Influência das configurações de empilhamento na caracterização mecânica de compósitos de poliéster reforçados com fibras de juta

Influence of stacking configurations on the mechanical characterization of polyester composites reinforced with jute fibers

RESUMO

Compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais destacam-se como alternativas promissoras aos materiais convencionais em aplicações estruturais, devido à boa relação resistência/peso, menor impacto ambiental e viabilidade econômica. Esta pesquisa avaliou a influência da orientação de fibras de juta nas propriedades mecânicas de compósitos com matriz de resina poliéster tereftálica. Foram analisadas quatro configurações de empilhamento: [0°/0°/0°], [0°/45°/0°], [0°/90°/0°] e [0°/tecido/0°]. As placas foram fabricadas por laminação manual, e corpos de prova extraídos para ensaios de tração. Avaliaram-se aspectos como força máxima, deslocamento na força máxima, limite de resistência e módulo de elasticidade. Foram selecionados tabs de compósito de fibra de vidro para garantir a correta aplicação da carga nos ensaios de tração. A orientação das fibras influenciou diretamente a resistência mecânica. A configuração [0°/0°/0°] obteve o melhor desempenho, com resistência à tração de 69,00 MPa, seguida de [0°/tecido/0°] (52,42 MPa), [0°/45°/0°] (47,17 MPa) e [0°/90°/0°] (42,31 MPa). A análise fractográfica evidenciou falhas por delaminação e propagação de trincas, mais intensas nas configurações com menor alinhamento das fibras à direção da carga. Logo, inferiu-se que o alinhamento das fibras com a direção do esforço aplicado maximiza a resistência mecânica e pode ser critério fundamental em projetos estruturais que utilizem materiais compósitos.

Palavras-chave
Compósitos naturais; Hand lay-up; Resistência mecânica; Fraturas superficiais

ABSTRACT

Polymeric composites reinforced with natural fibers stand out as promising alternatives to conventional materials in structural applications, due to their good strength/weight ratio, lower environmental impact and economic viability. This research evaluated the influence of jute fiber orientation on the mechanical properties of composites with terephthalic polyester resin matrix. Four stacking configurations were analyzed: [0°/0°/0°], [0°/45°/0°], [0°/90°/0°] and [0°/fabric/0°]. The plates were manufactured by manual lamination, and specimens were extracted for tensile tests. Aspects such as maximum force, displacement at maximum force, resistance limit and modulus of elasticity were evaluated. Fiberglass composite tabs were selected to ensure the correct application of the load in the tensile tests. The orientation of the fibers directly influenced the mechanical strength. The [0°/0°/0°] configuration obtained the best performance, with a tensile strength of 69.00 MPa, followed by [0°/fabric/0°] (52.42 MPa), [0°/45°/0°] (47.17 MPa) and [0°/90°/0°] (42.31 MPa). The fractographic analysis showed failures due to delamination and crack propagation, which were more intense in the configurations with less fiber alignment with the load direction. Therefore, it was inferred that fiber alignment with the applied stress direction maximizes mechanical strength and can be a fundamental criterion in structural projects that use composite materials.

Keywords:
Natural composites; Hand lay-up; Mechanical strength; Surface fractures

1. INTRODUÇÃO

O interesse por materiais e estruturas multifuncionais reflete a demanda por soluções capazes de integrar múltiplas funções estruturais e/ou não estruturais em um único sistema [¹]. Materiais compósitos são formados pela combinação de dois ou mais constituintes distintos. Normalmente classificados conforme o tamanho ou a forma do material de reforço: particulados, fibras curtas e fibras contínuas [²]. O objetivo dessa combinação é criar um material final com desempenho superior em relação aos materiais constituintes considerados isoladamente, aproveitando a sinergia entre suas propriedades individuais [³]. Essa sinergia resulta em estruturas otimizadas, que podem oferecer leveza, elevada resistência mecânica, durabilidade aprimorada e, em alguns casos, propriedades térmicas e acústicas ajustáveis. Conquistas tecnológicas recentes em setores como aeroespacial, automobilístico e construção civil só foram viabilizados pelo desenvolvimento de compósitos estruturais [⁴, ⁵].

