PTI 2011 - WORKSHOP DE PESQUISA, TECNOLOGIA E INOVAÇÃO
SENAI/DR-BA
Desenvolvimento de compósitos de polímero/partículas de
madeira (WPC´s) e estudo do comportamento de fratura
através do método EWF.
Laís Cerqueira *, Zora Ionara Gama dos Santos**
* Bolsista de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, [email protected]
** Mestre em Mestrado em Engenharia de Processos Orientador de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia
SENAI CIMATEC, [email protected]
Resumo
Estudos mostram que o uso de partículas de madeira como carga em
termoplásticos, em substituição aos tradicionalmente empregados tais como talco,
carbonato de cálcio e outros proporcionam, além do aumento da rigidez, resistência
mecânica e a diminuição na expansão térmica, traz vantagens perante a madeira
como: resistência a rachaduras e ao empenamento, não requer pintura, não
mancham, necessitam menor manutenção que as peças de madeira tradicional,
principalmente no caso de peças para aplicação ao ar livre. Esta variação das
propriedades está relacionada não somente à matéria prima, mas com a
morfologia/microestrutura do produto final que acaba governando as propriedades e,
por conseguinte, esta morfologia é fortemente influenciada pelas condições de
processo. Além disso, quando se trata de aplicação, o material é sujeito a
solicitações das mais diversas: mecânicas, térmicas, etc; é necessário entender
como as propriedades dos materiais mudam com o seu uso e pouco se sabe a
respeito da mudança nas propriedades nos compósitos polímero/madeira (Wood
Polymer Composites - WPC´s). Entretanto, para o uso destes materiais em
aplicações de engenharia, incluindo as situações estruturais, é importante entender
o processo de fratura dos mesmos.
Palavras chave: EWF, Compósitos, WPC.
1. Introdução
Atualmente, existe uma tendência em preparar compósitos, com o intuito de agregar
propriedades específicas de alguns tipos de cargas a matriz polimérica. Dentre estas
cargas destaca-se o uso de cargas lignocelulósicas, como as partículas de madeira,
em compósitos termoplásticos os chamados (WPC’s), substituindo os
tradicionalmente empregados tais como talco, carbonato de cálcio e outros
proporcionando, além do aumento da rigidez, resistência mecânica e a diminuição
na expansão térmica, trazendo vantagens perante a madeira como: resistência a
rachaduras e ao empenamento, não requer pintura, não mancham, necessitam
menor manutenção que as peças de madeira tradicional, principalmente no caso de
peças para aplicação ao ar livre [1, 2].Quando se trata de aplicação, os materiais
estão sujeitos a solicitações das mais diversas: mecânicas, térmicas, intemperismo,
etc; o que se faz necessário entender como as propriedades destes materiais,
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incluindo os WPC’s, mudam com o seu
uso [2]. Dai, para o uso destes materiais é
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importante entender o processo de fratura dos mesmos [3, 4 e 6].
Em 1996 Wu & Mai apresentaram um novo método da mecânica da fratura - a teoria
do método EWF (Trabalho Essencial de Fratura)- onde é proposto que quando um
sólido dúctil está sendo solicitado, o processo de fratura e a deformação plástica
ocorrem em duas regiões distintas.
W f = We + W p
Portanto, o trabalho de fratura total, , deve ser separado em duas partes, o trabalho
essencial de fratura ( We ) e o trabalho não-essencial de fratura (W p ). Assim o trabalho
de fratura total é dado por: Eq. (1)
W f = we tl + βw p l 2
O trabalho essencial de fratura é a energia dissipada na zona de processo de
fratura, corresponde ao trabalho necessário para criar duas novas superfícies e é
consumido no processo de fratura. Para uma dada espessura, este é proporcional
ao comprimento do ligamento, l, e enquanto que o trabalho não-essencial de fratura
(WWpp ) é a energia dissipada na zona plástica e é uma energia volumétrica e
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proporcional a l
, de forma que o trabalho de fratura total é reescrito da Eq. (1)
como: Eq.(2)
wf
e o trabalho total específico,
, é dado por:
 Wf 
 = we + βwpl
w f = 
 tl 
Eq.(3)
Onde: we ew p
são o trabalho essencial específico de fratura e trabalho não
essencial específico de fratura, respectivamente. β é o fator de forma da zona
plástica e t é a espessura do corpo de prova.
