3. MATERYAL VE METOT
3.3. Analiz Metotları
4.1 ABSORÇÃO DE ÁGUA
A queratina, proteína encontrada nas penas, tem como uma das suas características a impermeabilidade à água, no qual ficou evidenciado no ensaio de absorção. Os compósitos com penas sem tratamento (PST) com um valor médio de 1,9% + 0,5 tiveram uma absorção menor em relação às penas com tratamento (PCT) com valor médio 3,1% + 0,7, essa maior absorção é devido ao tratamento químico que foi submetido nas penas, no qual alterou sua estrutura. O resultado do ensaio pode ser observado na figura 28.
Figura 28 - Resultado da absorção de água.
0 1 2 3 4 1 2 3 4 A b sor ção d e Ág u a (% ) Tempo (Dias) PST PCT
4.2 ENSAIO DE INFLAMABILIDADE
O ensaio de inflamabilidade vertical UL94 apresentou uma ignição seguida de uma queima auto-sustentada na primeira aplicação da chama ao corpo de prova das amostras de penas sem tratamento (PST) e pena com tratamento (PCT), o que impede que o material possua uma classificação segundo a norma UL 94V.
Durante o ensaio observou-se que a queima da amostra de pena sem tratamento foi mais rápida, quando chegou aos quarenta segundos de realização do ensaio a amostra estava completamente coberta pela chama havendo o pingo do material, os gases provenientes da queima não apagaram a chama do queimador. As figuras 29 e 30 mostram a queima das amostras.
Figura 29 - Teste de inflamabilidade vertical pena sem tratamento
No ensaio de inflamabilidade horizontal UL94, observou-se que a taxa de queimar linear das amostras com as penas sem tratamento de 48,39 mm/min foi melhor do que as com tratamento de 88,24 mm/min. Diferente do ensaio vertical as amostras sem tratamento tiveram uma queima mais lenta em relação às com tratamento conforme as figuras. Em ambas as amostras a queima ocorreu da matriz para o reforço, devido ao processo de fabricação. Conforme as figuras 31 e 32.
Figura 31 - Teste de inflamabilidade horizontal pena sem tratamento
4.3 ENSAIO DE TRAÇÃO
Com os valores obtidos nos ensaios de tração (Força x deslocamento) foram calculadas e traçadas as curvas de tensão x deformação figuras 33 e 34. Através dessa curva obteve-se a Resistência à Tração Máxima (MPa), a Deformação Máxima (%) e o Módulo de Elasticidade (MPa).
Figura 33 – Curva tensão x deformação penas sem tratamento.
Figura 34 – Curva tensão x deformação penas com tratamento.
0 2 4 6 8 10 12 14 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ten são (M Pa) Deformção (%)
Tensão x Deformação (PCT)
0 2 4 6 8 10 12 14 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ten são (M Pa) Deformação (%)Tensão x Deformação (PST)
As curvas do ensaio de tração das amostras dos compósitos com tratamento e sem tratamento químico tiveram um comportamento linear por se tratar de um material frágil, a carga de tração crescente provoca uma deformação elástica e logo ao ultrapassar o limite de proporcionalidade, o corpo de prova rompe-se.
Após as análises dos resultados obtidos para os dois compósitos, observou- se que os compósitos com as penas sem tratamento apresentaram um melhor comportamento quando submetidos ao ensaio mecânico de tração com o valor médio de 11,21 MPa + 1,0 e as amostras com os compósitos com penas tratadas como valor médio de 8,35 MPa + 1,7. O mesmo comportamento pode ser observado na deformação máxima dos compósitos. Nas figuras 35 e 36 são mostradas as tensões e deformações para cada amostra.
Figura 35 - Resistência Máxima dos compósitos a tração.
Figura 36 – Deformação Máxima dos compósitos a tração.
