[pt] O uso indiscriminado de polímeros derivados do petróleo como matériaprima tem resultado no acúmulo de resíduos de lenta biodegradabilidade nos aterros sanitários, pois os plásticos convencionais levam cerca de meio século para serem degradados. Diante desse cenário, o estudo de polímeros derivados de fontes renováveis, os biopolímeros, é totalmente relevante e, em muitos casos, os polímeros derivados do petróleo podem ser substituídos por biopolímeros. Pesquisas apontam a escova dental como um produto ideal para sofrer esta mudança, por ser um produto de uso pessoal rapidamente descartado e por ser, geralmente, produzido a partir do polipropileno (PP), polímero que apresenta lenta biodegradabilidade. Dessa forma, este trabalho multidisciplinar tem como objetivo o desenvolvimento de um protótipo de escova dental fabricado em poliuretano derivado do óleo de mamona, bem como a caracterização desse material a partir de ensaios de absorção de água e de saliva artificial, análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA) e ensaios mecânicos de tração, estabelecendo uma comparação com o PP. A partir dos ensaios pode-se concluir que o PU derivado de mamona apresentou absorção de saliva superior à de água e esta, por sua vez, superior ao PP. Com relação a tração, o PP superou o PU em todos os aspectos, mostrando-se um material mais resistente e de maior rigidez. Contudo, concluiu-se que com algumas alterações no design, uma escova fabricada em PU derivado do óleo de mamona pode alcançar a mesma carga de ruptura e rigidez estrutural de uma escova convencional. / [en] Indiscriminate use of raw materials by various industries such as polymers from petroleum has been causing an ever-increasing accumulation of slow biodegrading residue materials in sanitary pits. Many modern life utensils are made out of conventional plastic that are estimated to take up to half a century to decompose. In view of this situation, the study of polymers from renewable sources, the biopolymers, is key in the search for alternatives that may decrease the damaging effects on the environment. Petroleum based polymers can in many instances be replaced by biopolymers. Amongst such products, research has been indicating that toothbrush manufacturing can make use of alternative materials. A toothbrush is a personal hygiene device that should be used for relatively short periods. It is commonly made out of polypropylene (PP), a polymer with slow biodegrading characteristics. This study uses a multidisciplinary approach and its objective is the development of a toothbrush handle made out of polyurethane derived from castor oil. Water and artificial saliva absorption, DMTA and traction experiments were carried out to compare chemical and mechanical properties of traditional polypropylene and castor oil polyurethane toothbrushes. From the tests we can conclude that the derivative of castor oil PU showed absorption of saliva superior to water and also superior to PP. With respect to traction, the PP over the PU in all aspects and is a material more resistant and more rigid. However, it was concluded that with some changes in design, a brush made of PU derivative of castor oil might reach the same tensile strength and structural rigidity of a conventional toothbrush.

[pt] Um compósito pultrudado de matriz polimérica reforçado por fibras de vidro foi caracterizado por microscopia digital, análise de imagens, ensaios mecânicos e envelhecimento por absorção de água e exposição a radiação ultravioleta (UV). A partir de uma placa do compósito, corpos de prova longitudinais e transversais foram obtidos e preparados para os diferentes experimentos. Mosaicos de imagens obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), com alta resolução e grande abrangência espacial, foram automaticamente construídos e quantitativamente analisados. Foi desenvolvida uma metodologia de processamento e análise das imagens obtidas, permitindo obter, automaticamente, as frações de fibras, carga e matriz, do material, bem como a distribuição de tamanhos e formas das fibras. Os parâmetros microestruturais obtidos permitiram calcular propriedades mecânicas que foram comparadas com as obtidas diretamente de ensaios de flexão, com ótima concordância. O material foi envelhecido através da imersão em água e a mudança das propriedades mecânicas foi avaliada, indicando perdas significativas. A curva de absorção de água foi experimentalmente obtida e pode ser ajustada pelo modelo de Fick. A exposição a radiação UV não afetou as propriedades mecânicas dos compósitos quando os ensaios foram feitos na direção das fibras.Porém, quando os ensaios foram feitos na direção perpendicular às fibras houve uma queda consistente do módulo de elasticidade em função do tempo de exposição. / [en] A glass fiber-reinforced polymer-matrix pultruded composite was characterized by digital microscopy, image analysis, mechanical tests, and aging by water absorption and UV exposure. Both longitudinal and transverse samples were obtained from a composite plate and prepared for the several experiments. Mosaics of images obtained by Scanning Electron Microscopy (SEM), with simultaneous high-resolution and wide spatial coverage, were automatically built and quantitatively analyzed. An image processing and analysis method was developed to obtain, in automatic fashion, the area fractions of fibers, filler and matrix, as well as the distribution of fiber sizes and shapes. The obtained microstructural measurements were used to estimate mechanical properties that were compared to those directly obtained from bending tests, with excellent agreement. The material was through immersion in water and the change in mechanical properties was evaluated, indicating significant losses. The water absorption curve was experimentally obtained and was fitted with the Fick model. Exposure to UV did not affect the mechanical properties when the tests were performed in the fiber direction. However, when tests were performed in a direction normal to the fibers, there was a consistent reduction of the Young modulus as a function of exposure time.

