UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO USF CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA CIVIL GILBERTO GENEROSO GONÇALVES JÚNIOR

Transcrição

1 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO USF CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA CIVIL GILBERTO GENEROSO GONÇALVES JÚNIOR O POLÍMERO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL: Comparativo entre a eficiência mecânica do material e os materiais convencionais de construção civil. Dezembro de 2006

2 GILBERTO GENEROSO GONÇALVES JÚNIOR O POLÍMERO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL: Comparativo entre a eficiência mecânica do material e os materiais convencionais de construção civil. Monografia apresentada junto à Universidade São Francisco USF como parte dos requisitos para a aprovação na disciplina Trabalho de Conclusão de Curso. Área de concentração: Estruturas Orientador: Prof. André Bartholomeu. Itatiba SP, Brasil Dezembro de 2006

3 ii À medida que se conhece o erro, não existe mais erro. Autor desconhecido.

4 iii AGRADECIMENTOS Meus agradecimentos às empresas EMAC e PROTEC que contribuíram, fornecendo amostras de seus produtos, catálogos e principalmente apoio à novas pesquisas, ao orientador Prof. Dr. André Bartholomeu, ao Prof. Dr. Júlio Soriano, e aos demais que contribuíram para realização deste trabalho.

5 iv SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... ix LISTA DE TABELAS... xii RESUMO... xiii PALAVRAS-CHAVE... xiii 1 INTRUDUÇÃO Histórico CONCEITOS Fontes de matérias-primas Estrutura molecular dos polímeros Reações químicas Arranjo molecular Combinação dos arranjos Peso molecular Polímeros Cristalinos e Amorfos CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS Termoplásticos Termorrígidos ou Termofixos Elastômeros ALGUNS POLÍMEROS DE IMPORTÂNCIA INDUSTRIAL Polímeros de uso geral Polietileno (PE) Polipropileno (PP) Poliestireno (PS) Policloreto de vinila (PVC) Polímeros de engenharia Politereftalato de etileno (PET) Policarbonato (PC) Propriedades e aplicações de alguns polímeros termorrígidos Poliftalato maleato de propileno (PPPM) ou Poliéster insaturado Resina epoxídica (ER) ou Epóxi Resina de fenol-formaldeído (PR) ou Baquelite Resina de uréia-formaldeído (UR) ou Resina uréica... 33

6 v 5 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS POLÍMEROS Propriedades mecânicas Resistência à tração Módulo de elasticidade Resistência à compressão Resistência à flexão Propriedades térmicas Alterando as propriedades dos polímeros Aditivos mudança de propriedades específicas Reforços mudança na resistência Corantes mudança na aparência Efeitos ambientais sobre os materiais poliméricos PROCESSAMENTO DOS POLÍMEROS Injeção Extrusão Moldagem por sopro Termoconformação Pultrusão Laminação Moldagem CUSTO DOS MATERIAIS Classificação MATERIAIS ANALISADOS Materiais convencionais Madeira eucalipto citriodora Características gerais Propriedades físicas Propriedades mecânicas Outras propriedades mecânicas Usos em geral Observações Aço carbono SAE 1010 e SAE Materiais alternativos... 58

7 vi Poliéster Insaturado Resina Epóxi Fibra de vidro OBJETIVO ENSAIOS Ensaio de tração Propriedades do ensaio Ensaio de flexão Ensaio de Compressão METODOLOGIA Procedimentos de ensaio à tração do aço SAE Procedimentos de ensaio à tração do eucalipto citriodora Determinação do teor de umidade Ensaio Procedimentos de ensaio à tração do poliéster reforçado Ensaio do poliéster Ensaio à flexão do perfil metálico SAE Ensaio à flexão do perfil epóxi reforçado com fibras de vidro Ensaio à flexão do eucalipto citriodora através de um perfil U Ensaio à flexão do eucalipto citriodora de seção retangular cheia Ensaio à compressão do eucalipto citriodora RESULTADOS Ensaio à tração Ensaio à flexão Ensaio à compressão Relação entre densidade e resistência dos materiais analisados CONCLUSÃO REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A Normas ASTM APÊNDICE B Siglas da literatura sobre plásticos

8 vii LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Morris Cohen... 1 Figura 1.2 Charles Goodyer... 2 Figura1.3 Alexander Parkers... 2 Figura 1.4 John W. Hyatt... 2 Figura 1.5 Leo H. Baekeland... 3 Figura 1.6 Adolf Von Bayer... 3 Figura 1.7 Hermann Staudinger... 3 Figura 1.8 Wallace H. arothers... 3 Figura 1.9 Paul Flory... 4 Figura 1.10 Karl Ziegler... 4 Figura 1.11 Giuglio Natta... 4 Figura 2.1 Obtenção de alguns polímeros a partir do carvão mineral... 9 Figura 2.2 Obtenção dos principais monômeros a partir do petróleo Figura 2.3 Formação de uma macromolécula Figura 2.4 Formação de um polímero Figura 2.5 Reação de polimerização por etapas Figura 2.6 Reação de polimerização em cadeia Figura 2.7 Tipos de ramificações que as reações podem assumir Figura 2.8 Representação esquemática de polímeros Figura 2.9 Cadeia composta por moléculas de diferentes tamanhos Figura 2.10 Equipamento de GPC Figura 2.11 Esquema de funcionamento do equipamento GPC Figura 2.12 Estrutura cristalina Figura 2.13 Estrutura Amorfa Figura 3.1 Garrafas de politereftalato de etileno (PET) Figura 3.2 Utilização de polímeros na construção de aeronaves Figura 3.3 Pneu composto por vários elastômeros Figura 4.1 Produção de polímeros no Brasil, em Figura 4.2 Alguns exemplos de utilização do polietileno Figura 4.3 Alguns exemplos de utilização do polipropileno Figura 4.4 Alguns exemplos de utilização do poliestireno Figura 4.5 Alguns exemplos de utilização do policloreto de vinila (PVC)... 26

9 viii Figura 4.6 Aplicações do PVC, no Brasil em Figura 4.7 Alguns exemplos de utilização do politereftalato de etileno (PET).. 28 Figura 4.8 Alguns exemplos de utilização do policarbonato (PC) Figura 4.9 Distribuição do consumo de policarbonato Figura 4.10 Alguns exemplos de utilização do propileno (PPM) Figura 4.11 Alguns exemplos de utilização da resina epoxídica (ER) Figura 4.12 Alguns exemplos de utilização da baquelite (PR) Figura 4.13 Alguns exemplos de utilização da resina uréica (UR) Figura 5.1 Ilustração do comportamento não-linear dos plásticos Figura 5.2 Resistência à tração dos materiais Figura 5.3 Módulo de elasticidade dos materiais Figura 5.4 Resistência à compressão dos materiais Figura 5.5 Resistência à flexão dos materiais Figura 6.1 Aspecto de uma maquina injetora Figura 6.2 Esquema de funcionamento de uma máquina injetora Figura 6.3 Moldagem por extrusão Figura 6.5 Moldagem por sopro Figura 6.6 Moldagem por termoconformação Figura 6.7 Esquema do processo por pultrusão Figura 6.8 Esquema do processo de laminação Figura 8.1 Aspectos macroscópicos da madeira Figura 8.2 Aspectos microscópicos da madeira Figura 8.3 Aspectos microscópicos do aço SAE Figura 8.4 Aspectos microscópicos do poliéster com fibras Figura 8.5 Aspectos microscópicos da resina epoxídica com fibras Figura 10.1 Aplicação de uma carga de tração em um corpo-de-prova Figura 10.2 Diagrama tensão-deformação Figura 10.3 Aplicação de uma carga de flexão em um corpo-de-prova Figura 10.4 Aplicação de uma carga de compressão em um corpo-de-prova.. 68 Figura 11.1 Corpo-de-prova à tração Figura 11.2 Medições iniciais do corpo-de-prova Figura 11.3 Ensaio à tração do aço SAE Figura 11.4 Medição após o ensaio à tração... 70

10 ix Figura 11.5 Gráfico do ensaio à tração do aço SAE Figura 11.6 Corpo-de-prova de ensaio à tração do eucalipto citriodora Figura 11.7 Corpo-de-prova para determinação da umidade Figura 11.8 Adaptação nas cabeças do corpo-de-prova Figura 11.9 Ensaio à tração do eucalipto citriodora Figura Gráfico força-deformação do eucalipto citriodora Figura Corpo-de-prova de ensaio à tração do poliéster Figura Ensaio à tração do poliéster Figura Corpo-de-prova com a secção reduzida Figura Segundo ensaio à tração do poliéster reforçado Figura Gráfico força-deformação do poliéster Figura Causa do rompimento do corpo-de-prova Figura Perfil de ensaio à flexão do aço SAE Figura Ensaio à flexão do aço SAE Figura Gráfico resultante do ensaio à flexão do aço SAE Figura Deformação ocorrida no perfil metálico SAE Figura Perfil de ensaio à flexão da resina epoxídica reforçada Figura Início do ensaio à flexão do perfil epóxi Figura Gráfico resultante do ensaio à flexão do epóxi reforçado Figura Ensaio à flexão do epóxi reforçado Figura Perfil U para ensaio à flexão do eucalipto citriodora Figura Inicio do ensaio à flexão do eucalipto citriodora em U Figura Gráfico resultante do ensaio à flexão do eucalipto U Figura Ensaio à flexão do eucalipto citriodora em U Figura Peça utilizada para ensaio à flexão do eucalipto S. Cheia Figura Início do ensaio à flexão do eucalipto de S. Cheia Figura Gráfico resultante do ensaio à flexão do eucalipto S. Cheia Figura Segundo ensaio à flexão do eucalipto citriodora Figura Ensaio à compressão do eucalipto citriodora Figura Ruptura do corpo-de-prova à compressão Figura 12.1 Gráfico comparativo entre resistência à tração dos materiais Figura 12.2 Gráfico comparativo entre resistência à flexão dos materiais

11 x LISTA DE TABELAS Tabela 1.1 Síntese histórica dos desenvolvimentos em polímeros Tabela 2.1 Faixas de pesos moleculares médios de alguns polímeros Tabela 7.1 Custo por quilo de produtos acabados Tabela 7.2 Preço de alguns materiais de engenharia Tabela 11.1 Resultados do ensaio à tração do aço SAE Tabela 11.2 Resultados do ensaio à tração do eucalipto citriodora Tabela 11.3 Resultados do ensaio à tração do poliéster reforçado Tabela 11.4 Valores obtidos no ensaio à flexão do aço SAE Tabela 11.5 Valores obtidos do ensaio à flexão da viga epóxi reforçada Tabela 11.6 Valores do ensaio à flexão do eucalipto citriodora U Tabela 11.7 Valores do ensaio à flexão do eucalipto citriodora S. Cheia Tabela 12.1 Comparação entre a resistência dos materiais à tração Tabela 12.2 Comparação entre a resistência dos materiais à flexão Tabela 12.3 Comparação entre a resistência dos materiais à compressão Tabela 12.4 Relação peso-resistência dos materiais

12 xi RESUMO O estudo de novos materiais na área de construção civil é de grande importância para o desenvolvimento de novas tecnologias neste setor, visto que, muitas vezes nos deparamos com problemas onde o uso dos materiais convencionais não satisfaz as exigências. Este trabalho visa estudar as propriedades de novos materiais e compará-las com a de outros comumente utilizados. Além de mostrar as diferenças de comportamento mecânico dos materiais, este trabalho também tem como finalidade levantar questões do tipo: Até que ponto podemos avançar tecnologicamente sem que o meio ambiente, e consequentemente nós, tenhamos que pagar um alto preço por isso? Sabemos que temos o dever de evoluir mas ainda não aprendemos a achar o equilíbrio das coisas, e como prova disso, basta olharmos para a grande poluição que afeta nosso planeta. Portanto, a descoberta e utilização de novos materiais pode ser muito útil por um lado, mas por outro, também pode ser muito desastrosa, se não soubermos utilizá-los de forma a garantir um desenvolvimento sustentável. A metodologia deste trabalho consiste em ensaiar os materiais de uso convencional como o aço e a madeira e materiais alternativos como os polímeros poliéster e o epóxi, neste caso, ambos reforçados com fibra de vidro. Pretende-se através dos ensaios a obtenção de resultados que permitam uma análise comparativa entre as propriedades mecânicas dos materiais. A partir desta análise concluir se é possível ou não a utilização dos materiais propostos como elemento estrutural. PALAVRAS-CHAVE: polímeros, materiais, desenvolvimento, planeta.

