Um dos mais importantes campos de aplicação industrial das fibras naturais é a fabricação de materiais compósitos. Compósitos poliméricos são materiais híbridos feitos de uma resina polimérica reforçada por fibras ou partículas, onde se combina o alto desempenho mecânico dos reforços e o
acabamento e propriedades físicas dos polímeros, conforme ilustrado na Figura 3.8.
Existem ainda outros grupos de materiais compósitos, como os reforçados por partículas, sejam com matrizes cerâmicas, como o cimento (cimento, areia e brita) e matrizes poliméricas, como os pneus (elastômeros e polímeros reforçados com partículas de negro de fumo). Outros compósitos podem ser carbono-carbono (matriz de carbono com reforço de fibra de carbono), de matrizes metálicas (por exemplo, as ligas de alumínio, as superligas a base de níquel ou cobalto) [27].
Fonte: Adaptado de [26]. Figura 3.8: Esquema de um material compósito.
Seguindo-se também a tendência ecológica, com o mesmo apelo das fibras naturais, estão sendo desenvolvidas resinas termoplásticas de origem renovável, os chamados de biopolímeros. No Brasil já existem dois tipos destas resinas: PE e PP verdes, ambos da petroquímica Braskem.
O PE Verde, produção pioneira em escala comercial em setembro de 2010, é obtido a partir de fonte renovável do etanol da cana-de-açúcar, e preservar as características de desempenho de um PE tradicional, podendo ter utilização imediata nas aplicações. O PP verde tem previsão de entrar em produção com escala industrial, de 30.000 ton por ano, a partir do segundo semestre de 2013. A resina também terá como fonte de matéria-prima o etanol de cana de açúcar e apresentará as mesmas propriedades técnicas, de
processabilidade e desempenho apresentados pelo polipropileno produzido a partir de rotas tradicionais [28].
A única diferença entre os polímeros verdes e os fabricados por rotas tradicionais está na idade do carbono presente na resina. O cálculo é realizado através da razão da quantidade de carbono atual e carbono fóssil, de acordo com a norma ASTM-D6866.
Os compósitos com fibras curtas e descontínuas, tanto sintéticas como naturais, são responsáveis pela maior parte das aplicações bem sucedidas dessa classe de material, seja medido pelo número de peças desenvolvidas ou a quantidade total de material usado. Menos visíveis, mas com sua utilização crescente desde a última década, são as aplicações de compósitos poliméricos reforçados com fibras contínuas, sejam fibras naturais ou sintéticas. Nestas aplicações, a mudança na direção das fibras na resina adapta as propriedades do material para a solicitação das cargas externas de uma peça específica. Para otimizar a construção das múltiplas camadas, são utilizadas camadas, chamadas laminae, que formam um laminado, como ilustrado na Figura 3.9 [26].
Fonte: Adaptado de [26]
Uma classificação mais abrangente dos compósitos leva em consideração a forma do reforço utilizado no composto (partículas ou fibras), sua orientação, tamanho e dispersão na matriz. A Figura 3.10 propõe uma classificação dos materiais compósitos.
Fonte: Adaptado de [29]
Figura 3.10: Proposta de classificação hierárquica dos compósitos.
A matriz de um compósito reforçado por fibras é responsável por transferir o esforço entre as fibras, prover uma barreira de proteção nas fibras contra ataques do ambiente e proteger a superfície das fibras contra a abrasão mecânica. No caso dos compostos de fibras naturais, as matrizes podem ser divididas em duas categorias: termofixas e termoplásticas.
Materiais termofixos podem ser conformados plasticamente apenas em um estágio intermediário de sua fabricação. O produto final é duro e não amolece com o aumento da temperatura e possuem uma estrutura tridimensional em rede com ligações cruzadas. Muitos tipos de matrizes termofixas são utilizadas nos compósitos, entre elas estão as resinas epóxi,
poliéster insaturado, éster-vinil, epóxi fenólica e Novolac (subtipo de resina epóxi) [30].
Muitos compósitos de resinas termofixas reforçadas com fibras naturais foram reportados. Entre os sistemas mais promissores estão os compostos de Poliéster com juta, Poliéster com sisal, poliéster com banana e algodão e poliéster com folha de abacaxi. A extrema versatilidade das propriedades e aplicações dos poliésteres insaturados vem tornando este material muito utilizado como matriz nos compósitos. Eles são amplamente produzidos na indústria por possuírem muitas vantagens em relação aos outros materiais termofixos: capacidade de cura em temperatura ambiente, boas propriedades mecânicas e transparência [30].
Materiais termoplásticos podem ser conformados mecanicamente repetidas vezes quando aquecidos, ainda que perdendo parte de suas propriedades, e possuem em sua estrutura cadeias lineares ou ramificadas. Os materiais utilizados como matrizes são: o polietileno de alta densidade, polietileno de baixa densidade, polietileno clorado, polipropileno, poliestireno e o cloreto de polivinila (PVC). Estes materiais são utilizados como matrizes dos compostos com fibras naturais pelo fato da janela de processamento deste polímeros estarem entre 150°C e 230°C, conforme figura 3.11. Polímeros de engenharia como poliamidas, poliésteres e policarbonatos requerem temperaturas de processamento acima de 250°C, temperaturas que causam degradação das fibras naturais [30].
Fonte: [31] Figura 3.11: Janela de processo de compósitos reforçados por fibras naturais definidas por TGA (análise termogravimétria).
O polipropileno (PP) é um polímero termoplástico da classe das poliolefinas, essencialmente linear e altamente cristalino. Graças à excelente combinação de propriedades térmicas e mecânicas, além de ser altamente resistente a substâncias químicas, o PP é amplamente explorado numa variedade de aplicações. A facilidade no processamento desse polímero permite o seu uso econômico na maioria das técnicas de fabricação comerciais [32].
Dentre as fibras naturais utilizadas em compósitos, a fibra de sisal é particularmente interessante, uma vez que os compósitos contendo esta fibra possuem elevada resistência ao impacto, além de moderada resistência à tração axial e à flexão, se comparados a compósitos reforçados por outras fibras vegetais. É fato geralmente aceito que a tenacidade de compósitos reforçados por fibras depende primordialmente do comportamento tensão- deformação da fibra. Fibras resistentes com alta deformação de ruptura elevam a resistência à fratura dos compósitos [32].