8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007
O USO DE CARGA HÍBRIDA NA CONFIGURAÇÃO DE TUBOS DE PRFV
Luiz C. F. S. *, Eve M. F. A. **
*
UFRN - Programa de Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais - Campus Universitário – Lagoa Nova –
Natal/ RN – CEP: 59072-970, **UFRN – CT - Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica, - Campus
Universitário – Lagoa Nova – Natal/RN – CEP: 59072 - 970
E-mail: [email protected]* - [email protected]**
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma configuração alternativa para tubos de Plástico
Reforçado com Fibras de Vidro (PRFV). Para isto foi idealizada uma configuração híbrida composta de uma matriz
à base de poliéster reforçada com fibras contínuas de vidro e na forma de manta, juntamente com uma carga
alternativa, sendo esta oriunda de dois tipos diferentes de resíduos: um oriundo de indústria moveleira e o outro do
endocarpo do Cocos Nucífera Linn. A configuração foi inicialmente desenvolvida na forma de placa e fabricada
industrialmente. A Granulometria utilizada para a carga híbrida, em peso, foi na proporção 50/50 de cada resíduo
utilizado, ou seja, endocarpo/madeira. A relação entre a resina e a carga foi de 65/35, isto é, 65% para a resina e 35%
de carga que gerou a relação para a fabricação de 480g de resina e 260g de resíduo. Para a caracterização do
endocarpo seco realizou-se os ensaios de difração de Raio-x, DTA e TG e análise microestrutural através de estudos
micrográficos. As propriedades mecânicas (resistência e rigidez) foram estudadas através do ensaio de tração
uniaxial nos estados seco e úmido saturado. Para tanto, um ensaio preliminar de absorção de umidade se fez
necessário.
Palavras Chave: endocarpo, Cocos Nucífera Linn, resíduos de madeira, compósito híbrido.
INTRODUÇÃO
A utilização de resíduo como carga em compósitos não é novidade no meio científico e tecnológico, porém a
inovação está na criação de alternativas produtivas utilizando os diversos resíduos da civilização atual para gerar
emprego, renda, desenvolvimento econômico e social, principalmente em países de terceiro mundo. Nesse sentido a
utilização dos materiais lignocelulósico tem propiciado um novo campo de análise e experimentação nos últimos
tempos. Os resíduos de base florestal não foram totalmente explorados e sua aplicação ainda requer estudo de
viabilidade econômica, é o caso do endocarpo do coco seco cujas propriedades ainda não foram amplamente
discutidas e há poucos trabalhos publicados nessa direção. Dessa forma, o endocarpo do Cocos nucífera L. é um
material que precisa de investigações e aplicações mais definidas, considerando as características que ele apresenta, é
extremamente duro, resistente a ação de microorganismos, lustroso e, principalmente, é abundante na região nordeste
do Brasil e que produz cerca de 85,6% da produção de coco no país. [1]
A utilização de resíduo de madeiras e móveis se impõe, naturalmente e forçosamente, haja vista a quantidade de
material que a cada ano é devolvido ao ambiente como desperdício. Ademais, a indústria moveleira e as de derivados
de produtos madeireiro no Brasil estão passando a sofrer um déficit na matéria-prima gerado pela demanda crescente
e a diminuição da oferta da madeira [2]. Mas a demanda é crescente. Hoje os produtos derivados do setor madeireiro
brasileiro não se resumem apenas a fabricação de móveis, mas também, de papel e celulose, embalagens, estruturais,
siderurgia e outros. Essas diversificações dos produtos geram uma maior alternativa para o mercado, mas também
uma exigência de uma maior oferta de matéria-prima [2]. Os plásticos reforçados já representam uma consolidação
no mercado mundial, mas alternativas tem sido procurada de forma que se possa combinar o consolidado mercado do
plástico reforçado e a problemática dos resíduos industriais. Uma dessas alternativas está sendo apresentada neste
trabalho que visa analisar a utilização de uma configuração híbrida formada de resíduos de fábrica de móveis e
madeira e o endocarpo seco visando uma possível aplicação em tubulações industriais.
