Materiais compósitos

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1 Materiais compósitos Materiais formados de dois ou mais constituintes com distintas composições, estruturas e propriedades. O objetivo principal de se produzir compósitos é o de combinar diferentes materiais para produzir um único dispositivo com propriedades superiores às dos componentes unitários. O comportamento estrutural de um material compósito é governado: - pela geometria, - tipo de carregamento, - propriedades dos materiais. A combinação dos materiais é decidida de acordo com a necessidade da estrutura e a relativa importância de várias propriedades tais como: - força, - resistência a corrosão, - rigidez - peso - resistência a fadiga - expansão térmica, - propriedades eletromagnéticas - condutividade térmica - isolamento acústico - e estética. De acordo com Reddy (1997), os materiais compósitos são divididos em três grupos: Compósitos fibrosos consistem de fibras de um material como reforço em uma matriz constituída por outro material. Compósitos particulados compostos de partículas macroscópicas de um material como reforço em uma matriz formada por outro material. Compósitos laminados são constituídos por camadas de diferentes materiais, incluindo compósitos dos primeiros dois tipos, ou mesmo materiais isotrópicos tradicionais. A maioria destes materiais é do tipo compósitos fibrosos, os quais são formados por apenas duas fases, sendo que os materiais de reforço mais comuns são as fibras de vidro, carbono e aramida e os materiais de matriz mais utilizados são as resinas, as quais são exemplificadas pelos poliésteres, os vinis ésteres e o epóxi. Durante os últimos anos, foi observado um substancial desenvolvimento destes materiais para aplicações estruturais, sendo que a principal motivação foi a possibilidade de se produzir compósitos com baixa massa específica aliada a alta resistência mecânica que potencialmente poderiam substituir materiais usualmente utilizados como o aço e a madeira. As fibras As fibras existentes atualmente são divididas em dois grandes grupos, sendo as fibras naturais e as fibras sintéticas, e estes materiais são utilizados para as mais diversas aplicações. As fibras naturais são as fibras retiradas prontas da natureza, as mais comuns são as fibras de algodão, lã, seda, linho, etc. Já as fibras sintéticas são aquelas produzidas pelo homem, sejam elas de materiais naturais ou artificiais. São exemplos de fibras sintéticas o poliéster, a poliamida, acrílico, etc. Além disso, as fibras naturais e sintéticas ainda se dividem em outros subgrupos, sendo que as naturais se dividem em fibras vegetais, animais e minerais, e as fibras sintéticas se

2 dividem em polímeros naturais e polímeros sintéticos. Esta distribuição pode ser melhor compreendida através da Fig. 1. Figura1: Classificação das fibras Fibrocimento O fibrocimento é um material à base de cimento, com adições minerais (pozolânicas e/ou calcíticas) e com fibras de reforço distribuídas discretamente. Normalmente, no mercado nacional, o fibrocimento envolve o uso de matriz de cimento e fibras minerais de amianto ou fibras sintéticas como reforço, para produção de telhas cobertura, caixas d água, tubos e placas planas. A função principal das fibras é a de exercer o reforço mecânico da região matriz. Figura 2: Modelos de telhas de fibrocimento Fonte: Placa Cimentícia Lâmina de madeira Figura 3: Modelos de caixas d água e placas planas de fibrocimento Fonte: Madeira maciça, laminada ou sarrafeada

