DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITO HÍBRIDO DE FIBRA DE VIDRO E MICROPARTÍCULAS DE SÍLICA E CIMENTO PARA USO EM CANELEIRAS

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1 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC) UNIVESIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ) DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITO HÍBRIDO DE FIBRA DE VIDRO E MICROPARTÍCULAS DE SÍLICA E CIMENTO PARA USO EM CANELEIRAS Rubens Bagni Torres São João Del-Rei, 01 de agosto de 2013

2 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC) UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ) DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITO HÍBRIDO DE FIBRA DE VIDRO E MICROPARTÍCULAS DE SÍLICA E CIMENTO PARA USO EM CANELEIRAS Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado em Materiais e Processos de Fabricação da Universidade Federal de São João Del-Rei, como requisito para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de concentração: Materiais e processos de fabricação. Orientador: Prof. Dr. Túlio Hallak Panzera São João Del-Rei, 01 de agosto de 2013

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4 Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJ Torres, Rubens Bagni T693d Desenvolvimento de compósito híbrido de fibra de vidro e micropartículas de sílica e cimento para uso em caneleiras [manuscrito] / Rubens Bagni Torres f. ; il. Orientador: Tulio Hallak Panzera. Dissertação (mestrado) Universidade Federal de São João del-rei. Departamento de Engenharia Mecânica. Referências: f Engenharia de materiais Teses 2. Fibras de vidro Teses 3. Engenharia mecânica Teses 4. Sílica Teses 5. Cimento Teses 6. Matéria Propriedades mecânicas Teses 7. Compósitos híbridos Teses 8. Micropartículas Teses I. Panzera, Tulio Hallak (orient.) II. Universidade Federal de São João del-rei. Departamento de Engenharia Mecânica III. Título CDU: 620.1

5 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente à Deus por me manter firme nos propósitos e conduzir-me pelas mãos nas horas em que a escuridão parecia não acabar. Agradeço aos professores do curso de mestrado da engenharia mecânica pela oportunidade, ao Prof. Túlio Hallak Panzera, meu orientador, pelo crédito e confiança ao Prof. Dr. André Luis Christóforo, pelo grande apoio nas horas difíceis e ao Prof. Dr. Geraldo Roberto de Souza, amigo e principal responsável pelo meu ingresso nesta jornada. Não deixando de agradecer aos queridos amigos do mestrado Júlio César Santos pela amizade e ajuda, sem a qual não seria possível realizar este sonho, Luciano Vieira e todos os demais, que de alguma forma contribuíram para que as dificuldades se tornassem menos árduas. "Vim, Vi, Venci" Júlio César

6 6 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho a meus pais, sem os quais eu não estaria neste mundo. Meu Pai Rubens,homem correto e rígido, que através de sua criação me ensinou que ter caráter não é qualidade é obrigação, infelizmente ele se foi a quase três décadas mas continua presente em cada dia. Minha mãe Zenith, mulher frágil e ao mesmo tempo tão forte, foi Pai e Mãe, coração enorme, sempre pronta a ajudar, obrigado por existir em minha vida. Minha Esposa Vanessa, grande incentivadora do meu estudo, sua persistência e força de vontade servem de inspiração para todas as batalhas diárias a serem vencidas. Obrigada amor por me presentear com o maior tesouro da minha vida, nosso filho Juan. Meu filho, tudo o que faço, tudo por que luto é dedicado a você, em muitos momentos aquele fôlego a mais veio simplesmente por você existir, obrigado por você ser meu filho. Dedico também aos meus familiares minha irmã Adriana, meu cunhado Luiz, meus afilhados Felipe e Victor meus tios e tias, principalmente a tia Zélia e tia Zilda e a todos que torceram por mim e de alguma forma contribuíram para que chegasse até este momento.

7 7 RESUMO Atualmente, o desenvolvimento de materiais esportivos é fruto do avanço da tecnologia em materiais compósitos, sendo estes utilizados em outras áreas do conhecimento, como principalmente aeroespacial, biomédica e construção civil. Os equipamentos esportivos de segurança têm por objetivo minimizar as contusões que possam afastar o usuário de sua prática, proporcionando então uma prática mais segura e uma minimização de possíveis prejuízos financeiros nos casos de atletas profissionais.. A combinação de materiais contribui para obtenção de propriedades inéditas e específicas, sejam mecânicas, físicas ou químicas. Os materiais compósitos em comparação aos materiais convencionais podem ser projetados para uma determinada aplicação, otimizando seu desempenho. Especialmente os polímeros reforçados com fibras sintéticas ou naturais são utilizados em grande escala devido a sua maior conformabilidade e também a elevada resistência específica. A adição de partículas, em escala micro e/ou nano em compósitos laminados têm sido o foco de pesquisas recentes a fim de melhorar principalmente as propriedades físico mecânicas, sendo estes compósitos denominados híbridos. Este estudo teve como objetivo investigar um material compósito polimérico híbrido reforçado com 7, 9 e 11 camadas de fibra de vidro e micro partículas de cimento e sílica na fração mássica de 5% para uso em caneleiras de futebol. Um planejamento fatorial completo foi conduzido com nove condições experimentais. As variáveis respostas investigadas foram: ensaio físico de densidade aparente (ρ ap ), ensaios mecânicos de módulo de elasticidade na flexão (MOE f ), resistência à flexão (MOR f ) e impacto (Charpy). Os resultados revelaram que o uso de material compósito híbrido exibiu um ganho mecânico significativo, principalmente na resposta à absorção de energia, característica fundamental na eficiência do equipamento de proteção. PALAVRAS-CHAVE: Compósitos híbridos, fibra de vidro unidirecional, micropartículas, sílica, cimento, propriedades físico-mecânicas.

8 8 ABSTRACT Nowadays, the development of sport resources, is due to the improvement of technology in composite material, and these are used in other academic areas, mainly in aeroespacial,biomedical and civil engineering. The protection sport equipment, aims at minimizes injuries that could impeach athletes from doing sports, which means financial advance to teams and clubs. The correct combination of the appropriate material helps at obtaining effective and specific results, it does not matter if they are mechanics, physical or chemistries. The composite material compared to the ordinary ones, can be projected to a specific aim, optimizing its performance.specially,the polymers reinforced with synthetic or natural fibers, are used widely, due to its adaptation, and effective resistance. Adding particles in scale micro and or nano,in composite laminate, have been the focus of recent researches, aiming at improving mainly mechanical and physical properties, and these composites are called hybrid. This research aims at investigates a composite material polymaric hybrid reinforced with 7,9 and 11 levels of glass fiber, and cement micro particles and silica in a maxima fraction of 5 per cent, to be used in football shin. A complex fatorial planning system, was conducted with nine experimental condition. The variable investigated answers were: physical testing of bulk density, mechanical tests of modulus of elasticity in flexure, resistance to impact and flexion. The results showed that the use of composite hybrid material garanteed a significant mechanical gain, mainly in the answer in the absorption of energy, a fundamental characteristic in the efficiency of protective equipment. KEYWORDS: Hybrid Composites, fiberglass unidirectional microparticles, silica, cement, physical and mechanical properties.

