ESTUDO DA VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE FIBRAS DA PUPUNHEIRA (Bactris gasepaes H. B.K) COMO ALTERNATIVA À FIBRA DE VIDRO NO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS

ADRIANE SHIBATA SANTOS

ESTUDO DA VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE FIBRAS DA PUPUNHEIRA (Bactris gasepaes H. B.K) COMO ALTERNATIVA À FIBRA DE VIDRO NO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS

Dissertação de mestrado apresentada como requisito parcial para obtenção de título de Mestre em Saúde e Meio Ambiente, na Universidade da Região de Joinville. Orientador: Profª. Drª. Denise Abatti K. Silva. Co-orientador: Profª. Drª. Ana Paula T. Pezzin.

JOINVILLE 2007

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Termo de Aprovação Estudo da viabilidade de aplicação de fibras da pupunheira (Bactris gasepaes H. B.K) como alternativa à fibra de vidro no desenvolvimento de produtos. por Adriane Shibata Santos Dissertação julgada para obtenção do título de Mestre em Saúde e Meio Ambiente, área de concentração Meio Ambiente e aprovada em sua forma final pelo Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville.

Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva Orientadora (UNIVILLE) Profa. Dra. Ana Paula Testa Pezzin Co-orientadora (UNIVILLE) Profa. Dra. Mônica Lopes Gonçalves Coordenadora do Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente Banca Examinadora:

Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva Orientadora (UNIVILLE)

Profa. Dra. Ana Paula Testa Pezzin Co-orientadora (UNIVILLE)

Prof. Dr. Rogério de Almeida Vieira (UNIVILLE)

Profa. Dra. Elizabete Maria Saraiva Sanchez (UNICAMP) Joinville, 18 de junho de 2007.

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A meu querido Eduardo, aos meus pais e irmãs pelo apoio, amor e compreensão nas horas ausentes...

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AGRADECIMENTOS

Ao Programa de Mestrado em Saúde e Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville e ao Programa de Qualificação Docente desta mesma instituição. À Fundação Municipal de Desenvolvimento Rural 25 de Julho pelo apoio técnico e auxílio na escolha dos materiais a serem trabalhados e propriedades parceiras. Ao seu Vigano e dona Agnes, por nos permitir por diversas vezes a “invasão” em sua propriedade para a coleta dos resíduos vegetais. Às empresas Busscar Ônibus S.A, principalmente divisão de Plásticos, Cray Valley de Joinville, Cicloterm Indústria e Comércio de Plástico e CCT/Udesc Joinville pelo apoio, materiais doados e serviços prestados. À orientadora, Profa. Dra. Denise Abatti Kasper Silva

pela

colaboração,

incentivo

e

acompanhamento

competente. À Profa. Dra. Ana Paula T. Pezzin, pela coorientação, à Marina e ao Carlos e a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

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SUMÁRIO

RESUMO ................................................................................................................................. 7 ABSTRACT ............................................................................................................................. 8 LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... 9 LISTA DE TABELAS ............................................................................................................ 12 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 13 2 REVISÃO............................................................................................................................ 15 2.1 COMPÓSITOS ................................................................................................................ 15 2.2 APLICAÇÕES DE FIBRAS EM COMPÓSITOS .............................................................. 19 2.2.1 Compósitos poliméricos com fibra de vidro .................................................................. 21 2.2.2 Compósitos com fibras vegetais................................................................................... 24 2.3 PUPUNHEIRA (BACTRIS GASEPAES H.B.K.): CULTURA E APLICAÇÃO DE RESÍDUOS ............................................................................................................................ 31 2.4 ANÁLISES MORFOLÓGICAS E TÉRMICAS .................................................................. 34 2.4.1 Análise morfológica por microscopia eletrônica de varredura (MEV)........................... 35 2.4.2 Ensaio térmico - Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG).............. 37 2.5 MÉTODOS DE ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS ..... 41 2.5.1 Ensaio de resistência à tração ..................................................................................... 42 2.5.2 Ensaio de resistência ao impacto ................................................................................. 45 2.6 DESIGN E O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL .................................................... 47 2.6.1 Ecodesign ..................................................................................................................... 52 2.6.2 Aumento da vida útil de um produto - o produto durável.............................................. 55 3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................. 60 3.1 MATERIAIS ..................................................................................................................... 60 3.2. MÉTODOS...................................................................................................................... 61 3.2.1 Extração e obtenção das fibras .................................................................................... 61 3.2.2 Tratamentos superficiais............................................................................................... 63 3.2.2.1. Tratamento com hidróxido de sódio ......................................................................... 63 3.2.2.2. Tratamento com acrilonitrila ..................................................................................... 64 3.2.2.3.Tratamento com peróxido de hidrogênio ................................................................... 64 3.2.3 Análise morfológica das fibras...................................................................................... 65 3.2.4 Análise térmica ............................................................................................................. 65 3.2.5 Obtenção dos compósitos e preparação dos corpos de prova .................................... 66 3.2.6 Ensaios Mecânicos....................................................................................................... 66 3.2.6.1 Ensaio de Tração....................................................................................................... 67 3.2.6.2 Ensaio de Impacto Izod ............................................................................................. 68 3.2.7 Método estatístico......................................................................................................... 68 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................ 70 4.1 ANÁLISE DA APLICAÇÃO DE FIBRA DE VIDRO EM COMPÓSITOS .......................... 70 4.2 IDENTIFICAÇÃO E SELEÇÃO DAS FIBRAS VEGETAIS .............................................. 70vi 4.3 EXTRAÇÃO E OBTENÇÃO DAS FIBRAS ...................................................................... 72 4.4 ANÁLISE DO EFEITO DO TRATAMENTO SUPERFICIAL NA MORFOLOGIA DAS FIBRAS.................................................................................................................................. 75 4.4.1 Superfície da fibra sem tratamento............................................................................... 76 4.4.2 Superfície da fibra tratada com NaOH.......................................................................... 77

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4.4.3 Superfície da fibra com tratamento acrilonitrila ............................................................ 78 4.4.4 Superfície da fibra com tratamento H2O2 20 V em 144 h............................................ 78 4.5 EFEITO DOS TRATAMENTOS SUPERFICIAIS NA ESTABILIDADE TÉRMICA DAS FIBRAS.................................................................................................................................. 80 4.5.1 Fibras sem tratamento.................................................................................................. 80 4.5.2 Fibras tratadas com NaOH ........................................................................................... 82 4.5.2 Fibras tratadas com C3H3N ......................................................................................... 83 4.5.3 Fibras tratadas com H2O2 20 V 144 h ......................................................................... 85 4.6 CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ..................................................................... 86 4.7 ENSAIOS DE TRAÇÃO................................................................................................... 89 4.8 MICROGRAFIAS DAS FRATURAS ................................................................................ 93 4.9 ANÁLISE DOS ENSAIOS DE IMPACTO IZOD ............................................................... 94 5 CONCLUSÃO..................................................................................................................... 96 REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 967

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RESUMO

Questões tocantes aos cuidados com o meio ambiente estão em evidência nos dias atuais, principalmente devido à escassez de recursos naturais e aos impactos causados pela ação do homem. Além disso, apesar da fibra de vidro ser muito utilizada no desenvolvimento de produtos, principalmente por suas propriedades físico-mecânicas, é um material considerado tóxico. Visando contribuir com o desenvolvimento sustentável, minimizar a exposição de trabalhadores à fibra de vidro, melhorando sua saúde e qualidade de vida e verificar a possibilidade de agregar valor a resíduos agroindustriais da extração do palmito de pupunha, cultura que está em ascensão na região de Joinville, averiguou-se a oportunidade de aplicar estes resíduos em compósitos do tipo resina poliéster/fibra vegetal. Deste modo, o presente estudo investigou a viabilidade de aplicação da fibra da folha da pupunheira como alternativa à fibra de vidro no desenvolvimento de compósitos e fez-se uma análise preliminar da aplicação desses em produtos. Para o estudo foram retiradas as fibras das folhas das palmáceas, resíduos gerados na extração do palmito. Estas fibras foram submetidas a três tratamentos químicos para que posteriormente fossem verificadas as alterações promovidas sobre a morfologia e estabilidade térmica destas fibras e seus reflexos no comportamento mecânico dos compósitos obtidos. Os tratamentos usados foram peróxido de hidrogênio (H2O2) 20 V, hidróxido de sódio (NaOH) 5 % v/v e acrilonitrila (C3H3N) 3 % v/v, a 144 h, 72 h e 24 h respectivamente. As fibras tratadas foram aplicadas em resina poliéster insaturada ortoftálica na proporção de 10 % m/m. Os compósitos obtidos foram submetidos aos ensaios de tração conforme norma ISO 527 e impacto, norma ASTM D-256 e o efeito dos tratamentos químicos puderam ser avaliados utilizando Teste t das amostras. As fibras tratadas com acrilonitrila registraram um ataque mais agressivo nas primeiras 24 h que aquelas tratadas com NaOH. Os resultados do ensaio de tração mostraram que os compósitos obtidos com fibras sem tratamento não têm propriedades significativamente diferentes daqueles com fibras tratadas, embora sejam evidenciadas alterações na superfície das fibras. Nos ensaios de impacto observou-se que os compósitos com fibras tratadas com H2O2 apresentaram características superiores às demais, mostrando que esse tratamento permite ampliar a resistência ao impacto desse material com as fibras na proporção de 10 %. Palavras-chave: compósitos, fibras vegetais, pupunha, tratamentos químicos.

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ABSTRACT

Moving questions to the cares with the environment are in evidence in the current days, mainly due to scarcity of natural resources and the impacts caused for the man’s action. Moreover, despite the fiberglass being a material very used in the development of products, mainly for its physical-mechanical properties, it is considered a material toxic. Aiming at to contribute with the sustainable development, to minimize the exposition of workers to the fiberglass, being improved its health and quality of life and to verify the possibility to add value to agro-industrial residues of the pejibaye palm extraction, culture that is in ascension in the region of Joinville (SC, Brazil), inquired the chance to apply these residues in composites type polyester resin/vegetal fiber. In this way, the present study investigates the viability to apply the fiber of pejibaye leaves as alternative to the fiberglass in the development of composites and makes a preliminary analysis of this application in products. For the study were used the fibers of pejibaye leaves that turn residues when the extraction of the fruit palm of pejibaye. These fibers had been submitted for three chemical treatments so that later it was verified the alteration promoted on the morphology and thermal stability of these fibers and its consequences in the mechanical behavior of the gotten composites. The used treatments had been hydrogen peroxide (H2O2) 20 V, (sodium hydroxide) NaOH 5 % v/v and acrylonitrile (C3H3N) 3 % v/v, 144 h, 72 h and 24 h respectively. The treated fibers had been applied on unsaturated orthophtalic polyester resin in the ratio of 10 % m/m. The gotten composites had been submitted to the assays of in agreement traction norm ISO 527 and impact, ASTM D-256 norm and the effect of the chemical treatment could be evaluated using Test t of the samples. The fibers dealt with C3H3N had registered a more aggressive attack in first 24 h that those treated with NaOH. The results of the traction assay had shown that the composites gotten with fibers without treatment do not have significantly different properties of those with treated fibers, even so are evidenced alterations in the surface of fibers. In the impact assays it was observed that the composites with fibers dealt with H2O2 had presented superior characteristics to the others, showing that this treatment allows extending the resistance to the impact of this material with fibers in the ratio of 10 %. Keywords: composites, vegetal fibers, pejibaye, chemical treatments.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Representações esquemáticas das diversas características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar as propriedades dos compósitos: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição e (e) orientação....................................................................... 17 Figura 2 – Esquema de classificação para os tipos de compósitos ........................ 18 Figura 3 – Representação esquemática de compósitos reforçados com fibras: (a) contínuas e alinhadas; (b) descontínuas e alinhadas; (c) descontínuas aleatórias......................................................................................................... 19 Figura 4 – Efeito do tratamento com acrilonitrila nas propriedades de resistência à tração e módulo de elasticidade do compósito de resina/fibra de cânhamo. A= resina pura; B= compósito sem tratamento; C= compósito com tratamento de acrilonitrila......................................................................... 25 Figura 5 – Micrografia de superfícies rompidas por tração: (a) compósito sem tratamento; (b) compósito com tratamento de acrilonitrila (ampliação 150x)................................................................................................................ 26 Figura 6 – Micrografias da superfície de fratura do corpo de prova do compósito de resina poliéster com fibras de bagaço de cana após ruptura no teste de impacto: (a) sem tratamento; (b) com tratamento de NaOH a 10%. (ampliação 800x).............................................................................................. 27 Figura 7 – Fibra da bananeira: (a) com tratamento em solução de NaOH 5%; (b) sem tratamento................................................................................................ 28 Figura 8 – Fruto da pupunha.................................................................................... 32 Figura 9 – Palmito da pupunha. .............................................................................. 32 Figura 10 – Aparador revestido com o compensado da madeira da pupunha........................................................................................................... 33 Figura 11 – Exemplo de micrografia de uma fibra da folha da pupunheira sem tratamento (ampliação 500x)............................................................................ 35 Figura 12 – Modos de termogravimetria: (a) TG quase-isotérmica; (b) TG dinâmica ou convencional .............................................................................................. 37 Figura 13 – Características de uma curva TG de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa.......................................................... 38 Figura 14 – Curvas TG (linha tracejada) e DTG (linha sólida) de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Características da curva DTG. ................................................................................................. 40 Figura 15 – Representação esquemática do dispositivo de ensaio de tração uniaxial. ............................................................................... 43 Figura 16 – Designação dos parâmetros no ensaio de tração................................. 44 Figura 17 – Representação esquemática: (a) equipamento de ensaios; (b) corpos de prova Charpy e Izod……………………………............................................ 46

