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Estudo das propriedades mecânicas em compósitos de polipropileno com reforço de fibras vegetais tipo cambará, coco, sisal e piaçava

C. R. Passatore1, A. L. Leão2, C. L. de Carvalho1 e D. S. Rosa1



1 Universidade Federal do ABC – UFABC - Santo Andre, SP, Brasil

2 Faculdade de Ciências Agronômicas – UNESP - Botucatu, SP, Brasil

* Autor para correspondência: derval.rosa@ufabc.edu.br



RESUMO

Neste trabalho foram avaliadas as propriedades mecânicas (alongamento na ruptura, tensão máxima, módulo de Young, deformação máxima e resistência ao impacto) de compósitos de polipropileno (PP) com diferentes conteúdos (20, 40 e 60%, em massa) de fibras de cambará, de coco, de sisal e de piaçava (fibras naturais vegetais) e comparou-se com compósitos de PP reforçados com os mesmos teores de carbonato de cálcio (CaCO3). As amostras foram preparadas utilizando um misturador termocinético de alta intensidade tipo K-Mixer e os corpos de prova injetados para ensaios de tração conforme ASTM D638 IV e impacto tipo Izod, segundo ASTM D256. Os resultados mostraram o efeito de reforço na matriz polimérica (cerca 290% superiores ao PP contendo somente os aditivos), ou seja, o aumento da rigidez dos compósitos com todas as fibras, com destaque para as fibras de cambará e sisal, que apresentaram valores para módulo de Young bem superiores aos com CaCO3. Os resultados para alongamento na ruptura e deformação máxima mostraram um aumento das propriedades com o aumento dos teores das fibras, sendo que os valores foram superiores para 40 e 60% das fibras de sisal e piaçava. Nos ensaios de impacto os resultados foram superiores para a fibra de sisal, sendo significativamente superiores ao PP puro aditivado e com CaCO3.

Palavras-chave: compósitos, fibras naturais, polipropileno, reforço, misturador termocinético



  1. Introdução

Nos últimos 20 anos foram realizados inúmeras conquistas em relação a novos materiais poliméricos, principalmente na criação de compósitos reforçados com fibras naturais e minerais, que podem ser aplicados nas áreas aeroespacial, petroquímica, naval, automobilística, construção civil, entre outros (1).

Em compósitos com matriz polimérica ocorre a distribuição de esforços ou tensões em uma matriz de maneira uniforme, com uma segunda fase dispersa, onde o módulo de elasticidade desta segunda fase é mais alto que a matriz, obtendo como resultado final o aumento nas propriedades mecânicas do compósito, sobretudo o módulo de elasticidade e a resistência à ruptura. Este efeito de reforço pode ser obtido por meio da adição de fibras naturais e sintéticas, com a obtenção de materiais com excelente desempenho estrutural, tal como resistência mecânica e rigidez, baixo peso e baixo custo (2).

O uso de fibras naturais, como reforço em matriz polimérica, possui grande importância em aspectos ambientais e socioeconômicos. Com o reaproveitamento de fibras que comumente são descartadas, têm se as vantagens de estimular empregos nas áreas rurais, obter materiais com baixo consumo de energia, sendo estes recicláveis, não tóxicos, biodegradáveis, leves, de fontes abundantes e renováveis (1; 3).

As fibras naturais podem ser classificadas em fibras de madeira, fibras vegetais, fibras animais e fibras minerais. As fibras vegetais, que são tema deste trabalho, podem ser encontradas em forma de algodão, fibras moles, fibras duras, caule, frutos e palha (3). Para escolha da fibra natural de origem vegetal a ser utilizada como reforço no compósito deve-se verificar diversos fatores que influenciam diretamente em sua aplicação, assim como, o tipo de fibra, forma e peso, frações de componentes, tipos de aditivos, técnica de processamento, percentual de umidade e tempo de envelhecimento da fibra, o que dificulta o processamento e interfere nas propriedades finais dos compósitos, bem como, torna uma grande desvantagem na sua produção em larga escala (1; 3; 4; 5).

