Theoretical and experimental analysis of mechanical behavior under quasi-static loads of vegetable fibers reinforced composites

Resumo: Neste trabalho foram elaborados compósitos poliméricos reforçados com fibras longas e contínuas de miriti, com frações de volume de fibra de 10, 20 e 30%. A fibra de miriti é proveniente do pecíolo da palmeira de burtiti (Mauritia flexuosa L.), palmeira abundante na região amazônica, utilizada na alimentação e na produção de artesanato popular. As características físicas, morfológicas, microestruturais e mecânicas da fibra de miriti, são estudadas. Para a elaboração dos compósitos as fibras receberam tratamento superficial com solução alcalina, a 5%, e a resina de poliéster insaturado foi utilizada como matriz. Foram elaborados neste trabalho, compósitos com as fibras de miriti alinhadas longitudinalmente, chamados de compósitos unidirecionais (UD), e compósitos com fibras de miriti em duas direções ortogonais entre si, chamados de compósitos bi-direcionais (2D). Os compósitos foram consolidados sob pressão, e em seguida foi conduzido o processo de pós-cura a 60 C de temperatura. A caracterização mecânica dos compósitos foi feita sob carregamento de tração (norma ASTM D 638), e sob carregamento de flexão (norma ASTM D 790). Os corpos de prova foram retirados das placas moldadas, e 5 corpos de prova de cada compósito foram submetidos aos ensaios mecânicos. Os resultados obtidos após os ensaios de tração e flexão dos compósitos, mostram a influência da adição de fibras no comportamento mecânico dos compósitos, assim como a influência da orientação das fibras no compósito. A verificação teórica dos resultados experimentais é conduzida para os compósitos unidirecionais testados sob tração, e os valores teóricos foram obtidos por meio da regra da mistura, da teoria de micromecânica dos compósitos. Aspectos macroscópicos e microscópicos da fratura após os ensaios mecânicos foram observados e mostram região de dano e interface fibra-matriz, respectivamente. Os resultados mostram que a adição de fibras à matriz de resina poliéster insaturado, foi, de modo geral, favorável às propriedades mecânicas dos compósitos. A melhor performance mecânica foi obtida pelo compósito unidirecional com 30% em fração de volume de fibras de miriti, testados na direção do carregamento. Para os compósitos bi-direcionais (2D), a adição de fração em volume de fibras somente foi favorável para as propriedades mecânicas sob tração, sendo pouco significativa para os resultados das propriedades sob flexão. Segundo a verificação teórica feita para os resultados experimentais, acima de 25% de adição de fração em volume de fibras, começa a haver sinergia entre os componentes do compósito, evidenciando o efeito reforçante das fibras de miritiAbstract: In this work continuous miriti fiber reinforced unsaturated polyester matrix composites were elaborated, with 10, 20 and 30% of fiber volume fraction. Miriti fibers are extracted from petiole of buriti palm (Mauritia flexuosa L.), which is a typical specie that grow in Amazonian region, used as food and handicrafts. Physical, morphological, microstructural and mechanical characteristics of miriti fibers were investigated. Treated fibers with a sodium hydroxide solution (5%) were used to elaborate composites in this work. Composites with continuous miriti fibers aligned on unidirectional direction, named as unidirectional composites (UD), and composites with continuous miriti fibers aligned in orthogonal directions, named as bi-directional (2D) composites were elaborated. The composites were consolidated under pressure and a post-cure process was conducted at a 60 C temperature. Mechanical characterization of composites was made under tensile load (ASTM D 638), and under bending load (ASTM D 790). Specimens were taken from molded plates and five specimens of each composite were subjected to mechanical tests. Results obtained after the mechanical tests show the influence of fiber addition on mechanical behavior of composites, as well as the influence of fiber orientation. Theoretical verification of experimental results is conducted for unidirectional composites tested under tension, and the theoretical values were obtained by the mixture rule of micromechanical theory of composites. Macroscopic and microscopic aspects of fracture after the mechanical tests are observed and show the region of damage and fiber-matrix interface, respectively. Results obtained showed that fiber addition on unsaturated polyester resin was favorable to the mechanical properties of composites. The best mechanical performance was obtained by unidirectional composite with 30% in volume fraction of miriti fibers tested on the direction of loading. For 2D composites the addition of fiber volume fraction was only favorable for mechanical properties under tensile load, with little effect on bending properties. According to theoretical verification conducted to the experimental results, more than 25% of fiber volume fraction of miriti fibers, begins to have synergy between the components of the composite, which shows the miriti fiber