Os pontos distribuídos ao longo da reta no gráfico de
probabilidade normal exibido na Figura 4.19a atendem às condições de normalidade
exigidas para a realização do modelo de ANOVA adotado. O Padrão aleatório do
gráfico exibido na Figura 4.19b indica variância constante dos resultados do ensaio de
flexão para a variável resposta módulo de elasticidade. O histograma de resíduos
exibido na Figura 4.19c exibe a distribuição normal dos resíduos com média próxima de
zero. A Figura 4.19d não exibe evidência de dependência entre os termos dos
resíduos.
Gráfico de probabilidade normal dos resíduos Resíduos x valores ajustados
99 0,30
90 0,15
50 0,00
10 -0,15
1 -0,4
-0,2
0,0
0,2
-0,30
1,5
2,0
2,5
3,0
Resíduos (a) Valores aj ustados (b)
Histograma dos resíduos Resíduos x Ordem dos valores
8 0,30
6 0,15
4 0,00
2 -0,15
0 -0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
-0,30 1 5
10 15 20
25 30
35 40 45
Resíduos (c)
Ordem de observ ação (d)
Figura 4.19 - Gráficos de resíduos para o módulo de elasticidade em flexão dos
compósitos.
A Figura 4.20 exibe o efeito da interação entre os fatores Tipo de fibra e Aditivo
químico (AD) sobre a média do módulo de elasticidade dos compósitos. Em ambos os
compósitos de fibra de sisal e bananeira o anidrido maléico não apresentou melhora
significativa da interface matriz/fibra reduzindo o módulo de elasticidade dos
compósitos. Tal como para a resistência à flexão, menor redução do módulo elástico foi
observada entre os níveis 0% e 2% de anidrido maléico nos compósitos fabricados com
as fibras de bananeira.
108108108
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3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
19,2 %
0
Aditivo químico
31,5 %
2%
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Figura 4.20 - Efeito da interação Tipo de fibra*Aditivo Químico (AD) sobre a média do
módulo de flexão dos compósitos.
Assim como para o módulo de elasticidade obtido no ensaio de tração, os valores
do módulo de flexão dos compósitos fabricados com fibras de bananeira foram
superiores aos dos compósitos fabricados com fibras de sisal. Este fato pode ser
atribuído à maior rigidez das fibras de bananeira em comparação com o sisal.
A Figura 4.21 mostra o efeito exercido pela interação entre os fatores Tipo de
fibra, Fração volumétrica e Adição de micro partículas de sílica (ABC) sobre o módulo
de flexão. A adição de micro partículas de sílica apresentou efeito divergente entre os
compósitos de fibras de sisal e bananeira. Enquanto a rigidez dos compósitos de
bananeira diminuiu gradativamente com a adição de sílica, a rigidez dos compósitos
com fibra de sisal apresentou um ligeiro acréscimo com a inserção da sílica,
principalmente para o nível de 20% (Figura 4.21b). A inserção de micro partículas de
sílica na matriz polimérica de resina epóxi proporciona o aumento na rigidez da mesma,
devido à alta rigidez do material cerâmico particulado. Dessa forma, os compósitos
fabricados com maior quantidade de matriz (70%) apresentaram maiores valores do
módulo de elasticidade (Figura 4.21a), principalmente aqueles com 20% de sílica
adicionada (Figura 4.21c).
109109109
30% 50% 0 20% 33%
Tipo de fibra
Fração Volumétrica
(a) (b)
(c)
3,0
2,5
2,0
3,0
2,5
2,0
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Fração
Volumétrica
30%
50%
Adição de sílica
Figura 4.21 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Adição de sílica
(ABC) sobre a média do módulo de flexão dos compósitos.
A interação significativa entre os fatores Fração volumétrica, Adição de sílica e
Adição de anidrido maléico (BCD) está apresentada na Figura 4.22. A Figura 4.22a
exibe um pequeno acréscimo do módulo de elasticidade com a adição de 20% de micro
partículas de sílica nos compósitos fabricados com 30% de fração volumétrica de
fibras. No nível mais alto de fração de fibras, a redução do módulo de elasticidade pode
ser observada, sendo maior entre os níveis de 0% e 20% de adição de sílica. Assim
como observado para a resistência à flexão, o efeito do aditivo químico na resina epóxi
foi mais evidente nos compósitos fabricados com 30% de fibras, onde maior queda na
rigidez foi apresentada (Figura 4.22b). O efeito negativo mais evidente do aditivo
químico também pode ser observado nos compósitos contendo 33% de micro
partículas de sílica na matriz, devido à queda abrupta do módulo de elasticidade
mostrada na Figura 4.22c. Para o nível de 20% de sílica a queda apresentada é
equivalente a da matriz pura com a adição do anidrido maléico.
110110110
0 20% 33% 0 2%
Fração Volumétrica
Adição de sílica
(a) (b)
(c)
3,0
2,5
2,0
3,0
2,5
Fração
Vol um étri ca
30%
50%
Adi ção
de
síl i ca
0
2,0
20%
33%
Aditivo químico
Figura 4.22 - Efeito da interação Fração volumétrica*Adição de sílica*Aditivo químico
(BCD) sobre a média do módulo de flexão dos compósitos.
4.2.5 Densidade volumétrica
A densidade volumétrica dos compósitos variou entre 0,4 g/cm3
e 1,2 g/cm3. Os
fatores principais Tipo de fibra (A), Fração volumétrica (B) e a interação Tipo de
fibra*Fração volumétrica (AB) apresentaram efeito significativo com P-valores de 0,000;
0,000 e 0,026; respectivamente.
O valor de R2
de 94,43% garante a qualidade de ajuste do modelo para os dados
de densidade volumétrica. A distribuição dos dados nos gráficos de resíduos exibidos
na Figura 4.23 validam a análise de variância realizada, devido a exibição de
distribuição normal com média próxima de zero (Figura 4.23a e 4.23c), exibição de
variância constante (Figura 4.23b) e independência (Figura 4.23d).
A Figura 4.24 exibe o efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica (AB)
sobre a média da densidade volumétrica dos compósitos. A redução da densidade
pode ser observada entre os níveis de 30% e 50% de fração volumétrica tanto de fibras
de sisal quanto de bananeira. Essa redução pode ser atribuída ao aumento da
porosidade dos compósitos com o aumento da fração volumétrica de fibras. Devido à
111111111
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maior densidade das fibras de sisal os compósitos fabricados com tais fibras
apresentaram maior densidade que as lâminas compósitas fabricadas com fibras de
bananeira.