13 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 Histórico Segundo Morris Cohen, Fig. 1.1, conceituado cientista de materiais do não menos conceituado Massachusets Institute of Tecnology (MIT), materiais são substâncias com propriedades que as tornam úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Em outras palavras, os materiais do universo que o homem utiliza para fazer coisas. (Padilha, 1997) O primeiro elemento estrutural, isto é, o primeiro material de engenharia usado pelo homem, foi a madeira, seguindo-se a pedra, depois os metais, a cerâmica, o vidro e finalmente o polímero. Figura 1.1 Morris Cohen FONTE Cohen O primeiro contato do homem com esse material, na sua forma resinosa, deu-se na Antigüidade, com os egípcios e os romanos, que os usaram para carimbar, colar documentos e vedar vasilhames. (CANEVAROLO, 2004) No século XVI, espanhóis e portugueses tiveram o primeiro contato com o produto extraído de uma árvore natural da América (Seringueira). Esse extrato levado para Europa, adquiriu o nome de borracha. Sua utilização foi bastante restrita até a descoberta da vulcanização pelo americano Charles Goodyer, Fig. 1.2, em 1839.

14 2 O surgimento do plástico ocorreu em 1840 quando o inglês Alexander Parkers Fig. 1.3, tratou resíduos de algodão com ácido nítrico e ácido sulfúrico na presença de óleo de rícinio, obtendo, então, o primeiro polímero semi-sintético da história batizado de nitrocelulose. Apesar da descoberta, a utilização deste material era economicamente inviável devido ao alto custo de produção. O americano John W. Hyatt, Fig. 1.4, em 1869, aprimorou este material substituindo o óleo de rícino pela cânfora obtendo-se, então, o celulóide, um material economicamente viável. Foi criado então o primeiro produto polimérico da história: as bolas de bilhar, (MARCZAK, 2004). Figura 1.2 Charles Goodyer FONTE Goodyer Figura Alexander Parkers FONTE Parkers Figura 1.4 John W. Hyatt FONTE Hyatt O primeiro polímero totalmente sintético foi produzido nos Estados Unidos e patenteado pelo belga, naturalizado americano, Leo H. Baekeland,Fig. 1.5, em 1909, denominado baquelite. Este polímero é um derivado do aperfeiçoamento da resina fenol-formaldeído descoberta em 1872 pelo alemão Adolf Von Bayer, Fig. 1.6.

15 3 Figura 1.5 Leo H. Baekeland FONTE Baekeland Figura 1.6 Adolf Von Bayer FONTE Bayer A baquelite foi amplamente empregada na fabricação de carcaças de telefone até meados dos anos 50, quando por razões estéticas foi substituída por outros polímeros, já que a baquelite permitia pouca variação de cor. Até o fim da I Grande Guerra Mundial, todas as descobertas nessa área foram por acaso, através de regras empíricas. Somente em 1920 o alemão Hermann Staudinger,Fig. 1.7, propõe a teoria da macromolécula que são compostos de origem natural ou sintética com elevado peso molecular e estrutura química complexa. Figura 1.7 Hermann Staudinger FONTE Staudinger Figura 1.8 Wallace H. Carothers FONTE Carothers Em 1935 o americano Wallace H. Carothers, Fig. 1.8, químico, que trabalhando na empresa Du Pont, descobre uma reação química gerando as poliamidas, o que batizou de Nylon. Wallace Carothers se suicida antes que o nylon seja apresentado ao público, o que ocorreria entre 1938 e 1939, com a marca comercial Exton. O mais irônico é que Carothers se matou por se achar um fracasso. (MARCZAK, 2004).

16 4 A partir de 1937 até o final da década de 80, o professor americano Poul Flory, Fig.1.9, trabalhou com a viscosidade e determinação da massa molecular dos polímeros, dentre outros. Como reconhecimento a esse trabalho o Prof. Paul Flory recebeu o Prêmio Nobel de Química em Após a II Grande Guerra Mundial surgem as resinas epoxídicas em No início da década de 50 o alemão Karl Ziegler, Fig. 1.10, e o italiano Giuglio Natta, Fig. 1.11, descobrem o polímero Estereoespecífico que são reações químicas onde a estrutura dos produtos adquire um arranjo espacial particular. Em conseqüência surgem os polímeros como o polietileno, polipropileno, poliacetal e policarbonato. Figura 1.9 Paul Flory FONTE Flory Figura 1.10 Karl Ziegler FONTE Ziegler Figura 1.11 Giuglio Natta FONTE Natta Nos anos 60 do século passado os plásticos deixam de substituir somente madeiras e começam a ser utilizados em embalagens substituindo o papelão e o vidro, enquanto que nos anos 70 do século passado os plásticos tomam lugar de algumas ligas leves.

17 5 Nos anos 80 do século passado a produção de plásticos torna-se bastante intensa e diversificada devido a crescente necessidade de novos materiais poliméricos. A Tab. 1.1 mostra, de forma resumida, a evolução dos principais polímeros comerciais: Tabela 1.1 Síntese histórica dos desenvolvimentos em polímeros DESCOBERTA ANO LOCAL Vulcanização (Borracha) 1839 EUA Poliestireno (PS) 1839 EUA Parkesina (Resina Moldável) 1840 Inglaterra Ebonite (Resina Dura) 1851 EUA Goma-Laca (Resina Moldável) 1854 EUA Celulóide 1869 EUA Fenol-Formaldeído (Resina) 1872 Alemanha Rayon (Fibra) 1884 França Gelatita (Resina) 1897 Alemanha Ebonite (Resina) 1899 Inglaterra Silicone 1900 Inglaterra Viscose (Seda Artificial) 1903 Inglaterra Celofane 1908 Inglaterra Baquelite 1909 EUA Policloreto de Vinila (PVC) 1912 Rússia Macromolécula 1920 Alemanha Borracha Sintetizada (Descoberta) 1922 Alemanha Borracha Sintetizada (Produção) 1929 Inglaterra Polietileno de baixa densidade (PEBD) 1933 Inglaterra Poli (metil metacrilato) PMMA (Acrílico) 1933 Inglaterra Nylon 1935 EUA Tefton (PTFE) 1938 EUA Policloropreno (Neoprene) 1939 EUA Poliuretano (PUR) 1941 Alemanha Poli(tereflalato de etileno) (PET) 1941 EUA

18 6 DESCOBERTA ANO LOCAL Epóxi (ER) 1947 EUA Poliéster (PEPM) 1950 EUA Acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) 1948 EUA Polietileno de alta densidade (PEAD) 1953 EUA Polipropileno (PP) 1953 Itália Policarbonato (PC) 1953 Alemanha Poliacetais (POM) e Epóxi com Fibra de Vidro 1956 EUA Poli(óxido de fenileno) (PPO) 1964 EUA Poli-sulfonas (PSF) 1965 EUA Kevlar (Fibra Orgânica) 1965 EUA Fibra Ótica Polimérica 1966 EUA Kraton (Borracha modificada) 1966 EUA Polietileno linear de baixa densidade (PELBD) 1968 EUA Poli(tereflalato de butileno) - PBT 1970 Alemanha Poli(éter-éter-cetona) - PEEK 1977 Inglaterra Santoprene (Elastômero Oleofínico) 1981 EUA Poli(éterimida) 1982 EUA Policarbonato de Alta Trânsparência 1982 Alemanha Termoplásticos de engenharia (PEED, PES e PPS) 1983 Ingl. / Alem. Plásticos biodegradáveis (Novon) 1990 EUA Plásticos biodegradáveis (Biopol) 1990 Inglaterra Reciclagem do PET 1990 EUA Reciclagem de Poliéster e PEAD 2000 EUA Fonte Adaptado de Canevarolo (2004), Marczak (2004) Atualmente, dentre os materiais de engenharia estão incluídos diversos polímeros. Plásticos, borrachas, fibras, adesivos, são materiais poliméricos bem conhecidos e indispensáveis ao nosso cotidiano. O mundo moderno não é concebível sem a presença dos plásticos. Tendo em vista esta tendência, faz-se importante um estudo visando sua utilização como elemento

19 7 estrutural, podendo ser empregado nas mais variadas necessidades como, por exemplo, na construção de estruturas onde ocorre o ataque da maresia ao aço. Nas estações de tratamento de água onde ocorre a deterioração pela presença do gáscloro e umidade afetando materiais, tais como o aço e a madeira. O polímero como elemento estrutural, pode implicar numa diminuição significativa no uso de outros materiais como, por exemplo, a madeira. Em relação a esta, existe ainda um agravante que é a carga química utilizada no tratamento deste material. Esses produtos são altamente prejudiciais ao homem e ao meio ambiente (MORESCHI, 2006). Através de um estudo de viabilidade econômica e performance estrutural poder-se-a verificar se este material poderia ser empregado em estruturas convencionais, tais como em telhado. Neste caso, faz-se necessário um estudo mais aprofundado partindo-se para área de engenharia de materiais, onde pode-se estudar quimicamente diferentes ligas de materiais poliméricos, com o objetivo de se produzir perfis padronizados. O objetivo deste trabalho não visa esses estudos onde envolve a estrutura química do material, mas em outra ocasião seria interessante o estudo de novas ligas poliméricas a partir de plásticos recicláveis na produção de perfis, com o propósito de aliviar o meio ambiente dos resíduos desse material e, ao mesmo tempo, evoluir tecnologicamente. A cada dia, pode-se observar que peças inicialmente produzidas com outros materiais, particularmente metal e madeira, têm sido substituídas por outras de plástico. Estas peças quando devidamente projetadas, cumprem seu papel apresentando, na maioria das vezes, um desempenho superior ao do material antes utilizado. Isto se deve ao fato do plástico apresentar grande versatilidade. Sua popularização deve-se ao seu baixo custo de produção, peso reduzido, elevada resistência, bem como a possibilidade de se fabricar peças das mais variadas formas, dimensões e cores.

20 8 2 CONCEITOS Polímero é qualquer material orgânico ou inorgânico, sintético ou natural, que tenha um alto peso molecular e com variedades estruturais repetitivas, sendo que normalmente esta unidade que se repete é de baixo peso molecular. A palavra POLÍMERO vem do grego poli, cujo significado é muito, e de mero, que quer dizer parte ou unidade (que se repete). 2.1 Fontes de Matérias-Primas As fontes de matéria prima para obtenção do monômero (explicado adiante) podem ser divididas em três grupos: Petróleo e gás natural, Hulha e Produtos naturais. (CANEVAROLO, 2004) Produtos Naturais - Este grupo, o primeiro a fornecer ao homem matérias-primas, encontra na natureza macromoléculas que com algumas modificações se prestam à produção de polímeros comerciais. A celulose, um carboidrato que está presente em quase todos os vegetais, apresenta uma estrutura química constituída por unidades de glicose ligadas por átomos de oxigênio, formando uma longa cadeia. A borracha natural é outro produto natural. É encontrada no látex da seringueira (Havea brasiliensis) como uma emulsão de borracha em água. O amido, que também é um carboidrato de cadeia longa, pode ser obtido a partir de produtos agrícolas como o milho. Os açucares existentes nos vegetais como a cana de açúcar e a beterraba, fornecem o álcool etílico, que desidratado obtém-se o etileno, matéria-prima do polietileno. Óleos e gorduras vegetais ou mesmo animais também se constituem em fonte importante de matérias primas para materiais plásticos. Através do óleo de rícino ou mamona obtém-se o Nylon 11 e poliuretano e a partir do óleo de soja o Nylon 9.

