ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE COMPÓSITOS FORMADOS POR RESINA EPOXI, BAMBU E PARTÍCULAS DE AREIA

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A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes 
Anais do 2° COEN - Congresso de Engenharias - Universidade Federal de São João del-Rei - MG 
Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 
 ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE COMPÓSITOS FORMADOS POR RESINA 
EPOXI, BAMBU E PARTÍCULAS DE AREIA 
 
Gabriel Reis Santos 
(1)
 (gabrielrsantos_11@hotmail.com), André Luis Christoforo 
(1)
 
(alchristoforo@yahoo.com.br), Jefferson L. Ferrari 
(2)
 (jeffersonferrari@gmail.com), Carlos A. da 
Silva Carvalho 
(1)
 (carloscarvalhoufsj@hotmail.com) 
 
(1) Universidade Federal de São João del Rei (UFSJ); Departamento de Engenharia Mecânica - DEMEC 
(2) Universidade Federal de São João del Rei (UFSJ); Departamento de Ciências Naturais - DCNAT 
 
RESUMO: O mundo passa por um momento de grande desenvolvimento tecnológico, através do 
aperfeiçoamento e criação de novos produtos. Dessa forma, o estudo de materiais compósitos surge 
como grande atrativo para pesquisadores do mundo inteiro. Nesse campo, elementos de origens 
naturais são empregados em larga escala, visto que, além de promoverem melhorias nas 
características de muitos materiais, levam à redução nos custos de fabricação dos produtos e à 
diminuição do impacto ambiental provocado por diversas atividades econômicas. Esse estudo 
analisou o comportamento de compósitos formados por resina epóxi, bambu e partículas de areia. 
Esta foi adicionada em 3 diferentes níveis de concentração em relação ao volume, sendo os níveis 
determinados em 10%, 20% e 30%. Foram analisadas, através de ensaio de flexão, as características 
mecânicas (módulo de resistência à flexão e módulo de elasticidade). Os resultados foram 
comparados com os dados obtidos para o compósito sem a adição de partículas, e mostraram que o 
compósito com a incorporação de areia obteve melhores índices quanto às características mecânicas 
quando comparados aos valores obtidos para o material sem a presença de partículas. Dentre eles, o 
compósito com adição de 10% de partículas de areia apresentou os melhores resultados. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Compósitos, partículas de areia, bambu, epóxi, ensaio de flexão. 
 
PERFORMANCE STUDY OF COMPOSITE MATERIAL COMPOUND BY EPOXY, 
BAMBOO AND SiC 
 
ABSTRACT: The world passes a time of great technological development, especially by the 
improvement and creation of new products. This way, researchers over the world are spending efforts 
to study composite materials. In this field, elements from natural origins are very used, since they 
lead to reduction of fabrication costs and to reduction of environmental impact produced by many 
economic activities. Bamboo and sand are materials found in every part of the world and are studied 
in large scale. This study analyzed mechanical responses of composite materials compound by epoxy, 
bamboo and sand particles. The latter was incorporated in 3 different volume concentrations, and 
these are in 10%, 20% and 30%. Flexural tests were used to measure the bending resistance and the 
elasticity modulus. The dates were compared with the values observed for the composites with no 
particles. The condition of 10% of sand particles showed the best results for both conditions studied. 
 
KEYWORDS: Composite materials, bamboo, sand particles, epoxy. 
 
 
2° COEN - UFSJ 
XII CONEMI 
São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 
 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
 