Em pesquisas realizadas por Hujuri; Ardanuy; Leão; Dwivedi; Jayaraman; Bledzki; Bonelli; Leblanc et al. foram feitos diversos estudos sobre o reaproveitamento de fibras naturais com aplicações em compósitos poliméricos, visando a diminuição do uso da matriz, proveniente do petróleo, inclusive com reciclagem ou a criação de compósitos reforçados com fibras ou espumas com frações de fibras de até 40% em massa de madeira, abacaxizeiro, linho, sisal, coco, piaçava e palha de trigo (6; 7; 8; 9; 10; 11).

O processamento pode ocorrer utilizando misturadores, quer em lotes (batelada), com misturadores internos e misturadores termocinéticos ou em produção contínua, com extrusoras e amassadores. Equipamentos por batelada (batch) permitem maior controle do tempo de residência dos materiais ao cisalhamento e exposição a temperatura durante o processamento, sendo mais apropriado para as operações que consistem em corridas curtas e frequentes mudanças de materiais. Por outro lado, sistemas contínuos são menos dependentes do operador do que os sistemas de lote e costumam ter menos diferenças durante os lotes. Os aditivos de acoplamento e processo são adicionados às formulações e a umidade pode ser removida no preparo das fibras ou durante a manipulação dos compósitos (4; 12).

Este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades mecânicas de compósitos de PP contendo diferentes teores (20, 40 e 60% em massa) de fibras naturais vegetais de cambará, coco, sisal e piaçava comparados com os mesmos teores de carga mineral (carbonato de cálcio).


  1. MATERIAIS E MÉTODOS

Como matriz foi utilizado PP copolímero heterofásico CP 202XP da Braskem com IF de 26,0g/10min (ASTM D1238). As fibras de cambará, de coco, de sisal e de piaçava foram moídas in natura em moinho de facas móveis e fixas e posteriormente peneiradas em peneira manual. Como aditivos de acoplamento foi utilizado o Licocene PP MA 7452 TP da Clariant, uma cera de polipropileno modificada com anidrido maleico, recomendada como compatibilizante em compósitos reforçados com fibras naturais. Como lubrificante externo e interno foram utilizados respectivamente, o Licolub H12 da Clariant e o estearato de cálcio da Chemson, como antioxidante utilizou-se o Hostanox da Clariant e carga mineral o carbonato de cálcio da Ouro fino.

Para processamento dos compósitos foi utilizado misturador termocinético tipo K-Mixer modelo MH-1000 CT da MH Equipamentos, adaptado com sonda de controle de temperatura com módulo para geração de gráfico de parâmetros de processamento, conforme apresentado na Fig. 1 e sistema para remoção de umidade dos materiais durante o processamento. Todas as amostras utilizaram o mesmo parâmetro de temperatura de controle de processamento da massa, que foi de 190°C e velocidades de 3800rpm e 3000rpm, sendo monitoradas as temperaturas máximas e o tempo aos quais os materiais ficaram expostos.



Figura 1 – Ilustração do Homogeneízador MH-1000CT e do gráfico com os parâmetros de processamento dos compósitos de PP

A metodologia de obtenção consistiu na moagem das fibras, pesagem das amostras, conforme formulações destacadas na Tab. 1, processamento, com alimentação direta de todos os materiais e os mesmos parâmetros de controle de processo das cargas por bateladas (quatro cargas de cada compósito), posterior moagem das borras e injeção dos corpos de prova conforme normas ASTM D638 IV e ASTM D256.

Tabela 1 – Fração em massa de componentes para preparação das amostras



Os ensaios mecânicos foram realizados através de ensaio de tração conforme normas ASTM D638 IV e impacto tipo Izod conforme ASTM D256, com respectivamente seis e dez corpos de prova.



  1. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os comprimentos das fibras obtidos após a moagem e separação são apresentados na Fig. 2.

Figura 2 – Comprimento das fibras (a) de cambará, (b) de coco, (c) de sisal e (d) piaçava

Os resultados para os ensaios mecânicos conforme normas ASTM D638 IV e ASTM D256 são apresentados na Tab. 2.