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Figura 18 – Roda de Deming................................................................................... 55 Figura 19 – Chaise long LC4 Cheval de Le Corbusier, projetada em 1928............. 58 x Figura 20 – Fluxograma do processo de obtenção, limpeza, caracterização das fibras das folhas de palmito pupunha e sua aplicação em compósitos de resina poliéster/ fibra vegetal........................................................................... 61 Figura 21 – Plantação de Palmito de Pupunha em propriedade localizada na Estrada do Quiriri............................................................................................. 62 Figura 22 – Resíduos fibrosos da Pupunha. ........................................................... 62 Figura 23 – Equipamento de ensaio de tração (marca EMIC, modelo DL 10000/700) ............................................................. 67 Figura 24 – Aparelho de Impacto AIC da marca EMIC............................................. 68 Figura 25 – Pontos de localização de cultivo da pupunha na região de Joinville....................................................................71 Figura 26 – Fibras existentes no caule secundário................................................. 73 Figura 27 – Fibras existentes nas folhas................................................................. 73 Figura 28 – Fibras trituradas do resíduo do caule secundário da pupunheira............................................................................... 74 Figura 29 – Processo de obtenção das fibras das folhas da palmácea................... 75 Figura 30 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha sem tratamento: (a) ampliação 500x; (b) ampliação 1000x......................................................................................... 76 Figura 31 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento NaOH 5%: (a) 24h; (b) 48h; (c) 72h (ampliação 500x)................................................................................. 77 Figura 32 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento acrilonitrila: (a) 24h; (b) 48h (ampliação 500x)................................................................................. 78 Figura 33 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento com H2O2 20V com agitação: (a) 24h; (b) 48h; (c) 72h; (d) 96h; (e) 120h; (f) 144h (ampliação 1000x) .................... 79 Figura 34 – Curvas de TG e DTG para as fibras fina e grossa de palmito pupunha sem tratamento..................................................................... 81 Figura 35 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha tratadas com NaOH 5% - 1) 24h, 2) 48h, 3) 72h e fibra sem tratamento..................................................................................... 82 Figura 36 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha tratadas com acrilonitrila 3%: 1) 24h, 2) 48h e sem tratamento..................................... 84 Figura 37 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha sem tratamento e tratadas com H2O2 20V – 144h................................................... 85 Figura 38 – Estudos preliminares de resina/fibra vegetal variando a espessura e a percentagem de fibra: (a) 16%, (b) 12% (c) 12%, (d) 10%.............................. 87 Figura 39 – Placa de compósito resina/fibra 10% (m/m) fibra/ resina para confecção de corpos de prova para ensaios de tração................................... 88 Figura 40 – Comparação entre os dados: (a) Resistência à tração (MPa), (b) Módulo de Young (MPa) e (c) Alongamento (%) obtidos dos ensaios de tração......................................................................... 90 Figura 41 – Curvas com os valores médios do Módulo de Young dos compósitos: sem tratamento; NaOH; C3H3N; H2O2; FV 10%........................... 92 Figura 42 – Micrografias das superfícies de fraturas dos corpos de prova

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obtidas por MEV dos compósitos de resina/fibra de pupunha após o ensaio de tração: (a) C3H3N; (b) H2O2; (c) NaOH; (d) sem tratamento (ampliação 500x)................................................................................................................ 93 Figura 43 – Comparação entre os dados obtidos nos ensaios de resistência ao impacto Izod (J/m) ........................................................................................... 95

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LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – Resultados obtidos na caracterização mecânica dos compósitos....... 28 TABELA 2 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa, determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas ................................................. 81 TABELA 3 – Tabela 3 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com NaOH............................................................................................................... 83 TABELA 4 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com C3H3N............................................................................................................... 84 TABELA 5 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com H2O2 20V................................................................................................................... 86 TABELA 6 – Resultados obtidos no ensaio de tração dos compósitos.................... 90 TABELA 7 – Resultados obtidos no ensaio de impacto........................................... 94

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1 INTRODUÇÃO

A fibra de vidro é o material mais utilizado no desenvolvimento de produtos, principalmente por apresentar excelente resistência à corrosão e à umidade, retenção das propriedades

mecânicas

em

altas

temperaturas,

facilidade

de

processamento e baixo custo. Além disso, quando usado em um compósito, permite o trabalho com formas complexas e de grande porte, tais como cascos de barcos, peças para frentes e traseiras de ônibus e caminhões, carrocerias de carros esportivos, piscinas, tubos para esgoto, etc. Porém, é bastante poluente; seus resíduos sólidos são de difícil reaproveitamento, além de ser altamente tóxico às pessoas que estão em contato direto com o produto, podendo ocasionar doenças respiratórias, entre elas o câncer de pulmão. A aplicação de fibras vegetais como substitutas da fibra de vidro em matrizes poliméricas para a confecção de compósitos vem sendo estudada principalmente porque são consideradas fontes renováveis e compreendidas como importantes para o desenvolvimento sustentável. Para este trabalho selecionou-se a fibra do palmito de pupunha entre as fibras provenientes de resíduos agroindustriais da região de Joinville (SC), tanto para criar uma alternativa de reaproveitamento desses resíduos, quanto buscar a minimização da exposição de trabalhadores à fibra de vidro, o que pode refletir na saúde e qualidade de vida desses indivíduos. Este trabalho pondera tanto questões ambientais como os reflexos sobre a saúde dos trabalhadores, evidenciando a inter-relação saúde e ambiente. Utilizar fibras vegetais, com ou sem tratamento, em substituição à fibra de vidro e caracterizar algumas propriedades desse material antes e depois de incorporá-los nas matrizes de resina poliéster permitiu evidenciar algumas

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aplicações desses compósitos em produtos. A caracterização térmica das fibras e mecânica dos compósitos, bem como o perfil do produto a ser viabilizado por esses sistemas foi verificado e será apresentado neste estudo. Na seção 1 é apresentado o estado da arte, apontando o que já foi trabalhado a respeito do tema. São abordados os materiais compósitos e suas aplicações, a cultura e aplicação dos resíduos do palmito de pupunha, os métodos de análise: morfológica, térmica, das propriedades mecânicas de compósitos, além de abordar o Design e o desenvolvimento sustentável. A seção 2 descreve a metodologia e os instrumentos de pesquisa usados para o estudo, mostrando as etapas e atividades desenvolvidas. Apresenta desde a análise da aplicação da fibra de vidro em compósitos, identificação e seleção, extração e obtenção das fibras vegetais, os processos de tratamentos químicos realizados, para melhoramento das propriedades das fibras, até a obtenção dos compósitos, a confecção de corpos de prova e caracterização mecânica desse novo material. Na seção 3 são apresentados e discutidos os resultados deste estudo, seguidos pela seção 4, que aponta as conclusões.

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2 REVISÃO

2.1 Compósitos

A evolução tecnológica e a crescente demanda por novos produtos exige materiais altamente capacitados para a execução das aplicações propostas. O desenvolvimento de materiais compósitos surgiu da necessidade de se obter materiais que pudessem atender a algumas exigências técnicas, tais como: -

Leveza e facilidade de transporte: produtos fabricados a partir de

compósitos apresentam um baixo peso específico, sendo amplamente utilizados nos setores aeronáutico, naval, automobilístico e outros. -

Resistência química: esta característica permite sua utilização em uma

ampla gama de ambientes quimicamente agressivos, além dos aditivos especiais e resinas específicas que estão à disposição para aplicações que requeiram propriedades além das usuais. -

Resistência às intempéries: umidade, vento, sol, oscilações térmicas

tem baixa ação prejudicial sobre os compósitos e quando características não usuais são requeridas, aditivos como protetores de UV, agentes anti-pó, resinas especiais são amplamente utilizados. -

Flexibilidade arquitetônica: moldes com formas complexas são

facilmente adaptáveis aos processos em utilização. -

Durabilidade: devido à sua composição e à reticulação polimérica

formada durante o processo de moldagem, apresenta como característica uma alta durabilidade.

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-

Fácil

manutenção:

apresentam

técnicas

simples

de

reparo

e

manutenção. -

Resistência mecânica: apresentam excelente resistência mecânica que

possibilita a sua aplicação em peças de grande porte. Essas exigências são consideradas as principais características dos compósitos segundo a Associação Brasileira de Materiais Compósitos (ABMACO, 2007). Os compósitos são materiais criados através da combinação de dois ou mais componentes distintos, de maneira a alcançar uma melhor combinação de propriedades. Muitas tecnologias modernas requerem materiais com propriedades incomuns que não podem ser atendidas por materiais convencionais, ligas metálicas ou cerâmicas (CALLISTER, 2002). Para um material ser considerado compósito, deve atender a alguns critérios: ser composto por dois ou mais materiais insolúveis, ou seja, que mantêm sua identidade no material final, mas com formas e/ou propriedades distintas; as propriedades finais dos compósitos necessitam ser diferentes das de seus materiais constituintes, que devem estar presentes em proporções razoáveis (no mínimo 5%); e as diferentes fases devem estar separadas por uma interface de escala microscópica (AMICO, 2006). Dentre os segmentos de mercado que utilizam compósitos como matériaprima, destacam-se segundo a ABMACO (2007): -

Saneamento básico: fabricação de tubos e estações de tratamento de

água e efluentes. -

Transporte (automotivo, ferroviário, marítimo e aéreo): o Brasil é um dos

maiores fabricantes mundiais de ônibus, microônibus e vans. Este fato, aliado aos

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investimentos das montadoras internacionais em nosso país e ao constante crescimento deste segmento, sinaliza um excelente potencial de desenvolvimento para a indústria de compósitos. A destacada atuação do Brasil nos setores de transporte ferroviário e aeronáutico também abre boas perspectivas para as empresas. -

Químico e Petroquímico: 20% das plataformas de petróleo da Petrobrás

já utilizam produtos fabricados a partir de compósitos, substituindo, por exemplo, as grades de piso em aço. -

Construção Civil: o compósito já é amplamente utilizado por este

segmento, principalmente na fabricação de caixas d'água, tanques, coberturas, perfis, mármore sintético, banheiras e telhas. -

Eletro-eletrônico: as concessionárias de telefonia e energia elétrica já

estão utilizando amplamente o compósito em suas obras de manutenção e expansão em leitos para cabos, antenas, elementos de isolação e cabines telefônicas. -

Lazer: utilização de compósitos de fibra de vidro para fabricação de

materiais para parques temáticos e piscinas. A maioria dos materiais compósitos é constituída por duas fases distintas: a matriz, que é contínua e envolve a outra fase, chamada de fase dispersa, normalmente mais dura, mais rígida e mais resistente que a matriz (com algumas exceções). Como as duas fases estão ligadas por uma interface, a carga aplicada ao compósito é compartilhada pela fibra e pela matriz, sendo o reforço quase sempre responsável pela maior sustentação do esforço (AMICO, 2006). As propriedades finais dos compósitos são uma função das propriedades de suas fases constituintes, de suas quantidades relativas, além da forma, tamanho,

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distribuição e orientação das partículas (CALLISTER, 2002). A geometria do reforço é um dos fatores que determinam sua efetividade, pois as propriedades mecânicas dos compósitos são diretamente influenciadas por seu formato e dimensões (AMICO, 2006). Na Figura 1 são apresentadas algumas representações referentes às diversas características da fase dispersa dos compósitos.

Figura 1 – Representações esquemáticas das diversas características geométricas e espaciais das partículas da fase dispersa que podem influenciar as propriedades dos compósitos: (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d) distribuição e (e) orientação. Fonte: Callister (2002).

Os materiais compósitos podem ser classificados em três divisões principais: os compósitos reforçados com partículas, os reforçados com fibras e os estruturais, como se observa na Figura 2.

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Figura 2 – Esquema de classificação para os tipos de compósitos. Fonte: Callister (2002).

Nos compósitos reforçados com partículas, a fase dispersa tem eixos iguais, sendo as dimensões das partículas aproximadamente as mesmas em todas as direções. Para os compósitos reforçados com fibras, a fase dispersa tem a geometria de uma fibra, com uma grande razão entre o comprimento e o diâmetro; já os compósitos estruturais são combinações de compósitos e materiais homogêneos (CALLISTER, 2002).

2.2 Aplicações de fibras em compósitos

Os compósitos reforçados com fibras são classificados de acordo com o comprimento das mesmas. As características mecânicas de um compósito reforçado com fibras não dependem somente das propriedades da fibra, mas também do grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras pela matriz. Desta forma, há um comprimento crítico de fibra para que exista um aumento eficaz da

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resistência, além do fortalecimento do material compósito. Este comprimento crítico (lc) vai depender do diâmetro da fibra (d) e de sua resistência final (σ*f), como também da força de ligação entre a fibra e a matriz (Τc), de acordo com a equação 1 (CALLISTER, 2002): lc= σ*f d 2 Τc

(1)

A orientação, concentração e distribuição das fibras também exercem influência na resistência e em outras propriedades dos compósitos reforçados com fibras. Existem duas possibilidades de orientação: alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras e alinhamento totalmente aleatório. Normalmente, as fibras contínuas (longas) estão alinhadas e as fibras descontínuas (curtas) podem estar alinhadas ou orientadas aleatoriamente (Figura 3). A melhor combinação das propriedades dos compósitos se dá quando a distribuição das fibras é uniforme (CALLISTER, 2002).

Figura 3 – Representação esquemática de compósitos reforçados com fibras: (a) contínuas e alinhadas; (b) descontínuas e alinhadas; (c) descontínuas aleatórias Fonte: Callister (2002).

A matriz pode ser metálica, cerâmica ou polimérica, sendo que de maneira geral, os polímeros têm baixa resistência e módulo de elasticidade, os cerâmicos

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são rígidos e quebradiços e os metais têm resistência e módulos intermediários, sendo também dúcteis. Devem dar suporte e proteção à fibra, evitando falhas de superfície e suportando tensões de cisalhamento (AMICO, 2006). Da mesma forma os reforços também podem ser metálicos, cerâmicos ou poliméricos. Pode ser em partículas ou fibras, sendo que a fibra é geralmente usada e pelo menos uma das dimensões desta fibra deve ser pequena (1-500µm) (AMICO, 2006).

2.2.1 Compósitos poliméricos com fibra de vidro

Compósitos poliméricos são materiais de moldagem estrutural, compostos por uma fase contínua polimérica (matriz) reforçada por uma fase descontínua, normalmente formada por fibra de vidro, aramida ou de carbono dependendo da aplicação final. Estas duas fases agregam-se físico-quimicamente após um processo de cura (reticulação polimérica) (ABMACO, 2007). Dentre os compósitos, os que utilizam fibra de vidro são aplicados no desenvolvimento de diversos produtos, como caixas d’água, piscinas, cascos de barco, etc. Segundo Mano e Mendes (1999), a fibra de vidro ou fiberglass é ainda um material comumente utilizado em alguns segmentos de mercado, devido às características como resistência a variações de temperatura e por não permitir alterações substanciais das propriedades mecânicas. É um material rígido, com resistência química e às intempéries. Devido à sua facilidade de processamento, permite a moldagem de peças pequenas ou de grandes dimensões como telhas

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corrugadas, cascos de barcos, carrocerias de carros, piscinas, silos, tubos para esgoto industrial e luminárias decorativas. Os compósitos com fibra de vidro utilizam fibras contínuas ou descontínuas em uma matriz polimérica, sendo o vidro considerado um dos mais utilizados compósitos por várias razões (CALLISTER, 2002): -

é facilmente estirado na forma de fibras de alta resistência a partir do seu

estado fundido; -

é

um

material

amplamente

disponível

e

pode

ser

fabricado

economicamente para formar um plástico reforçado com vidro, empregando-se uma variedade de técnicas de fabricação de materiais compósitos; -

como uma fibra, ele é relativamente forte e, quando se encontra no

interior de uma matriz polimérica produz um compósito que possui resistência específica muito alta; -

quando associado com diferentes polímeros, possui uma inércia química

que torna o compósito útil para aplicação em meio a uma variedade de ambientes corrosivos. As resinas mais utilizadas para constituir compósitos reforçados com fibra de vidro são os poliésteres e as vinil ésteres; são também as de menor custo. Já as resinas epóxi possuem um custo mais elevado, sendo muito utilizadas em aplicações aeroespaciais, por apresentarem melhores propriedades mecânicas e melhor resistência à umidade que as demais. Para aplicações a altas temperaturas são usadas as resinas poliimidas e as termoplásticas (CALLISTER, 2002). Apesar de suas características apropriadas para o desenvolvimento de compósitos, a fibra de vidro é um material de manuseio complexo, tóxico para os que trabalham com ele. Além disso, é um material de difícil reciclabilidade, pois

