Ensaios no caroá

UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE

DO SÃO FRANCISCO

COLEGIADO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENSAIO DE TRAÇÃO DO COMPOSITO DE FIBRA DO CAROÁ

TENSILE TEST OF LIBER COMPOSITE CAROÁ

Alexandre Daiol de S. Sato Filho (1); Brenda Graziela Andrade O. A. dos Reis (1);

Carla Raquel Ferraz (1); Fabiano Pinheiro de Amorim (1); Gislandio Bandeira da Silva

(1); Jasley Siqueira Gonçalves (1); Lucianna Gabriella Oliveira Santos (1);

Nelson Cárdenas Olivier (2).

(1) Estudante de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Vale do São

Francisco (UNIVASF)

(2) Professor Doutor, Colegiado de Engenharia Mecânica da UNIVASF

Colegiado de Engenharia Mecânica – UNIVASF – Av. Antônio Carlos

Magalhães, 510, Country Club, 48902300 – Fone/Fax: (74) 2102-7633

RESUMO

O caroá é uma planta da família das bromiáceas (Ananas erectifolius L. B. Smith), aonde suas folhas

chegam a 1,5 metros de comprimento e 4 centímetros de largura, são duras, eretas e planas. O caroá é

encontrado nas caatingas e outras áreas do Nordeste. Vegeta em largos trechos do litoral, entre o

Piauí e a Bahia, e do Sertão entre o Ceará e o Vale do São Francisco, onde se apresentam em grande

quantidade, sempre com preferência pelos terrenos silicosos e secos. O aproveitamento industrial de

suas fibras generalizou-se no Brasil durante a segunda guerra mundial, quando foi preciso suprir a

falta das escassas fibras estrangeiras. Atualmente é crescente o interesse nos compósitos reforçados

com fibras vegetais curtas em substituição às fibras de vidro, pois as fibras naturais provêm de fontes

renováveis, não são abrasivos aos equipamentos de processamento, são biodegradáveis, e possuem

baixa densidade comparada às fibras de vidro. Esta pesquisa tem a finalidade de realizar o ensaio de

tração no compósito de fibra do caroá, para averiguar suas características mecânicas.

Palavras-chaves: fibra vegetal, compósito de caruá.


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INTRODUÇÃO

A busca por materiais que visam minimizar os problemas ambientais tem se tornado uma grande

preocupação nos últimos anos. O novo paradigma do desenvolvimento econômico está voltado para

propiciar a melhoria de vida das futuras gerações, incorporando na sua concepção modos de

produção menos poluentes e impactantes. A utilização das fibras vegetais como substitutas de

diversos reforços sintéticos, ou de cargas minerais, tem apresentado um grande potencial de aplicação

tecnológica. A busca por novos materiais tem levado os cientistas a desenvolverem compósitos

utilizando fibras vegetais (ISHIZAKI et al., 2006; D’ALMEIDA et al., 2006).

As fibras celulósicas possuem muitas características que tornam seu uso vantajoso, como baixo custo,

baixa densidade, não é tóxico, são biodegradáveis, podem ser facilmente modificadas por agentes

químicos, são abundantes e provêm de fontes renováveis. Suas principais propriedades mecânicas são

a elevada resistência à tração, baixo módulo de elasticidade e quando empregadas em compósitos

propiciam maior resistência ao impacto, o que são comparáveis às de outros reforços comumente

empregados. As fibras vegetais apresentam menor custo que as fibras sintéticas e podem substituí-las

em muitas aplicações nas quais o custo é fator mais importante que a resistência (Kuruvilla et al.,

1999).

As principais desvantagens no emprego dessas fibras em compósitos poliméricos são relacionadas à

umidade bem como à susceptibilidade destas fibras a ataques de fungos e bactérias. A estrutura das

fibras vegetais proporciona baixa molhabilidade e absorção da matriz do compósito em sua

superfície, resultando em fraca adesão interfacial no compósito final. A qualidade da interface fibra-

matriz é significativa para a aplicação de fibras vegetais como reforço (CARVALHO et al., 2006;

NÓBREGA et al., 2006; MEDEIROS et al., 2003).

As fibras utilizadas neste trabalho foram extraídas da planta Caroá Neoglaziovia variegata, é uma

planta de caule terrestre, da família das bromeliáceas, de poucas folhas e flores variegadas. O Caroá,

planta originária nativa do Nordeste do Brasil e principalmente do Cariri Velho no Estado da Paraíba

e possui folhas lineares e acuminadas, dispostas em roseta. Suas folhas fornecem longas fibras, de

grande resistência e durabilidade.