3 O cimento amianto Asbesto ou amianto é o nome geral que se dá a diversos tipos de silicatos minerais fibrosos cristalinos os quais possuem propriedades físicas e químicas únicas (Hannant, 1978; Coutts, 1988). As fibras constituintes do mineral asbesto são muito finas e podem facilmente ficar em suspensão no ar. Sob essas circunstâncias, a forma física e a inércia química destas fibras combinam-se para criar um grande problema à saúde dos trabalhadores de indústrias que manuseiam tal mineral ou outros expostos de forma similar. O cimento amianto foi inventado por L. Hatschek, um austríaco que em 1900 patenteou o processo de fabricação do cimento amianto sob o título de Processo de manufatura para folhas de pedras sintéticas e agentes de ligação hidráulica. As técnicas de manufatura do processo Hatschek permanecem basicamente as mesmas até hoje. Fibrocimento sem amianto Produtos de fibrocimento sem amianto, reforçados fibras sintéticas e polpa de celulose, curados ao ar, podem ser encontrados no mercado brasileiro. O surgimento de fibrocimento sem amianto tem-se consolidado pela implantação de normas vigentes, para placas corrugadas de cobertura (NBR 15210, partes 1, 2 e 3), ou em fase de elaboração, para placas planas (projeto 18:406.03), da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Fibrocimento com polpa celulósica As fibras vegetais, como reforço de matrizes base de materiais cimentícios, despertam grande interesse, por causa de seu baixo custo, disponibilidade, economia de energia e pela preservação ambiental. As fibras sintéticas também são empregadas: polivinil-álcool (PVA), polipropileno (PP) e poliacrilonitrila (PAN). Matérias-primas Aglomerantes e cargas minerais O cimento Portland é a matéria-prima de maior proporção em massa do fibrocimento. Os cimentos, no Brasil, diferenciam-se pela proporção de clínquer, sulfato de cálcio e adições, tais como escórias, pozolanas e material carbonático, acrescentados no processo de moagem. Pozolanas são utilizadas na forma finamente dividida e na presença de água, reagem com hidróxido de cálcio (CH) para formar compostos com propriedades cimentícias. Elas incluem produtos recicláveis, tais como cinza volante, cinza de casca de arroz, metacaulim e sílica ativa. São desejáveis também do ponto de vista ambiental. Fibras As principais finalidades de se reforçar a matriz frágil com fibras são o aumento das resistências à tração e ao impacto, a maior capacidade de absorção de energia e a possibilidade de uso no estágio pós-fissurado. O tipo, a distribuição, a relação comprimento-diâmetro e a durabilidade da fibra, assim como o seu grau de aderência com a matriz, determinam o comportamento mecânico do compósito e o desempenho do componente fabricado. Fibras minerais O amianto é uma fibra mineral natural sedosa, com propriedades diferenciadas: - resistência mecânica elevada - incombustibilidade

4 - boa qualidade isolante - durabilidade - flexibilidade - resistência ao ataque químico e biológico - abundância na natureza - baixo custo. É extraído de rochas compostas de silicatos hidratados de magnésio, nas quais de 5% a 10% se encontram em sua forma fibrosa de interesse comercial. Existem dois tipos de amianto: - As crisotilas, com alta concentração de magnésio e composição química 3MgO.SiO 2.H 2 O; - Os anfibólios, com alta concentração de ferro, cuja composição química é Na 2 O.Fe 2 O 3.O.SiO 2. Fibra Figura 4 Microscopia eletrônica de fibras minerais de amianto. Fonte: IBRACON Densidade real (kg/m 3 ) Alongamento na ruptura (%) Resistência à tração (MPa) Módulo de elasticidade (GPa) Amianto crisotila 2200 a a Quadro 1 Principais características físicas e mecânicas do amianto crisotila. Wollastonita Wollastonita é um metasilicato de cálcio (CaOSiO 2 ). Este mineral possui uma composição de 48,3 % de óxido de cálcio (CaO) e 51,7% de dióxido de silício (SiO 2 ), podendo apresentar pequenas quantidades de alumínio, ferro, magnésio, potássio e sódio (Virta, 1997). A wollastonita foi reconhecida em 1822 pelo químico inglês Sir Willian Wollaston. Esta resulta da transformação metamórfica de rochas carbonáceas com o quartzo. A principal utilização da wollastonita se dá como substituto para o amianto, na produção de cerâmica, tintas e plásticos. Também é usado em adesivos, produtos sujeitos à fricção e refratários entre outros. Fibras poliméricas As fibras sintéticas mais usuais são as de polivinil-álcool (PVA) e polipropileno (PP), ilustradas na Figura 5, e, em menor escala, as fibras de poliacrilonitrila (PAN). As fibras sintéticas são cortadas com comprimento entre 6 e 12 mm, empregam-se em pequenas frações em volume (± 6%) e se distribuem aleatoriamente ou com certo grau de orientação na matriz, de acordo com o processo produtivo.fibras sintéticas são cortadas. São de 30 a 60% mais caras que as fibras minerais.

