ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES
MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PP/FIOS ALINHADOS E
CONTÍNUOS DE JUTA
Joselito M. de F. Cavalcante1, Laura H. de Carvalho2*
1
2
Universidade Federal do Semi-Árido – UFERSA, Campus de Angicos, Angicos – RN
Universidade Federal de Campina Grande – UFCG, CCT/UAEMAT, Campina Grande – PB –
[email protected]
A utilização de fibras naturais como reforço em matrizes termoplásticas tem crescido ano a ano. A maioria das fibras
utilizadas para este fim é curta, o que gera produtos com propriedades mecânicas relativamente baixas. Para contornar
este problema, uma série de processos vem sendo desenvolvidos com o intuito de incorporar fibras longas, contínuas e
alinhadas em matrizes termoplásticas. Neste trabalho uma destas técnicas foi utilizada para preparar compósitos PP/juta
com dois fios de juta e duas matrizes PP distintos. Os resultados demonstram que a incorporação de fibras longas,
alinhadas e contínuas em matriz termoplástica (polipropileno) levou a aumentos significativos na resistência à tração (>
139%), no módulo de elasticidade em tração e em flexão (>264 e 234%, respectivamente) e diminuição da resistência
ao impacto, em relação à matriz. Compósitos manufaturados com fios mais finos tenderam a ser mais rígidos enquanto
os produzidos com o fio mais espesso foram mais resistentes. Matrizes mais fluidas tenderam a gerar compósitos com
melhores propriedades.
Palavras-chave: Polipropileno, juta, compósitos, propriedades mecânicas, fios alinhados
Comparative study on the mechanical properties of PP/long, aligned jute yarn Composites.
The use of natural fibers as reinforcement in thermoplastic matrices grows yearly. Most of the fibers used for this
purpose are short, which leads to products with relatively low mechanical properties. In order to overcome this problem,
a series of processes have been developed in order to incorporate long, continuous and aligned fibers in thermoplastic
matrices. In the present work on of these techniques was employed in the manufacture of PP/jute composites with two
distinct jute yarns and two PP matrices. Our results indicate that the addition of long, aligned continuous jute fibers in
polypropylene matrices leads to significant increases the tensile strength (>139%), tensile and flexural moduli (>264
and 234%, respectively) and to decreases impact strength with respect to the matrix. It was also shown that composites
manufactured with the thinner jute yarns tend to be stiffer and those manufactured with thicker yarns tend to be
stronger. Best overall properties were displayed by composites manufactured with the lower melt flow index matrix.
Keywords: Polypropylene, jute, composites, mechanical properties, aligned yarns
Introdução
As fibras vegetais, por serem compostas principalmente de celulose, são também conhecidas
como fibras celulósicas ou lignocelulósicas. Estas fibras são abundantes e disponíveis em todo o
mundo. No passado, as fibras vegetais eram utilizadas na fabricação de cordas, fios, carpetes e
outros produtos decorativos. Porém, com o avanço no desenvolvimento das fibras sintéticas, houve
um decréscimo no consumo das fibras vegetais. Atualmente, devido ao elevado custo do petróleo,
que é fonte não renovável de energia com disponibilidade limitada e possibilidade de escassez, além
do crescente apelo ecológico, as fibras naturais voltaram à cena, na produção de compósitos
poliméricos. Isto porque são provenientes de fontes renováveis e biodegradáveis, apresentam baixa
densidade, são relativamente duráveis, de fácil secagem e de baixo custo, além de apresentar
propriedades mecânicas relativamente boas [1].
As fibras vegetais apresentam algumas dificuldades para serem utilizadas como cargas para
materiais poliméricos, dentre elas pode-se citar: a temperatura de degradação e elevada higroscopia.
A temperatura de degradação das fibras vegetais é relativamente baixa, em torno de 200ºC. Nesta
temperatura pode ocorrer tanto a degradação propriamente dita, quanto a liberação de voláteis,
diminuindo as propriedades mecânicas dos compósitos. Sendo assim, seu uso fica limitado a
materiais plásticos com baixa temperatura de processamento, como por exemplo: polietileno,
polipropileno, policloreto de vinila e poliestireno. Em relação à higroscopia, a absorção de umidade
pode resultar em inchamento das fibras o que pode comprometer a estabilidade dimensional do
compósito e diminuir a interação fibra/matriz, fragilizando o compósito [2].
