Efeito da hibridizaçÃo nas propriedades de compósitos de curauá/vidro – parte II



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EFEITO DA HIBRIDIZAÇÃO NAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS DE CURAUÁ/VIDRO – PARTE II

J.H.S. Almeida Júnior1,2*, S.C. Amico1, F.D.R. Amado2.


Av. Bento Gonçalves, 9500. Campus do Vale/UFRGS. 91501-970. Porto Alegre/RS. *jhsajunior@globomail.com

1LAPOL/Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS

2LAMMA/Universidade Estadual de Santa Cruz – UESC

RESUMO

A crescente busca pela sustentabilidade ambiental vem motivando a exploração de fibras vegetais em compósitos poliméricos, para uso principalmente no setor automotivo. Nesta parte do trabalho, foram estudadas as propriedades em flexão e interfacial de compósitos puros e híbridos de curauá/vidro, variando a fração volumétrica total de fibras (%Vf) e o percentual relativo de cada fibra. Foi utilizada a compressão à quente para moldagem dos compósitos em matriz de poliéster, com as fibras orientadas aleatoriamente. Os compósitos híbridos com 30% de curauá e 70% de fibra de vidro apresentaram melhores propriedades em flexão, dentre os híbridos estudados. As propriedades de cisalhamento interlaminar apresentaram maiores valores para o %Vf de 30%.
Palavras-chave: Fibra vegetal, hibridização, propriedades em flexão, resistência short beam.
INTRODUÇÃO

Fibras vegetais apresentam algumas vantagens quando utilizadas como reforço em compósitos poliméricos. Elas possuem baixa densidade, produzindo compósitos com boas propriedades específicas, baixo custo e também benefícios associados ao seu processamento (baixa abrasão menor energia demandada na produção) quando comparadas às fibras sintéticas como, vidro, carbono e aramida.

Dentre as fibras vegetais, destaca-se a fibra de curauá, por possuir propriedades mecânicas superiores a outras fibras, como sisal, juta, banana, entre outras. Para se obter um compósito de menor custo e com boas propriedades mecânicas, as fibras vegetais podem ser combinadas com fibras sintéticas em uma mesma matriz, potencializando as propriedades destas fibras, resultando em compósitos híbridos(1).

O objetivo deste trabalho, apresentado nesta parte II, foi avaliar os compósitos híbridos de curauá/vidro, com diferentes frações volumétricas de reforço (%Vf), focando nas propriedades em flexão e na resistência short beam.


MATERIAIS E MÉTODOS

As fibras de curauá foram desemaranhadas e penteadas, antes de cortá-la em comprimento único de 50 mm. A fibra de vidro foi apenas cortada, neste mesmo comprimento. As fibras foram dispersas aleatoriamente em um pré-molde (mesmas dimensões do molde) para a produção das mantas. A metodologia utilizada para produção das mantas e do conjunto da resina foi apresentada na parte I deste trabalho.

As mantas e a resina foram depositadas no molde (dimensões internas de 270 × 170 mm) e moldadas por compressão a quente, a uma pressão de 6 ton e temperatura de 90 °C, por 75 min. Posteriormente, os compósitos sofreram pós-cura em estufa, por 120 min a 80 °C.

Variou-se a fração volumétrica de fibras (%Vf) em 20, 30 e 40% e o teor relativo de fibras de curauá e vidro, conforme mostra a Tab. 1. Os compósitos foram caracterizados por ensaio de flexão, seguindo a norma ASTM D790, com razão span/espessura fixo em 16:1 em amostras com dimensões de 120 × 12,7 mm, com velocidade do ensaio de 2 mm.min-1, utilizando uma máquina universal INSTRON, modelo 3382. Os ensaios de resistência ao cisalhamento interlaminar foram realizados conforme a norma ASTM D2344, com razão span/espessura de 4:1 e velocidade do ensaio de 1 mm.min-1, em uma máquina EMIC DL 30000.


