Compósitos reforçados com fibras de sisal e malva: análise da tensão X comprimento de fibras



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COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE SISAL E MALVA: ANÁLISE DA TENSÃO X COMPRIMENTO DE FIBRAS

D. S. da Costa; M. N. P. B. Peres; R. M. Barreira; R. L. B. Silva; V. L. D. da Silva; F. A. Sá; J. A. S. Souza



Universidade Federal do Pará – Instituto de Tecnologia – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (UFPA/ITEC/PRODERNA) – Rua Augusto Correa, 01 – Guamá, 66075 -110 – Belém-PA, deibsonsc@yahoo.com.br

RESUMO
Neste artigo analisamos os compósitos reforçados por fibras de sisal e malva, disposta aleatoriamente. As fibras de sisal e malva foram adquiridas da região local do estado do Pará. E foram caracterizadas física, mecânica e microestrututralmente. Sendo as fibras cortadas manualmente nos comprimentos de 2,5; 7,5 e 12,5 mm. A metodologia de fabricação dos compósitos foi simples, com a utilização de moldes de silicone, sem pressão ou compactação. Os compósitos foram caracterizados mecanicamente através de ensaio de tração e microestruturalmente através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Com os resultados encontrados dos ensaios de tração dos compósitos, delineou-se uma curva na relação tensão x comprimento de fibra do reforço. Os compósitos de sisal apresentaram melhor desempenho mecânico. Com as análises da fractografia do MEV determinaram-se os mecanismos de falhas das superfícies fraturadas dos compósitos fabricados. Os resultados obtidos foram comparados com outros encontrados na literatura e demonstrados sua aplicabilidade.
Palavras-chave: Fibras vegetais; compósitos, materiais sustentáveis.
INTRODUÇÃO
Materiais diversos estão sendo estudados isolados ou associados com outros materiais visando sempre melhoria de suas propriedades. Compósito é qualquer material multifásico que exiba uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades (1). Os materiais compósitos reforçados com fibras naturais têm motivado atualmente discussão de temas relacionados à preservação do meio ambiente e em função do desenvolvimento de novos métodos e processos tecnológicos (2). A fibra de sisal, conhecida por sua grande resistência mecânica, está entre as mais investigadas como reforço de materiais compósitos, sendo disponível a um custo razoável, pois a planta cresce em vários ambientes tropicais e renova-se rapidamente. No Brasil a espécie cultivada é a Agave sisalana, sendo que o estado da Bahia contribui com 85% do total da produção da fibra (3). Temos também a fibra de malva tem ganhado visibilidade como planta de bom valor comercial pela praticidade e facilidade de cultivo em locais não encharcados. Sua resistência é considerada superior a da fibra de Kenaf (planta nativa do sul da Ásia com características similares a da fibra de juta) e em alguns casos, alguns tipos de malva se equiparam ou até mesmo superam à fibra de juta. A fibra de malva assemelha-se na cor e na textura e na resistência à de juta. A malva é uma fibra liberiana ocorrendo entre a camada do câmbio que envolve a medula central lenhosa do caule e a camada externa da casca. Ela é classificada no grupo das fibras lignocelulósica. A malva produz fibras têxteis similares ás tradicionalmente utilizadas na fabricação de papel, vestuário, barbantes e tecidos para estofados e tapetes. É usada, sobretudo, na confecção de sacaria para acondicionar produtos como açúcar, café, castanha de caju e cacau.

A relevância do trabalho em questão possibilita pesquisar e caracterizar produtos de base tecnológica em associação com reforço de fibras naturais, as quais são biodegradáveis e de grande disponibilidade na região Amazônica.


MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
O polímero utilizado no desenvolvimento do trabalho foi a resina poliéster tereftálica insaturada e pré-acelerada na proporção de 0,33% v/v. As fibras de malva e sisal foram obtidas no comércio da cidade de Belém do Pará, sem tratamento químico ou superficial e em condições ambientais. A Fig. 1 mostra as fibras de malva e sisal.