A crescente preocupação ambiental e os compromissos globais com práticas sustentáveis impulsionaram a busca por materiais ecologicamente responsáveis [⁶]. Essa tendência visa reduzir os impactos ambientais associados aos processos industriais tradicionais, além de fomentar um modelo de desenvolvimento mais equilibrado e consciente em termos de uso de recursos naturais e geração de resíduos [⁷,⁸,⁹,¹⁰,¹¹,¹²]. Dentro desse panorama, as fibras naturais – oriundas principalmente de fontes vegetais como juta, sisal, curauá, coco e linho – ganham destaque como alternativas viáveis e sustentáveis, sobretudo na fabricação de compósitos poliméricos, na qual podem atuar como elementos de reforço estrutural [¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶].

A substituição de materiais convencionais, como metais e fibras sintéticas (ex. fibra de vidro ou carbono), por compósitos à base de fibras naturais é considerada uma estratégia promissora para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis e com maior competitividade. As fibras vegetais se destacam por uma série de atributos técnicos e econômicos: são fontes renováveis, amplamente disponíveis em diversas regiões do território nacional, apresentam baixo custo de produção e comercialização, são biodegradáveis, possuem baixa densidade, baixa abrasividade em processos de fabricação e boa capacidade de aderência com matrizes poliméricas [¹⁷, ¹⁸]. Embora os compósitos com matriz polimérica sejam os mais difundidos, matrizes cerâmicas também têm sido exploradas em associação com fibras vegetais, especialmente em contextos que demandam resistência a altas temperaturas e desempenho mecânico específico [¹⁹]. A ampla gama de aplicações possíveis, aliada aos princípios da economia circular e da sustentabilidade ambiental, confere a esses materiais elevado potencial tecnológico e estratégico em diversas áreas da engenharia e do design industrial [²⁰,²¹,²²,²³,²⁴].

Estudos recentes reforçam a relevância e a versatilidade dos compósitos com fibras naturais. Alguns realizaram caracterizações mecânicas abrangentes de laminados de juta e poliéster, avaliando propriedades como tração, compressão, cisalhamento e flexão, com auxílio de modelos numéricos para prever modos de falha em aplicações estruturais, como componentes automotivos [²⁵]. Outros investigaram o efeito de diferentes teores de fios de juta (5%, 15% e 25%) em compósitos de poliéster, analisando o desempenho sob tração e impacto e destacando a influência da proporção de reforço na resistência mecânica [²⁶]. Há também a possibilidade de utilizar aditivos como nano sílica para aprimorar as propriedades mecânicas de compósitos de poliéster reforçados com juta, observando ganhos significativos na resistência com a adição de 10% do aditivo [²⁷].

A influência dos processos de fabricação também tem sido foco de pesquisa, como no caso do uso do processo de infusão a vácuo, que mostrou impacto direto na compactação, porosidade e na qualidade da interface matriz/reforço de compósitos com fibras naturais, afetando seu desempenho final [²⁸]. Por outro lado, o método de laminação manual é caracterizado pela simplicidade operacional e baixo custo inicial, sendo amplamente adotado em aplicações de pequeno e médio porte [²⁵, ²⁹]. A combinação de fibras naturais e fibras sintéticas em compósitos híbridos revela que a sequência de empilhamento e a orientação das fibras são fatores determinantes para as propriedades mecânicas e térmicas do material [³⁰]. Pesquisadores ainda apontam que a variação na proporção de diferentes fibras naturais, em compósitos híbridos influencia diretamente o comportamento mecânico e a eficiência da interface matriz/reforço, contribuindo para aplicações estruturais com melhores níveis de resistência e estabilidade térmica [³¹, ³²]. Reforços naturais e sintéticos combinados podem melhorar as propriedades mecânicas e térmicas dos materiais [³³]. A adição de fibras vegetais, cargas minerais e nanopartículas às matrizes poliméricas pode aumentar o módulo de elasticidade, reduzir a absorção de água e otimizar o desempenho viscoelástico, desde que haja boa adesão interfacial, geralmente obtida com agentes de acoplamento [³⁴, ³⁵]. O arranjo e a orientação das fibras, bem como o uso de técnicas adequadas de fabricação e otimização estrutural, também se destacam por influenciar diretamente a resistência ao impacto, à tração e à delaminação [³⁶, ³⁷]. Esses avanços reforçam o interesse em desenvolver compósitos mais eficientes e adaptados às exigências de aplicações estruturais.