A busca pela melhoria das características dos produtos e pelo aumento da eficiência 
dos mesmos, aliada à grande preocupação com o meio ambiente e com os custos relativos à 
produção, favoreceu a proliferação no estudo de materiais compósitos. Estes consistem na 
combinação de duas ou mais classes de materiais, a fim de que elas possam auxiliar na 
melhoria de certas características uma da outra e que possam servir como alternativa a 
materiais tradicionalmente empregados na indústria. 
Os materiais compósitos são formados através da adição, junto à matriz, de um reforço 
formado por fibras, partículas, ou ambos, sendo estes denominados compósitos híbridos. A 
aplicação desta classe de materiais estende-se por diversas áreas do conhecimento humano, de 
modo que inclui desde a indústria esportiva, até as indústrias aeroespacial e automotiva, 
Freitas et al. (2009). 
Dentre os materiais que recebem maior interesse no meio científico, estão as fibras e 
partículas naturais. Os materiais naturais promovem diversos benefícios quando incorporados 
aos compósitos, visto que possuem uma potencial capacidade de economia de energia, já que 
auxiliam na redução de peso dos componentes, além de possuírem relativa facilidade quanto à 
produção e reaproveitamento, Xu et al. (2008). 
A incorporação de elementos naturais a estruturas é uma prática que nos remete ao 
Egito Antigo, com a adição de palha a tijolos de argila, além do uso de fibras de asbesto e 
crina de cavalo para reforço de potes de argila, Izquierdo (2011). Atualmente, diversas fibras 
vegetais são estudadas pelo mundo, como as fibras de coco, Monteiro et al. (2005), e sisal, 
Iozzi (2010). No entanto, dentre as fibras vegetais, destaca-se o potencial do bambu, sendo 
encontrado em muitos países, especialmente na Ásia. Além disso, é uma das plantas que 
apresenta o ciclo de maturidade mais rápido, Han et al. (2008). Em um estudo realizado para 
se fazer o levantamento sobre os efeitos da adição de proporções diversas de lascas de bambu 
a uma matriz polimérica, mostrou que a adição das lascas de bambu elevou o módulo de 
elasticidade da resina pura, o alongamento do material e os módulos de resistência à tração e 
flexão, Yükseloğlu e Yöney (2009). 
Quanto às partículas, as características analisadas mediante sua incorporação em um 
material compósito incluem propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, de impacto e 
tribológicas. Daoud (2009) observou um aumento, quase linear, da resistência à compressão, 
com a elevação da fração volumétrica de partículas de Al2O3 adicionadas a uma matriz A359. 
Nesta classe, destacam-se trabalhos relacionados à aplicação da areia, devido a características 
como baixo custo e abundância. Alguns dos benefícios relacionados à incorporação de 
partículas de areia é mostrado por Sui et al. (2008), onde foi constatado que a adição de 
 
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partículas de areia a uma matriz epóxi promove um incremento das propriedades de flexão e 
condutividade térmica do material. 
Buscando aliar os benefícios provenientes da aplicação de fibras e partículas, este 
estudo tem como objetivo coletar e comparar dados relativos ao módulo de elasticidade e 
resistência à flexão de materiais compósitos formados por matriz epóxi, fibras de bambu e 
uma segunda fase de reforço composta por partículas de areia nas proporções volumétricas de 
10%, 20% e 30%, além de materiais formados apenas por resina e fibras de bambu, quando 
submetidos a esforços de flexão. 
 
2. MATERIAIS E MÉTODOS 
 
A fase matriz polimérica foi fornecida pela empresa Resiqualy® (São Paulo - SP). As 
partículas de SiC foram obtidas junto à empresa Obradec Materiais de Construção (Belo 
Horizonte – MG), sendo posteriormenteclassificadas por peneiramento na faixa 
granulométrica de 115 – 200 US-Tyler. 
As fibras naturais foram obtidas da espécie de bambu Phyllostachys pubescens 
(bambu mossô), oriundas da cidade de Sete Lagoas – MG, e extraídas de forma artesanal, 
sendo fornecidas pela Associação de Artesanato da cidade. 
As variáveis respostas investigadas foram o módulo de elasticidade e resistência à 
flexão. As características mecânicas foram medidas através de ensaio de flexão de 3 pontos, 
seguindo recomendações da norma ASTM D 790. 
A fração de fibras foi mantida constante e estipulada em 70% do volume total do 
compósito. Dos outros 30%, os efeitos da adição de areia foram investigados nas proporções 
de 10%, 20% e 30%. Tais condições experimentais foram nomeadas como C1, C2 e C3, 
respectivamente. O restante do volume foi composto por resina epóxi. Houve ainda os corpos 
sem adição de partículas, nomeados como C0. Dessa forma, o estudo gerou 4 diferentes 
condições experimentais. A Tabela 1 exibe o fator fração volumétrica de partículas de SiC e 
os níveis investigados. 
 