[pt] O principal objetivo da presente tese é investigar o efeito do calor nas propriedades físicas e mecânicas do bambu Dendrocalamus giganteus. A análise química foi realizada para estudar e comparar componentes químicos de diferentes espécies e partes internas e externas do bambu Dendrocalamus giganteus. Para estabelecer a faixa de aquecimento e seus intervalos, foi realizado o teste de análise termogravimétrica (TGA) para estudar a degradação de diferentes gêneros e espécies de bambu nos níveis macro, meso, micro e nano. Baseado em ensaios preliminares de exposição ao calor e nos resultados da TGA, ensaios executados a temperaturas iniciais de 25 graus Celsius (considerado como temperatura ambiente), 100 graus Celsius, 125 graus Celsius, 150 graus Celsius, 175 graus Celsius, 200 graus Celsius e 225 graus Celsius foram expostos por um período de 3 horas, considerado como curto prazo, e 24 horas, considerado como um longo prazo de exposição ao calor. Processamento de imagem foi realizado para investigar a meso estrutura do bambu, como functionally graded material (FGM), e a distribuição das fibras da parte interna à parte externa da parede de espessura do bambu, ao longo da direção radial. A fração volumétrica das fibras e da matriz para a parte interna e externa da seção do bambu foi estabelecida e utilizada na investigação da absorção de água por cada componente do bambu. O microscópio eletrônico de varredura (MEV) e a microtomografia de raios X foram usados para estudar os efeitos de diferentes exposições ao calor na microestrutura da fibra e da matriz. As microfissuras iniciam e propagam após 175 graus Celsius. Também foram investigados a influência do calor na higroscopicidade, a absorção de água, o encolhimento e o inchamento das amostras do bambu nas direções longitudinal, radial e tangencial sob diferentes temperaturas e exposições de tempo. O encolhimento não uniforme e a absorção da água de amostras do teste com o bambu, medido na direcção tangencial nos lados internos e externos, permitiram estabelecer a propriedade higroscópica de cada componente. Os resultados mostram que, com a exposição ao calor superior a 175 graus Celsius, a capacidade de absorção de água reduz significativamente. Resistência à tração, compressão e cisalhamento estabelecida ao longo das fibras e somente experimento de tração transversal realizado transversalmente às fibras. Além disso, o módulo dinâmico de elasticidade em flexão, usando a técnica de excitação por impulso aplicada a espécimes considerados. A variação tangível nas propriedades mecânicas ocorreu após a exposição do calor a 175 graus Celsius durante 3h ou a 150 graus Celsius por 24h. Os módulos de elasticidade e resistência à compressão não são reduzidos significativamente e, quase, permanecem os mesmos para amostras tratadas a 225 graus Celsius durante 3h e 200 graus Celsius por 24h mas para as amostras de tração, cisalhamento e tração transversal, a resistência mecânica diminui cerca de 70 por cento - 90 por cento a esta temperatura-tempo. / [en] The principal objective of the present thesis is to investigate the effect of heat on physical and mechanical properties of Dendrocalamus giganteus bamboo. The chemical analysis carried out to study and compare chemical components among different species and the internal and external parts of Dendrocalamus giganteus bamboo. To establish the heating range and its intervals the thermogravimetric analysis test (TGA) carried out to study the degradation of different bamboo genera and species at macro, meso, and micro and nano level. Based on preliminary heat exposure tests and the results of TGA, the tests executed at initial temperatures 25 degrees Celsius considered as ambient temperature, 100 degrees Celsius, 125 degrees Celsius, 150 degrees Celsius, 175 degrees Celsius, 200 degrees Celsius and 225 degrees Celsius for 3 hours duration as short term, and 24 hours duration as long term heat exposure. Image processing carried out to investigate the meso structure of bamboo as a functionally graded material (FGM) and the fiber distribution alongside the radial direction from internal to external bamboo wall thickness. The volume fraction of fibers, matrix and voids for internal and external part of bamboo section established and used in the investigation of water absorption of each component of the bamboo. The scanning electronic microscope (SEM) and X-ray microtomography used to study the effects of different heat exposures on micro structure of fiber and matrix. The micro cracks initiate and propagate after 175 degrees Celsius. The influence of heat on hygroscopicity, water absorption, shrinkage and swelling of bamboo specimens in longitudinal, radial and tangential directions at different temperatures and time exposures investigated. The non-uniform shrinkage and water absorption of bamboo test specimens, measured in tangential direction at internal and external sides which permitted to establish the hygroscopic property of each component. The results show by heat exposure higher than 175 degrees Celsius the water absorption capacity reduces significantly. The tensile, compression, and shear resistance established along the fibers and only tensile experiments realized transversal to the fibers. In addition, the dynamic bending modulus of elasticity using impulse excitation technique applied to considered specimens. The result of mechanical tests shows a close relation between transversal tensile and shear strength with matrix strength. The tangible variation in mechanical properties occurred after heat exposure-time at 175 degrees Celsius-3h or 150 degrees Celsius-24h. The modulus of elasticity and compression strength are not reduced significantly and nearly remain the same for samples treated at 225 degrees Celsius-3h or 200 degrees Celsius-24h while for the tensile, shear and transversal tensile samples, the mechanical strength decreases about 70 percent to 90 percent at these temperature-time.