Com o avanço acelerado da globalização industrial e a necessidade de inovação contínua, ampliaram- se as oportunidades para o desenvolvimento de novos materiais com elevado desempenho funcional e menor impacto ambiental. Esse cenário favorece iniciativas voltadas à pesquisa e desenvolvimento de produtos que incorporam conceitos de sustentabilidade em todas as etapas do ciclo de vida: desde a escolha de matérias-primas renováveis e de baixo impacto, passando por processos de manufatura mais limpos e eficientes, até o uso prolongado, reaproveitamento e descarte responsável ao final da vida útil do produto [³⁸]. A integração desses princípios fortalece o desenvolvimento de cadeias produtivas mais sustentáveis, atendendo às exigências de mercados nacionais e internacionais cada vez mais atentos às questões ambientais e sociais.

Neste estudo, investigou-se o comportamento mecânico de compósitos com matriz de resina poliéster tereftálica, reforçados com fibras de juta posicionadas em quatro diferentes orientações: 0°, 45°, 90° e em forma de tecido. A disposição das fibras foi cuidadosamente controlada por meio da fixação em folhas de papel, técnica adotada para assegurar a precisão do posicionamento durante o processo de laminação manual (hand lay-up), o que influencia diretamente o desempenho final do material. A fabricação dos corpos de prova seguiu os procedimentos padronizados, e os ensaios mecânicos de tração foram conduzidos de acordo com os critérios estabelecidos na norma ASTM D3039/D3039M [³⁹], que define os métodos para determinar as propriedades de tração de plásticos reforçados com fibras. Após a realização dos ensaios, as superfícies de fratura dos corpos de prova foram analisadas, no intuito de identificar os mecanismos de falha predominantes em cada configuração testada, como delaminação, ruptura de fibras ou falhas na interface matriz-reforço.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para a confecção dos compósitos, utilizou-se resina poliéster tereftálica insaturada pré-acelerada (Denverpoly 754, Royal Polímeros), escolhida por suas boas propriedades mecânicas, facilidade de manuseio e ampla aplicação em laminação manual [⁴⁰,⁴¹,⁴²,⁴³]. A cura ocorreu com peróxido de metil-etil-cetona (Butanox M-50) na proporção de 0,33% v/v. A juta, adquirida como tecido, foi desfiada para obtenção dos fios, fixados em folhas A4 com fita dupla face e alinhados em 0°, 45°, 90° e tecido. Para manter a orientação, as lâminas foram costuradas ao papel. O Quadro 1 apresenta as configurações de arranjo das fibras de juta.

Quadro 1
Configurações do arranjo das fibras de juta indicando a orientação.

ORIENTAÇÃO DAS FIBRAS	DESCRIÇÃO	REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA	REGISTRO FOTOGRÁFICO
0°	Fibras de juta alinhadas paralelamente ao eixo longitudinal da lâmina.
45°	Fibras de juta dispostas diagonalmente a 45° em relação ao eixo longitudinal da lâmina.
90°	Fibras posicionadas perpendicularmente ao eixo longitudinal da lâmina.
Tecido	Fibras de juta mantidas em sua forma têxtil original (entrelaçadas em trama e urdidura).

2.1. Confecção das placas laminadas

As placas de compósitos foram moldadas sobre uma base rígida de compensado, previamente revestida com filme de poliéster, com o objetivo de facilitar tanto o alinhamento das camadas durante a laminação quanto a desmoldagem dos corpos de prova após a cura. As lâminas de juta foram posicionadas conforme orientações angulares específicas, respeitando as sequências de empilhamento previamente definidas, de modo a investigar o efeito da configuração estrutural nas propriedades mecânicas do material.