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exige operações adicionais de tratamento, poluindo com maior facilidade o meio ambiente. Estudos para melhorar estas condições de reciclagem vêm sendo trabalhados. No trabalho de Sánchez et. al. (2007) é feita a aplicação do processo de pirólise em materiais compósitos de poliéster insaturado/ fibra de vidro, de forma a separar a fibra e recuperar o polímero na forma de gás e líquidos. Segundo Ferreira (2004), a corrente da sustentabilidade entende que poluição é uma forma de desperdício e ineficiência dos processos produtivos pela perda de matérias-primas e insumos na fabricação de produtos. Assim, a busca da qualidade ambiental passa pela concepção do produto e do próprio processo produtivo, através de gerenciamento de resíduos, utilização de forma consciente das matérias-primas, minimização do consumo energético e dos insumos necessários ao processo. Problemas relacionados à saúde das pessoas que ficam em contato direto com a fibra de vidro também são levantados. Porém, existem controvérsias entre alguns autores. Segundo Yam (1996) a inalação da fibra de vidro expõe seus manipuladores a grandes riscos de câncer. O autor relata que estudos realizados pelo Conselho de Defesa dos Recursos Naturais (NRDC; Washington), mostram que os riscos de câncer ocasionados pela inalação da fibra de vidro são iguais ou maiores que os ocasionados por amianto. O câncer pode ocorrer nos olhos, pele ou sistema respiratório. Nos estudos feitos por Hesterberg et al. (1999) com hamesters, todos os animais expostos à fibra tiveram inflamações pulmonares e elevada perda das células pulmonares. Para os autores, tanto a fibra quanto o amianto induzem à fibrose e mesotelioma pleural. Estas descobertas apoiam a idéia do potencial tóxico da fibra de vidro. Para Baan e Grosse (2004) materiais como a fibra de vidro são potencialmente perigosos para a saúde humana por liberarem partículas que são

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transportadas pelo ar e inaladas em sua produção, uso e eliminação. Segundo afirmam, estas partículas têm propriedades físicas similares às do amianto. O comportamento de suas fibras proporciona a mesma propriedade aerodinâmica e leva à sedimentação das fibras transportadas por todo o sistema respiratório. Analisando suas características, a fibra de vidro é muito fina, semelhante a um alfinete, facilitando sua aspiração e sedimentação. Mas, ao contrário do amianto, a fibra de vidro é sintética e amorfa e geralmente tem uma menor biopersistência no pulmão. Os autores afirmam ainda que as fibras de amianto podem causar dois tipos diferentes de malignidades em humanos: mesotelioma maligno, que surge no revestimento das cavidades do corpo e o carcinoma do pulmão, que aparece nas células epiteliais pulmonares. Por esta razão, estudos epidemiológicos da fibra de vidro são focados principalmente nestes dois tipos de câncer. Entretanto, nas avaliações feitas em um estudo de coorte em 2001 (FAYERWEATHER, 2002) existe uma evidência inadequada para carcinogenicidade em humanos, com base em informação epidemiológica. Segundo esse estudo, para a exposição de pessoas em ambientes contendo 0,05 fibras/cm³, o risco de câncer não é estatisticamente diferente daquelas que não se expõem à fibra de vidro. Os autores afirmam que não há registro de relação tempo-dependente entre a primeira exposição e a presença de tumor.

2.2.2 Compósitos com fibras vegetais

Atualmente é crescente o número de pesquisas que envolvem compósitos com fibras vegetais, principalmente referentes à substituição de fibras sintéticas. Autores como Mothé e Araújo (2004), Cavani et. al. (2004), Joseph et. al. (1999) e

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Salazar et. al. (2005) destacam a utilização destas fibras em substituição a fibras como fibra de vidro, amianto, Kevlar, nylon, boro e carbono, principalmente por estas apresentarem uma ou mais das seguintes características: custo elevado, serem abrasivas a equipamentos de processamento, possuírem alta densidade, não serem biodegradáveis, além de gerar um alto custo de reciclagem e potenciais problemas à saúde e ao ambiente. O uso de fibras vegetais se torna vantajoso justamente por ter características opostas: baixo custo, baixa densidade, não serem abrasivas, serem fonte de recursos naturais renováveis, biodegradáveis, não tóxicas, podendo ser incineradas e facilmente modificadas por agentes químicos. Metha et al. (2004) também destacam o estudo dos biocompósitos. Segundo eles, são materiais do futuro por gerar a possibilidade de manter o balanço entre ecologia e economia. Estes autores destacam que o interesse e a pesquisa nesta área têm crescido de forma exponencial na última década e que o benefício maior está na utilização de fibras naturais como reforço em componentes termoplásticos e termofixos. Embora os termoplásticos tenham a vantagem de permitir a reciclagem, os termofixos têm como meta o aperfeiçoamento de suas propriedades mecânicas na utilização de biocompósitos. Como já visto, as fibras naturais oferecem muitas vantagens, mas existem algumas limitações, pois as biofibras são hidrofílicas e têm baixa compatibilidade com as respectivas matrizes poliméricas hidrofóbicas, necessitando de tratamentos químicos para melhorar suas propriedades (METHA et al., 2004). Estudos demonstram que a adesão de fibras vegetais com uma matriz é um fator crítico na melhoria das propriedades mecânicas dos compósitos e que as soluções ainda estão sendo testadas. Estas recaem principalmente na utilização de processos de tratamento superficial das fibras, como também modificações químicas

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nas resinas, melhorando as características de interface entre a matriz e a fibra (SANCHEZ et al., 2002; AZIZ et al., 2006; BRAHIM & CHEIKH, 2007). Para Metha et al. (2004) a aplicação de um tratamento químico nas fibras naturais pode tornar possível o emprego de compósitos com essas fibras e poliéster, uma vez que consegue melhorar suas características mecânicas. Sem a aplicação de tratamentos, a utilização destes biocompósitos pode ficar comprometida ou limitada, pois a característica hidrofílica é responsável pela absorção de água, sendo contrária à característica da fibra de vidro, por exemplo, de resistir às intempéries. Nesse trabalho os autores mostram que a fibra de cânhamo, quando tratada com acrilonitrila, aumenta em 80 % sua resistência à tração, comparando-se com o compósito utilizando fibra sem tratamento, além de aumentar também seu módulo de elasticidade (Figura 4).

Figura 4 – Efeito do tratamento com acrilonitrila nas propriedades de resistência à tração e módulo de elasticidade do compósito de resina/fibra de cânhamo. A= resina pura; B= compósito sem tratamento; C= compósito com tratamento de acrilonitrila. Fonte: Metha et al., 2004.

Nas micrografias realizadas neste estudo (Figura 5) verifica-se que nos ensaios de tração, os compósitos com fibras tratadas com acrilonitrila apresentaram um menor grau de retirada da fibra e uma boa adesão entre a fibra e a matriz.

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Figura 5 – Micrografia de superfícies rompidas por tração: (a) compósito sem tratamento; (b) compósito com tratamento de acrilonitrila (ampliação 150x). Fonte: Metha et al., 2004.

Já Cavani et al. (2004) aplicaram sobre fibras de bagaço de cana, tratamentos com solução de hidróxido de sódio (NaOH) a 10 % por 24 h e com solução metanol e silano 2 %, também por 24 h. Os ensaios de impacto realizados mostraram que os compósitos de resina poliéster confeccionados com o bagaço tratado com hidróxido de sódio apresentaram resultados superiores aos compósitos com bagaço sem tratamento. As análises por microscopia eletrônica de varredura - MEV (Figura 6) confirmaram a adesão entre as fibras tratadas e a matriz polimérica, o que evidencia a mudança da superfície do bagaço em função do tratamento químico.

Figura 6 – Micrografias da superfície de fratura do corpo de prova do compósito de resina poliéster com fibras de bagaço de cana após ruptura no teste de impacto: (a) sem

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tratamento; (b) com tratamento de NaOH a 10 % (ampliação 800x). Fonte: Cavani et al., 2004.

Campomanes-Santana et al. (2004) avaliaram o efeito de tratamentos químicos em fibras de bambu nas propriedades destes compósitos. As fibras foram submetidas a tratamento com água a 100 °C por 1 h e solução de NaOH em 3 diferentes concentrações de massa (1, 5 e 10 % m/m) a 85 °C por 15 min. O tratamento químico com alta concentração de NaOH exerceu forte influência nas propriedades físicas dos compósitos, tais como decréscimo da densidade e aumento da umidade e absorção de água. Fibras extraídas do caule da bananeira foram utilizadas por Wessler et al. (2004) que fizeram experimentos realizando tratamento superficial com solução aquosa a 5 % de NaOH e tratamento de imersão na própria resina poliéster. De acordo com os resultados dos experimentos (Tabela 1), o tratamento efetuado pela imersão prévia das fibras na resina não resultou em compósitos com boas propriedades. Embora o material preparado com fibras tratadas com NaOH tenha apresentado maior resistência à tração, a resistência ao impacto foi comprometida.

Tabela 1 – Resultados obtidos na caracterização mecânica dos compósitos. Propriedades Resistência à tração (MPa)

Compósitos - fibras com 10mm Sem Imersão em Imersão em tratamento NaOH resina 12,02 18,28 8,45 (±0,99) (±1,51) (±0,7899)

Compósitos - fibras com 50mm Sem Imersão em Imersão em tratamento NaOH resina 13,33 (±1,46)

12,68 (±0,97)

7,10 (±1,83)

Alongamento (%)

3,25 (±0,37)

3,68 (±0,35)

2,32 (±0,33)

3,12 (±0,54)

2,66 (±0,34)

2,43 (±0,36)

Resistência ao impacto (KJ/m²)

7,46 (±0,76)

1,76 (±0,26)

5,88 (±2,79)

7,30 (±2,84)

3,40 (±1,18)

6,63 (±3,81)

Fonte: Wessler et. al, 2004.

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Nas micrografias obtidas por MEV no estudo com a fibra da bananeira (Figura 7), verifica-se que a fibra tratada apresentou uma superfície mais irregular que a não tratada (que apresentou uma regularidade não esperada para uma fibra natural, provavelmente atribuída ao método de raspagem no processo de extração da fibra). Segundo Wessler et. al (2004), isto pode permitir uma maior adesão e maior facilidade de dispersão na matriz polimérica.

Figura 7 – Fibra da bananeira: (a) com tratamento em solução de NaOH 5 %; (b) sem tratamento. Fonte: Wessler et al., 2004.

Nas curvas termogravimétricas obtidas para fibras de bananeira tratadas com NaOH e sem tratamento, verificou-se que o teor de umidade situou-se próximo a 9 % nos dois casos. Quanto à temperatura de início de decomposição, averiguou-se que o tratamento superficial efetuado apresentou uma variação de aproximadamente 15 °C na estabilidade térmica da fibra, sendo a temperatura de início de degradação para a fibra não tratada igual a 295 °C e para a fibra tratada, 270 °C. No Brasil, outras fibras que estão se destacando em pesquisas de biocompósitos são as de coco, sisal e curauá. A fibra de coco está sendo amplamente usada em compósitos com látex, principalmente na fabricação de assentos automobilísticos em substituição à espuma de poliuretano. Segundo

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Salazar et. al. (2005), este compósito apresentou várias vantagens em relação à espuma de poliuretano, entre elas ótima aeração, biodegrabilidade, reciclabilidade, custo equivalente ao da espuma, produto renovável e combustão sem gases tóxicos. A aplicação de fibras de sisal no reforço de matrizes poliméricas apresentamse como alternativa uma vez que seus compósitos mostram elevada resistência ao impacto, além de moderada resistência à tração e em flexão quando comparadas a compósitos reforçados com outras fibras vegetais (JOSEPH et. al.,1999). Outro material com potencial de aplicação é o curauá, que produz uma fibra de alta resistência. Segundo Mothé e Araújo (2004), quando misturada a polímeros, pode originar produtos com menor densidade, promover a diminuição de custo referente à matéria-prima, além da vantagem de se empregar uma matéria-prima de fonte renovável. Estudos mais recentes apontam a utilização de duas ou mais substâncias como reforço para uma mesma matriz, que originam os chamados compósitos híbridos. Conforme Idicula et al. (2006), é crescente o interesse pela hibridização com diferentes fibras naturais a fim de produzir materiais compósitos com maior performance. Destacam o uso de fibras de banana/ sisal e fibras de folhas de abacaxi/ fibra de vidro em compósitos híbridos de poliéster. Também são apontados estudos de outros autores com híbridos de rami/ tecido de algodão em matriz poliéster e sisal/ fibra de dendê como reforços de compósitos com borracha natural (IDICULA et al., 2006).

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2.3 Pupunheira (Bactris gasepaes H.B.K.): cultura e aplicação de resíduos

O Brasil é o maior produtor, consumidor e exportador de palmito do mundo. Segundo Santos et. al. (2006), estima-se que aproximadamente 99% do palmito comercial brasileiro, aproximadamente 70 mil toneladas, originam-se do extrativismo, principalmente, do açaí, na região do delta do rio Amazonas, e, em menor escala, da juçara na Mata Atlântica das regiões Sul e Sudeste do país. Para Chaimsohn e Durigan (2006), em função do esgotamento das reservas naturais do palmito juçara devido à acentuada devastação, o cultivo de palmáceas alternativas para produção de palmito tem crescido no Centro-Sul do país. Esta cultura foi inicialmente introduzida nesta região aproximadamente há 20 anos, tendo sua maior expansão a partir de meados da década de 90. Neste contexto, Santos et. al. (2006) afirmam que “o cultivo da pupunha e da palmeira real para palmito constituem-se em importantes alternativas agroecológicas para diversificação e fonte de renda para sistemas de produção em várias regiões brasileiras”. A pupunheira é uma palmeira da família das palmáceas, nativa dos trópicos úmidos americanos, cultivada por índios da América Central e Amazônia desde aproximadamente 1545, porém não se sabe com exatidão a sua origem apesar do conhecimento de seu uso por índios que ocupavam as regiões quentes desde o Estado do Pará ao sul do México (CARMO et al., 2003). Uma iniciativa do grupo de pesquisa com a Pupunha, liderado pelo Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), a descreve como uma espécie domesticada, ocorrendo apenas onde é plantada e sua abundância depende da importância dada pelo homem local. Segundo o INPA, “por ser uma espécie

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domesticada, a tolerância ecológica da pupunha é muito mais ampla do que qualquer um de seus prováveis ancestrais”. (PUPUNHA-NET, 2006). O habitat natural da pupunheira são regiões de mata úmida, com índices pluviométricos variando entre 1500 a 6000 mm, com uma distribuição adequada de chuvas. A altitude também é variável, indo desde o nível do mar a até aproximadamente 2000 m. A temperatura média anual das regiões onde é encontrada varia entre 22 e 28 ºC, com umidade relativa do ar acima de 80 % (CARMO et al., 2003; PUPUNHA-NET, 2006). Da pupunheira é usado praticamente tudo. Os principais usos destacados são para consumo, seja in natura, a partir do fruto cozido (Figura 8), o fruto em forma de farinha ou para ração animal, além do palmito (caule secundário), apresentado na Figura 9. Também são usadas as sementes em consumo direto como noz e as flores como condimentos para saladas (CARMO et al., 2003; PUPUNHA-NET, 2006).

