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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 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO MECÂNICO DE MATERIAIS COMPÓSITOS PARTICULADOS DE MATRIZ POLIMÉRICA REFORÇADOS COM SERRAGEM Zélia Maria Velloso Missagia (1) (zmissagia@hotmail.com), Júlio César dos Santos (2) ( sanjulio2000@yahoo.com.br), Sérgio Luiz Moni Ribeiro Filho (3) (sergiolmrf@gmail.com), André Luis Christoforo (4) ( alchristoforo@yahoo.com.br), Túlio Hallak Panzera (5) (tuliopanzera@hotmail.com) Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ); Departamento de Engenharia Mecânica RESUMO: Resíduos ou serragem advindos do processamento da madeira constituem-se como forma agravante na geração de impactos ambientais, motivando o estudo de pesquisas que visem soluções a esta problemática. O uso de compósitos particulados com resina epóxi e serragem se apresenta como solução alternativa a estes rejeitos, permitindo a obtenção de novos materiais com boas relações entre resistência mecânica à compressão e densidade, propícios de serem utilizados, além de outras, como forma de reparo em vigas de madeira danificadas. Este trabalho objetivou avaliar o desempenho mecânico à compressão em materiais compósitos particulados em matriz epóxi reforçados com serragem de madeiras das espécies Eucalyptus e Ipê. Foram consideradas duas faixas granulométricas distintas, 4-10 e 50-80 US-Tyler, com frações volumétricas de 30 e 50% em relação à fase dispersa, originando quatro condições experimentais por tipo de reforço. Ensaios mecânicos de compressão foram realizados nos corpos-de-prova para ambas as condições experimentais, objetivando-se determinar o módulo de elasticidade e resistência mecânica. Os resultados comprovam a superioridade do desempenho mecânico dos compósitos fabricados com resíduos de Eucalyptus sobre os de Ipê, propícios para o emprego como forma de reparo em estruturas e objetos de madeira. PALAVRAS-CHAVE: Compósitos particulados, serragem, reparo, reforço. EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE MECHANICAL PERFORMANCE OF A PARTICULATE COMPOSITE WITH POLYMER MATRIX REINFORCED WITH SAWDUST ABSTRACT: The sawdust waste arising from wood processing are as aggravating as the generation of environmental impacts, motivating the study of research aimed at solutions to this problem. The use of particulate composites with epoxy resin and sawdust is presented as an alternative to these wastes, allowing the development of new materials with good relations between the compressive strength and density, likely to be used, among others, as a way to repair damaged in wooden beams. This study aimed to evaluate the mechanical compressive particulate composites in epoxy matrix reinforced with sawdust of Eucalyptus and Ipê wooden species. Was considered two different particle sizes, 40-10 and 50-80 US-Tyler, with volume fractions of 30 and 50% compared to the dispersed phase, resulting in four experimental conditions by type of reinforcement. Compression mechanical tests were performed on the specimens for both experimental conditions, aiming to determine the elastic modulus and mechanical strength. The results prove the superiority of the mechanical performance of composites made from residues of Eucalyptus on Ipê, suitable for employment as a way to repair wooden structures and objects. 2° COEN – UFSJ 12° CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 2 KEYWORDS: Composite particles, sawdust, repair, reinforcement. 