(a) (b)

Figura 1 – (a) Fibra de malva e (b) fibra de sisal



Métodos
As fibras de malva e sisal em seu estado natural, sem qualquer tratamento, foram caracterizadas mecânicas, física e microestruturalmente. Sendo a caracterização mecânica baseada na norma da ASTM 3822 (4), onde as fibras foram submetidas a ensaio de tração para determinação de sua resistência a tração e alongamento. Em seguida as fibras foram caracterizadas fisicamente por picnometria, onde se determinaram sua massa especifica e teor de umidade. Por fim, as fibras foram caracterizadas microestruturalmente pro microscopia eletrônica de varredura (MEV), onde foram obtidas suas características microestruturais. Foram retiradas aleatoriamente 100 (cem) amostras de fibras.

Para a confecção dos compósitos, as fibras foram cortadas manualmente (tesoura) nos comprimentos de 2,5; 7,5 e 12,5 mm. A metodologia de fabricação dos compósitos foi simples, com a utilização de moldes de silicone, sem desmoldante, sem pressão, sem vibração ou compactação. A fração mássica de fibras nos compósitos foi determinada pela capacidade volumétrica dos moldes vazios serem totalmente preenchido, sem compactação ou pressão, por cada comprimento de fibras utilizadas no trabalho. Determinaram-se as seguintes frações mássicas para comprimento de fibras: Compósitos de malva de 2,5 mm (5,84%), 7,5 mm (3,57%) e 12,5 mm (3,82%). Para os compósitos de sisal de 2,5 mm (13,95%), 7,5 mm (8,24%) e 12,5 mm (5,06%).

Os compósitos foram caracterizados mecanicamente através de ensaio de tração, conforme a norma ASTM 638M (5), e microestruturalmente através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Foram fabricados 10 (dez) corpos de prova para cada série de comprimentos de fibras para realização dos ensaios de tração.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados da caracterização mecânica e física das fibras de malva e sisal estão demonstrados na Tab. 1.
Tabela 1 – Caracterização mecânica e física das fibras de malva e sisal


Material

Resist. Tração (MPa)

Alongamento (%)

Diâmetro (mm)

Massa Específica (g/cm³)

Teor de Umidade

(%)


Fibra de Malva

296,55


(± 88,79)

5 (± 2,03)



0,045


(± 0,015)

1,48


(± 0,01)

11 (± 0,5)




Fibra de Sisal

432,48

(± 106,19)



6,5 (± 3,21)

0,250

(± 0,05)



1,40

(± 0,01)



12 (± 0,5)

Os resultados encontrados para as características mecânicas e físicas das fibras de malva e sisal foram superiores aos da literatura pesquisada (6). Essa discrepância de resultados é característicos de fibras vegetais. Devido, primeiramente por ser tratar de material orgânico. Depois, há uma série de fatores, entre os quais podemos destacar: local de extração das fibras, tipos de solo, métodos de extração mecânica ou manual, entre outros.

A Fig. 2 mostra a caracterização microestrutural das fibras de malva e sisal.


(a)


(b)


(c)


(d)

Figura 2 – Microestrutura: (a) e (b) fibras de malva; (c) e (d) fibras de sisal

Na Fig. 2 (a) apresenta a fibra de malva na seção longitudinal, evidenciando resíduos da extração, e cavidades na superfície da fibra, sem desfibramento das microfibrilas. A Fig. 2 (b) mostra a fibra de malva após ensaio de tração, apresentando a região fraturada, caracterizando uma fratura dúctil e a exposição das microfibrilas rompidas. Na Fig. 2 (C) ilustra a fibra de sisal no sentido longitudinal, mostrando vestígios de lignina, e cavidades na superfície da fibra, compactas em relação as microfibrilas. A Fig. 2 (e) tem-se a fibra de sisal rompida por tração, mostrando as microfibrilas rompidas e fratura dúctil.

