Production and characterization of polymer matrix composites and functionalized polymer matrix with carbon nanotubes reinforced with Amazonian fibers

The development of new materials with distinctive characteristics such as good mechanical performance and biodegradability has increased considerably in recent years. In this sense, the production of polymer matrix composites reinforced with natural fibers from the Amazon and the addition of carbon nanotubes emerges as a viable alternative for these new materials. The Amazon region has a wide variety of species from which natural fibers can be extracted and used to reinforce composite materials. Among these species, the periquiteira (Cochlospermum orinocense) and envira (Bocageopsis multiflora) plants have shown potential for use as reinforcing agents in polymer matrices. In addition, the addition of carbon nanotubes can improve the mechanical properties of composites. Thus, this work aims to produce composite materials from polymer matrices (polyester and epoxy) reinforced with natural fibers and polymer matrix composites with the addition of carbon nanotubes (CNTs) and reinforced with natural fibers. Physical, chemical, and thermal characterizations were performed on the fibers. The composites were produced with the incorporation of 10, 20, 30, and 40% fiber by volume, and the nanocomposites with the addition of 0.1% CNTs. The mechanical properties of the composites were evaluated by tensile, flexural, and impact testing, performed following the guidelines of ASTM D 638, ASTM D 790, and ASTM 256 standards. The characterizations of periquiteira and envira fibers indicated values of density, crystallinity index, thermal stability, and functional groups characteristic of lignocellulosic fibers. In xiii addition, morphological analysis by SEM revealed that both periquiteira and envira fibers had fine bundles of fibrils and a rough surface along their entire length. The mechanical tensile strength values of the fibers indicated that these fibers have the potential to be used as reinforcement in polymer composites. The mechanical tensile characterization of composites with periquiteira fibers in an epoxy matrix showed an increase of 48% and with envira fiber 36% in relation to the matrix. For composites with a polyester matrix, the increase in the ideal fiber concentration was 70% for periquiteira and 36% for envira fiber. In relation to flexural strength, only the epoxy matrix composition with periquiteira fiber showed an increase in strength. For nanocomposites, there was no significant change in the results obtained for both tensile and flexural strength. Analyses of the fracture region indicated that, in general, the fracture occurred in a brittle manner. In relation to nanocomposites, areas of NTC agglomeration were observed, indicating that adequate dispersion did not occur.O desenvolvimento de novos materiais que apresentem características diferenciadas como bom desempenho mecânico e biodegradabilidade, tem aumentado consideravelmente nos últimos anos. Neste sentido, a produção de compósitos de matriz polimérica com reforço de fibras naturais da Amazônia e adição de nanotubos de carbono surge como uma alternativa viável desses novos materiais. A região Amazônica possui uma grande variedade de espécies, de onde podem ser retiradas as fibras naturais, utilizadas como reforço de materiais compósitos. Dentre essas espécies, as plantas de periquiteira (Cochlospermum orinocense) e envira (Bocageopsis multiflora) têm demonstrado potencial para serem utilizadas como agente de reforço em matrizes poliméricas. Além disso, a adição de nanotubos de carbono pode melhorar as propriedades mecânicas dos compósitos. Dessa forma, este trabalho tem por objetivo produzir materiais compósitos de matrizes poliméricas (poliéster e epóxi) com reforço de fibras naturais e compósitos de matriz polimérica com adição de nanotubo de carbono (NTC) e reforço de fibras naturais. Foram realizadas caracterizações físicas, químicas e térmica nas fibras. Os compósitos foram produzidos com incorporação de 10, 20, 30 e 40 % em volume de fibra e os nanocompósitos com adição de 0,1 % de NTC. As propriedades mecânicas dos compósitos foram avaliadas por ensaio de tração, flexão e impacto, realizados seguindo as diretrizes das normas ASTM D 638, ASTM D 790 e xi ASTM 256. As caracterizações das fibras de periquiteira e envira indicaram, valores de densidade, índice de cristalinidade, estabilidade térmica e grupos funcionais característicos de fibras lignocelulósicas. Além disso, a análise morfológica por MEV revelou que tanto a fibra de periquiteira quanto a fibra de envira apresentaram finos feixes de fibrilas e superfície rugosa em todo o seu comprimento. Os valores de resistência mecânica em tração das fibras indicaram que, estas fibras apresentam potencial para serem utilizadas como reforço em compósitos poliméricos. A caracterização mecânica em tração dos compósitos com fibras de periquiteira em matriz epóxi apresentou um aumento de 48% e com fibra de envira 36 %, em relação a matriz. Para os compósitos com matriz poliéster o aumento na concentração ideal de fibras foi de 70 % para a periquiteira e 36 % para fibra de envira. Em relação a resistência em flexão apenas a composição de matriz epóxi com fibra de periquiteira apresentou aumento no valor de resistência. Para as nanocompósitos, não houve alteração significativa nos resultados obtidos tanto para tração como para flexão. As análises da região de fratura indicaram que de maneira geral a fratura ocorreu de forma frágil. Em relação aos nanocompósitos foram observadas áreas de aglomeração de NTC, indicando não ter ocorrido uma dispersão adequada