9 9 LISTA DE FIGURAS Figura:1 Visão das camadas de uma caneleira: (a) e (b) Caneleira vista superior (c) Caneleira vista lateral Figura 2: Fases de um material compósito Figura 3: Classificação dos compósitos em relação ao tipo de reforço Figura 4: Orientação das fibras na fase reforçadora Figura 5: Laminado simétrico com camadas em diferentes orientações Figura 6: Representação química do óxido de etileno Figura 7: Tecido (a) e Manta (b) de fibra de vidro Figura 8: Formas características de grãos de areias silicosas Figura 9: (a) aparato de madeira (b) fibras já alinhadas Figura 10: (a) Sílica peneirada (b) Cimento peneirado Figura 11: Fôrma de silicone para confecção dos corpos de prova Figura 12: Ensaio de compressão Figura 13: Fabricação do laminado (a) distribuição da resina (b) utilização do rolo para minimização de bolhas Figura 14: (a) Corpos de prova para ensaio de flexão em três pontos (b) corpos de prova já cortados para ensaio Figura 15: Ensaio de flexão em três pontos Figura 16: (a) Máquina para o ensaio mecânico de impacto Charpy (b) corpo de prova já fixado segundo norma Figura 17: Ensaio de densidade: (a) densidade aparente b) corpo de prova imerso.. 47 Figura 18 - Gráfico de distribuição normal de resíduos para MOE c Figura 19 - Interação dos fatores para MOE c... 50

10 10 Figura 20 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOE f Figura 21 - Gráfico de efeitos principais sobre MOE f dos compostos Figura 22 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOR f Figura 23 - Efeito de interação dos fatores Figura 24 - Gráfico de regressão linear (correlação de Pearson) para MOE e MOR em flexão Figura 25: MEV realizado no laboratório do Citec, corpo de prova ensaio de flexão. Região inferior do corpo de prova (linha neutra) Figura 26 - Gráficos de resíduos para a média do modulo de elasticidade Figura 27 - Gráfico de efeitos principais para resposta de densidade aparente Figura 28 - Gráfico de normalidade dos resíduos para absorção de impacto Figura 29 Gráfico de efeitos principais para absorção de impacto segundo ANOVA One-Way... 60

11 11 LISTA DE TABELAS Tabela 1- Principais características de polímeros termoplásticos e termorrígidos.. 27 Tabela 2- Propriedades físico mecânicas da areia de sílica Tabela 3- Análise química do cimento Tabela 4- Tabela 4: Condições experimentais Tabela 5- Tabela 5: Numero de camadas reforçadas Tabela 6- Tabela 6: Variáveis resposta e tipos de ensaios Tabela 7 - Estatística descritiva para MOE (GPa) ensaio de compressão Tabela 8- Tabela 8 - Resultado ANOVA para MOE de compressão Tabela 9- Estatística descritiva para MOE (GPa) Tabela 10 - Resultados da ANOVA para o MOE f Tabela 11 - Estatística descritiva para MOR (MPa) Tabela 12 - Resultados da ANOVA para o MOR f Tabela 13 Estatística descritiva para ensaio de densidade aparente (g/cm 3 ) Tabela 14 - Resultados da ANOVA para densidade aparente Tabela 15 - Estatística descritiva para absorção de impacto dos compósitos de 11 camadas (J) Tabela 16 - Resultados ANOVA One-Way para ensaio de absorção de impacto... 59

12 12 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS FIFA: Federação Internacional de Futebol Associado NOCSAE: National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment CITEC: Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos; MEV: Microscopia eletrônica de varredura; Minitab: Software para análises estatísticas; P-valor: Estatística utilizada para sintetizar o resultado de um teste de hipóteses; UFSJ: Universidade Federal de São João Del-Rei SiO 2 : Silicon Dioxide (sílica)

13 13 LISTA DE SÍMBOLOS k: Kilo (mil unidades da grandeza); M: Mega (um milhão de unidades da grandeza); m 1 : Massa inicial; m 12 : Massa da amostra a 12% de umidade; MOE: Módulo de elasticidade; MOR: Módulo de resistência; m s : Massa seca da amostra; n: Porosidade; v 12 : Volume da amostra a 12% de umidade; v sat : Volume da amostra saturada; v t : Volume total da amostra. v v : Volume de vazios na amostra; ρ V é a densidade aparente do material (g/cm 3 ) m 1 é a massa do corpo de prova seco (g); V 1 é o volume do corpo de prova dado pelo deslocamento de água (cm 3 ) m 2 m 3 é a massa da amostra saturada com água (kg); é a massa da amostra totalmente submersa na água (kg).

14 14 SUMÁRIO CAPÍTULO INTRODUÇÃO Objetivo Geral Objetivos Específicos Justificativa CAPÍTULO REVISÃO DE LITERATURA A importância do material na confecção de materiais esportivos Principais solicitações mecânicas aplicadas nas caneleiras Materiais Compósitos As Fibras Tipos de compósitos e classificação Materiais compósitos laminados poliméricos Matrizes Poliméricas: termoplásticas e termorrígidas Resinas Fase dispersa - reforços fibrosos Fibras de vidro Tipos de fratura ou dano Fatores influentes nas propriedades mecânicas dos compósitos reforçados com fibras Compósitos híbridos Resistencia à flexão e ao impacto de compósitos híbridos Partículas de sílica Cimento Portland Planejamento fatorial de experimentos CAPÍTULO MATERIAIS E MÉTODOS Escolha dos fatores experimentais e seu níveis Materiais utilizados Fibra de vidro-e Fase Matriz Micro Partículas Testes preliminares para obtenção de porcentagem de micro partículas de sílica e cimento ensaio de compressão da matriz Processo de fabricação compósito laminado Ensaio de flexão-em-três-pontos (ASTM D790-10) Ensaio de Absorção de Impacto Análise da Fratura Ensaios Fisicos... 46

15 Densidade aparente CAPÍTULO RESULTADOS E DISCUSSÕES Ensaio de compressão Ensaios de Flexão em Três Pontos Ensaio de densidade Ensaio de Impacto CAPÍTULO CONCLUSÕES TRABALHOS FUTUROS SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 65

16 16 CAPÍTULO 1 1. INTRODUÇÃO O uso crescente de materiais compósitos em vários domínios tecnológicos modernos despertou atenção considerável nas teorias de materiais reforçados e processos avançados de produção. Durante muito tempo esta tecnologia ficou restrita, mas atualmente ela vem sendo aplicada principalmente nas indústrias automotivas, esportivas e de construção civil, pois esses são materiais que apresentam baixo peso e um desempenho, principalmente mecânico, superior aos materiais convencionais. A indústria automotiva demonstra que englobará maior parte do consumo dos materiais compósitos poliméricos a médio e longo prazo. O Brasil tem ampliado a sua experiência de inovação na aplicação de compósitos estruturais, principalmente no setor aeronáutico. Atualmente a conjugação de propriedades inerentes aos materiais atingiu tamanha importância que o futuro de grande parte das aplicações está baseado no desenvolvimento dos materiais compósitos. Os mesmos são constituídos pela mistura ou combinação de dois ou mais constituintes diferindo em forma e/ou composição química e que sejam essencialmente insolúveis entre si (DANIEL e ISHAI, 2006). Na maioria das aplicações de compósitos, os polímeros atuam como matriz aglomerante do reforço. A combinação de propriedades físicas, mecânicas e químicas dos componentes de um compósito visa alcançar características desejadas ao produto final, sendo isto realizado através da caracterização individual de cada componente, o que torna necessário um estudo micromecânico das propriedades desses materiais (DANIEL e ISHAI, 2006). Um dos parâmetros mais importantes em materiais compósitos, com uma ou mais fases contínuas, é a interface entre o reforço e a matriz. A interface é a região onde ocorre o contato entre os componentes do compósito. Essa região é a primeira responsável pela transferência da solicitação mecânica da matriz para o reforço. A adesão inadequada entre as fases envolvidas na interface pode promover o início de falhas, comprometendo o desempenho do compósito. Portanto, além das propriedades individuais de cada componente do compósito, a interface deve ser a mais adequada possível para garantir a combinação das propriedades envolvidas. A preocupação com a interface fez com que a tecnologia de fabricação de materiais compósitos desenvolvesse processos e/ou produtos para facilitar a acoplagem dos componentes na região interfacial (DANIEL e ISHAI, 2006).