Sendo assim, fabricou-se, inicialmente, uma placa híbrida reforçada de fibra de vidro com carga híbrida formada
pelo endocarpo seco e resíduo de madeira e móveis. A idéia inicial de se estudar a configuração proposta na forma de
placa, se deve à necessidade de se conhecer o desempenho mecânico das interfaces (sua distribuição) do laminado
frente a diversos tipos de cargas e condições ambientais adversas, como por exemplo, excesso de umidade. A placa
foi fabricada na TECNIPLÁS, indústria de plástico reforçado localizada na cidade São Gonçalo do Amarante no Rio
Grande do Norte, Brasil.
MATERIAIS E MÉTODOS
O endocarpo do cocos nucífera Linn
O endocarpo utilizado neste trabalho de investigação foi obtido na indústria de alimentos que beneficiava o coco
na obtenção de leite de coco e coco ralado desidratado, basicamente. Como não existia nenhuma classificação dos
tipos de cocos adquiridos, se do tipo anão, híbrido ou gigante, buscou-se os frutos classificados pela Empresa
Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMPARN), sede em Natal/RN, para que fosse feito a caracterização dos
endocarpos. Essa caracterização teve como objetivo verificar se nos tipos de endocarpos do coco seco comprados
pela indústria teriam algumas diferenças que pudessem alterar as propriedades físicas e mecânicas da placa fabricada.
Para isso, inicialmente foram realizados os ensaios de caracterização de Difração por Raio-X, Análise TermoDiferencial (DTA) e Análise Termogravimétrica (TG). Os ensaios de DTA e TG foram realizados na faixa de
temperatura de 0 a 500ºC, com atmosfera em ar ambiente e taxa de aquecimento – 10ºC/min. Os endocarpos
utilizados nesse estudo foram dos tipos anão e gigante. Os mesmos foram limpos, removidas as fibras, colocados em
água salina por quinze dias e depois secos ao ar ambiente, quebrados e moídos em moinhos de anéis até a
granulometria desejada.
O resíduo de madeira e móveis
Os resíduos foram obtidos em empresa do ramo moveleiro da cidade de Natal/RN. Os mesmos são colocados à
disposição de interessados uma vez que não há projeto de reutilização destes resíduos. Todo material é empilhado
produzindo uma grande variedade de material residual. Dessa forma o material é classificado como um resíduo de
derivados do produto de madeira processada, tais como, MDF, HDF, Chapas de Madeiras Aglomeradas e madeiras
de utilização estrutural, como freijó, massaranduba e outras. A empresa fabrica móveis por encomenda e adquire sua
matéria-prima em indústrias da região sul e sudeste do Brasil. O resíduo, após limpo, foi conduzido ao processo de
moagem para se obter partículas com a granulometria desejada. Foi utilizado o moinho de esferas que atendeu
satisfatoriamente a produção do material particulado.
A placa híbrida
A placa híbrida trata-se na verdade de um compósito híbrido na forma de plástico reforçado. A hibridização é
caracterizada pela presença de tipos de reforços diferentes. Sua composição, em termos de reforço, é de fibra de
vidro/E contínua (roving) e manta de fibras curtas de vidro/E (450gr/m2 - 5cm). Como matriz é utilizada a resina de
poliéster insaturado ortofitálica. Como carga usou-se a mistura híbrida de resíduos de produtos de madeiras e
endocarpo do coco seco. Foi usado, também, véu de fibras de vidro/E como separador entre as camadas de reforço de
fibras de vidro e da carga híbrida. Neste ponto o véu é utilizado como separador entre a carga e os fios contínuos,
uma vez que a carga não pode ser colocada diretamente sobre os fios, pois poderia ocasionar uma dispersão dos
resíduos (carga) pelas camadas e influenciando diretamente na espessura da mesma. Ressalta-se que a função da
camada de carga (resíduos) é a de aumentar a rigidez do tubo e que resultaria em uma maior eficiência com a
espessura da mesma bem definida.