A aplicação da resina poliéster insaturada foi conduzida de forma controlada e uniforme sobre cada camada, a fim de assegurar adequada impregnação das fibras e manter constante a fração mássica de fibras em 18%, valor previamente estabelecido para garantir a repetibilidade dos resultados. Concluída a etapa de laminação manual, os painéis foram submetidos à cura natural por sete dias à temperatura ambiente, conforme os parâmetros recomendados para o sistema matriz-fibra adotado [³⁹]. Avaliou-se quatro configurações estruturais: [0°/0°/0°], [0°/45°/0°], [0°/90°/0°] e [0°/tecido/0°] (Figura 1), sendo esta última composta por uma camada intermediária de tecido bidirecional de juta entre duas camadas unidirecionais orientadas a 0°. As três primeiras configurações permitiram analisar o efeito da orientação angular das fibras sobre a rigidez, resistência e comportamento à tração, considerando a anisotropia inerente aos compósitos reforçados com fibras naturais. A inclusão do tecido bidirecional investigará a contribuição da arquitetura têxtil na redistribuição das tensões e na melhoria da integridade estrutural do material. Assim, é possível identificar quais arranjos oferecem melhor desempenho mecânico em função da direção de carregamento.

Figura 1
Configuração das lâminas usadas na fabricação das placas de materiais compósitos: a) [0°/0°/0°]; b) [0°/45°/0°]; c) [0°/90°/0°]; d) [0°/tecido/0°].

2.2. Corpos de prova e ensaios de tração

A confecção dos corpos de prova e a realização dos ensaios de tração seguiram os parâmetros estabelecidos pela norma ASTM D3039/D3039M [³⁹] que especifica os procedimentos para a caracterização mecânica de materiais compósitos poliméricos reforçados com fibras contínuas. Para os laminados com fibras orientadas a 0°, utilizaram-se corpos de prova com 15 mm de largura e 250 mm de comprimento. Em contrapartida, para laminados unidirecionais com outras orientações angulares e tecidos bidirecionais, as amostras apresentaram dimensões de 25 mm de largura por 175 mm de comprimento. A preparação dos corpos de prova incluiu o corte das amostras por meio de disco diamantado de alta precisão, instrumento essencial para garantir a uniformidade geométrica e evitar danos estruturais como delaminações nas extremidades, o que poderia comprometer os resultados dos ensaios.

A Figura 2 mostra os registros correspondentes às configurações dos laminados desenvolvidos nesta pesquisa. Evidencia-se a qualidade do processo de laminação adotado, através da visualização nítida das sequências de empilhamento das lâminas de juta incorporadas à matriz polimérica. Essa clareza visual das camadas e sua disposição, reforça a precisão na execução do empilhamento e auxilia a repetibilidade entre as amostras e a consistência nos resultados obtidos durante os ensaios mecânicos. Durante a etapa de preparação dos corpos de prova, a utilização do disco diamantado demonstrou-se eficaz. Esse equipamento possibilitou cortes com acabamento superficial satisfatório, ao minimizar rebarbas e imperfeições nas bordas, além de assegurar o paralelismo entre as faces longitudinais dos corpos de prova. Essa característica foi fundamental para manter a constância da área da seção transversal ao longo de toda a extensão das amostras.

Figura 2
Laminados de fibras de juta nas sequências de empilhamento: a) [0°/0°/0°]; b) [0°/45°/0°]; c) [0°/90°/0°]; d) [0°/tecido/0°].

A Figura 3 apresenta os corpos de prova após o corte, organizados de acordo com as configurações de empilhamento previamente definidas neste estudo. Pode-se observar, a integridade física das amostras após o processo de seccionamento, atestando a eficiência da técnica de corte empregada. A ausência de rebarbas ou fissuras nas bordas dos corpos de prova reforça a adequação do método adotado e evidencia o cuidado empregado durante o preparo dos espécimes. Os corpos de prova obtidos confirmam que o processo de fabricação e preparo das amostras foi conduzido dentro dos parâmetros de qualidade necessários para assegurar a confiabilidade e a reprodutibilidade dos dados experimentais.