Apesar destas dificuldades, fibras vegetais podem e estão sendo adicionadas a polímeros
para a obtenção de compósitos lignocelulósicos. Dentre as fibras vegetais mais utilizadas como
reforço em plásticos está a juta, que apresenta um bom conjunto de propriedades mecânicas,
disponibilidade e baixo custo [3]. Estas fibras são aplicadas aos plásticos de várias formas: como
fibras curtas em compósitos injetados; como fibras longas e contínuas em compósitos pultrudados;
e na forma de tecidos em compósitos feitos pelo processo hand lay up e por compressão. Estes
últimos processos são mais aplicados em compósitos com matrizes termofixas. Entretanto, devido
principalmente à grande produtividade e ao fato de não usar solventes (o que facilita a produção), o
uso comercial de compósitos com matrizes termoplásticas vêm crescendo muito nos últimos anos.
Para os compósitos com matriz termoplástica o processo mais comumente utilizado é a
injeção, normalmente precedido de uma etapa prévia de mistura, que pode ocorrer em misturadores
internos ou em uma extrusora. Porém, o uso de máquinas com roscas, leva a uma quebra das fibras,
diminuindo o seu tamanho médio e gerando compósitos de propriedades mecânicas inferiores às
esperadas. Por este motivo, uma série de trabalhos vem sendo desenvolvidos com o intuito de se
utilizar fibras longas, contínuas e alinhadas em matriz termoplástica o que, por si só, melhora
significativamente, as propriedades mecânicas dos compósitos [4]. As tecnologias utilizadas para
este fim vão desde a modificação do fio, como o microbraid yarn [5] e o commingled yarn [6],
passando por modificações de processos tradicionalmente utilizados para produção de compósitos
com matrizes termofixas como a pultrusão além do processo de compressão [7-8]. Outras técnicas
foram desenvolvidas especificamente para matrizes termoplásticas como o Express Process [9].
Neste trabalho é feito um estudo comparativo das propriedades mecânicas de compósitos
com fibras alinhadas, produzidos com dois tipos de fios de juta e com duas matrizes termoplásticas
com diferentes índices de fluidez. Para se incorporar os fios de forma alinhada um processo
relativamente simples foi desenvolvido. Este processo é descrito a seguir.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Experimental
Materiais
Foram utilizados dois polipropilenos, de referência H 103 e H 301, tendo respectivamente
10 e 40 g/10min por índice de fluidez. Estes são homopolímeros produzidos pela Braskem.
A juta, na forma de fio de classificação 10/1 e 10/2, isto é, um fio formado por uma e duas
pernas retorcidas, respectivamente, ambos fornecidos pela Companhia Têxtil Castanhal, PA (Figura
1).
(b)
(a)
Figura 1 – Fios de juta, (a) 10/1 e (b) 10/2
Preparação dos Filmes
Os filmes foram preeparados em prensa hidráulica (Schulz) com aquecimento. Grânulos
(pellets) de PP foram colocados entre duas lâminas metálicas e prensados a quente (160 ±. 15°C)
por 5min sem que fosse exercida qualquer força sobre o material seguido da aplicação de uma força
de 2 ton durante 5 min. As lâminas contendo, o polipropileno na forma de filme, foram retiradas da
prensa e deixada resfriar à temperatura ambiente antes do filme ser desmoldado e cortado no
formato do molde metálico (Figura 2).
Figura 2 – Filmes de PP
Preparação dos Compósitos
O processo de manufatura dos compósitos, desenvolvido pelos autores, está ilustrado
na Figura 3. Os filmes de polipropileno (PP H 103 ou PP H 301) foram pesados e colocados sobre
uma placa de alumínio formando um sanduíche; fios de juta(10/1 ou 10/2), foram enrolados,
manualmente ao redor do conjunto (placa metálica e filme plástico), o conjunto foi envolto por
filme plástico e o arranjo foi colocado em um molde metálico bipartido, levado à prensa, onde
permaneceu a 160 ± 15°C durante 15 minutos, sendo destes 10 minutos apenas com as placas da
prensa encostada no molde e o restante do tempo sob uma força de 3 ton. Ao final da prensagem o
molde foi retirado da prensa e deixado resfriar ao ar livre e o produto desmoldado. A placa de
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alumínio foi retirada posteriormente, com o auxilio de um estilete, de modo a se obter uma lâmina
de PP/fios alinhados de juta.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 3 – Processo de manufatura dos compósitos com fibras alinhadas de juta: a) placa de
alumínio encoberta por filmes de PP; b) enrolamento dos fios; c) aspecto conjunto recoberto com
fios; d) aplicação de nova camada de filme; e) consolidação por prensagem.