A placa foi fabricada na TECNIPLÁS Nordeste Plásticos Reforçados LTDA, localizada em Natal/RN. A
granulometria Utilizada foi de resíduos que ficaram na peneira de 10 a 27 Mesh, com 520g em peso na proporção
50/50 de cada resíduo, ou seja, endocarpo/madeira. A relação entre a resina e a carga foi de 65/35, isto é, 65% para a
resina e 35% de carga que gerou a relação para a fabricação de 480g de resina e 260g de resíduos. A placa foi
fabricada pelo Método Hand-Lay-Up. A mesma foi curada à temperatura ambiente e posteriormente foi cortado nas
dimensões finais de 50 x 50 cm, sendo encaminhada para o corte dos corpos-de-prova. A figura 1 representa
esquematicamente a configuração adotada e a figura 2 mostra a placa fabricada.
Manta
Fios contínuos
Véu
Carga
Fios contínuos
Figura 1 - Configuração ilustrativa da placa híbrida
Figura 2 – Placa híbrida de PRFV e carga híbrida
A caracterização do endocarpo
O ensaio de difração foi realizado através do método do pó, com os grãos abaixo de 50µm, varredura de 5 a 60º,
com tubo de cobre com a voltagem e corrente de 30,0kV e 30,0 mA, respectivamente, nas mesmas condições de
ensaio para o endocarpo anão e o gigante.
A termogravimetria (TG) teve como objetivo avaliar a perda de massa ante a variação de temperatura para os dois
tipos de endocarpo e se eles se degradam com o mesmo comportamento. No ensaio de TG foi usado o detector TGA
- 50H, com a atmosfera em ar ambiente, com taxa de 50,00ml/min, a taxa de temperatura de 10ºC/min, dentro de
uma faixa de temperatura de 0º até 500ºC.
O estudo micrográfico teve como objetivo principal verificar a existência de diferenças entre os endocarpos em
relação a sua microestrutura, o que impossibilitariam de serem utilizados juntamente nesta proposta de trabalho.
Neste sentido, as amostras foram devidamente limpas, lixadas e polidas para que fossem realizadas as análises.
O ensaio mecânico de tração uniaxial
Este ensaio tem como finalidade a análise das propriedades mecânicas de resistência e rigidez da placa híbrida
submetida uma carga axial de tração. O ensaio seguiu as orientações normativas da ASTM 3039 / D 3039M – 00 e
foi realizado tanto para o estado seco quanto de úmido saturado. O mesmo foi realizado em uma máquina de ensaio
mecânico Shimadzu, AG-I, 100kN e a velocidade de 1mm/min. Os corpos de prova foram cortados por meio de serra
circular com fio diamantado, aparadas as arestas, lixados e polidos. As dimensões finais apresentaram um
comprimento de 182,00mm e foram ajustados na máquina com uma distância entre as garras (galgo) de 127,00 mm.
A velocidade de ensaio foi de 1 mm/min. 08 corpos de prova foram ensaiados, com 05 selecionados com fraturas
dentro do galgo.
O ensaio de absorção de umidade
Devido à possibilidade de aplicação da placa híbrida em tubulações industriais, a necessidade de se conhecer o
comportamento mecânico da mesma frente a condições ambientais adversas, como no presente caso o contato
excessivo com meio aquoso, um ensaio preliminar de absorção de umidade no material é de extrema importância. O
mesmo serve de base para um melhor entendimento dessas propriedades já que o índice de absorção no estado
saturado fica previamente definido. O ensaio de absorção de umidade na placa híbrida seguiu a norma ASTM D 570
- 95. A tabela 1 mostra as dimensões dos corpos de prova.
Tabela 1: Dimensões dos corpos de prova para o ensaio de absorção de umidade em valores médios
DIMENSÕES
DP
L (mm)* DP** C# (mm)
Absorção
26,67
0,336
74,63
1,335
*
largura; ** desvio padrão; # comprimento; ## espessura.