21 9 Hulha ou Carvão Mineral - Produto sólido encontrado no subsolo resultante da fossilização de tecidos vegetais durante milhares de anos sob ação de elevadas pressões e temperaturas na ausência de oxigênio. Foi um dos primeiros materiais conhecidos como fonte de matéria-prima para a preparação de polímeros sintéticos. Esse mineral, quando submetido a uma destilação seca, pode produzir: gases de hulha, amônia, alcatrão da hulha e coque (resíduo). Do gás de hulha é possível se separar etileno e o metano, matéria-prima para produção do Polietileno e Resinas fenólicas respectivamente. A amônia é utilizada para a produção de uréia e aminas como agentes de cura para resinas epóxi. O alcatrão da hulha é uma mistura complexa, que por destilação produz benzeno para produção de fenol, matéria-prima para produção do Poliuretano e do Poliestireno. Do coque obtém-se o acetileno, que por hidrogenação produz etileno, matéria-prima na produção do Polietileno. Por reação com o ácido clorídrico, do coque, produz cloreto de vinila, matéria-prima na produção de PVC. A Fig. 2.1 apresenta este esquema. HULHA (CARVÃO MINERAL) GÁS DE HULHA AMÔNIA ALCATRÃO COQUE ETILENO METANO URÉIA E AMINAS BENZENO ACETILENO FORMALDEÍDO FENOL ETILENO CLORETO DE VINILA POLIETILENO RESÍNAS FENÓLICAS AGENTE DE CURA NA PRODUÇÃO DO EPÓXI POLIURETANO E O POLIESTIRENO POLIETILENO POLICLORETO DE VINILA (PVC) Figura 2.1 Obtenção de alguns polímeros a partir do carvão mineral. FONTE - Adaptado de Canevarolo (2004)

22 10 Petróleo De todos os produtos naturais, o petróleo é a fonte mais importante. Através da destilação fracionada do óleo cru, várias frações podem ser obtidas (GLP, nafta, gasolina, querosene, óleo diesel, graxas parafínicas, óleos lubrificantes, e por fim piche), sendo que a fração de interesse para os polímeros é o nafta. Este após um craqueamento térmico apropriado, gera várias frações gasosas contendo moléculas saturadas e insaturadas. As moléculas insaturadas (etileno, propileno, butadieno, buteno, isobutileno, etc.) são separadas e aproveitadas para a síntese de polímeros. A Fig. 2.2 mostra esta seqüência, característica da industria petroquímica na obtenção dos monômeros. ÓLEO CRU GLP NAFTA GASOLINA QUEROSENE ÓLEO DIESEL ASFALTO ETANO ETILENO PROPANO PROPILENO BUTADIENO ISOBUTILENO Figura 2.2 Obtenção dos principais monômeros a partir do petróleo. FONTE - Adaptado de Canevarolo (2004) 2.2 Estrutura Molecular dos Polímeros A estrutura molecular dos polímeros consiste na repetição de pequenas unidades, chamadas meros que compõem as macromoléculas, Fig Os meros, para formarem um polímero, são ligados entre sí através de ligações primárias, estáveis. Figura 2.3 Formação de uma macromolécula FONTE Manrich (2005)

23 11 De acordo com Manrich (2005, p. 19), ao fazer uma comparação, Se imaginarmos um anel como sendo um mero, a formação de um polímero se dá quando muitos deles (mil a cinco mil) são unidos, ou enganchados seqüencialmente Fig As macromoléculas chamadas de monômero vão, sucessivamente, se unindo as outras, formando o dímero, trímero, tetrâmero... até chegar ao polímero. Figura 2.4 Formação de um polímero FONTE Manrich (2005) Reações Químicas Essa união sucessiva dos monômeros dá-se o nome de Reação de Polimerização, que consiste no encadeamento de ou mais átomos de carbono formando moléculas gigantescas originando os polímeros. Essa reação pode acontecer de duas formas: Polimerização por etapas o monômero é consumido logo nos momentos iniciais, formando dímeros, trímeros, etc. até que se obtêm cadeias poliméricas, Fig Figura 2.5 Reação de polimerização por etapas. FONTE Manrich (2005)

24 12 Polimerização em cadeia há formação de longas cadeias logo nos instantes iniciais. Ao longo do tempo o número de cadeias vai aumentando, porém o monômero nunca chega ser completamente consumido, Fig Figura 2.6 Reação de polimerização em cadeia. FONTE Manrich (2005) Arranjo molecular Durante as reações de polimerização, formam-se então as cadeias de polímeros que podem assumir quatro tipos de arranjos diferentes, conforme ilustra a Fig Figura 2.7 Tipos de ramificações que as reações de polimerização podem assumir. FONTE Timmons (2006)

25 Combinação dos arranjos Existem diversas formas de se construir uma cadeia de polímeros. A Fig. 2.8 ilustra simbolicamente o uso de três monômeros A, B e C. Figura 2.8 Representação esquemática de polímeros. FONTE Marczak (2004) Dependendo da combinação dos arranjos, obtém-se diversos polímeros denominados: Homopolímeros São do tipo: A-A-A-A-A..., ou seja, polímeros construídos a partir de um único material, Fig. 2.8 a. Exemplos: Polietileno e alguns tipos de acetal.

26 14 Copolímeros - São polímeros construídos a partir de dois materiais. Podem ser do tipo alternado: A-B-A-B-A-B-A-B-A...,Fig 2.8b, ou do tipo agrupado, Fig. 2.8c. Exemplos: do primeiro são o acrílico-etileno e o etileno-etil acrilato. O estirenobutadieno, o estireno-acrilonitrila e alguns tipos de acetal são exemplos de copolímeros agrupados. A Fig. 2.8b pode ilustrar o caso da borracha sintética que é formada pela repetição de dois meros: estireno e butadieno. Termopolímeros Se repetem da seguinte forma: A-B-C-A-B-C-A-B-C... São polímeros construídos com diversos materiais, Fig. 2.8d, Exemplos: Estirenoacrilonitrila-butadieno (conhecido por ABS) Peso molecular O peso molecular é o parâmetro que governa as propriedades de um polímero, é através dele que se define a finalidade desses materiais, uma vez que de posse desse conhecimento, podemos mudar suas propriedades finais e sua facilidade de ser moldado quando fundido. (MANRICH, 2005) O peso molecular de um polímero esta diretamente associado com a estrutura química do mesmo, isto é, pode apresentar cadeias com comprimentos ou pesos moleculares diferentes, podendo, em alguns casos, serem muito pequenas e outras médias ou grandes, Fig Na prática utiliza-se o peso molecular médio de um polímero, ou seja, a soma do peso de todas as moléculas do grupo dividido pelo número de moléculas do mesmo grupo. Figura 2.9 Cadeia composta por moléculas de diferentes tamanhos

27 15 Os polímeros possuem uma unidade de repetição conforme exemplifica a Fig. 2.8 mostrada anteriormente. No caso do homopolímero da figura ela é A, no copolímero a unidade de repetição é o grupo molecular A-B- e assim por diante. O número dessas unidades em uma cadeia de polímero é chamado grau de polimerização. Por exemplo, se a unidade de repetição tem um peso molecular médio de 80 e a cadeia do polímero tem unidades de repetição, então o polímero tem um peso molecular de O peso molecular médio fornece uma maneira de medir o comprimento das cadeias poliméricas de um dado material. (Marczak, 2004) Para determinação do peso molecular médio de um polímero é necessário, na maioria dos casos, que o mesmo seja diluído em solvente próprio o que nem sempre é possível, pois existem aqueles que são insolúveis. Um método relativo que determina vários tipos de pesos moleculares é o GPC (Cromatografia de Permeação Gel) Fig Figura 2.10 Equipamento de GPC FONTE - UCS As colunas porosas dificultam a passagem das cadeias moleculares diluídas em solvente, enquanto as moléculas pequenas tentam passar por dentro dos poros e são retardadas, e as cadeias maiores, pelo fato de passarem por fora dos poros, adquirem maior velocidade e chegando ao final da coluna antes. As moléculas são

28 16 separadas, portanto, por tamanho possibilitando o cálculo do peso molecular através de métodos específicos conforme a Fig (MANRICH, 2005) Figura 2.11 Esquema de funcionamento do equipamento GPC FONTE Adaptado de Manrich (2005) O peso molecular da maioria dos polímeros encontra-se normalmente entre 10 4 e À medida que o peso molecular do polímero aumenta, torna-se mais difícil molda-lo com aplicação de pressão e calor. Um peso molecular de 2 x 10 5 é um limite prático para um polímero ainda permitir uma processabilidade razoável. Alguns polímeros apresentam peso molecular da ordem de 3 x 10 6 e 6 x 10 6, neste caso, necessitam de processos especiais para conformá-los. A Tab. 2.1 mostra faixas de pesos moleculares médios para alguns polímeros comerciais. Tabela 2.1 Faixas de pesos moleculares médios de alguns polímeros Polímeros Faixa de Pesos Moleculares Médios Polietileno de baixa densidade e Polietileno de alta densidade e Polipropileno e Poliestireno e Policloreto de Vinila (PVC) e Policloreto de Vinila (PVC rígido) e

29 17 Polímeros Faixa de Pesos Moleculares Médios Nylon e Poli(tereftalato de etileno) e Policarbonato e Poliacetal homopolímero e Poli(tetrafluor-etileno) e Borracha Natural e Borracha Natural (após mastigação) e Celulose Em torno de Celulose regenerada (Celofane) Em torno de Poli(ftalato-maleato de etileno) - Poliéster Imensurável (reticulado)* Resina Epoxídica Imensurável (insolúvel)** FONTE Adaptado de Manrich (2005). *Polímero reticulado: polímero em que cadeias adjacentes de um polímero originalmente linear se unem em várias posições por ligações covalentes. Fig **Polímero insolúvel: É aquele que não se dilui em solvente próprio. O sólido insolúvel é chamado de precipitado Polímeros Cristalinos e Amorfos O grau de cristalinidade de um polímero depende muito da distribuição geométrica dos seus átomos no espaço. Conforme essa distribuição, os polímeros podem ser denominados cristalinos, parcialmente cristalino ou amorfo. (PADILHA, 1997) Depois de solidificados os polímeros cristalinos apresentam padrões estruturais repetidos, isto é, obedecem a uma simetria quanto ao arranjo de seus átomos. Segundo Marczak (2005), esses polímeros normalmente exibem um ponto de fusão bem preciso, de modo que são classificados como materiais sólidos. Uma pequena variação na temperatura em torno do ponto de fusão é suficiente para liquefazê-los (a cera de vela é um exemplo de material com ponto de fusão preciso). Exemplos de polímeros cristalinos são o nylon, o acetal, o polietileno e o polipropileno. Os polímeros cristalinos são interessantes para a indústria por permitirem um controle preciso da matéria prima durante o processo de fabricação. Além disso, estes

30 18 materiais possuem propriedades superiores aos demais, mas tendem a manifestar uma contração significativa durante o resfriamento. A Fig mostra um exemplo de estrutura cristalina Figura 2.12 Estrutura Cristalina FONTE - INPE A maioria dos materiais de engenharia não apresenta estrutura cristalina, ou seja, são amorfos. Isto é valido para a maioria dos polímeros, mas também para grupos como metais e cerâmicas. Os polímeros considerados amorfos apresentam um amolecimento gradual a medida que a temperatura é aumentada. Como exemplo tem-se os policarbonatos, o ABS, os acrílicos e as borrachas. Esses materiais não fluem tão facilmente quanto os cristalinos durante a moldagem, isto porque é muito difícil manter uma temperatura homogênea dentro dos equipamentos de processamento. Outra diferença importante diz respeito ao comportamento viscoelástico dos polímeros, que é linear para os amorfos, mas não-linear para os cristalinos. Se aplicarmos duas tensões opostas em uma borracha, esta tende a formar um arranjo cristalino ao contrário do nylon, por exemplo, que perde sua cristalinidade tornandose amorfo. A Fig mostra o aspecto de uma estrutura amorfa. Figura 2.13 Estrutura Amorfa FONTE - INPE

31 19 3 CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS Os polímeros também podem ser classificados de acordo com suas características mecânicas, deste modo para diferenciá-los empregaram-se os termos: Termoplásticos, Termorrígidos ou Termofixos e Elastômeros (Borrachas). 3.1 Termoplásticos Constituem a maior parte dos polímeros comerciais sendo comum ouvir-se chamalos de simplesmente plástico. Esta categoria de polímeros possui a capacidade de amolecer e fluir quando sujeito a um aumento de temperatura e pressão. Quando é retirado desse processo, o polímero solidifica em um produto de forma definida. Podem ser fundido e moldado inúmeras vezes, através de novas aplicações de temperatura e pressão, que produzem o mesmo efeito de amolecimento e fluidez adquiridos em fundições anteriores. Dependendo do tipo de polímero, também podem dissolver-se em vários solventes. Quanto às características mecânicas os termoplásticos podem ser maleáveis, rígidos ou mesmo frágeis dependendo do polímero e dos aditivos utilizados. Exemplos de polímeros termoplásticos são: Polietileno, Polipropileno, Policarbonato Poliestireno, Nylon, Policloreto de Vinila, Acrílico etc. Outra característica importante desses materiais é o fato de serem recicláveis, como as garrafas de Politereftalato de etileno (PET), conforme a Fig Figura 3.1 Garrafas de Politereftalato de etileno (PET)