Figura 3
Registros dos corpos de prova após o corte para as configurações de empilhamento estudadas.

Os ensaios foram conduzidos em máquina universal EMIC DL 500, no laboratório de materiais do Instituto Federal do Pará (IFPA), com célula de carga de 5 kN e taxa de carregamento de 2 mm/min, conforme a norma, assegurando reprodutibilidade e confiabilidade dos dados. Após a ruptura, as superfícies fraturadas foram analisadas com câmera de alta resolução para identificar os mecanismos de falha. As amostras foram organizadas para inspeção visual comparativa, facilitando a correlação entre morfologia da fratura e configuração estrutural. A Figura 4 mostra o fluxograma das etapas metodológicas da pesquisa.

Figura 4
Fluxograma das etapas metodológicas envolvidas nesta pesquisa.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1. Ensaios de tração dos materiais compósitos

Durante a realização dos ensaios de tração nos materiais compósitos, conforme os procedimentos estabelecidos pela norma ASTM D3039/D3039M [³⁹], é comum a ocorrência de escorregamento ou esmagamento nas extremidades dos corpos de prova, especialmente nas regiões em contato direto com as garras da máquina de ensaio. Para mitigar esses efeitos indesejáveis e garantir a integridade e a precisão dos resultados, é prática usual a aplicação de reforços auxiliares, conhecidos como tabs, nas extremidades dos corpos de prova. Com o intuito de selecionar o material de tab mais adequado para a presente pesquisa, foram realizados ensaios preliminares comparativos. Foram avaliadas quatro opções de materiais: madeirite, lixas com granulações 120 e 180, e compósito constituído por fibra de vidro com matriz de poliéster. Os resultados desses ensaios indicaram que o tab confeccionado com compósito de fibra de vidro e matriz poliéster apresentou o melhor desempenho, oferecendo maior aderência e resistência ao esmagamento durante o ensaio. A fixação dos tabs selecionados foi realizada com o uso do adesivo estrutural TekBond 725, garantindo boa aderência e estabilidade dimensional. A Figura 5 apresenta imagens dos corpos de prova com os diferentes tipos de tabs utilizados nos testes preliminares.

Figura 5
Tabs de lixa 120, lixa 180, madeirite e de compósito de fibra de vidro, em que o tab com compósito de fibra de vidro apresentou melhor performance.

A partir da definição do material de tab mais eficiente, todos os corpos de prova foram adequadamente preparados com sua aplicação, assegurando uniformidade nas condições de fixação durante os ensaios e para minimizar interferências mecânicas nas extremidades. A Figura 6 apresenta pares de corpos de prova representativo para cada uma das configurações de empilhamento dos laminados compósitos desenvolvidos nesta pesquisa. As sequências de empilhamento foram definidas de modo a investigar a influência da orientação das fibras sobre o comportamento mecânico dos materiais. A Figura 6a corresponde à configuração de empilhamento unidirecional [0°/0°/0°], enquanto a Figura 6b apresenta a sequência [0°/45°/0°] e a Figura 6c ilustra o empilhamento [0°/90°/0°], seguida da Figura 6d, correspondente à configuração [0°/tecido/0°]. Essas diferentes configurações de empilhamento permitiram a avaliação comparativa dos efeitos da orientação e do tipo de reforço (fios unidirecionais ou tecido bidirecional) nas propriedades mecânicas dos compósitos sob carregamento uniaxial.

Figura 6
Corpos de prova com tab de compósito de fibra de vidro e sequências de empilhamento: a) [0°/0°/0°]; b) [0°/45°/0°]; c) [0°/90°/0°]; d) [0°/tecido/0°].

Após a realização dos ensaios de tração, os dados experimentais foram processados com o intuito de determinar as propriedades mecânicas dos compósitos analisados. A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos, contemplando os seguintes parâmetros: força máxima (F_MÁX), tensão na força máxima (Σ_MÁX), deslocamento na força máxima (Δ_MÁX) e módulo de elasticidade (E).