TABELA 1. Condições experimentais 
Condições Experimentais Adição de SiC 
C0 0% 
C1 10% 
C2 20% 
C3 30% 
 
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Os compósitos foram fabricados através do processo de laminação manual. Em 
seguida, foram colocados entre 2 tarugos de aço e submetidos a uma pressão de 2000 Kgb, 
junto a uma prensa hidráulica por um período de 20 min. Após 24h, foram desmoldados e 
deixados curar por um período mínimo de 7 dias. 
Três corpos-de-prova foram fabricados para cada condição experimental. Cada um 
deles consistia de 3 camadas de fibras e, entre elas, foi incorporada resina. Nos corpos 
utilizados para as condições C1, C2 e C3, foram adicionadas as partículas de areia, junto à 
resina, nas respectivas proporções, na metade superior do material compósito (entre as 2 
camadas de fibras superiores e sobre a camada superior). Considerando a adoção de duas 
réplicas, foram confeccionados, no total, 24 corpos-de-prova. Estes mantinham dimensões 
conforme preconiza a norma. A Figura 1 apresenta amostras das lâminas de bambu utilizadas 
no trabalho. 
 
 
FIGURA 1. Amostras do bambu utilizado no trabalho. 
 
O software estatístico Minitab 14 foi utilizado para tratamento dos dados. Estes 
tiveram distribuição normal reconhecida mediante a utilização do teste de Anderson Darling. 
Após, foram submetidas à análise de variância (ANOVA). Além disso, foram utilizados 
outros recursos gráficos para prover informações sobre a adição de partículas. 
 
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
As Figuras 2a, 2b, 2c e 2d mostram gráficos tensão (N) x deformação (mm) obtidos 
com um dos corpos-de-prova utilizados para cada condição experimental estudada. Podemos 
observar que houve uma diferença considerável entre o desempenho do corpo-de-prova 
representado pelo gráfico da condição C0, em relação às demais condições experimentais. 
 
 
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FIGURA 2. Gráficos tensão x deformação obtidos com por um corpo-de-prova das 
condições: a) C3; b) C2; c)C1; d) C0. 
 
A Tabela 2 apresenta os resultados de p-valor, obtidos através da análise de variância 
realizada para as 2 variáveis respostas estudadas. 
 
Tabela 2 - Resultados de p-valor 
Variável Resposta p-valor 
Resistência à flexão 0,329 
Módulo de elasticidade 0,271 
 
Como p-valor se mostrou superior a 0,05, pode-se constatar que a adição de partículas 
nas proporções utilizadas, em ambos os casos, não foi significativa. No entanto, na 
comparação entre os valores, houve um aumento nas propriedades mecânicas dos compósitos 
onde houve incorporação de partículas, em relação àqueles formados apenas por bambu e 
resina. 
Como p-valor se mostrou superior a 0,05, pode-se constatar que a adição de partículas 
nas proporções utilizadas, em ambos os casos, não foi significativa. No entanto, na 
comparação entre os valores, houve um aumento nas propriedades mecânicas dos compósitos 
onde houve incorporação de partículas, em relação àqueles formados apenas por bambu e 
resina. 
 A Figura 3 exibe um gráfico de efeito da fração volumétrica de partículas de areia 
sobre a resistência à flexão. Observou-se que, em média, os valores obtidos para os corpos 
com areia, em todas as proporções, foi superior àquele encontrado para o material constituído 
apenas por bambu e resina. O aumento chegou a até 30%, sendo que o maior valor foi 
 
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encontrado para a fração de 10% de partículas. Não houve diferença elevada entre as médias 
observadas entre as frações volumétricas de 20% e 30%. Dentre os compósitos com adição de 
partículas, a diferença entre a maior (10%) e menor média (30%) foi de 22%. 
 
Areia - Fração Volumétrica (%)
M
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s 
de
 R
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ão
 (M
Pa
)
3020100
150
140
130
120
110
 
FIGURA 3. Gráfico de efeito para a resistência à flexão. 
 
