COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS NATURAIS
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA
Resumo
Due to growing environmental concerns, research, and applications on sustainable materials are increasing in the academic and industrial areas. In this sense, vegetable fibers are being used as reinforcement in composites due to several factors: they are not expensive, have a low environmental impact, stimulate the economy of many regions, they are ecologically sustainable and able to be supplied in high quantities. An added advantage is that, in some applications, vegetable fibers can be an alternative in replacing the glass fiber (synthetic). The applications of Natural Fiber- Reinforced Composites (NFRCs) are still limited in nonstructural parts/components, due to the variation in their mechanical properties. A method that can improve these properties is the hybridization, i.e., the combination of two or more different types of fibers in one matrix. Thus, the main objective of this thesis was to investigate the effect of intralaminar hybridization on the mechanical and thermal properties, as well as on mode I fracture toughness of NFRCs. Sisal, ramie, curauá, jute, and glass fibers (the latter for comparison) were selected as reinforcements for the epoxy matrix-based composites. The experimental tests were divided into two stages. The first stage was mechanical characterization with tensile, flexural and impact tests; scanning electron microscopy (SEM) was used to examine fractured surfaces of the specimens; and thermal analysis with the techniques of thermogravimetric (TG/DTG) and differential scanning calorimetry (DSC) were used in the following composites: sisal (S), sisal + ramie (S + R), sisal + curauá (S + C) and sisal + glass (S + V). In the second stage, Double cantilever beam (DCB) tests in mode I were performed on the following composites: S, S + C, jute (J), and jute + curauá (J + C). An X-ray microcomputed tomography equipment was used to visualize the delamination and the form of the cracks inside the composites. All the composites were produced by the hand lay-up. The results of the mechanical characterization showed an increase in the mechanical properties, in which the best hybrid result of the vegetable fibers was the S + C. The thermal analysis showed that the hybridization did not significantly affect the thermal stability of the composites. The mode I fracture toughness of the hybrid composites S + C and J + C increased compared to the nonhybrid composites of S and J.
Devido à crescente preocupação com o meio ambiente, pesquisas e aplicações com materiais sustentáveis estão aumentando nas áreas acadêmica e industrial. Neste sentido, fibras vegetais estão sendo utilizadas como reforço em compósitos devido a vários fatores: são de baixo custo, possui baixo impacto ambiental, estimulam a economia de muitas regiões, são ecologicamente sustentáveis e podem ser fornecidas em grandes quantidades. Uma vantagem adicional é que, em algumas aplicações, as fibras vegetais podem substituir a fibra de vidro (sintética). As aplicações dos Compósitos Reforçados com Fibras Naturais (CRFNs) ainda são limitadas em peças/componentes não estruturais, devido a variação de suas propriedades mecânicas. Um método que pode melhorar essas propriedades é a hibridização, ou seja, combinação de dois ou mais tipos diferentes de fibras numa mesma matriz. Assim, o principal objetivo desta tese foi investigar o efeito da hibridização intralaminar nas propriedades mecânicas, térmicas e na resistência à fratura em modo I de CRFNs. Fibras de sisal, rami, curauá, juta e vidro (esta última para comparação) foram selecionados como reforços para os compósitos de matriz epóxi. Os ensaios experimentais foram divididos em duas etapas. A primeira etapa consistiu na caracterização mecânica com testes de Tração, Flexão e Impacto; Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para examinar as superfícies fraturadas dos corpos de prova; e análise térmica com as técnicas de Termogravimetria (TG/DTG) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) nos seguintes compósitos: sisal (S), sisal + rami (S + R), sisal + curauá (S + C) e sisal + vidro (S + V). Na segunda etapa foram realizados ensaios de Double Cantilever Beam (DCB) em modo I nos seguintes compósitos: S, S+C, juta (J) e juta + curauá (J + C). Um equipamento de tomografia computadorizada de raios-X foi utilizado para visualizar a delaminação e a forma da trinca no interior dos compósitos. Todos os compósitos foram fabricados por laminação manual (hand lay-up). Os resultados da caracterização mecânica mostraram um aumento nas propriedades mecânicas, em que o melhor resultado híbrido das fibras vegetais foi o S + C. A análise térmica mostrou que a hibridização não afetou significativamente a estabilidade térmica dos compósitos. A tenacidade à fratura em modo I dos compósitos híbridos S + C e J + C aumentaram comparados com os compósitos não híbridos de S e J.
Devido à crescente preocupação com o meio ambiente, pesquisas e aplicações com materiais sustentáveis estão aumentando nas áreas acadêmica e industrial. Neste sentido, fibras vegetais estão sendo utilizadas como reforço em compósitos devido a vários fatores: são de baixo custo, possui baixo impacto ambiental, estimulam a economia de muitas regiões, são ecologicamente sustentáveis e podem ser fornecidas em grandes quantidades. Uma vantagem adicional é que, em algumas aplicações, as fibras vegetais podem substituir a fibra de vidro (sintética). As aplicações dos Compósitos Reforçados com Fibras Naturais (CRFNs) ainda são limitadas em peças/componentes não estruturais, devido a variação de suas propriedades mecânicas. Um método que pode melhorar essas propriedades é a hibridização, ou seja, combinação de dois ou mais tipos diferentes de fibras numa mesma matriz. Assim, o principal objetivo desta tese foi investigar o efeito da hibridização intralaminar nas propriedades mecânicas, térmicas e na resistência à fratura em modo I de CRFNs. Fibras de sisal, rami, curauá, juta e vidro (esta última para comparação) foram selecionados como reforços para os compósitos de matriz epóxi. Os ensaios experimentais foram divididos em duas etapas. A primeira etapa consistiu na caracterização mecânica com testes de Tração, Flexão e Impacto; Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para examinar as superfícies fraturadas dos corpos de prova; e análise térmica com as técnicas de Termogravimetria (TG/DTG) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) nos seguintes compósitos: sisal (S), sisal + rami (S + R), sisal + curauá (S + C) e sisal + vidro (S + V). Na segunda etapa foram realizados ensaios de Double Cantilever Beam (DCB) em modo I nos seguintes compósitos: S, S+C, juta (J) e juta + curauá (J + C). Um equipamento de tomografia computadorizada de raios-X foi utilizado para visualizar a delaminação e a forma da trinca no interior dos compósitos. Todos os compósitos foram fabricados por laminação manual (hand lay-up). Os resultados da caracterização mecânica mostraram um aumento nas propriedades mecânicas, em que o melhor resultado híbrido das fibras vegetais foi o S + C. A análise térmica mostrou que a hibridização não afetou significativamente a estabilidade térmica dos compósitos. A tenacidade à fratura em modo I dos compósitos híbridos S + C e J + C aumentaram comparados com os compósitos não híbridos de S e J.