CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE JUTA E LINHO: PROPRIEDADES MECÂNICAS E DESEMPENHO DE JUNTAS ADESIVAS

Abstract

The growing demand for environmentally sustainable materials with a lower carbon footprint and higher recyclability has increased in recent decades. In this context, Natural Fiber Reinforced Composites (NFRCs) have emerged as promising alternatives to traditional materials, offering an eco-friendly solution that can mitigate the carbon footprint and provide good mechanical properties. However, the application of NFRCs remains largely restricted to non-structural components due to the variability in the mechanical properties of natural fibers. An effective strategy to enhance these properties is hybridization, which integrates different fiber types within a single matrix. Thus, this study investigated the effect of interlaminar hybridization with jute and flax fibers, exploring their mechanical properties and their application in bonded joints, aiming to contribute to expanding the use of NFRCs in structural applications. Interlaminar hybrid composites were manufactured via compression molding, with a core of 5 layers of bidimensional jute fabric, symmetrically surrounded by 1, 2, and 3 external layers of unidirectional or twill flax fabric. For comparison, neat jute and neat flax composites, each with 11 layers of fabric, were also prepared. The experimental tests were divided into two stages: the first consisted of mechanical characterization with tensile, flexural, and impact tests, and the second involved the evaluation of failure loads and failure modes in single-lap joints with adherents reinforced with 2 and 3 external layers of flax. The results showed that tensile strength increased significantly with the number of flax layers. The samples reinforced with 3 layers of unidirectional and twill flax exhibited the highest tensile strength, with an increase of approximately 64% and 45%, respectively, compared to the neat jute composite. Flexural strength progressively increased up to the samples with 2 external flax layers, reaching improvements of approximately 58% for the unidirectional configuration and 40% for twill, compared to neat jute. The addition of a third layer did not result in significant gains, indicating a stabilization of performance. Under impact, all hybrid composites exhibited higher impact energy than neat jute. The sample reinforced with 3 layers of unidirectional flax stood out, with 75% more impact energy than neat jute and 11% more than neat unidirectional flax. In the joint performance analysis, failure loads and failure modes were observed to be similar between joints with hybrid jute/flax adherents and those with neat flax adherents. The fabric architectures, such as the twist pattern and fiber orientation, likely influenced these behaviors, contributing to the similarity in failure modes. These results demonstrate the effectiveness of interlaminar hybridization as a promising technique for advancing the use of NFRCs in structural applications.

A crescente demanda por materiais ambientalmente sustentáveis, com menor pegada de carbono e maior reciclabilidade, tem aumentado nas últimas décadas. Nesse contexto, os compósitos reforçados com fibras naturais (CRFNs) têm se destacado como alternativas promissoras aos materiais tradicionais, oferecendo uma solução ecológica que pode mitigar a pegada de carbono e fornecer boas propriedades mecânicas. No entanto, o uso de CRFNs se restringe, em grande parte, a componentes não estruturais devido à variabilidade das propriedades mecânicas das fibras naturais. Uma abordagem eficaz para aprimorar essas propriedades é a hibridização, que combina diferentes tipos de fibras em uma única matriz. Assim, este estudo investigou o efeito da hibridização interlaminar com fibras de juta e linho, explorando suas propriedades mecânicas e sua aplicação em juntas adesivas visando contribuições para expandir o uso de CRFNs em aplicações estruturais. Compósitos híbridos interlaminares foram fabricados por moldagem por compressão, com um núcleo de 5 camadas de tecidos bidimensionais de juta, envolvido simetricamente por 1, 2 e 3 camadas externas de tecidos de linho unidirecional ou sarja (twill). Para fins de comparação, também foram preparados compósitos puros de linho e de juta, com 11 camadas de tecido cada. Os ensaios experimentais foram divididos em duas etapas: a primeira consistiu na caracterização mecânica com testes de tração, flexão e impacto, e a segunda envolveu a avaliação de cargas de falha e modos de falha em juntas de sobreposição simples com aderentes reforçados com 2 e 3 camadas externas de linho. Os resultados mostraram que a resistência à tração aumentou significativamente com o aumento do número de camadas de linho. As amostras reforçadas com 3 camadas de linho unidirecional e sarja (twill) apresentaram os melhores casos em resistência à tração, com um aumento de aproximadamente 64% e 45%, respectivamente, em comparação com o compósito puro de juta. A resistência à flexão aumentou progressivamente até as amostras com 2 camadas externas de linho, atingindo aumentos de aproximadamente 58% para a configuração unidirecional e 40% para a sarja (twill) em comparação com a juta pura. A adição de uma terceira camada não resultou em ganhos significativos, indicando uma estabilização do desempenho. Sob impacto, todos os compósitos híbridos tiveram maior energia de impacto que a juta pura. A amostra com 3 camadas de linho UD destacou-se, com 75% a mais de energia de impacto que a juta pura e 11% a mais que o linho UD puro. Na análise do desempenho das juntas, observou-se que as cargas e modos de falha foram semelhantes entre as juntas com aderentes híbridos de juta/linho e as de linho puro. As arquiteturas dos tecidos, como o padrão de torção e a orientação das fibras, provavelmente influenciaram esses comportamentos, contribuindo para a similaridade nos modos de falha. Esses resultados demonstram a eficácia da hibridização interlaminar como uma técnica promissora para o avanço do uso de CRFNs em aplicações estruturais.