Determinação das propriedades de tração de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibra de Guarumã

The need to develop materials with differentiated properties, such as good mechanical performance, low cost and environmentally correct, has increased every day. In this context, we highlight the search for the development of polymeric matrix composites with natural fiber reinforcement. These fibers have advantages over synthetic fibers because they are found in large quantities and with ease, as is the case of guarumã (Ischinosiphon koern), an abundant species in the region of floodplains. In this work, epoxy matrix composites reinforced with guarumã fibers were analyzed mechanically and microstructurally. The composite materials manufacturing process started with the characterization of the fibers. The test specimens were produced in silicon molds and sanded to meet the specifications of ASTM D 638, in order to carry out the tensile strength tests, and later the scanning electron microscopy, to analyze the microstructure of the fractured material. From the values obtained after the tensile test, it was observed that, despite the low mechanical performance when related to the matrix, the addition of guarumã fibers tends to a slight reinforcement in the epoxy matrix. The microstructural characterization revealed that the epoxy matrix composites reinforced with guarumã fibers have a great potential when compared to composites that have other natural fibers as reinforcement.A necessidade do desenvolvimento de materiais com propriedades diferenciadas, como bom desempenho mecânico, baixo custo e que sejam ambientalmente corretos, tem aumentado a cada dia. Neste contexto, destaca-se a busca pelo desenvolvimento de compósitos de matriz polimérica com reforço de fibras naturais. Estas fibras, possuem vantagens em relação às fibras sintéticas pois são encontradas em grandes quantidades e com facilidade, como é o caso do guarumã (Ischinosiphon koern) uma espécie abundante em regiões de várzeas. Neste trabalho, materiais compósitos de matriz epóxi reforçados por fibras de guarumã, foram analisados mecanicamente e microestruturalmente. O processo de fabricação dos materiais compósitos iniciou-se com a caracterização das fibras. Os corpos de prova foram produzidos em moldes de silicone e lixados para atender as especificações da norma ASTM D 638, para que fossem realizados os ensaios de resistência a tração, e posteriormente realizada a microscopia eletrônica de varredura para analisar a microestrutura do material fraturado. A partir dos valores obtidos após o ensaio de tração, observou-se que, apesar do baixo desempenho mecânico quando relacionado com a matriz, a adição de fibras de guarumã tende a um ligeiro reforço na matriz epoxídica. A caracterização microestrutural, revelou que os compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de guarumã, possuem um grande potencial, quando comparados a compósitos que possuem outras fibras naturais como reforço

Guaruman: a natural amazonian fiber with potential for polymer composite reinforcement