As lâminas foram pesadas a fim de se determinar o teor de fibra em massa e estas foram
empilhadas (1 a 3 camadas) com as fibras orientadas na mesma direção e consolidadas a quente,
em molde metálico bipartido, para gerar compósitos com distintos teores de fibras. As condições de
prensagem foram as mesmas utilizadas para a confecção das lâminas individuais. Corpos-de-prova
para ensaios em tração (ASTM D 3039), flexão (ASTM D 790) e impacto (D 256) foram usinados a
partir das placas laminadas obtidas. Os ensaios em tração e flexão formam realizados em máquina
universal de ensaios - LLOYD LR10K operando com taxas de deslocamento 10mm/min e 0,5
mm/mim, respectivamente.Os ensaios de impacto foram realizados em corpos de prova não
entalhados, em equipamento CEAST ,RESIL 5,5 empregando pêndulo de 2,75 J. Todos os ensaios
realizados na direção das fibras e em sala climatizada (25°C). Os valores reportados são valores
médios obtidos a partir de um mínimo de 5 amostras por teste.
Resultados e Discussão
Comportamento mecânico dos compósitos PP/Fios de juta em tração
Na Tabela 1, estão sumarizados os resultados obtidos do ensaio de tração para os dois tipos
de polipropileno em função do teor e do diâmetro dos fios de juta. Vale salientar que a dispersão
obtida para o teor médio de fibras nos compósitos é função do método de fabricação utilizado e do
índice de fluidez das matrizes empregadas. Em geral, maiores dispersões de valores foram obtidas
para compósitos preparados com o PP de maior índice de fluidez (PP H301). Os dados reportados
na Tabela 1 e ilustrados na Figura 4 indicam que o módulo elástico e a resistência à tração dos
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compósitos aumentam significativamente com a incorporação de fibras, em comparação com a
matriz, quando as mesmas são alinhadas na direção do esforço. Verificam-se aumentos de no
mínimo 264% no módulo elástico, obtido para o compósito com uma lamina (menor teor de fibra)
produzido com fio 10/2 e o PP H103, e máxima de 515%, para aquele produzido com o PP H103 e
com três laminas com fio 10/1. Observa-se ainda que os maiores valores de módulo elástico,
predominantemente, ocorrem em compósitos com duas camadas de reforço, independente do tipo
de fio de juta ou do índice de fluidez da matriz. Ganho semelhante acontece para a resistência à
tração, sendo que para esta propriedade, tem-se um comportamento mais linear. Assim, a resistência
aumenta com o teor de fibra, ou seja, os valores mais elevados para esta propriedade foram obtidos
para os compósitos com três camadas de reforço. Em termos percentuais, em relação à matriz, a
resistência à tração dos compósitos apresentou um acréscimo mínimo de 139% para os compósitos
com uma única camada (tanto para o H103 como para o H301, com fio 10/2) e um acréscimo
máximo de 254% para os compósitos reforçados com fio 10/2 e produzidos com três laminas e
tendo por matriz o H301. Estes resultados eram os esperados, tendo em vista que as propriedades de
compósitos reforçados por fibras longas, alinhadas e unidirecionais, testados na direção do reforço,
são dominadas pelas fibras, que são mais rígidas e mais resistentes que a matriz.