[pt] Os compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras se destacam em diversas aplicações industriais, devido as suas características, como baixo custo, baixa densidade e boa resistência mecânica. Porém, o ambiente ao qual o compósito será exposto e a variação de temperatura a qual o compósito é submetido, irão exercer influência no comportamento do material. Estudos sobre as características microestruturais e o comportamento mecânico de compósitos poliméricos com fibras de luffa (Luffa cylindrica) e híbridos (fibra de vidro/luffa) em ambientes úmidos são recentes e, para os compósitos de luffae, principalmente, para os híbridos poucas pesquisas foram realizadas. Assim, com a finalidade de obter materiais com diferentes propriedades e comportamentos, foram fabricados e estudados compósitos com matriz epóxi reforçada com fibras de vidro, fibra de luffae híbridos vidro-luffa. O ensaio de envelhecimento foi realizado em amostras submersas em água destilada em duas temperaturas de envelhecimento (25°C e 60°C). O tempo total de envelhecimento foi de 4 meses (120 dias). Para a avaliação da degradação mecânica foram realizados ensaios não-destrutivos (termografia e ensaio sonoro) e ensaios destrutivos (impacto). O processo de absorção de água nos compósitos também foi avaliado. O presente estudo tem como relevância o preenchimento de lacunas de conhecimento do comportamento de híbridos vidro/luffa, notadamente em ambiente úmido com variação de temperatura. Como resultado, observou-se que o ensaio de envelhecimento indicou que os valores de absorção máxima dos compósitos de fibra de vidro, luffa e híbrido, assim como, seus respectivos coeficientes de difusão mostraram-se condizentes com os valores encontrados na literatura. Os compósitos de fibra de luffa foram os que apresentaram maior valor de absorção. Já os resultados do ensaio de impacto, permitiram identificar os modos de falha e avaliar o efeito entre as temperaturas de envelhecimento. Os compósitos de fibra de vidro tiveram pouca variação da resistência ao impacto antes e após o envelhecimento a 25ºC e a 60ºC. Já os compósitos de fibra de luffa e híbrido apresentaram uma variação considerável antes e após o envelhecimento a 25ºC e 60ºC. O ensaio sonoro permitiu avaliar o efeito do envelhecimento sobre o módulo de elasticidade e o fator de perda. O resultado do ensaio sonoro dos compósitos híbridos mostrou que o módulo de elasticidade e o fator de perda não tiveram diferenças significativas entre os tempos de envelhecimento indicando que a hibridização atuou de modo eficiente para proteger as fibras de luffa. O ensaio de termografia foi usado como uma nova abordagem para avaliar a condutividade térmica dos compósitos. Por fim, conclui-se que a hibridização foi eficiente, pois os compósitos híbridos apresentaram características em relação a absorção, resistência ao impacto e condutividade térmica, intermediárias aos compósitos de fibra de vidro e fibra de luffa e, principalmente a hibridização reduziu de modo significativo a degradação do compósito de luffa quando exposto a ambiente úmidos, além de proporcionar uma alternativa de projeto mais ambientalmente amigável. / [en] Polymer matrix composites reinforced with fibers stand out in various industrial applications due to their characteristics such as low cost, low density, and good mechanical strength. However, the environment to which the composite will be exposed and the temperature variation to which the composite is subjected will influence the material s behavior. Studies on the microstructural characteristics and mechanical behavior of polymer composites with Luffa cylindrica fibers and hybrid fibers (glass/luffa) in humid environments are recent, and few studies have been carried out for the Luffa and, especially, the hybrid composites. Thus, in order to obtain materials with different properties and behaviors, composites were fabricated and studied with an epoxy matrix reinforced with glass fibers, Luffa fibers, and glass-Luffa hybrids. The aging test was carried out on samples submerged in distilled water at two aging temperatures (25°C and 60°C). The total aging time was 4 months (120 days). Non-destructive tests (thermography and sound test) and destructive tests (impact) were performed to evaluate mechanical degradation. The water absorption process in the composites was also evaluated. The present study is relevant to filling knowledge gaps in the behavior of glass/luffa hybrids, especially in a humid environment with temperature