ENSAIO
E## (mm)
8,08
DP
0,253
QUANTIDADE
05
ANÁLISE DOS RESULTADOS
Caracterização dos endocarpos
No que se refere a caracterização dos endocarpos a figura 3 representa o difratômetro comparativo entre os dois
tipos de endocarpos e como se observa pelo difratograma não existe nenhuma diferença entre os perfis apresentado
quer seja o endocarpo do tipo anão ou gigante. O mesmo indica a presença de duas fases distintas. Uma sendo
indicativo da fase cristalina e outra indicando uma fase amorfa para ambos os tipos de endocarpos. Essa pela
provável presença de lignina e hemicelulose e a outra pela presença de celulose, comuns nos materiais
celulósicos.[3]
D IFR A TO GR A M A CO M PA R ATIV O
EN D O CA R PO SECO A N Ã O x EN D O CA R PO SEC O G IG A NTE
350
INTENSIDADE
300
250
200
EN D OC A R PO AN Ã O
EN D OC A R PO GIG A NTE
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
2TETA (G RAUS)
Figura 3 – Difratograma comparativo entre os endocarpos secos
Na análise termogravimétrica, figura 4 indica que os endocarpos apresentam o mesmo comportamento quanto à
ação da degradação sob a ação do aumento progressivo da temperatura.
A tabela 2 mostra a variação da perda da massa para os dois tipos de endocarpos secos com a respectiva faixa de
temperatura associada da curva termogravimétrica.
As curvas DTA para os endocarpos, representadas pelas figuras 5(a) e (b) abaixo, mostram que ambos tiveram o
mesmo comportamento nas condições do ensaiado realizado. A tabela 3 relaciona as perdas de massa e com os
processos térmicos gerados, caracterizados como exotérmicos
Do exposto, podemos observar que o DTA do endocarpo seco do tipo anão quanto o do tipo gigante apresentaram
o mesmo perfil, indicando que não existe nenhuma diferença entre os endocarpos secos quando submetido às
mesmas condições de ensaio. Ambos os perfis têm o mesmo comportamento em relação à linha de base e,
provavelmente, apresentaram a mesma capacidade calorífica [4], [5] e [6], como também poderão apresentar o
mesmo comportamento em relação à transição vítrea [6]. Não foi observado na curva DTA qualquer pico seja
exotérmico ou endotérmico na faixa de temperatura de degradação da lignina, esta, indicada pela curva TG. Outro
aspecto a ser observado é que os picos exotérmicos indicam que as amostras tanto a do endocarpo seco do tipo anão
quanto a do tipo gigante tiveram o mesmo comportamento frente a amostra de referência do ensaio DTA, ou seja, as
amostras elevaram suas temperaturas, liberaram o calor gerado continuamente até a finalização do ensaio. Isso se
deve provavelmente ao comportamento de alguns materiais lignocelulósicos utilizados para gerar energia térmica
como é o caso dos endocarpos secos do coco. [7], [8] e [9].
5 .0
C u r v a T e r m o g r a v im é tr ic a
C o m p a r a tiv o e n tr e o s e n d o c a r p o s s e c o s
4 .5
4 .0
MASSA (mg)
3 .5
3 .0
2 .5
2 .0
1 .5
1 .0
E N D O C A R P O S E C O D O T IP O G IG A N T E
E N D O C A R P O S E C O D O T IP O A N Ã O
0 .5
0 .0
0
100
200
300
400
500
T E M P E R A T U R A (ºC )
Figura 4 – Curva Termogravimétrica comparativa
Tabela 2 - Comparativa da perda de massa em função da temperatura entre os endocarpos secos
ENDOCARPO TIPO ANÃO
Perda de Massa
(mg)
0,037
0,298
1,889
0,637
0,878
0,158
(%)
1,02
7,64
47,99
16,18
22,30
0,40
Faixa de temperatura(ºC)
0 – 30,42
30,66 – 225,26
225,26 – 338,26
338,26 – 410,93
410,93 – 424,93
424,93 – 497,37
Figura 5(a) – DTA do endocarpo seco do tipo anão
ENDOCARPO TIPO GIGANTE
Perda de massa
(mg)
0,002
0,318
1,902
0,694
0,422
0,232
(%)
0,0005
8,6
51,34
18,73
11,39
6,26
Faixa de temperatura(ºC)