1 INTRODUÇÃO Os resíduos oriundos do processamento da madeira tem se apresentado como agravante contribuição a geração de impactos ambientais, motivando pesquisas que visem soluções a este problemática. A indústria madeireira no Brasil tem aumentado significativamente o volume de resíduos ao longo dos últimos anos, visto o aproveitamento das árvores processadas ser de 30% a 60% do volume total da tora cortada (FREITAS, 2000). O pó de lixa e a serragem são resíduos que merecem grande atenção por serem inflamáveis, requerendo maior espaço para estocagem (YAMAJI e BONDUELLE, 2004). Ao invés da queima, como ocorre atualmente com os 15% a 30% que a madeira sólida produz, os resíduos podem ser utilizados para fabricação de painéis reconstituídos (PASSEROTTI et al., 2008). Dentre as formas de reaproveitamento dos resíduos de madeira destaca-se o seu emprego na elaboração de compósitos particulados e laminados, objetivando-se o desenvolvimento de novos materiais que apresentem boa relação entre resistência mecânica aliada a baixa densidade. Para tanto, o estudo das proporções ideais entre matriz e reforço, dimensões, adesão entre as fases, empacotamento das partículas entre outras, são variáveis a serem avaliadas em um composto, permitindo, através da caracterização física, química e mecânica, o emprego do material de forma mais adequada e racional. A produção de compósitos tem como objetivo principal combinar diferentes materiais, obtendo um único material com propriedades superiores (CALLISTER, 1999; FIORELLI, 2002). A partir da década e 1960 os compósitos tiveram um grande impulso no seu desenvolvimento, em razão a grande diversificação dos materiais poliméricos, do inicio da produção em larga escala de fibras sintéticas tais como vidro, carbono, aramida e da necessidade de novos materiais para estruturas de alto desempenho a serem utilizados na corrida espacial e armamentista originada pela guerra fria (ORÉFICE et al., 2001). Ao final da década de 80 houve redução na pesquisa, pois o interesse militar diminuiu e os esforços foram deslocados para o setor civil. Atualmente o setor aeronáutico, desportivo e da área de estruturas da engenharia civil estão em franco desenvolvimento e aperfeiçoamento, exigindo cada vez mais a criação e o consumo de novos materiais compósitos (CALLISTER, 1999). Sanadi et al. (1999) concluíram que os efeitos dos tamanhos e a distancia entre as partículas podem influenciar a morfologia e, por conseqüência, as respostas mecânicas do material. 2° COEN – UFSJ 12° CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 3 English et al. (1997) compararam a aplicação da fibra de madeira versus fibra mineral em compósitos destinados a fabricação de embalagens. As performances para resistência a flexão e módulo de elasticidade foram similares. Woodhams et al. (1984) verificaram que as fibras de madeira não são tão abrasivas como as de vidro na confecção de compósitos. Constataram ainda que o aumento da porcentagem de fibras de madeira melhorou a resistência a tração, e que o percentual de 50% ou mais de reforço mostrou problemas na injeção da matriz. Com relação ao desenvolvimento de materiais compósitos reforçados por fibras naturais outros trabalhos de relevância científica podem ser citados, tais como Mukhopadhyay (2009), Maldas (1990), Lyons (2005) entre outros. O estudo e desenvolvimento de soluções alternativas como reparo e reforço em estruturas tem sido o foco de pesquisas recentes (BALSEIRO, 2007).As estruturas de madeira quando projetadas e não tratadas corretamente podem apresentar problemas que venham a comprometer a integridade do conjunto (CAMPILHO e BENEA, 2010; MIOTTO e DIAS, 2006; METTEN, 1991). Erros de projeto e/ou construção, redução da resistência (degradação), envelhecimento dos materiais, alterações nos códigos de dimensionamento são outros fatores que tem motivado o desenvolvimento de pesquisas para esta problemática, destacando-se o emprego de compósitos, por apresentarem elevados módulos de resistência mecânica, com técnica de fácil execução (a arquitetura original é pouco afetada) e por serem geralmente imunes à corrosão (RANGEL, 2010). Como forma de solução em termos de reparo em estruturas ou objetos diversos de madeira danificados, este trabalho tem por finalidade o desenvolvimento de um material compósito particulado, fabricado com resina epóxi e reforçado com serragem de madeira das espécies Eucalyptus e Ipê, objetivando verificar as diferenças existentes entre os módulos de elasticidade, resistência a compressão e densidade aparente para ambos os reforços, permitindo identificar por classe de resistência as possibilidades de emprego destes materiais por parte dos profissionais que lidam com a recuperação, reparo e reforço em estruturas e objetos de madeira danificados. 