Gráfico de probabilidade normal dos resíduos Resíduos x Valores ajustados
99 0,08
90 0,04
50 0,00
10 -0,04
1 -0,10
-0,05
0,00
Resíduos
0,05
0,10
(a)
-0,08
0,4
0,6
0,8
Valores aj ustados
1,0
1,2
(b) Histograma dos resíduos Resíduos x Ordem dos valores
0,08
8
0,04
6
0,00 4
2 -0,04
0
-0,06
-0,03
0,00
0,03
0,06
-0,08
1 5
10 15 20
25 30
35 40 45
Resíduos Ordem de observ ação
(c) (d)
Figura 4.23 - Gráficos de resíduos para a densidade volumétrica dos compósitos.
1,1
1,0
0,9
0,8
26,5 %
28 %
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
0,7
0,6
30 %
0,5
30%
Fração Volumétrica
50%
Figura 4.24 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica sobre a média da
densidade volumétrica dos compósitos.
4.2.6 Densidade Aparente
Os valores de densidade aparente obtidos pelo método de Arquimedes para os
compósitos variaram de 1,04 g/cm3
a 1,46 g/cm3. Os fatores principais Tipo de fibra (A),
Adição de sílica (C) e Aditivo químico (D) exerceram efeito significativo sobre a
112112112
(a) (b)
(c) (d)
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P
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Re
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s
densidade aparente, conforme pode ser observado pelos valores do P-valor, exibido na
Tabela 4.4, inferior a 0,05. As interações Tipo de fibra*Fração volumétrica*Adição de
sílica (ABC), Tipo de fibra*Fração volumétrica*Aditivo químico (ABD) e Tipo de
fibra*Adição de sílica*Aditivo químico (ACD) foram também significativas.
O valor de R2
exibido na Tabela 4.4 para a densidade aparente revela um
adequado ajuste dos dados obtidos para esta variável-resposta. O comportamento dos
resíduos (ver Figura 4.25) mostra-se adequado às condições de normalidade do
experimento de determinação da densidade volumétrica, podendo ser observados
distribuição normal com média próxima de zero (Figuras 4.25a e 4.25c), variância
constante (Figura 4.25b) e independência dos resultados (Figura 4.25d).
Gráfico de probabilidade normal dos resíduos Resíduos x Valores ajustados
99
0,050
90 0,025
50 0,000
10
1
-0,050
-0,025
0,000
0,025
0,050
-0,025
-0,050
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
Resíduos Valores aj ustados
Histograma dos resíduos Resíduos x Ordem dos valores
12 0,050
9 0,025
6 0,000
3
0
-0,04
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
-0,025
-0,050
1 5
10 15
20 25 30
35 40 45
Resíduos Ordem de observ ação
Figura 4.25 - Gráficos de resíduos para a densidade aparente dos compósitos.
A Figura 4.26 exibe o gráfico do efeito da interação entre os fatores Tipo de fibra,
Fração volumétrica e Adição de sílica (ABC) sobre a densidade aparente dos
compósitos. A interação entre Tipo de fibra e Fração volumétrica revela um aumento da
densidade aparente entre os níveis de 30% e 50% de fibras para os compósitos
fabricados com fibras de sisal. O comportamento inverso, entretanto, foi observado
para os compósitos fabricados com fibras de bananeira, ou seja, uma redução da
densidade ocorreu entre os níveis baixo e alto de fibras no compósito (Figura 26a). A
113113113
adição de sílica nos compósitos aumentou gradativamente a densidade aparente dos
compósitos fabricados com fibras de sisal. Entretanto, nos compósitos com fibras de
bananeira a adição de sílica aumentou significativamente a densidade aparente, mas
não foi observada diferença significativa entre os níveis de 20% e 33% (Figura 4.26b).
As partículas de sílica aumentaram a densidade dos compósitos para ambos os níveis
de 30% e 50% de fibras, sendo observado um acréscimo maior entre os níveis de 0% e
20% de sílica (Figura 4.26c). Pode ser observado na Figura 4.26c que sem a adição de
sílica, os compósitos fabricados com 30% de fibras apresentaram densidade aparente
inferior aos compósitos fabricados com fração volumétrica de 50%.
30% 50% 0 20% 33%
Tipo de fibra
(a) (b) 1,35
1,25
1,15
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Fração Volumétri ca
(c)
1,35
1,25
1,15
Fração
Volumétrica
30%
50%
Adição de síl ica
Figura 4.26 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Adição de sílica
(ABC) sobre a média da densidade aparente dos compósitos.
A Figura 4.27 exibe o gráfico do efeito da interação Tipo de fibra*Fração
volumétrica*Aditivo químico (ABD) sobre a densidade aparente dos compósitos. Os
gráficos da Figura 4.27b revelam que a adição do anidrido maléico na resina epóxi
promoveu o aumento da densidade aparente dos compósitos, principalmente nos
compósitos fabricados com fibras de bananeira. Nos compósitos fabricados com 30%
de fibras, o anidrido maléico foi responsável por uma ligeira queda da densidade, ao
passo que na fração de 50% de fibras foi obtido um aumento expressivo da densidade
com a inserção do anidrido (ver Figura 4.27c).
114114114
30% 50% 0 2%
1, 36
Tipo de fibra
(a) (b) 1, 28
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Fração Volumétrica
(c)
1, 20
1, 36
1, 28
1, 20
Fração
Volumétrica
30%
50%
Adi tivo quí mico
Figura 4.27 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica*Aditivo químico
(ABD) sobre a média da densidade aparente dos compósitos.
A interação Tipo de fibra*Adição de sílica*Aditivo químico (ACD) tem seu efeito
representado nos gráficos exibidos na Figura 4.28. Pode ser observado que os maiores
valores de densidade aparente foram obtidos para os compósitos fabricados com a
adição de 2% de anidrido maléico e 33% de sílica na matriz polimérica (Figura 4.28c).
Além disso, pode ser notado que o anidrido maléico foi responsável pelo aumento da
densidade quando adicionado em conjunto com micro partículas de sílica. Nos
compósitos fabricados sem a presença de partículas na matriz, o anidrido promoveu
uma pequena redução nos valores de densidade aparente dos compósitos.
115115115
0 20% 33% 0 2%
Tipo de fibra
(a) (b) 1,35
1,25
1,15
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Adição de síl ica
(c) 1,35
1,25
1,15
Adição
de
sílica
0
20%
33%
Aditivo quí mico
Figura 4.28 - Efeito da interação Tipo de fibra*Adição de sílica*Aditivo químico (ACD)
sobre a média da densidade aparente dos compósitos.
4.2.7 Porosidade Aparente
A porosidade aparente média dos compósitos poliméricos reforçados por fibras
unidirecionais de sisal e bananeira variou entre 17,9% e 42,5%. Todos os fatores
experimentais principais analisados apresentaram efeito significativo sobre a
porosidade aparente dos compósitos, exibindo ambos P-valor nulo (ver Tabela 4.4). As
interações Tipo de fibra*Fração volumétrica (AB) e Fração volumétrica*Adição de sílica
(BC) também exibiram efeito significativo com P-valores de 0,000 e 0,014;
respectivamente.