Tabela 1
Propriedades mecânicas dos laminados para os empilhamentos investigados.

LAMINADO	FMÁX (N)	ΣMÁX (MPa)	ΔMÁX (mm)	E (MPa)
[0°/0°/0°]	2587,52 ± 320,51	69,00 ± 6,20	2,43 ± 0,53	929,74 ± 168,42
[0°/45°/0°]	2995,30 ± 472,56	47,17 ± 7,44	2,72 ± 0,37	1124,98 ± 137,29
[0°/90°/0°]	2686,75 ± 252,41	42,31 ± 3,98	2,40 ± 0,27	1132,18 ± 84,56
[0°/tecido/0°]	3328,33 ± 960,84	52,42 ± 15,13	2,53 ± 0,48	1255,61 ± 124,71

O comportamento mecânico dos compósitos com diferentes configurações de empilhamento pode ser analisado por meio das curvas força versus deslocamento. A Figura 7 apresenta os gráficos de tensão x deformação das amostras com configurações de empilhamentos [0°/0°/0°], [0°/45°/0°], [0°/90°/0°] e [0°/tecido/0°], permitindo a comparação direta do desempenho estrutural sob carregamento uniaxial.

Figura 7
Comportamento da tensão versus deformação para os compósitos com os empilhamentos propostos.

Observa-se que o laminado com empilhamento [0º/0º/0º] apresentou a maior resistência à tração, indicando desempenho superior em relação aos demais arranjos. Esse resultado é coerente com a orientação das fibras alinhadas com a direção da carga, maximizando a resistência longitudinal do compósito. Em contrapartida, o laminado [0º/90º/0º] obteve a menor resistência à tração, evidenciando que a inserção de uma camada ortogonal (90º) compromete a capacidade de suportar esforços no sentido longitudinal, atuando como plano de fragilidade. O empilhamento [0º/45º/0º] apresentou resistência intermediária, sugerindo alguma contribuição da camada inclinada para redistribuição de tensões, embora inferior ao arranjo totalmente alinhado. Já o laminado [0º/tecido/0º] obteve o segundo melhor desempenho quanto à resistência à tração, demonstrando que o reforço em forma de tecido, apesar de melhorar o comportamento estrutural, não supera a resistência da configuração unidirecional pura, mas oferece um bom equilíbrio entre resistência e capacidade de redistribuição das cargas. Esses resultados confirmam a forte influência da orientação das fibras na resistência mecânica à tração dos laminados.

Os valores de tensão máxima obtidos para os compósitos com configurações de empilhamento [0°/0°/0°], [0°/45°/0°], [0°/90°/0°] e [0°/tecido/0°] estão apresentados no gráfico da Figura 8. O laminado [0°/0°/0°] obteve o melhor desempenho, com 69,00 MPa, seguido pela configuração [0°/tecido/0°], que apresentou 52,42 MPa. Já os empilhamentos [0°/45°/0°] e [0°/90°/0°] apresentaram tensões máximas menores, de 47,17 MPa e 42,31 MPa, respectivamente, o que evidencia a redução da resistência mecânica à medida que as fibras se afastam do alinhamento com o eixo de tração.

Figura 8
Valores de tensão máxima obtidos nos ensaios de tração.

A análise dos dados revelou uma variação discreta nos valores de deslocamento máximo entre configurações, bem como uma pequena dispersão nos valores de módulo de elasticidade.

A partir da análise da Figura 7, verifica-se que o compósito com empilhamento [0°/0°/0°] apresentou a maior tensão máxima entre as configurações avaliadas. Esse resultado era esperado, uma vez que todas as camadas estão alinhadas com a direção de aplicação da carga, o que permite contribuição otimizada das fibras para resistir à tração. A distribuição homogênea das fibras ao longo da espessura e sua orientação paralela à carga proporcionam uma transferência eficiente de esforços, o que resulta em maior rigidez e resistência do laminado. Em contrapartida, a menor resistência foi observada para o laminado com a disposição [0°/90°/0°], cujo valor foi 38,68% inferior em relação ao empilhamento totalmente alinhado ([0°/0°/0°]). As configurações [0°/45°/0°] e [0°/tecido/0°] também apresentaram reduções significativas de desempenho, com 31,64% e 24,03%, respectivamente, em comparação à referência mencionada.