Figura 8 – Fruto da pupunha. Fonte: INPA, 2006.

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Figura 9 – Palmito da pupunha. Fonte: INPA, 2006.

Também são destacados alguns usos secundários como a utilização do fruto para óleo e a utilização dos espinhos como agulha pelos índios. O crescimento da pupunha é muito rápido, tornando-se alta demais para a fácil coleta dos frutos, sendo indicada a renovação periódica das plantações para frutos, eliminando-se alguns dos estipes e utilizando a madeira de sua parte externa. Esta madeira pode ser usada em pequenas construções, arcos e flechas, varas de pescar (CARMO et al., 2003; PUPUNHA-NET, 2006). A madeira possui uma cor parda-escura com fibras amarelas, é forte e durável, fácil de trabalhar, aceitando um bom acabamento. Pesquisas do INPA identificaram qualidades especiais que também sugerem seu uso em instrumentos musicais e artesanato. Outro uso obtido a partir de ripas do estipe da pupunheira é o compensado (FIBRA DESIGN SUSTENTÁVEL, 2007). As ripas são prensadas horizontalmente com adesivo de base vegetal. Este material possui um acabamento final de alta qualidade proporcionada por sua textura fina. Na Figura 10 é possível observar um aparador revestido com o compensado de pupunha.

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Figura 10 – Aparador revestido com o compensado da madeira da pupunha. Fonte: Fibra Design Sustentável, 2007.

Além disso, seu perfilhamento a torna uma espécie perene (ou semiperene), propiciando o corte de mais de um palmito/planta a partir do corte da planta mãe, aumentando o rendimento do agricultor. Os resíduos resultantes do corte do palmito são suas folhas e resíduos do caule secundário, parte da palmácea usada na alimentação como palmito.

2.4 Análises morfológicas e térmicas

Para acompanhamento dos efeitos de tratamentos químicos sobre as fibras vegetais e da interação resina/ fibra são realizadas rotineiramente análises morfológicas e térmicas.

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2.4.1 Análise morfológica por microscopia eletrônica de varredura (MEV)

Dentre as formas de monitorar a qualidade mecânica dos compósitos poliméricos e para o estudo da estrutura fina e da morfologia de materiais, costumase usar técnicas de inspeção morfológica, destacando-se aqui a microscopia eletrônica de varredura (MEV). Por meio de um microscópio eletrônico são obtidas imagens tridimensionais a partir da utilização de elétrons (GONÇALVES, 2003). Na utilização de um microscópio eletrônico em relação a um microscópio óptico, a vantagem destacada é a alta resolução das imagens, garantindo obter alta ampliação de detalhes próximos sem perder a nitidez. Por meio dos equipamentos eletrônicos

podem

ser

verificados

detalhes

menores

que

1

nanômetro

(GONÇALVES, 2003). Padilha (2004) ressalta que a microestrutura observada no microscópio eletrônico apresenta uma descrição qualitativa dos diferentes microconstituintes e dos defeitos presentes na mesma. O autor destaca ainda que as propriedades dos materiais dependem da sua microestrutura, citando as influências do tamanho do grão e da dispersão de uma segunda fase sobre as propriedades mecânicas. As amostras para verificação devem ser preparadas, pois materiais não condutores, como a maioria dos polímeros, devem receber revestimentos condutivos ou o uso de baixa voltagem de aceleração do feixe de elétrons para evitar o acúmulo de carga negativa. A montagem da amostra é feita sobre suportes metálicos, aplicando adesivos condutivos como fitas de carbono. Os revestimentos condutivos mais empregados são o ouro, liga ouro-paládio, platina, alumínio e carbono, devendo ser suficientemente contínuos e finos (menor que 20 nm) de forma a não

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mascarar a topografia da superfície, mas a ponto de conduzir o excesso de carga negativa (GONÇALVES, 2003). Na Figura 11 observa-se o exemplo de uma micrografia obtida a partir de um MEV.

Figura 11 – Exemplo de micrografia de uma fibra da folha da pupunheira sem tratamento (ampliação 500x). Fonte: arquivo pessoal.

O MEV é um método que permite visualizar a morfologia e o entrelaçamento das fibras, verificando sua estrutura e a implicação do uso de tratamentos químicos. Também pode ser avaliado o grau de adesão interfacial das fibras na matriz polimérica. Gonçalves (2003) também destaca a avaliação mais detalhada do comportamento mecânico de um processo de fratura em experimentos de deformação e os diferentes domínios em materiais multifásicos, aplicando-se técnicas de ataque seletivo. As análises térmicas permitem obter informações, tais como o perfil de degradação do material, bem como a interação entre a resina e a fibra, no caso dos compósitos. Os dois ensaios térmicos comumente usados são descritos a seguir.

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2.4.2 Ensaio térmico - Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG)

A termogravimetria permite verificar a variação da perda de massa e degradação térmica dos materiais durante o aquecimento e o tipo de decomposição do material (SCHWEDT, 1999). Segundo Mothé e Araujo (2004) esta é uma importante técnica analítica usada para avaliar a estabilidade térmica dos compósitos e estabelecer um melhor entendimento da relação estrutura/propriedade, fornecendo dados como o limite máximo de temperatura do compósito para sua aplicação, possibilitando também a realização de um estudo cinético para determinação de parâmetros cinéticos. Dois modos de TG são comumente usados, como ilustrado na Figura 12.

Figura 12 – Modos de termogravimetria: (a) TG quase-isotérmica; (b) TG dinâmica ou convencional. Fonte: Matos e Machado, 2003.

Na Figura 12a tem-se uma TG quase-isotérmica, sendo a amostra aquecida a uma razão de aquecimento linear enquanto não ocorre variação de massa; a partir do momento em que a balança detecta a variação de massa, a temperatura é mantida constante até se obter um novo patamar, característico de massa constante

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para amostra, e assim sucessivamente;

na Figura 12b é apresentada uma TG

dinâmica ou convencional, na qual a amostra é aquecida ou resfriada num ambiente em que a temperatura varia de maneira pré-determinada, de preferência, à razão de aquecimento ou resfriamento linear (MATOS; MACHADO, 2003). O método termogravimétrico convencional ou dinâmico apresenta curvas de massa da amostra (m) registradas em função da temperatura (T) ou do tempo (t), conforme equação 2 (MATOS E MACHADO, 2003): m = f (T ou t)

(2)

Essas curvas são denominadas curvas termogravimétricas ou, simplesmente, curvas TG (IONASHIRO & GIOLITO, 1980).

A Figura 13 apresenta as

características de uma curva TG para um processo de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Observa-se que a substância X é termicamente estável entre os pontos a e b (patamar inicial). O ponto b, correspondente a Ti (temperatura na qual as variações acumuladas de massa totalizam o valor que a balança é capaz de detectar), mostra o início do processo de decomposição térmica com a liberação total do volátil Z e a completa formação da substância Y, que se torna termicamente estável a partir do ponto C (início do patamar final). O degrau bc, correspondente à diferença Tf -Ti (intervalo de reação), admite a obtenção de dados quantitativos sobre a variação de massa sofrida pela amostra (Δm) em relação ao eixo de ordenadas (IONASHIRO & GIOLITO, 1980). O início extrapolado do evento térmico e que corresponde ao ponto de intersecção da linha base extrapolada é denominado temperatura de onset. Esta temperatura (Tonset) é usada com o propósito de comparação, visto que é mais fácil de ser determinada do que a Ti. Da mesma forma, a temperatura de endset (Tendset) corresponde ao final extrapolado do evento térmico (MATOS; MACHADO, 2003).

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Figura 13 – Características de uma curva TG de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Fonte: Matos e Machado, 2003.

A termogravimetria derivada (DTG) corresponde à derivada primeira da variação de massa em relação ao tempo (dm/dt) em função da temperatura ou do tempo (IONASHIRO & GIOLITO, 1980). É registrada a partir da curva TG, representada conforme a equação 3 (MATOS E MACHADO, 2003): dm/dt = f (T ou t)

(3)

Pode também ser representada pela derivada primeira da variação de massa em relação à temperatura (dm/dT), também registrada em função da temperatura ou do tempo, conforme a equação 4 (ibidem): dm/dT = f(T ou t)

(4)

Independentemente do caso, a curva resultante é a derivada primeira da curva TG. Essa curva pode ser obtida por métodos de diferenciação manual da curva TG ou por diferenciação eletrônica do sinal de TG. A Figura 14 apresenta as características de uma curva DTG para um processo de decomposição térmica ocorrida em etapa única, conforme a equação de reação em função da temperatura.

40

Verifica-se que o degrau bc da curva TG, ilustrado na Figura 13, é submetido por um pico bcd, que delimita uma área proporcional à variação de massa sofrida pela amostra. Os patamares horizontais da curva TG (Figura 13) correspondem aos patamares horizontais ab e de na curva DTG, pois dm/dt = 0. O ponto b corresponde à Ti, temperatura em que dm/dt passa a ser diferente de zero, ou seja, temperatura em que se inicia a decomposição térmica da substância X. O ponto c corresponde ao máximo na curva DTG, obtido quando a curva TG apresenta um ponto de inflexão, e a temperatura do pico (Tp) é aquela em que a massa está variando mais rapidamente. O ponto d corresponde à Tf, temperatura em que dm/dt volta a ser igual à zero, indicando o final da etapa de decomposição térmica (liberação total do volátil Z) e início do patamar que caracteriza a estabilidade térmica do produto final Y. A largura do pico bd, indicativo do intervalo de reação, está relacionada à cinética do processo de decomposição térmica (MATOS; MACHADO, 2003; IONASHIRO & GIOLITO, 1988).

Figura 14 – Curvas TG (linha tracejada) e DTG (linha sólida) de uma reação de decomposição térmica que ocorre em uma única etapa. Características da curva DTG. Fonte: Matos e Machado, 2003.

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A curva DTG apresenta os mesmos dados da curva TG integral, porém de uma forma diferente. De acordo com Matos e Machado (2003) pode ser resumida da seguinte forma: - as informações apresentadas pela curva DTG possuem um formato mais facilmente visualizável; - permite a pronta determinação da temperatura em que a taxa de variação de massa é máxima (Tp), fornecendo informações adicionais para a Tonset e Tendset. No entanto, as três temperaturas respondem às variações nas condições experimentais e os valores de Tp são mais característicos de um material do que aqueles de Ti e Tf; - a área do pico sob a curva DTG é diretamente proporcional à variação de massa; - a altura do pico da curva DTG a qualquer temperatura fornece a razão de variação de massa naquela temperatura. Com esses valores se obtêm informações cinéticas, sendo a equação descrita por: _ dm = Ae (-E/RT) f(m) dt

(5)

Na equação tem-se A como fator pré-exponencial, E como energia de ativação e R, a constante da lei dos gases (MATOS; MACHADO, 2003).

2.5 Métodos de análise das propriedades mecânicas de compósitos

Para análise dos corpos de prova utilizando fibras naturais em compósitos é necessário submetê-los a uma bateria de ensaios que comprovem sua eficácia e

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aplicabilidade no desenvolvimento de produtos. Os dois ensaios mecânicos comumente usados são descritos a seguir:

2.5.1 Ensaio de resistência à tração

O ensaio de resistência à tração consiste na aplicação de uma carga de tração em um corpo, de maneira crescente até que este se rompa. Por meio deste ensaio, são verificados dados quantitativos das características mecânicas dos materiais, destacando-se o limite de resistência à tração, limite de escoamento, módulo de elasticidade, módulo de tenacidade, ductibilidade, coeficiente de encruamento e coeficiente de resistência. A resistência à tração, dada em kN/m, é definida como a força máxima de tração por unidade de largura que um corpo suporta antes de se romper, sendo a principal característica a ser observada neste ensaio (GARCIA et.al., 2000). Os ensaios de tração são executados em um aparelho chamado de “Máquina Universal de Ensaios”. Este equipamento consiste basicamente de um arranjo constituído por duas travessas (sendo uma fixa e outra móvel), uma célula de carga, um mecanismo de direcionamento, acessórios de fixação dos corpos de prova e extensômetros. A máquina de ensaios deve ter capacidade para manter velocidades constantes em um intervalo de tempo de 1 a 500 mm/s, com tolerância de erro geralmente menor que 20%. A célula de carga registra a carga durante o ensaio, devendo ter uma precisão maior que 99% do valor real da carga. Normalmente tem capacidade para 0,5, 5 e 50 kN, devendo ser escolhidas de modo a se obter uma boa sensibilidade nos ensaios. Isto é feito tomando-se os valores de capacidade da

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célula de carga, seu erro percentual e os valores estimados da carga necessária máxima para ensaio do material (CANTO & PESSAN, 2003). Os corpos de prova usados nestes testes utilizam geometrias, dimensões e tolerâncias dimensionais que devem atender às normas ISO 527-1 ou ASTM D-638. São normalmente preparados por injeção, chapas extrudadas, placas moldadas por compressão, laminação, entre outros, sendo que um número mínimo de cinco corpos de prova é exigido para este tipo de ensaio mecânico (CANTO & PESSAN, 2003). Os corpos de prova devem ser fixados em garras acopladas às travessas fixa e móvel do equipamento. A taxa de deformação é controlada pelo mecanismo de direcionamento, sendo a tensão de tração registrada pela célula de carga (CANTO & PESSAN, 2003). A Figura 15 representa esquematicamente o dispositivo utilizado em ensaios de tração uniaxial.

Figura 15 – Representação esquemática do dispositivo de ensaio de tração uniaxial. Fonte: Canto e Pessan, 2003.

Conforme Canto e Pessan (2003), os principais parâmetros mecânicos verificados nos ensaios de tração são descritos a seguir, sendo alguns identificados na curva da Figura 16.

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- Tensão de tração nominal (σt): é a razão entre a carga ou força de tração (F) e a área da seção transversal inicial do corpo de prova (Ao). Expressa em MPa (megapascal). - Resistência à tração nominal: é a máxima tensão sob tração suportada pelo corpo de prova durante o ensaio de tração. Quando a tensão máxima ocorre no ponto de escoamento, a resistência à tração é chamada de Resistência à Tração no Escoamento (ponto B da Figura 16). Quando a tensão máxima ocorre na ruptura, a resistência à tração é chamada de Resistência à Tração na Ruptura (pontos A e E da Figura 16). Expressa em MPa. - Ponto de escoamento: é o primeiro ponto na curva tensão x deformação em que um aumento de deformação ocorre sem haver aumento de tensão (pontos B e D da Figura 16). - Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young (E): é a razão entre a tensão de tração nominal e a deformação correspondente, abaixo do limite de proporcionalidade do material. Quanto maior é o módulo, menor é sua deformação elástica. Também expresso em MPa. E = σ/ε

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Figura 16 – Designação dos parâmetros no ensaio de tração. Fonte: Canto e Pessan, 2003.