Os pontos distribuídos ao longo da reta no gráfico de probabilidade normal da
Figura 4.29 e o valor de 93,1% obtido para o R2
exibido na Tabela 4.4 garantem,
respectivamente, as condições de normalidade e ajuste adequado de dados para a
variável-resposta porosidade aparente dos compósitos. Pode-se notar no gráfico da
Figura 4.29c uma distribuição normal dos resíduos com média próxima de zero. A
variância constante e independência dos resultados podem ser observadas nos
gráficos das Figuras 4.29b e 4.29d, respectivamente.
116116116
s
res
Fre
qu
en
cia
P
orc
en
tag
em
Mé
dia
d
a p
oro
sid
ad
e
ap
a r
en
te
Re
síd
uo
s
Re
síd
uo
s
Gráfico de probabilidade normal dos resíduos Resíduos x Valores ajustados
99
2
90 1
50 0
10
1
-3,0
-1,5
0,0
1,5
3,0
-1
-2
20 25 30
35 40
Resíduos Valores aj ustados
(a) (b) Histograma de resíduo Resíduos x Ordem dos valo
12 2
9 1
6 0
3
0
-2 -1 0 1 2
-1
-2
1 5 10
15 20 25
30 35
40 45
Resíduos Ordem de observ ação
(c) (d) Figura 4.29 - Gráficos de resíduos para a porosidade aparente dos compósitos.
O efeito principal do fator aditivo químico é exibido na Figura 4.30. Um aumento
percentual médio de 7,3% pode ser observado entre os níveis 0% e 2% de adição do
anidrido maléico.
31,5
31,0
30,5
30,0
29,5
29,0
7,30 %
0 2%
Aditivo químico
Figura 4.30 - Efeito do fator principal Aditivo químico (D) sobre a média da porosidade
aparente dos compósitos.
O efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica (AB) exibido na Figura 4.31
revela o aumento da porosidade em função do aumento da fração de fibras,
principalmente para as fibras de sisal. Este aumento de porosidade pode ser atribuído
117117117
Mé
dia
da P
oro
sid
ad
e A
pa
ren
te (
%)
à menor quantidade de matriz nos compósitos fabricados com 50% de fibras, uma vez
que a matriz polimérica é a responsável pelo molhamento, distribuição de esforços para
as fibras e acabamento superficial. Os compósitos que apresentaram maiores valores
de porosidade correspondem aqueles fabricados com 50% de fibras de bananeira,
enquanto os de menor porosidade são os compósitos fabricados com fração
volumétrica de 30% de fibras de sisal.
38
36
34
32
30
28
26 31,5 %
24
22
20
30%
Fração Volumétrica
9,6 %
50%
Tipo de fibra
Sisal
Bananeira
Figura 4.31 - Efeito da interação Tipo de fibra*Fração volumétrica (AB) sobre a média
da porosidade aparente dos compósitos.
O efeito da interação Fração de fibras*Adição de sílica (BC) sobre a porosidade
aparente dos compósitos é mostrado na Figura 4.32. Assim como apresentado na
Figura 4.31, os compósitos fabricados com maior quantidade de fibras (50%)
apresentaram maiores valores de porosidade aparente. As diferenças percentuais
médias de 22,4%, 25,6% e 30% entre os níveis de 0%, 20% e 33% de sílica
adicionada, respectivamente, podem ser observados para os compósitos fabricados
com 30% e 50% de fibras.
A adição de micro partículas de sílica na matriz polimérica resultou em aumento
da porosidade aparente, principalmente nos compósitos fabricados com 50% de fibras.
Este fato pode ser atribuído também a menor quantidade de matriz nesses compósitos
em que uma maior influência das partículas pode ter ocorrido.
118118118
Mé
dia
d
a p
oro
sid
ad
e a
pa
ren
te
(%)
37,5
35,0
Fraç ão
Volumétric a
30%
50%
32,5
30,0
27,5
25,0
22,4 %
25,6 %
30 %
0 20%
Adiçã o de sílica
33%
Figura 4.32 - Efeito da interação Fração de fibras*Adição de sílica (BC) sobre a média
da porosidade aparente dos compósitos.
4.2.8 Absorção de água
Os compósitos reforçados por fibras naturais estudados apresentaram valores de
absorção de água variando entre 16,6% a 57,2%. O P-valor nulo exibido na análise de
variância (Tabela 4.4) indica que os fatores principais Tipo de fibra (A), Fração
volumétrica (B) e Aditivo químico (C) exerceram influência significativa sobre a
absorção de água dos compósitos. O fator principal Adição de sílica (C) não
apresentou, individualmente, efeito significativo; entretanto, a interação com o fator
Fração volumétrica (B) apresentou-se significativa (P-valor = 0,020).
A Figura 4.33 exibe o gráfico 4 em 1 dos resíduos obtidos na ANOVA para a
variável-resposta absorção de água, demonstrando adequadas condições de
distribuição normal (Figuras 4.33a e 4.33c), variância constante (Figura 4.33b) e
independência dos resíduos (Figura 4.33d). O valor de R2
(93,67%) reportado na
Tabela 4.4 demonstra que a qualidade do ajuste do modelo foi satisfatório para esta
variável-resposta.
O efeito do tipo de fibra vegetal utilizada para a produção dos compósitos é
mostrado na Figura 4.34. Os compósitos fabricados com fibras de bananeira
apresentam absorção de água superior aos de fibra de sisal, podendo ser observada a
diferença percentual média de 35%. Este comportamento indica que os compósitos
119119119
Fre
qu
en
cia
P
orc
en
tag
em
Mé
dia
da
Ab
sorç
ão
de á
gu
a (
%)
Re
síd
uo
s
Re
síd
uo
s
fabricados com fibra de bananeira sofrerão degradação por umidade antes daqueles
fabricados com fibras de sisal.
Gráfico de probabilidade normal dos resíduos Resíduos x Valores ajustados
99 4
90
2
50 0
10 -2
1
-5,0
-2,5
0,0
2,5
-4
5,0 20
30 40 50
Resíduos (a) Valores aj ustados (b)
Histograma dos resíduos Resíduos x Ordem dos valores
12 4
9 2
6 0
3 -2
0
-3,2
-1,6
0,0
1,6
3,2
-4
1 5 10 15
20 25
30 35
40 45
Resíduos (c) Ordem de observ ação (d)
Figura 4.33 - Gráficos de resíduos para a absorção de água dos compósitos.
45
40
35 %
35
30
Sisal Tipo de fibra
Bananeira
Figura 4.34 - Efeito do Tipo de fibra (A) sobre a média da absorção de água dos
compósitos.
O aumento percentual de 10,6% da absorção de água dos compósitos pode ser
observado no gráfico de efeito principal do fator Aditivo químico exibido na Figura 4.35.
Embora o anidrido maléico tenha aumentado o módulo de elasticidade dos compósitos,
o mesmo é prejudicial quanto à absorção de umidade e por sua vez indicando uma
degradação prematura dos compósitos.