0 5 10 15
1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra 4ª Amostra 5ª Amostra 10,7 12,9 10,5 10,6 11,36 8,34 11,34 7,64 7,24 7,22
Resistência à Tração (MPa)
Penas sem tratamento Penas com tratamento
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra 4ª Amostra 5ª Amostra 0,74 0,92 0,76 0,75 0,93 0,83 0,94 0,52 0,88 0,89
Deformação Máxima (%)
Penas sem tratamento Penas com tratamento
As análises dos resultados do módulo de elasticidade apresentaram valores aproximados entres os compósitos com tratamento e sem tratamento havendo apenas uma diferença na quarta e na quinta amostra das penas com tratamento em relação às outras amostras, devido à falha ter ocorrido próximo às garras. Sabendo- se que o módulo de elasticidade demostra a rigidez do material e quanto maior o módulo menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão. As amostras do compósito com penas sem tratamento apresentam um valor médio do módulo de 16,00 MPa + 0,7 enquanto que às com tratamento obtiveram um valor médio de 14,63 MPa + 2,4. Os módulos de elasticidade para cada amostra encontram-se na figura 37.
Figura 37 - Módulo de Elasticidade à tração
Na comparação da resistência à tração e do módulo de elasticidade do compósito com penas em relação a outro tipo de compósito que utiliza a resina de poliéster como matriz e uma fibra natural como reforço, no caso à juta (SANTIAGO et al; 2006). Observou-se que o compósito estudado não apresenta um bom comportamento mecânico á tração em relação ao compósito com juta, ver quadro 3.
0 5 10 15 20
1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra 4ª Amostra 5ª Amostra 15,68 15,59 16,85 16,61 15,09 16,87 15,78 16,62
12,03 12,06
Módulo de Elasticidade à Tração (MPa)
Penas sem tratamento Penas com tratamento
Característica do compósito Resistência à Tração (MPa) Módulo de Elasticidade à Tração (MPa) Deformação (mm/mm) Pena sem tratamento 11,21 + 1,0 16,00 + 0,7 0,82 + 0,09 Pena com tratamento 8,35 + 1,7 14,63 + 2,4 0,81 + 0,1 Juta (SANTIAGO et al; 2006.) 14,37 + 1,85 169,86 + 52,82 1,24 + 0,18
Quadro 3 – Comparação do comportamento mecânico dos compósitos a tração.
Na visualização das amostras pode observar que na maioria das amostras a fratura ocorreu próximo as garras, mas dentro da área útil do ensaio. A ausência de tabs pode ser um dos fatores responsável por isso, tendo em vista que sua função é de concentrar a tensão na área útil do corpo de prova, ver figura 38.
A inspeção visual das amostras após serem submetidas aos ensaios de resistência à tração mostrou que a falha começa nas laterais das amostras e gera uma separação das camadas, com início na borda do laminado e com propagação para o interior.
4.4 ENSAIO DE FLEXÃO
Os ensaios de flexão em três pontos forneceram informações importantes para a análise dos compósitos reforçados: Resistência à Flexão Máxima, Deformação Máxima e o Módulo de Elasticidade. Os resultados obtidos no ensaio de flexão (tensão x deslocamento) foram calculados de acordo com a norma ASTM 790 para obtenção da curva tensão x deflexão e podem ser observados na figura 39 e 40.
Figura 39 - Tensão x deflexão do ensaio de flexão das penas sem tratamento.
Figura 40 - Tensão x deflexão do ensaio de flexão das penas com tratamento.
0 5 10 15 20 25 30 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Ten são (M Pa) Deflexão (%)
Tensão x Deflexão (PST)
0 5 10 15 20 25 30 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Ten são (M Pa) Deflexão (%)Tensão x Deflexão PCT
As curvas da tensão x deflexão do ensaio de flexão também apresentaram um comportamento linear como foi observado no ensaio de tração por se tratar de um material frágil, onde a tensão máxima acontece no mesmo instante da ruptura e no caso da flexão, dentro do limite de 5 % deflexão.
