COMPÓSITOS LAMINADOS DE FIBRAS DE UHMWPE EM MATRIZES DE EVA E DE PEBD

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1 COMPÓSITOS LAMINADOS DE FIBRAS DE UHMWPE EM MATRIZES DE EVA E DE PEBD Joseana B. Vernini¹, ², Francisco C. L. Melo², Cristina M. A. Lopes²* 1 Escola de Engenharia de Lorena EEL USP,Campus 1, Lorena-SP 2 Divisão de Materiais/Instituto de Aeronáutica e Espaço, AMR/IAE São José dos Campos-SP - cmoniz@iae.cta.br Os compósitos de fibras de polietileno de ultra alta massa molar (UHMWPE) tem sido bastante utilizados para aplicações em blindagem balística. O objetivo desse trabalho é construir estruturas laminares a partir de fibras de UHMWPE de origem nacional, avaliando o efeito da matriz nas propriedades do compósito. Na preparação dos laminados foram utilizados como matrizes os géis do copolímero etileno-acetato de vinila (EVA) e do polietileno de baixa densidade (PEBD). Os laminados obtidos foram empilhados e compactados a vácuo e processados em autoclave. Foram avaliadas as propriedades morfológicas, mecânicas e térmicas dos laminados e dos laminados pós-processados. Os resultados de MEV mostram que a morfologia da superfície dos laminados apresenta alterações em função da matriz polimérica, que são resultantes das diferentes interações matriz/solvente/fibra que ocorrem para cada polímero. As amostras preparadas com PEBD apresentam maior resistência ao impacto e menor módulo de flexão. A análise de DSC mostrou que a montagem e o processamento dos laminados não afetaram as propriedades térmicas das fibras. Palavras-chave: laminados balísticos, fibras poliméricas, géis poliméricos Laminated Composites of UHMWPE Fibers with EVA and LDPE matrices Composites based on fibers of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) are successfully replacing many conventional materials for ballistic applications. The main purpose of this work is to build laminated structures using UHMWPE national fibers, evaluating the effect of different matrices in the composite properties. The 0º/90º cross-ply laminates were prepared using gels of ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) and low density polyethylene (LDPE) as matrices. The laminates were vacuum-compacted and autoclave-compressed for preparation of panels. The morphology, mechanical and thermal properties of the laminates and/or panels were evaluated. SEM analysis show that the composite surface morphology is affected by the polymeric matrix used in the preparation of the gel, what may be a result from the differences in the matrix/solvent/fiber interactions which take place for each polymer. The samples prepared with LDPE present the highest impact resistance and the lowest flexural modulus. DSC analysis show that thermal properties of fibers are not affected by neither preparation or processing of the laminates. Keywords: compliant laminates, polymer fibers, polymer gels Introdução Painéis constituídos de compósitos são hoje o que há de mais moderno e efetivo em termos de proteção balística [1]. A tendência atual nos projetos de blindagens está direcionada para uma melhor relação proteção/peso e em conseqüência, os materiais a base de fibras e matrizes poliméricas, por possuírem uma maior resistência especifica, vêm substituindo, com sucesso, diversos materiais convencionais, tais como aço e liga de alumínio [2]. A blindagem têxtil laminada comporta-se no impacto balístico como um material conjugado, pois além de resistir parcialmente à ação de penetração do projétil, absorve a energia de impacto resultante do choque do projétil com o alvo [3,4].

2 As fibras poliméricas mais utilizadas em laminados para aplicações balísticas são as de p- aramida e as de polietileno de ultra alta massa molar (UHMWPE). O principal requisito para uma fibra polimérica ser utilizada para esse fim é a elevada tenacidade. A matriz de um laminado balístico também pode ter um papel importante no processamento dos painéis e nos mecanismos de absorção da energia de impacto. O objetivo desse trabalho é construir estruturas laminares a partir de fibras de UHMWPE de origem nacional, avaliando o efeito da matriz nas propriedades do compósito. Experimental Materiais Neste trabalho foram utilizadas fibras de UHMWPE de origem nacional desenvolvidas pela Braskem via processo de fiação a gel, com diâmetro em torno de 40 µm, e ainda não disponíveis no mercado. Os polímeros utilizados como matrizes foram o copolímero etileno-acetato de vinila (EVA) com teor de acetato de vinila de 19% e o polietileno de baixa densidade (PEBD), ambos também produzidos pela Braskem (Tabela 1). Tabela 1 Materiais utilizados no preparo dos géis para matrizes Obtenção de gel polimérico a ser utilizado como matriz Para obtenção dos géis, os pós de EVA e de PEBD foram misturados com tetralina (8% em massa). As misturas foram colocadas em uma estufa de circulação forçada de ar, marca Thermosolda, modelo VF 655, à temperatura de 140ºC por 10 minutos, tempo suficiente para a total dissolução dos polímeros. Após serem retiradas da estufa, as soluções foram imediatamente colocadas em banho de gelo, e mantidas por aproximadamente 10 minutos até completar a formação do gel [5]. Montagem e processamento dos laminados Para a montagem manual dos laminados, um gabarito de alumínio (150 mm x 150 mm) foi recoberto com um filme desmoldante polimérico. A primeira camada de fibra é montada, seguida