0 – 39,26
39,26 – 223,76
223,76 – 334,82
334,82 – 418,91
418,91 – 451,87
451,87 – 499,7
Figura 5(b) – DTA para o endocarpo seco do tipo gigante
Tabela 3 – Comparativa TG – DTA para endocarpo seco
CURVA TG
CURVA DTA
Faixa de Temperatura(ºC)
Endocarpo gigante
Endocarpo Anão
39,26 – 96,39
30,42 – 98,51
Reações
Exotérmica (água adsorvida)
96,39 – 223,76
98,51 – 225,26
Exotérmica (sem perda de massa significativa)
223,76 – 334,82
225,26 – 338,26
Exotérmica (hemicelulose)
334,82 – 418,91
338,26 – 410,93
Exotérmica (celulose)
418,91 – 451,85
410,93 – 424,93
Não há ocorrência de picos exotérmicos ou endotérmicos
451,87 – 499,70
424,23 – 497,37
Não há ocorrência de picos exotérmicos ou endotérmicos
Quanto a análise da micrografia as figuras 6(a) e (b), abaixo, mostram a estrutura internas, dos endocarpos secos
do tipo gigante e anão respectivamente. Pode-se observar que tanto o endocarpo do tipo anão quanto o do tipo
gigante são formados por células individuais que se agrupam e se adequam nas formas circulares e alongadas e ficam
imersas em um constituinte que garante a coesão e rigidez do endocarpo seco. É possível que esta coesão seja
proveniente ou é da própria lignina, porém esta verificação foge ao escopo deste trabalho.
a
b
Figura 6 – Micrografia do endocarpo seco gigante (a) e Micrografia do endocarpo seco anão (b)
Ensaio de absorção de umidade
A curva de absorção de umidade obtida para a placa híbrida é apresentada na Figura 7. Esta mostra a
característica de um comportamento inicial linear, seguido por um decréscimo contínuo da taxa de absorção
(inclinação da curva), conduzindo a estabilidade (saturação). O tempo total para saturação da umidade foi de 392
dias e percentual máximo de 2,83%. Esse comportamento tem a mesma curva característica da maioria dos
compósitos laminados poliméricos híbridos ou não híbridos [10], significando que a carga híbrida idealizada tem um
comportamento semelhante em temos de absorção de umidade. Ressalta-se, porém, que teor de absorção é baixo
quando comparado a esses compósitos fibrosos, provavelmente devido ao comportamento da lignina e a
configuração da placa híbrida, ou seja, com mantas de fibras de vidro/E nas camadas externas. [11]
3 .5
E N S A IO D E A B S O R Ç Ã O
P L A C A H ÍB R ID A
3 .0
ABSORÇÃO (%)
2 .5
2 .0
1 .5
1 .0
0 .5
0 .0
0
100
200
300
400
D IA S
Figura -7: Diagrama de absorção de umidade até o estado de saturação.
Propriedades mecânicas – Tração uniaxial - Estados seco e úmido saturado
Quanto ao ensaio de tração uniaxial a figura 8 (a) e (b) mostra os diagramas tensão-deformação dos corpos de
prova ensaiados para os estados seco e úmido saturado. Para os dois estados o material apresenta a tendência ao
comportamento linear entre a tensão e a deformação.
Essa característica é importante quanto à pretensão de se modelar o comportamento frente ao carregamento de
tração, principalmente no que diz respeito ao cálculo das tensões interlaminares. Essa também é uma característica
dos compósitos poliméricos a base de fibras de vidro, significando que a carga híbrida não tem a finalidade de
suporte da carga aplicada (responsabilidade do reforço) e sim de influenciar na rigidez através do controle da
espessura.
Quanto ao caso da placa úmida manter essa característica se deve ao pouco percentual de absorção de umidade na
mesma. Além disso, observa-se que a ação da água durante o ensaio de absorção de umidade não geraram
degradação no compósito híbrido haja vista que os resultados apontam para essa tendência e corroborado pelo
próprio resultado de absorção, já apresentado no item anterior.