Tab. 1 – Nomenclatura utilizada paraos compósitos estudados.

Nomenclatura

Fração volumétrica total (%)

Teor de fibra de curauá (%)

Teor de fibra de vidro (%)

20/100/0

20

100

0

20/30/70

20

30

70

20/0/100

20

0

100

30/100/0

30

100

0

30/70/30

30

70

30

30/50/50

30

50

50

30/30/70

30

30

70

30/0/100

30

0

100

40/100/0

40

100

0

40/30/70

40

30

70

40/0/100

40

0

100


RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Fig. 1 são mostra os resultados de resistência à flexão dos compósitos estudados. Analisando primeiramente os compósitos do %Vf de 30%, observa-se um aumento da resistência à flexão para maiores teores de fibra de vidro. Isto se deve às melhores propriedades mecânicas desta fibra em relação a de curauá, proporcionando uma maior reforço efetivo ao material(2). Dentrs os compósitos híbridos, a amostra 30/30/70 apresentou o melhor comportamento, tendo resistência à flexão de 202,6 MPa.

Com relação aos compósitos com 20% de fibras, a amostra 20/100/0, mostrou resistência maior que a do híbrido (20/30/70), o que não era esperado. Enquanto a amostra 20/0/100 apresentou resistência 191% maior que o híbrido. Este comportamento pode ter acontecido devido ao baixo teor de fibras nesses compósitos, que pode causar aglomeração de fibras em determinadas áreas das placas e ausência em outras. Já as amostras com %Vf de 40% apresentam aumento da resistência com maiores teores de fibra de vidro, como esperado. Porém, apresenta valores de resistência menores que para o %Vf de 30%, provavelmente devido ao alto teor de fibras, havendo o contato fibra-fibra (pull-out) e consequentemente baixo volume de matriz para transferir tensão para as fibras.

Assim, a incorporação de fibra de vidro leva ao aumento da performance mecânica do compósito. No ensaio de flexão, mecanismos como, tração, compressão e cisalhamento atuam simultaneamente(3). A resistência à tração da fibra de vidro, por exemplo, é cerca de 3 vezes maior que a da fibra de curauá(4), propriedade esta que também influencia a resistência à flexão destes compósitos.

Fig. 1 - Resistência à flexão dos compósitos estudados.


A Fig. 2 mostra o módulo em flexão dos compósitos estudados. À medida que aumenta a incorporação de fibra de vidro o módulo de elasticidade aumenta, exceção para o híbrido 20/30/70 conforme comentado acima.

Assim, os compósitos híbridos apresentam comportamento resistente e rígido, comparados aos compósitos puros de curauá. Também, a incorporação de 70% de fibra de vidro aumentou a rigidez em 179% (%Vf de 30%), valor este próximo ao compósito puro de fibra de vidro.

O teste de cisalhamento interlaminar é o método mais adequado e amplamente utilizado para mensurar a resistência à falha interlaminar em compósitos, tanto pela sua eficiência como na simplicidade do ensaio. Por este ensaio, também pode-se avaliar indiretamente a interface fibra/matriz. A resistência ao cisalhamento interlaminar depende primariamente das propriedades da matriz e da resistência interfacial fibra/matriz, diferentemente de outros testes de cisalhamento, onde as propriedades das fibras são mais relevantes(5). Em ensaios de cisalhamento “short-beam”, com também é conhecido este ensaio, a tensão de cisalhamento máximo ocorre em um plano neutro, onde as tensões normais são numericamente iguais a zero. Isto significa que há uma combinação de modos de falha no rompimento do material(1).

Fig. 2 - Módulo em flexão dos compósitos.

Nas curvas tensão × deformação obtidas neste trabalho (Fig. 3), os compósitos com maior teor de fibra de vidro mostraram uma maior carga na falha, com maior deformação que compósitos com somente fibra de curauá, possivelmente devido ao descolamento precoce das fibras de curauá pela fraca adesão interfacial, sofrendo pull-out.