3 pela aplicação de uma camada do gel da matriz. Uma segunda camada de fibra orientada perpendicularmente à primeira é então montada, finalizando com uma outra película de matriz (Figura 1). Os laminados obtidos foram colocados em estufa a vácuo por 10 minutos na temperatura de 90ºC. Após a secagem, 18 camadas de laminado, com espessura aproximada de 0,2 mm cada, foram empilhadas e acondicionadas em bolsas de vácuo para posterior processamento em autoclave a 120ºC e 7 bar. Figura 1 - Preparação do laminado nacional de UHMWPE. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) Os laminados foram metalizados com liga de ouro/paládio no equipamento JEOL modelo JEE 4B e subseqüentemente analisados, através do sinal gerado pelos elétrons secundários, sob vácuo, corrente de 500 pa, tensão de aceleração de 15kV. Ensaio mecânico de impacto - Charpy O ensaio de resistência ao impacto foi realizado conforme a norma ASTM D5942, na temperatura ambiente, em uma máquina pendular de ensaio marca EMIC, com martelo 5,4 J e distância de 26 mm. A partir dos painéis processados, foram preparados cinco corpos de provas de 80 mm x 12 mm x 3 mm.

4 Ensaio mecânico de flexão Os ensaios de resistência à flexão em três pontos foram realizados em um equipamento Instron, modelo 4301, em temperatura ambiente (24 a 26 o C) de acordo com a norma ASTM D790. Foram preparados cinco corpos de prova de 90 mm x 10 mm x 3 mm. Análise térmica por calorimetria diferencial de varredura (DSC) A caracterização térmica foi realizada utilizando-se o equipamento DSC Q-100 da TA Instruments. Para as amostras de laminados foi utilizado o método A e para os painéis processados e as fibras de UHMWPE, o método B. Em todas as condições de ensaio foram utilizadas taxas de aquecimento/resfriamento de 10 o C/min e fluxo de N 2 de 50 ml/min. Tabela 2 - Métodos para a análise de DSC Resultados e Discussão Microscopia eletrônica de varredura (MEV) Comparando-se os laminados preparados com EVA e PEBD no mesmo solvente e temperatura (Figura 2), a morfologia de superfície apresenta alterações em função do polímero da matriz utilizado no preparo do gel, que são resultantes das diferenças nas interações matriz/solvente/fibra que afetam a afinidade com as fibras e as características reológicas de cada gel. De maneira geral a matriz recobre preferencialmente as fibras não resultando na formação de um filme contínuo.

5 Figura 2 - Morfologia da superfície das amostras preparadas com o gel de EVA e PEBD em tetralina a 140ºC. Lado (A): sem camada de gel e lado (B): com camada externa de gel. Ensaios mecânicos de impacto e flexão A Figura 3 apresenta os perfis das curvas de flexão obtidos para os compósitos. A partir desses dados foram calculados os valores do módulo de flexão que estão apresentados na Tabela 3. Pode-se observar que a amostra preparada com o gel de PEBD possui menor resistência à flexão comparada com o painel preparado com EVA. Os resultados do ensaio de impacto também estão apresentados na Tabela 3. As amostras preparadas com gel de PEBD apresentam valor de resistência ao impacto ligeiramente maior em relação ao gel de EVA. Embora os valores estejam próximos considerando o erro experimental, a diferença é corroborada pelos resultados de módulo de flexão, pois nesse tipo de compósito, a resistência à flexão é inversamente proporcional à resistência ao impacto [1]. 1,5 PEBD/Tetralina/140ºC EVA/Tetralina/140ºC Força (kn) 1,0 0,5 0, Deslocamento (mm) Figura 3 Curvas Força versus Deslocamento obtidas em ensaio de flexão de compósitos de fibras de UHMWPE preparadas com matrizes de gel de EVA e PEBD em tetralina a 140ºC.

