Produção e determinação de propriedades mecânicas de compósitos reforçados com fibras de sisal

Abstract

Os materiais compósitos surgiram como uma opção mais leve e de alta resistência aos materiais tradicionais. Um compósito é composto por uma fase matriz e uma fase reforçadora. Os compósitos reforçados com fibras sintéticas, como as fibras de vidro e de carbono, são amplamente aplicados na indústria em diversos setores, como automobilístico, naval, aeroespacial, entre outros. Embora as fibras sintéticas sejam interessantes devido a suas características mecânicas, elas não são biodegradáveis e criam diversos problemas ecológicos. Os compósitos reforçados com fibras naturais têm atraído um interesse crescente como uma alternativa aos compósitos reforçados por fibras sintéticas. O objetivo deste trabalho foi a produção e a caracterização de um compósito composto de matriz polimérica (epóxi), reforçado com fibras naturais de sisal (Agave sisalana) em diferentes configurações de ângulo das camadas, juntamente com a inclusão ou não de fibras curtas não alinhadas. As amostras foram produzidas utilizando um molde de aço projetado e construído para este fim. As amostras foram produzidas utilizando o método hand lay-up com cura sob pressão variando as configurações das camadas de fibras. As amostras foram submetidas ao ensaio mecânico de tração para obtenção das propriedades mecânicas de limite de resistência à tração, alongamento percentual máximo e módulo de elasticidade. A utilização do método de produção com a cura sob pressão permitiu a obtenção de laminados com fibras dispostas nos ângulos definidos. Os resultados dos ensaios mecânicos de tração mostraram que a adição de fibra curta aos compósitos os tornou menos rígidos, diminuindo os valores de seus módulos de elasticidade e aumentando os valores do alongamento percentual máximo. As amostras contendo duas e três camadas de fibras alinhadas à direção longitudinal de carregamento e com adição de fibras curtas apresentaram os maiores valores de deformação, 3,38% e 3,78% respectivamente, e, consequentemente, também apresentaram menores valores de módulo de elasticidade, 2,52 e 3,19 GPa, quando comparadas às amostras pares sem adição de fibras curtas (3,84 GPa e 3,73 GPa). Em relação ao limite de resistência à tração, as configurações com as maiores quantidades de camadas alinhadas à direção de tração longitudinal apresentaram os maiores valores, 53,44 MPa e 53,47 MPa, resultado este esperado pois as fibras possuem a maior resistência à tração quando a carga ocorre no sentido longitudinal. Os compósitos produzidos com fibras de sisal apresentaram uma resistência mecânica elevada na direção do carregamento, sendo os valores bastante reduzidos na direção transversal das fibras, como pôde ser visto nas amostras ensaiadas com menor quantidade de camadas alinhadas com a direção de tração. Pode-se concluir que compósitos produzidos com fibras naturais de sisal possuem boas propriedades mecânicas, podendo ser utilizados como substitutos de compósitos produzidos com fibras de vidro em aplicações que exijam menores valores de tensão e rigidez e que não exista uma direção de carga predominante.

Abstract: Composite materials emerged as a lighter and high-strength option to traditional materials. A composite is composed of a matrix phase and a reinforcing phase. Composites reinforced with synthetic fibers, such as glass and carbon fibers, are widely applied in industry in various sectors, such as automotive, naval, aerospace, among others. Although synthetic fibers are interesting due to their mechanical characteristics, they are not biodegradable and create several ecological problems. Natural fiber reinforced composites have attracted increasing interest as an alternative to synthetic fiber reinforced composites. The objective of this work was the production and characterization of a composite composed of a polymer matrix (epoxy), reinforced with natural fibers of sisal (Agave sisalana) in different configurations of angle of the layers, together with the inclusion or not of non-aligned short fibers. The samples were produced using a steel mold designed and built for this purpose. The samples were produced using the hand lay-up method with curing under pressure varying the configurations of the fiber layers. The samples were submitted to the mechanical tensile test to obtain the mechanical properties of tensile strength limit, maximum percentage elongation and modulus of elasticity. The use of the production method with pressure curing allowed obtaining laminates with fibers arranged at defined angles. The results of the mechanical tensile tests showed that the addition of short fiber to the composites made them less rigid, decreasing the values of their elastic modulus and increasing the values of the maximum percentage elongation. The samples containing two and three layers of fibers aligned to the longitudinal direction of loading and with the addition of short fibers presented the highest values of deformation, 3.38% and 3.78% respectively, and, consequently, also presented lower values of modulus of elasticity, 2.52 and 3.19 GPa, when compared to even samples without the addition of short fibers (3.84 GPa and 3.73 GPa). Regarding the tensile strength limit, the configurations with the highest amounts of layers aligned to the longitudinal tensile direction had the highest values, 53.44 MPa and 53.47 MPa, a result expected because the fibers have the highest tensile strength. when the load occurs in the longitudinal direction. The composites produced with sisal fibers showed a high mechanical strength in the direction of loading, with very low values in the transverse direction of the fibers, as could be seen in the samples tested with a lower number of layers aligned with the direction of traction. It can be concluded that composites produced with natural sisal fibers have good mechanical properties and can be used as substitutes for composites produced with glass fibers in applications that require lower values of tension and stiffness and that there is no predominant load direction.