120120120
Mé
dia
da
Ab
so
rçã
o d
e á
gu
a (
%)
Mé
dia
da
Ab
sorç
ã o
de á
gu
a (%
)
37
36
10,6 %
35
34
33
0 2%
Aditivo químico
Figura 4.35 - Efeito do Aditivo químico sobre a média da absorção de água dos
compósitos.
O efeito da interação entre os fatores Fração volumétrica e Adição de sílica pode
ser observado na Figura 4.36. Para o nível mais baixo de fibras naturais (30%) a adição
de partículas de sílica promoveu uma queda da absorção de água dos compósitos.
Entretanto o aumento da absorção de água foi observado para o nível alto de fração de
fibras (50%).
45
40
26,9 % 35
30
36 %
39 %
Fração
Volumétrica
30%
50%
25
0 20%
Adição de sílica
33%
Figura 4.36 - Efeito da interação Adição de sílica*Aditivo químico sobre a média da
porosidade aparente dos compósitos.
121121121
4.3 Análise micromecânica dos compósitos
A Tabela 4.5 exibe os valores dos módulos de elasticidade na direção longitudinal
das fibras obtidos experimentalmente e analiticamente por meio dos modelos de
análise micromecânica: regra da mistura e Halpin-Tsai (Equações 2.1 e 2.4,
repectivamente, exibidas na seção 2.10 da Revisão bibliográfica).
Tabela 4.5 - Propriedades mecânicas estimadas e experimentais.
Condições
experimentais
Módulo de
elasticidade
experimental
Regra da
mistura
(MPa)
Erro %
Halpin-Tsai
(MPa)
Erro
% (MPa)
C1 5722,09 5502,4 3,84 2400,04 58,06
C2 5559,53 5487 1,3 2375,9 57,26
C3 5631,96 5582,9 0,87 2526,07 55,15
C4 6158,22 5422,6 11,95 2274,82 63,06
C5 5440,33 5690 4,59 2693,27 50,49
C6 5217,41 5765,6 10,51 2810,96 46,12
C7 5912,08 8616 45,74 4923,56 16,72
C8 5029,99 8605 71,07 4902,17 2,54
C9 4978,41 8673,5 74,22 5035,14 1,14
C10 5298,55 8559 61,53 4812,64 9,17
C11 4865,96 8750 79,82 5183,07 6,52
C12 4762,36 8804 84,87 5287,1 11,02
C13 9105,00 10050,4 10,38 3769,84 58,6
C14 8650,00 10035,00 16,01 3745,51 56,7
C15 8045,00 10130,9 25,93 3896,99 51,56
C16 7685,00 9970,6 29,74 3643,72 52,59
C17 7270,00 10238,00 40,83 4065,97 44,07
C18 7850,00 10313,6 31,38 4185,11 46,69
C19 8255,00 16196,00 96,2 8720,89 5,64
C20 7920,00 16185,00 104,36 8699,31 9,84
C21 6450,00 16253,5 151,99 8833,7 36,96
C22 6940,00 16139,00 132,55 8609,05 24,05
C23 7260,00 16330,00 124,93 8983,64 23,74
C24 6565,00 16384,0 149,57 9089,35 38,45
122122122
Os módulos de elasticidade das fases individuais fibra e matriz apresentados na
Tabela 4.1 e Tabela 4.2, respectivamente, foram utilizadas para a estimativa das
propriedades efetivas dos compósitos. Os dados reportados na Tabela 4.5
compreendem os resultados para todos os compósitos analisados, ou seja, todas as
combinações possíveis dos fatores experimentais. Os valores de erro absoluto
apresentado na Tabela 4.5 correspondem à variação percentual dos resultados da
análise micromecânica em relação aos valores do módulo de elasticidade experimental.
4.3.1 Compósitos fabricados com fibras de sisal
A Figura 4.37a-f exibe o comportamento mecânico dos compósitos previsto pela
regra da mistura e pelo modelo de Halpin-Tsai, em função da fração volumétrica de
fibras de sisal, para todas as condições experimentais investigadas (C1 – C12). Os
valores experimentais médios do módulo de elasticidade foram plotados conjuntamente
aos resultados estimados para a comparação dos resultados.
A Figura 4.37a mostra a variação do módulo de elasticidade do compósito em
função da fração volumétrica de fibras de sisal, prevista para as condições
experimentais C1 e C7, ou seja, para os compósitos fabricados com a resina epóxi sem
adição de sílica e anidrido maléico. Os pontos experimentais plotados indicam os
compósitos fabricados com 30% e 50% de fibras de sisal, respectivamente. Verifica-se
que a adição de 30% de fibras promove o melhor ajuste com o modelo numérico da
regra da mistura, exibindo um erro percentual de apenas 3,84%, enquanto para o
modelo Halpin-Tsai o erro mostrado foi de 58%. Este resultado indica que a adesão
fibra/matriz no compósito com 30% de fibras pode ser considerada quase-perfeita,
ressaltando a propriedade elástica experimental ser superior à mesma prevista pelos
modelos micromecânicos.
O modelo Halpin-Tsai mostrou melhor concordância para os resultados
experimentais do compósito fabricado com 50% de fibras (ver Tabela 4.5: condição
experimental C7), demonstrando uma condição de interface imperfeita entre fibra e
matriz. Este comportamento pode ser atribuído à menor quantidade de resina presente
no laminado, a qual é responsável pelo molhamento adequado das fibras e
123123123
transferência dos esforços presentes. A maior porosidade pode ter contribuído também
para o desempenho inferior dos compósitos com maior fração de fibras.
Condições Experimentais C1 e C7 Condições Experimentais C2 e C8
(a) (b)
Condições Experimentais C3 e C9 Condições Experimentais C4 e C10
(c) (d)
Condições Experimentais C5 e C11 Condições Experimentais C6 e C12
(e) (f)
Regra da Mistura Halpin-Tsai Experimental
Figura 4.37 - Comparativo entre a análise micromecânica e os resultados experimentais
para os compósitos fabricados com a fibra de sisal.
124124124
A Figura 4.37b mostra a variação do módulo de elasticidade para os compósitos
fabricados com adição de anidrido maléico na matriz epóxi, condições experimentais
C2 e C8 (30% e 50% de fibras, respectivamente). Tal como para a resina epóxi pura, a
condição de interface pode ser considerada quase perfeita para a fração de 30% de
fibras e imperfeita para a fração de 50%. O modelo de Halpin-Tsai mostrou melhor
concordância para o compósito com 50% de fibras e a regra da mistura para o
compósito com 30%, apresentando erros de 2,54% e 1,3%, respectivamente, conforme
apresentado na Tabela 4.5.