17 17 A aplicação estrutural dos materiais compósitos apresentou considerável crescimento nos últimos anos em virtude de aperfeiçoamento nos processos de fabricação envolvidos bem como da concepção de novas configurações de reforço (tecidos) e estruturas laminares. Além disso, pode-se dar destaque ao crescimento do uso de compósitos à base de fibras vegetais assim como o uso de nano e micro partículas. Neste sentido, foram idealizados os compósitos híbridos envolvendo a combinação de fibras sintéticas e/ou vegetais e nano, micro e macro partículas. A aplicação deste tipo de compósito, no entanto, está condicionada na obtenção de um produto final com bom desempenho mecânico aliado a um baixo custo de produção. Em princípio, a configuração desses compósitos híbridos costuma ser de vital importância na resposta final do material. Há alguns anos esses compósitos têm sido estudados com ênfase em compósitos reforçados com fibras sintéticas (MANDER et al., 1981; FERNANDO et al., 1988; DICKSON et al., 1988; MARON et al., 1989). Este trabalho tem por objetivo investigar compósitos híbridos fabricados com fibra de vidro-e e micro partículas de sílica e cimento a fim de alcançar propriedades estruturais superiores principalmente em esforços de flexão mecânica e impacto, sendo estes últimos preponderantes em equipamentos esportivos de proteção. Os compósitos híbridos de fibras unidirecionais foram fabricados pelo processo de laminação manual (Hand-lay-up). A análise das propriedades mecânicas de resistência e impacto foi realizada a partir dos ensaios de flexão em três pontos (ASTMD ) e Charpy (ASTM ), respectivamente. Ensaios físicos foram realizados na determinação das densidades volumétrica, aparente e porosidade, seguindo a norma Britânica (BS ) usando o Princípio de Arquimedes. Com notoriedade tem-se observado o alto índice de lesões ocorridas no futebol e um dos locais que mais sofrem estas lesões é a região dos ossos da tíbia e fíbula, popularmente chamada de canela. Para que estas lesões sejam minimizadas existem fatores contribuintes e um deles é o uso de melhor proteção para esta região (BARRY, 1998). O material compósito hibrido proposto neste trabalho visa a utilização do mesmo em equipamentos de proteção em práticas esportivas denominado caneleira. Para que este material consiga exercer sua função adequadamente, se faz necessário que o mesmo possua além de baixa densidade, propriedades mecânicas elevadas, principalmente no quesito absorção de energia, pois quanto maior energia o material conseguir absorver menor será a transmissão da energia cinética para o seu usuário e consequentemente menor índice de lesões por impacto serão observadas.

18 OBJETIVO GERAL Este trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico e o modo de fratura em um compósito polimérico híbrido submetido aos ensaios de impacto e flexão-em-trêspontos OBJETIVOS ESPECÍFICOS Estudos comparativos entre os compósitos híbridos, considerando o tipo de partícula e o número de camadas, verificando assim o material que apresentará o melhor resultado. Estudo da resistência e da rigidez em compósito laminado híbrido, com a utilização de ensaios físicos e mecânicos. Estudo do comportamento da adesão entre as camadas através de uma analise microestrutural, principalmente entre as camadas de fibras de vidro e vidro/micropartículas 1.2 JUSTIFICATIVA Este estudo justifica-se pela evolução de novos materiais utilizados na proteção de atletas. Com o desenvolvimento tecnológico e bio-tecnológico o rendimento dos atletas tende a alcançar patamares que há tempos atrás eram apenas mera suposição para os cientistas e pesquisadores da área. Com o advento destas tecnologias o atleta de alto nível se tornou um "bem" de valor altíssimo, seja no ramo esportivo, ou no que tange ao plano de marketing de um segmento ou empresa, esportiva ou não. Um atleta que está inativo acarreta vários tipos de prejuízo nos dias de hoje, desempenho, venda de produtos, resultados, propaganda, dentre outros, por este motivo a preservação da sua integridade física é fator fundamental. Isto nos leva a concluir que quanto mais "protegido" este atleta estiver, melhor e mais rentável ele será. O investimento em estudos que possam vir beneficiar a proteção deste indivíduo e prevenção de possíveis contusões está sendo realizado em larga escala e cada vez mais no desenvolvimento de novos materiais que não só ajudam nesta prevenção, mas acima de tudo contribuem para que seu desempenho durante sua prática esportiva.

19 19 Este trabalho visa desenvolver um material compósito capaz de atender as exigências de projeto para fabricação de caneleiras, exibindo alto desempenho e relação custo-benefício satisfatória, oferecendo tanto ao atleta profissional ou amador as mesmas vantagens provenientes desta tecnologia.

20 20 CAPÍTULO 2 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1 A importância do material na fabricação de equipamentos esportivos A caneleira é um importante equipamento de proteção, que tem seu uso definido como obrigatório, pois previne uma série de lesões e fraturas, como a quebra da tíbia, podendo afastar um jogador de futebol por até um ano do treinamento, entre o tratamento e o recondicionamento (FIFA, 2011). Segundo Barry (1998), cerca de 13% das lesões decorrentes do futebol ocorrem nas canelas dos jogadores. As fraturas correspondem a aproximadamente 0,37% dessas ocorrências, sendo estas ocorridas principalmente pela transmissão da energia cinética entre os jogadores (BARRY, 1998). As lesões podem significar um grande prejuízo ao clube, visto que um jogador de elite pode receber valores de mais de um milhão de reais entre salário, patrocínio e equipamentos esportivos (FIFA, 2011). Ainda segundo FIFA (2011), as caneleiras são equipamentos esportivos que evitam contusões, lacerações e punções de pele causados por impactos. Estes equipamentos são mais efetivos contra choques e raspões, do que contra impactos de alta energia cinética, ou seja, apesar de contribuírem na defesa da canela, quanto menor for à força aplicada contra elas, mais efetivas são (FIFA, 2011). De acordo com Ankra (2003), a grande parte dos ossos do corpo humano é protegida por músculos espessos e pele, no entanto a tíbia, localizada na parte posterior medial da perna é um dos ossos mais expostos, sendo protegida somente pela pele, facilitando assim a ocorrência de lesões e fraturas. Todos os ossos são recobertos por uma membrana fina, chamada de periósteo, composta por um tecido conjuntivo onde reside em sua abundancia receptores da dor, e por este motivo as lesões ocorridas nesta região da perna são extremamente dolorosas sendo de suma importância a utilização de uma caneleira (ANKRAH, 2003). O princípio da proteção da caneleira é o de transferir a força de impacto de uma área de contato pequena para uma área maior, assim, a força por área diminui, além disso, há um prolongamento do tempo de contato que ajuda na absorção do choque (PHILLIPENS e WISMANS, 1989).

21 21 As caneleiras disponíveis no mercado apresentam diferenças significativas na sua constituição e também no seu designer, não parecendo haver um consenso entre os fabricantes sobre as características essenciais do equipamento, o que mostra necessária uma regulamentação mais clara a respeito dos requisitos básicos do equipamento, como: materiais utilizados, características de resistência mecânica e ao impacto e tamanho ou área de contato adequados (FIFA, 2010). Segundo Ankrah (2003) em relação aos materiais utilizados nas caneleiras, principalmente na parte frontal, deveria haver um regulamento oficial, a fim de evitar materiais de diferentes resistências entre os jogadores em uma partida. 2.2 Principais solicitações mecânicas aplicadas nas caneleiras De acordo com REINFORCEDPLASTIC (2001), a caneleira tem sido produzida com várias formas e tipos de camadas de diferentes materiais para a obtenção de um melhor balanço entre conforto e proteção, isto porque normalmente para obtenção de maior proteção as camadas são distribuídas ao longo da direção do plano ortogonal da seguinte forma: maior rigidez à flexão na parte paralela da perna e um menor valor de rigidez em volta da perna para que ofereça maior conforto durante o uso. A rigidez de flexão da maioria das caneleiras é baixa na região horizontal, de forma a se encaixarem nas canelas dos esportistas, contudo essa rigidez horizontal deve ser suficiente para transferir a carga de um impacto frontal para longe da tíbia, ou seja, direcionando aos músculos laterais (REINFORCEDPLASTIC, 2001). A Figura 1 revela a constituição de uma caneleira de futebol com vista superior e lateral. Figura:1 Visão das camadas de uma caneleira: (a) e (b) Caneleira vista superior, (c) Caneleira vista lateral. (REINFORCEDPLASTIC, 2001).

