Anais do 13º Congresso Brasileiro de Polímeros – Natal, RN – 18 a 22 de outubro de 2015
COMPÓSITO POLIÉSTER INSATURADO E FIBRAS DE SISAL – INFLUÊNCIA DA RESINA POLIVINIL BUTIRAL UTILIZADA COMO COMPATIBILIZANTE
Matheus H. M. de Oliveira¹ (IC), Isa M. da S. Santos¹ (IC), João K. Tan 2,3* (D), Luciano Pisanu1, Pollyana da S. Mello1
1 – Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, Salvador – BA
2- Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial – SENAI CIMATEC, Salvador – BA,
[email protected]
3 – Doutorando do Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – UFS – Sergipe -SE
Resumo: Neste trabalho foi avaliada a interface matriz-fibra do compósito poliéster insaturado/fibra de sisal, utilizando três tipos de resina polivinil butiral (PVB), com percentuais de hidroxila variados entre 12-14, 18-21 e 24-27. Estas resinas foram utilizadas no tratamento das fibras de sisal, por imersão em solução de álcool etílico a 1 %. O efeito deste tratamento e sua aplicação como compatibilizante polimérico entre as fibras de sisal e resina poliéster foram avaliados após obtenção dos compósitos. Os dados relativos a resistência mecânica à deflexão foram obtidas em um equipamento Universal de Ensaios mecânico (EMIC) e a interação fibra-resina poliéster foi avaliado por observação em um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) da Jeol. De acordo com os resultados obtidos pode-se concluir que o polivinil butiral pode se utilizado como compatibilizante entre fibras de sisal e resina poliéster. Teores de hidroxila no PVB entre 24 % e 27 % apresentaram os melhores resultados para a tensão de ruptura. Observa-se também que o PVB atua como modificador para o alongamento, apresentando aumento gradativo no percentual deformação mecânica de acordo com o aumento no teor de hidroxila do PVB.
Palavras-chave: Resina de poliéster insaturado, fibra de sisal, polivinil butiral, tratamento superficial, adesão fibra- matriz.
Composite unsaturated polyester with sisal fiber – Influence of polyvinyl butyral resin used as compatibilizer
Abstract: This work we have evaluated the interface between polymer matrix and fiber from the composite unsaturated polyester / sisal fiber, by the interaction behavior of three types of polyvinyl butyral resin (PVB), with percentages of hydroxyl varying between 12-14, 18-21 and 24-27. These resins were used in the treatment of sisal fibers, by immersion in 1% ethanol solution. The effect of this treatment and its application as a polymeric compatibilizer between the polyester resin and sisal fibers were evaluated after obtaining the composite. The data of deflection test were obtained by universal testing machine (EMIC) and the interaction polyester resin-fiber was evaluated by observation in a Scanning Electron Microscope (SEM) Jeol. According to the results it can be concluded that the polyvinyl butyral can be used as a compatibilizer between sisal fibers, and polyester resin. Hydroxyl contents in the PVB between 24% and 27% showed the best results for the rupture strength. It is also noticed that the PVB acts as a modifier for strain, with a gradual increase in percentage of mechanical deformation in accordance with the increase in the hydroxyl content of the PVB.
Keywords: Unsaturated polyester resin, sisal fiber, adhesion polyvinyl butyral, surface treatment, fiber-matrix adhesion.
Introdução
A crescente preocupação com o uso consciente de recursos naturais e a geração desordenada de resíduos, tem inspirado a pesquisa e o desenvolvimento de materiais que apresentem um impacto ambiental mínimo em suas aplicações e no descarte final. Nesse sentido esforços têm sido despendidos para desenvolver os plásticos e produtos que sejam biodegradáveis. Isto é, procura-se obter materiais de base biológica renovável que se assemelhe a planta e produtos agrícolas possibilitando competir no mercado atual dominado por produtos derivados do petróleo. Porém, essa alternativa ainda não é uma solução viável economicamente. No Brasil, a Braskem tem despendido esforços para colocar no mercado o plástico verde ou seja o Polietileno e o Polipropileno obtido a partir da cana de açúcar. Outra solução seria combinar os materiais originados de recursos petroquímicos e materiais de base biológica para desenvolver novos produtos rentáveis de consumo em massa ou ter uma aplicação específica de bom desempenho.