A Figura 4.37c apresenta as curvas do módulo de elasticidade para os compósitos
fabricados com a adição de 20% em massa de sílica na matriz polimérica. Pode-se
observar excelente concordância entre os resultados previstos pela análise
micromecânica e os resultados experimentais, para adesão perfeita (30% de fibras) e
adesão imperfeita (50% de fibras). Conforme pode ser verificado pelos valores
apresentados na Tabela 4.5, o erro para o modelo de regra da mistura foi inferior a 1%
no nível mais baixo de fibras de sisal. O erro para o modelo de Halpin-Tsai foi de
apenas 1,14% para o nível mais alto de fibras, confirmando uma fraca adesão
fibra/matriz.
A Figura 4.37d mostra o comportamento previsto para o compósito de matriz
contendo 20% de sílica e 2% de anidrido maléico com as frações volumétricas de 30%
e 50% de fibra de sisal, respectivamente. Os compósitos de 30% de fibra de sisal
apresentaram excelente adesão interfacial, enquanto os compósitos com 50% de fibra
exibiram uma condição de interface imperfeita, conforme previsto pelo modelo de
Halpin-Tsai.
A Figura 4.37e exibe o comportamento dos compósitos para as condições
experimentais C5 e C11, fabricados respectivamente com 30% e 50% de fibra de sisal.
Nesses compósitos foram adicionados 33% de micro partículas de sílica na matriz
epóxi. A fração volumétrica de 30% de fibras exibiu uma melhor concordância para o
modelo da regra da mistura, enquanto a fração de 50% apresentou melhor ajuste para
o modelo de Halpin-Tsai. Embora a adição de 33% de sílica na matriz tenha
aumentado a rigidez da mesma (ver Tabela 4.3), esse comportamento não foi capaz de
promover aumento do módulo de elasticidade dos compósitos. Uma possível
125125125
explicação para esse fato pode ser creditada à redução da adesão interfacial devido à
maior quantidade de partículas na matriz. Conforme pode ser observado na Tabela 4.5,
as propriedades efetivas do compósito ficaram abaixo dos valores previstos tanto pela
regra da mistura para o compósito com 30% de fibras, quanto pelo previsto pelo
modelo de Halpin-Tsai para o compósito com 50% de fibras.
Uma variação da rigidez dos compósitos prevista pela regra da mistura e pelo
modelo de Halpin-Tsai pode ser observada na Figura 4.37f. Esses compósitos foram
fabricados com uma matriz adicionada de 33% de sílica e 2% de anidrido maléico. O
módulo de elasticidade da matriz modificada foi superior à matriz epóxi pura, (ver
Tabela 4.3). Este fato pode ser atribuído ao possível aumento de adesão entre
matriz/partícula promovido pelo anidrido maléico. No entanto, a matriz mais rígida não
produziu compósitos com maior módulo de elasticidade em relação aos compósitos
com resina epóxi pura, confirmando a hipótese da redução de adesão fibra/matriz nos
compósitos promovida pelo alto percentual de sílica adicionado.
4.3.2 Compósitos fabricados com fibras de bananeira
A Figura 4.38 exibe os gráficos comparativos entre os resultados da previsão do
módulo de elasticidade pelos modelos de análise micromecânica e os valores
experimentais obtidos para os compósitos fabricados com fibras de bananeira
(condições experimentais C13 a C24). Basicamente, as mesmas discussões realizadas
para os compósitos fabricados com fibras de sisal podem ser estendidas aos
compósitos fabricados com fibras de bananeira.
126126126
32000 32000 30000
30000
28000
28000 26000
26000
24000
24000 22000
22000
20000
20000 18000
18000
16000
16000 14000 Experim ental;
14000 Experim ental;
12000 30; 9105,00 12000 30; 8650,00 10000
10000
8000 Experim ental; 8000
Experim ental;
Mó
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
e [
MP
a]
Mó
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
e [
MP
a]
Mó
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
e [
MP
a]
Mó
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
e [
MP
a]
Mó
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
e [
MP
a]
Mó
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
e [
MP
a]
6000
4000 2000
0
50; 8255,00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fração Volumétrica %
6000
4000 2000
0
50; 7920,00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fração Volumétrica %
32000
30000
28000
26000
24000 22000
20000
18000
16000
Condições Experimentais C13 e C19 Condições Experimentais C14 e C20
(a) (b) 32000 30000
28000
26000
24000
22000
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000 2000
0
Experim ental;
30; 8045,00
Experim ental;
50; 6450,00
14000 12000
10000
8000
6000
4000 2000
0
Experim ental;
30; 7685,00
Experim ental;
50; 6940,00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fração Volumétrica %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fração Volumétrica %
32000 30000
28000
26000
24000 22000 20000
18000
16000
14000
12000 10000
8000
6000
4000 2000
0
Condições Experimentais C15 e C21
(c)
Experim ental;
30; 7270,00
Experimental;
50; 7260,00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fração Volumétrica %
32000 30000
28000
26000 24000 22000
20000
18000
16000
14000
12000 10000
8000 6000
4000 2000
0
Condições Experimentais C16 e C22
(d)
Experim ental;
30; 7850,00
Experim ental;
50; 6565,00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fração Volumétrica %
Condições Experimentais C17 e C23 Condições Experimentais C18 e C24
(e)
Regra da Mistura
Halpin-Tsai
(f)
Experimental
Figura 4.38 - Comparativo entre a análise micromecânica e os resultados experimentais
para os compósitos fabricados com a fibra de bananeira.
Os compósitos fabricados no nível mais baixo de fibras (30%) apresentaram
melhor concordância com o modelo da regra da mistura, enquanto os compósitos com
127127127
nível mais alto de fibras (50%) foram mais bem descritos pelo modelo de Halpin-Tsai, o
que indica a presença de uma interface inferior nestes compósitos. No entanto, é
possível verificar pelos dados da Tabela 4.5 que os valores experimentais do módulo
de elasticidade ficaram abaixo dos previstos analiticamente apresentando erros
maiores para os compósitos com fibras de bananeira que os compósitos de fibras de
sisal, em ambos os modelos micromecânicos. Este comportamento indica que a
adesão matriz/fibra nos compósitos fabricados com fibras de sisal foi superior a dos
compósitos com fibras de bananeira.
Uma das razões possíveis para o melhor ancoramento das fibras de sisal pode
ser atribuída à maior rugosidade das fibras, conforme pode ser observado nas Figuras
4.39a e 4.39b que apresentam, respectivamente, as fotografias obtidas por microscopia
eletrônica de varredura nas superfícies de fratura dos compósitos de fibra de sisal e
fibras de bananeira. O microscópio eletrônico de varredura da marca Hitachi, modelo T-
3000 operando no modo de elétrons retro espalhados foi utilizado para obtenção das
imagens da Figura 4.39.
(a) (b)
Figura 4.39 - Fotografias obtidas por MEV nos compósitos fabricados com fibra de sisal
(a) e fibras de bananeira (b).
