Considerando o grande interesse atual em biocompósitos, seja pela utilização de fibras lignocelulósicas como reforço em compósitos poliméricos ou pela produção de matrizes oriundas de fontes renováveis, buscou-se neste estudo a melhora de propriedades do termorrígido fenólico com a inserção de fibras de sisal tratadas com lignosulfonato de sódio. As fibras de sisal, largamente produzidas no Brasil, são provenientes de fontes renováveis, possuem baixa densidade e apresentam boas propriedades mecânicas. Lignosulfonatos são obtidos através do processo de polpação sulfito da madeira, sendo considerado material renovável. As fibras de sisal foram modificadas via adsorção de lignosulfonato via aquecimento a 70 °C/1h e por meio de irradiação com ultra-som em diferentes tempos (1h e 2h) e por 14h de imersão na solução aquosa de lignosulfonato seguindo de 1 h de irradiação com ultra-som. O lignosulfonato também foi utilizado como substituinte do fenol no preparo de resinas fenol-formaldeído, o que é possível devido à presença de anéis fenólicos em sua estrutura. As fibras de sisal, antes e após os tratamentos, foram caracterizadas segundo teor de componentes majoritários, análise elementar, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia na região do infravermelho (IV), ensaio de tração, análise térmica (TG e DSC) e difração de raios X. Estes resultados revelaram o efeito do ultra-som sobre a superfície da fibra, a presença de lignosulfonato na superfície das fibras e aumento relativo da resistência à tração após as modificações. Os pré-polímeros fenólico e lignosulfonato-formaldeído foram caracterizados por cromatografia de exclusão de tamanho, IV, TG e DSC. Os compósitos preparados em todo trabalho foram caracterizados por ensaio de resistência ao impacto Izod sem entalhe, ensaio de resistência à flexão, análise térmica dinâmico-mecânica, TG, DSC, ensaio de absorção de água e condutividade térmica. O ensaio de resistência ao impacto para os compósitos fenólicos indicaram uma melhora nesta propriedade quando fibras modificadas (à 70 °C/1 h e ultra-som/1 h) foram utilizadas para preparar estes materiais. O ensaio de flexão também indicou melhora de propriedade quando as fibras modificadas por irradiação com ultra-som (1 e 2 h) foram utilizadas em compósitos fenólicos. Os resultados obtidos mostraram que os tratamentos com lignosulfonato de sódio associados a irradiação ultra-som é um tratamento promissor, pois modifica a morfologia da superfície das fibras sem levar à degradação química, sendo que a separação dos feixes de fibra que ocorre permite melhor interação fibra/matriz na interface. O ensaio de absorção de água, mostrou que os tratamentos aplicados à superfícies influenciam pouco na absorção de água dos compósitos fenólicos. Todos os compósitos preparados com matriz lignosulfonato-formaldeído obtiveram valores resistência ao impacto superiores que os compósitos fenólicos, sendo que o compósito preparado com fibra não-modificada alcançou 1000 J.m-1. As modificações nas fibras de sisal, para estes compósitos, não provocaram os efeitos esperados nas propriedades mecânicas destes materiais, embora se tenha observado uma boa adesão na interface fibra/matriz pelas imagens de MEV, resultado da semelhança químico-estrutural entre a matriz e a fibra de sisal. Uma melhora nas propriedades mecânicas dos materiais aqui investigados faz com que estes se tornem atraentes para aplicações nas indústrias automobilística e aeronáutica, visto que na sua produção são utilizados materiais oriundos de fontes renováveis, como as fibras lignocelulósicas e o lignosulfonato, e tratamentos físicos, como o aquecimento e a irradiação de ultra-som, estando de acordo com políticas de sustentabilidade e preservação do meio-ambiente. / Due to the great current interest in biocomposites because of both the use of lignocellulosic fibers as reinforcers of polymer matrices and the production of matrices prepared from renewable raw material, this study has sought to improve the properties of phenolic thermosets using sodium lignosulphonate as a macromonomer, and the insertion of sisal fibers, either treated or not with sodium lignosulphonate, as a reinforcer. Sisal fibers, which are widely produced in Brazil, are renewable, have low density, and present good mechanical properties. Lignosulphonates are obtained by a wood sulphite pulping process, thus using materials from a renewable source. The sisal fibers were modified by lignosulphonate adsorption by heating at 70 °C for 1 h, followed by sonication for different time periods (1 h and 2 h) or by immersion for 14 h in aqueous lignosulphonate solution, followed by sonication for 1 h. Fiber surface treatment by adsorption of a compatibilizing agent rather than by chemical reaction was chosen with the intent of minimizing the reduction of the fiber mechanical properties. The major sisal fiber components were characterized before and after treatment by elemental analysis, scanning electron microscopy, infrared spectroscopy (IR), tensile strength, thermogravimetry (TG) and differential scanning calorimentry (DSC), and X-ray diffraction. The treatments resulted in a significant increase in fiber tensile strength. The phenolic pre-polymers and lignosulphonate-formaldehyde were characterized by size exclusion chromatography, IR, TG, and DSC. The composites were characterized as to Izod impact strength, flexural strength, dynamic mechanic thermal analysis, TG and DSC, water absorption, and thermal conductivity. The phenolic composites reinforced with modified fibers (70 °C/1 h and sonication/1 h) presented improved impact strength. The flexural strength of phenolic composites reinforced with sonication modified fibers (1 and 2 h) improved. The results obtained demonstrate that fiber treatment with sodium lignosulphonate associated with sonication is a promising method, as it modifies the surface morphology of the fibers without drastically changing their properties. The resulting fiber bundle separation allows for a better fiber/matrix interaction. The water absorption assay demonstrated that the fiber surface treatment had little influence on the water absorption of phenolic composites reinforced with these fibers. All the composites prepared with the lignosulphonate-formaldehyde matrix had higher impact strength than phenolic composites; the composite prepared with non-modified fiber reached 1000 J.m-1. The modification of sisal fibers in these composites did not induce effects on the material mechanical properties. However, good adhesion was observed at the fiber/matrix interface, as shown by the SEM images, due to the chemical-structural similarity of the matrix and treated sisal fiber. In this case, the modification of the matrix formulations was the factor that most influenced the material properties. Both the thermosets and the composites had similar thermal conductivity, that is, the presence of untretated or treated sisal fibers did not alter the thermal conductivity of the material. The materials properties that were investigated here show that they may have potential application in the car and aircraft industries (non-structural applications) with the advantage that their production uses renewable resource materials, such as lignocellulosic fibers and lignosulphonate, and physical treatments, such as heating and sonication, meeting the current sustainability and environment preservation policies.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-23062010-144638 |
| Date | 14 April 2010 |
| Creators | Fernando de Oliveira |
| Contributors | Elisabete Frollini, Marco Aurelio de Paoli, Luiz Antonio Pessan |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Físico-Química, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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