variation. As a result, it was observed that the aging test indicated that the maximum absorption values of the glass, Luffa, and hybrid fiber composites, as well as their respective diffusion coefficients, were consistent with the values found in the literature. The Luffa fiber composites had the highest absorption value. The results of the impact test allowed for the identification of failure modes and the evaluation of the effect between aging temperatures. The glass fiber composites had little variation in impact strength before and after aging at 25°C and 60°C. The Luffa and hybrid fiber composites showed considerable variation before and after aging at 25°C and 60°C. The sound test allowed for the evaluation of the aging effect on the modulus of elasticity and loss factor. The sound test results for the hybrid composites showed that the modulus of elasticity and loss factor had no significant differences between aging times, indicating that hybridization efficiently protected the luffafibers. The thermography test was used as a new approach to evaluate the thermal conductivity of the composites. Finally, it is concluded that hybridization was efficient because the hybrid composites had characteristics regarding absorption, impact resistance, and thermal conductivity that were intermediate between glass and Luffa fiber composites, and mainly hybridization significantly reduced the degradation of the Luffa composite when exposed to humid environments, as well as providing a more environmentally friendly design alternative.

[pt] Um tipo de resina epoxídica (RE) foi modificada com polibutadieno líquido hidroxilado (PBLH) a partir da mistura física de ambos os componentes (EPH) ou a partir da obtenção de copolímeros em bloco da resina epoxídica com PBLH funcionalizado com grupos isocianato (EPI) e carboxila (EPA). Foi realizado um estudo do comportamento mecânico desses sistemas epoxídicos, após a cura com um endurecedor a base de aminas, antes e após envelhecimento. Também foram avaliadas as propriedades adesivas, antes e após envelhecimento, através de ensaios com juntas de topo e juntas sobrepostas simples fabricadas com esses adesivos e com substratos de aço. O estudo do envelhecimento abrangeu absorção de água a temperatura ambiente e envelhecimento térmico. Foi possível concluir que a condição de pós-cura estabelecida em um trabalho anterior não acarretou na densidade máxima de ligações cruzadas dos sistemas e isto afetou o comportamento dos mesmos após os envelhecimentos. Para as condições de cura e pós-cura aplicadas, a água, no período de tempo estudado, acarretou na plastificação dos sistemas, mas não afetou as propriedades adesivas das juntas fabricadas com os adesivos RE, EPA e EPI. Já o tratamento de envelhecimento térmico a 150oC por 7 dias acarretou na queda de algumas propriedades mecânicas, mas teve o efeito distinto de melhorar as propriedades adesivas das juntas fabricadas com EPI, EPH e EPA em relação à carga de ruptura, todavia resultando num aumento da rigidez efetiva dessas juntas. / [en] A kind of epoxy resin was modified with hydroxyl- terminated polybutadiene (HTPB), using a physical blend of both components (EPH) or using a block copolymer of HTPB-RE. The block copolymers were prepared by reacting RE with isocyanate-funcionalized HTPB (EPI) or carboxyl- funcionalized HTPB (EPA). The cure agent was a blend of amines. A study of the mechanical behavior of these systems was carried out, before and after aging. Also the adhesive properties were evaluated, before and after aging, testing bonded joints (both butt and single-lap) manufactured with these adhesives and employing a steel adherent. This ageing study enclosed water absorption, at ambient temperature, and thermal aging. It can be concluded that the condition of post-cure, established in a previous work, did not promote the maximum crosslink density of the systems and this affected the behavior of these systems after aging. Considering the conditions of cure and post-cure and the period of time applied in this work, the water caused the plasticization of the systems, but it did not affect the adhesive properties of the joints manufactured with the adhesives RE, EPA and EPI. Considering the thermal aging treatment at 150oC during 7 days, it caused the decrease of some mechanical properties, but it had the distinct effect to improve the adhesive properties of the joints manufactured with EPI, EPH and EPA regarding the rupture load, however resulting in an increase of the joints stiffness.