128128128
4.4 Simulação numérica dos compósitos
Nesta seção são apresentados os resultados das deformações obtidas pelas
simulações numéricas, comparando seus valores com os advindos da experimentação,
sendo utilizado para tanto, a medida de erro absoluto. São apresentadas também as
curvas tensão-deformação.
4.4.1 Compósitos fabricados com fibras de sisal
4.4.1.1 Modelo bidimensional
A visualização do campo de deslocamentos para o modelo bidimensional de
simulação numérica do compósito fabricado com fibras de sisal é ilustrada na Figura
4.40.
Figura 4.40 - Deslocamento sofrido pelo modelo numérico bidimensional dos
compósitos com fibras de sisal.
Os valores dos deslocamentos máximos foram utilizados para a obtenção das
deformações específicas do compósito. A Tabela 4.6 exibe, para cada incremento de
129129129
pressão (força aplicada em uma unidade de superfície), os valores das deformações
específicas obtidos numericamente assim como do erro absoluto encontrado nas
aproximações.
Tabela 4.6 - Deformações específicas para o compósito de fibras de sisal – Modelo
bidimensional.
Tensão
[MPa]
Deformação específica [mm/mm]
Experimental Regra da Mistura Halpin-Tsai Módulo experimental
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
0,0012382
0,0024142
0,0037139
0,0051052
0,0065132
0,0079355
0,0093476
0,0107663
0,0122182
0,0136916
0 Erro %
0,0018146 46,55
0,0036291 50,33
0,0054438 46,58
0,0072584 42,18
0,009073 39,30
0,0108875 37,20
0,0127021 35,89
0,0145167 34,83
0,0163313 33,66
0,0181459 32,53
0 Erro %
0,0041602 235,98
0,0083203 244,65
0,0124805 236,05
0,0166407 225,96
0,0208009 219,37
0,024961 214,55
0,0291212 211,54
0,0332814 209,12
0,0374416 206,44
0,0416017 203,85
Erro %
0,0015973 28,99
0,0031946 32,33
0,0047919 29,02
0,0063892 25,15
0,0079865 22,62
0,0095838 20,77
0,0111811 19,61
0,0127784 18,69
0,0143757 17,66
0,015973 16,66
Figura 4.41 - Curvas tensão/deformação para o modelo numérico bidimensional dos
compósitos com fibras de sisal.
A Figura 4.41 apresenta as curvas tensão-deformação dos modelos numéricos
bidimensionais (Regra da Mistura e Halpin-Tsai) juntamente com a curva proveniente
130130130
do ensaio experimental. Nesta figura apresenta-se ainda uma quarta curva, obtida
através da simulação numérica com o emprego do módulo de elasticidade advindo do
ensaio experimental.
Os dados da Tabela 4.6 e as curvas tensão-deformação ilustradas na Figura 4.41
indicam que o modelo de simulação numérica em duas dimensões, pela magnitude dos
erros encontrados entre as deformações, não foi capaz de descrever adequadamente o
comportamento dos compósitos com fibras de sisal.
O modelo de Regra da mistura mostrou-se efetivamente melhor na previsão das
propriedades elásticas do compósito quando comparados com os resultados obtidos
com o modelo de Halpin-Tsai. Esse comportamento já havia sido apontado
anteriormente (ver seção 4.3.1), devido à boa adesão entre fibra e matriz apresentada
nos compósitos fabricados com menor fração de fibras (30%).
A simulação realizada com o módulo de elasticidade medido experimentalmente
produziu melhores resultados em comparação com os métodos de análise
micromecânica. Entretanto, o erro apresentado para esta simulação ainda mostrou-se
elevado. Uma das razões para esses erros pode ser atribuída à estimativa do valor do
coeficiente de Poisson do material, obtido da regra da mistura, considerando o Poisson
da fibra de sisal nulo e da matriz de resina epóxi igual ao valor de 0,4.
4.4.1.2 Modelo tridimensional
Os resultados da simulação do modelo tridimensional do compósito fabricado com
fibras de sisal são exibidos na Tabela 4.7. Tal como observado para o modelo de
simulação bidimensional, elevados valores de erros em relação aos resultados
experimentais foram obtidos.
A Figura 4.42 exibe as curvas (tensão versus deformação) relativas aos resultados
numéricos e experimental. Os resultados do modelo tridimensional mostram que o valor
do coeficiente de Poisson da fibra de sisal não exerce influência significativa no
comportamento elástico-linear do compósito. Os valores mais próximos da deformação
específica foram obtidos considerando o valor nulo do coeficiente de Poisson da fibra
de sisal.
131131131
Ten
são
(M
Pa)
Tabela 4.7 - Deformações específicas para o compósito de fibras de sisal – Modelo
tridimensional.
Tensão
[MPa]
Deformação específica [mm/mm]
Exp.
Coeficiente de Poisson da Fibra
0 0,25 0,3 0,35
Módulo exp.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
0,00124
0,00241
0,00371
0,00511
0,00651
0,00794
0,00935
0,01077
0,01222
0,01369
0 Erro
0,00217 75,36
0,00434 79,89
0,00651 75,40
0,00869 70,13
0,01086 66,69
0,01303 64,18
0,01520 62,60
0,01737 61,34
0,01954 59,94
0,02171 58,59
0 Erro
0,00219 76,34
0,00437 81,19
0,00656 76,67
0,00875 71,36
0,01093 67,90
0,01312 65,36
0,01531 63,78
0,01750 62,51
0,01968 61,10
0,2187 59,74
0 Erro
0,00219 76,71
0,00438 81,26
0,00656 76,74
0,00875 71,44
0,01094 67,97
0,01313 65,44
0,01532 63,85
0,01750 62,58
0,01969 61,17
0,02188 59,81
0 Erro
0,00219 76,71
0,00438 81,27
0,00656 76,75
0,00875 71,44
0,00109 67,98
0,01313 65,44
0,01532 63,86
0,01750 62,59
0,01969 61,18
0,02188 59,81
0 Erro
0,00160 28,90
0,00319 32,22
0,00479 28,92
0,00638 25,05
0,00798 22,52
0,00956 20,67
0,01117 19,52
0,01277 18,59
0,01436 17,56
0,01596 16,57
140
120
100
80
60
40
20
0
0,000 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015 0,018 0,021
Deformação (mm/mm)
Experimental Poisson Matriz 0,4 -f ibra 0,0 Poisson Matriz 0,4 -f ibra 0,3
Poisson Matriz 0,4 -f ibra 0,25
Módulo experimental
Poisson Matriz 0,4 -f ibra 0,35
Figura 4.42 - Curvas tensão/deformação para o modelo numérico tridimensional dos
compósitos com fibras de sisal.
132132132
Assim como no caso bidimensional, o modelo tridimensional analisado não foi
capaz de representar de maneira satisfatória o comportamento mecânico real do
compósito com fibras de sisal. Este fato pode ser atribuído às diversas aproximações
utilizadas no modelo numérico, principalmente em relação à consideração da seção
circular da fibra, bem como a consideração da sua distribuição uniforme.