32 Termorrígidos ou Termofixos Polímeros que com o aquecimento amolece uma vez sofrem o processo de cura (transformação química irreversível), tornando-se rígido. É como gesso ou cimento: têm-se apenas uma chance de fundí-los e moldá-los. Posteriores aquecimentos não alteram mais seu estado físico (não amolece mais), mesmo em altas temperaturas, o que leva o material a de decompor antes da fusão. Sua reciclagem é possível porem a destinação desse material servirá para outras finalidades a e não a mesma que o originou, além de requerer procedimentos especiais para tal. Exemplo de Polímero Termorrígido: Baquelite, Kevlar, Resinas epoxídicas, Resinas fenólicas, Melaminas etc. A Fig. 3.2 mostra um exemplo da utilização de polímeros termorrígidos empregados na construção de uma aeronave militar. Figura 3.2 Utilização de polímeros termorrígidos na construção de aeronaves

33 Elastômeros São polímeros, que na temperatura ambiente podem ser alongados até duas vezes seu comprimento e retornam rapidamente ao seu comprimento original ao se retirar a pressão. Possuem, portanto, a propriedade da elasticidade. Comumente são conhecidos como borrachas. Um exemplo são os pneus que podem ser compostos por mais de um tipo de elastômeros, conforme a Fig. 3.3 Figura 3.3 Pneu composto por vários elastômeros: Banda, Costado, Cinto, Manta e Estrutura. A estrutura molecular dos elastômeros é similar à dos termorrígidos, mas com menos número de ligações entre os cordões. Ou seja, é como se fosse uma rede, mas com malhas bem mais largas que os termorrígidos. Outros exemplos de elastômeros: Borrachas de vedação, mangueiras etc. (MICHAELI, 1995) A classificação de um polímero em termoplástico, termorrígido ou elastômero determina também qual o processo mais adequado para moldar o material. Em geral, os materiais termorrígidos possuem propriedades melhores como maior resistência ao calor, menor suscetibilidade ao creep (Baixa Fluência), maior resistência química etc., que suas contrapartidas termoplásticas. No entanto, eles normalmente requerem processos de fabricação mais complexos para serem produzidos na forma de chapas, tubos ou barras.

34 22 4 ALGUNS POLÍMEROS DE IMPORTÂNCIA INDUSTRIAL Os polímeros também podem ser classificados de acordo com sua importância industrial. Deste modo recebem as seguintes denominações: Polímeros de uso geral e Polímeros de engenharia. 4.1 Polímeros de uso geral Certos polímeros se destacam por seu baixo preço e grande facilidade de processamento, o que incentiva seu uso em larga escala. São os chamados polímeros ou resinas commodities, materiais baratos e usados em aplicações de baixo custo. São o equivalente aos aços de baixo carbono na siderurgia. Os principais polímeros commodities são: polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), policloreto de vinila (PVC). A distribuição da produção desses plásticos no Brasil, em 1998, pode ser vista na Fig A seguir serão listadas as principais propriedades e aplicações dos polímeros commodities. Figura 4.1 Produção de polímeros no Brasil, em 1998 FONTE Marczak Polietileno (PE) Principais Propriedades: baixo custo; elevada resistência química e a solventes; baixo coeficiente de atrito; flexível ou rígido (Depende da densidade); fácil processamento; excelentes propriedades isolantes; baixa permeabilidade à água; atóxico; inodoro.

35 23 Aplicações Típicas: bombonas; embalagens; material hospitalar; utensílios domésticos; filmes; brinquedos; tanque de combustível; tubos para distribuição de água e gás; engrenagens; componentes para líquidos corrosivos; implantes de ossos artificiais; isolamento de fios e cabos; revestimentos; trilhos-guias; coletes balísticos; caixas d água, Fig Figura 4.2 Alguns exemplos de utilização do polietileno Polipropileno (PP) Principais Propriedades: baixo custo; elevada resistência química e a solventes; fácil moldagem; fácil coloração; alta resistência a fratura por flexão ou fadiga; boa resistência ao impacto acima de 15 C; boa estabilidade térmica; maior sensibilidade à luz UV e agentes de oxidação, sofrendo degradação com maior facilidade. Aplicações Típicas: brinquedos; recipientes para alimentos; remédios; cadeiras; tanques; fibras; sacarias; filmes orientados; tubos para cargas de canetas esferográficas; carpetes; seringas; fitas adesivas; material hospitalar esterelizável;

36 24 pára-choques; pedais; cones para alto falante; carcaças de baterias; lanternas; hélices; peças para máquina de lavar; etc. Atualmente há uma tendência no sentido de se utilizar exclusivamente o polipropileno no interior dos automóveis. Isso facilitaria a reciclagem do material por ocasião do sucateamento do veículo, pois se saberia com qual material se estaria lidando, Fig Figura 4.3 Alguns exemplos de utilização do polipropileno Poliestireno (PS) Principais Propriedades: rigidez; fácil processamento; fácil coloração; baixo custo; elevada resistência a ácidos e álcalis; semelhante ao vidro; baixa densidade e absorção de umidade; baixa resistência a solventes orgânicos; calor e intempéries. Apresenta-se também sob a forma celular ou expandida. Aplicações Típicas: Artigos de baixo custo; peças de máquinas e automóveis; gabinete de rádio e TV; grades de ar condicionado; peças internas e externas de

37 25 eletrodomésticos e aparelhos eletrônicos; circuladores de ar; ventiladores e exaustores; gavetas de geladeira; brinquedos; embalagens de proteção para equipamentos; isolantes térmicos; pranchas para flutuação; geladeiras isotérmicas; etc, Fig Figura 4.4 Alguns exemplos de utilização do poliestireno Policloreto de vinila (PVC) Principais Propriedades: Baixo custo; elevada resistência a chama, pela presença do cloro; processamento demanda um pouco de cuidado; formação de peças tanto rígidas quanto muito flexíveis, com plastificantes; excelentes propriedades térmicas e elétricas; resistente a corrosão, oxidação e intempéries; pode se apresentar no estado transparente, celular ou expandido. Aplicações Típicas: Tubos rígidos para água e esgoto; conduites rígidos e flexíveis; carcaças de utensílios domésticos; separadores de bateria; revestimento de fios e cabos elétricos; composições de tintas; cortinas de banheiro; encerados de caminhão; forração de poltronas e de estofamentos de automóveis; esquadrias para

38 26 janelas; embalagens rígidas e transparentes para bebidas e alimentos; toalhas de mesa; bolsas e roupas de couro artificial; passadeiras; pisos; carteiras transparentes para identificação; brinquedos; calçados; etc, Fig Figura 4.5 Alguns exemplos de utilização do policloreto de vinila (PVC) O monômero é um potente cancerígeno, deve haver controle do teor residual que permanece no polímero, particularmente em aplicações em que o polímero vai entrar em contato com alimentos. O plastificante a base de ftalatos, aditivo usado para tornar o polímero mais flexível, também é cancerígeno. O Greenpeace vem promovendo ampla campanha para banir o uso do PVC que contenha esse aditivo, particularmente em brinquedos e produtos que entram em contato com alimentos. (MARCZAK, 2004) O PVC é um polímero muito utilizado no Brasil em vários setores da indústria. A Fig. 4.6 mostra suas aplicações em porcentagem no ano de 1998 no Brasil.

39 27 Figura 4.6 Aplicações do PVC, no Brasil em FONTE Marczak (2004) 4.2 Polímeros de engenharia Segundo Mano (1991), há também os chamados polímeros de engenharia, que são resinas que apresentam propriedades superiores aos polímeros de uso geral. Seu preço, porém, é bem mais elevado. Seriam os equivalentes aos aços-ligas da siderurgia. Os principais polímeros de engenharia são: politereftalato de etileno (PET) e o policarbonato (PC) Politereftalato de etileno (PET) Principais Propriedades: Resistência Mecânica e ao amassamento, térmica e química, possibilidade de se apresentar no estado transparente, parcialmente transparente (Translúcido) ou altamente opaco. Aplicações Típicas: Películas cinematográficas, fitas magnéticas para gravação; mantas para filtros industriais; embalagem de alimentos; cosméticos e produtos farmacêuticos; filmes e placas para radiografia, fotografia e reprografia, impermeabilização de superfícies; frascos para refrigerantes gaseificados; fibras têxteis de lavagem e secagem rápida; na indústria automobilística, em partes

40 28 estruturais grandes, carcaças de bomba, carburadores, limpadores de parabrisa; componentes elétricos; interior de fornos de micro-ondas; em compósitos com fibra de vidro, componentes de móveis de escritório; isolamento de capacitores, Fig Figura 4.7 Alguns exemplos de utilização do politereftalato de etileno (PET) O grande crescimento na utilização de PET em garrafas descartáveis e a poluição que isto tem gerado ao meio ambiente torna-o atualmente um dos polímeros mais reciclados Policarbonato (PC) Principais Propriedades: Semelhança ao vidro, porém altamente resistente ao impacto; boa estabilidade dimensional e térmica; boas propriedades elétricas; boa resistência ao escoamento sob cargas e às intempéries; resistente à chama;

41 29 excelente transparência; resistente aos raios ultravioleta; boa usinabilidade É um dos mais importantes polímeros da engenharia. Aplicações Típicas: Placas resistentes ao impacto, janelas de segurança, escudos de proteção, painéis de instrumentos; lanternas de carros; partes do interior de aeronaves; cabines de proteção; capacetes de proteção de motociclistas; componentes elétricos e eletrônicos; discos compactos (CD s); conectores, luminárias para uso exterior; recipientes para uso em fornos de micro-ondas; tubos de centrífuga para sistemas aquosos; anúncios em estradas; artigos esportivos; aplicações em material de cozinha e refeitórios, como bandejas, jarros d água, talheres, mamadeiras; aplicações médicas em dialisadores renais; óculos de segurança; escudos de polícia anti-choque; aquários, Fig Figura 4.8 Alguns exemplos de utilização do policarbonato (PC) A Fig. 4.9, a seguir, ilustra a importância dos setores automobilísticos, eletroeletrônico e chapas, que no conjunto representaram 48% do mercado deste material nos EUA e Europa Ocidental em 1996.

42 30 Outros 30% Uso Médio 4% Informática 9% Embalagens 3% Chapas 15% Automobilístico 17% Utensilios 6% Eletro-Eletronico 16% Figura 4.9 Distribuição do consumo de policarbonato nos EUA e Europa Ocidental FONTE Marczak (2004) 4.3 Propriedades e aplicações de alguns polímeros termorrígidos Nos itens subsequentes será feita análises comparativas em relação as propriedades mecânicas entre diversos polímeros. Entre eles os polímeros classificados como termorrígidos de uso geral, utilizados em diversas áreas como na construção civil, por exemplo, onde o epóxi está sendo cada vez mais utilizado. Portanto, com o objetivo de complementar este trabalho, serão abordadas as principais propriedades e aplicações dos seguintes polímeros: poliftalato maleato de propileno (GRP), poliéster reforçado com fibras; resina epoxídica (ER); resina de fenol-formaldeído (PR); e resina de uréia-formaldeído (UR) Poliftalato maleato de propileno (PPPM) ou Poliéster Insaturado Principais Propriedades: Resistência a intempéries; leveza; pode ser utilizado em compósitos com fibra de vidro, neste caso denomina-se glass reinforced polyester (GRP); possui grande facilidade de processamento; moldagem de peças de pequenas ou grandes dimensões; resistência química a ácidos e bases; resistência aos raios ultravioletas; pode se apresentar na forma translúcida.

43 31 Aplicações Típicas: Cascos de barco; carrocerias de veículos leves e pesados; luminárias decorativas; telhas corrugadas; tanques de armazenamento; piscinas; caixas d água; móveis; silos; dutos para saneamento; painéis de comunicação visual; bandejas; spas; mármore sintético; fibras têxteis (neste caso saturado); peças decorativas; bijuterias; massas plásticas; cabines; guaritas; torres de resfriamento; resinas flexíveis; aviação; implementos agrícolas; peças ferroviárias e metroviárias; assento sanitário; moldes; varas de pesca; cabos de raquetes; antenas de veículos; componentes elétricos e eletrônicos, Fig Figura 4.10 Alguns exemplos de utilização do poliftalato maleato de propileno (PPM) Resina epoxídica (ER) ou Epóxi Principais Propriedades: Adesividade; resistência à abrasão; baixa contração após cura; versátil; insolúvel; alta resistência à corrosão; boas propriedades térmicas e mecânicas; excelente adesão para vários substratos; baixo encolhimento em cura; flexibilidade; boas propriedades elétricas; pode ser processado em diferentes condições.