22 22 Segundo NOCSAE (2007), existe uma norma padrão com requisitos mínimos a serem seguidos pelos fabricantes de caneleiras, em que de uma forma aleatória as caneleiras de uma linha de produção, são escolhidas em número suficiente estatístico para serem testadas. Os testes de impacto diretos realizados nas caneleiras são semelhantes aos feitos com capacetes onde a componente direta da velocidade de impacto é a causa principal de fratura. (NOCSAE 2007). De acordo com Ankrah (2003), as melhores caneleiras para absorção de impacto utilizam cristas transversais e conchas de formas complexas para melhorar sua rigidez à flexão e estudos também mostram que a maioria das camadas superficiais irá deformar contra impactos diretos, mas a camada interna somente absorverá uma energia significativa se a parte externa suportar energias superiores a 10J. Em seu estudo, Phillipens e Wismans (1989) encontraram uma redução de 28 a 53% para uma energia cinética de 5,3J, contudo Francisco et al. (2000), encontrou reduções de apenas 11 a 17%, trabalhando com energias de 8 a 21J, além disso, eles foram os únicos a comentarem sobre o design e materiais das caneleiras testadas e ressaltaram os seguintes pontos: casca de fibra de vidro se saiu melhor do que outros materiais na distribuição da força de impacto e o aumento da espessura da espuma foi mais importante do que o comprimento da caneleira. Segundo a REINFORCEDPLASTIC (2001), esse processo de redução pode ser utilizado com qualquer fibra ou combinação das mesmas. Entretanto segundo Callister (2007), para se obter as propriedades mecânicas necessárias para essa combinação, o pesquisador deve lançar mão dos conhecimentos em materiais compósitos. 2.3 Materiais Compósitos A tecnologia moderna exige a combinação de propriedades que os materiais comuns não podem atender, por este motivo o crescente emprego de materiais compósitos se deve principalmente ao fato dos altos índices de resistência e rigidez por unidade de peso, elevado amortecimento estrutural, resistência à corrosão em ambientes agressivos aos metais e uma boa tenacidade à fratura (LEVY e PARDINI, 2006). Entretanto, segundo Callister (2007), para se obter as propriedades mecânicas necessárias para essa combinação, o pesquisador deve lançar mão dos conhecimentos em materiais compósitos. Compósito é um sistema estruturado de materiais formado por duas ou mais fases em uma escala macroscópica, pois consiste em um material multifásico feito artificialmente, onde as fases constituintes devem ser diferentes e estar separadas por uma interface distinta em que seu desempenho mecânico e propriedades são projetados para serem superiores àqueles dos

23 23 constituintes atuando independentemente (DANIEL e ISHAI, 2006). Para que o material seja classificado como material compósito, os constituintes devem estar presentes em proporções maiores que 5%, as fases devem ter propriedades diferentes, e as propriedades do compósito devem ser notoriamente diferentes comparadas as dos materiais constituintes (DANIEL e ISHAI, 2006). Ainda para Daniel e Ishai (2006), as fases constituintes de um compósito são materiais monolíticos e comumente denominadas matriz (ou componente matricial), que é a fase contínua, e reforço (ou componente estrutural) que é a fase descontinua ou dispersa e por vezes, considera-se uma terceira fase distinta localizada entre a fase dispersa e a fase contínua, denominada interface. Segundo Panzera (2012) o compósito se define como a combinação de dois ou mais materiais sem a formação química de uma nova fase, exceto quando esta ocorre na região de interface entre as fases dispersa e matriz, sendo esta denominada de interfase. A Figura 2 abaixo representa a distinção das fases de um material compósito. Figura 2: Fases de um material compósito (DANIEL e ISHAI, 2006). Oferecer rigidez e resistência ao material compósito é a função da fase dispersa enquanto a fase matriz envolve o reforço protegendo-o contra ataques químicos, umidade, além de transferir os esforços para a fase reforçadora (MANO, 1991 e VENTURA, 2009). De acordo com Panzera (2012), o compósito não necessariamente deve optar por elevada resistência mecânica, pois outras características de desempenho podem ser demandadas como, propriedades elétricas, térmicas, ópticas, químicas e magnéticas. Os compósitos devem ser projetados para uma determinada finalidade, a fim de maximizar um determinado desempenho.

24 Tipos de compósitos e classificação Segundo Daniel e Ishai (2006) estes materiais podem ser classificados de acordo com o tipo de matriz, tipo de reforço, forma, processo, dentre outros critérios, sendo que as classificações mais encontradas na literatura são quanto à natureza da fase dispersa e da fase matriz. Em relação ao reforço, fase dispersa, os compósitos podem ser classificados, em compósitos laminados (reforçados por fibras) e compósitos particulados (reforçados por partículas) podendo ser materiais metálicos, poliméricos ou cerâmicos e também sintéticos ou naturais. Já as matrizes poliméricas termorrígidas ou termofixas, são aquelas em que a cura é uma reação irreversível, podendo ser feita pela ação do calor e a utilização de catalisadores, onde o produto final sempre é um material infusível e insolúvel (RATNA, 2009). Segundo Agarwal e Broutman (1990) uma partícula é naturalmente não fibrosa, podendo ter a forma esférica, cúbica, tetragonal, escamada ou quaisquer outras formas regulares ou irregulares. A fibra, por sua vez, é caracterizada pelo seu comprimento ser muito maior que a sua seção transversal, podendo ser de origem animal, vegetal (curauá, côco, sisal, bananeira, etc.) ou sintética (fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de aramida, etc.) (AGARWAL, B. D.; BROUTMAN, L. J. 1990, GAY, HOE e TSAI, 2003). A Figura 3 representa o organograma que exibe a classificação dos compósitos em relação ao tipo de reforço (CALLISTER, 2007). Figura 3: Classificação dos compósitos em relação ao tipo de reforço (CALLISTER, 2007). De acordo com a orientação, os compósitos fabricados com uma única camada de fibras podem ser classificados em continuas ou descontinuas, que também podem ser chamadas de

25 25 fibras curtas ou whiskers (CALLISTER, 2007). Ainda segundo Callister (2007) a Figura 4 ilustra a orientação do reforço em função da direção de aplicação da carga no material compósito, ou seja, compósito particulado (a), compósitos reforçados por fibras curtas orientadas (b) e whiskers (c). Figura 4: Orientação das fibras na fase reforçadora (CALLISTER, 2007). Em se tratando de aplicações, dentro da classe dos materiais compósitos, os que mais se destacam são os compósitos fibrosos ou materiais compósitos laminados a base de uma matriz polimérica e isto ocorre devido principalmente as suas propriedades em temperatura ambiente, facilidade na fabricação, baixo custo e por apresentarem resistência química superior aos materiais metálicos (ANTEQUERA, JIMENES e MIRAVETE, 1991; CALLISTER, 2007; ALMEIDA, 2007; VENTURA, 2009) Materiais compósitos laminados poliméricos De acordo com Callister (2007) os compósitos fabricados com camadas de fibras sobrepostas são denominados laminados, sendo unidirecionais ou multidirecionais. Os materiais compósitos laminados poliméricos normalmente são constituídos de fibras de elevado módulo de elasticidade e resistência mecânica envoltas em uma matriz de origem polimérica (PAUL e BUCKNALL, 2000; VENTURA, 2009). Dependendo do compósito a seqüência de empilhamento das lâminas pode ser realizada com as camadas em diferentes orientações, conforme ilustra a Figura 5 abaixo:

26 26 Figura 5: Laminado simétrico com camadas em diferentes orientações. (CALLISTER, 2007). De acordo com Joseph (1999), as frações de massa e volume das fibras devem ser devidamente estudadas, pois existe uma porção mínima e máxima que irá afetar significativamente as propriedades dos compósitos. Geralmente, o aumento do reforço promove o aumento das propriedades mecânicas, embora um alto carregamento de reforço possa vir a favorecer aglomeração de fibras assim como uma baixa dispersão da matriz (JOSEPH, 1999) Matrizes Poliméricas: termoplásticas e termorrígidas Polímero é um composto químico de peso molecular elevado, formado por muitas moléculas de tipos diferentes ou também por muitos monômeros que são moléculas pequenas e iguais, estas moléculas são unidas umas a outras por ligações covalentes, resultantes de muitas reações de adição ou de condensação (substituição) consecutivas (GUITIÁN, 1994; LEVI e PARDINI, 2006). Segundo Gorni (1995) a classificação conforme as características mecânicas que decorre, na verdade, da configuração específica das moléculas do polímero, talvez seja a mais importante. Sob este aspecto, os polímeros podem ser divididos em termoplásticos e termorrígidos ou termofixos (GORNI, 1995). Segundo Ratna (2009) as matrizes poliméricas termoplásticas, como o nylon e o polipropileno, se tornam dúcteis sob efeito do aquecimento fundindo e sob efeito de resfriamento se endurece. Matrizes poliméricas termorrígidas, ou termofixas, são aquelas em que a cura é uma reação irreversível, podendo ser feita pela ação do calor e a utilização de catalisadores. O produto final sempre é um material infusível e insolúvel (RATNA, 2009). A Tabela 1 apresenta as principais características de polímeros termoplásticos e termorrígidos.

27 27 Tabela 1: Principais características de polímeros termoplásticos e termorrígidos (NETO E PARDINI, 2006). TERMOPLÁSTICOS TERMORRÍGIDOS RECICLÁVEL MECANICAMENTE NÃO RECICLÁVEL MECANICAMENTE TEMPO ILIMITADO DE ARMAZENAMENTO TEMPO LIMITADO DE ARMAZENAMENTO ALTA VISCOSIDADE QUANDO FUNDIDO BAIXA VISCOSIDADE DURANTE O PROCESSAMENTO BAIXA RESISTÊNCIA À FLUÊNCIA ALTA RESISTÊNCIA À FLUÊNCIA TEMPERATURA DE USO LIMITADA ESTABILIDADE TÉRMICA E DIMENSIONAL ALTA RESISTÊNCIA TÉRMICA E DIMENSIONAL Resinas As resinas são polímeros determinados segundo sua origem podendo ser naturais, semisintéticas e sintéticas onde as resinas naturais são obtidas por meio de fontes animais, vegetais e minerais, já as semi-sintéticas derivam de produtos naturais, sofrendo modificação química e as resinas sintéticas são formadas através de reações de adição e condensação, a resina epóxi ER, a poliuretana PU, e o poli (acetato de vinila) PVAc, são exemplos deste tipo de resina (MANO e MENDES, 1999; RATNA, 2009). Segundo Ratna (2009) as resinas termorrígidas mais usadas são os poliésteres, poliuretanos, vinil-éster e resinas fenólicas; as quais são usadas principalmente para compor compósitos reforçados com fibras de vidro. As resinas epóxi, também são bastante utilizadas e possuem a vantagem de possuírem melhores propriedades mecânicas e melhores resistências à umidade do que os poliésteres, poliuretanos e as resinas vinílicas (RATNA, 2009). As resinas epóxi são polímeros termorrígidos de alto desempenho mecânico que contém pelo menos dois grupos epóxi terminais conhecido também como grupos oxirano ou etoxilina. (NETO e PARDINI, 2006). O grupo mais simples apresentado é o óxido de etileno, onde um átomo de oxigênio está ligado a dois grupos CH 2 ligados entre si, sendo comum a presença o grupo glicidil que contém no anel epóxi um carbono secundário (LEE e NEVILLE, 1967; RATNA, 2009): Assim como expressa a Figura 6 abaixo:

28 28 H 2 C CH 2 H 2 C CH CH 3 O O Figura 6: representação química do óxido de etileno Essas resinas são quimicamente compatíveis com a maioria dos substratos e exibem boa molhabilidade superficial, justamente pelos grupos polares que minimiza problemas relativos à interface resina/reforço (RUSHING, THOMPSON e CASSIDY, 1994). Recobrimentos protetivos, adesivos, equipamentos para indústria química, compósitos estruturais, laminados elétricos e encapsulados eletrônicos representam as aplicações mais incidentes deste material (NETO e PARDINI, 2006). Por esses motivos, a resina epóxi se torna objeto de estudo do presente trabalho Fase dispersa - reforços fibrosos Segundo Matthews (1994) o fato de possuir comprimento muito maior que a sua dimensão na secção transversal é o que caracteriza um reforço fibroso, no entanto, a razão de aspecto (L/d), que nada mais é que a relação entre o comprimento e o diâmetro, pode variar consideravelmente. Quando o objetivo principal é o aumento da resistência, o reforço fibroso deve ter alta razão de aspecto, possibilitando que a carga seja transferida através da interface e por exercer a função do transporte de carga, o reforço deve ser o componente mais forte e conseqüentemente possuir módulo elástico maior que o da matriz (MATTHEWS, 1994). Para Daniel e Ishai (2006), o aumento do módulo de rigidez e da resistência mecânica do polímero são os principais efeitos da incorporação de fibras de reforço numa matriz polimérica e a Regra da Mistura é utilizada para estimativa aproximada do módulo elástico longitudinal no composto, quando se trabalha com reforços de fibras longas ou contínuas, levando em conta a direção paralela às fibras dadas, assim como expressa a Equação 1. E c = E f. φ f + E m (1 φ f ) (1) Onde E c,e f e E m são respectivamente os módulos do compósito, da fibra e da matriz e φ f é a fração volumétrica da fibra (CHAWLA, 1998; JONES,1994). Ainda de acordo com

29 29 Chawla (1998) e Jones (1994), a equação acima é utilizada para compósitos de fibras longas unidirecionais onde exista a perfeita adesão entre os componentes que formam o compósito. As seções planas do compósito permanecem iguais após a deformação, exibindo um comportamento elástico linear até a ruptura (CHAWLA, 1998; JONES,1994). Segundo Kleba (2004), as fibras são flexíveis, macroscopicamente homogêneas, com alta relação entre comprimento e seção transversal, podendo ser sintéticas ou naturais, dispostas de forma continua ou descontinua, além de apresentarem uma variedade de formas como tecidos e mantas de diferentes arquiteturas. As propriedades físicas de uma fibra dependem de sua estrutura química e cada uma tem seu próprio aspecto quando analisada e submetida ao microscópio. Os compósitos reforçados por fibras contínuas normalmente apresentam melhor resistência mecânica do que os compósitos reforçados por fibras descontínuas e o critério decisivo para a escolha do tipo adequado de fibra é o seu módulo de elasticidade (KLEBA, 2004). Quanto às fibras, um tratamento superficial se torna essencial para prevenir a abrasão entre os filamentos e reduzir o atrito estático, facilitando a junção dos filamentos formando assim o fio, sendo este feito no processo de fabricação das fibras de vidro onde a camada protetora é chamada de sizing e o composto que faz a ligação do polímero com a fibra de vidro, é conhecido como agente de acoplamento (GAY, HOA e TSAI, 2003) Fibras de vidro De acordo com Aquino e Carvalho (1992), a fibra de vidro é considerada um dos principais agentes de reforço empregados para obtenção de materiais compósitos e ocupam posição de grande importância na indústria aeronáutica, automobilística e esportiva. Comercializados para esta finalidade desde a década de 40, as fibras de vidro têm contribuído para o uso crescente dos plásticos reforçados em aplicações que no passado eram reservadas exclusivamente aos metais e suas ligas (AQUINO E CARVALHO, 1992). Segundo Ventura (2009), atualmente existe uma gama bastante ampla de materiais compósitos de fibra de vidro, sendo este tipo de reforço bastante utilizado principalmente pelo seu baixo custo se comparado com outras fibras como carbono e aramida. Os materiais reforçados com fibras de vidro apresentam elevado quociente resistência/peso, boa estabilidade dimensional, resistência ao calor, bem como para com a umidade e corrosão e boas propriedades de isolamento elétrico (VENTURA, 2009).

