Materiais Compósitos

Materiais Compósitos 9 2. Interface, Interfase e Adesão 12 2. Processos de fabricação de materiais compósitos 13 2. Fibras vegetais utilizadas em compósitos poliméricos 15 2. Compósitos de matrizes poliméricas reforçadas com fibras vegetais 19 2. Propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com diferentes fibras naturais: a) resistência à tração; b) módulo de tração; c) resistência ao impacto (Charpy). Figura 6. Curvas de níveis em função da composição do compósito: a) Módulo de tração (MPa); b) Resistência à tração (MPa); c) Resistência ao impacto (kJ/m). Figura 7. Superfície de fratura de compósitos de PP reforçado com 20% de fibras de linho. ABREVIATURAS EPDM Terpolímero de etileno-propileno-dieno MA Anidrido Maleico MEV Microscopia Eletrônica de Varredura PA-6 Poliamida 6 PEAD Polietileno de alta densidade PEBD Polietileno de baixa densidade PP Polipropileno UV Ultravioleta Vf Fração volumétrica de fibras Wf Fração mássica de fibras RESUMO A produção de baixo custo energético com menos poluição e impacto ecológico, permitiram o desenvolvimento de novos materiais chamados de compósitos.

Os compósitos são constituídos da combinação de dois ou mais materiais na escala macroscópica, onde um funciona como matriz e outro como reforço. O uso de fibras vegetais como reforço tem grande potencial econômico devido ao seu baixo custo, de fontes renováveis, biodegradabilidade, reciclabilidade, propriedades mecânicas satisfatórias e provocar menor impacto no meio ambiente. As propriedades dos componentes, a distribuição do reforço, as naturezas da interface fibra/matriz e a morfologia dos compósitos definem as propriedades específicas e o comportamento desses materiais. As fibras vegetais têm sido usadas como reforço em materiais compósitos na indústria mecânica, automobilística, equipamentos esportivos, naval, aeronáutica, civil, etc. A matriz proporciona a forma final do compósito e governa os parâmetros do processo de manufatura.

Além disso, é responsável pela transferência e distribuição da tensão ao reforço, pela separação das partículas ou fibras (reforço), funcionando como uma barreira à propagação de trincas e pela proteção do material do reforço contra danos ambientais (umidade, radiação UV, corrosão química) (VASILIEV e MOROZOV, 2001). Os compósitos podem ser classificados em: reforçados por partículas (partículas grandes ou reforçado por dispersão), reforçados por fibras (contínuas ou descontínuas) e estruturais (laminados ou painéis sanduíche) (CALLISTER, 2002). Três fatores básicos devem ser considerados quando a fibra for selecionada para uma aplicação: o tipo, a forma e a orientação da fibra. Compósitos poliméricos reforçados com fibras vegetais têm atraído cada vez mais o interesse de cientistas devido ao seu potencial de servir como alternativa para compósitos com fibras sintéticas.

No entanto, esta definição não é suficiente e três outros critérios têm de ser satisfeitos antes deste material ser considerado um compósito. O primeiro é que os componentes devem estar presentes em proporções razoáveis, ou seja, superior a 5%. Em segundo, as fases constituintes devem ter diferentes propriedades e, portanto, as propriedades do compósito são sensivelmente diferentes das propriedades dos constituintes. Por último, compósito é produzido por misturas e combinações dos componentes por diversos meios (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994). Na segunda metade do século XX, poucas pesquisas na área da mecânica puderam confrontar com a modelagem de sólidos heterogêneos, na sustentação do desenvolvimento de compósitos e de seu uso em numerosas aplicações estruturais. A matriz mais utilizada para materiais compósitos é a polimérica.

As razões para isto são duas: (1) Em geral, as propriedades mecânicas dos polímeros são inadequadas para várias aplicações. As suas resistências são muito inferiores se comparadas com as de metais e cerâmicos. Isto significa que existe um grande benefício potencial usando o processo de reforço em materiais poliméricos e; (2) O processamento de compósitos poliméricos não necessita de altas pressões e de altas temperaturas. Uma classificação simples para as matrizes poliméricas as divide em termorrígidos, termoplásticos e elastômeros sendo todas importantes para compósitos (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994). As proporções podem ser expressas através da fração mássica (Wf), que é relevante para a fabricação, ou através da fração volumétrica (Vf), que é comumente utilizada nos cálculos do teor de fibras (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994).

A maioria das propriedades dos compósitos é uma função complexa das propriedades das fases constituintes, onde os componentes normalmente interagem de uma maneira sinérgica, de modo a proporcionar uma melhor combinação de propriedades. A resistência química e características da interface entre as fibras e a matriz são importantes para determinar as propriedades do compósito (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994). Interface, Interfase e Adesão Em compósitos, a interface, interfase e adesão influenciam nas propriedades mecânicas, como resistência à tração, resistência ao impacto, resistência à flexão e à fadiga, e são considerados fatores importantes. A interface é referida como a ligação considerada de espessura zero entre a superfície da fibra e da matriz. O comportamento tensão-deformação de muitos polímeros reforçados pode ser alterado por promotores de adesão e agentes de acoplamento como os silanos que alteram a adesão e a natureza da interface reforço/matriz.

