Compósito de fibras vegetais de comprimento híbrido variando de 5 a 15 mm



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COMPÓSITO DE FIBRAS VEGETAIS DE COMPRIMENTO HÍBRIDO VARIANDO DE 5 A 15 MM

M. Kuwahara; D. S. da Costa; W. R. El Banna e R. T. Fujiyama



Universidade Federal do Pará – UFPA, Rua Augusto Correa, 01, 66075-110 Campus Belém, Belém – PA, moacirkuwahara@yahoo.com.br

RESUMO
Nesta pesquisa foram produzidos compósitos reforçados com fibras de bambu de comprimentos variando entre 5 a 15 mm. As fibras de bambu extraídas das regiões basal e topo da planta de bambu, em seguida as fibras foram submetidas ao equipamento moinho granulador, onde obtivemos os comprimentos desejados. Foram fabricados 8 (oito) corpos de prova para cada fração mássica definida com as seguintes proporções; 3,90%, 4,87% e 5,41%; a fabricação foi realizada por moldagem manual, usando resina poliéster insaturada com a proporção de agente de cura/resina de 0,33%. O resultados da resistência a tração dos compósitos de bambu da parte basal 3,90% de fração mássica foi de 12,87 MPa; e 4,87% foi de 13,46 MPa; e 5,41% foi de 14,20 MPa. E os resultados da resistência a tração dos compósitos de bambu da parte topo 3,90% de fração mássica foi de 14,60 MPa; e 4,87% foi de 15,19 MPa; e 5,41% foi de 16,03 MPa. Os resultados mostraram que a região do topo da planta de bambu apresentou melhor resistência mecânica. As fraturas dos compósitos foram verificadas por microscopia estereoscópica.
Palavra-chave: Fibras vegetais, propriedades mecânicas, compósitos
INTRODUÇÃO
A utilização de materiais compósitos está crescendo em importância, quantidade e campos de aplicação. A sua caracterização, porém, requer o domínio de técnicas e critérios específicos, que diferem em muito dos critérios adotados nos materiais convencionais de engenharia. A aplicação desses materiais é uma realidade atual nas indústrias de ponta com destaque no segmento aeronáutico e aeroespacial. Diversos projetos já foram desenvolvidos considerando-se suas propriedades, tais como: F-18 e F-22 no segmento militar; e Airbus 380 e Boeing 787 no segmento civil. Porém, pouco se sabe sobre os compósitos de fibras naturais de origem vegetal. As fibras de celulose como o bambu, sisal, coco, juta, curauá e malva, dentre inúmeras outras, abrem um leque renovável, inesgotável e alternativo de uso como elemento de reforço para compósitos de matriz frágil. No entanto, deve-se levar em consideração algumas questões relevantes ao seu uso, como sua durabilidade, reação e aderência a matriz e outros fatores que questionam sua aplicação. Estudos podem ajudar na avaliação das propriedades de engenharia desses materiais, melhorando-os para que se tornem mais duráveis e sua a aplicação seja viável e satisfatória. De acordo com o tipo de componente disperso, os compósitos podem ser classificados em três grupos: particulares (reforçados com partículas), fibrosos (reforçados com fibras) e compósitos estruturais (reforçado com elementos estruturais). Entende-se por partícula um componente disperso que apresenta aproximadamente a mesma dimensão em todas as direções, enquanto as fibras apresentam uma elevada relação entre seu comprimento e diâmetro (1). Objetivo principal deste trabalho foi avaliar a viabilidade técnica da obtenção de compósitos usando resina poliéster reforçada com fibras de bambu, utilizando cortes do bambu com um equipamento moinho granulador, analisando suas características mecânica e micro-estrutural, através de ensaio mecânicos e microscopia estereoscópica.
MATERIAIS E MÉTODOS
As fibras de bambu foram obtidas manualmente e separadas em duas partes (parte basal que corresponde a região inferior da planta de bambu e parte topo que corresponde ao topo da planta), utilizando-se o menor nível possível de processamento tecnológico nas etapas de extração.

