Aplicação de Fibras a base de Celulolose em Resinas Poliuretanas para produção de solados de Calçados Application of Fiber found Cellulose in polyurethane resins for production of shoe soles Monteiro Bastos, Thayná; Graduando; Faculdades Integradas Teresa D’Ávila (FATEA) [email protected] Batista Ribeiro, Rosinei; Dr; Faculdades Integradas Teresa D’Ávila (FATEA); Escola de Engenharia de Lorena (EEL-USP); Centro Universitário de Volta Redonda (UNIFOA) [email protected] Yokosawa, Mary; Dra. Faculdades Integradas Teresa D’Ávila (FATEA) [email protected] Resumo Os compósitos com fibra natural têm sido usados nos mais diferentes mercados pela sua diversidade na produção e no desenvolvimento de projeto de produto. Este trabalho pretende avaliar a aplicação da resina poliuretana com celulose a 10, 20, 30, 40 e 50% de carga e verificar seus potenciais para a aplicação em solados de calçados, utilizando conceitos de design sustentável. Palavras Chave: Nanocompósiitos, Design de Produto, Engenharia de Materiais, Abstract The composites with natural fibers have been used in many different markets by its diversity in production and development of product design. This work wants to consider the application of polyurethane resin with cellulose in 10, 20, 30, 40, and 50% of load and check their potential for application in shoes soles, using concepts of sustainable design. Keywords: Nanocomposites, product design, materials engineering Aplicação de Fibras a base de Celulose em Resinas Poliuretanas para produção de solados de Calçados Introdução É necessário uma integração entre design e engenharia de materiais garantindo já na concepção da metodologia de projeto de produtos soluções que viabilizem fatores positivos a indústria e aos consumidores. É de capacidade da engenharia de materiais, atuar na área de pesquisa e desenvolvimento de materiais estudando a estrutura, propriedades, desempenho, processamento e aplicação dos materiais na indústria, orientado a obter o melhor desempenho para sua aplicabilidade. Essa inovação de materiais que vivenciamos sugere uma abertura de possibilidades e otimização de recursos, tornando a escolha dos materiais quase ilimitada. Para os designers quanto ao projeto de produto isso sugere utilizar os materiais e métodos de fabricação como fatores de inovação. Os materiais devem ser vistos como um estímulo á criatividade em sua aplicação, podendo ser utilizado como uma forma de sedução ao produto. A escolha dos materiais e dos processos de fabricação torna-se caracterizador do conceito do produto e não somente se limitando a um problema de engenharia gerando possibilidades e inovação com referência ao design (LESKO 2004). No meio acadêmico, conceitos como ecodesign e análise do ciclo de vida (ACV) têm promovido uma releitura nas técnicas de concepção, projeto e produção industrial de bens (BYGGETH; BROMAN; RÒBERT, 2007). Através do Ecodesign, - Design for enviroment (DfE), busca determinar a menor interferência sobre o meio, aumentando o uso de fontes renováveis a sua produção(SILVA 2005). Para Venzke (2002), ecodesign é uma técnica de projeto de produto em que objetivos tradicionais, tais como desempenho, custo da manufatura e confiabilidade, surgem conjuntamente com objetivos ambientais, tais como redução de riscos ambientais, redução do uso de recursos naturais, aumento da eficiência energética e da reciclagem. Uma das práticas de ecodesign constitui na escolha de materiais de baixo impacto ambiental. Os calçados que se incluem ao desenvolvimento sustentável, estão no mercado em sua minoria, mas verificamos um crescimento gradual de usuários que se interessam por esses produtos (SILVA 2005). Em muitos trabalhos tem-se observado o desenvolvimento de produtos a partir das fibras celulósicas (resíduos vegetais) de juta, sisal, linho, banana, bambu, madeira, palmeira, coco em reforço em polímeros termorrígidos ou termoplásticos, conforme a característica do produto e da região (FUNG et al., 2003; MATTOSO, 1999; HERRERA-FRANCO e VALADEZ-GONZÁLEZ, 2004). Dentre estes polímeros os quais são empregados reforços de fibras usa-se o poliuretano com grande demanda na produção de solados de calçados, devido à alta resistência à abrasão, flexão e rasgo, elasticidade e flexibilidade mesmo em temperaturas baixas, são termofixos e isolantes térmicos de baixa densidade que permite injeção direta em cabedais. Além dessas propriedades o processo de fabricação é simples, pois utiliza-se apenas intermediários líquidos e caracteriza-se por moldar formas complexas. O principal objetivo de estudo ultimamente é a produção de compósitos derivados de biopolímeros e fibras naturais, criando assim materiais totalmente biodegradáveis. Assim, a classe dos biocompósitos pode ser considerada como o novo material do século 21, representando a solução parcial para muitos problemas ambientais. (MOHANTY, 2005) A atratividade para os usos das fibras e possíveis estudos dos nanocompósitos traduz nas estruturas dos produtos e nas características dos materiais as seguintes possibilidades: redução do custo do produto por meio da combinação com material de baixo custo, atuando como enchedor, com material de custo elevado, desenvolvimento de materiais com conceito 9º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design Aplicação de Fibras a base de Celulose em Resinas Poliuretanas para produção de solados de Calçados de sustentabilidade e passíveis de reciclabilidade; e produzir um material compósito que determine alta resistência e propriedades específicas superiores aos componentes isolados (ABU-SHARKH e HAMID, 2004). A celulose pode ser utilizada como matéria-prima para produção de um grande