5 Quadro 2 Propriedades mecânicas de fibras de polivinil-álcool (PVA) e polipropileno (PP) para fibrocimento (Motta, 2006). Fibras Módulo de Tensão máxima Deformação máxima elasticidade (GPa) (MPa) (mm/mm) PVA 5,0 a ,10 PP 4, ,24 Figura 5 (a) Seção de fibras de polipropileno (b) seção transversal de de polivinil-(pva). Fibras vegetais O estudo sistemático de fibras vegetais com finalidade de reforço de matrizes começou na Inglaterra em No Brasil, uma das pesquisas pioneiras coube ao Centro de Pesquisa e Desenvolvimento (Ceped), em Camaçari, Bahia, com início em Usualmente, no processo Hatschek, as fibras vegetais comerciais são empregadas na forma de polpas celulósicas, produzidas conforme processos dominados pela indústria de celulose e papel, e passam pelo processo de refinamento. O refino da polpa de celulose é um tratamento mecânico das fibras. Quadro 3 Fibras vegetais comerciais utilizadas na indústria de fibrocimento. BK = fibras obtidas pelo processo Kraft e branqueadas. NBK = fibras produzidas pelo processo Kraft e nãobranqueadas. Nome comercial Produtor País de origem Tipo de fibra Tipo de tratamento CF-16 Buckeye EUA Pinus (P. BK Technologies elliottii) CF-12 Buckeye EUA Pinus (P. NBK Technologies Canfor Canfor Pulp Limited Patnerniship Canadá elliottii) Pinus (P. glauca e P. contorta) NBK Celco Arauco Chile Pinus (P. NBK radiata) Sappi Sappi África do Sul Pinus (Pinus sp.) NBK Solombala Solombala Pulp Rússia Pinus (P. NBK Paper Mill Elliottii, taeda e Tasman Carter Holt Harvey Lwarcel Lwarcel Celulose e Papel VCP Votorantim Celulose e Papel patula) Nova Zelândia Pinus (P. radiata) Brasil Sisal (Agave sisalana) Brasil Eucalipto (Eucalyptus sp.) NBK NBK BK e NBK

6 Processos de fabricação Processo Hatschek O processo Hatschek é o mais empregado na produção de placas planas e onduladas de fibrocimento. Uma suspensão bem diluída de fibras, cimento e aditivos é misturada em um grande tanque onde cilindros rotatórios captam essa pasta por meio de sucção, removendo a água da mistura até a obtenção de mantas com a espessura desejada (formadas por lâminas de aproximadamente 1 mm cada uma). A massa utilizada no processo Hatschek contém somente 20% de sólidos. As matérias-primas comumente utilizadas são: cimento Portland, sílica ativa, material carbonático, polpa de celulose, fibras poliméricas ou de amianto. Figura 7 Esquema do processo Hatschek para produção de placas planas e onduladas de fibrocimento (adaptado de Dias et al., 2007). Figura 8: Método Hatschek para produção de placas planas e telhas onduladas. Máquina formadora e desenforme. Fonte: Savastano Jr & Santos (2007) Processo Mazza Este processo é utilizado para a fabricação de tubos de pressão feitos de cimento amianto sendo uma modificação do processo Hatschek. Processo Magnani Neste processo a taxa sólidos/água está próxima a 0,5 e a mistura é aquecida e bombeada em um cinto onde a mesma é prensada e nivelada por rolamentos. Tanto os cintos quanto os rolamentos podem ser feitos de forma a se poder fabricar tanto folhas corrugadas quanto lisas. O processo de fabricação industrial de caixas d água com formato similar ao cilíndrico baseia-se no método conhecido como Magnani modificado. Essas caixas, no mercado nacional, têm altura na faixa de 595 mm a 797 mm e diâmetro máximo entre 733 mm e 1234 mm. A massa utilizada nesse processo de fabricação é consistente, pois a concentração de sólidos é de aproximadamente 1:1 em relação à água, e ela é aplicada em uma única camada sobre o molde.