A Figura 4 apresenta um gráfico de efeito da fração volumétrica de partículas sobre o 
módulo de elasticidade. Também para esta variável resposta, observa-se que os valores 
encontrados para os compósitos com a incorporação de areia foram, em média, maiores do 
que aqueles obtidos para o material sem as partículas. A elevação do módulo de elasticidade 
ocorreu em até 36%, sendo o maior módulo encontrado para a proporção de 10% de partículas 
de areia. A diferença entre as médias dos materiais com frações volumétricas de 20% e 30% 
não foi significativa, apresentando um valor inferior a 6%. Para os compósitos com a 
incorporação de partículas, a diferença entre a maior média (para uma fração de 10%) e a 
menos (30% de fração volumétrica) foi de 20,5%. 
 
Areia - Fração Volumétrica (%)
M
éd
ia
s 
pa
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(M
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11500
11000
10500
10000
9500
9000
8500
8000
 
FIGURA 4. Gráfico de efeito para o módulo de elasticidade. 
 
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4. CONCLUSÃO 
 
A análise de variância realizada neste estudo mostrou que a adição de partículas de 
areia nas proporções utilizadas não produziu efeito significativo sobre o módulo de 
elasticidade e resistência à flexão de um compósito formado por resina epóxi e fibras de 
bambu. No entanto, a análise das médias dos valores obtidos para cada condição experimental 
mostrou que a incorporação das partículas aumentoutanto o módulo de elasticidade quanto a 
resistência à flexão. Em ambos os casos, a proporção de 10% de partículas de areia exibiu 
maior eficiência para a elevação das características mecânicas analisadas. 
 
5. REFERÊNCIAS 
 
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS - ASTM D 790. Standard 
Test Method for Flexural Properties of Unreiforced and Reinforced Plastics and Electrical 
Insulating Materials, Philadelphia, 2007. 
DAOUD, A. Compressive response and energy absorption of foamed A359–Al2O3 particle 
composites.Journal of alloys and compounds, pág.597–605, 2009. 
FREITAS, M.; PIANARO, S. A.; NADAL, F. N.; TEBCHERANI, S. M.; BERG, E. A. T. 
Preparação e caracterização de materiais compósitos SiC/caulim/Al via squeeze-casting. 
Cerâmica 55. 2009. 
HAN, G.; LEI, Y.;WU, Q.; KOJIMA, Y.; SUZUKI, S. Bamboo–fiber filled high 
density polyethylene composites: effect of coupling treatment and nanoclay. Journal of 
polymers and the environment, 2008. 
IOZZI, M. A. Estudo da influência de tratamentos químicos da fibra de sisal nas 
propriedades de compósitos com borracha nitrílica. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 
20, n. 1, p. 25-32. 2010. 
IZQUIERDO, I. S. Uso de fibra natural de sisal em blocos de concreto para alvenaria 
estrutural. Dissertação (Mestrado), Universidade de São Paulo, São Carlos, SP, 2011 
MONTEIRO, S.N.; TERRONES, L. A. H.; ALMEIDA, J. R. M.; OLIVEIRA, L. B. 
Aplicações tecnológicas para compósitos poliméricos de mantas de fibra de coco. In: 
Congresso anual da ABM, 60, 2005, Belo Horizonte. Anais... 2005. P. 1540-1548. 
Verificar data 
SUI, G.; JANA, S.; SALEHI-KHOJIN, A.; NEEMA, S.; ZHONG, W. H.; CHEN, H.; 
HUO, Q. Thermal and mechanical properties of epoxy composites reinforced by a natural 
hydrophobic sand. Journal of applied polymer science, vol. 109, págs.247–255, 2008. 
 
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XU, X.; JAYARAMAN, K.; MORIN, C.; PECQUEUX, N. Life cycle assessment of 
wood-fiber-reinforced polypropylene composites. Journal of Materials Processing 
Technology, v.198, p. 168-177, 2008. 
YÜKSELOĞLU, S. M.; YÖNEY, H. Bamboo fibre reinforced composite structures and 
their mechanical properties. Tekstil & Konfeksiyon, 2009.