2.5.2 Ensaio de resistência ao impacto

A resistência ao impacto é capacidade de um material em suportar elevadas taxas de deformação, quando submetido a solicitações de tensão elevada num curto espaço de tempo (HAGE Jr., 2003). A resistência ao impacto é uma das propriedades mais requisitadas na especificação do comportamento mecânico de polímeros, mas apesar de sua importância, é uma das propriedades mecânicas de menor confiança, pois não é uma propriedade intrínseca do material (HAGE Jr., 2003). Apesar do resultado deste ensaio apresentar indicações menos confiáveis sobre o comportamento de toda a estrutura, permite observar as diferenças de comportamento entre materiais, o que não é possível verificar em ensaios de tração. Desta forma, dados de resistência ao impacto podem ser aplicados como uma etapa inicial de seleção de materiais, baseando-se em um nível desejado de tenacidade sobre impacto (GARCIA et al., 2000; HAGE Jr., 2003). A resistência ao impacto depende de uma série de variáveis, tais como a temperatura do ensaio, a velocidade do impacto durante o teste, a sensibilidade a entalhes padronizados, a força com que o corpo de prova sofre o impacto, a geometria do corpo de prova, as condições de fabricação do corpo de prova, as condições ambientais do ensaio, entre outras (HAGE Jr., 2003). O impacto pode ser definido como a energia cinética necessária para iniciar a fratura e continuá-la até que ocorra a ruptura do corpo de prova. Este ensaio pode ser usado como comparação entre materiais em relação à resistência ou como controle de especificação de um material (IPQ: 2006). A principal aplicação deste

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ensaio refere-se à caracterização do comportamento dos materiais, possibilitando a determinação da faixa de temperatura na qual um material muda de dúctil para frágil (GARCIA et al., 2000). A tenacidade é a capacidade de um material se deformar durante uma solicitação mecânica. Quando a tenacidade de um material é solicitada sob impacto é conhecida como resistência ao impacto, mas talvez o termo mais adequado fosse tenacidade sob impacto. Materiais com alto valor de tenacidade são classificados como dúcteis, enquanto que os materiais com baixa tenacidade são classificados como frágeis (HAGE Jr., 2003). Os ensaios de impacto mais conhecidos são denominados Charpy e Izod, dependendo da configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo de prova na máquina. Tanto no ensaio de Charpy como no Izod, o corpo de prova tem o formato de uma barra de seção transversal quadrada, na qual é usinado um entalhe em forma de V. O equipamento de ensaio, juntamente com os tipos de corpo de prova, é apresentado na Figura 17.

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Figura 17 – Representação esquemática: (a) equipamento de ensaios; (b) corpos de prova Charpy e Izod (Segundo ASTM E23-94a). Fonte: Garcia et. al, 2000.

O entalhe procura simular o processo de ruptura sob impacto de um material que apresente um defeito estrutural inerente à sua constituição química ou gerado no processo de fabricação do mesmo. Desta forma, o ensaio de impacto realizado em corpos entalhados representa o caso extremo de solicitação mecânica no mesmo (HAGE Jr., 2003). As normas mais utilizadas que regulamentam o ensaio de impacto Izod são ASTM D-256, ISO 180 e NBR 8425.

2.6 Design e o desenvolvimento sustentável

De acordo com dados do Population Reference Bureau (PRB, 2005), o crescimento da população mundial é atualmente de 1,2 % ao ano, resultando num adicional de mais 80 milhões de pessoas anualmente, colocando em perigo o desenvolvimento econômico e social e repercutindo no meio ambiente com o aumento do lixo e a exploração inadequada de recursos naturais. Desta maneira, é essencial a formação de uma mentalidade que posicione o ser humano como parte integrante e dependente dos recursos do planeta, para que seja possível reverter este processo de degradação, como afirmam Fernandes e Armellini (2004). Em 1967 na Conferência Intergovernamental pelo Uso Racional e Conservação da Biosfera da Organização das Nações Unidas para Educação, Ciência e Cultura (UNESCO), o conceito de desenvolvimento ecologicamente sustentável foi abordado pela primeira vez. Mas o conceito de sustentabilidade

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ambiental, conforme Manzini e Vezzoli (2005), só foi introduzido no debate internacional, pelo documento da Comissão Mundial pelo Desenvolvimento e Meio Ambiente (WCED) em 1987. Esta idéia também foi base da Conferência das Nações Unidas pelo Desenvolvimento e Meio Ambiente (UNCED), a Eco-92, que ocorreu no Rio de Janeiro em 1992, sendo referência fundamental do Quinto Plano de Ação da União Européia para o Ambiente. O evento mais recente ocorreu em fevereiro de 2007 em Paris, a Conferência Internacional sobre a Governança Ecológica Mundial, em que o então presidente Jacques Chirac pede uma revolução para salvar o planeta após tomar conhecimento das últimas conclusões do Grupo de Peritos Intergovernamental sobre a Evolução do Clima (sigla em francês: GIEC), que detalham a gravidade do aquecimento climático. As conclusões do GIEC também comprovam a necessidade de solidariedade internacional e de estudos que auxiliem o financiamento de países mais

pobres

na

adaptação

às

conseqüências

da

mudança

climática

(AMBAFRANCE, 2007). Cada um dos milhões de produtos que são usados para "melhorar" a qualidade de vida das pessoas tem alguma associação com impactos ambientais, sendo que alguns produtos proporcionam pequenos impactos e outros podem consumir recursos finitos em grande quantidade. Através do desenvolvimento sustentável é possível objetivar a criação de novos produtos, partindo-se do princípio do reaproveitamento de matérias-primas renováveis, visando à preservação do meio ambiente e a minimização de custos. O grande desafio do design é impedir ou minimizar os impactos ambientais dos produtos e que, como todo desafio, constitui tanto uma demanda como oportunidade (FUAD-LUKE, 2002).

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Atualmente, questões referentes ao desenvolvimento sustentável e à preservação do ecossistema apresentam-se em evidência justamente por estarem diretamente ligados à sustentabilidade da vida humana. Desta forma, Kindlein Junior et al. (2004), afirmam que o desenvolvimento de produto tem um papel importante, devendo considerar e procurar reduzir os impactos ambientais durante todo seu ciclo de vida. Para que o design seja considerado sustentável, deve ser além de economicamente viável e ecologicamente correto, socialmente eqüitativo. No Brasil verifica-se a falta de equilíbrio e a injustiça em que o povo, de modo geral, vive, representado pela realidade sócio-ambiental e pelas últimas transformações sociais e econômicas ocorridas. Quando trabalhados conceitos sustentáveis, o design tem papel importante no planejamento de um futuro responsável e comprometido com o meio ambiente e com a sociedade, apresentando-se estrategicamente como diferencial para artesãos e comunidades interessadas em um comércio ético e solidário. Desta forma, são características diferenciais do design sustentável a consideração não só de aspectos econômicos e estéticos, como também ambientais e sociais de um produto (ULLMANN, 2007). É possível afirmar que o design tornou-se um grande diferencial no mercado competitivo, mas que ainda é visto por muitas empresas apenas como elemento estético. No entanto, segundo o Centro Português de Design (1997), um bom design deve ir muito além, passando pela definição do custo de um produto, de sua produção e de sua posterior manutenção. A inovação é outro fator importante no desenvolvimento de produtos. Segundo Kelley (2001), é preciso “promover o pensamento criativo e inovador no competitivo mundo dos negócios, em que ser o primeiro a ter uma idéia e a entrar no mercado com o produto é fundamental para a

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própria sobrevivência e a superação dos concorrentes”. Porém, esta busca desenfreada por inovação deve ser consciente, caso contrário pode gerar um resultado inadequado. Sabe-se que durante os anos 80, a corrida por novas tecnologias que trouxessem avanços às diversas utilidades de cada produto, favoreceu a crise ambiental. Para Doveil (2005) “é necessário chegar com urgência a uma drástica desmaterialização, reduzindo os impactos e os resíduos gerados pela indústria”. No final dos anos 90, foi estimado que para se obter sucesso com essa desmaterialização, seria necessário reduzir em cerca de 90% o emprego de materiais nos próximos 10 a 12 anos (DOVEIL, 2005). Conforme Kazazian (2005) as conseqüências da utilização atual dos recursos naturais foram evidenciadas pela “Pegada Ecológica” calculada pelo World Wildlife Found (WWF), uma das mais importantes organizações não governamentais voltadas à proteção da natureza e do meio ambiente. A Pegada Ecológica é uma ferramenta desenvolvida em 1994 por pesquisadores americanos que avalia a superfície produtiva necessária a uma população para responder a seu consumo de recursos e à sua necessidade de absorção de recursos (KAZAZIAN, 2005). Conforme o autor, para se viver conforme os padrões europeus nos dias atuais, seriam necessários dois planetas e meio para satisfazer as necessidades da população; avaliando-se os padrões americanos, seriam necessários cinco planetas (KAZAZIAN, 2005). Para Kindlein Junior et al. (2004), “o aumento da preocupação ambiental nos faz buscar a redução de impactos ao meio ambiente através do desenvolvimento de eco-produtos”. Nesse sentido, Doveil (2005) contribui, explorando o termo inovação e aliando-o à preocupação com o ambiente,

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[...] a tarefa da cultura do projeto vai muito além da possibilidade de produção das idéias que põem em campo. A inovação é um mix de novos materiais, novas funções de uso, inovações tipológicas e formais, o que implica enfrentar, também no design de objetos de uso comum, projetos complexos. Inovar também significa introduzir novos serviços ou utilidades que não se exigiam em outros tempos. [...] A introdução de uma inovação de caráter ambiental requer do projetista a capacidade de dar suporte à empresa por meio da elaboração de um conjunto de valores que façam com que o produto seja reconhecível como inovador e sustentável. A inovação não pode mais dizer respeito apenas a aspectos singulares do projeto, mas deve expressar um conjunto de valores complexos e articulados e, entre esses, o ambiental que, por sinal, é dos menos visíveis. (DOVEIL, 2003)

Conforme Manzini e Vezzoli (2005), a conscientização sobre os problemas ambientais seguiu um percurso que vai do tratamento da poluição gerada por atividades produtivas, interferindo nos processos produtivos geradores dessa poluição (tecnologias limpas) e no redesenho de produtos (produtos limpos). Isto levou à reorientação de novos comportamentos sociais, como a procura por produtos e serviços “ecologicamente corretos” que motivem sua existência (consumo limpo). Manzini e Vezzoli (2005) ainda afirmam que o desenvolvimento de produtos limpos requer, além da aplicação de tecnologias limpas, uma nova capacidade de design, permitindo obtê-los sem muitas sofisticações tecnológicas. Desta forma, o desenvolvimento do design para a sustentabilidade considera as questões ambientais no desenvolvimento de produtos de uma maneira mais abrangente, pois procura capacitar o sistema produtivo a responder à procura social de bem-estar, utilizando uma quantidade de recursos ambientais bastante inferior aos níveis praticados atualmente. Isto requer gerir, de maneira coordenada, todos os instrumentos de que se possa dispor (produtos, serviços e comunicações), dando unidade e clareza às próprias propostas. Deve também aprofundar suas escolhas na constante avaliação das implicações ambientais, nas diferentes soluções técnica, econômica e socialmente aceitáveis, considerando ainda durante a concepção de

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produtos e serviços, todas as condicionantes que os determinem por todo o seu ciclo de vida (MANZINI & VEZZOLI, 2005).

2.6.1 Ecodesign

A inovação com ênfase no desenvolvimento sustentável é possível através da aplicação do Ecodesign como ferramenta de desenvolvimento. O Ecodesign (Green Design ou Design for Environment) procura conceber produtos considerando seu impacto no ambiente através da correta utilização e seleção dos materiais ou processos de fabricação, facilitando de alguma maneira sua desmontagem, reuso e reciclagem. Segundo Kazazian (2005) sua definição foi dada por Victor Papanek, sendo um processo que tem por conseqüência tornar a economia mais leve. Contribuindo, Kindlein Junior et al. (2004) afirmam que procura também diminuir o desperdício e a poluição ambiental, buscando solucionar o conflito entre o desenvolvimento econômico e as questões referentes à preservação do meio. Para Kazazian (2005), a “ecoconcepção” aborda a redução dos impactos de um produto, conservando sua qualidade de uso ao mesmo tempo em que melhora a qualidade de vida dos usuários de hoje e de amanhã. Desta forma, “o meio ambiente é tão importante quanto a exeqüibilidade técnica, o controle dos custos e a demanda do mercado” (KAZAZIAN, 2005). Outras correntes sugerem que o conceito de Ecodesign é restrito. Segundo Pereira (2003, apud FERNANDES & ARMELLINI, 2004), o ecodesign aborda referências unicamente a fatores ecológicos pontuais. Já a perspectiva ampliada do

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desenvolvimento sustentável procura abranger os aspectos ecológico e social, atemporal e planetário dos danos produzidos, auxiliando na busca por soluções. Kazazian (2005) chama de produtos leves, aqueles cuja concepção foi elaborada de forma sustentável. Para ele, a gestão durável dos recursos naturais é uma questão vital para a economia e as empresas que concebem produtos sem a ótica da economia leve, devem levar em consideração o tempo de renovação das matérias-primas utilizadas. As matérias-primas podem ser divididas em renováveis e não-renováveis.

As

renováveis

são

aquelas

produzidas

pela

natureza

e

transformadas pelo homem. São materiais de origem animal ou vegetal, sendo seu tempo de renovação inferior ou igual ao de uma vida humana. Já as não renováveis estão em quantidade limitada no planeta e sua reconstituição pode levar até milhões de anos. Desta forma, se não forem utilizadas de maneira adequada, podem ser esgotadas. (KAZAZIAN, 2005) Kindlein Junior et al. (2004) relatam alguns princípios para a execução de produtos, procurando prever e prevenir o potencial de agressividade ao meio. Dentre esses são destacados: - produtos que economizem ao máximo o uso de água, ar, espaço e energia ou outros recursos não renováveis; - produtos que sejam reutilizáveis, promovendo a estes um novo uso após o descarte; - produtos que combinados através de módulos, permitam ao usuário criar novos produtos à sua conveniência; - produtos que sejam duráveis ao invés de descartáveis; - produtos biodegradáveis ou recicláveis e com baixa utilização de materiais compósitos;

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- produtos não poluentes e não agressivos, evitando qualquer tipo de poluição que atinja a natureza e o homem. Embora a confecção de compósitos não seja recomendada, a substituição de um material altamente tóxico como a fibra de vidro ou amianto por uma fibra vegetal, reduz a exposição do trabalhador no momento da manipulação. Desta forma, os produtos que atendem a estes princípios podem ser considerados ecoeficientes. Para Ferreira (2004), Ecoeficiência de um produto consiste na característica ambiental que um artefato, equipamento ou componente possui, incorporada via projeto. O produto ecoeficiente apresenta requisitos especiais, que o diferenciam de outros, ao ser fabricado, estocado, transportado, utilizado, descartado, coletado e reciclado, num nível ecológico adequado aos seus usuários e ao meio natural, no qual estes se inserem. Desta forma vale destacar que a preocupação principal da atividade do design deve residir na tentativa de obtenção de soluções que contemplem uma combinação efetiva de descartereciclagem racional dos componentes dos produtos. O binômio citado passa, obrigatoriamente, a incorporar a lista de requisitos e condicionantes de projeto de qualquer produto a ser concebido.