The Amazonian region of South America is known for its diversified number of plants from which food, medicine, wood and fibers have, since long time, been produced by local natives. A typical example is the guarumã (“guaruman”as suggested English spelling) scientifically identified as Ischinosiphon koem, an abundant plant found in the low lands alongside rivers of the state of Para in Brazil. Fibers extracted from the stem of the guaruman are used in ropes and baskets owing to their strength. In the present work, the possibility of applying guaruman fibers as reinforcement of polymer matrix composites is, for the first time, investigated. Amounts up to 30 vol% of continuous and aligned fibers were incorporates into epoxy matrix composites. Density measurements disclosed the guaruman to be one of the lightest natural fibers. Tensile tests indicate that the guaruman fiber addition was able to improve the composite elastic modulus. However, no significant change was found in the ultimate strength, total strain and resilience. On the other hand, a cost-effective analysis revealed a substantial reduction of ~29% in the epoxy composite price due to the incorporation of fibers. Preliminary ballistic evaluation disclosed a potential for application of guaruman epoxy composites in multilayered armor.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPERJ - Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de JaneiroA região amazônica da América do Sul é conhecida por seu número diversificado de plantas, das quais alimentos, remédios, madeira e fibras são produzidas há muito tempo por nativos locais. Um exemplo típico é o guarumã (“guaruman”, como sugere a ortografia em inglês), cientificamente identificado como Ischinosiphon koem , uma planta abundante encontrada nas terras baixas ao longo dos rios do estado do Pará, no Brasil. As fibras extraídas do caule do guaruman são utilizadas em cordas e cestos devido à sua resistência. No presente trabalho, a possibilidade de aplicar fibras guarumanas como reforço de compósitos de matriz polimérica é, pela primeira vez, investigada. Quantidades de até 30% em volume de fibras contínuas e alinhadas foram incorporadas em compósitos de matriz epóxi. As medidas de densidade revelaram que o guaruman é uma das fibras naturais mais leves. Testes de tração indicam que a adição de fibra de guaruman foi capaz de melhorar o módulo de elasticidade do compósito. No entanto, nenhuma mudança significativa foi encontrada na força máxima, na tensão total e na resiliência. Por outro lado, uma análise de baixo custo revelou uma redução substancial de ~ 29% no preço do composto epóxi devido à incorporação de fibras. A avaliação balística preliminar revelou um potencial de aplicação de compósitos de epóxi guaruman em armaduras multicamadas.SILVA, A. C. R.; CANDIDO, V. S.; PINHEIRO, M. A. Universidade Federal do Par

Characterization of Envira Fibers Endemic to the Amazon Rainforest and Their Potential for Reinforcement in Polymer Composites

Natural lignocellulosic fibers (NLFs) replacing synthetic fibers have been used as reinforcement in polymer matrix composites. In this work, a lesser-known NLF endemic to the Amazon region, the envira fiber (Bocageopsis multiflora), was analyzed for its basic physical, thermochemical, morphological, and mechanical characteristics. In addition, epoxy matrix composites with 10, 20, 30, and 40 vol% of continuous and aligned envira fibers were evaluated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and tensile tests. The results were statistically compared by ANOVA and Tukey’s test. The density found for the envira fiber was 0.23 g/cm3. The crystallinity index and microfibrilar angle obtained were 69.5% and 7.07°, respectively. Fiber thermal stability was found up to around 210 °C. FTIR confirmed the presence of functional groups characteristic of NLFs. Morphological analysis by SEM revealed that the envira fiber displayed fine bundles of fibrils and a rough surface along its length. The average strength value of the envira fiber was found to be 62 MPa. FTIR analysis of the composites confirmed the presence of the main constituents of the epoxy resin and NLFs. The tensile strength results indicated that the envira fiber addition increased the strength of the composites up to 40 vol%. The analysis of the fracture region revealed brittle aspects. These results indicate that envira fibers present potential reinforcement for polymer matrix composites and can be used in engineering applications, favored by their lightness and cost-effectiveness

Guaruman: a Natural Amazonian Fiber with Potential for Polymer Composite Reinforcement

The Amazonian region of South America is known for its diversified number of plants from which food, medicine, wood and fibers have, since long time, been produced by local natives. A typical example is the guarumã (“guaruman”as suggested English spelling) scientifically identified as Ischinosiphon koem, an abundant plant found in the low lands alongside rivers of the state of Para in Brazil. Fibers extracted from the stem of the guaruman are used in ropes and baskets owing to their strength. In the present work, the possibility of applying guaruman fibers as reinforcement of polymer matrix composites is, for the first time, investigated. Amounts up to 30 vol% of continuous and aligned fibers were incorporates into epoxy matrix composites. Density measurements disclosed the guaruman to be one of the lightest natural fibers. Tensile tests indicate that the guaruman fiber addition was able to improve the composite elastic modulus. However, no significant change was found in the ultimate strength, total strain and resilience. On the other hand, a cost-effective analysis revealed a substantial reduction of ~29% in the epoxy composite price due to the incorporation of fibers. Preliminary ballistic evaluation disclosed a potential for application of guaruman epoxy composites in multilayered armor.</div