Compósitos confeccionados com plástico comerciais reciclados e reforçados com fibras de madeira estão sendo usados em um grande número de aplicações em pavimentos, caixilhos de janelas e componentes de painéis moldados. Estatísticas mostram que a produção destes compósitos em 2001 era em torno de 700 milhões de libras. O mercado mundial de aplicações de compósitos plástico-madeira e compósitos de fibras naturais foi estimado em cerca de 2,4 milhões de toneladas métricas em 2011 e de cerca de 4,6 milhões de toneladas métricas até 2016. O mercado para produtos de construção está prevista uma taxa de crescimento anual de 12,4% durante o período de 5 anos 2011-2016. Este setor deverá beneficiar 1,7 milhões de toneladas mértrica em 2011 e cerca de 3,2 milhões de toneladas métricas em 2016. O mercado para aplicações automotivas é estimada em 350.000 toneladas métricas em 2011 e espera-se aumentar a taxa de crescimento de 17,1% para chegar a cerca de 800,000 toneladas métricas em 2016 [1].
São várias possibilidades de combinação de biofibras de sisal, linho, cânhamo, juta, banana, madeira e várias gramíneas com matrizes poliméricas de recursos não renováveis e renováveis para obtenção de materiais compósitos.
O Brasil como o maior produtor mundial de sisal tem sua importância não só pela participação na economia do setor agrícola mundial, mas também na importância socioeconômica no nordeste do Brasil na geração de renda e emprego para um contingente de aproximadamente 800 mil pessoas, nos estados da Bahia, Paraíba e Rio Grande do Norte. Atualmente o destino majoritário está voltado à aplicação na indústria de cordoalhas (cordas, cordéis, tapetes, etc) e artesanatos. Observa-se, no entanto, que o investimento tem sido insuficiente para desenvolvimento em aplicações mais nobre de modo a agregar valor ao sisal. A utilização de celulose (por exemplo, whiskers e microfibras de celulose) como reforço em materiais compósitos é uma área de em desenvolvimento que pode contribuir para o desenvolvimento de um mercado mais rentável.
Quimicamente, as fibras vegetais são constituídas de celulose, hemicelulose, lignina e uma pequena quantidade de ceras e gorduras [2]. Estes fatores, aliados à alta tenacidade, resistência à abrasão e ao baixo custo, tornam o sisal uma das fibras naturais mais estudadas [3].
Os compósitos reforçados por fibra vegetais dependem de fatores como adesão fibra/matriz, fração volumétrica e orientação das fibras no confecão do compósito final. Os compósitos reforçados com fibras de sisal se destacam por apresentarem alta resistência ao impacto, e boas propriedades de resistência à tração e flexão [4].
As resinas poliéster insaturadas são produtos obtidos pela reação de compostos orgânicos bifuncionais do tipo dihidroxílicos e dicarboxílicos. As resinas poliéster insaturadas obtidas a partir de diácidos Ortoftálica, Tereftálica e Isoftálica são resinas termofixas mais utilizadas. na produção de barcos, veículos de características de produção artesanais, devido ao baixo custo, fácil manipulação, estabilidade térmica e dimensional, resistência a altas temperaturas e facilidade de se moldar peças com grandes dimensões sem necessidade de investimento em equipamento de processo. No entanto a sua baixa resistência à fratura torna necessária a utilização de reforços de fibras de vidro e fibras naturais [5-6]. A grande dificuldade na fabricação de compósitos de materiais poliméricos com fibras naturais está na baixa adesão e/ou compatibilidade química entre a fibra e a matriz polimérica, além da absorção de umidade, baixa resistência química e microbiológica [7]. Para melhorar a compatibilidade na interface fibra/matriz, as fibras naturais são tratadas quimicamente por agentes silanos e de titanatos ou utilizados compatibilizantes químicos, para que possam melhorar a interação polímero- matriz [8].