Outro fator que pode ter influenciado no perfil dos diagramas, mantendo-o linear em ambos os casos é o fato de
que a carga híbrida, no caso específico do endocarpo seco, não sofreu o intumescimento que ocorre normalmente nas
fibras lignocelulósicas, fazem-na inchar e alterar suas dimensões e se deteriorar, limitando assim as propriedades
verificadas nos ensaios de tração uniaxial [12]. Todavia, a parte da carga híbrida que influenciaria no comportamento
mecânico do compósito híbrido, ora em estudo, é a parte do resíduo de madeira usado neste trabalho, no entanto
como ele se encontra disperso juntamente com o endocarpo seco ele produz uma menor área superficial do que se
estivesse sozinho no conjunto híbrido e isso acarreta uma menor absorção de umidade por esse componente.[13]
250
250
PLACA HÍHRIDA
ESTADO ÚMIDO
PLACA HÍBRIDA
ESTADO SECO
200
TENSÃO (MPa)
TENSÃO (MPa)
200
150
100
150
100
50
50
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
DEFORMAÇÃO (%)
(a)
8
0
1
2
3
4
5
6
7
8
DEFORMAÇÃO (%)
(b)
Figura 8 (a) e (b) – Diagrama Tensão-Deformação
Propriedades mecânicas – Estudo comparativo
A tabela 4 mostra um comparativo entre as propriedades obtidas nos ensaios de tração uniaxial da placa híbrida
nos estados seco e úmido. Os resultados são apresentados em valores médios e em parênteses estão os desviospadrão de cada resultado e na última coluna é apresentada a variação entre os dois estados para cada parâmetro
obtido.
Destaca-se que a redução obtida para o módulo de elasticidade longitudinal na tração na condição de saturação de
umidade em relação à condição seca foi de apenas 9,3% e que a variação da tensão máxima foi de apenas 5,03%.
Outro aspecto a ser considerado é o nível de tensão obtida nos ensaios tanto no estado seco quanto no úmido as
tensões obtidas são superiores a alguns compósitos híbridos com carga de matérias lignocelulósicos. Isso é devido,
provavelmente, a boa adesão entre a carga hibrida/matriz/fibra, já que nas fibras lignocelulósicas a mesma é
comprometida, [13] [14] principalmente quando em imersão em meio aquoso. Dessa forma a configuração proposta
atende tanto em meio seco quanto ao meio úmido mantendo a variação em cerca de 5% para as propriedades
apresentadas.
Tabela 4 – Comparativo entre os estados seco e úmido nos ensaios de tração uniaxial
Parâmetros
Tensão Ruptura (MPa)
Módulo de elasticidade (GPa)
Estado seco
156,502 / 16,819
2,45 / 98,98
Estado úmido
148,631 /12,416
2,22 / 143,34
Variação (%)
- 5,03
- 9,3
CONCLUSÕES
1- A primeira conclusão remete para a caracterização dos endocarpos avaliados. Neste sentido, pode-se concluir a
partir dos ensaios realizados, isto é, o DRX, TG, DTA e os micrograficos informam que os endocarpos não
apresentam diferenças em suas constituição que pudessem alterar as propriedades analisadas. Essa conclusão é de
extrema importância, pois significa que os endocarpos podem ser usados como carga sem a necessidade de uma
seleção prévia.
2 - No que diz respeito à absorção de umidade da placa híbrida observou-se que os valores ficaram abaixo de 3%
o qual é considerado baixo quando comparado com alguns compósitos laminados a base das fibras lignocelulósicas
utilizadas como cargas e/ou reforço.
3- Quanto ao comportamento mecânico da placa híbrida frente ao carregamento de tração uniaxial, o mesmo
apresentou a característica de linearidade tanto no estado seco quanto úmido saturado.
4 – No que diz respeito à influência da presença da umidade no comportamento mecânico da placa híbrida
concluí-se a mesma mostrou boa estabilidade uma vez que não foram registradas grandes variações nos resultados do
obtidos, conforme tabela 4.
Sendo assim, a configuração alternativa idealizada nesse trabalho de investigação para tubos de plástico reforçado
com fibras de vidro (PRFV), nas condições dos ensaios realizados, indica que a mesma se mostrou adequada para a
sua utilização tendo em vista as condições de estabilidade apresentadas nos ensaios de tração uniaxial para os estados
seco e úmido saturado. Porém é necessário um aprofundamento dos estudos, no que se refere à geometria e outros
tipos de carregamentos, de forma a se ter uma opinião conclusiva e definitiva no que se refere a utilização em
tubulações industriais.
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