44 32 Aplicações Típicas: Compósitos com fibra de vidro, de carbono ou de poliamida aromática, para a indústria aeronáutica; pinturas; componentes de equipamentos elétricos; circuitos impressos; encapsulamento de componentes eletrônicos; revestimento de superfícies; adesivos para metal, cerâmica, vidro; moldes e matrizes para ferramentas industriais, manequins de bocas e ossaturas; aplicações estruturais na construção civil, Fig Figura 4.11 Alguns exemplos de utilização da resina epoxídica (ER)

45 Resina de fenol-formaldeído (PR) ou Baquelite Principais Propriedades: Alta resistência mecânica e térmica; boa resistência química; estabilidade dimensional; coloração limitada; menor custo. Aplicações Típicas: Engrenagens; pastilhas de freio; telefones (antigos); componentes do sistema de transmissão de carros; compensado naval; rodízios; volantes de manobra; peças elétricas moldadas; laminados para revestimento de mesas, balcões, divisórias, portas; tampas de rosca resistentes; cabos de talheres; ferramentas, Fig Figura 4.12 Alguns exemplos de utilização da resina de fenol-formaldeído (PR) Resina de uréia-formaldeído (UR) ou Resina ureica Principais Propriedades: Boa resistência mecânica e térmica, boa resistência química, dureza; menor custo.

46 34 Aplicações Típicas: Chapas de compensado para móveis, divisórias; acabamento de tecido (botões); vernizes para revestimento de assoalho; adesivos para madeira; moldados duros e resistentes à compressão e ao impacto, Fig Figura 4.13 Alguns exemplos de utilização da resina uréia-formaldeído (UR)

47 35 5 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS POLÍMEROS Os polímeros possuem características que os diferenciam de outros materiais como a madeira e o aço. Para que possamos utilizá-lo com segurança é necessário conhecer suas propriedades para, a partir daí, avaliar seu comportamento em serviço. Avaliar um polímero requer estudos complexos que visam quantificar essas propriedades e destina-las à usos específicos. O peso é uma diferenciação importante, já que os polímeros são sempre mais leves que metais ou cerâmicas, o que os tornam particularmente atrativos para industria de embalagens, equipamentos esportivos e na redução de custos de transporte. 5.1 Propriedades mecânicas A maioria dos polímeros possui uma característica bem evidente quanto a suas propriedades mecânicas. A primeira distinção que deve ser evidenciada é o comportamento não-linear dos polímeros. Isto é, a relação carga x deslocamento não é linear, embora o material ainda não tenha ultrapassado seu limite de escoamento. Isto pode ocorrer com peças feitas com qualquer material, dependendo da geometria, do carregamento e das condições de contorno. Ocorre que nos polímeros isto é mais freqüente, mesmo para cargas supostamente pequenas. Os polímeros possuem grande flexibilidade, conforme o tipo de polímero e os adtivos utilizados na sua formulação. A Fig. 5.1 compara esquematicamente o comportamento não linear de uma viga em balanço fabricada em material polimérico e em aço. Figura 5.1 Ilustração do comportamento (geometricamente) não-linear dos plásticos Fonte Marczak

48 36 Portanto, não se deve assumir que uma peça polimérica responderá como uma mola linear. Alterações de temperatura podem mudar este comportamento ainda mais. Perguntas como: - Que tipo de carga será aplicada (tração, compressão, impacto alternante, etc.)? - Como e onde a carga será aplicada sobre componente? - Por quanto tempo a carga será aplicada? - Qual a variação de temperatura sobre o componente? - Por quanto tempo a temperatura será aplicada? - Quais as condições ambientais de operação (substâncias químicas, umidade etc.)? Devem ser respondidas pelo projetista antes de selecionar o material, porque suas respostas determinarão à performance do componente. É neste ponto que os polímeros diferem em comportamento de outros materiais como aço, madeira, cerâmica, entre outros. Segundo Marczak (2004, p. 14), ao mencionar sobre erros de projeto, de uma maneira geral os erros mais comuns estão relacionados a projetar componentes poliméricos com níveis de tensão e/ou módulos de elasticidade muito altos ou que não levam em conta o efeito da temperatura. Portanto, como é de grande importância o conhecimento das propriedades mecânicas dos polímeros, será abordado a seguir, de forma superficial, as seguintes propriedades: resistência à tração, módulo de elasticidade, resistência à compressão e resistência à flexão Resistência à tração A resistência à tração, é avaliada pela carga aplicada ao material por unidade de área, no momento da ruptura. No Fig. 5.2, encontra-se a resistência á tração dos materiais poliméricos mais comuns, bem como alguns materiais de engenharia clássicos.

49 37 Nota-se que os polímeros têm valores de resistência à tração todos muito baixos (abaixo de 10kgf/mm²), bem maiores quando se trata de fibras; os metais apresentam resistência muito elevada, até 100Kgf/mm². Esses resultados são comumentes expressos, tanto na literatura como na indústria, em MPa, Pa, N/m², Kgf/mm². As normas ASTM D-412/99, D-638/99 e D-882/99 descrevem os ensaios. RESISTÊNCIA À TRAÇÃO 105 RESISTENCIA A TRAÇÃO (Kgf/mm²) TERMOPLÁSTICOS PET POLIPROPILENO POLIESTIRENO POLICLORETO DE VINILA POLICARBONATO TERMORRÍGIDOS POLIÉSTER (GRP) BAQUELITE EPÓXI RESINA URÉICA OUTROS MATERIAIS AÇO SAE 1045 MADEIRA (Eucalipto Citriodora) MATERIAIS Figura 5.2 Resistência à tração de diversos materiais poliméricos e outros materiais clássicos FONTE Adaptado de Mano (1991) Módulo de elasticidade O módulo de elasticidade é medido pela razão entre a tensão e a deformação, dentro do limite elástico, em que a deformação é totalmente reversível e proporcional a tensão. (MANO, 1991). Os polímeros de alta cristalinidade, ou aqueles, que apresentam estruturas rígidas, ou ainda os polímeros reticulados, revelam módulo de elasticidade mais elevado. Os módulos dos polímeros em geral estão entre 500 Kgf/mm² à 1500Kgf/mm². Já o aço 1045 este valor corresponde ã aproximadamente Kgf/mm² e para madeira de

50 38 eucalipto citriodora este valor é de aproximadamente 1842Kgf/mm² Os módulos de elasticidade são ilustrados na Fig MÓDULO DE ELASTICIDADE MÓDULO DE ELASTICIDADE (Kgf/mm²) MATERIAIS Kgf/mm² TERMOPLÁSTICOS PET POLIPROPILENO POLIESTIRENO POLICLORETO DE VINILA POLICARBONATO TERMORRÍGIDOS POLIÉSTER (GRP) BAQUELITE EPÓXI RESINA URÉICA OUTROS MATERIAIS AÇO SAE 1045 MADEIRA (Eucalipto Citriodora) Figura 5.3 Módulo de elasticidade de diversos materiais poliméricos e outros materiais clássicos FONTE Adaptado de Mano (1991) No caso dos elastômeros vulcanizados, o alongamento atingido ainda na região elástica é muito grande, e assim a palavra módulo é empregada com outro significado: é a força calculada por unidade de área transversal inicial (tensão), e é medida a determinadas deformações, que precisam ser explicitadas na informação. Por exemplo, em borracha, módulo a 300% é a tensão correspondente à tração, quando se atinge 300% de alongamento. A recuperação representa o grau em que o material retorna às dimensões originais, após a remoção da tensão. Depende tanto da intensidade desta força quanto do tempo durante o qual foi aplicada. Pela atuação da força, as macromoléculas tendem a escoar; removida, retornam parcialmente à situação primitiva. Se o material é muito cristalino, é também rígido e resiste mais à deformação; no entanto, sempre há uma perda de dimensão quando se ultrapassa o limite elástico de cada material. Quando o polímero é pouco cristalino, ou está acima da sua temperatura

51 39 de transição vítrea, há maior escoamento ( creep ) e as peças sofrem deformação mais pronunciada, até mesmo por escoamento sob a ação de seu peso próprio Resistência à compressão A resistência à compressão é expressa pela tensão máxima que um material rígido suporta sob compressão longitudinal, antes que o material entre em colapso. Encontram-se na Fig. 5.4 valores típicos informativos da resistência à compressão de diversos materiais. Nota-se a superioridade da resistência das resinas termorrígidas sobre as termoplásticas, porém ainda muito inferiores à dos materiais de engenharia convencionais. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO 65 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO (Kgf/mm²) TERMOPLÁSTICOS PET POLIPROPILENO POLIESTIRENO POLICLORETO DE VINILA POLICARBONATO TERMORRÍGIDOS POLIÉSTER (GRP) BAQUELITE EPÓXI RESINA URÉICA OUTROS MATERIAIS AÇO SAE 1045 MADEIRA (Eucalipto Citriodora) 0 MATERIAIS Figura 5.4 Resistência à compressão de diversos materiais poliméricos e outros materiais clássicos FONTE Adaptado de Mano (1991)

52 Resistência à flexão A resistência à flexão representa a tensão máxima desenvolvida na superfície de uma barra quando sujeita a dobramento. Aplica-se a materiais rígidos, isto é, aqueles que não vergam excessivamente sob a ação da carga. A Fig. 5.5 apresenta valores de resistência á flexão de diversos materiais e mostra a comparação dos materiais plásticos à madeira e ao aço. RESISTÊNCIA À FLEXÂO 65 RESISTÊNCIA À FLEXÃO (Kgf/mm²) TERMOPLÁSTICOS PET POLIPROPILENO POLIESTIRENO POLICLORETO DE VINILA POLICARBONATO TERMORRÍGIDOS POLIÉSTER (GRP) BAQUELITE EPÓXI RESINA URÉICA OUTROS MATERIAIS VIDRO CERÂMICA 0 MATERIAIS Figura 5.5 Resistência à flexão de diversos materiais poliméricos e outros materiais clássicos FONTE Adaptado de Mano (1991) 5.2 Propriedades térmicas Segundo Marczak (2004), talvez a mais importante propriedade térmica dos materiais poliméricos seja seu baixo ponto de fusão, que varia da temperatura ambiente até 250 C, embora alguns polímeros especiais exijam até 400 C. Disso decorre baixo consumo de energia para conformação, com reflexos óbvios nos custos de produção.

53 41 As propriedades térmicas nos polímeros são observadas quando a energia térmica, isto é o calor, é fornecido ou removido do material; são maus condutores de calor. A capacidade de transferir calor, isto é, conduzir calor, é medida pela condutividade térmica. A capacidade de armazenar calor é medida pelo chamado calor específico. As alterações de dimensão, devidas às mudanças de temperatura, são estimadas através da expansão térmica. Essas propriedades observadas nos materiais poliméricos, quando sujeitos a variação de temperatura, são de grande importância para escolha do material adequado na execução de um projeto. O aumento da temperatura ambiente, pode alterar drasticamente as propriedades dos materiais poliméricos alterando suas dimensões, reduzindo a resistência e módulo de elasticidade. A caracterização precisa deste comportamento é complexa, mas existe um ensaio, estabelecido pela norma americana ASTM D-648/99, que fornece informações superficiais sobre o desempenho de um polímero sob carga e efeito de temperatura. Este ensaio permite a obtenção da chamada temperatura de distorção ao calor designada pela sigla HDT. Basicamente, este teste submete um corpo-de-prova biapoiado à flexão simples com uma carga concentrada, e mede-se o deslocamento central. A temperatura é então aumentada até que um certo valor de deslocamento seja ultrapassado. Está é a temperatura de distorção. 5.3 Alterando as propriedades dos polímeros. É fato que as propriedades das famílias de polímeros variam de uma para outra, ou mesmo que as propriedades de um mesmo polímero podem variar dentro de uma dada família. Isto se deve fundamentalmente às alterações na composição química de cada polímero durante o processamento. Mas, além disso, as propriedades de um certo polímero pode ser alterada com a mistura de aditivos, corantes, cargas e reforços. Trata-se de um ajuste fino das propriedades do polímero, de acordo com a aplicação desejada. Este processo é denominado de aditivação. Algumas aditivações clássicas:

54 42 Cargas inorgânicas minerais inertes, como o carbonato de cálcio (CaCO 3 ), permitem reduzir o custo da peça sem afetar as propriedades. Exemplo: pisos de vinil e cadeiras de jardim (PP) contêm até 60% de cargas. Uso de fibras (vidro, carbono, boro) ou algumas cargas minerais (talco, mica, caolim, wolastonita) aumentam a resistência mecânica. As cargas fibrosas podem assumir forma de fibras curtas ou longas, redes, tecidos etc. Negro de fumo em pneus (borracha) e filmes para agricultura (PE) aumentam a resistência mecânica e a resistência ao ataque por ozônio e raios UV. Aditivos conhecidos como plastificantes podem alterar completamente as características de polímeros como o PVC e borrachas, tornando-os mais flexíveis e tenazes. A fabricação de espumas é feita através da adição de agentes expansores, que se transformam em gás no momento da transformação do polímero, quando ele se encontra no estado fundido Aditivos (mudança de propriedades específicas) Os aditivos são sempre selecionados de modo a manter sua compatibilidade com o material base e com o processo de fabricação do componente. Deve-se lembrar, no entanto, que a melhora de uma certa propriedade geralmente é obtida às custas da piora de outra(s). Evidentemente os químicos tentam manter todas as outras propriedades em níveis aceitáveis enquanto procuram melhorar uma dada característica, mas nem sempre isto é viável. Dentre os aditivos mais comuns usados com termoplásticos e termorrígidos estão: antioxidantes (aumenta a estabilidade à altas temperaturas), agentes anti-eletricidade estática, biocidas, retardantes de chama, modificadores de resistência ao impacto, agentes espumantes, redutores de fricção, fungicidas e estabilizantes UV.

