Novos materiais e novas estruturas
Encontro Ciência 2009, 29-30 de Julho de 2009
Novos Materiais
e
Novas Estruturas
José Luís Esteves
(INEGI/FEUP)
José Luís Esteves (INEGI/FEUP)
Novos materiais e novas estruturas
Encontro Ciência 2009, 29-30 de Julho de 2009
• As preocupações ecológicas têm vindo a resultar num
crescente interesse do estudo e aplicação dos materiais de
natureza natural e biodegradáveis dando grande atenção aos
problemas de reciclabilidade e comportamento ambiental
levando á introdução de novos materiais compósitos mais
amigos do ambiente.
• A legislação ambiental assim como as solicitações de
mercado têm aumentado a pressão sobre os fabricantes de
matérias primas e de produtos acabados, para que seja
considerado o impacto ambiental dos seus produtos em
todas as fases do ciclo de vida do produto, incluindo a sua
reciclagem e destino em fim de vida.
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• Estas necessidades ambientais levaram ao aparecimento de
um considerável interesse no desenvolvimento de materiais
compósitos de origens renováveis, utilizando fibras naturais de
origem vegetal, amigas do ambiente com baixos custos, como
alternativa ao uso de fibras de vidro, combinando sempre que
possível o uso de matrizes poliméricas biodegradáveis
desenvolvendo-se verdadeiros biocompósitos.
• Presentemente um grande número de aplicações interessantes
têm surgido, e em especial a industria automóvel tem dado
grande atenção à utilização de eco-compósitos na procura de
satisfazer as regulamentações ambientais e ao mesmo tempo
conseguir reduções de peso e custos.
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Recentes desenvolvimentos em compósitos reforçados com
fibras naturais de origem vegetal
A utilização de fibras naturais em aplicações com materiais
compósitos, tem sido investigada intensamente na Europa.
A gama de produtos é normalmente restringida a interiores
e componentes não estruturais tais como painéis de porta. A
razão da sua utilização está ligada às baixas propriedades de
impacto e má resistência à humidade.
Resultados de investigações recentes mostram existir um
grande potencial no melhoramento destas duas
propriedades permitindo a sua utilização em componentes
estruturais.
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Fibras naturais de origem vegetal
A natureza vegetal está cheia de exemplos onde células ou
grupos de células encontram-se desenvolvidas de forma a
apresentarem grande resistência e rigidez. Uma utilização
controlada ao longo do tempo dos seus recursos naturais
resultou numa optimização das funções das células.
A Celulose é um polímero natural com elevada resistência e
rigidez específica, e é o material de construção das longas
fibras celulares. Estas células podem ser encontradas nos
caules, nas folhas ou nos frutos das plantas.
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Fibras naturais de origem vegetal
Classificação e caracterização qualitativa das fibras
Fibras vegetais
Fibras do caule
Fibras do floema
Linho (Linum usitatissimum)
Cânhamo (Cannabis sativa)
Juta (Corchorus capsularis)
Kenaf (Hibiscus cannabinus)
Rami (Bohemeria nivea)
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Fibras da
semente/fruto
Fibras da folha
Algodão (Gossypium)
Coco (Cocos nucifera)
Sisal (Agave sisalana)
Abacá (Musa textilis)
Palmeira
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• Fibras obtidas a partir do caule da planta: Linho, Cânhamo,
Juta, Kenaf e Rami
• As fibras provenientes do caule estão associadas ao tecido vascular de
floema e são constituídas por uma única faixa de fibras, com várias
camadas de espessura, localizadas na região periférica do cilindro central
das dicotiledóneas.
• As fibras são extraídas em feixes, constituídos por várias fibras individuais
continuamente sobrepostas
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Fibras obtidas a partir das folhas da planta: Sisal , Abacá
(banana), Palmeira
• As fibras provenientes das folhas, associadas aos tecidos vasculares, são
extraídas de plantas monocotiledóneas.
• Tal como as fibras de floema, são extraídas em feixes constituídos por várias
fibras elementares continuamente sobrepostas.