A caracterização mecânica dos compósitos de malva está demonstrada na Tab. 2 com suas respectivas frações mássicas de fibras.
Tabela 2 – Resultados dos ensaios de tração dos compósitos de malva


Reforço

Fração Mássica Reforço (FM) %

Resist. Tração (σ) (MPa)

Média (Desvio Padrão)



Malva 2,5 mm

5,84

25,91 (± 2,62)

Malva 7,5 mm

3,57

25,12 (± 2,29)

Malva 12,5 mm

3,82

25,10 (± 1,45)

Os resultados dos compósitos de malva foram bastante semelhantes entre si, independente da fração mássica ou comprimento de fibras utilizadas. Fato que pode ser credenciado ao balanceamento fração e comprimento de fibra. Ou seja, as fibras de maior comprimento podem incrementar a resistência mecânica do compósito produzido, sendo isso verdadeiro até determinada porcentagem de fração mássica, depois desse limite, a tendência é a resistência dos compósitos diminuírem.

Porém, os resultados foram satisfatórios, já que o método de fabricação é bastante simples, e objetivo é de se produzir um material de baixo custo e ecologicamente correto. Além disso, esses resultados estão no mesmo patamar da literatura pesquisada.

Com isso podemos tração o gráfico tensão x comprimento de fibra de malva como reforço, como mostrado na Fig. 3.



Figura 3 – Resistência a tração x comprimento de fibras de malva


A análise do gráfico da Fig. 3 indica que houve uma estabilidade na relação tensão x comprimento de fibras, devido a frações mássicas utilizadas e os comprimentos de fibras, pois, as frações mássicas utilizadas foram bastante próximas, além do que a fibra de malva é de pequeno diâmetro e refinadas, facilitando sua homogeneização com a resina, o que provavelmente influenciou nesses resultados. A Fig. 4 mostra a caracterização microestrutural dos compósitos reforçados por fibras de malva.





(a) (b)

Figura 4 – Superfícies de fratura de compósitos de fibras de malva


A Fig. 4 (a) e (b) mostram as superfícies fraturadas dos compósitos, onde nota-se (setas pretas) a presença de vazios e micro trincas, e ainda estrias demonstrando nucleação de trincas, apresenta ainda o fenômeno do pull out da fibra da matriz, o que depreciou sua resistência mecânica.

A caracterização mecânica dos compósitos de sisal está demonstrada na Tab. 3 com suas respectivas frações mássicas de fibras.


Tabela 3 – Resultados dos ensaios de tração dos compósitos de sisal

Reforço

Fração Mássica Reforço (FM) %

Resist. Tração (σ) (MPa)

Média (Desvio Padrão)



Sisal 2,5 mm

13,95

18,93 (± 1,22)

Sisal 7,5 mm

8,24

22,60 (± 2,19)

Sisal 12,5 mm

5,06

26,10 (± 2,03)

Os resultados dos compósitos de sisal mostram que aumentaram sua resistência a tração com o aumento do comprimento de fibras inseridas nos compósitos, e diminuição da fração mássica de fibras presentes nos compósitos.

Demonstrando assim a influência direta desses 2 (dois) parâmetros (comprimento e fração mássica de fibras) nas resistências mecânicas dos compósitos produzidos.

Na Fig. 5 mostra o gráfico tensão x comprimento de fibras de sisal.


Figura 5 – Resistência a tração x comprimento de fibras de sisal
O gráfico da Fig. 5 mostra à tendência de aumento da resistencia a tração dos compósitos de sisal com aumento do comprimento de fibras inseridas nos compósitos, evento que pode ser elucidado que quando se aumenta o comprimento da fibra nos compósitos diminuem-se os números de extremidades de fibras, o que propicia menor possibilidade de nucleação de trincas e depreciação das propriedades mecânicas dos compósitos. Outro fator importante se deve a fração mássica de fibra inserida no compósito, pois, deve-se determinar o ponto ótimo dessa fração para obter o melhor balanceamento desses 2 (dois) fatores.