Processos de fabricação de materiais compósitos A taxa de crescimento de compósitos com matriz termoplástica é consideravelmente maior que para compósitos de matriz termorrígida. Isto ocorre devido ao grande uso de peças na indústria automobilística e a possibilidade de uma taxa de produção mais rápida com termoplásticos do que com a maioria das resinas termorrígidas (BUNSELL e RENARD, 2005). Os termoplásticos podem ser reprocessados e reciclados, não precisam ser estocados à baixa temperatura e são mais resistentes a ataques químicos que os termorrígidos, reduzindo assim os custos. Os polímeros termoplásticos têm sido uma alternativa de aplicação em estruturas devido à maior tenacidade à fratura, resistência ao impacto e tolerância a danos em relação aos polímeros termorrígidos (BUNSELL e RENARD, 2005).

Esta pré-mistura pode passar por um processo de homogeneização através de uma extrusora ou ser diretamente moldada por injeção. Estes compósitos também podem ser fabricados por moldagem por compressão. Os polímeros termorrígidos são mais utilizados para uso estrutural em materiais compósitos por apresentarem algumas vantagens em relação aos termoplásticos, tais como alta rigidez, elevada estabilidade térmica, alta estabilidade dimensional, boas propriedades de isolamento elétrico e térmico, resistência à fluência e relaxação. As resinas termorrígidas mais usadas e mais baratas são os poliésteres, poliuretanos, vinil-éster e resinas fenólicas; as quais são usadas principalmente para compor compósitos reforçados com fibras de vidro. As resinas epóxi são mais caras e além das aplicações estruturais, também são muito utilizadas em aplicações aeroespaciais por possuírem melhores propriedades mecânicas e melhores resistências à umidade do que os poliésteres, poliuretanos e as resinas vinílicas (SILVA, 2014).

Um dos países que possuem a maior extensão territorial cultivável e biomassa do mundo é o Brasil, e se tais recursos forem bem explorados, o mesmo se torna um grande potencial. As fibras vegetais; possuem menor densidade do que as fibras sintéticas e causam menor desgaste nos equipamentos de processamento de compósitos (MATTOSO et al, 1996). O uso de fibras lignocelulósicas como reforço para materiais poliméricos aumentou durante os últimos anos, substituindo as fibras sintéticas, especialmente as fibras de vidro, em compósitos utilizados em diferentes setores industriais como o automobilístico e a construção civil, apresentando diversas vantagens quando comparados a materiais tradicionais (BEG e PICKERING, 2008). Algumas dessas vantagens são: - ser proveniente de fonte renováveis; - disponibilidade contínua; - biodegradabilidade; - baixo custo; - baixa densidade; - propriedades especificas interessantes; - a natureza abrasiva das fibras vegetais é muito menor do que a fibra de vidro, oferecendo vantagens quanto ao processamento e a reciclagem (MALKAPURAM; KUMAR; NEGI, 2009).

As fibras vegetais podem ser classificadas segundo a parte do vegetal da qual são extraídas, conforme mostra a Figura 3. Além disso, as fibras naturais apresentam algumas desvantagens como pobre molhabilidade pelo polímero, incompatibilidade com algumas matrizes poliméricas e alta absorção de umidade (MANCHADO; ARROYO; BIAGIOTTI; KENNY, 2003); (BEG; PICKERING, 2008). Estas dificuldades podem ser minimizadas por tratamentos físicos com plasma e corona ou tratamentos químicos com anidrido maleico, organosilanos, isocianatos, hidróxido de sódio, permanganatos, peróxido entre outros (MARCONCINI; ITO; JR; MATTOSO, 2007). A Tabela 1 apresenta os valores médios dos constituintes de fibras brasileiras utilizadas na fabricação de compósitos poliméricos. Tabela 1. Composição química de algumas fibras naturais (Adaptado de SATYANARAYANA et al 2007). Compósitos de matrizes poliméricas reforçadas com fibras vegetais Dentre os materiais compósitos, o reforço tipo fibra tem despertado grande interesse em engenheiros da indústria de diversos setores como automotiva, da construção, mecânica, metalúrgica, farmacêutica, naval, aeronáutica, aeroespacial, entre outras.