Pesquisadores de diversas áreas descobriram outras funções para o caroá. Em seu doutorado em

Engenharia de Processos pela Universidade Federal de Campinas Grande (UFCG), Múcio Nóbrega

testou diversos compósitos da fibra natural com poliéster e constatou um bom aumento na resistência

do material a impactos, além do uso do caroá reduzir custos, ter baixa abrasividade e ser

biodegradável. Na mesma UFCG, uma equipe de engenheiros químicos estudou maneiras de retirar a

polpa do caroá, comprovando a viabilidade de seu uso na produção industrial de celulose, com

resultados comparáveis aos do eucalipto, e de biocombustíveis.

E na Universidade Federal do Vale do São Francisco (Univasf) multiplicam-se os estudos

farmacológicos, com resultados bastante promissores contra inflamações, dor e úlceras gástricas.

Diante do exposto a motivação principal deste trabalho é o fato das fibras de Caroá ser nativas do

Nordeste Brasileiro, apresentarem propriedades mecânicas que indicam boas aplicações em

compósitos e ser fator de desenvolvimento regional. O presente trabalho objetivou a determinação de


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propriedades mecânicas que se refere ao comportamento do compósito da fibra do caroá quando sob

a ação de esforços e que são expressas em função de tensões e/ou deformações.

MATERIAIS E METODOS

O presente trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Ensaios Mecânicos no campus das

Engenharias em Juazeiro – BA, pertencente à Universidade Federal do Vale do São Francisco. As

folhas do caroá foram colhidas cerca de 10 dias antes da realização dos ensaios em uma chácara, no

distrito de Rajada no perímetro do município de Petrolina, na região semiárida do nordeste brasileiro.

O município de Juazeiro está situado as 09º 24’ de latitude e 40º 30’ de longitude WGr, e uma

altitude de 368m. O clima da região é semiárido segundo a classificação de Koppen.

Para a realização dos ensaios de tração do compósito de fibra de caroá foi utilizada a Máquina

Universal de Ensaios EMIC DL 10000, da linha Digital Line (DL), do tipo bifuso de bancada, com

capacidade máxima de 10000 kgf equipada com célula de carga de 100 kN, utilizando uma

velocidade de avanço de 5 mm/min. Os compósitos de fibras do caroá submetidos aos ensaios de

tração foram dispostos à máquina por duas garras fixadas nas extremidades do corpo de prova.

Foram ensaiadas 6 amostras de compósitos de fibra do caroá, com condições climáticas internas

favoráveis, ou seja, à temperatura ambiente e com presença de baixa umidade e luminosidade,

variando de 28 a 30 ºC e com 46% de umidade relativa do ambiente.

As dimensões dos corpos de prova foram medidas utilizando um paquímetro digital, com o qual

foram medidas as espessuras das fibras do caroá com relação aos eixos cartesianos x, y e z.

Os corpos de prova para o ensaio de tração devem seguir um padrão de forma e dimensões para que

os resultados dos testes possam ser significativos. O ensaio foi realizado de acordo com a norma

ASTM D638/ISO 527-1, respectivamente, usando a velocidade de separação das garras nos ensaios

de tração de 5 mm/min, respectivamente.

A espécie Tipo I do corpo de prova foi utilizado para o presente ensaio, pois, a espessura é de no

máximo 7 milímetros, onde, teoricamente o corpo de prova irá se romper na menor largura. A tabela

a seguir mostra as medidas para os corpos de prova da norma ASTM D638/ISO 527-1.

Figura 1 - Formato do corpo de prova da Norma ASTM D638/ISO 527-1.


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Tabela 1 - Dimensões do corpo de prova para o ensaio de tração (ASTM D638/ISO 527-1).

T ≤ 7 mm T = 7 – 14 mm

DIMENSÕES (mm) TIPO I TIPO II TIPO III

W – Largura da seção delgada 13 06 19

L – Comprimento da seção delgada 57 57 57

Wo – Largura total 19 19 29

Lo – Comprimento total 185 183 246

G – Comprimento p/ instrumentação 50 50 50

D – Distância entre garras 115 135 115

R – Raio 76 76 76

Os respectivos corpos de prova foram confeccionados em moldes de gesso, onde após o

preenchimento do formato total pela resina (composto a base de Glicóis) e pelas fibras inseridas, com

a secagem totalmente em natura, e temperatura ambiente de aproximadamente 28 ºC com duração

mínima de 60 horas, o molde do corpo de prova é desconfigurado para a retirada do corpo de prova.