Na fabricação dos compósitos polimérico foi usando resina poliéster tereftálica insaturada e pré-acelerada, combinada com fibras de bambu com comprimentos variando entre 5 a 15 mm cortada em um equipamento moinho Granulador 20 HP/5W da marca Rone e Modelo R-20. Foram fabricados 8 (oito) corpos de prova para cada fração mássica definida com as seguintes proporções; 3,90%, 4,87% e 5,41%; a fabricação foi realizada por moldagem manual, sem pressão ou compactação, usando resina poliéster insaturada com a proporção de agente de cura/resina de 0,33%.

Os ensaios de tração nos compósitos foram realizados de acordo com a norma ASTM D 638M em uma máquina de ensaio universal Kratos Cof modelo MKCA-KE – com célula de carga de 5 kN, a uma velocidade de ensaio de 5 mm/min. Após a realização dos ensaios mecânicos, a superfície de fratura dos corpos de prova foi analisada de forma a se estudar os mecanismos de falha de cada composição fabricada. A morfologia da superfície de fratura foi analisada por microscopia estereoscópica.

A Fig. 1 mostra os equipamentos de ensaios de tração dos compósitos e o moinho onde foi cortado as fibras de tamanho variando entre 5 a 15 mm.







(a) (b)

Figura 1 – (a) Equipamento para corte das fibras; (b) Máquina de ensaio de tração dos compósitos


A Fig. 2 mostra as fibras de bambu parte topo e as fibras de bambu parte Basal.





(a) (b)

Figura 2 – (a): Fibras de bambu parte topo; (b) Fibras de bambu parte basal

A Fig. 3 mostra as fibras de bambu vazadas nos molde de silicone prontas para serem curadas.

Figura 3 – Fibras de bambu nos moldes de silicone


RESULTADOS E DISCUSSÃO

As fibras de bambu já foram caracterizadas quanto à sua tração, alongamento, comprimento, diâmetro, massa especifica, teor de umidade, aspecto superficial e a sua microestrutura segundo o trabalho do autor (2). E os resultados estão demonstrados na Tab. 1.

Tabela 1 – Resultados da caracterização das fibras de bambu não tratadas.


Resist. Tração (MPa)

Alongamento (%)

Compr. (mm)

Diâmetro (mm)

Massa Específica (g/cm3)

Teor de Umidade (base úmida) (%)

501,04 (±137,61)

6,81 (± 3,08)

283,16 (± 3)

0,245 (± 0,005)

1,35 (± 0,01)

12 (± 0,5)

A Tab. 2 mostra os resultados da caracterização mecânica dos compósitos de bambu parte topo com as fibras variando entre 5 a 15 mm.

Tabela 2 – Resultados da caracterização mecânica dos compósitos de bambu parte topo


Reforço

Fração Mássica Reforço (FM)%

Resist. Tração () (MPa) Média (Desvio Padrão)

5 a 15 mm

3,90

14,60 (± 1,11)

5 a 15 mm

4,87

15,19 (± 1,41)

5 a 15 mm

5,41

16,03 (± 1,36)

A Tab. 3 mostra os resultados da caracterização mecânica dos compósitos de bambu parte Basal com as fibras variando entre 5 a 15 mm.
Tabela 3 – Resultados da caracterização mecânica dos compósitos de bambu parte basal

Reforço

Fração Mássica Reforço (FM)%

Resist. Tração () (MPa) Média (Desvio Padrão)

5 a 15 mm

3,90

12,87 (± 0,89)

5 a 15 mm

4,87

13,46 (± 1,56)

5 a 15 mm

5,41

14,20 (± 1,29)

As Tab. 2 e Tab. 3 mostram um comparativo entre os resultados obtidos com o aumento da fração mássica da fibra de 3,90%, 4,87% e 5,41%. De acordo com as informações a resistência do compósito que obteve melhor desempenho foi a fração mássica de 5,41% das fibras de bambu parte topo, considerado como bom para fabricação de compósitos com fibras de bambu (3). E comprovando assim, o que tem sido reportado por diversos autores sobre a variabilidade das propriedades das fibras naturais (4). E o que provavelmente ocorreu além do método de fabricação do compósito ser manual e sem pressão, as fibras de bambu da região basal é mais grossa do que as fibras de bambu da região topo, com isso, a possibilidade de uma maior concentração de fibras.