Tabela 2 – Resultados obtidos nos ensaios mecânicos conforme normas ASTM D638 IV e ASTM D256



Em trabalho de Bledzki et al. estudou-se o potencial de reforço em compósitos de PP com fibras de coco e madeira. Os compósitos com PP, 40% em massa de fibra e agente compatibilizante, foram obtidos usando um misturador em cascata seguido de moldagem por injeção para obtenção dos corpos de prova, com posteriores ensaios mecânicos. Sendo obtidos como resultados para tensão máxima valores aproximados de 30MPa sendo 14% superiores para os compósitos com fibra de coco, resultados similares aos apresentados neste trabalho. Para deformação máxima foram obtidos percentuais de 3,2% para compósitos com fibra de coco e 43% inferiores para fibra de madeira, neste trabalho foram obtidos resultados superiores, 20% para a fibra de coco e 8% inferiores para a fibra de madeira (10).

Uma análise completa dos resultados demonstrou que no alongamento na ruptura e na deformação máxima houve um aumento das propriedades com o aumento dos teores das fibras, sendo que os valores foram superiores para 40 e 60% das fibras de sisal e piaçava. Para a tensão máxima houve aumento da resistência dos compósitos para valores similares aos obtidos com reforço de carga mineral e significativamente superiores para o reforço com 40 e 60% de fibra de sisal, com resultados 50% superiores aos demais. Pôde-se verificar o aumento da rigidez dos compósitos através do aumento do módulo de Young, principalmente nos reforçados com fibras de cambará e sisal que apresentaram de 180 a 290% superiores ao PP. Nos ensaios de impacto os resultados foram superiores para 40% de fibra de sisal, sendo de modo relevante superiores ao PP aditivado e com CaCO3.


  1. CONCLUSÕES

Conclui-se que o reforço de compósitos de polipropileno com fibras naturais vegetais deve ser visto como um adequado reforço mecânico, uma vez que mostrou propriedades mecânicas superiores aos compósitos com os mesmos teores de carga mineral. Com destaque para os compósitos com teores de 40 e 60%, principalmente com as fibras de piaçava e sisal, para os resultados de alongamento a ruptura. Os compósitos com fibras de sisal nos teores de 40 e 60% para a tensão máxima e para as fibras de cambará e sisal no módulo de Young. Nos ensaios de impacto destacam-se os compósitos com fibras de sisal que apresentaram valores superiores aos compósitos de PP puro e PP reforçados com CaCO3.

A metodologia de processamento utilizada demonstrou ser eficiente e economicamente viável, pois não foi necessário o tratamento químico das fibras e sua pré-secagem, o que gera baixo gasto energético.



AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos técnicos da UFABC pelo auxílio nos ensaios e preparação das fibras, a Clariant aditivos, a Chemson e a Ouro Fino pela doação de materiais e a MH Equipamentos pela disponibilização de uso do equipamento para preparação dos compósitos.



REFERÊNCIAS
STUDY ON MECHANICAL PROPERTIES OF POLYPROPYLENE composites reforced with natural FIBER TYPE Cambara, COCunut, SISAL and piassaba

ABSTRACT

In this study was evaluated the mechanical properties (elongation at rupture, maximum strain, Young modulus, maximum deformation and impact resistance) in polypropylene composites (PP) with different contents (20, 40 and 60% by weight) of fibers cambará, coconut, sisal and palm fiber (natural vegetable fibers) as compared to composites reinforced with the same contents of calcium carbonate (CaCO3). Samples were prepared using a high intensity mixer termokinetic type K-Mixer and the specimens tensile tests was produce by injection according to ASTM D638 IV and Izod Impact, ASTM D256. The results showed the effect of reinforcing the polymeric matrix (approximately 290% above the PP containing only additives), or increasing the stiffness of composites with all fibers, particularly fibers and sisal cambara, with mean values for Young's modulus much higher than those with CaCO3. The results for elongation at rupture and maximum deformation showed an increase in properties with increasing content of the fibers, and the values ​​were higher for 40 and 60% of palm fiber and sisal fibers. Impact tests results were superior to sisal fiber being significantly higher than the pure PP and additivated with CaCO3.

Key-words: composites, natural fiber, polypropylene, reinforcement, k-mixer





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