Para esse autor, o planeta atualmente está polarizado em economias centrais e periféricas, baseando-se na necessidade de contenção dos níveis de produção, em vista do efetivo atendimento das necessidades da maioria da população. Porém, nas economias ditas periféricas (países sul-americanos, por exemplo), há a necessidade de retomar níveis de produção e consumo, represados em períodos econômicos altamente inflacionários, com vistas ao atendimento das necessidades básicas da população (FERREIRA, 2004). Neste caso, das economias periféricas, o fator agravante na retomada do crescimento e atendimento das demandas de mercado, vem sendo a utilização de tecnologias obsoletas importadas de economias centrais, ainda poluentes e danosas ao meio natural. Ferreira (2004) afirma que esses modelos industriais importados, sem um upgrade devido, caracterizam-se pela

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baixa capacidade de absorção dos seus efluentes industriais, por parte do entorno imediato. Para Kazazian (2005) o ecodesign seria uma abordagem de melhora contínua (Figura 18), procurando “um ciclo de fluxos, de sinergias de atores”, abordados nos programas ISO 14000.

Figura 18 – Roda de Deming. Fonte: Kazazian, 2005.

Finalizando, o autor destaca que é preciso considerar que não existe um produto ecológico, pois qualquer produto oferecerá algum impacto ambiental, talvez alguns maiores que outros, mas os impactos sempre existirão.

2.6.2 Aumento da vida útil de um produto - o produto durável

A ênfase no consumismo, na redução de custos dos produtos comercializados e na entrada de produtos advindos de novas potências, como a China e Índia no mercado concorrente, favorece o desenvolvimento de produtos de vida útil cada vez

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mais curta. Contrapondo esta corrente, quando se projeta um produto visando intensificar seu uso, facilitando a manutenção e substituição de componentes, o resultado são produtos mais duráveis, promovendo o design sustentável. Neste caso, “produto durável” não necessariamente no sentido de “aquele que não desaparece com o seu uso” como define o Código de Defesa do Consumidor (2006), mas sim produtos que tenham sua vida útil extendida, contribuindo para a ecoeficiência. De acordo com Kazazian (2005, pg. 44), “durabilidade se define como a capacidade do objeto de se inscrever em uma certa perenidade, ou seja, quanto mais longa for sua utilização, maior durabilidade tem o produto. Melhor seria se os produtos tivessem uma utilização infinita, o que ainda não é possível. Para o autor, uma estratégia da economia leve é justamente a durabilidade dos produtos, pois, através do prolongamento de sua vida útil, é possível diminuir sua renovação e preservar os recursos naturais, limitando os impactos sobre o meio ambiente”. É importante diferenciar os termos duração de vida e duração de uso de um produto, “a primeira é sua capacidade de enfrentar o tempo, enquanto a segunda lhe permite responder às necessidades e aos desejos dos usuários” (KAZAZIAN, 2005, p.45), Hoje, a quantidade de produtos que nos cerca, reduz cada vez mais sua duração de uso. Antigamente uma família de quatro pessoas possuía entre 150 e 200 objetos, sendo que hoje este número é de 2 a 3 mil objetos. Nos dias atuais os objetos têm uma duração de uso efetiva muito inferior ao seu potencial. Exemplos seriam a furadeira, cuja duração de vida é de dez anos e são usados aproximadamente trinta minutos por ano ou um carro, que fica parado 92% do tempo (KAZAZIAN, 2005). Segundo Ramos (2001) algumas empresas já iniciaram o desenvolvimento de “produtos para durar”, aumentando sua responsabilidade em relação aos produtos

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fabricados. Um exemplo é a Philips, que estuda alternativas entre produtos que sejam altamente recicláveis e produtos feitos para durar. Esta segunda alternativa ocorre através da aplicação de materiais e tratamentos superficiais que sejam resistentes ao tempo, incluindo o uso de materiais “culturalmente associados com durabilidade”. O exemplo dado pelo autor é da aplicação da madeira em um rádiorelógio altamente tecnológico. Isto se justifica, pois com o passar do tempo, as deteriorações ocorridas com a madeira, apresentando mudanças em sua coloração e textura dão ao produto um ar nobre, ao contrário do que ocorre com o mesmo produto fabricado com plástico que, apesar de ser um material durável, desbota e perde o brilho, dando um ar de degeneração do produto. Outro fator que colabora com o aumento do lixo, principalmente nas grandes cidades é a utilização de materiais duráveis em produtos de curta duração de uso. Assim, como se deve utilizar materiais duráveis e que mantenham suas características físicas em produtos duráveis, deve-se evitar a escolha destes materiais em produtos de vida curta, a não ser que possam ser reaproveitados (RAMOS, 2001). Hoje em dia muito se tem falado também sobre a relação afetiva que um produto pode gerar com seu usuário. Criar uma relação afetiva entre usuário e produto pode ser determinante para a durabilidade do objeto. Kazazian (2005) também ressalta esta relação: [...] guardamos os objetos em função das relações – utilitárias, hedonistas ou cognitivas – que estabelecemos com eles. Um objeto nos agrada porque desperta nossos sentidos. Nele depositamos uma vivência. [...] Ele nos acompanha enquanto nos dá a convicção íntima de que fizemos a melhor escolha. Provoca em nós um prazer de utilização que explica sua longevidade (KAZAZIAN, 2005, p.44).

Evitar aplicar em produtos aparências subordinadas às modas também é uma abordagem adotada para se aumentar a durabilidade de um produto. Conforme

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destaca Ramos (2001), para que o produto tenha uma longa vida útil, “suas qualidades estéticas também devem resistir à passagem do tempo”. A aplicação de princípios de estilo e percepção visual como a simplicidade formal e harmonia, não empregando formas ou acabamentos excêntricos, resulta em produtos que agradarão a mais pessoas, por um maior período de tempo. Um exemplo destacado pelo autor é a chaise long LC4 Cheval (Figura 19), criada por Le Corbusier em 1928. Apesar de ter sido projetada há quase oitenta anos, seu desenho é ainda bastante atual, recebendo novas roupagens.

Figura 19 – Chaise long LC4 Cheval de Le Corbusier, projetada em 1928. Fonte: Iconic Interiors, 2006.

Como estratégias de se aumentar a durabilidade de um produto devem ser adotadas diferentes abordagens como evitar pôr em produtos aparências subordinadas às modas, utilizar materiais adaptados ao envelhecimento, favorecer o reparo e a manutenção dos produtos, promover atualizações que retardem a obsolescência e procurar criar uma relação afetiva entre o usuário e o objeto. De um

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modo geral, os produtos compósitos enquadram-se nessa categoria, embora apontados com relutância nos princípios de Ecodesign.

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3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Materiais Os materiais utilizados para a realização deste trabalho foram: - Resina poliéster insaturado 6040, densidade 1,12 g/cm3 , doada pela empresa Cray Valley de Joinville. - Fibra de vidro: fio roving tex 2400 g/km, picotado no tamanho aproximado de 25 mm. As fibras de vidro são do tipo E, densidade 2,55 g/cm3, resistência à tração 2,4 GPa e módulo de elasticidade 70 GPa. - Fibras vegetais: fibras das folhas do palmito pupunha, cortadas com 25 mm de comprimento e com espessura menor que 3 mm. A densidade da fibra vegetal da folha da pupunheira foi determinada como 0,77 g/cm3 . - Peróxido de metiletilcetona (PMEK) (Polinox do Brasil). A quantidade de iniciador de cura usado para resina foi de 1,5 % m/m. - Álcool etílico 99,5 % (Biotec). - Acrilonitrila P.A. - C3H3N (Biotec). - Solução aquosa de hidróxido de sódio 5 % – NaOH - 0,25 N. - Peróxido de hidrogênio 20 V - H2O2 (Labmaster).

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3.2. Métodos

A metodologia usada no desenvolvimento do estudo pode ser observada no fluxograma da Figura 20, a partir do qual são descritas cada uma de suas etapas, destacando-se técnicas e métodos.

Figura 20 – Fluxograma do processo de obtenção, limpeza, caracterização das fibras das folhas de palmito pupunha e sua aplicação em compósitos de resina poliéster/fibra vegetal. Fonte: arquivo pessoal.

3.2.1 Extração e obtenção das fibras

Para conhecer as culturas que apresentam potencial para fornecimento de fibras e que são geradoras de resíduos na região de Joinville, contou-se com o apoio da Fundação Municipal de Desenvolvimento Rural 25 de Julho (FMDR). Para o procedimento experimental foi possível contar com o apoio de produtores vinculados à Fundação, sendo selecionada uma propriedade localizada na Estrada do Quiriri para as coletas de material (Figura 21). O palmito é cortado semanalmente, sendo seus resíduos deixados no solo, como se observa na Figura 22.

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Figura 21 – Plantação de Palmito de Pupunha em propriedade localizada na Estrada do Quiriri. Fonte: arquivo pessoal.

Figura 22 – Resíduos fibrosos da Pupunha. Fonte: arquivo pessoal.

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Os resíduos gerados durante a extração do palmito são o caule e as folhas, que normalmente caem ou são cortados. Estes resíduos não têm um uso nobre na região, sendo utilizados como adubo e material para queima ou cama de animais. As fibras usadas nos experimentos foram as existentes nas folhas da palmácea. As folhas coletadas foram selecionadas e os folíolos separados; as fibras foram retiradas uma a uma manualmente, sendo submetidas a um processo de raspagem com facas para remoção de resíduos clorofilados.

As fibras mediam

aproximadamente 800 mm de comprimento, variando a espessura ao longo deste comprimento; foram então cortadas com comprimento aproximado de 25 mm (conforme comprimento das fibras de vidro), sendo separadas visualmente por espessura, que variou de 0,8 a 3,0 mm.

3.2.2 Tratamentos superficiais

Baseado nos resultados obtidos nos tratamentos de fibras de outras culturas (WESSLER et al., 2004; METHA et al., 2004) optou-se por usar três tratamentos químicos distintos nas fibras da pupunha:

3.2.2.1. Tratamento com hidróxido de sódio

As fibras foram submersas em solução de NaOH, 5 % v/m em água destilada, permanecendo por 72 h, sendo coletadas amostras de 24 em 24 h, totalizando 3 amostras. Posteriormente foram lavadas duas vezes em água destilada, uma vez

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em uma solução de ácido clorídrico (HCl) 0,1 M e mais duas vezes em água destilada, espalhadas em uma bandeja de alumínio e secas em estufa por 3 h a 100 °C. Os resíduos foram neutralizados e então descartados.

3.2.2.2. Tratamento com acrilonitrila

As fibras permaneceram por 72 h em solução de C3H3N – 3 % v/v em álcool etílico puro (99,5 %), sendo as amostras coletadas após 15 minutos, 5 h, 24 h e 48 h, dispostas em uma bandeja e secas a temperatura ambiente na capela, conforme descrito por Metha et al. (2004).

3.2.2.3.Tratamento com peróxido de hidrogênio Em paralelo a esta dissertação foi realizada uma monografia que utilizou tratamento com peróxido de hidrogênio. As fibras foram tratadas em soluções de água oxigenada de 10, 20 e 30 V, com e sem agitação (MOREIRA, 2006). O tratamento com melhores resultados foi aquele que utilizou as fibras tratadas com H2O2 20 V, retiradas após 144 h e são utilizados neste trabalho para comparação com os demais tratamentos. Depois do tratamento, as fibras foram lavadas com água destilada por três vezes e secas em estufa a 100 °C por 3 h (MOREIRA, 2006). O resíduo das lavagens foi armazenado em galões para posterior descarte.

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3.2.3 Análise morfológica das fibras

Para verificação do melhor tratamento, foi realizada análise morfológica para todas as amostras citadas no item 3.2.2, bem como para a fibra sem tratamento químico. As superfícies de algumas fraturas do teste de tração também foram analisadas por MEV. Os fragmentos tanto das fibras quanto dos compósitos fraturados foram fixados em um suporte metálico e recobertos com uma fina camada de ouro, utilizando-se um metalizador de amostras BAL-TEC SCD 050 e observados em um microscópio Zeizz DSM 940.

3.2.4 Análise térmica

A caracterização térmica das fibras foi realizada utilizando equipamento da Netzch - Gerätebau GmbH Thermal Analysis Proteus, sendo as amostras submetidas a um gradiente de temperatura variando de 25 a 600 ºC, com taxa de aquecimento de 10 ºC/min em atmosfera de nitrogênio. Realizou-se a análise térmica de todas as amostras citadas no item 3.2.2, bem como para a fibra sem tratamento químico.

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3.2.5 Obtenção dos compósitos e preparação dos corpos de prova

Foram confeccionados compósitos resina/fibra vegetal em moldes de vidro no tamanho aproximado de 30 x 30 mm, utilizando-se fibras tratadas e não tratadas quimicamente com 25 mm de comprimento. Os compósitos foram confeccionados em placas de resina/fibra 10 % (m/m), utilizando 1,5 % de peróxido de metiletilcetona (PMEK) para a reticulação, que levou cerca de 20 minutos. Para a confecção das placas foi aplicada compressão manual para obtenção de espessura de 4 mm. O tempo de cura para cada placa foi de 24 h. Para a desmoldagem foi usada a cera de carnaúba. Posteriormente, foram usinados os corpos de prova em várias direções da placa, de forma a ter um melhor aproveitamento da mesma.

Foram usadas as

dimensões previstas nas normas para cada teste realizado. Paralelamente, obtiveram-se corpos de prova confeccionados com 10 % e 2 5 % m/m de fibra de vidro.

3.2.6 Ensaios Mecânicos

Foram realizados ensaios mecânicos no Laboratório de Materiais da UNIVILLE para caracterizar algumas propriedades destes novos compósitos. Antes dos testes, os corpos de prova foram climatizados a temperatura de 23 (± 2 ºC) e umidade relativa de 50 (± 5 %) durante 48 h, conforme norma ASTM D-618. Após a climatização, realizaram-se os ensaios de resistência à tração e Impacto Izod.

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3.2.6.1 Ensaio de Tração

Os ensaios de tração foram realizados conforme a norma ISO 527 no equipamento de marca EMIC, modelo DL 10000/700 (Figura 23).

Figura 23 – Equipamento de ensaio de tração (marca EMIC, modelo DL 10000/700). Fonte: Arquivo Pessoal.

Para a obtenção de valores médios e desvio padrão da resistência à tração, módulo de elasticidade e alongamento, os ensaios de tração foram realizados em aproximadamente 20 corpos de prova para os compósitos com fibras vegetais e com 10 % fibra de vidro e 12 espécimes para aqueles com 25 % de fibra de vidro. A velocidade usada nos testes foi de 0,05 mm/s. Após o ensaio foi realizada a análise morfológica das fraturas de alguns corpos de prova testados.

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3.2.6.2 Ensaio de Impacto Izod

Este ensaio foi conduzido em aparelho de impacto AIC de marca EMIC (Figura 24), de acordo com a norma ASTM D-256.

Figura 24 – Aparelho de Impacto AIC da marca EMIC. Fonte: Arquivo pessoal

No teste foi usado um martelo de 5,4 J para os corpos de prova com fibras de pupunha e um martelo de 10,8 J para os corpos de prova com fibra de vidro. Para a obtenção dos valores médios do ensaio de impacto foram analisados 20 corpos de prova para cada compósito com fibras vegetais (com e sem tratamento) e 8 corpos de prova para os compósitos com fibra de vidro (10 % e 25 %). Todos os corpos foram entalhados um por um, conforme dimensional solicitado em norma.