Tabela 1 – Propriedades mecânicas dos compósitos PP/fios de juta para a direção 1
Orientação das Fibras
Teor de fibra,
PP
laminas
em peso
(%)
H 103
-
Módulo de
Elasticidade
(GPa)
Axial
Resistência à
Tração
(MPa)
1,05±0,08
30,54±1,42
12,09±4,09
Deformação
(%)
H 301
-
-
0,87±0,04
28,70±0,85
20,76±3,60
H 103/Fio
10/1
2
32,28±4,42
4,72±0,41
60,24±4,07
1,90±0,40
3
34,84±6,07
5,41±0,59
59,82±4,84
1,99±0,17
2
32,28±4,42
4,72±0,22
52,08±3,14
1,77±0,21
3
34,84±6,07
4,10±0,22
46,04±4,73
1,65±0,18
1
17,33±2,71
2,78±0,33
42,46±5,22
2,42±0,31
2
32,91±6,10
4,34±0,35
58,10±3,49
1,96±0,22
3
37,78±6,73
3,88±0,44
64,19±4,26
2,78±0,38
1
17,33±2,71
2,50±0,25
39,96±1,72
2,88±0,52
2
32,91±6,10
4,11±0,16
55,90±4,31
2,22±0,22
3
37,78±6,73
3,90±0,29
73,23±4,68
3,34±0,39
H 301/Fio
10/1
H 103/Fio
10/2
H 301/Fio
10/2
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(a)
(b)
Figura 4 – Comportamento dos compósitos em função do tipo de fio: (a) fio 10/1; (b) fio 10/2
Segundo Khonder e colaboradores [5], há uma tendência, para compósitos de PLA/fios
contínuos e alinhados de juta, das propriedades mecânicas (resistência e módulo elástico)
aumentarem com teor de fibra, indo de 72 MPa para 78 MPa
e de 7,5 GPa e 8,6 GPa ,
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respecitvamente, quando o teor de fibra passou de 22,5% para 38,0% w/w. Os resultados obtidos
no presente estudo, apresentam este mesmo comportamento principalmente em relação a resistência
à tração, inclusive com valores bem próximos. Já para o módulo de elasticidade, no estudo
desnvolvido por Khonder et al. [5], o crescimento do módulo de elasticidade não é tão expressivo, e
em relação aos resultados obtidos há uma queda para teores mais elevados de fibra (compósitos
com três camadas), fato que também observado no presente trabalho.
A explicação mais provável para esta ocorrência é de cunho prático. Com três camadas de
fibra, é provável, que sob as condições experimentais adotadas e com o equipamento disponível, o
processo de moldagem não tenha sido tão eficiente quanto para compósitos reforçados por duas
camadas de fibras, provocando uma falha na interação entre as camadas (Figura 7).
Comportamentos Mecânico dos Compósitos PP/Fios de Juta em Flexão
Os resultados mecânicos em flexão dos compósitos PP/fios de juta são apresentados na
Tabela 2.
Tabela 2 – Resultados dos ensaios mecânicos em flexão
Polipropileno
Laminas
PP H 103
PP H 301
-
PP H 103
PP H 301
PP H 103
PP H 301
2
3
2
3
2
3
2
3
Teor de fibra,
em peso (%)
Fio 10/1
35,21
43,05
29,41
35,20
Fio 10/2
36,71
41,00
37,72
41,82
14,87±0,82
14,96±1,70
Módulo de
Elasticidade ao
Dobramento
(GPa)
1,47*
1,53*
46,79±4,56
53,05±3,58
47,57±2,24
56,54±3,07
7,84±0,77
8,16±0,76
6,41±0,42
5,31±0,85
43,57±2,12
61,72±4,81
45,63±4,19
53,76±3,83
6,00±0,91
4,92±0,39
5,60±0,82
3,58±0,91
Resistência ao
Dobramento
(MPa)
*Dados fornecidos pelo fabricante
Os resultados mostram que independente do tipo de matriz e do diâmetro do fio utilizado, a
resistência ao dobramento aumenta com o aumento do teor de fibra. Comportamento similar a este
tem sido reportado por vários autores [10-11]. Este resultado, pode ser atribuido ao comprimento da
fibra utilizada. Com fios longos e alinhados, tem-se um maior contato entre a fibra e a matriz,
fazendo com que os esforços trativos e compressivos, experimentados pelo compósito durante o
ensaio, sejam mais facilmente transmitidos da matriz para a fibra. Por outro lado, a resistência à
flexão está intimamente ligada ao material colocado na superfíce do compósito, que neste caso, são
os fios de juta (Figura 9), pois o filme que recobre as fibras é extremamente fino.
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Para o módulo de elasticidade o comportamento não é o mesmo que o observado para a
resistência ao dobramento. Houve uma decréscimo nesta propriedade, quando o teor de fibra foi
aumentado(2 para 3 camadas) em praticamente todos os compósitos analisados. Somente os
compósitos produzidos com o PP H 103 e fio 10/1, apresentaram comportamento diferente, o que
pode estar ligado ao fato que, com fios mais finos, tem-se uma maior área de contato facilitando a
transferência dos esforços da matriz para a fibra. Some-se a isto, a tendência desta matriz, de
molhar melhor a fibra, devido a sua maior fluidez. Mesmo com o decréscimo nesta propriedade,
citado anteriormente, compósitos com teor de fibra elevado, apresentaram módulo de elasticidade
bastante superior ao da matriz pura. A redução no módulo elástico observada em compósitos com
três camadas de reforço, também pode estar associada à camada de fibra no interior do compósito,
que pode estar possicionada na linha neutra, não gerando, qualquer efeito reforçante.