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• Fibras obtidas a partir da semente/fruto da planta:
Algodão e Coco
• As fibras de algodão e coco, não são mais do que pêlos
epidérmicos
provenientes
de
sementes
e
frutos,
respectivamente
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100
80
60
40
20
E-glass
sisal
coir
cotton
ramie
jute
hemp
0
flax
specific E-modulos [GPa]
E-glass
abaca
sisal
coir
cotton
ramie
jute
hemp
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
flax
specific tensile strength [Mpa]
• Propiedades Específicas
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• Utilização de Fibras Naturais de Origem Vegetal em
Materiais Compósitos
• As moderadas propriedades mecânicas das fibras naturais
condicionam o seu uso para aplicações de elevadas
exigências (onde os compósitos reforçados com fibras de
carbono são utilizados), mas por diversas razões podem
competir com as fibras de vidro.
• As vantagens e defeitos em termos de propriedades
determinam a sua escolha:
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Vantagens
As principais propriedades das fibras naturais de origem vegetal, provenientes de plantas de
crescimento anual, que as tornam efectivamente competitivas com as de vidro são:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
baixa densidade: as fibras de vidro possuem uma densidade cerca de duas vezes superior;
propriedades específicas, nomeadamente resistência e módulo à tracção específicos;
elevada relação comprimento/diâmetro;
natureza não abrasiva: não danificam as ferramentas nem são prejudicais à saúde;
possibilidade de maior fracção volúmica no compósito, devido à sua natureza não abrasiva;
facilmente recicláveis: a quantidade de dióxido de carbono (CO2) libertada durante a
combustão das fibras é exactamente a requerida para o crescimento da planta;
natureza renovável: disponíveis em grandes variedades e quantidades;
biodegradáveis;
baixo consumo energético e elevada flexibilidade no processamento dos compósitos;
excelentes propriedades isoladoras (acústicas , térmicas e eléctricas);
baixo custo;
boa reactividade.
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Defeitos
As fibras de origem vegetal possuem limitações que podem condicionar a sua utilização em
determinadas aplicações. As principais desvantagens da sua utilização são:
•
temperatura de processamento limitada: a componente celulósica das fibras degrada-se
rapidamente e irreversivelmente a temperaturas relativamente baixas, 200-300 ºC,
ocorrendo emissões voláteis, com consequente perda de cor e redução das propriedades
mecânicas do compósito;
•
elevada capacidade para absorção de humidade, devido à sua natureza hidrófila que, além
de comprometer a estabilidade dimensional dos compósitos (dilatação das fibras), cria
condições propícias para desencadear os processos de degradação biológica das fibras;
•
fraca adesão interfacial com alguns polímeros: a sua natureza altamente hidrófila torna-as
incompatíveis com polímeros de natureza hidrófoba. As fibras de vidro também possuem
baixa compatibilidade com as matrizes poliméricas;
•
qualidade variável, dependente de influências imprevisíveis como as condições
climatéricas, o que se traduz na variabilidade das propriedades físicas e mecânicas das
fibras;
•
preço variável.
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Principais processos usados na produção de
compósitos reforçados com fibras naturais
•
Moldação por prensagem a quente, matriz termo endurecível ou
termoplástica
•
RTM – Transferência de resina para o molde, matriz termo
endurecível
•
Injecção – matriz termoplástica
Exemplo de Moldação por prensagem a quente matriz, termoendurecível
(cânhamo/epoxy)
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Algumas Aplicações de Compósitos Reforçados com
Fibras Naturais de Origem Vegetal
Um grande numero de aplicações interessantes têm vindo a surgir
especialmente na indústria automóvel:
• Como exemplo pelo menos dezassete componentes do Mercedes classe
A são produzidos em compósitos reforçados com fibras de linho.
• A Ford, por sua vez, tem vindo a substituir as fibras de vidro pelas fibras
de cânhamo em alguns componentes.
Prevê-se que, na indústria automóvel e até ao ano de 2010, a utilização
das fibras vegetais experimente um crescimento de 50% ao ano.
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Componentes moldados para a industria automóvel,
reforçados com fibras de cânhamo
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Painéis interiores de automóveis reforçados com fibras de cânhamo,
fornecidas na forma de manta
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Carcaça de um ventilador reforçada com fibras de linho (vol. 21% linho),
obtida pelo processo SMC (Sheet Moulding Compound)
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Obrigado !
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