número de derivados de produtos e acessórios. A função da celulose é realizar a acetilação heterogênea da fibra de linho para diminuir a alta polaridade das fibras naturais, visando seu uso como reforço estrutural ( FRISONI et. al., 2001; FALES e ACEVEDO, 1998). A lignina é o componente que dá rigidez à planta, o que pode ser explicado pelo alto teor de aromáticos em sua complexa estrutura. Ela age como impermeabilizante e controla a passagem de água pela parede celular, além de proteger contra ataques biológicos, impedindo penetração de enzimas. A lignina é a “cola” que une as fibras celulósicas, conferindo à madeira rigidez e resistência ao impacto. É um copolímero termoplástico de elevado peso molecular, com temperatura de transição vítrea (Tg) próxima a 90°C. Não é hidrolisada por ácidos, mas é solúvel em álcali aquecido (MOHANTY, 2005) (WOOL, 2005). Metodologia Planejamento das Misturas, variando a composição de PU Lignina e Celulose a 10, 20, 30, 40, 50 % de carga no Laboratório de Biotenologia EEL-USP; Preparação Materialográfico que será realizada no Laboratório de Microscopia de Materiais EEL-USP em parceria com o Laboratório de Análise de Imagens de Materiais do Departamento de Tecnologia e Materiais FEG-UNESP; Microscopia Eletrônica de Varredura foi realizada no Laboratório de Microscopia Eletrônica no Departamento de Engenharia de Materiais – EEL-USP. Os objetivos da microscopia foram: caracterização da morfologia dos nanocompósitos, distribuição das partículas, fração volumétrica e quantidade. Microdureza - O ensaio tem como objetivo relacionar as mudanças microestruturais induzidas pela diferente composição química dos compósitos reforçados pelas fibras naturais, serão realizados no Laboratório de Microscopia de Materiais – Departamento de Engenharia de Materiais -EEL-USP, Ensaios de Flexão serão realizados sob velocidade de 2,8mm.mim-1 com no mínimo 5 corpos de prova, com dimensões de 13mm de largura, 130mm de comprimento e 6,0 mm de espessura. O método adotado será o de 4 pontos de carregamento a ¼ do ponto. Ensaios de cisalhamento “short-beam” será realizado numa maquina universal de ensaios com velocidade de 1,3 mm.mim.-1 e com dimensões do corpo de prova com espessura o de 3,2mm, comprimento de 19,2mm e largura de 6,5mm. O ensaio visa determinar os modos de falhas dos compósitos e o comportamento interlaminar, de acordo com a norma ASTM D 2344-2000. Metodologia de Projeto de Produto, de acordo com a análise de similares, a composição adequada do material, estudos ergonômicos, conceitos de ecodesign e design para Montagem, será desenvolvido um solado que atenda aos requisitos funcionais, estéticos e que garanta conforto ao usuário. Modelamento 3D, Será relizado o estudo de modelagem 3D no Laboratório de Materiais, Texturas e Modelamento da Faculdades Integradas Teresa D’Ávila (FATEA) por meio do uso do programa SolidWorks com a aplicabilidade da ferramenta Cosmos e o desenho técnico. 9º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design Aplicação de Fibras a base de Celulose em Resinas Poliuretanas para produção de solados de Calçados Resultados Foi realizado um estudo exploratório de planejamento das misturas da resina PU com variações de celulose e lignina em 10, 20, 30, 40, 50% de carga em função das propriedades e microestrutura, os resultados preliminares obtidos pela microscopia eletrônica de varredura foram: 20% lignina apresenta mudanças na morfologia, que contribui na maleabilidade do material, em contrapartida a mistura com a celulose a partir de 30 % em sua composição proporciona alterações significativas em sua forma estrutural (morfologia da partícula) ocasionando o aumento na maleabilidade e ductilidade do material, a lignina junto com a celulose a 20% misturado ao PU gera uma mistura com melhores propriedades quanto a maleabilidade apresentando menos fraturas no material. Percebe-se que a função do design também é de gerar aplicações para os novos materiais que a engenharia de materiais proporciona, e trabalhar sinergicamente essas duas áreas de desenvolvimento possibilitando inovação técnico-cientifica para a sociedade. Assim há indícios que a utilização deste material para a confecção de solados seja plenamente atendidas ao design proposto, que será um solado para calçado visando conforto, no caso temos como similares chinelos e rasteiras. Dessa forma verifica-se que o maior desafio do design atual é aliar materiais, métodos de produção que levem em conta o conceito de sustentabilidade, sem deixar cair o padrão de qualidade que os usuários já estão habituados quanto aos produtos que utilizam relacionado a conforto, qualidade, beleza e tendência. Figura 6- Resultado preparação das misturas: (I) PU e Lignina 20%carga (II) PU e Celulose 20%carga (III) PU Figura 3 - Microscopia Eletrônica de Varredura do compósito a base de resina PU com 20% carga Lignina 9º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design Aplicação de Fibras a base de Celulose em Resinas Poliuretanas para produção de solados de Calçados Figura 4 - Microscopia Eletrônica de Varredura do compósito a base de resina PU com 30% carga Celulose Referências ABU-SHARKH, B.F., HAMID, H. Degradation study of date palm fibre/polypropylene composites in natural and artificial weathering: mechanical and thermal analysis. Polymer Degradation and Stability, v.85, n.3, p.967-973, 2004. BORCHARDT, M.; POLTOSI L. A. C.; SELLITTO M. A.; PEREIRA G. M. Considerações sobre ecodesign: um estudo de caso na indústria eletrônica automotiva. Revista Ambiente & Sociedade, vol.11 no.2 Campinas, 2008. BYGGETH, S.; BROMAN, G.; RÓBERT, K. 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