30 30 As fibras de vidro proporcionam vantagens significativas, pois possuem excelente aderência fibra-matriz, baixo custo, facilidade no processamento, alta resistência à tração se comparada com outras fibras têxteis, resistência ao calor e ao fogo devido a sua origem inorgânica (mineral), alto ponto de fusão e ainda apresentam boa resistência química, à umidade, térmica e elétrica. (AQUINO e CARVALHO, 1992). De acordo com Aquino e Carvalho (1992), apesar das fibras de vidro serem comercializadas nas mais diferentes formas, um destaque maior é dado para estas duas formas: Tecidos onde dois tipos comerciais são encontrados, sendo eles, tecidos unidirecionais onde o número de fios é predominantemente mais elevado em um sentido, permitindo a obtenção de elevadas propriedades mecânicas na direção das fibras e tecidos bidirecionais onde os fios estão dispostos a 90 uns sobre os outros, na forma de trama e urdume (AQUINO e CARVALHO, 1992). Mantas são constituídos a partir de fibras curtas de aproximadamente 5 cm. As fibras estão dispostas de forma aleatória em várias camadas ao longo do tecido (AQUINO e CARVALHO, 1992). (a) (b) Figura 7: Tecido (a) e Manta (b) de fibra de vidro.

31 Tipos de fratura ou dano O material compósito pode ser submetido a vários tipos de tensões durante a sua utilização, as quais dão origem a um mecanismo complexo com vários tipos de fratura, definido como dano, isto se dá devido ao prejuízo ocorrido nas propriedades mecânicas deste material durante o carregamento (REIFSNIDER, 1995). O tipo e o sentido da carga aplicada, as propriedades físicas, químicas e mecânicas da fibra e da matriz, o processo de fabricação, a configuração do material compósito, os percentuais de fibra, matriz e vazios, a umidade absorvida e a temperatura de trabalho são fatores que influenciam o tipo e a forma de dano ocorrido (YANG et. al., 2000). Segundo Yang (2000), existe uma grande dificuldade de prever onde e como um dano se forma e, até mesmo, a sua propagação em um material compósito. Mesmo variando apenas um dos fatores acima mencionados a literatura mostra que, haverá variações significativas na formação e propagação do dano ( HULL, 1987). De acordo com Yang (2000), ruptura da fibra, falta de aderência fibra-matriz, microflambagem, fissuração na matriz e a delaminação são os principais tipos de danos encontrados nos materiais compósitos laminados, onde a fissuração na matriz, a ruptura de fibra e a desaderência fibra-matriz são tipos de danos que podem ocorrer em qualquer material compósito fibroso, porém a delaminação ocorre somente em compósitos laminados. Estes danos podem ocorrer em diversos tipos de carga aplicada, com exceção da microflambagem, que só ocorre com a aplicação de cargas compressivas (YANG et. al., 2000). com fibras Fatores influentes nas propriedades mecânicas dos compósitos reforçados As propriedades mecânicas de um compósito reforçado com fibras dependem principalmente da orientação das mesmas e o seu desempenho estrutural pode ser avaliado na direção do alinhamento das fibras e em diferentes frações de volume das fibras (JOSEPH et al., 2003). O processo de fabricação, o ângulo da fibra, a configuração do compósito, o percentual de fibra, o tipo de resina, a presença de vazios, as formas de carregamentos, o mecanismo de dano, a qualidade de interface, a presença de condições adversas de umidade e temperaturas e principalmente as propriedades dos elementos constituintes são fatores que podem influenciar

32 32 nas propriedades mecânicas dos compósitos. (TAVARES, 1999; AQUINO, 1999; MARGARIA, 1997). A interface fibra-matriz é responsável por transmitir os esforços de uma fase para a outra, por este motivo uma forte adesão entre as fibras e a matriz é desejada, caso isso não ocorra, inevitavelmente o material ficará sujeito à propagação de trincas em maiores escalas (SHACKELFORD, 1996; FU et al., 2008; RATNA, 2009). Segundo Shackelford (1996); Fu et al. (2008) e Ratna (2009), a interação entre os componentes na região interfacial depende efetivamente do grau de contato (molhabilidade) das superfícies na interface e das forças coesivas (adesividade) nesta região, onde a grande dificuldade é conseguir a combinação das diferentes características químicas no processo de compatibilização entre os componentes do compósito. Isto ocorre em razão das diferentes naturezas das ligações químicas envolvidas e da diferença entre os coeficientes de expansão térmica, portanto a qualidade de adesividade na interface acaba por se tornar um parâmetro bastante complexo no desenvolvimento de compósitos. (SHACKELFORD, 1996; FU et al., 2008; RATNA, 2009). De acordo com Ratna (2009) nos compósitos laminados, uma região de interface adequada é aquela onde toda a região da extensão superficial da fibra é devidamente impregnada ou molhada pela fase matriz. Pesquisas realizadas nas últimas décadas vêm apontando vantagens com a incorporação de partículas em nano e micro-escalas nas propriedades e desempenhos de materiais poliméricos reforçados com fibras (CHOWDHURY, HOSUR e JEELANI, 2007). As partículas apontam melhorias diretas na região de interface dos materiais (CAO e CAMERON, 2006). 2.4 Compósitos híbridos De acordo com Callister (2007), compósitos híbridos são formados pela utilização de mais de um tipo de fibra de reforço e/ou mais de um tipo de matriz, ou seja, os materiais compósitos híbridos apresentam na sua estrutura, combinações de vários tipos de reforços, mesclando fibras e partículas no mesmo material ou ainda combinando mais de um tipo de fibra ou de partícula no mesmo material. Quando existem dois tipos de reforço na mesma matriz, partícula e fibra, este tipo de compósito passa ser classificado como composto híbrido (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994; ZHENG, NING e ZHENG, 2005; CAO e CAMERON, 2006a; TSAI e CHENG, 2009).