A Fig. 6 mostra a caracterização microestrutural dos compósitos reforçados por fibras de sisal.







(a) (b)

Figura 6 – Superfícies de fratura de compósitos de fibras de sisal


A Fig. 6 (a) e (b) mostram as superfícies fraturadas dos compósitos, onde se observa (setas brancas) a presença de fibras rompidas, e também o efeito de alinhamento das fibras dentro dos compósitos, o que caracteriza melhoria de sua resistência mecânica.
CONCLUSÕES
O método de análise de caracterização das fibras e dos compósitos de malva e sisal foram eficientes. As fibras de malva e sisal apresentaram resultados similares a literatura pesquisa, com exceção, da resistência a tração de ambas as fibras que foram bastante superiores a de outros autores pesquisados. A microestrutura das 2 (duas) fibras foram típicas de fibras vegetais. Os compósitos de malva apresentaram resultados mecânicos similares entre si, porém, bastante satisfatório, pelo método de fabricação empregado. Os compósitos de sisal mostraram-se desempenho mecânico diferentes entre si, ocorrido principalmente pela acentuada diferença de fração mássica de fibras e ao comprimento das mesmas. No entanto, os resultados encontrados foram bons. A caracterização microestrutral dos compósitos de malva e sisal foi capaz de identificar os mecanismos de falhas presentes nas superfícies fraturadas dos compósitos fabricados. Além do que se pode fazer um estudo fractográfico eficiente da superfície fraturada.

O estudo possibilitou a detenção do conhecimento de algumas propriedades tanto das fibras como dos compósitos de malva e sisal importantes para o avanço dos estudos com relação sua empregabilidade em alguns setores das indústrias.


AGRADECIMENTOS
Ao Laboratório de Engenharia Mecânica (LABEM) pelos ensaios realizados e ao Laboratório de Microscopia Eletrônica de Varredura (LABMEV) das Engenharias de Minas e Materiais da Universidade Federal do Pará – Campus Marabá.
REFERÊNCIAS
1. CALLISTER, W. D. Jr. Ciência e engenharia de materiais - uma introdução. Utah: LTC, 2002.
2. FRAGA, A. N. et. al. Relationship between water absorption and dielectric behaviour of natural fibre composite materials. Mar del Plata, Argentina: Polymer Testing, 25 (2006) 181–187.
3. SILVA, F. de A. Tenacidade de materiais compósitos não convencionais. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – PUC - Rio de Janeiro, 2004.
4. ASTM D 3822 –1996, “Standard Test method for Tensile Properties of Single Textile - Fibers”, ASTM - American Society for Testing and Materials.
5. ASTM D 638 - 1989, “Standard Test Method for Tensile Properties of Plastic (metric)”, ASTM - American Society for Testing and Materials.
6. SAVASTANO JUNIOR, H. Materiais à base de cimentos reforçados com fibras vegetais: Reciclagem de resíduos para a construção de baixo custo. Tese (Doutorado em Engenharia Civil), São Paulo, 2000.

COMPOSITES REINFORCED WITH FIBRE OF MAUVE AND SISAL: ANALYSIS OF TENSION X FIBRE LENGTH
ABSTRACT
In this article we analyze the composites reinforced by sisal fibers and mauve, arranged randomly. The sisal fibers and mauve were purchased from the local region of the state of Pará and were characterized physical, mechanical and microestrututralmente. The fibers being manually cut in lengths of 2.5, 7.5 and 12.5 mm. The method of manufacturing the composite was simple, with the use of silicone molds, without pressure or compression. The composites were characterized mechanically by tensile testing and microstructural via scanning electron microscopy (SEM). Based on the results of tensile tests of composites outlined a curve in relation tension x length of fiber reinforcement. The sisal composites with better mechanical performance. With fractography analysis of the SEM were determined mechanisms of failure of fractured surfaces of composites manufactured. The results were compared with those found in the literature and shown its applicability.


Key-words: Vegetable fibers, composites, sustainable materials.

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