Fig. 3 - Curvas força × deslocamento dos compósitos com %Vf de 30%.

A Fig. 4 apresenta a resistência short beam de todos os compósitos estudados. Observa-se que a hibridização das fibras foi efetiva, já que a resistência short beam do compósito 30/30/70 foi similar ao 30/0/100. A mesma tendência foi observado para os outros %Vf, porém com valores menores que os compósitos com 30% de fibra. Isto significa que o teor total de fibra de 30% foi o ótimo para estes compósitos, possibilitando a sua produção com qualidade e a formação de interfaces fibra/matriz fortes.

Fig. 4 - Resistência short beam para os compósitos.


CONCLUSÕES

Neste artigo, foram estudadas as propriedades em flexão e em cisalhamento interlaminar de compósitos isotrópicos puros e híbridos de curauá/vidro, variando o teor e a fração volumétrica de fibras. As propriedades em flexão (resistência e módulo) apresentaram uma tendência de aumento com a incorporação de fibra de vidro Também observou-se um aumento da resistência short beam do %Vf 20 para 30%. Porém, neste caso, a inclusão de um volume maior de fibras reduziu a resistência ao cisalhamento dos compósitos, provavelmente devido a uma insuficiente impregnação das fibras pela matriz, formando uma interface fibra/matriz fraca e propiciando o contato indesejado fibra-fibra pelo processo de fabricação empregado. Por fim, o %Vf de 30% foi considerado ótimo para as propriedades mecânicas e o compósito híbrido com 30% de fibra de curauá e 70% de fibra de vidro mostrou propriedades similares aos puros de fibra de vidro.


AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à FAPESB e ao CNPq pelo suporte financeiro. Também, à Ashland/Brasil pelo fornecimento da resina poliéster.


REFERÊNCIAS

1. ALMEIDA JÚNIOR, J. H. S.; ORNAGHI JÚNIOR, H. L.; AMICO, S C.; AMADO, F. D. R. Study of hybrid intralaminate curaua/glass composites. Materials and Design, v. 42, p.111-117, 2012.

2. IDICULA, M.; KURUVILLA, J.; THOMAS, S. Mechanical performance of short banana/sisal hybrid fiber reinforced polyester composites. Journal of Reinforced Plastics and Composites, v. 29, n. 1, p. 12-29, 2010.

3. PRIYA, S.; RAI, S. K. Mechanical performance of biofiber/glass-reinforced epoxy hybrid composites. Journal of Industrial Textiles, v. 35, n. 3, p. 217–226, 2006.

4. WAMBUA, P.; IVENS, J.; VERPOEST, I. Natural fibres: can they replace glass in fibre reinforced plastics? Composites Science and Technology, v. 63, p. 1259-1264, 2003.

5. SIDERIDIS, E. E; PAPADOPOULOS, G. A. Short-beam and three-point-bending tests for the study of shear and flexural properties in unidirectional-fiber- reinforced epoxy composites. Journal of Applied Polymer Science, v. 93, p. 63–74, 2004.




HYBRIDIZATION EFFECT ON THE PROPERTIES OF CURAUA/GLASS COMPOSITES – PART II
ABSTRACT

The growing demand for environmental sustainability has motivated the use of vegetable fibers in polymer composites, mainly in the automotive sector. In this part of the work, the flexural and interfacial properties of pure and hybrid curaua/glass composites were studied, varying the overall fiber volume fraction (%Vf) and the relative content of each fiber. Hot compression molding was used to produce the polyester matrix composites, with randomly oriented fibers. The hybrid composites with 30% of curaua and 70% of glass fiber showed better flexural properties among the hybrid studied. The interlaminar strength properties presented the highest values for %Vf = 30%.




Keywords: Vegetable fiber, hybridization, flexural properties, short beam strength.

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