Estudo da força de adesão em polímeros dissimilares obtidos pelo processo de injeção multicomponente: aplicações em compósitos com fibra de coco

Abstract

A exigência crescente do mercado consumidor por produtos com tecnologias sustentáveis tem motivado o setor produtivo a investir em novos produtos. Aplicações industriais utilizando compósitos com fibras naturais estão mais frequentes na indústria; contudo é compulsória a necessidade de atingir requisitos de design e qualidade. Inovações tecnológicas usando compósitos com fibras vegetais com o processo de injeção multicomponente exigem investigações na busca por soluções que visem uma produção mais aprimorada, preservando as propriedades físicas da fibra. Neste sentido, pesquisas têm sido conduzidas principalmente no que se refere ao entendimento das propriedades de adesão das peças sobreinjetadas, mediante seu processamento em ferramentas industriais, onde ficou evidenciado uma lacuna de informações. Neste estudo foi desenvolvido um compósito de polipropileno com 30% de fibras de coco adicionado a um agente de acoplamento visando promover o melhor compatibilização entre as fibras na matriz polimérica, proporcionando assim reforço estrutural. A partir da confecção de um molde de injeção multicomponente, baseado na geometria do corpo de prova ISO 527, tipo I, foram obtidas amostras sobreinjetadas com polipropileno e compósitos de fibra de coco a fim de avaliar a força de adesão em materiais dissimilares. As técnicas de caracterização para os materiais compósitos incluíram propriedades mecânicas sob tração e impacto, microscopia eletrônica de varredura e análise térmica. Para o atendimento do objetivo deste estudo em avaliar a força de adesão entre compósitos com fibra de coco e o polipropileno, foi especialmente desenvolvido um dispositivo para ensaios de força de adesão através da análise por cisalhamento. Os resultados obtidos indicaram que o compósito sem agente de acoplamento apresentou uma força de adesão cerca de 30% superior aos compósitos aditivados, favorecida pelo mecanismo de ancoragem mecânica. Por último foram realizados experimentos para avaliar o efeito das variáveis de processo e da área de sobreposição, na força de adesão das amostras produzidas por sobreinjeção. As condições experimentais seguiram um delineamento estatístico com 4 fatores em dois níveis com nível de significância de 5%. Os resultados obtidos indicaram que a força de adesão cresceu exponencialmente com a área de sobreposição. A temperatura de processo e a vazão de injeção se destacaram como os fatores mais significativos para o incremento na força de união dos materiais. Portanto, neste trabalho, a metodologia para avaliação da força de adesão de compósitos poliméricos obtidos por injeção multicomponente, com o uso do dispositivo, mostrou-se eficaz, podendo ainda ser aplicada para avaliação da força de adesão de materiais dissimilares, incluindo madeiras e uniões hibridas de polímero/madeira, polímero/metais, madeira/metais e outros sistemas binários unidos com adesivos.

The market consumer increasing demand for products with sustainable technologies has motivated the industry to invest in new development models. Industrial applications using natural fiber composites became frequent in the industry; however, they need to achieve design and quality requirements. Technological innovations using natural fiber polymer composites with multi-component injection process require investigation of solutions to optimize production, preserving physical properties of the fiber. However, research have been conducted to understand adhesion properties of the over injected parts, through industrial processing tools, where an information gap was evidenced. In this study, a polypropylene composite with 30% of coconut fibers was added with a coupling agent to promote the best fiber wetting into the polymer matrix, providing thus structural reinforcement. From an injection mold impression based on ISO 527 geometry, type I, composite samples were obtained with polypropylene and coconut fibers to evaluate the bond strength of the dissimilar materials. Characterization techniques in the natural fiber polymer composites were mechanical properties under load, Izod impact, Scanning Electron Microscopy and thermal analysis. In accordance with the purpose of this study to measure the adhesion strength between composites with coconut fiber and the polypropylene, a special device for evaluating adhesion shear strength was developed. The results indicated that the composite without coupling agents obtained greater adhesion, higher than 30% in relation to the additived composites, mainly due to mechanical anchoring mechanism. Finally, experiments were carried out to characterize the effect of process variables and overlap area on the shear adhesion strength of overinjection samples. Experimental conditions followed a statistical design with four factors in two levels obtained through a statistical software, according to the 5% of significance level. Results indicated that the adhesion force increased exponentially with the overlap area. The temperature process and the injection flow were the most significant variables for increasing the adhesion shear strength. Therefore, in this work, the methodology for evaluating the adhesion strength of polymer composites obtained by multi-component injection, with the use of the pure shear force device, revealed to be effective. Moreover, it can be applied to evaluate bond strength of dissimilar materials, including joints between polymer/wood, polymer/metals, wood/metals and other binary systems bonded with adhesives.