Uma vez que a forma fibrosa de um material possui elevada resistência à tração e alto módulo de elasticidade, este tipo de material é usado atualmente como material de engenharia em combinação com uma matriz que, além de envolver e proteger a fibra deforma sob a ação de uma força e lhe distribui a tensão, impedindo a propagação de falhas (SCHWARTZ, 1984). Um critério decisivo para a escolha do tipo adequado de fibra é o seu módulo de elasticidade. Uma comparação entre os valores de resistência de diversas fibras naturais com relação os correspondentes às fibras de vidro mostrou que, por exemplo, os valores absolutos característicos das fibras tropicais eram de apenas metade do nível correspondente aos valores característicos da fibra de vidro.

Contudo, devido ao fato de sua densidade ser aproximadamente 45% menor, as fibras naturais apresenta níveis de resistência específica comparáveis aos da fibra de vidro (BARBOSA, 2011). Muitos trabalhos indicam que a modificação superficial das fibras naturais antes de ser incorporada como reforço em matrizes poliméricas reduz a diferença de polaridade e melhora a compatibilidade entre fibra e matriz. A matriz polimérica é responsável pela distribuição da tensão aplicada ao compósito, porém as fibras naturais degradam em temperaturas elevadas, portanto a escolha do polímero é limitada principalmente pela temperatura necessária ao processamento, pois é necessário a escolha de uma matriz polimérica e de um tipo de fibra natural que não degrade em seu processamento. De acordo com a disponibilidade, baixo custo e facilidade de processamento a temperaturas não tão elevadas, a matriz polimérica mais utilizada é o polietileno (VELDE e KIEKENS, 2001).

Fibras vegetais apresentam um papel importante no desenvolvimento de compósitos “verdes”, com uma matriz biodegradável e de bom desempenho, podendo ser um material chave para minimizar os problemas ecológicos e ambientais atuais. O que se espera que ocorra com a introdução de compósitos “verdes” no mercado é a redução de problemas de controle de resíduos na agricultura, poluição ambiental, entre outros. É assumido que a estrutura hidrofílica das fibras vegetais não é quimicamente compatível com a matriz do polímero hidrofóbico (BIAGIOTTI; MANCHADO; ARROYO; KENNY, 2003). Figura 7. Superfície de fratura de compósitos de PP reforçado com 20% de fibras de linho. Manchado et al (2003) avaliaram o efeito da compatibilidade entre fibra vegetal, polipropileno (PP) e blendas de polipropileno com um terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM) e a funcionalização de ambas as matrizes com anidrido maleico (MA).

A incorporação de pequenas quantidades deste polímero melhorou consideravelmente a adesão interfacial fibra-matriz, e consequentemente as propriedades mecânicas do compósito. O autor comenta que os valores tão baixos, estão relacionados a baixa interação fibra/matriz, que deve ser compensando com um agente compatibilizante ou com tratamento químico das fibras. Em outro trabalho foi realizada a moldagem por compressão e a caracterização de compósitos de matriz poliéster insaturada reforçados por fibras de curauá. Alguns resultados obtidos estão apresentados na Tabela 3, sendo que Giacomini et al. concluíram que as propriedades mecânicas encontradas não atenderam às especificações exigidas pela Mercedes-Benz. Entretanto, foram sugeridas alternativas para solucionar as dificuldades, como a modificação das características dos equipamentos, a formulação da resina e a necessidade de incorporar maior teor de fibras ou mudar o tipo de reforço.

As propriedades em tração e flexão desses compósitos foram melhores do que os sem carga, mas inferiores aos de poliamida-6 reforçados com fibra de vidro. No entanto, a resistência ao impacto e a temperatura de deflexão térmica foram similares aos compósitos de PA-6 com fibra de vidro, apresentando menos densidade, permitindo sua utilização em aplicações específicas e não-críticas. Segundo Mishra et al. os materiais compósitos baseados em reforços compostos por dois ou mais tipos de fibras em uma matriz, ou seja, os compósitos híbridos, podem apresentar uma grande diversidade de propriedades. Pesquisas revelam que o comportamento mecânico dos compósitos híbridos aparenta ser uma simples média ponderada das propriedades dos componentes individuais, porém, podem apresentar um balanço mais favorável entre as vantagens e as desvantagens inerentes a todos os materiais compósitos.

Compósitos de PP reforçados com fibras vegetais (sisal, kenaf, cânhamo, juta e coco) foram processados por compressão, utilizando-se o método de empilhamento de filmes de polipropileno. As propriedades mecânicas dos compósitos com as diferentes fibras vegetais foram testadas e comparadas a compósitos feitos com mantas de fibra de vidro. Kenaf, cânhamo e sisal apresentaram propriedades semelhantes em tensão e módulo, mas na resistência ao impacto os compósitos com cânhamo apresentaram-se melhores do que os reforçados com kenaf. Em geral, as propriedades específicas encontradas para os compósitos com fibras vegetais foram mais favoráveis que nos compósitos de fibra de vidro (WAMBUA; IVENS; VERPOEST, 2003). Araújo et al. R. DE PAOLI, M. A. Thermal properties of high density polyethylene composites with natural fibres: coupling agent effect.

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