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

Abstract

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