3.2.7 Método estatístico

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Para tratar os dados registrados nos ensaios mecânicos foi usado o Teste t duas variáveis presumindo variâncias equivalentes, com nível de significância de 5%. Segundo Lopes (1999), o Teste t é um teste de hipóteses, sendo usado quando se deseja verificar os efeitos de tratamentos experimentais ou as diferenças de tratamentos existentes em dois grupos. Neste teste, os dados são resumidos pelas médias amostrais. Há duas categorias de agrupamento: independentes e dependentes. Está sendo aplicado o Teste t para duas amostras independentes, sendo que os dados são coletados de tal forma que as observações não são relacionadas umas às outras.

70

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Análise da aplicação de fibra de vidro em compósitos

A partir da localização e visita a uma empresa sediada em Joinville foi possível analisar a forma de aplicação da fibra de vidro em compósitos. Nesta indústria a resina usada é a poliéster insaturado ortoftálica. Estes compósitos são usados em peças de alta complexidade formal como pára-choques de ônibus e caminhões e carenagens externas, painéis de instrumentos e sanitários. De acordo com os técnicos da empresa, a resistência necessária para a peça final é principalmente a resistência mecânica à tração.

4.2 Identificação e seleção das fibras vegetais

Verificou-se que as principais culturas da região de Joinville compreendem em primeiro lugar a banana, acompanhada pelo arroz irrigado. As demais vêm em seguida, não havendo um terceiro lugar específico, porém, o palmito de pupunha é uma cultura emergente na região. Embora seja uma cultura exótica, é de regiões tropicais e se estabelece bem em áreas com elevada umidade relativa e intensas chuvas, propriedades que caracterizam o clima da região de Joinville. Segundo os técnicos da Fundação 25 de Julho, as folhas e o caule que caem ou são cortados não têm um uso nobre na região, o que poderia favorecer economicamente o agricultor.

71

Com a ajuda do departamento de Geografia da Univille, identificaram-se as regiões de cultura de palmáceas a partir de um processo de informação codificado aplicado para análises ambientais denominado Sistema de Informação Geográfica (SIG), conhecido no Brasil como Geoprocessamento. A Figura 25 mostra uma carta imagem obtida por satélite, representando o espaço natural de Joinville e suas principais culturas de resíduos fibrosos.

Figura 25 – Pontos de localização de cultivo da pupunha na região de Joinville. Fonte: Departamento de Geografia da Univille, 2006.

72

Atualmente há vários grupos de pesquisa em todo o país cadastrados no Diretório de Grupos do CNPq que trabalham os compósitos com fibras naturais. Como foi visto na revisão de literatura, há trabalhos com a fibra de coco, bananeira, sisal, cana de açúcar, curauá, entre outras. Na região de Joinville, existem várias frentes de trabalho referentes às culturas do arroz e da banana, principalmente com relação à utilização de suas fibras no artesanato e como substratos para o cultivo de cogumelos do gênero Pleurotus. Como são culturas muito requisitadas, optou-se por não trabalhar com as fibras destes materiais. Já com relação à pupunheira, os trabalhos encontrados relatam apenas o uso de suas fibras na alimentação (INPA, 2006). Não foi encontrado material referente ao estudo aqui proposto, observando-se o grande potencial de trabalho. A partir das informações teóricas coletadas, optou-se pelo estudo do resíduo da pupunheira.

4.3 Extração e obtenção das fibras

Analisando-se a planta, foi possível averiguar que os resíduos gerados pela cultura da pupunha com maior potencial fibroso encontram-se no caule (Figura 26), parte que envolve o palmito, bem como nas folhas (Figura 27).

73

Figura 26 – Fibras existentes no caule secundário. Fonte: arquivo pessoal.

Figura 27 – Fibras existentes nas folhas. Fonte: arquivo pessoal.

Na revisão de literatura foram identificados diferentes processos para obtenção das fibras, embora nenhum com aplicação de fibra de pupunheira. Analisando a obtenção de fibras da cana de açúcar, procurou-se utilizar o mesmo processo para obtenção da fibra do resíduo do caule secundário da planta. Os caules foram passados primeiramente em um moedor de cana e depois secos em estufa por 3 h a 100 °C e processados em um triturador (Forrageiro CID 125 com cerca de 60 Hz) com tela de 3 mm para obtenção das fibras. Porém, o resultado não

74

foi satisfatório. Enquanto que com o bagaço da cana as fibras se soltam e são cortadas de forma homogênea, com a fibra dos resíduos do caule secundário da pupunheira obteve-se “gravetos” de diferentes tamanhos e formas. As fibras não se destacaram e ficaram misturadas ao bagaço, como se observa na Figura 28.

Figura 28 – Fibras trituradas do resíduo do caule secundário da pupunheira. Fonte: arquivo pessoal.

Outra opção foi a utilização das fibras existentes nas folhas. Das folhas coletadas separou-se os folíolos, conforme descrito no item 2.2.2. O resultado de cada etapa do processo de obtenção das fibras pode ser visto na Figura 29. Na Figura 29a verificam-se as folhas deixadas como resíduo da extração do palmito de pupunha. Nas Figuras 29b e 29c houve uma pré-seleção da parte fibrosa das folhas.Os folíolos foram separados um a um (Figura 29d) e sofreram uma raspagem manual (Figura 29e) para se retirar todo o material verde; finalizando a

75

limpeza, obteve-se apenas as fibras (Figura 29f). Este foi um processo lento, pois as fibras foram retiradas uma a uma, de forma manual.

Figura 29 – Processo de obtenção das fibras das folhas da palmácea. Fonte: arquivo pessoal.

4.4 Análise do efeito do tratamento superficial na morfologia das fibras

As amostras das fibras vegetais foram submetidas à análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV) para que sua morfologia fosse observada. A

76

determinação do tempo mínimo de cada tratamento a ser aplicado sobre as fibras para a posterior confecção dos compósitos foi baseada nesta análise.

4.4.1 Superfície da fibra sem tratamento

Conforme mostram as micrografias da Figura 30, a fibra de pupunha sem tratamento tem um alinhamento longitudinal no interior da fibra, que é característica própria das fibras vegetais.

Figura 30 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha sem tratamento: (a) ampliação 500x; (b) ampliação 1000x. Fonte: arquivo pessoal.

Embora rugosa, a raspagem da fibra foi considerada um pré-tratamento físico para uma interação matriz/fibra e que poderia ser alterada aplicando-se tratamentos químicos com o objetivo de ampliar a área superficial.

77

4.4.2 Superfície da fibra tratada com NaOH

O efeito do tempo de exposição das fibras tratadas com NaOH pode ser observado na Figura 31. Após 48 h é possível perceber as células de parênquima e os corpos silicosos. Estes foram praticamente removidos após 72 h de tratamento, tornando esta superfície mais disforme e sem a presença de elementos de fácil descolamento (corpos silicosos). O efeito da remoção dessas células e de resíduos com aplicação de tratamento com água a 80 °C em fibras de sisal também foi registrado por Iozzi et al. (2004).

Figura 31 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento NaOH 5%: (a) 24 h; (b) 48 h; (c) 72 h (ampliação 500x). Fonte: arquivo pessoal.

Baseando-se nesta análise determinou-se que o tempo de tratamento da fibra com NaOH a ser aplicado neste estudo para que atue como reforço à matriz, foi de 72 h devido à estrutura da fibra mostrar os corpos silicosos das células de parênquima removidos, bem como não apresentar mais os resíduos de decapagem.

78

4.4.3 Superfície da fibra com tratamento acrilonitrila

As imagens na Figura 32 mostram que as fibras tratadas com acrilonitrila sofrem um ataque mais agressivo que NaOH, apresentando aumento da rugosidade já nas primeiras 24 h.

Figura 32 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento acrilonitrila: (a) 24 h; (b) 48 h (ampliação 500x). Fonte: arquivo pessoal.

Verificou-se que após 48 h os corpos silicosos ainda estão presentes nas células parenquimáticas. Por apresentar-se mais agressivo, o tempo de exposição das fibras à acrilonitrila considerado para o estudo foi o de 24 h.

4.4.4 Superfície da fibra com tratamento H2O2 20 V em 144 h

79

Ensaios de tratamento com H2O2 20 V foram realizados com o objetivo de otimizar a decapagem das fibras, além de buscar um tratamento que não gerasse resíduos nocivos. O tratamento foi realizado na presença de agitação mecânica durante 144 h, com coletas de amostras a cada 24h (MOREIRA, 2006). Conforme Moreira (2006), o efeito do processo de agitação foi observado já nas primeiras 24h de tratamento, como mostra a Figura 33a. Após 72 h iniciou-se o processo de decapagem (Figura 33c) e com 144 h de tratamento os corpos silicosos foram removidos e a superfície apresentou-se livre de resíduos (Figura 33f), motivo pelo qual o tempo de tratamento escolhido para este processo ter sido de 144 h.

Figura 33 – Micrografias obtidas por MEV da superfície transversal de uma fibra de pupunha com tratamento com H2O2 20 V com agitação: (a) 24 h; (b) 48 h; (c) 72 h; (d) 96 h; (e) 120 h; (f) 144 h (ampliação 1000x). Fonte: Moreira, 2006.

Após a análise morfológica das fibras tratadas e sem tratamento, estas amostras também foram submetidas às análises de termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG).

80

4.5 Efeito dos tratamentos superficiais na estabilidade térmica das fibras

Considerando os resultados obtidos a partir das micrografias descritas anteriormente, foram realizadas análises de TG e DTG comparativas da fibra sem tratamento com as tratadas com NaOH, C3H3N e H2O2 20V, com o objetivo de verificar qual o efeito destes tratamentos na estabilidade térmica das fibras de pupunheira.

4.5.1 Fibras sem tratamento

A fibra da folha da pupunheira apresenta variação de espessura ao longo de seu comprimento. Para verificação da influência ou não desta variação, foram realizadas as análises comparativas de TG e DTG nas fibras denominadas finas (até 2 mm de espessura) e grossas (entre 2,1 e 3 mm), como se observa na Figura 34 e Tabela 2.

81

Figura 34: Curvas de TG e DTG para as fibras fina e grossa de palmito pupunha sem tratamento. Fonte: arquivo pessoal. Tabela 2 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa, determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas. Fibras pupunheira sem tratamento Fibra fina Fibra grossa

1º estágio de degradação

Tonset1 (ºC) 63 61

Tpico1 (ºC) 69 81

Perda de massa (%) 7 10

2º estágio de degradação

Tonset2 (ºC) 263 259

Tpico2 (ºC) 293 289

Perda de massa (%) 24 20

3º estágio de degradação

Tonset3 (ºC) 322 317

Tpico3 (ºC) 332 327

Perda de massa (%) 48 43

Fonte: Moreira, 2006.

As curvas de TG mostraram que houve uma perda de massa maior para a fibra grossa, que absorveu cerca de 3 % de umidade a mais que a fina. Usualmente, as fibras vegetais absorvem uma grande quantidade de água, sendo importante sua secagem prévia antes da aplicação nos compósitos. Foram observados ainda mais dois estágios de degradação que ocorreram entre 250 e 340 ºC. O intervalo de temperatura entre estes dois estágios de degradação, considerados principais, está de acordo com o registrado por Manfredi et al. (2006) para fibras naturais de sisal, juta e linho que apresentam dois estágios de degradação entre 260 e 320 ºC.

82

Segundo esses autores, o primeiro estágio está relacionado à despolimerização da hemicelulose e separação dos glicosídeos da celulose e o segundo, com a decomposição da Alfa-celulose. Os picos do segundo e terceiro estágios de degradação ocorreram praticamente à mesma temperatura, em torno de 290 e 330 ºC, indicando que a diferença de espessura não alterou significativamente o processo de degradação térmica das fibras, afetando apenas na porcentagem de absorção de água. Os resultados obtidos com fibras da bananeira sem tratamento (WESSLER et al., 2004) também são muito similares a estes.

4.5.2 Fibras tratadas com NaOH

A Figura 35 mostra as curvas comparativas de TG e DTG da fibra sem tratamento com as tratadas com 5 % de NaOH e coletadas em 24 h, 48 h e 72 h e na Tabela 3, os dados destas curvas.

Figura 35 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha tratadas com NaOH 5% - 1) 24 h, 2) 48 h, 3) 72 h e fibra sem tratamento. Fonte: arquivo pessoal.

83

Tabela 3 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com NaOH. Fibras pupunheira tratamento NaOH Fibra sem tratamento NaOH - 24h NaOH - 48h NaOH – 72h

1º estágio de degradação

Tonset1 (ºC)

Tpico1 (ºC)

Perda de massa (%)

2º estágio de degradação

Tonset2 (ºC)

Tpico2 (ºC)

Perda de massa (%)

3º estágio de degradação

Tonset3 (ºC)

Tpico3 (ºC)

Perda de massa (%)

63

69

7

263

293

24

322

332

48

57 53 56

73 70 76

8 8 8

235 254 165

288 264 194

19 16 12

334 331 327

345 350 349

47 50 55

Fonte: arquivo pessoal.

As curvas de TG e DTG das fibras tratadas com NaOH também apresentaram 3 estágios de degradação, sendo o primeiro referente à absorção de água, com temperatura máxima em torno de 70 °C e cerca de 8 % de perda de massa, com o segundo e terceiro estágios atribuídos à degradação da fibra de pupunha. Na Tabela 3 evidencia-se que o tratamento com NaOH não alterou significativamente o porcentual de absorção de água pela fibra. Embora tenha ocorrido um decréscimo da Tonset, indicando que o processo inicia antes, a Tp registrada para esse evento aumentou com o tempo de exposição da fibra ao tratamento. Para os dois eventos seguintes relacionados à degradação propriamente dita, observou-se que o tempo de tratamento apresentou uma tendência a reduzir a Tonset no caso de segundo estágio; para o terceiro estágio foi registrada a mesma tendência, embora o tratamento após 24 h tenha retardado o início da degradação quando comparado à fibra sem tratamento.

4.5.2 Fibras tratadas com C3H3N

84

As curvas de TG e DTG e os dados comparativos obtidos para fibra sem tratamento e tratadas com 3 % de C3H3N, coletadas em 24 h, 48 h, estão na Figura 36 e na Tabela 4, respectivamente.

Figura 36 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha tratadas com acrilonitrila 3 %: 1) 24 h, 2) 48 h e sem tratamento. Fonte: arquivo pessoal. Tabela 4 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com C3H3N. Fibras pupunheira tratamento C3H3N Fibra sem tratamento C3H3N - 24h C3H3N - 48h

1º estágio de degradação

Tonset1 (ºC)

Tpico1 (ºC)

Perda de massa (%)

2º estágio de degradação

Tonset2 (ºC)

Tpico2 (ºC)

Perda de massa (%)

3º estágio de degradação

Tonset3 (ºC)

Tpico3 (ºC)

Perda de massa (%)

63

69

7

263

293

24

322

332

48

53 49

68 62

7 7

263 184

290 161

25 18

326 318

336 328

43 50

Fonte: arquivo pessoal.