A literatura científica mostra um crescente interesse quanto ao uso do método EWF
na avaliação da tenacidade de blendas poliméricas, porém o uso deste método em
compósitos ainda se mostra incipiente. Diante disso o objetivo deste trabalho é
avaliar a possibilidade de aplicar este método ao compósito de polipropileno com
partículas de madeira e a influência de um agente de acoplamento sobre os
parâmetros do EWF.
2. Metodologia
Neste trabalho foi utilizado como matriz um polipropileno (PP) como fase dispersa
partículas de madeira, proveniente de resíduo de serragem e um agente de
acoplamento (Orevac CA 100).
Os compósitos foram preparados em uma extrusora dupla rosca Foram testadas 3
composições: PP puro (PP); PP com 5% de madeira (PP/M) e PP com 5% de
madeira e 10%, em relação ao teor de madeira, de agente de acoplamento PP-MMA
(PP/M/MMA ). Após extrusão foram confeccionadas placas, e estas foram
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entalhadas adquirindo formato do tipo DENT (entalhados duplamente nas faces
opostas). A profundidade do entalhe foi variada de acordo com o comprimento de
ligamento (l) desejado, sempre buscando obedecer ao protocolo ESIS/EWF. Para
cada lote de amostras o comprimento do ligamento foi variado em 7 (sete) níveis. O
ensaio de tração foi executado em uma máquina universal do tipo Emic, modelo DL
2000 operando com uma velocidade de 1mm/min.
3. Resultados e Discussão
As curvas que estão representadas na Fig. 2 mostram a relação da força e
deslocamento, obtidos do ensaio de tração unidirecional, correspondente à matriz de
polipropileno puro (Fig. 3a), ao compósito de matriz PP como 5% de partículas de
madeira (Fig. 3b) e ao compósito de PP com 5% de partículas de madeira e 10% de
agente de acoplamento ((Fig. 3c). Através destas curvas pode-se verificar excelente
similaridade entre elas para todos os comprimentos referentes ao PP e para o
compósito sem agente de acoplamento. Porém esta similaridade é menos
expressiva entre alguns comprimentos de ligamento apresentados pelo compósito
contendo agente de acoplamento (Fig. 3c) o que não inviabiliza a aplicação do
método, visto que essa similaridade está presente para maioria dos comprimentos
de ligamento desta composição [4, 5, 7-9].
(a)
Figura 1: Curvas de força versos deslocamento
para matriz PP puro (a), compósito de PP com
5% de partículas de madeira (b) e compósito PP
com 5% de partículas de madeira e 10% de agente
de acoplamento (c).
(b)
(c)
4. Conclusões
O método EWF apresenta-se de forma eficiente como alternativa aos testes
convencionais de medidas de tenacidade à fratura de materiais compósitos de matriz
termoplástica com partículas de madeira. Visto que foi possível atender aos critérios
estabelecidos pelo protocolo ESIS/EWF para os comprimentos de ligamento
estudados. Onde se obteve similaridade das curvas força versos deslocamento e
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5. Referências
M. Zanin, C. Desiderá, A. Logarezzi, C. A. Correa. In: IX Encontro Nacional de Tecnologia do
Ambiente Construído. 2002, CDROM.
F. J. X. Carvalho. Plast. Refor. 2006, 50, 40.
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M. Heino, P. Hietaoja, J. Seppãlã, T. Harmia & K.-J Friedrich. Appl. Polym. Sci. 1997, 66, 2209.
J. Wu & Y.-W, Polim. Eng. Sci., 1996, 36, 2275.
S. C. Tjong, S.-A. Xu. R. K.-Y. Li. Y.-W. Mai. Comp. Sci. Tech. 2002, 62, 2017.
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F. M. Peres, Tese de Doutorado, Politécnica da Universidade de São Paulo, 2009.
H. Zhang, Z. Zhang, J-L. Yang, K. Friedrich. Polymer, 2006, 47, 679.
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