55 Reforços (mudança na resistência) Os reforços mais comuns são a fibra de carbono, fibra de vidro, mica e aramidas. Eles podem ser adicionados na forma de fibras curtas, filamentos longos, flocos, esferas ou em grãos. Esses esforços normalmente aumentam a resistência do material às custas da resistência ao impacto. Também aumentam o desgaste de ferramentas de corte, no caso de usinagem de pré-formas. O uso de reforços permite que os polímeros sejam empregados sob condições de carga e temperatura mais altas com maior estabilidade dimensional. Nas últimas décadas, as vantagens conferidas pelo uso de materiais compostos têm permitido avanços muito significativos na tecnologia aeroespacial Corantes (mudança na aparência) Um outro grupo de aditivos são os corantes, que dão a cor desejada ao material. Os corantes podem ser cargas orgânicas ou pós inorgânicos O corante escolhido deve ser compatível com o material base, método de processamento e aplicação desejada para o componente. Por exemplo, se a peça final será exposta ao meio ambiente, deverá suportar variações de temperatura e o envelhecimento decorrente. É necessário também em aplicações onde as propriedades óticas têm peso, especialmente em materiais transparentes como acrílicos, policarbonato e estireno, já que o uso de corantes pode transformar um material incolor em opaco. 5.4 Efeitos ambientais sobre os materiais poliméricos Fatores ambientais como umidade, produtos químicos (líquidos ou vapores), exposição ao sol, altas temperaturas, água e vapor quente, bactérias e fungos atacam os materiais poliméricos. Embora possa não ocorrer uma alteração visual na aparência, isto não significa que não haja alguma degradação das propriedades, como tensão de ruptura ou resistência ao impacto.

56 44 Apesar de não enferrujarem e serem mais resistentes do que os metais em ambientes corrosivos, os materiais poliméricos requerem alguns cuidados. Quanto mais resistente o material à produtos químicos, mais difícil é sua soldagem, já que para tal também é necessário um tipo de ataque químico. A pintura também requer cuidados, pois o solvente da tinta deve ser compatível com o material empregado no produto. Alguns polímeros apresentam alta permeabilidade a gases devido ao grande espaçamento entre as moléculas que compõem o material. Os materiais poliméricos apresentam limitações para serem utilizados como embalagem, um exemplo é a utilização de garrafas PET que devem ser utilizadas respeitando-se o prazo de validade de acondicionamento. Outro fator importante nas últimas décadas é a reciclabilidade. Alguns polímeros não podem ser reciclados de forma direta, pois não há como refundi-los. Muitas vezes a reciclagem de alguns polímeros não é viável economicamente devido ao seu baixo preço e baixa densidade. Somente o consumo em massa é que torna a reciclagem economicamente viável, como acontece com as garrafas PET, por exemplo. O material polimérico reciclado é encarado como material de segunda classe, ao contrário do que ocorre com o aço e alumínio reciclados. Nos casos em que a reciclagem do material polimérico não for possível ou viável, há possibilidade de queimá-lo, transformando-o em energia em incineradores ou alto-fornos. Neste caso o carbono é utilizado na redução do minério, contudo, polímeros que contém halogêneos geram gases tóxicos durante a queima, e nestas condições o material deve ser previamente identificado e encaminhado para dehalogenação antes da queima.

57 45 6 PROCESSAMENTO DOS POLÍMEROS O processamento de polímeros passa por etapas que envolvem o aquecimento do material seguido de conformação mecânica. Vários métodos são usados na produção de peças de origem poliméricas, injeção, extrusão, moldagem por sopro, termoconformação, pultrução, laminação, moldagem, rotomoldagem, calandragem entre outros. Em seguida serão descritos resumidamente alguns desses métodos. 6.1 Injeção A moldagem por injeção é empregada para produzir formas tridimensionais com detalhes minuciosos. A Fig. 6.1 mostra o aspecto de uma máquina injetora. Figura 6.1 Aspecto de uma maquina injetora O material alimenta a máquina de injeção na forma de pastilhas, são fundidas e conduzidas ao longo da máquina por um fuso. O material fundido é mecanicamente injetado em um molde. A temperatura do molde é controlada através de água circulando em cavidades internas. Uma vez resfriado, o molde é aberto e a peça é ejetada através de pinos. As metades são mantidas fechadas através de prensas, com forças que podem atingir 100tf. Essa pressão determina a tonelagem da injetora, e o molde que nela pode ser usado. A Fig. 6.2 mostra o esquema de funcionamento de uma maquina injetora.

58 46 Figura 6.2 Esquema de funcionamento de uma máquina injetora FONTE Marczak ( 2004) 6.2 Extrusão A moldagem por extrusão segue essencialmente o mesmo principio da extrusão de metais. O material aquecido é alimentado sob pressão ao longo de uma matriz que produzirá a forma da secção transversal do produto. O material é resfriado na seqüência. Fig. 6.3 Figura 6.3 Moldagem por extrusão FONTE Marczak ( 2004)

59 Moldagem por sopro A moldagem por sopro emprega ar comprimido para forçar o material a se conformar à superfície do molde. É desta forma que são produzidas as garrafas plástica de refrigerantes, embalagens de produto de limpeza etc. A Fig. 6.5 mostra o princípio de funcionamento da moldagem por sopro Figura 6.5 Moldagem por sopro FONTE Marczak (2004) 6.4 Termoconformação Na termoconformação uma lâmina de plástico aquecido é pressionada por um molde e resfriada. Assim se produz uma casca que é uma cópia fiel do relevo do molde. Em casos mais complexos o ar entre a lâmina e o molde é removido com vácuo conforme a Fig. 6.6 Figura 6.6 Moldagem por termoconformação FONTE Marczak (2004)

60 Pultrusão Pultrusão é um processo contínuo que produz perfis reforçados de vidro, ocos ou maciços, de diferentes formatos. Dependendo do desenho e do formato, a taxa de vidro utilizada varia de 30% a 70% do peso. Perfis pultrudados são usados em diversas aplicações, como nas áreas elétricas, de corrosão, de construção e mercados de bem de consumo. Os reforços de vidro são baseados principalmente nos rovings diretos dispostos de maneira a proporcionarem um reforço longitudinal. Outros tipos de reforços são as mantas de fios contínuos ou tecidos que proporcionam o reforço transversal e também os véus de acabamento superficial. Sistemas de guias, dispostos entre a prateleira e o molde, permitem pré-formar e posicionar cada reforço no local correto do perfil. O vidro é impregnado antes do molde, normalmente com sistema de banho aberto. As cargas são introduzidas no sistema de resina para gerar propriedades adicionais (retardadores de chama, redução de custo,...). Os três elementos seguintes pertencem a máquina de pultrução onde o molde dá a forma e polimeriza o reforço impregnado. O perfil pultruído é então travado e tracionado por uma cinta contínua ou por um sistema de permutação. A última etapa é um sistema de corte pra deixar o perfil no comprimento desejado. A velocidade típica da pultrução com sistemas de resinas termofixas é de 0,5 a 2m/min, Fig Figura 6.7 Esquema do processo por pultrusão FONTE Saint-Gobain ( 2006)

61 Laminação A laminação de materiais poliméricos é muito similar à de metais. Na configuração mais usual, quatro rolos aquecidos girando à velocidades ligeiramente diferentes laminam o material aquecido e fundido em folhas ou filmes, conforme a Fig Figura 6.8 Esquema do processo de laminação Fonte Dow (2006) 6.7 Moldagem Materiais como acrílicos e nylons podem ser moldados, ou seja, são vazados na forma líquida em moldes fixos ou flexíveis. Este processo requer um controle considerável para fornecer peças de alta qualidade. É comum o uso de equipamentos à vácuo para eliminar bolhas de ar durante a solidificação.

62 50 7 CUSTO DOS MATERIAIS O preço talvez seja a principal característica de um material. Ao selecionar os materiais para um determinado produto acabado, além das exigências em termos de propriedades, o engenheiro tem que levar em conta o preço. (PADILHA, 1997) 7.1 Classificação As mudanças na inovação e na aplicação dos materiais ocorridas no último meio século, entretanto, ocorreram em intervalos de tempo que foram revolucionárias ao invés de evolucionárias. A despeito disto, os materiais podem ser classificados em quatro níveis, conforme o grau de conhecimento científico utilizado no seu desenvolvimento. Materiais naturais Exemplos: madeira, couro, diamante, cobre, ligas ferrosas e borracha. Materiais desenvolvidos empiricamente Exemplos: bronze, aço comum, ferro fundido, cerâmicas sílico-aluminosas, vidro, cimento e concreto. Materiais desenvolvidos através de conhecimentos científicos Exemplos: ligas de alumínio, de titânio e de magnésio, metal duro, aços inoxidáveis, aços microligados, termoplásticos, termorrígidos, elastômero e ferritas. Materiais projetados Exemplos: semicondutores, materiais para reatores nucleares, aços de ultra resistência mecânica, materiais compósitos, ligas especiais e vidros metálicos. É importante destacar que o grau de conhecimento científico empregado no desenvolvimento de um material tem efeito determinante no seu preço e a capacidade de produzí-lo é uma medida do grau de desenvolvimento tecnológico e independência de uma nação. Deve-se analisar na elaboração e execução de um projeto fatores como propriedades dos materiais, preço e utilização.

63 51 A Tab. 7.1 apresenta o custo por quilo de alguns produtos acabados Tabela 7.1 Custo por quilo de produtos acabados (unidade monetária européia, ECU) Produto Custo Casas 1 Navios 5 Automóveis 10 Bicicletas Aparelhos eletrodomésticos Calçados esportivos Aeronave civil 1000 Satélites FONTE Padilha (1997) A análise da Tab. 7.1 mostra claramente que, por exemplo, na seleção de materiais para construção civil, o fator preço é essencial. Inúmeros materiais apresentam propriedades muito interessantes para utilização em construção civil, mas têm sua utilização inviabilizada pelo preço. Por outro lado, na construção de satélites, o preço dos materiais empregados pode ficar em segundo plano, em comparação com suas propriedades. Neste caso, as propriedades dos materiais é que predominam dentre os critérios de seleção. A Tab. 7.2 apresenta o preço de numerosos materiais de engenharia. A análise da Tab. 7.2 revela vários aspectos importantes. Um deles é que o preço de um material está relacionado com sua pureza, processamento e características. Isto pode ser notado claramente nos casos do carboneto de silício propriamente dito. Outro aspecto digno de ser mencionado é que as cerâmicas avançadas e materiais compósitos reforçados com fibra de carbono ainda são materiais muito caros. Por outro lado, o aço comum, o concreto e a madeira deverão ainda por muito tempo predominar como materiais de construção.