33 33 De acordo com Cao e Cameron (2006), uma alternativa para melhorar o desempenho dos compósitos é a inserção de uma segunda fase reforçadora, além da fase laminada. Ainda segundo Cao e Cameron (2006), diversos estudos têm sido reportados envolvendo a fabricação de compósitos híbridos de matriz polimérica reforçada com fibras e nano/micro partículas de minerais cerâmicos e esses compósitos têm tornado-se cada vez mais populares devido à melhoria das propriedades mecânicas alcançadas. Vários trabalhos reportam que a fibra de vidro tem um bom efeito de reforçamento quando associadas com outro reforço, seja particulado ou fibroso (MOHAN e KISHORE, 1985) Resistência à flexão e ao impacto de compósitos híbridos A adição de partículas de elevada rigidez no polímero, permite que o mesmo tenha um ganho de propriedades como, melhoria da resistência mecânica (durabilidade, resistência à fadiga), aumento do módulo de elasticidade/rigidez do compósito, da resistência mecânica (tração, flexão ou compressão) e algumas vezes aumento da tenacidade/resistência ao impacto do compósito (ZATTERA, 2004; FU et al., 2008; PETHRICK, MILLER e RHONEY, 2009). Segundo Abot et al. (2008), materiais compósitos laminados são projetados para suportar cargas no sentido longitudinal das fibras. Uma solicitação mecânica direta no material faz surgir tensões interlaminares que provocam fissuras e se propagam ao longo dos planos de cada camada, levando o material a fratura, sendo essas tensões ocasionadas principalmente pela falha das fibras no sentido transversal ao laminado, pois é a região que o polímero exibe baixa rigidez (ABOT et al.; 2008). A solução encontrada por Abot et al.(2008) foi de criar um material composto laminado de fibra de carbono reforçado com nanopartículas onde os nanotubos, foram inseridos na região interlaminar exibindo uma resistência mecânica ao cisalhamento superior ao compósito de fibra pura. Entretanto não somente para materiais de fibra de carbono a inclusão de partículas se torna efetiva, Rosso et al. (2006) relataram que a inclusão de 11 wt.% de nanopartículas de sílica incrementam as propriedades mecânica dos compósitos de fibra de vidro como módulo de elasticidade e resistência à fratura. Cao e Cameron (2006a) pesquisaram compósitos com adição de micro partículas de sílica em fibra de vidro e encontraram uma melhora no desempenho ao impacto dos materiais, bem como na resistência à flexão (CAO e CAMERON, 2006a).

34 34 Manjunatha (2008) evidencia um aumento na resistência à fadiga de laminados de fibra de vidro com adição de 10 wt.% de nano-partículas de sílica. As observações gerais do autor supracitado são de que as matrizes modificadas são as principais razões para o aumento observado da vida em fadiga. Segundo Daud et al. (2009), compósitos de fibra de vidro com diferentes frações em massa de silicatos em proporções inferiores a 5wt.% na matriz polimérica, demonstram melhorias de aproximadamente 30% sobre a resistência à flexão bem como a resistência à compressão. Este ganho foi atribuído ao elevado fator de aspecto e rigidez dos silicatos nano estruturados (DAUD et al., 2009). Uddin e Sun (2008), reportaram melhorias nas propriedades de flexão e tração de compósitos fibrosos de vidro com a adição de nanopartículas de sílica. Segundo Tsai e Cheng (2009), esta ligação pode ser associada à redução do início e propagação de fraturas que levam o material à ruptura. O fenômeno de incremento na propriedade mecânica de compressão de compósitos de fibras de vidro, foi atribuído por Tsai e Cheng (2009) ao aumento da ligação interfacial entre as fibras e a matriz epóxi causado pela adição de nano partículas de sílica (40 wt.%). Ainda de acordo com Tsai e Cheng (2009), o desempenho de fadiga e fratura interlaminar são efetivamente incrementados com a adição de nano sílica em compósitos epoxídicos de fibra de vidro, podendo-se aumentar de três a quatro vezes a vida em fadiga do compósito de fibra de vidro com a adição de 10 wt.% de nanopartículas de sílica a fase matriz. A taxa de propagação de trincas e ruptura da matriz é suprimida pelas nanopartículas contribuindo para a maior vida e resistência à fadiga dos compósitos (MANJUNATHA et al., 2010). Não somente nanopartículas incrementam as propriedades dos laminados como foi demonstrado por Silva et al., (2012) e Santos et al., (2012) onde micro partículas de sília e carbeto de silício, promoveram um aumento das propriedades mecânicas de flexão dos compósitos de fibra de sisal e vidro, respectivamente. Como demonstrado nos trabalhos discriminados e confirmados pelas especulações de Fu et al., (2008), para ganho de propriedades mecânicas dos polímeros, basta adicionar partículas que possuam rigidez superior aos da própria fase polimérica. Contudo a inclusão de partículas reforçadoras em compósitos laminados se deve principalmente pela interação física e química da fase dispersa com a fase matriz, em que esta adesão depende principalmente das características físicas e químicas das partículas, como por exemplo, tamanho, porosidade, rugosidade superficial e afinidade química (SAVCHUK e KOSTORNOV, 2010).

35 Partículas de sílica De acordo com Kulcsar, Neto e Francisco (1995), a sílica (SiO 2 ) é um mineral muito duro e abundante, pois é encontrada nas areias e na maioria das rochas. Encontra-se a sílica na formas cristalinas, tais como o quartzo, a tridimita, a cristobalita e a trípoli, ou na forma amorfa como a sílica gel ou a sílica coloidal. (KULCSAR, NETO e FRANCISCO, 1995). As rochas que dão origem às areias silicosas são os arenitos e quartzitos, que são transformados ao longo dos tempos geológicos, originando os depósitos de areia ou formações de quartzito e o sílex, que possui estrutura amorfa e geralmente é de menor pureza que os minerais anteriores (PANZERA, 2007). A forma, dimensão e distribuição granulométrica da sílica são determinadas por características geométricas dos grãos de areia e a forma geralmente é determinada através de exame por meio de um microscópio estereoscópio ou uma lupa (MUCHON, 1986). De acordo com Muchon (1986), quanto à sua forma, os grãos de areia podem ser classificados como arredondados, subangulares ou angulares ilustrado na Figura 8. Figura 8: Formas características de grãos de areias silicosas (MUCHON, 1986). As propriedades físico-mecânicas da partícula de sílica são apresentadas na Tabela 2, obtidas pelo programa de seleção de materiais denominado Cambridge Engineering Selector (CES-4)) podem ser observadas na Tabela 2. Tabela 2: Propriedades físico mecânicas da partícula de sílica Propriedades Gerais Unidades Limite Inferior Limite Superior Densidade Mg/m³ 2,17 2,22 Conteúdo de Energia MJ/kg 38 45

36 36 Propriedades Mecânicas Unidades Limite Inferior Limite Superior Módulo de Elasticidade GPa Módulo de Cisalhamento GPa 27,9 32,3 Coeficiente de Poisson ,15 0,19 Limite de Elasticidade MPa Resistência à Tração MPa Resistência à Compressão MPa Resistência à Fratura MPa/m² 0,6 0,8 Fonte: CES Cimento Portland De acordo com Petrucci (1978), Joseph Aspdin em 1824 queimou conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando-as num pó fino e então observou que através deste método obtinha uma mistura que seca, tornava-se tão dura quanto as pedras empregadas nas construções. Esta mistura não se dissolvia em água e no mesmo ano foi patenteada pelo construtor, recebendo o nome de cimento Portland por apresentar cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland (PETRUCCI, 1978). Segundo Callister (2007), o cimento Portland é produzido pela moagem e mistura íntima de argila e minerais que contêm cal nas proporções adequadas, esta mistura resultante em seguida é aquecida em um forno rotativo até uma temperatura de aproximadamente 1400 C que produz alterações físicas e químicas nas matérias-primas este processo é conhecido como calcinação. As propriedades do cimento Portland, que incluem o tempo de pega e a resistência final, dependem da sua composição (CALLISTER, 2007). A Tabela 3 exibe uma analise química do cimento Portland CP V (Holcim) utilizado neste trabalho.