Essa redução está associada a menor proporção de fibras orientadas paralelamente à direção do carregamento. Nas configurações com camadas a 90°, 45° ou em forma de tecido, a contribuição estrutural das fibras para a resistência à tração é limitada, atuando de forma menos eficaz como elemento de reforço. Em especial, o empilhamento [0°/90°/0°] apresentou o pior desempenho, evidenciando a vulnerabilidade de compósitos quando submetidos a esforços perpendiculares à orientação das fibras, visto que, nessa condição, a capacidade de resistência ao carregamento longitudinal é comprometida. A Tabela 2 apresenta os valores de resistência à tração obtidos para compósitos com configurações de empilhamento semelhantes às adotadas nesta pesquisa. A análise dos dados revela que os compósitos desenvolvidos no presente estudo apresentaram desempenho superior em comparação aos dados de referência.

Tabela 2
Comparação entre os compósitos desta pesquisa com outros pesquisadores que empregaram fibra de juta na fabricação de materiais compósitos com configurações semelhantes.

CONFIGURAÇÃO	RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (MPa)	RELAÇÃO: ESTE ESTUDO	REFERÊNCIA
		OUTROS PESQUISADORES
Fibras alinhadas à 0°	36,24	90,4% superior	[37]
	69,00		Este estudo
[0°/90°/0°]	39,91	6,01% superior	[44]
[0°/90°/0°]	42,31		Este estudo
[0°/90°/0°]	42,80	1,14% inferior	[45]
[0°/90°/0°]	42,31		Este estudo
[0°/45°/0°]	39,50	19,42% superior	[45]
[0°/45°/0°]	47,17		Este estudo

A análise da fratura em compósitos é essencial para compreender sua resposta estrutural. O Quadro 2 resume as falhas predominantes em cada configuração e sua relação com o empilhamento em tela.

Quadro 2
Comentários gerais e detalhamento do aspecto da fratura dos corpos de prova.

CONFIGURAÇÃO	DETALHE (a)	DETALHE (b)
[0°/0°/0°]
	Vista geral do corpo de prova – fratura transversal, não foi observada delaminação.	Fibras expostas com características de pull out ou pulverização da matriz no momento da fratura.
[0°/45°/0°]
	Vista geral do corpo de prova – fratura transversal, não foi observada delaminação.	Fratura plana e com fibra expostas. A trinca se propagou na matriz de forma linear seguido da fratura das fibras. As fibras expostas são fibras da direção 45° que sofreram fratura e pull out.
[0°/90°/0°]
	Vista geral do corpo de prova – fratura transversal, não foi observada delaminação.	Fratura plana com fratura das fibras alinhadas e pode ser visto uma das fibras da direção 90° exposta. As fibras a 90° agem como facilitador de iniciação e propagação de trincas. A trinca se propagou na direção do alinhamento das fibras de 90°.
[0°/tecido/0°]
	Vista geral do corpo de prova – fratura transversal, não foi observada delaminação.	Fratura plana com fratura das fibras alinhadas na direção do carregamento e propagação da trinca na direção perpendicular a força aplicada, na direção das fibras do tecido que estão a 90° da força aplicada.