RESULTADO E DISCURSSÃO

Influência do comprimento da fibra

As propriedades das fibras e o grau segundo o qual uma carga aplicada é transmitida para fibras pela

fase matriz, são características mecânicas de um compósito reforçado com fibras. Com a aplicação de

uma tensão, a ligação fibra- matriz encerra nas extremidades da fibra, resultando assim num padrão

de deformação da matriz, como mostra a figura 2:

Figura 2: Padrão de deformação na matriz em volta de uma fibra que está

sujeita à aplicação de uma carga de tração. ( Fonte: Callister Jr, 5 edição)


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É necessário um determinado comprimento crítico de fibra para que exista um efetivo aumento de

resistência e um enrijecimento do material compósito. O comprimento crítico, vai depender do

diâmetro d e do limite de resistência à tração e da tensão de limite de escoamento cisalhante, de

acordo com a equação:

Uma tensão igual a , for aplicada numa fibra que tem exatamente o comprimento crítico é obtido

como resultado um perfil tensão-posição mostrado na figura 3.a, ou seja, a carga máxima na fibra é

atingida exclusivamente no eixo central da própria fibra. Quanto mais o comprimento aumenta, o

reforço que é causado pela fibra torna-se muito mais efetivo, ilustrado na figura 3.b, onde está

representado um perfil da tensão em função da posição axial para para quando a tensão

aplicada for igual à resistência da fibra.

O perfil tensão-posição para está

ilustrado a figura 3.c.

Figura 3: perfis tensão-posição para os casos de

(a) igual ao comprimento crítico, , (b) maior

que o comprimento crítico e, (c) menor do que o

comprimento crítico para um compósito

reforçado em fibras que esteja submetido a uma

tensão de tração igual ao limite de resistência à

tração da fibra, . ( Fonte: Callister Jr, 5

edição)

São chamadas contínuas, as fibras para os quais , e as fibras descontínuas ou curtas possuem

comprimentos menores que esse. As fibras descontínuas com comprimentos menores que , ocorre


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a deformação da matriz em torno da fibra de modo que virtualmente não existe nenhuma

transferência de tensão, apenas haverá um pequeno reforço devido à fibra. Essencialmente, são esses

os compósitos particulados e para que haja uma melhoria significante na resistência do compósito, as

fibras devem ser contínuas.

Influência da orientação e da concentração da fibra

A orientação das fibras relacionadas umas com as outras, a concentração das fibras e sua distribuição

tem grande influência sobre a resistência e também sobre outras propriedades dos compósitos

reforçados com fibras.

Com relação à orientação das fibras, existem dois extremos: (1) um alinhamento paralelo do eixo

longitudinal das fibras em uma única direção e (2) um alinhamento totalmente aleatório. Geralmente,

as fibras contínuas estão alinhadas e as descontínuas podem estar alinhadas, aleatoriamente

orientadas ou parcialmente orientadas. Podemos observar na figura 4 abaixo:

Figura 4: Representação de compósitos reforçados com fibras. (a) contínuas e alinhadas, (b) descontínuas e alinhadas,

(c) descontínuas e aleatoriamente orientadas. ( Fonte: Callister Jr, 5 edição)

Quando a distribuição das fibras é uniforme ocorre a melhor combinação geral das propriedades dos

compósitos.


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Compósitos com fibras contínuas e alinhadas

Comportamento tensão-deformação em tração-carregamento longitudinal

Os fatores como os comportamentos tensão-deformação das fases fibra e matriz, as frações

volumétricas das fases e a direção na qual a tensão é aplicada influenciam nas respostas mecânicas

desse compósito. As propriedades de um compósito que possui fibras alinhadas são anisotrópicas,

pois é vão depender da direção na qual elas são medidas. Primeiramente considerando o

comportamento tensão-deformação para o caso em que a tensão é aplicada ao longo da direção do

alinhamento, direção indicada na figura 4.a, os comportamentos tensão-deformação para fases fibra e

matriz mostrada na figura 5, desse modo consideramos que a fibra seja totalmente frágil e que a fase

matriz seja um pouco dúctil.

Figura 5: (a) curvas tensão-deformação para materiais com fibra frágil e matriz dúctil.(b) curvas tensão-deformação

para compósito reforçado com fibras alinhadas que está exposto a uma tensão uniaxial que é aplicada na direção do

alinhamento. ( Fonte: Callister Jr, 5 edição)

Na figura também é indicado as resistências à fratura sob condições de tração para fibra e matriz

, respectivamente.


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Na figura 5 (b), ilustra um compósito com fibras que consiste nesses materiais de fibra e da matriz

que irá exibir a resposta tensão uniaxial deformação. Os comportamentos da fibra e da matriz estão

inclusos na figura 5 com a finalidade de fornecer uma perspectiva.