37 37 Tabela 3: Análise química do cimento Portland Cimento Portland SiO2 23,59 Al2O3 7,52 Fe2O3 2,48 CaO 55,85 MgO 2,96 SO3 1,47 Na2O 0,37 K2O 0,89 CO2 4,87 Perda ao Fogo (%) 5,08 Blaine (cm2/g) 5004 Fonte: Banco de dados O cimento Portland se torna objeto de estudo devido a suas propriedades mecânicas aqui apresentadas e impulsionados pela pesquisa de Panzera et al (2010), que descobrem o processo de hidratação do cimento pela resina. A formação de portlandita confere a matriz epóxi ganhos sob esforços de compressão mecânica (PANZERA et al, 2010). De acordo com Zheng, Ning e Zheng (2005) o ganho em compressão pode incrementar os valores de flexão do laminado, pois quando submetidos a cargas de flexão as partículas incrementam o valor da resistência ao cisalhamento na região compressiva do material, modificando dessa forma o valor da resistência à flexão do mesmo. 2.7 Planejamento fatorial de experimentos Segundo Montgomery e Runger (2003), planejamentos fatoriais são freqüentemente usados nos experimentos envolvendo vários fatores em que é necessário estudar o efeito

38 38 conjunto dos fatores sobre uma resposta, pois são a única maneira de descobrir interações entre variáveis. Em decorrência das necessidades da sociedade moderna, a pesquisa científica tem promovido grandes avanços em todos os campos da ciência, gerando uma gama crescente de dados e informações, sendo que para a devida exploração e o correto entendimento, a aplicação de ferramentas estatísticas torna-se indispensável (MONTGOMERY E RUNGER, 2003). Dentre os diversos tipos de planejamento experimental, os sistemas de planejamento fatorial destacam-se, pois permitem avaliar simultaneamente o efeito de um grande número de variáveis, a partir de um número reduzido de ensaios experimentais, quando comparados aos processos univariados (MONTGOMERY E RUNGER, 2003). Redução do número de ensaios sem prejuízo da qualidade da informação, estudo simultâneo de diversas variáveis, determinação da confiabilidade dos resultados, realização da pesquisa em etapas, seleção das variáveis que influenciam um processo, representação do processo estudado através de expressões matemáticas e elaboração de conclusões a partir de resultados qualitativos, são as vantagens que se destacam na da utilização do planejamento fatorial (MONTGOMERY E RUNGER, 2003).

39 39 CAPÍTULO 3 3. MATERIAIS E MÉTODOS trabalho. Este capítulo abordará os materiais e procedimentos experimentais adotados neste 3.1 Escolha dos fatores experimentais e seus níveis Os fatores e níveis experimentais foram selecionados com base em estudos de artigos publicados e nos objetivos discutidos neste projeto. Nesta pesquisa pretende-se identificar quais fatores/níveis apresentam efeito significativo sobre as variáveis-respostas. Foram estudados compósitos reforçados com fibra de vidro unidirecional, laminada com matriz termorrígida epóxi pura e com adição de partículas de cimento e sílica. Um planejamento fatorial do tipo 3 2, foi investigado neste experimento, totalizando 9 condições experimentais (Tabela 4). Os fatores experimentais (níveis) investigados foram: número de camadas de fibra de vidro (7, 9 e 12) e adição de partículas (sem, com sílica e com cimento). A fração de fibra de vidro em relação à fase matriz foi constante de 30%. A adição das micro partículas de cimento ou sílica na resina foi realizada utilizando a fração volumétrica de 5%, determinada pelos testes preliminares de compressão. A Tabela 4 demonstra os fatores e níveis do experimento. Tabela 4: Condições experimentais Corpos de Prova Partícula Camadas C1 Sem 7 C2 Sem 9 C3 Sem 11 C4 Cimento 5% 7 C5 Cimento 5% 9 C6 Cimento 5% 11 C7 Sílica 5% 7

40 40 C8 Sílica 5% 9 C9 Sílica 5% 11 O software estatístico Minitab (versão 16) foi utilizado para efetuar a análise estatística dos resultados obtidos para os compósitos em estudo. As ferramentas DOE (Design of experiments) e ANOVA (Análise de variância) foram utilizadas para identificação dos efeitos de fatores principais e interações sobre as variáveis respostas de interesse. 3.2 Materiais utilizados Fibra de vidro-e O tecido de fibra de vidro utilizado foi adquirido da empresa Owens Corning sendo distribuído pela empresa Mundo da Resina situada na cidade de Belo Horizonte - MG. O tecido é composto de fibra de vidro tipo E e com gramatura de 200 g/m 2 de acordo com a empresa fornecedora. Um aparato (Figura 9a) foi desenvolvido para a obtenção de tecido unidirecional de fibra de vidro (Figura 9b) sem esgarçamento das fibras. (a) (b) Figura 9: (a) aparato de madeira (b) fibras já alinhadas Fase matriz A fabricação dos compósitos laminados utilizou uma matriz termorrígida epóxi Araldite M e como agente do sistema catalítico foi usado o endurecedor RenShape HY 956,

41 41 ambos da empresa Huntsman, adquiridos na empresa Maxepoxi Indústria e Comércio Ltda em Belo Horizonte (Minas Gerais). A proporção utilizada de resina/endurecedor obedeceu a relação em proporção mássica fornecida pelo fabricante, sendo 100 partes de resina para 20 de endurecedor (5:1) Micro partículas Na composição dos laminados foram utilizadas micro partículas de sílica (Figura 10a) e cimento Portland CP-V (Figura 10b), sendo estas secas em estufa durante 72 horas na temperatura constante de 100º C e peneiradas nas faixas granulométricas entre 325 e 400 US - Tyler. (a) (b) Figura 10: a- Sílica peneirada b- Cimento peneirado 3.3 Testes preliminares para obtenção de porcentagem de micro partículas de sílica e cimento ensaio de compressão da matriz. A primeira parte dos testes preliminares consistiu na caracterização da fase matriz. Esta caracterização foi realizada na resina epóxi pura e com adição de percentuais de 3%, 5% e 10% de micro partículas de cimento e sílica. O melhor resultado foi utilizado na laminação do compósito híbrido. Os corpos de prova cilíndricos (40 mm de altura e 20 mm de diâmetro) foram preparados utilizando-se um molde de silicone (Figura 11), para realização de ensaios de compressão. Os métodos de ensaios bem como as dimensões dos corpos de prova, seguiram respectivamente as normas ASTM 695a (2010). A cura do polímero foi realizada à temperatura ambiente. Após o período de sete dias (cura total), os corpos de prova foram desmoldados e cortados a fim de garantir o paralelismo necessário para o ensaio de compressão (Figura 12).

42 42 Figura 11: fôrma de silicone para confecção dos corpos de prova Figura 12:ensaio de compressão 3.4 Processo de fabricação compósito laminado O processo de fabricação utilizado para a confecção do laminado de fibra de vidro-e foi o de moldagem manual Hand Lay-up (VISON e SIERAKOWSKI, 2002). O laminado foi obtido na forma de 01 (uma) placa, constituída por 7, 9 e 11 camadas de mantas de fibras de vidro-e unidirecionais, e com a adição de 5% de sílica ou 5% de cimento. O numero de camadas reforçadas para cada laminado é exibido na Tabela 4. Cabe ressaltar, que os corpos de prova foram fabricados considerando duas replicas numero mínimo para realização da analise estatística fatorial de experimentos. Tabela 5: Numero de camadas reforçadas Número de Camadas do compósitos Camadas reforçadas 7 (sete) camadas 3 (três) primeiras 9 (nove) camadas 4 (quatro) primeiras 11 (onze) camadas 5 (cinco) primeiras

43 43 O reforço nas camadas superiores objetivaram aumentar o MOR na região comprimida do material (acima da linha neutra) e consequentemente diminuindo a tração na região tracionada (abaixo da linha neutra), retardando o momento da fratura representado no esquema abaixo: A área do compósito laminado foi de 150mm x 10mm, e com espessura variando entre 0,9mm e 1,4mm (ver Figura 13). (a) (b) Figura 13: Fabricação do laminado (a) distribuição da resina (b) utilização do rolo para minimização de bolhas Os corpos de prova (Figura 14) foram cortados manualmente por meio de uma serra tico-tico, para a obtenção das dimensões (50,8x12,7 mm para laminados de espessura menor que 1,6) exigidas no ensaio de flexão-em-três pontos, conforme a norma ASTM D

2 Reforço Estrutural com Compósitos de Fibra de Carbono

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