6 Tabela 3 Propriedades mecânicas dos compósitos de fibras de UHMWPE preparados com matrizes de gel de EVA e PEBD em tetralina a 140ºC Energia de impacto, kj/m 2 Módulo de flexão, MPa EVA/tetralina 67 ± ± 83 PEBD/tetralina 74 ± ± 71 Análise térmica por calorimetria diferencial de varredura (DSC) A Figura 4 mostra a curva de DSC obtida para a fibra de UHMWPE de origem nacional. A temperatura de fusão obtida foi de 143 ºC e entalpia de fusão de 173 J/g. Figura 4 - Curva de DSC das fibras de UHMWPE de origem nacional. Na Tabela 4 pode se observar que as temperaturas de fusão das fibras obtidas para os laminados com matriz de EVA e PEBD em tetralina estão próximas as da fibra de UHWMPE. No entanto, no caso dos materiais processados em autoclave, observou-se um pequeno aumento na temperatura de fusão da fibra nos laminados com os dois tipos de matriz. Esse resultado pode estar ligado às interações entre fibra/matriz e alterações na cristalinidade das fibras, efeitos que serão posteriormente investigados. Tabela 4 - Temperaturas de fusão das fibras de UHMWPE nos laminados e nos painéis processados, obtidas por DSC

7 As temperaturas de fusão dos polímeros da matriz nos laminados e nos painéis processados estão apresentadas na Tabela 5. Tabela 5 - Temperaturas de fusão do EVA e do PEBD nos laminados e nos painéis processados, obtidas por DSC Podemos observar que não houve alteração na temperatura de fusão dos polímeros após passarem pelo processo de gelação, montagem e processamento dos laminados, comparativamente aos materiais de partida (Tabela 1). Esse resultado indica que não ocorreram alterações estruturais significativas nesses materiais, como por exemplo, degradação. Porém, analisando-se as Figuras 5 e 6, que mostram as curvas do DSC de onde os dados das tabelas 4 e 5 foram extraídos, observam-se diferenças no perfil e intensidade no pico de fusão para o PEBD após processamento sugerindo alterações na microestrutura cristalina. 1 Laminados 0 Fluxo de Calor (W/g) -1-2 EVA/Tetralina/140ºC PEBD/Tetralina/140ºC Temperatura(ºC) Figura 5 Curvas de DSC dos laminados em matriz de EVA e PEBD em tetralina a 140ºC.

8 1 Laminados pós-processados 0 Fluxo de calor (W/g) EVA/Tetralina/140ºC PEBD/Tetralina/140ºC Temperatura (ºC) Figura 6 Curvas de DSC dos painéis processados obtidos com matriz de EVA e PEBD em tetralina a 140ºC. Conclusões As características morfológicas dos laminados preparados com matriz de PEBD e EVA apresentam variações devido às diferentes interações entre matriz/solvente/fibra. Os compósitos de gel de PEBD apresentam resistência ao impacto ligeiramente maior em relação ao painel com matriz de EVA, porém, menor valor de módulo de flexão. Esse comportamento é esperado devido à contribuição da flexibilidade do material para a absorção de energia. A princípio, a maior interação entre as camadas dos laminados, que pode ocorrer no caso da matriz do copolímero devido à presença dos segmentos vinílicos, resulta em material mais rígido e, portanto, com menor capacidade de absorver impacto. Os resultados de DSC mostraram que a etapa de montagem e o processamento dos laminados de UHMWPE não alteram as propriedades térmicas das fibras. No entanto, algumas características da matriz de PEBD foram afetadas pelo processamento em autoclave. A matriz desses materiais desenvolvidos para fins balísticos, embora constitua em torno de apenas 10% em massa do compósito, pode definir algumas propriedades que serão importantes para adequar o material a uma solicitação especifica. Agradecimentos Os autores agradecem à empresa Braskem por ceder as fibras e polímeros das matrizes, e à Divisão de Química (AQI) do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) pela caracterização térmica.

9 Referências Bibliográficas 1. I.M. Ward; P.J. Hine Polym. 2004, 45, Y. Wu; et. al. J. Mater. Sci. Tech. 2002, 18, B.A. Cheeseman; T.A. Bogetti Compos. Struct. 2003, 61, S.A. Taylor; D.J. Carr J. Micros. 1999, 196, K. Takagi; et. al. Polym. Gels Netw. 1996, 4, 229.