2 MATERIAIS E MÉTODOS As madeiras das espécies Eucalyptus e Ipê foram escolhidas para a elaboração dos compósitos particulados pela versatilidade do seu emprego, sendo o Ipê uma madeira mais nobre, de maior densidade, destinada além de outras, à fabricação de móveis, e o Eucalyptus por se tratar de uma madeira de reflorestamento, tendo diversos fins na construção civil. Os compósitos são elaborados visando a sua produção na forma mais artesanal possível, situação condizente com o ambiente e condições de trabalhos dos profissionais que 2° COEN – UFSJ 12° CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 4 lidam com recuperação e reparo em peças de madeira. Para tanto, fatores de investigação como compactação e níveis de compactação e tratamento das partículas não foram investigados. A matriz polimérica (resina epóxi) foi fornecida pela empresa Resiqualy® (São Paulo), enquanto que as serragens foram doadas por empresas do ramo madeireiro da cidade de São João del-Rei, Brasil. As partículas foram secas em estufa para um teor de umidade de 12%, assim como recomenda a norma Brasileira NBR 7190:1997 (Projeto de Estruturas de Madeira), e posteriormente classificadas por peneiramento nas faixas granulométricas 4-10 US-TYLER e 50-80 US-TYLER, segundo os procedimentos descritos na norma ASTM D 1921/2001, com frações volumétricas de 30 e 50% em relação à fase matriz, originando quatro condições experimentais por tipo de reforço. Ressalta-se que vários testes iniciais foram desenvolvidos para se definir as frações volumétricas aqui investigadas. A Tabela 1 apresenta os fatores experimentais e os níveis estabelecidos para o presente estudo. TABELA 1. Fatores e níveis experimentais. Fatores experimentais Nível experimental Tipo de serragem Eucalyptus Ipê Granulometria da serragem [4-10 US-TYLER] [50-80 US-TYLER] Fração volumétrica da serragem 30% 50% Um planejamento fatorial do tipo 23 foi estabelecido, gerando oito combinações distintas. A Tabela 2 explicita as condições experimentais do planejamento fatorial. TABELA 2. Condições experimentais do planejamento fatorial completo. Condições Tipo de serragem Granulometria (US-TYLER) Fração de serragem (%) Fração de resina (%) C1 Eucalyptus 4-10 30 70 C2 Eucalyptus 4-10 50 50 C3 Eucalyptus 50-80 30 70 C4 Eucalyptus 50-80 50 50 2° COEN – UFSJ 12° CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 5 C5 Ipê 4-10 30 70 C6 Ipê 4-10 50 50 C7 Ipê 50-80 30 70 C8 Ipê 50-80 50 50 As variáveis respostas investigadas foram à densidade aparente, módulo de elasticidade na compressão e resistência à compressão. Os ensaios mecânicos foram feitos de acordo com os procedimentos da norma ASTM 695:02A. Os corpos-de-prova cilíndricos possuem 20 mm de diâmetro de base e 40 mm de altura, respeitando a razão entre altura e diâmetro imposta por esta norma. Para cada uma das 8 condições experimentais estipuladas foram fabricados 8 corpos- de-prova, sendo 6 destinados aos ensaios de compressão e os demais à determinação da densidade aparente. Visando melhorar a moldagem e posterior desmoldagem dos corpos de prova, foram desenvolvidos moldes com silicone industrial 920, assim como ilustrado na Figura 1. FIGURA 1. Moldes de silicone. A fabricação procedeu misturando-se manualmente a fase matriz, que compreende inicialmente a mistura da resina com seu respectivo endurecedor (catalizador). Após tempo de homogeneização da mistura, o resíduo de madeira foi adicionado mediante uma proporção volumétrica estabelecida para cada condição experimental. Após um período de cura de sete dias os compósitos foram então desmoldados e ensaiados (Figura 2). 2° COEN – UFSJ 12° CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 6 FIGURA 2. Corpos-de-prova para ensaio de compressão. Cabe comentar que no processo de confecção dos corpos-de-prova houve grande dificuldade em se realizar uma boa mistura entre a resina e a serragem de madeira Ipê, diferentemente do Eucalyptus, que apresentou excelente afinidade com a matriz. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO As densidades médias encontradas para cada condição experimental são apresentadas na Tabela 3. TABELA 3. Valores médios da densidade aparente para as condições experimentais. Condições Densidade (g/cm 3 ) C1 7.67 C2 6.88 C3 7.67 C4 6.89 C5 8.66 C6 8.54 C7 8.66 C8 8.54 Os valores encontrados para os desvios-padrão das densidades aparentes para as condições experimentais investigadas estão compreendidos entre 0,44 e 0,62, referentes às condições C4 e C6 respectivamente. A Tabela 4 exibe os valores médios dos módulos de elasticidade (E) e resistência à compressão (fc) para cada condição experimental investigada. 2° COEN – UFSJ 12° CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 7 TABELA 4. Valores médios dos módulos de elasticidade e resistência à compressão. C. Experimental E (MPa) fc (MPa) C1 54,16 11.79 C2 4,32 1.38 C3 62,20 14.19 C4 37,04 7.57 C5 57,06 8.89 C6 1,34 0.29 C7 42,94 9.75 C8 22,55 6.47 Os resultados apresentados na Tabela 4 indicam que os compósitos fabricados com a faixa granulométrica 4-10 US Tyler e fração volumétrica de 50% (C6) apresentaramos menores valores do módulo de elasticidade, em contrapartida, os elaborados com 70% de resina e mesma faixa granulométrica (C5) apresentaram-se mais satisfatórios. 4 CONCLUSÕES Os resultados obtidos conduzem as seguintes conclusões: • As espécies, faixas granulométricas e frações volumétricas estipuladas afetaram significativamente os resultados em termos de rigidez, resistência e densidade dos compósitos fabricados; • Uma melhor adesão interfacial, principalmente para a serragem do Ipê requer o tratamento prévio das partículas, resultado interessante que indica a pequena afinidade entre a resina e o Ipê; • Pelos resultados encontrados dos ensaios de compressão, constata-se que a adesão entre as partículas de Eucalyptus foi superior à adesão das partículas de Ipê com a resina, visto que os resultados dos módulos de elasticidade dos compósitos fabricados com Eucalyptus foram superiores aos dos fabricados com serragem de Ipê, e apresentando o Ipê um módulo de elasticidade superior ao do Eucalyptus; • Os corpos-de-prova dos compósitos fabricados com a malha 4-10 US Tyler, independente da serragem utilizada, apresentaram visivelmente maior quantidade vazios, mostrando ser desinteressante o seu emprego tanto como reparo como na forma de reforço; 2° COEN – UFSJ 12° CONEMI São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 8 • Os resíduos de Eucalyptus apresentaram melhores resultados em termos de resistência mecânica e densidade, justificado pela melhor adesão entre matriz e fase dispersa, sendo estes mais propícios que os de Ipê para situações envolvendo reforço; • Em termos de eficiência mecânica, a condição C3 apresentou ser a melhor; • Pelos resultados encontrados em termos de resistência mecânica, constata-se que os compósitos fabricados com resíduos de Ipê apresentaram comportamento mais frágil quando comparado aos elaborados com Eucalyptus. Em linhas gerais, os resultados obtidos para cada uma das oito condições experimentais avaliadas permitem ao profissional da área de recuperação, reparo e reforço uma escolha mais racional do material a ser utilizado para certa finalidade. Dessa forma, ressalta-se que mesmo sendo a condição C3 a mais interessante em termos de desempenho mecânico, as outras condições também podem ser empregadas. 5 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio do programa de Mestrado em Materiais e Processos de Fabricação do Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC) da Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ) pela possibilidade e incentivo no desenvolvimento do presente trabalho, e as empresas Resiqualy e Serraria Agostini pelos fornecimentos da resina epóxi e dos resíduos de madeira respectivamente. 6 REFERÊNCIAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 1921. Standard Test Methods for Particle Size (Sieve Analysis) of Plastic Materials, 2001. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. 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