64 52 Tabela 7.2 Preço de alguns materiais de engenharia Material Preço (US$/tonelada) Diamante industrial de alta qualidade Platina Ouro Tungstênio Titânio Latão (60%Cu 40%Zn) Alumínio Aço inoxidável Aço doce 350 Carboneto de silício (cerâmica avançada) Carboneto de silício (abrasivos) Carboneto de silício (refratários) 750 Vidro 750 Borracha sintética Borracha natural 870 Polietileno PVC Fibra de Vidro Fibra de Carbono Resina epoxídica Madeira compensada dura Madeira dura estrutural 530 Madeira mole estrutural 350 Vigas de concreto reforçado 330 Cimento 70 Silício Monocristalino ( Wafers ) Silício metalúrgico FONTE Padilha (1997) A comparação dos valores da Tab. 7.1 com 7.2, embora as unidades monetárias sejam ligeiramente diferentes, mostra claramente que muitos materiais foram selecionados para suas atuais aplicações por critério de preço.

65 53 8 MATERIAIS Os materiais sólidos são freqüentemente classificados em três grupos principais: materiais metálicos, materiais cerâmicos e materiais poliméricos ou plásticos. Esta classificação é baseada na estrutura atômica e nas ligações químicas predominantes em cada grupo. Um quarto grupo, que foi incorporado nesta classificação nas últimas décadas, é o grupo dos materiais compósitos. Este último faz parte dos materiais que irão compor este trabalho como forma alternativa em substituição ao aço e a madeira. 8.1 Materiais convencionais Serão analisadas as propriedades mecânicas da madeira eucalipto citriodora e as propriedades mecânicas do aço SAE 1010 e aço SAE Madeira (eucalipto citriodora) Outros nomes populares: Eucalipto Ocorrência: Minas Gerais, São Paulo, Bahia, Maranhão, Pernambuco e Paraíba. Outros países: Austrália, Portugal, África do Sul, Zimbábue, Ruanda, Tanzânia, Malawi, Quênia, Tailândia, Indonésia e China Características gerais Características sensoriais: cerne e alburno Fig. 8.1, distintos pela cor, cerne pardo, alburno branco-amarelado; sem brilho; cheiro e gosto imperceptíveis; densidade alta; dura ao corte; textura fina e média. Figura 8.1 Aspectos macroscópicos da madeira Fonte Gesualdo (2003)

66 54 Descrição anatômica macroscópica: parênquima axial: visível apenas sob lente, paratraqueal vasicêntrico a aliforme de aletas curtas. Raios: visíveis apenas sob lente no topo e na face tangencial; finos; de poucos a numerosos. Vasos: visíveis a olho nu, pequenos a médios; poucos; porosidade difusa; arranjo radial e diagonal; solitários e múltiplos; obstruídos por tilos. Camadas de crescimento: pouco distintas, quando presente individualizadas por zonas fibrosas tangenciais mais escuras. Canais axiais traumáticos: presentes em alguns espécimes, Fig Figura 8.2 Aspectos microscópicos da madeira Fonte Klock ( 2006) Durabilidade natural e tratabilidade química: Madeira suscetível à ação de xilófagos marinhos. Resistente ao apodrecimento. As informações sobre resistência ao ataque de cupins são contraditórias. O cerne é difícil de ser tratado, entretanto, o alburno é permeável. Trabalhabilidade: Madeira excelente para serraria, no entanto, requer o uso de técnicas apropriadas de desdobro para minimizar os efeitos das tensões de crescimento. Apresenta boas características de aplainamento, lixamento, furação e acabamento. Secagem: Em geral, as madeiras de espécies de eucalipto são consideradas como difíceis de secar, podendo ocorrer defeitos como colapso, empenamentos e rachas. A secagem em estufa deve ser feita de acordo com programas suaves, combinando, por exemplo, baixas temperaturas com altas umidades relativas. É recomendável a secagem ao ar, ou o uso de pré-secador, antes da secagem em estufa.

67 Propriedades físicas Densidade de massa (ρ): Densidade aparente a 15% de umidade (ρ 15% ): 1 040Kg/m 3 Densidade básica (ρ básica ): 875Kg/m³ Contração: Contração radial: 6,6% Contração tangencial: 9,5% Contração volumétrica: 19,4% Propriedades mecânicas Resistência à flexão: Madeira verde: 111,8 MPa Madeira a 15% de umidade: 121,4 MPa Limite de Proporcionalidade madeira verde: 47,2 MPa Módulo de Elasticidade madeira verde: MPa Resistência de compressão paralela às fibras: Madeira verde: 51,1 MPa Madeira a 15% de umidade: 62,8MPa Limite de Proporcionalidade madeira verde: 33,7 MPa Módulo de Elasticidade madeira verde: MPa Coeficiente de influência de umidade: 4,7%

68 Outras propriedades mecânicas Resistência ao impacto na Flexão a 15% de umidade Trabalho Absorvido: 45,3 j Cisalhamento madeira verde: 16,3 MPa Dureza Janka paralela madeira verde: 8757 N Tração Normal às Fibras madeira verde: 10,1 MPa Fendilhamento madeira verde: 1,2 MPa Usos em geral Postes, cruzetas, dormentes, mourões, vigas, caibros, móveis, cabos de ferramentas, embarcações, entre outros Observações Os eucaliptos representam um grupo muito variado de madeiras, com densidades desde 500Kg/m³ até 1000 Kg/m³. A espécie de Eucalyptus citriodora é adequada ao uso em peças estruturais pelas suas características de resistência mecânica, durabilidade natural e menor tendência ao rachamento. O Eucalyptus citriodora é uma madeira de reflorestamento Aço carbono SAE 1010 e SAE 1045 Os aços são ligas metálicas de ferro e carbono, com porcentagens deste ultimo variáveis entre 0,008% e 2,11%. Os aços, por sua ductibilidade, são facilmente deformáveis por forja, laminação e extrusão. Além dos componentes ferro e carbono, os aços incorporam outros elementos químicos, alguns prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do combustível empregado no processo de fabricação, como enxofre e o fósforo. Outros são adicionados intencionalmente para melhorar algumas características do aço para

69 57 aumentar sua resistência, ductibilidade, dureza ou outra para facilitar algum processo de fabricação, como a usinabilidade, onde é utilizado elementos de liga como níquel, o cromo, o molibdênio e outros. A Fig. 8.3 mostra o aspecto microscópico do aço Figura 8.3 Aspecto microscópico do aço SAE 1045 Fonte Scielo ( 2006) No aço comum o teor de impurezas estará sempre abaixo dos 2%. Acima de 2% até 5% já pode ser considerado aço de baixa liga, acima de 5% é considerado de altaliga. O enxofre e o fósforo são elementos prejudiciais ao aço, pois acaba por intervir em suas propriedades físicas deixando o aço quebradiço. Dependendo das exigências cobradas, o controle sobre as impurezas pode ser menos rigoroso ou então podem pedir o uso de um antisulfurante como o magnésio e outros elementos de liga benéficos. Dada a grande variedade de tipos de aços, foram criados sistemas para sua classificação, os quais periodicamente são submetidos a revisões. Uma das classificações mais generalizadas é a que considera a composição química dos aços e, dentre os sistemas conhecidos, são muito usados os da Society od Automotive Engineers SAE. Nesse sistema, os dois últimos algarismos correspondem ao valor que indica o teor de carbono. Assim, por exemplo, na designação SAE, a classe 1023 significa açocarbono com 0,23% de carbono em média.

70 58 Por outro lado, os dois primeiros algarismos diferenciam os vários tipos de aço entre sí, pela presença ou somente de carbono como principal elemento liga, ou de outro elemento liga, como níquel, cromo, etc., além do carbono. Assim, quando os dois primeiros algarismos são 10, os aços são simplesmente ao carbono; quando são 11, os aços são de usinagem fácil com alto enxofre; quando são 40, os aços são ao molibdênio, com 25% de molibdênio em média e assim em seguida. No Brasil, a ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT (NBR 6006) classifica os aços-carbono e os de baixo teor em liga segundo os critérios adotados pela SAE e pela American Iron and Steel Institute AISI, que é outro sistema de classificação americano. 8.2 Materiais alternativos Serão os materiais apresentados em comparação à madeira e ao aço. Serão analisados dois tipos de materiais poliméricos, a resina poliéster insaturada e a resina epoxídica, ambas em composição com a fibra de vidro que tem por finalidade aumentar a resistência desses materiais Poliéster Insaturado As resinas poliéster são uma variedade de líquidos de diferentes viscosidades compostos pela mistura de: - Um poliéster insaturado produto da condensação linear de um diácido (maleico, ftálico, adípico), com um diálcool (propilenglicol, etilenclicol, neopentilclicol). - Um monômero insaturado geralmente estileno ou propileno, conforme a aplicação. Estas resinas se conservam em estado líquido durante muitos meses, especialmente se armazenadas em lugares frescos, propriedade que se melhora com o agregado de inibidores de polimerização (hidroquinona).

71 59 O endurecimento da resina por polimerização consiste na união das cadeias lineares obtidas por condensação do diácido com o diálcool através das moléculas de monômero insaturado, processo chamado reticulação e que se produz na polimerização final. Na polimerização final, realizada pelo usuário, não há nenhum desprendimento de produto e o processo é exotérmico (com geração de calor). Para provocar a reação de polimerização é necessária a adição de um catalisador, geralmente um peróxido orgânico. A temperatura a qual procede a reação depende do peróxido utilizado e do agente acelerador incorporado. A resina poliéster endurecida por polimerização é um sólido, geralmente transparente de propriedades mecânicas e químicas muito diversas dependendo das matérias primas utilizadas, mas cuja aplicação se vê muito limitada pela sua pouca resistência a tração e ao impacto. Para eliminar esse inconveniente a resina poliéster se reforça usualmente com fibra de vidro e o conjunto apresenta propriedades mecânicas excepcionais. A Fig. 8.4 mostra a estrutura microscópica da resina poliéster com fibras de vidro, onde as faixas coloridas mostram a disposição das fibras e a área cinza representa a resina poliéster. Figura 8.4 Aspecto microscópico da resina poliéster com adição de fibra de vidro Fonte Scielo (2006) Se temos em conta a baixa densidade de um laminado com respeito a um metal resulta que as propriedades mecânicas do laminado plástico em muitos casos são superiores, quando nos referimos a igualdade de peso.

72 60 As diferentes resinas podem ser utilizadas para: produção manual, aspersão, injeção, coladas, produção de chapas, carroçarias, massilhas, matrizagem, etc. As propriedades físicas que possui a resina a levam a ser um material cada dia mais utilizado. As mesmas proporcionam mais dureza ou mais flexibilidade, melhor resistência a intempérie, à água ou diversos corrosivos. Tudo isto posiciona a resina como um material para infinitos desenvolvimentos e múltiplos usos. Suas principais propriedades e aplicações típicas podem ser vistas no sub item deste trabalho. Com muito boas propriedades, as resinas substituem muitos produtos devido as suas qualidades e sua extensa vida útil. (KAMIK, 2006) Resina Epóxi As resinas epoxídicas ou simplesmente resinas epóxi, são polímeros caracterizados pela presença de grupos glicidila em sua molécula, além de outros grupos funcionais. Resultam em estrutura tridimensional através da reação do grupo glicidila (também chamado de grupo epóxi) com um agente reticulante adequado (endurecedor). Os agentes de epoxidação mais comuns são os ácidos peracético e perfórmico e os óleos vegetais epoxidados. A epicloridrina é o agente universal portador do grupo epóxi que irá reagir com as espécies químicas que tem hidrogênios ativos. O bisfenol é a espécie química mais comum que contém esses hidrogênios ativos. Os agentes de cura ou endurecedores como aminas, poliamidas, poliamidas e anidridos formam um grupo extenso de produtos que reagindo com as resinas epóxi, lhe proporcionam determinadas características, tais como: Dureza, resistência a impacto, rapidez na reação, esotermia, brilho, elasticidade, etc. Sendo uma resina bicomponente, a resina com o catalisador formam um produto termofixo que é irrecuperável, ou seja, não reciclável.