O polivinil butiral é um terpolímero de vinil butiral-co-vinil álcool-co-acetato vinila, onde X, Y e Z são o percentual de cada componente na cadeia principal (Figura 1).
Figura 1 Estrutura geral do polímero Polivinil butiral
O PVB é originado inicialmente de uma polimerização do acetato de vinila para a obtenção do poli (acetato de vinila), que por sua vez é saponificado para obtenção do polivinil álcool e por fim é submetido à reação de acetalização na presença de butiraldeído em meio ácido (Figura 2).
Figura 2 Etapas da reação para obtenção do PVB
Neste trabalho foi avaliada a influência do tratamento das fibras de sisal por polivinil butiral com diferentes teores de hidroxila e o seu efeito nas propriedades mecânicas e análise da interação da interface matriz-fibra, quando utilizadas na preparação de compósitos com resinas de poliéster insaturado em comparação com a fibra sem tratamento. As fibras foram submetidas a tratamento superficial com três soluções de diferentes tipos de polivinil butiral (Mowital B 60H, B 60 HH e B 60 T) com percentuais de hidroxila variados entre 12-14, 18-21 e 24-27 respectivamente) diluído em álcool etílico. Utilizou-se o Polivinil butiral como compatibilizante entre a fibra natural e a resina. A resistência à flexão dos compósitos obtidos com as fibras tratada e sem os tratamentos superficiais e o efeito da compatibilização e a adesão das fibras à matriz foi baseada nas imagens de microscopia eletrônica de varredura das fraturas obtidas nos ensaios de resistência à flexão.
Experimental
Materiais
Foi utilizada uma resina poliéster ortoftálica insaturado comercial. Peróxido metil-etil-cetona (MEKP), como catalisador, fibra de sisal, e polivinil butiral, Mowital B 60H, B 60 HH e B 60 T fornecida pela Kuraray (Japão) e álcool etílico (PA).
Tratamento da fibra de sisal
As fibras de sisal foram tratadas por imersão em solução à 1% em massa de polivinil butiral em álcool etílico, por 5 minutos e secas por 3 horas a 70º C.
Preparação do compósito
Os compósitos foram confeccionados em molde aberto retangular. No molde, foi aplicado inicialmente desmoldante líquido para facilitar a separação do compósito do molde. A resina poliéster utilizada foi catalisada com peróxido de metil-etil-cetona (MEKP) em proporção de 2% em volume da resina. As fibras foram dispostas sobre a área do molde e a resina foi despejada, de forma a garantir que toda a resina molhasse as fibras de reforço. O tempo total de moldagem foi de aproximadamente 15 minutos e as placas obtidas foram retiradas do molde após 4 horas de cura. Foram cortados 5 corpos de prova para ensaios de flexão.
Caracterização
O ensaio mecânico de flexão foi realizado com a velocidade de 2 mm/min, a distância entre os apoios foi de 64 mm, à temperatura ambiente, na máquina universal de ensaios EMIC Tesc 2000, modelo DL 2000. As fraturas obtidas no ensaio de flexão foram analisadas no microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM-6510LV, após recobrimento com ouro, utilizando o "sputter coater" DENTON VACUUM DESK V.
Resultados e Discussão
Os resultados obtidos nos ensaios de resistência à flexão dos compósitos com fibras tratadas e sem tratamento (Tabela 1) revelam que em todos os compósitos confeccionados com fibras tratadas, a força máxima e a tensão máxima, comparada às fibras sem tratamento, sofre uma forte influência do teor de hidroxila, no mecanismo de compatibilização, sendo que a partir de 24% estas propriedades superam os resultados obtidos para fibras sem tratamento.