A Fig. 4 mostra a caracterização superficial de fratura analisada por microscopia estereoscópica.








(a) (b)

Figura 4 – Superfície de fratura de compósitos de bambu: (a) parte topo e (b) parte basal


Na Fig. 4 (a) observa-se que há uma predominância das fibras aderidas a matriz (setas brancas) e uma boa acomodação devido o diâmetro ser menor, gerando compósitos com melhores propriedades mecânicas. A Fig. 4 (b) nota-se a aparecimento de fibras descoladas da matriz e vazios (setas pretas) na superfície de fraturada dos compósitos, o que pode ter ocorrido pelo fato de termos fibras de maior diâmetro, provocando depreciação nas propriedades mecânicas.

CONCLUSÕES
A metodologia empregada na fabricação dos compósitos foi satisfatória, mas a ausência de pressão diminui a quantidade de reforço. Os compósitos reforçados com fibras de bambu tanto da região basal e topo apresentam desempenho mecânico bastante satisfatório em relação às demais fibras vegetais tradicionalmente utilizadas como reforço de compósitos, por exemplo, a fibra de sisal. Os compósitos reforçados por fibras de bambu da região topo apresentaram melhores resultados mecânicos. O método de microscopia estereoscópica foi satisfatório indicando falhas dominantes em cada compósito fabricado. E mostrando as características das superfícies de fraturas dos compósitos.

O trabalho proporcionou uma nova opção de materiais compósitos de reforçados por fibras vegetais, os quais podem substitui parcialmente compósitos de fibras de vidro, além do que podem gerar renda para população local de onde as fibras são extraídas, além de ser um material que preserva o meio ambiente.


AGRADECIMENTOS
Ao laboratório de Materiais compósitos do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pará e ao Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica.
REFERÊNCIAS
1. CALLISTER, JR. W. D. Ciência e Engenharia de materiais: uma introdução. 5. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.
2. COSTA, D. S. Caracterização de Materiais Compósitos de Matriz Poliéster e fibras de bambu, sisal e vidro e híbridos bambu/sisal, bambu/vidro e sisal/vidro. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2012.
3. SILVA, R. V. Compósito de Resina Poliuretano Derivada de Óleo de Mamona e Fibras Vegetais. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais) - Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, 2003.


COMPOSITES OF FIBER PLANT RANGING HYBRID LENGTH FROM 5 TO 15 MM
ABSTRACT
In this paper make fiber-reinforced composite bamboo lengths ranging from 5 to 15 mm. The bamboo fibers drawn from the top of the basal and bamboo plant, the fibers were then subjected to the granulator mill equipment where we obtained the desired lengths. Were fabricated 8 (eight) samples for each mass fraction defined with the following proportions, 3.90%, 4.87% and 5.41%, making molding was carried out by manual, using unsaturated polyester resin with the ratio of curing agent / resin 0.33%. The results of the tensile strength of bamboo composite of the basal portion of 3.90% mass fraction was 12.87 MPa, and 4.87% was 13.46 MPa, and 5.41% was 14.20 MPa. And the results of the tensile strength of bamboo composite part of the top 3.90% of mass fraction was 14.60 MPa, and 4.87% was 15.19 MPa, and 5.41% was 16.03 MPa. The results showed that the region of the top of the bamboo plant showed better mechanical strength. Fractures of the composites were observed by stereoscopic microscopy.


Keyword: Vegetable fibers, mechanical properties, composites

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