EFEITO DA MODIFICAÇÃO DE SUPERFÍCIE NA ESTABILIDADE TÉRMICA DE COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRA NATURAL

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Pinheiro, C.H. (EEL-USP) ; Caetano Pinto da Silva, M.L. (EEL-USP)

Resumo

O desenvolvimento de materiais compósitos “verdes” vem ganhando cada vez mais espaço no cenário acadêmico e privado. Os tratamentos químicos de superfície nas fibras naturais buscam otimizar as características dos biocompósitos para que tenham desempenho superior ou igual aos compósitos reforçados com fibras sintéticas. O presente trabalho propõe dois tratamentos de superfície sobre as fibras: a acetilação e a modificação com óxido de alumínio hidratado. Foram preparados compósitos de matriz epóxi reforçados com a fibra de sisal natural, acetilada e modificada com óxido de alumínio hidratado. Os resultados de TG e DTG indicam o aumento da estabilidade térmica dos compósitos reforçados com as fibras modificadas estudadas.

Palavras chaves

óxido de alumínio ; sisal; compósitos verdes

Introdução

Os compósitos de matriz polimérica oferecem uma série de vantagens que os tornam desejáveis em inúmeras aplicações de alto desempenho na engenharia, podendo substituir materiais tradicionais em partes funcionais de carros de corrida, componentes de aeronaves, acessórios esportivos e demais materiais corriqueiros de baixo custo [1]. Amplamente designados como compósitos poliméricos reforçados com fibras (FRC) esses materiais têm sido utilizados devido a sua baixa densidade e excelência na resistência e rigidez [2]. Dentre os FRC destacam-se compósitos reforçados com fibras sintéticas (SFC) e os compósitos reforçados com fibras naturais (NFC). Os SFC têm excelentes propriedades mecânicas quando comparados com os NFC. Porém, a crescente preocupação ambiental com resíduos e ciclos de vida de produtos manufaturados, a utilização dos reforços de origem sintética está cada vez mais desestimulada [3,4]. Algumas fibras naturais como linho, cânhamo, abaca, algodão, celulose sintética, juta e o sisal são aplicadas como reforços nos NFC, podendo ainda assim competir com sucesso com a fibra de vidro que é extensivamente empregada nos SFC [5]. Para isso ainda é necessário utilizar tratamentos de superfícies nas fibras naturais, com o propósito de se otimizar a adesão interfacial entre Fibra/Matriz, bem como diminuir a tendência hidrofilica natural da planta, proporcionando significativa mudança na resistência mecânica, capacidade de absorção de água e estabilidade térmica dos NFC. Dentre os tratamentos químicos mais conhecidos, a acetilação favorece a diminuição da tendência hidrofílica das fibras naturais. Os grupos hidroxila presentes na hemicelulose ou lignina que constituem as fibras de sisal são parcialmente substituídos pelo grupo funcional acetila presente no ácido acético, gerando assim um éster. Esse tipo de modificação promove uma expressiva melhoria nas ligações interfaciais, proporcionando mudanças consideráveis nas propriedades mecânicas e térmicas dos NFC [6-8]. O óxido de alumínio hidratado (Al2O3.nH2O) é o componente inorgânico mais utilizado como retardante de chamas quando aplicado a polímeros [9]. À medida que a temperatura aumenta, o óxido de alumínio hidratado se decompõe endotérmicamente (cerca de 220 °C com uma reação endotérmica de 1,17 KJ g-1) absorvendo energia e liberando água não inflamável que dilui os gases combustíveis [10]. Trabalhos do grupo vêm apresentando resultados promissores quanto a estabilidade térmica de fibras lignocelulósicas tratadas com óxidos metálicos [8, 11,12]. O presente estudo teve como objetivo um novo tratamento químico de superfície das fibras de sisal, sendo inicialmente feita a modificação por acetilação das fibras e posteriormente com óxido de alumínio hidratado (Al2O3.nH2O) em um meio reacional. A termogravimetria foi a instrumentação utilizada para se estudar a estabilidade térmica dos compósitos.

Material e métodos

TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE As fibras foram tratadas por dois métodos sequenciais: acetilação e modificação com óxido de alumínio hidratado. A acetilação consistiu em atacar as fibras de sisal em solução de ácido acético 80% (v/v) por 20 min a 120°C sob agitação. Em seguida as fibras uma vez acetiladas foram colocadas em um reator contendo íons alumínio dissolvidos em solução de KOH (0,2 mol L-1). O pH da solução foi corrigido com H2SO4 (1 mol L-1 ) até pH~9 ocorrendo a precipitação do óxido de alumínio hidratado. A fibra modificada com óxido de alumínio hidratado foi designada como híbrido. PREPARAÇÃO DO COMPÓSITO Por meio do processo de laminação manual (hand-lay-up), foram preparados compósitos de matriz epóxi, Araldite LY 1564 e endurecedor Aradur 2963 e reforçados com fibras de sisal unidirecionais contínuas na proporção 6:1, ambos adquiridos no comércio local. Foram preparados corpos de prova reforçados com fibras naturais, acetiladas e híbrido. CARACTERIZAÇÕES As fibras, os compósitos e a resina epóxi foram caracterizadas por termogravimetria (TG) utilizando a termobalança SHIMADZU modelo TGA-50, utilizando-se de um cadinho de platina, numa razão de aquecimento de 20°C min-1 em ar sintético.

Resultado e discussão

Os dados das curvas TG e DTG estão resumidos na Tabela 1. Para a fibra natural, observa-se a ocorrência de quatro eventos térmicos característicos: a desidratação da celulose, com perda de massa de 7% referente às moléculas de água fracamente ligadas a microestrutura, a combustão da hemicelulose (9%), da celulose (59%) e da lignina remanescente, conforme descrito na literatura para o sisal e outras fibras lignocelulósicas [8,13-16]. A curva TG para a fibra acetilada apresentou o mesmo comportamento da fibra natural. Para o híbrido observa-se a ocorrência de um quinto evento (452 °C, curva DTG), devido a presença de óxido de alumínio hidratado incorporado a fibra (Figura 1a). Pela Tabela 1, observa-se quatro eventos térmicos para a resina epóxi e os compósitos (dados das curvas TG e DTG). Nota-se em todos os compósitos o mesmo perfil apresentado pela resina epóxi. Pode-se destacar que, para os compósitos de fibra natural e acetilada, tem-se até cerca de 350 ºC, uma perda de massa de 22 e 23 %, respectivamente. Aparentemente a acetilação não altera o comportamento da fibra no compósito preparado. Para o compósito gerado com híbrido, nesse mesmo intervalo, o valor de perda de massa passa a ser de 19 %, demonstrando que os eventos de desidratação e combustão das fibras sofreram alterções para temperaturas superiores, indicando uma estabilização térmica proveniente da presença do inorgânico nas fibras (Figura 1b).

Fibras natural, acetilada e híbrido (a) e compósitos de fibra natual, acetilada e híbrido (b).

Conclusões

A termogravimetria indicou que a acetilação não apresentou mudanças significativas no comportamento do compósito. As curvas TG mostram que os eventos de desidratação e combustão da celulose e hemicelulose no compósito reforçado com híbrido aconteceram em temperaturas superiores devido ao emprego do novo tratamento de superfície, aumentando assim a estabilidade em comparação com o compósito reforçado de fibra ausente de tratamentos.

Agradecimentos

Referências

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