Observa-se também que a deformação na ruptura para fibras tratadas com os três tipos de resinas sofrem deformações superiores, demonstrando que resinas com características elastoméricas como o PVB interferem grandemente no mecanismo de ruptura criando interface mais flexível entre a fibra e a resina termorrígida, ao mesmo tempo em que teores maiores de hidroxilas na superfície melhoram a adesão dos dois componentes.
Tabela 1 - Resultados do ensaio de resistência à flexão de compósitos reforçados com fibras tratadas e sem tratamento.
Identificação das amostras
Força máxima (N)
Tensão Máxima (MPa)
Deformação na ruptura (%)
Módulo de elasticidade (MPa)
Fibra Natural
Média
974,60
46,82
1,59
3127,00
sem trat.
Desvio Padrão
225,00
19,92
0,43
2076,00
B60HH
Média
640,73
46,11
3,98
1414,00
12-16 % de OH
Desvio Padrão
159,80
6,68
0,90
90,41
B60H
Média
819,90
44,33
3,60
1670,00
18-21 % de OH
Desvio Padrão
95,08
4,95
1,10
414,70
B60T
Média
1349,00
59,97
5,79
1355,00
24-27 % de OH
Desvio Padrão
157,50
8,82
0,64
74,74
Conforme se observa na (Tabela 1), o módulo de elasticidade em todos os compósitos preparados com as fibras de sisal tratadas com o PVB apresentam resultados inferiores a fibra sem tratamento.
As fibras tratadas contém uma fina camada de PVB conferem maior elasticidade ao produto final.
a) Fibra sem tratamento
b) Fibra sem tratamento
c) Fibra tratada com B60HH
12-16 % de OH
d) Fibra tratada com B60HH
12-16 % de OH
Observa-se que a fibra sem tratamento foi removida do substrato integralmente (Figura a) e (Figura c) demostrando pouca interatividade entre a fibra de sisal com o substrato polimérico. As fibras tratadas com a resina B60HH e B60H (Figura c, d, e) de baixo e médio teor de hidroxila mostra que a fibra interage com a resina sendo recoberta pela resina.
e) Fibra tratada com B60H
18-21 % de OH
f) Fibra tratada com B60T
24-27 % de OH
g) Fibra tratada com B60T
24-27 % de OH
A fibra tratada com B60T (Figura f e g) de percentual de hidroxila em torno de 24 a 27% apresenta boa inteiração resina fibra com total inserção da fibra no substrato polimérico.
Conclusões
Segundo os resultados obtidos pode-se concluir que o polivinil butiral pode atuar como compatibilizante em fibras de sisal e resina poliéster onde se observa gradativo aumento de resistência máxima e de ruptura conforme aumenta o % de hidroxila na resina de polivinil butiral;
Teores entre 24 % e 27 % apresentaram os melhores resultados de compatibilização com a máxima tensão de ruptura, observada através da microscopia eletrônica de varredura (Figura f e g). A fina camada de PVB depositada na superfície da fibra e melhor adesão devido ao aumento no % de hidroxila proporciona como consequência o aumentado no alongamento (na deformação).
Agradecimentos
A Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC pela infraestrutura disponibilizada para executar este trabalho.
Referências Bibliográficas
WWW.PLASTEMART.COM. plastemart.com, 2013. Acesso em: 22 Março 2015.
M. Lozzi, et al. Polímeros. 2010, 7.
L. Silva, et al. Revista Engenharia Civil. 2014,9.
A. Martin, et al. Polímeros. 2009,6.
G. Marinucci in Materiais Compósitos Poliméricos: Fundamentos e Tecnologia. Artliber Editora: São Paulo, 2011.
E. M. S. Sanchez, et al. Polímeros. 2010, 7.
L. H. Carvalho, & W. S. Cavalcanti, Polímeros. 2006, 1.
N. E Marcovich, M. I. Aranguren, & M. M. Reboredo, Polymer. 2001, 42.