Na configuração [0°/0°/0°], composta por camadas de fibras alinhadas à direção de carregamento, observou-se que a fratura ocorreu diretamente nas fibras, responsáveis principais pela resistência à tração, e a ausência de delaminação sugere uma interface matriz/reforço bem consolidada. No empilhamento [0°/45°/0°], as fibras da camada intermediária, orientadas a 45°, sofreram fratura e pull-out, indicando que a trinca inicialmente se propagou na matriz e, em seguida, nas fibras inclinadas. Essa orientação intermediária promoveu um mecanismo misto de falha por tração e cisalhamento, o que pode contribuir para uma leve melhora na tenacidade do compósito ao redistribuir as tensões internas durante o carregamento. Em [0°/90°/0°], as fibras perpendiculares à direção de carregamento, agiram como pontos facilitadores para a iniciação e propagação de trincas. Embora não contribuam significativamente para a resistência longitudinal, sua presença influenciou negativamente a integridade estrutural do compósito. A trinca se propagou preferencialmente no plano das fibras de 90°, evidenciando um mecanismo de falha induzido por tensões transversais. Por fim, na configuração [0°/tecido/0°], o tecido bidirecional intermediário, forneceu um caminho de menor resistência para a fratura, por facilitar a propagação da trinca através das camadas que estavam a 90° da carga. Esta última orientação, aumentou a superfície de fratura, o que pode estar associado a maior absorção de energia. Contudo, a função estrutural das fibras perpendiculares foi novamente limitada em termos de resistência à tração longitudinal.

Em síntese, todas as configurações apresentaram fratura transversal com boa coesão entre as camadas, evidenciada pela ausência de delaminação. A orientação das fibras intermediárias teve papel fundamental no comportamento à fratura: camadas inclinadas a 45° contribuíram para uma fratura mais dissipada energeticamente, enquanto camadas perpendiculares a 90° agiram como iniciadores de trincas. Essas observações fornecem subsídios relevantes para o projeto de laminados compósitos mais resistentes e tenazes, a depender da aplicação estrutural pretendida.

Ressalta-se que o Grupo de Pesquisa em Materiais Compósitos (GPMAC), da Universidade Federal do Pará (UFPA) está conduzindo um estudo complementar que utilizará microscopia eletrônica de varredura (MEV) para registrar detalhadamente as características das superfícies de fratura. Essa análise microscópica permitirá um exame mais aprofundado das interfaces matriz/reforço, dos mecanismos de iniciação e propagação das trincas, bem como das formas de falha das fibras em diferentes orientações. Espera-se que esses dados forneçam informações essenciais para esclarecer aspectos que não são visíveis em análises macroscópicas, contribuindo para um entendimento mais completo do comportamento mecânico dos compósitos. Assim, o trabalho futuro poderá subsidiar o aprimoramento do projeto e fabricação de laminados com propriedades mecânicas otimizadas.

4. CONCLUSÕES

Os resultados obtidos neste estudo evidenciam a influência significativa da configuração de empilhamento das fibras de juta no desempenho mecânico dos compósitos poliméricos desenvolvidos. A análise experimental demonstrou que o empilhamento unidirecional [0°/0°/0°] apresentou o melhor desempenho em termos de resistência à tração (69,00 MPa) e rigidez, sendo a configuração mais eficiente para suportar esforços aplicados ao longo da direção das fibras, seguida da configuração com tecido bidirecional, [0°/tecido/0°], que apresentou resistência de 52,42 MPa, sendo superior às configurações anguladas [0°/45°/0°] e [0°/90°/0°], que apresentaram valores de 47,17 MPa e 42,31 MPa, respectivamente.

A preparação dos corpos de prova, especialmente a aplicação dos tabs de compósito de fibra de vidro com matriz de poliéster, foi imprescindível para assegurar a precisão dos ensaios, evitando falhas prematuras por escorregamento ou esmagamento nas extremidades. Os modos de fratura observados reforçam os efeitos da orientação das fibras na propagação das trincas e na dissipação de energia durante a falha, sem ocorrência de delaminação entre as camadas.

A comparação entre os dados da literatura com os deste estudo revelou que os compósitos produzidos apresentaram desempenho superior em relação às publicações anteriores que também utilizaram fibras de juta, evidenciando a eficiência dos métodos de fabricação adotados. Logo, reforça-se o potencial técnico do uso de fibras naturais na produção de compósitos estruturais, especialmente quando se considera a orientação adequada das fibras para aplicações mecânicas específicas.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  11 Ago 2025
• Data do Fascículo
  2025

Histórico

• Recebido
  05 Maio 2025
• Aceito
  24 Jun 2025