(b)
(a)
Figura 9 – Compósitos com duas e três camadas
Os resultados indicam que a resistência ao dobramento dos compósitos investigados não foi
significativamente influenciada pelo tipo de matriz ou pelo tipo tipo de fio utilizados.
Comportamento mecânico dos compósitos PP/fios de juta em impacto
A Tabela 3 mostra os valores de resistência ao impacto dos compósitos. Os valores
apresentados são para corpos de prova não entalhados. No caso das matrizes os valores
apresentados são de corpos de prova entalhados, tendo-se em vista que, neste caso e nas condições
adotadas, os corpos de prova não entalhados não romperam durante o ensaio.
Os resultados apresentados na Tabela 3 mostram que a incorporação de um material rígido
em uma matriz tenaz, provoca uma redução na resistência ao impacto, quando se compara o
compósito a matriz pura. Esta redução foi observada de maneira qualitativa, pois os corpos de prova
de polipropileno puro, não entalhados, não romperam. Contudo, normalmente a adição de fibras
lignocelulósitcas a uma matriz termoplástica tende a diminuir a resistência ao impacto,
principalmente se fibras curtas forem utilizadas [12]. Por outro lado quando tecidos são utilizados
como reforço, esta propriedade se mantém inalterada [13].
Observa-se, para os compósitos em questão, o aumento no teor de fibras eleva a resistência
ao impacto dos sistemas, fato este provocado por uma maior quantidade de fios de juta impedindo a
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propagação da trinca catastrófica. Verifica-se também que este aumento é maior para os compósitos
produzidos com fio 10/2 (mais grosso).
Quando se compara os efeitos dos dois tipos de polipropileno utilizados nas propriedades de
impacto dos sistemas produzidos, verifica-se que aquele que apresenta uma maior resistência ao
impacto (PP H 301) foi o que apresentou a maior queda nesta propriedade. Em outras palavras, o
prolipropileno com maior resistência ao impacto foi o mais afetados pela incorporação de material
mais rígido, apresentando decréscimo mais acentuado nesta propriedade do que os compósitos
manufaturados com o PP de menor resistência e maior índice de fluidez (PP H 103).
Tabela 3 – Resistência ao impacto dos compósitos
Polipropileno
Laminas
PP H 103
PP H 301
-
PP H 103
PP H 301
PP H 103
PP H 301
2
3
2
3
2
3
2
3
Teor de fibra,
em peso (%)
Fio 10/1
35,21
43,05
29,41
35,20
Fio 10/2
36,71
41,00
37,72
41,82
Resistência ao impacto (J/m)
Axial
25*
30*
166±11
171±25
151±16
156±32
197±47
258±55
201±24
227±37
*Valores fornecidos pelo fabricante, para corpos de prova entalhados.
Conclusões
Uma tecnologia simples e econômica para a incorporação de fios longos, alinhados e
contínuos de juta em matrizes termoplásticas foi desenvolvido localmente. Os compósitos PP/juta
produzidos apresentaram propriedades bem superiores às da matriz. De modo geral, as propriedades
tenderam a aumentar com o teor de fibras e com o uso de uma matriz mais fluida. Melhores
resistência à tração, à flexão e ao impacto foram obtidos quando fios de juta mais espessos (10/2)
foram utilizados como reforço nos compósito. Módulos de elasticidade em tração e em flexão mais
elevados foram obtidos em compósitos reforçados por fios mais finos (fio 10/1). O pequeno
decréscimo observado nesta propriedade em teores elevados de fibra foi associado a dificuldades de
impregnação das fibras pela matriz. A matriz aquela que gerou compósitos com melhor balanço de
propriedades foi a de maior índice de fluidez (menor viscosidade), ou seja, o PP H 103.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro (Pronex Fapesq/MCT/CNPq e CNPq
# 477393/2003-9; # 478451/2006-7); à Braskem e a Companhia TêstilCastanhal pela doação dos
materiais utilizados nesta pesquisa e ao CNPq pela bolsa PQ em favor de Carvalho, L.H.
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Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009