Conforme pode ser observado na micrografia da seção transversal do compósito
exibida na Figura 3.17, as fibras de sisal exibem uma seção transversal irregular, além
de não apresentarem um padrão de distribuição homogêneo, conforme adotado no
modelo numérico.
A Simulação tridimensional realizada com o valor do módulo de elasticidade
medido experimentalmente apresentou melhor resultado, porém também não
representou adequadamente o comportamento real do material. Uma das razões pode
ser atribuída à aproximação do coeficiente de Poisson do compósito pelo método de
regra da mistura.
Comparando-se os modelos de simulação bidimensional e tridimensional dos
compósitos, verifica-se que ambos apresentaram resultados semelhantes, conforme
pode ser observado pelos valores de erro exibidos nas Tabelas 4.6 e 4.7,
respectivamente. Assim, pode-se dizer que a simulação em duas dimensões com
propriedades estimadas pelo método de regra da mistura representa melhor o
comportamento do compósito aqui analisado.
4.4.2 Compósitos fabricados com fibras de bananeira
4.4.2.1 Modelo bidimensional
Os dados de deformação específica obtidos numericamente para os compósitos
reforçados com fibras de bananeira são exibidos na Tabela 4.8. Os dados da Tabela
4.8 revelam uma boa aproximação dos resutados numéricos, exceto para o modelo de
Halpin-Tsai. O erro entre os valores de deformação numérica e experimental
apresentam-se maiores para os níveis de tensão mais baixos, podendo ser atribuído a
uma região de acomodação da máquina de ensaios observada na curva experimental.
133133133
Tabela 4.8 - Deformações específicas para o compósito de fibras de bananeira –
Modelo bidimensional.
Tensão
[MPa]
Deformação específica [mm/mm]
Experimental Regra da Mistura Halpin Tsai Módulo Experimental
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
0,0014857
0,0025038
0,003546
0,0045831
0,005566
0,0067838
0,0079024
0,0090065
0,0102308
0,011441
0 Erro %
0,000993438 33,13
0,001986875 20,65
0,002980313 15,95
0,00397375 13,30
0,004967109 10,76
0,005960547 12,14
0,006953984 12,00
0,007947422 11,76
0,008940859 12,61
0,009934297 13,17
0 Erro %
0,0026485 78,27
0,005297 111,56
0,0079455 124,07
0,0105939 131,15
0,0132424 137,92
0,0158909 134,25
0,0185394 134,60
0,0211879 135,25
0,0238363 132,99
0,0264848 131,49
0 Erro %
0,0010495 29,36
0,0020991 16,16
0,0031486 11,21
0,0041981 8,40
0,0052477 5,72
0,0062972 7,17
0,007347 6,25
0,0083963 6,78
0,0094458 7,67
0,0104953 8,27
A Figura 4.43 apresenta a curva tensão-deformação obtida pelo ensaio de tração
experimental bem como as curvas obtidas pelas análises numéricas desenvolvidas.
Figura 4.43 - Curvas tensão/deformação para o modelo numérico bidimensional dos
compósitos com fibras de bananeira.
134134134
Pode-se observar na Figura 4.43 que os resultados numéricos foram bem
próximos ao experimental, para o modelo de regra da mistura e com a simulação
realizada com o valor do módulo de elasticidade experimental. O modelo de Halpin-tsai
não descreveu adequadamente as propriedades do compósito, o que confirma a boa
adesão fibra/matriz dos compósitos com fibras de bananeira na fração volumétrica de
30%.
4.4.2.2 Modelo tridimensional
A Tabela 4.9 exibe os resultados de deformação específica obtidos
experimentalmente e através da simulação numérica para o modelo de compósito
tridimensional.
Da Tabela 4.9 é possível observar boa aproximação dos resultados numéricos,
exibindo erro relativo abaixo de 10%, exceto para o nível mais baixo da pressão
aplicada (10 MPa). Esse maior erro pode ser atribuído à região de acomodação da
máquina de ensaios durante a experimentação, conforme pode ser observado nas
curvas tensão-deformação exibidas na Figura 4.44.
Tabela 4.9 - Deformações específicas para o compósito de fibras de bananeira –
Modelo tridimensional.
Tensão
[MPa]
Deformação específica [mm/mm]
Resultado
Exp.
Coeficiente de Poisson da Fibra de bananeira
0,0 0,25 0,30 0,35
Módulo Exp.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
0,00149
0,00250
0,00355
0,00458
0,00557
0,00678
0,00790
0,00901
0,01023
0,01144
0 Erro %
0,00120 18,97
0,00241 3,84
0,00361 1,85
0,00482 5,07
0,00602 8,14
0,00722 6,47
0,00843 6,64
0,00963 6,93
0,01083 5,90
0,01204 5,22
0 Erro %
0,00121 18,25
0,00243 2,98
0,00364 2,76
0,00486 6,00
0,00607 9,11
0,00729 7,42
0,00850 7,59
0,00972 7,88
0,01093 6,85
0,01215 6,16
0 Erro %
0,00122 18,21
0,00243 2,93
0,00365 2,81
0,00486 6,06
0,00608 9,16
0,00729 7,48
0,00851 7,64
0,00972 7,94
0,01094 6,90
0,01215 6,21
0 Erro %
0,00122 18,22
0,00243 2,95
0,00365 2,79
0,00486 6,04
0,00608 9,14
0,00729 7,46
0,00850 7,62
0,00972 7,92
0,01093 6,88
0,01215 6,20
0 Erro%
0,00105 29,39
0,00210 16,21
0,00315 11,25
0,00420 8,45
0,00524 5,77
0,00629 7,22
0,00734 7,08
0,00839 6,82
0,00944 7,72
0,01049 8,31
135135135
Figura 4.44 - Curvas tensão/deformação para o modelo numérico tridimensional dos
compósitos com fibras de bananeira.
Os erros calculados nestas simulações revelam a pequena influência do
coeficiente de Poisson da fibra no comportamento mecânico global do material
compósito. O resultado mais próximo foi obtido com a simulação realizada
considerando a fibra com coeficiente de Poisson nulo, resultado este de grande
relevância visto as dificuldades inerentes em se medir esta propriedade
experimentalmente, principalmente por se tratar de uma fibra vegetal.
Os resultados da simulação, realizada com o módulo de elasticidade medido
experimentalmente e considerando o coeficiente de Poisson calculado pela regra da
mistura (νf=0,0), validam o modelo numérico tridimensional implementado para o
compósito de fibras de bananeira.
4.4.3 Comentários finais
Comparando-se os valores de deformação obtidos das simulações bidimensionais
e tridimensional com os valores advindos da experimentação, verifica-se que ambos
apresentaram resultados semelhantes.