Após as análises dos valores obtidos, foi observado que as amostras do ensaio de flexão das penas sem tratamento apresentaram melhores resultados tanto na resistência como na deformação, com os valores médios de Resistência à Flexão (PST 34,94 + 7,1 e PCT 22,91 + 8,6) e Deformação (PST 1,93 + 0,5 e PCT 1,3 + 0,3). As resistências à flexão e deformações máximas de cada amostra podem ser observadas nas figuras 41e 42. Pode-se observar também uma discrepância entres os valores das amostras com e sem tratamento devido a não homogeneização da distribuição das fibras no compósito.
Figura 41 - Resistência à Flexão Máxima.
0 10 20 30 40 50
1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra 4ª Amostra 5ª Amostra 35,7 29,0 28,6 46,2 35,2 9,1 28,1 20,4 30,7 26,2
Resistência à Flexão Máxima (MPa)
Figura 42 - Deformação máxima do ensaio de flexão.
Sabendo-se que quanto maior o módulo mais rígido será o material ou menor será deformação elástica. Os resultados obtidos no módulo de elasticidade do ensaio de flexão demostraram que as amostras com penas tratadas apresentaram uma maior rigidez com valor médio de 17892,1 MPa + 5519,5 enquanto as sem tratamento tiveram um valor médio de 8171,5 MPa + 2770,6, os valores dos módulos de cada amostra podem ser observados na figura 43.
Figura 43 - Módulo de Elasticidade à Flexão.
0 1 2 3
1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra 4ª Amostra 5ª Amostra 1,9 1,4 1,4 2,8 2,1 1,4 1,2 1,1 2,0 1,2
Deformação Máxima (%)
PENAS SEM TRATAMENTO
0 5000 10000 15000 20000 25000
1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra 4ª Amostra 5ª Amostra 6807,5 9484,6 7719,1 4763,3 12083,2 8787,2 21629,1 17405,3 18867,4 22771,5
Módulo de Elasticidade à Flexão (MPa)
Penas sem tratamento Penas com tratamento
Sabendo que a pena de frango e uma fibra protéica e sua estrutura e diferente das fibras vegetais e que a viabilidade da utilização das mesmas estar intrinsecamente relaciona a sua aplicabilidade. Quando comparamos os compósitos reforçados com pena com outro tipo de fibra comumente utilizado, como a juta. No quadro 4 é demostrado os valores da resistência, deformação e do módulo de elasticidade a flexão do compósito reforçado com juta (SANTIAGO et al 2007) e os reforçados com penas, onde o compósito com penas apresenta um melhor comportamento mecânico em relação ao compósito com juta.
Característica do compósito Resistência à Flexão (MPa) Módulo de Elasticidade à Flexão (MPa) Deformação (mm/mm) Pena sem tratamento 34,94 + 7,1 8171,5 + 2770,6 1,93 + 0,5 Pena com tratamento 22,91 + 8,6 17892,1 + 5519,5 1,3 + 0,3 Juta (SANTIAGO et al; 2006) 17,57 + 0,01 613,43 + 74,92 0,06 + 0,02
Quadro 4 – Comparação do comportamento mecânico dos compósitos a flexão.
4.5 IMAGENS DO MEV
Na análise superficial das amostras feita pelo microscópio eletrônico de varredura, observaram-se as fraturas resultantes do ensaio de tração e flexão, regiões de ruptura e a adesão fibra/matriz.
Nas figuras 44 e 45 pode-se observar a superfície das amostras submetidas ao ensaio de tração. As imagens apresentam uma boa adesão da fibra com a matriz, bem como à fissura da resina.
Figura 44 - Amostra PST1 (pena sem tratamento).
Nas figuras 46 e 47 das regiões onde ocorreram as rupturas das amostras de tração observa-se a estrutura oca das penas, a qual aumenta área de superfície. É possível observa o arranque das fibras na figura 46, bem como áreas ricas em resina devido a formar de fabricação do compósito.
Figura 46 – Amostra PST3 (penas sem tratamento).
Figura 47 – Amostra PST4 (penas sem tratamento). Rompimento das
A figura 48 do ensaio de flexão destaca a presença da fibra na superfície da amostra, devido ao processo de fabricação. Pode-se observar na figura 49 a fratura da matriz, onde se verifica perda na rigidez e resistência do compósito.