No estágio I, a fibra e a matriz se deformam elasticamente, onde nessa parte a curva é linear, a matriz

escoa e se deforma plasticamente (figura 5 b), as fibras continuam esticando, mesmo sendo o limite

de resistência à tração das fibras maio que o limite de escoamento da matriz. O estágio II tem o

comportamento muito próximo do linear, porém com curva com inclinação reduzida em comparação

com a do estágio I. Do estágio I para o II, ocorre um aumento da proporção da carga aplicada que é

suportada pelas fibras.

O inicio da falha do compósito começa assim que as fibras fraturam que corresponde à deformação

, como mostra a figura 5. A falha não chega a ser catastrófica, pois nem todas as fibras fraturam no

mesmo instante, e mesmo após a falha da fibra, a matriz ainda se encontra intacta. Assim as fibras

fraturadas, são menores que as originais ainda estão no interior da matriz, que intacta ainda são

capazes de suportar uma carga menor, por enquanto que a matriz continua o processo de deformação

plástica.

Morfologia das fibras de Caroá

As Micrografias Eletrônicas de Varredura (MEV) das fibras de caroá são mostradas nas figuras 6 e 7.

As fibras apresentam estrutura fibrilar de cadeias longas compostas por de moléculas de celulose com

lignina e polioses agindo como ligantes, conferindo características típicas de fibras vegetais.


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( a )

( b )

Figura 6: Micrografias das fibras de caroá: ( a ) aumento de 200 vezes; ( b ) aumento de 900 vezes.

Na figura 7 é possível visualizar as macrofibrilas unidas entre si pela lignina e polioses, de maneira a

formar filamentos contínuos em todo o sentido do comprimento da fibra o que proporciona a rigidez

da fibra de caroá.


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Figura 7: Micrografia da fibra de caroá com aumento de 3000 vezes.

Propriedades Mecânicas

Os resultados obtidos nos ensaios de tração do compósito das fibras de caroá estão sendo ilustrados

nos gráficos e nas tabelas.

Intercalação das forças nos corpos de prova.

Gráfico1: Forças sofridas nos corpos de provas.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

CP - 1 Força(N)

CP - 2 Força(N)

CP - 3 Força(N)

CP - 4 Força(N)

CP - 5 Força(N)

CP - 6 Força(N)


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Na tabela 2, mostramos os resultados das medições realizadas no laboratório de ensaios mecânicos,

onde foram feitas as medidas da espessura dos corpos de prova, e o resultado da tensão e da

deformação máxima até o cisalhamento. Sendo o calculo da tensão convencional (σc) dado por:

Em que

σ – tesão convencional (MPa);

P – carga aplicada (N);

So – seção transversal (m2).

A deformação convencional (ε) é dada por:

Em que

ε – deformação convencional (adimensional);

L0 – comprimento inicial de deformação (m);

L – comprimento para cada carga (m);

∆L – alongamento (m).

Tabela 2: Propriedades do compósito de caruá.

Corpo de

prova

Seção transversal

(largura x

espessura)

(mm x mm)

Tensão

(MPa)

Deformação

(%)

1 4,88 x 13 16,21375 6,22E-02

2 4,30 x 13 18,13238 0,050334

3 5,10 x 13 16,50226 0,072972

4 4,56 x 13 20,36775 0,045298

5 4,50 x 13 11,10735 0,049056

6 4,90 x 13 7,157614 0,052802


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Intercalação das Tensões dos corpos de provas.

Gráfico 2: Tensões sofridas nos corpos de provas.

Analisando os resultados na tabela, comprovamos que a resina é um material bastante frágil, e que

mesmo utilizando as fibras de caroá, apresentam um comportamento que não favorece a transferência

de eficiência da tensão entre a matriz e a fibra, não promovendo uma melhora eficiente das

propriedades mecânicas.

CONCLUSÕES

O caroá tem recebido atenção especial dos pesquisadores, pois possuem propriedades mecânicas

adequadas para o reforço em relação às outras fibras vegetais e em substituição as fibras de vidro.

Esta pesquisa teve o objetivo de realizar ensaio de tração no compósito de caroá, para averiguar suas

propriedades mecânicas e explanar as vantagens e desvantagens, através dos resultados obtidos.

Esses resultados indicam que é possível obter compósitos com características e aplicações distintas,

selecionando o método de processamento, a resina e a fibra adequadas.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a UNIVASF pela disponibilização dos equipamentos necessários, ao professor

Nelson e o técnico do laboratório pelo auxílio dado na orientação e concretização dos ensaios,

juntamente com o Engenheiro Miguel Ângelo de Oliveira Shaw pelo tempo e orientação oferecida.

0

5

10

15

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CP -1

CP - 2

CP - 3

CP - 4

CP - 5

CP - 6

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REFERÊNCIAS

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Engineering

Ensaios no caroá