Para o caso da distribuição não homogênea das fibras, pode-se afirmar que a
simulação em duas dimensões com propriedades estimadas pelo método da Regra da
Mistura representou melhor o comportamento do compósito.
136136136
Comparando os resultados obtidos pela simulação do compósito fabricado com
fibras de sisal com os resultados do compósito fabricado com fibras de bananeira,
verifica-se que o modelo numérico implementado para o compósito com fibras de
bananeira apresentou melhores resultados, principalmente para a simulação com
elementos finitos tridimensionais. Isto pode ser atribuído à melhor uniformidade e
homogeneidade na distribuição das fibras de bananeira quando comparadas com as
fibras de sisal, assim como observado das micrografias.
De maneira geral, em função dos resultados obtidos, pode-se concluir que mesmo
utilizando-se das hipóteses simplificadoras de cálculo, sendo estas plausíveis em nível
de projeto, a simulação numérica através do Método dos Elementos Finitos pode ser
aplicada para estimar satisfatoriamente o comportamento mecânico de compósitos
poliméricos reforçados por fibras vegetais orientadas unidirecionalmente,
principalmente para o caso em que as fibras apresentam regularidade e simetria na sua
disposição.
138138138
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES
Este trabalho analisou as propriedades mecânicas de compósitos poliméricos
laminados com fibras de sisal e bananeira. A inserção de anidrido maléico e
micropartículas de sílica na matriz de resina epóxi foi também estudada. Os resultados,
experimentais e numéricos, mostraram que:
O Fator principal “tipo de fibra vegetal” apresentou efeito significativo sobre as
variáveis respostas: resistência à tração, resistência à flexão, módulo de
elasticidade em tração, módulo de elasticidade em flexão, densidade
volumétrica, densidade aparente, porosidade aparente e absorção de água. Os
compósitos fabricados com fibras de sisal apresentaram os maiores valores de
resistência mecânica, enquanto os compósitos fabricados com fibras de
bananeira exibiram maiores valores de rigidez.
O fator principal “fração volumétrica” individualmente ou interagindo com um ou
mais fatores exibiu efeito significativo sobre todas as variáveis respostas citadas
acima. A fração de fibras de 30% permitiu produzir compósito com maiores
resistências mecânicas, menor porosidade e menor absorção de água. Já a
densidade dos compósitos exibiu dependência com o tipo de fibra.
O fator principal “adição de micropartículas de sílica” mostrou-se significativo na
avaliação das variáveis respostas: resistência mecânica, rigidez, densidade
aparente e porosidade aparente. Entretanto, para os percentuais estudados, as
micropartículas de sílica, adicionadas na matriz de resina epóxi, não atuaram
como fase reforçadora, diminuindo a resistência mecânica e a rigidez, além de
aumentar a densidade e a porosidade dos compósitos.
O fator principal “adição de anidrido maléico”, atuando isoladamente ou
interagindo com outros fatores, apresentou efeito significativo sobre todas as
variáveis respostas estudadas, exceto sobre a densidade volumétrica. Contudo,
o percentual adicionado (2%) de anidrido maléico não foi capaz de melhorar a
adesão matriz/fibra/partícula nos compósitos, reduzindo a resistência mecânica
139139139
e aumentando os valores de densidade, porosidade e absorção de água dos
compósitos.
A análise micromecânica dos compósitos permitiu verificar melhores condições
de interface nos compósitos fabricados no nível inferior de fibras vegetais (30%),
principalmente os compósitos fabricados com fibras de sisal. O modelo da Regra
da Mistura descreve melhor compósitos com boa adesão interfacial, enquanto o
modelo de Halpin-Tsai se ajusta melhor a compósitos que apresentam fraca
adesão fibra/matriz.
A simulação numérica por meio do Método dos Elementos Finitos pode ser
aplicada para estimar satisfatoriamente o comportamento mecânico de
compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais orientadas
unidirecionalmente, principalmente para o caso em que as fibras apresentam
regularidade e simetria na sua disposição.
O coeficiente de Poisson da fibra vegetal apresenta pequena influência no
comportamento mecânico global do material compósito, conforme evidenciado
pelos resultados da simulação numérica utilizando elementos finitos
tridimensionais.
140140140
CAPÍTULO 6
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Embasado nos resultados obtidos neste trabalho, algumas sugestões são, a
seguir, colocadas pelo autor a fim de promover a melhoria do desempenho mecânico e
o avanço da pesquisa dos materiais compósitos aqui estudados.
Efetuar um estudo abrangendo as transformações químicas da resina epóxi
com a inserção do anidrido maléico, verificando seu efeito e a obtenção
dos níveis de adição adequados, visando o aumento da compatibilidade da
resina epóxi com as fibras vegetais.
Estudar o comportamento mecânico de compósitos fabricados com as
fibras tratadas em uma solução de anidrido maléico observando-se as
mudanças topográficas e químicas ocorridas na superfície das fibras.
Estudar o comportamento mecânico da resina epóxi modificada com
micropartículas de sílica em baixos níveis de adição em massa (0 a 20%),
testando-se métodos mecânicos para o processo de mistura.
Estudar o comportamento mecânico de compósitos laminados fabricados
com fibras vegetais tratadas por meio do recobrimento de suas superfícies
com micropartículas de sílica, investigando o efeito do tamanho e da forma
das partículas.
Estudar o efeito da inserção de nanopartículas no comportamento
mecânico de compósitos laminados com fibras vegetais.
141141141
CAPÍTULO 7
TRABALHOS PRODUZIDOS
Com o desenvolvimento dessa dissertação, alguns trabalhos foram produzidos e
publicados em anais de eventos nacionais e internacionais. Estes trabalhos estão
enumerados a seguir:
Silva, L. J. ; Panzera T. H.; Rubio J. C. C.; Nogueira Filho J. C.; Silva V. R. V.
Avaliação do comportamento mecânico de compósitos poliméricos
reforçados por fibras de sisal através do planejamento fatorial de
experimentos. In: 65º Congresso Internacional da ABM, 2010, Rio de Janeiro -
RJ. Anais do 65º Congresso Internacional ABM, 2010. p. 1-10.
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aplicado a compósitos poliméricos reforçados por fibras de Sisal em ensaio
de flexão. In: Encontro Nacional de Materiais e Estruturas Compósitas - ENMEC
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Compósitas. Porto: Universidade do Porto, 2010, Vol. 1. Silva, L. J.; Panzera T. H.; Nogueira Filho J. C.; Christoforo, A. L.; Silva V. R. V.
Estudo das propriedades mecânicas de compósitos poliméricos de fibra de
bananeira através do método de planejamento Fatorial de experimentos. In:
XIX Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos materiais, 2010, Campos
do Jordão - SP - Brasil. Anais do XIX Congresso Brasileiro de Engenharia e
Ciência dos materiais, 2010. Vol. 19. p. 4126-4135.
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