Registrou-se

que

as

fibras

tratadas

com

acrilonitrila

apresentaram

temperaturas inferiores nos três estágios, quando comparados aos resultados do tratamento anterior, indicando que o processo de degradação foi favorecido perante acrilonitrila. A temperatura do 1º estágio foi reduzida significativamente diante daquele obtido para a fibra sem tratamento e observou-se também a mesma

85

tendência de redução das temperaturas de degradação com o tempo de exposição ao agente químico, indicando que os tratamentos químicos propostos atuaram sobre os constituintes do material vegetal.

4.5.3 Fibras tratadas com H2O2 20 V 144 h

As análises comparativas de TG e DTG da fibra sem tratamento com as tratadas com H2O2 20 V 144 h são mostradas na Figura 37. Na Tabela 5 são apresentadas as Tonset e a temperatura máxima de degradação dos três estágios para as fibras tratadas e sem tratamento, bem como suas porcentagens de perda de massa.

Figura 37 – Curvas de TG e DTG para as fibras de pupunha sem tratamento e tratadas com H2O2 20 V – 144 h. Fonte: Moreira, 2006. Tabela 5 – Dados de temperatura onset (Tonset), temperatura máxima de degradação (Tp) e porcentagem de perda de massa determinados a partir das curvas de TG e DTG das fibras não tratadas e tratadas com H2O2 20 V. Fibras pupunheira tratamento H2O2

1º estágio de degradação

Tonset1 (ºC)

Tpico1 (ºC)

Perda de

2º estágio de degradação

Tonset2 (ºC)

Tpico2 (ºC)

Perda de

3º estágio de degradação

Tonset3 (ºC)

Tpico3 (ºC)

Perda de

86

massa (%) Fibra sem tratamento H2O2 - 144h

massa (%)

massa (%)

61

81

10

259

289

20

317

327

43

60

83

5

268

294

26

347

358

48

Fonte: Moreira, 2006.

A tabela evidencia que o tratamento com o peróxido influenciou de forma significativa na degradação das fibras, pois se observou que as temperaturas da segunda e terceira degradação aumentaram para as fibras tratadas com peróxido (Figura 37), sinalizando um aumento da resistência térmica da fibra após ser submetida a esse processo (MOREIRA, 2006).

4.6 Confecção dos corpos de prova

A partir dos resultados obtidos nas análises de MEV das fibras tratadas, foram definidas as especificações para a confecção dos corpos de prova: 1. Fibra de vidro + resina (10 e 25 %) 2. Fibras de pupunha sem tratamento + resina 3. Fibras de pupunha tratadas com de NaOH 5% por 72 h e resina 4. Fibras de pupunha tratadas com acrilonitrila 3 % em etanol 99,5 % por 24 h e resina 5. Fibras de pupunha tratadas com de H2O2 20 V por 144 h e resina Primeiramente definiu-se usar a fibra vegetal na mesma proporção utilizada em compósitos com fibra de vidro: 25 %. Porém, devido à diferença de densidade entre a fibra de pupunha e a fibra de vidro, não foi possível fazer a cobertura das

87

fibras vegetais com a resina. Desta forma, foram realizados vários experimentos para verificar a proporção adequada (Figura 38).

Figura 38 – Estudos preliminares de resina/fibra vegetal variando a espessura e a percentagem de fibra: (a) 16 %, (b) 12 % (c) 12 %, (d) 10 %. Fonte: arquivo pessoal.

Na Figura 38a observa-se uma placa confeccionada com 16 % de fibra de 3,0 mm de espessura e verifica-se que há uma grande área superior sem cobertura da resina. Nas placas com 12 % de fibra com 4,0 e 3,0 mm de espessura, respectivamente (Figuras 38b e 38c) ainda há regiões com “buracos”; enquanto na placa com 10 % de fibra com 0,6 mm de espessura (Figura 38d) a placa foi completamente recoberta de forma homogênea. Os compósitos foram então confeccionados em placas na proporção de resina/fibra 10 %(m/m). Seu aspecto final pode ser observado na Figura 39.

88

Figura 39 – Placa de compósito resina/fibra 10 % (m/m) fibra/resina para confecção de corpos de prova para ensaios de tração. Fonte: arquivo pessoal.

Na confecção das placas houve algumas dificuldades, como a distribuição das fibras. Esta distribuição foi feita aleatoriamente, sendo que se observa em alguns pontos a concentração de fibra e em outros, alguns espaços vazios. Estes espaços podem tornar o material mais frágil, pois a matriz nestas regiões fica sem reforço. Também se observou durante a confecção das placas que apareceram bolhas de ar aleatórias, sendo que os corpos de prova com estas bolhas não foram usados nos ensaios. Verificou-se também que as fibras eram rígidas e partiam quando dobradas, indicando que compósitos obtidos com as fibras nessas condições poderiam ser aplicados apenas em placas; peças orgânicas ou muito profundas não seriam

89

possíveis de serem moldadas, pois a fibra pode ficar exposta ou escorrer, num processo de laminação manual.

4.7 Ensaios de tração

Na Tabela 6 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios de tração. Como já esperado, os resultados dos ensaios mecânicos de tração apontaram que os valores de resistência à tração dos compósitos resina/ FV -10 % e resina/FV - 25 % foram respectivamente, 182 e 339 % superiores ao compósito resina/fibra vegetal sem tratamento -10 %. Joseph et al. (1999) avaliaram o efeito do comprimento das fibras nas propriedades mecânicas de compósitos resina poliéster/ fibras de sisal, distribuídas ao acaso, com um teor de fibras de 30 % em massa. Ficou fortemente evidenciado que a resistência dos compósitos aumentou com o comprimento de fibras de 5 a 45 mm, tendendo a manter-se neste mesmo patamar e, finalmente, decrescer para comprimentos maiores. Entretanto, o módulo e alongamento na ruptura dos compósitos, por sua vez, não foram alterados significativamente pelo comprimento das fibras de reforço. Comparando a resistência à tração dos compósitos de resina poliéster/fibras de palmito pupunha (25 mm de comprimento) 10 % (m/m) com os compósitos de resina poliéster/fibras de sisal (25 mm de comprimento) 30 % (m/m), os valores foram, respectivamente de 10,21 ± 3,14 e 40,84 ± 0,88 MPa, enquanto que para os compósitos de resina poliéster/fibras de sisal (5mm de comprimento) 30 % (m/m) a resistência à tração foi de 26,68 ± 0,67 MPa. Tabela 6 – Resultados obtidos no ensaio de tração dos compósitos.

90

Propriedades*

Sem tratamento

NaOH

C3H3N

H2O2

FV 10%

FV 25%

Resistência à tração (MPa)

10,21 (±3,14) 4,4/16,1

11,38 (±2,87) 7/17

11,34 (±1,60) 9,1/13,8

Módulo de Young (MPa)

214,49 (±46,15) 88,89/284,44

260,35 (±29,87) 200/320

1,53 (±2,09) -3,72/3,07

2,01 (±1,27) -3,73/2,89

11,38 (±3,11) 5,5/17,4 258,48 (±36,69) 177,78/311,1 1 2,32 (±0,41) 1,59/3,15

28,74 (±3,88) 19,6/34,8 407,06 (±65,30) 311,11/533,3 3 4,27 (±0,53) 3,47/5,29

44,88 (±6,27) 35,8/58,4 499,63 (±64,00) 422,22/631,1 1 5,69 (±1,24) 4,9/8,89

Alongamento (%)

146,03 (±40,28) 88,89/200 3,05 (±0,38)

Fonte: arquivo pessoal. *Para todos os conjuntos são indicados o valor da média, o (desvio padrão) e os valores mínimo/máximo no conjunto.

A Figura 40 apresenta os gráficos comparativos entre as propriedades apresentadas na Tabela 6.

Figura 40 – Comparação entre os dados: (a) Resistência à tração (MPa), (b) Módulo de Young (MPa) e (c) Alongamento (%) obtidos dos ensaios de tração. Fonte: arquivo pessoal.

Observa-se na Figura 40a que os tratamentos químicos realizados com as fibras da pupunheira não exerceram influência significativa na resistência à tração. Por outro lado, a Figura 40b aponta que os valores do Módulo de Young dos compósitos reforçados com as fibras tratadas com NaOH e C3H3N foram

91

ligeiramente superiores (cerca de 21 %) em relação às fibras não tratadas, enquanto que o tratamento com H2O2 foi significativamente inferior (32 %) quando comparado à fibra não tratada. Da mesma forma, os valores do Módulo de Young dos compósitos com 10 e 25 % de fibra de vidro foram respectivamente, 89 e 133 % superiores aos compósitos de resina/ fibra vegetal sem tratamento 10 %. Com relação ao alongamento, na Figura 40c, embora os resultados indiquem uma tendência ao aumento do porcentual de alongamento dos compósitos com fibras tratadas, respectivamente, com NaOH, C3H3N e H2O2, essas variações não foram significativas. Em contrapartida, o alongamento dos compósitos com 10 e 25 % de FV foram, respectivamente, 179 e 272 % superiores àqueles com fibras não tratadas. De acordo com o trabalho de Wessler et al. (2004), o resultado de resistência à tração e o percentual de alongamento das fibras de bananeira sem tratamento com 10mm de comprimento foram respectivamente 12,02 (± 0,99) MPa e 3,25 (± 0,37) %, ambos similares ao compósito tratado com H2O2. Na Figura 41 são apresentadas as curvas tensão x deformação dos compósitos, comparando o perfil dos mesmos.

92

Figura 41 – Curvas com os valores médios do Módulo de Young dos compósitos: sem tratamento; NaOH; C3H3N; H2O2; FV 10 %. Fonte: arquivo pessoal.

Durante a realização deste ensaio, verificou-se que quando as fibras encontravam-se no sentido longitudinal ao corpo de prova, a força de tração aplicada nos corpos era maior. Em compensação, quando as fibras encontravam-se dispostas perpendiculares ao movimento, essa força diminuía. Este comportamento é característico da disposição aleatória das fibras vegetais na matriz e repercutiu nos valores do desvio padrão, conforme foi observado na Tabela 6. A disposição longitudinal

das

fibras

no

compósito

proporciona

melhores

características

mecânicas, conforme verificado por Brahim e Cheikh (2007) ao trabalharem com compósitos Alfa-poliester.

93

4.8 Micrografias das fraturas

Conforme mostra a Figura 42, a semelhança nos resultados obtidos nos ensaios de tração para os compósitos com as fibras de pupunheira pode ser explicada a partir da observação das micrografias das superfícies de fratura dos corpos de prova após o ensaio. Independente do tratamento verificou-se que há uma baixa interação entre a fibra e a matriz, podendo ser medida em alguns casos.

Figura 42 – Micrografias das superfícies de fraturas dos corpos de prova obtidas por MEV dos compósitos de resina/fibra de pupunha após o ensaio de tração: (a) C3H3N; (b) H2O2; (c) NaOH; (d) sem tratamento (ampliação 500x). Fonte: arquivo pessoal.

94

4.9 Análise dos ensaios de impacto Izod

Os resultados dos ensaios de impacto podem ser verificados na Tabela 7 e no gráfico da Figura 43. Ficou evidenciado um aumento significativo da resistência ao impacto dos compósitos de resina com fibra de pupunheira tratadas com H2O2, que foi 288 % superior em relação ao compósito com fibra sem tratamento e 33 % superior também em relação ao compósito com 10 % de FV (embora tenha sido obtido um alto desvio padrão deste último). O compósito com 25 % de FV foi 600 % superior ao compósito com 10 % de fibra vegetal sem tratamento e somente 80 % superior ao compósito com 10 % de fibra vegetal tratada com H2O2, mesmo apresentando 15 % a mais de fibra. Os tratamentos com NaOH e C3H3N não exerceram influência significativa na resistência ao impacto quando comparados ao resultados obtidos para os compósito com fibra sem tratamento.

Tabela 7 – Resultados obtidos no ensaio de impacto. Propriedades*

Sem tratamento

NaOH

C3H3N

H2O2

FV 10%

FV 25%

Resistência ao impacto (J)

0,61 (±0,31) 0,24/1,36

0,66 (±0,37) 0,28/1,72

0,46 (±0,15) 0,2/0,72

2,37 (±0,19) 2,14/2,6

1,78 (±0,75) 1,08/2,88

4,27 (±0,72) 3,16/5,12

Fonte: arquivo pessoal. *Para todos os conjuntos são indicados o valor da média, o (desvio padrão) e os valores mínimo/máximo no conjunto.

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Figura 43 – Comparação entre os dados obtidos nos ensaios de resistência ao impacto Izod (J/m). Fonte: arquivo pessoal.

Da mesma forma que no ensaio de tração, o sentido das fibras vegetal no corpo de prova interferiu na quantidade de energia absorvida pelo compósito durante o teste. Porém, apesar desta característica da disposição aleatória das fibras na matriz, no teste de impacto não houve valores altos para o desvio padrão. Aplicando-se o Teste-t foi possível afirmar que a média obtida no ensaio de Impacto Izod para as fibras sem tratamento foram semelhantes àquelas obtidas sob tratamento NaOH e C3H3N. Entretanto era significativamente inferior à média registrada nos compósitos contendo fibras tratadas com H2O2 indicando, portanto, que esse tratamento na fibra permite ampliar a resistência ao impacto do compósito de resina poliéster com as fibras na proporção de 10 %. Todavia, serão realizados novos ensaios com o objetivo de confirmar estes resultados.

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5 CONCLUSÃO

Verificou-se pelas análises morfológica e térmica que as fibras tratadas com H2O2 por 144 h mostraram-se mais estáveis termicamente e que o tratamento das fibras com acrilonitrila mostrou-se mais agressivo que os demais. Através dos resultados do ensaio de tração observou-se que os compósitos obtidos

com

fibras

sem

tratamento

não

apresentaram

propriedades

significativamente diferentes daqueles obtidos com fibras tratadas, apesar desta resistência ser um pouco inferior na fibra sem tratamento. Isto foi evidenciado nas micrografias das fraturas pela baixa interação entre a fibra e a matriz. Já nos ensaios de impacto verificou-se que o efeito do tratamento com H2O2 permitiu aumentar a resistência ao impacto do compósito de resina poliéster com as fibras na proporção de 10 %. Os compósitos com fibra de vidro 10 % e 25 % apresentaram-se mais resistentes à tração e ao impacto, como já era esperado. Considerando o processo de obtenção das fibras e a caracterização de suas propriedades, foi possível evidenciar algumas aplicações desses compósitos em produtos, como sua utilização sob a forma de chapas e em objetos planos ou que não sofram tensões excessivas. Devido a suas qualidades visuais, podem ser destinadas ao fabrico de objetos de decoração, podendo ser também aplicadas em peças artesanais. Desta forma evidenciou-se a inter-relação saúde e ambiente, pois o emprego das fibras da pupunheira como substitutas à fibra de vidro em compósitos mostrouse eficaz principalmente por serem fontes renováveis que podem substituir a fibra sintética. Também podem ser desenvolvidas atividades sociais junto a comunidades da região, fortalecendo o conceito do design sustentável.

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