Figura 48 – Amostra PST5 (penas sem tratamento).
Na figura 50 das penas com tratamento apresenta a falta de aderência da fibra com a matriz, devido ao tratamento com NaOH, na qual modificou a estrutura da pena contribuindo para uma menor resistência mecânica também é possível observar a presença de bolha.
Figura 50 – Amostra PCT1 (penas com tratamento).
Na figura 51 da região de ruptura do ensaio de tração é possível observar a fibra e a matriz. Na figura 52 mostra a ausência da estrutura oca na fibra das amostras com tratamento de NaOH, bem como o arranque da fibra. Também é possível observar na figura 53 a estrutura da fibra, onde se encontra os nós da pena.
Figura 52 – Amostra PCT3 (Penas com tratamento).
As imagens das amostras fraturadas por flexão podem ser observadas nas figuras 54 e 55 onde se observa a delaminação das camadas, onde a fratura ocorreu primeiro na matriz também é possível observar as fissuras na matriz.
Figura 54 – Amostra PCT5.
5. CONCLUSÕES
Com base nos resultados experimentais, as seguintes conclusões podem ser destacadas:
1. O compósito com as penas que foram submetidas ao tratamento químico de NaOH tiveram sua estrutura modificada ocasionando numa absorção de valor médio de 3,1 % + 0,7, enquanto que no compósito com penas sem tratamento a absorção foi menor, de valor médio 1,9% + 0,5, devido a estrutura impermeável da queratina não ter sido alterada pelo tratamento.
2. Na análise qualitativa do ensaio de inflamabilidade houve a sustentação da chama tanto no ensaio vertical como no horizontal apesar das penas terem como um dos constituintes o enxofre, inibidor natural de chama. A sustentação da chama ocorreu devido à forma de fabricação do compósito (resina/pena/resina), onde a queima das amostras aconteceu da resina para a pena.
3. No ensaio mecânico de tração realizado nos compósitos observou-se que as penas sem tratamento tiveram um melhor comportamento em todos os aspectos estudados: resistência à tração e módulo de elasticidade. Mas quando comparado o módulo com o outro tipo de compósito de fibra natural, Juta 169,86 MPa, as penas utilizadas como reforço (16,00 MPa PST e 14,6 MPa PCT) não obtiveram um bom resultado.
4. Os resultados obtidos nos ensaios de flexão também apresentaram um melhor comportamento nas penas sem tratamento em relação resistência à flexão, já no módulo de elasticidade as penas com tratamento tiveram um melhor comportamento, onde as PCT (17892,1 MPa) tem uma maior rigidez em relação as PST (8171,5 MPa). Na comparação do módulo com outro compósito com resina de poliéster e fibra natural (613,43 MPa), o compósito com penas apresentou valores bem maiores.
5. Nas imagens do MEV foi possível observar a boa adesão da fibra com a matriz no compósito de penas sem tratamento. Também foi observada a estrutura oca, bem como os nós existentes na pena.
6. SUGESTÕES
No presente trabalho foram investigadas, experimentalmente, as propriedades mecânicas do compósito reforçado com penas de frango a partir de ensaios mecânicos, e em virtude dos significantes resultados obtidos sugere-se:
1. Para a continuidade deste trabalho novos experimentos com variações na proporção de reforço.
2. Estudo sobre a influencia do tratamento químico, porcentagens variadas de álcali bem como ácido, na estrutura das penas.
3. Uso de outros processos de fabricação do compósito. 4. Aplicação de outros tipos de resina.
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ANEXO I
GRÁFICOS DO ENSAIO DE TRAÇÃO
0 2 4 6 8 10 12 14 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Ten são N /m m ² Deformação (%)
Penas sem Tratamento
0 2 4 6 8 10 12 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Ten são N /m m ² Deformção (%)
ANEXO II
GRÁFICO DO ENSAIO DE FLEXÃO
0 10 20 30 40 50 60 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Ten sã o N/ m m ² Deformação (%)