7 Figura 9 (a) Método Magnani para produção industrial de (b) Acabamento da superfície externa da caixa d água por meio de roletes (cortesia do Prof. Moacyr John, Escola Politécnica da USP). Processo de extrusão de Manville As fibras de asbesto, o cimento, a sílica fina e plastificantes como o óxido de polietileno são inseridas em um misturador com água suficiente apenas para produzir uma mistura rígida. A mistura é então forçada através de uma prensa de aço com aquecimento, para produzir seções extrudadas de perfil desejado. Características gerais do fibrocimento Microestrutura A interface (região de contato entre a fibra e a matriz) desenvolve é importante na transmissão da tensão entre as duas fases, no aumento da energia de fratura do compósito e no deslocamento das fissuras. A ligação interfacial pode ser química, física ou a combinação entre elas. O desempenho mecânico do compósito está diretamente relacionado com as propriedades da interface fibra-matriz. Ligações muito fortes entre fibra e matriz resultam material frágil com resistência elevada, ao passo que ligações fracas resultam em menor resistência e alta energia específica. A idade do fibrocimento influencia a porosidade e os produtos de hidratação, que se formam na interface. A degradação das fibras celulósicas e sua relação com a presença de portlandita é importante nas idades mais avançadas. Fibras de perfil irregular conferem acréscimos de até 10% na resistência à tração do compósito, em comparação à resistência obtida com fibras retas e lisas. Efeitos semelhantes foram obtidos, quer pela fibrilação, no caso das fibras de amianto, quer pela variação do diâmetro ao longo do comprimento, para as fibras vegetais. Propriedades mecânicas As propriedades mecânicas dos fibrocimentos são o resultado da combinação das características da matriz, das fibras e da interface entre fibras e matriz. Na avaliação do desempenho mecânico dos compósitos fibrosos, observam-se os seguintes parâmetros: características físicas, químicas e mecânicas dos materiais componentes, ou seja, fibra e matriz; geometria das fibras, seção transversal e comprimento; arranjo, orientação e dispersão das fibras; proporção entre os materiais componentes; características da interface dos materiais; quantidade e distribuição de tamanho de poros.

8 Durabilidade Telhas de fibrocimento estão sujeitas à degradação causada pelas intempéries, durante os ciclos de calor e chuva por exemplo, no caso de climas tropicais. Por serem porosas, elas absorvem água durante a chuva e secam ao serem expostas à radiação solar, sob determinadas condições de temperatura e umidade. O cimento-amianto é altamente resistente à degradação sob intempéries. Na introdução de um novo material e/ou elemento construtivo, como no caso do fibrocimento sem amianto recentemente lançado no mercado nacional, a demonstração da durabilidade é fundamental. Diversos fatores promovem alterações no material das telhas de fibrocimento, a saber: atmosféricos, biológicos, de carga, de uso e de incompatibilidade entre fases constitutivas. Essas alterações podem afetar o desempenho das telhas. As transformações desfavoráveis ocasionam a degradação das telhas. Os efeitos da degradação no desempenho dos componentes construtivos resultam da soma dos efeitos da degradação das fases: matriz, fibra e zona de transição fibra/matriz. Em fibrocimentos com matriz de cimento Portland, a resistência ao meio alcalino é uma propriedade fundamental para os materiais utilizados como reforço. As fibras sintéticas resistentes a álcalis, como as de polipropileno, PP, e polivinil-álcool, PVA, por sua vez, são consideradas duráveis em matrizes de cimento Portland. A degradação das fibras de celulose, na matriz alcalina de cimento Portland, tem sido considerada o principal problema de durabilidade dos fibrocimentos sem amianto, e são objeto de vários estudos. Os ensaios de envelhecimento acelerado dão resposta em curto prazo. Um dos ensaios mais utilizados para avaliar a durabilidade de fibrocimentos destinados a componentes de cobertura é o de ciclos de calor e chuva, com intuito de reproduzir os principais mecanismos de degradação em situações normais de uso. Um ciclo é composto de 2 h e 50 min de emissão de calor (em infravermelho) a 70ºC, e aspersão de água em temperatura ambiente por igual período. A metodologia para esse ensaio está padronizada na norma brasileira para telhas onduladas de fibrocimento sem amianto (NBR parte 2, ABNT, 2005). Considerações adicionais A ciência dos materiais colabora para a incorporação eficiente de adições minerais e fibras vegetais e sintéticas, com intuito de incrementar o desempenho e a vida útil, a partir da modificação da microestrutura do fibrocimento. O domínio de tal conhecimento tem ajudado a fornecer subsídios aos projetos dos elementos construtivos, para que atinjam o melhor comportamento possível em suas diferentes aplicações. A partir de modelos teóricos e experimentais, têm sido criados novos fibrocimentos e superadas as deficiências daqueles existentes, em resposta às grandes pressões sociais e econômicas do setor habitacional brasileiro. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15210: Telha ondulada de fibrocimento sem amianto e seus acessórios - Parte 2: Ensaios, 2005). ISAIA, G. C. Materiais de construção civil e Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais. São Paulo: IBRACON, Volume 2, páginas 983 à REDDY, J.N. (1997), Mechanics of Laminated Composite Plates: theory and analysis, CRC Press, Inc., ISBN