73 61 As resinas epoxídicas podem ser classificadas em dois tipos: resina fundível e resina moldável. A resina fundível é livre de solventes, formada a base de resinas epóxi, destinada ao emprego e endurecimento sem pressão e em temperatura ambiente ou levemente aquecida (20 C a 60 C). Os sistemas de resinas fundíveis são muito utilizadas nas áreas de elétrica e eletrônica. Mantém o grau de resistência à flexão, bem como de choque, até mesmo sob influência de temperaturas muito baixas. A resina moldável é aquela utilizada onde há um retardamento do processo de endurecimento através do aquecimento com raios infravermelhos ou pelo endurecimento em fornos e estufas. A resina moldável, possui alta resistência mecânica, alta resistência dielétrica, alto grau de resistência química ou atmosférica, resistência à absorção de água, resistência a deformação no calor e ainda uma maior resistência a pressão. Quando adicionamos o endurecedor na resina, observa-se uma reação exotérmica, que oscila de acordo com o tamanho da peça. Para reduzir essa reação exotérmica da massa de resina, podemos adicionar materiais de enchimento de origem mineral (cargas), possibilitando assim a produção de peças maiores. Os materiais de enchimento, isto é, as cargas podem ser: pós, grãos, tecidos ou fibrosos. Como exemplo pode-se citar: o pó de ferro, grãos de alumínio, tecido de vidro, fibra de vidro picada. A Fig. 8.5 mostra, através de uma foto microscópica, a disposição da fibra de vidro (esferas) em matriz epoxídica. Figura 8.5 Aspecto microscópico da resina epoxídica com adição de fibra de vidro Fonte Scielo (2006) O uso de cargas minerais reduz a contração e a reação exotérmica durante a cura; proporciona um menor coeficiente de dilatação térmica; melhora a condutibilidade

74 62 térmica; proporciona um maior módulo de elasticidade, mas reduz o alongamento de ruptura; diminui os custos de produção por fundição. Conforme a carga mineral e o tipo de catalisador utilizado, pode-se obter após a cura total (7 dias), resistência à temperaturas diferenciadas que podem variar de 60 C a 220 C. Vale ressaltar que quanto maior a performance térmica maior é o custo da composição do material Fibra de vidro Antes de explicar como se obtém a fibra de vidro, é necessário entender como elas reforçam outros materiais. Por exemplo, ao pressionar para baixo um cubo de borracha apoiado sobre uma mesa, notamos que o mesmo encolhe na altura e incha nas laterais. Imagina-se que dentro desta borracha existam vários fios, muito resistentes, espalhados e misturados a massa de borracha. Ao pressionar o cubo de borracha para baixo, alguns destes fios impediriam o inchamento lateral. Desta maneira notase que é muito mais difícil achatá-la devido à presença de fios ou fibras em seu interior. Este é o princípio de funcionamento dos materiais compósitos, ou seja, aqueles em que se combina a propriedade de dois ou mais materiais, obtendo-se, assim, propriedades que nenhum deles apresenta sozinho. A fibra de vidro tem, portanto, a finalidade de adicionar a propriedade de resistência mecânica aos polímeros que, reforçados, se prestam a muitas outras finalidades, conforme mostra o item 4.3.1, onde em associação com a resina poliéster formam um material muito resistente utilizado para várias finalidades. Nos materiais compósitos, submetidos a carregamento, a resina transfere a carga para as fibras ligando-as entre si, ao mesmo tempo em que as separam evitando a propagação de fendas. A resina também protege as fibras em contato com outras fibras e com o meio ambiente além de mantê-las na orientação apropriada.

75 63 Para produzir as fibras, o vidro, já elaborado, passa a 1230 C por placas metálicas de platina, chamada de fieiras, que possuem milhares de furos de um ou dois milímetros de diâmetro. Após passar pelas fieiras, os fios são esticados mecanicamente numa grande velocidade, para gerar filamentos de 8 a 25 mícrons de diâmetro (1 mícron = 0,001mm). Imediatamente após a fase de estiragem e antes de se unirem para formar os fios de base, os filamentos são impregnados com uma solução aquosa de compostos (geralmente orgânicos), processo chamado de encimagem, que tem a função de proteger a superfície da fibra e garantir a sua perfeita aderência ao material que ela vai reforçar. Existem diversos tipos de encimagem, dependendo do fim a que se destina a fibra. Em seguida, as fibras, que rapidamente se esfriam, por serem muito finas, são enroladas na forma de novelos em bobinas de cartolina. O fio de vidro, por ser muito fino (mais fino que um fio de cabelo), é bastante flexível. As bobinas com as fibras recém-encimadas são levadas a uma estufa, onde, através do calor, os produtos da encimagem se solidificam e perdem a água, ganhando a sua forma definitiva, num processo chamado de polimerização. Após a polimerização, a fibra de vidro é submetida a transformações que resultam nas diferentes formas de apresentação sob as quais é comercializada: enrolado em rovings (bobinas); cortado (fio cortado com cerca de 3mm de comprimento); tecido; picotado e espalhado sob manta ligante. Essas diferentes formas de apresentação têm a finalidade de adequar as fibras à forma de utilização e aos diversos tipos de materiais poliméricos que elas irão reforçar, o que faz da fibra de vidro um produto extremamente versátil. (Saint- Gobain, 2006)

76 64 9 OBJETIVO Busca-se avaliar, a partir de amostras dos materiais, as propriedades mecânicas de elementos poliméricos a base de resina epoxídica e resina poliéster, ambas misturadas com fibra de vidro, e compará-las às propriedades de outros materiais como o aço e a madeira. Mediante tais resultados, verifica-se a viabilidade de utilização desses materiais no emprego de estruturas leves, onde, devido ao ataque de agentes deletérios, o emprego do aço ou da madeira torna-se insatisfatório.

77 65 10 ENSAIOS Para efeito comparativo entre a resistência dos materiais apresentados, serão analisadas, através de ensaios, algumas propriedades mecânicas desses materiais. Para tal análise será realizado ensaios de resistência à tração, ensaios de resistência à compressão (somente madeira), e ensaios de resistência à flexão Ensaio de tração Consiste na aplicação de uma carga de tração uniaxial crescente em um corpo-deprova específico até a ruptura,fig Mede-se a variação no comprimento (L) como função da carga (P). Trata-se de ensaio amplamente utilizado na industria de componentes mecânicos, devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Figura 10.1 Aplicação de uma carga de tração em um corpo-de-prova Fonte Garcia ( 2000) O ensaio de tração é bastante utilizado como teste de controle das especificações da entrada de matéria-prima. Os resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortemente influenciados pela temperatura, velocidade de deformação, anisotropia do material, tamanho dos grãos, porcentagem de impurezas, condições ambientais e pela precisão dos aparelhos de precisão de que se dispõem. (Garcia, 1999) Propriedades do ensaio A análise dos resultados é feita determinando-se as principais propriedades que podem ser obtidas num ensaio de tração.

78 66 A partir dos valores e respectivos alongamentos, fornecidos pela máquina de ensaio, constrói-se a curva tensão-deformação convencional, conforme ilustra a Fig Figura 10.2 Diagrama tensão-deformação Onde: σc Tensão Convencional σc = P/S0 [Kgf/mm²] P = Carga aplicada [Kgf] S0 = Secção Transversal do Corpo de Prova [mm²] εc = Deformação Convencional εc = l/l0 (Adimensional) l = Variação entre comprimento Inicial e final do corpo-de-prova [mm] l0 = Comprimento inicial do corpo de prova [mm] O diagrama tensão-deformação indica a existência de duas regiões de comportamento mecânico distintas: a região elástica (OE) na qual uma vez aliviada a

79 67 carga uniaxial não resta nenhuma deformação residual no corpo de prova, e uma região plástica (EF) aonde deformações permanentes vão sendo geradas no corpo de prova à medida que se aumenta a magnitude da carga uniaxial Ensaio de flexão Consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados pontos de uma barra de geometria padronizada. Fig Mede-se o valor da carga versus a deflexão máxima. É um ensaio muito utilizado na indústria de cerâmicas e metais duros, como ferro fundido, aço ferramenta e aço rápido, pois fornece dados quantitativos da deformação desses materiais, quando sujeitos a carga de flexão. Os materiais dúcteis, quando sujeitos a esse tipo de carga, são capazes de absorver grandes deformações, ou dobramento, não fornecendo resultados quantitativos confiáveis. Figura 10.3 Aplicação de uma carga de flexão em um corpo-de-prova Nesses casos, utiliza-se o ensaio de dobramento. Existem dois tipos principais desse ensaio: o ensaio de flexão em três pontos, Fig. 10.2, e o ensaio de flexão em quatro pontos, Fig Os principais resultados do ensaio são: módulo de ruptura na flexão (S uf ), módulo de elasticidade (E), módulo de resiliência (U rf ), módulo de tenacidade (U tf ). É um ensaio bastante empregado para o controle das especificações mecânicas de componentes. Os resultados fornecidos pelo ensaio de flexão podem variar com a temperatura, a velocidade de aplicação da carga, os defeitos superficiais e as características microscópicas e, principalmente, com a geometria da seção transversal da amostra.

80 Ensaio de compressão É a aplicação de carga compressiva uniaxial em um corpo-de-prova, Fig A deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o corpo versus a carga de compressão consiste na resposta desse tipo de ensaio, basicamente utilizado nas indústrias de construção civil e de materiais cerâmicos. Figura 10.4 Aplicação de uma carga de compressão em um corpo-de-prova Além disso, fornece resultados de análise estatística, permitindo quantificar o comportamento mecânico do concreto, da madeira, dos compósitos e de materiais de baixa ductilidade (frágeis). Na indústria de conformação, o ensaio de compressão é utilizado para parametrizar condições de processos que envolvam laminação, forjamento, extrusão e semelhantes. Os resultados de ensaio são influenciados pelas mesmas variáveis do ensaio de tração, ou seja, temperatura, velocidade de deformação, anisotropia do material, tamanho de grão, porcentagem de impurezas condições ambientais e precisão do equipamento.

81 69 11 METODOLOGIA 11.1 Procedimentos de ensaio à tração do aço SAE 1045 O ensaio de tração do aço SAE 1045 foi feito em seis corpos-de-prova de seção retangular com características especificadas de acordo com a ABNT (NBR6152). A Fig mostra o aspecto do corpo-de-prova do aço SAE Figura 11.1 Corpo-de-prova à tração do aço SAE 1045 Primeiramente foi medido com o, auxílio de um paquímetro, o comprimento inicial e a área inicial da secção transversal do corpo de prova, como ilustra a Fig Figura 11.2 Medições iniciais do corpo-de-prova Feita as medições, submeteu-se o corpo-de-prova ao ensaio de tração propriamente dito conforme mostra a Fig O corpo-de-prova foi submetido a uma velocidade de ensaio correspondente a 10mm/minuto. Esta velocidade é muito importante, pois dela depende a identificação do patamar de escoamento através do registrador gráfico. O patamar de escoamento é característico dos materiais metálicos, sendo que em alguns casos, dependendo do material, é difícil sua localização.

82 70 Figura 11.3 Ensaio à tração do aço SAE 1045 Após o ensaio, com o corpo-de-prova rompido, foi executada outra medição, adquirindo-se então, o alongamento final do corpo-de-prova e a área final de sua secção transversal, conforme ilustra a Fig Figura 11.4 Medição após o ensaio à tração Através do registrador gráfico da máquina obtiveram-se as informações gráficas necessárias para a análise dos resultados. A principal tensão definida na região de escoamento é o limite de escoamento, que é a máxima tensão atingida na região de escoamento. (GARCIA, 1999) Muitas vezes, somente olhando para o gráfico registrado pela máquina, nota-se que é difícil de localizar o limite exato de escoamento. Por essas razões, convencionaram-se alguns valores para determiná-lo. O valor convencionado (n) corresponde a um alongamento percentual. Os valores de uso mais freqüentes são: n = 0,2%, para metais e ligas metálicas em geral (caso deste ensaio); n = 0,1%, para aços ou ligas não ferrosas mais duras;

83 71 n = 0,01%, para aços-mola. Graficamente o limite de escoamento do material foi determinado pelo traçado de uma linha paralela ao trecho reto do diagrama força-deformação a partir do ponto n. Quando essa linha interceptou a curva, o limite de escoamento foi determinado, conforme ilustra a Fig Figura 11.5 Gráfico do ensaio à tração do aço SAE 1045 O resultado obtido do ensaio corresponde à média de seis corpos-de-prova que é mostrada através da Tab. 11.1

84 72 Material Tabela 11.1 Resultados do ensaio do aço SAE1045 Comprimento Comprimento Área Inicial Área Final Inicial Final Força de Ruptura L i (mm) L f (mm) A i (mm 2 ) A f (mm 2 ) FR (Kgf) Aço SAE ,00 47,40 18,00 7,20 780,00 Com os valores da tabela foram calculadas as seguintes propriedades: Limite convencional de escoamento a 0,2%, Limite de resistência, Limite de proporcionalidade; módulo de elasticidade; alongamento; Estricção e Tensão de ruptura. Limite convencional de escoamento a 0,2% ou Limite de proporcionalidade σ F 787, 00Kgf Kgf = σ = 43,72 Esc 0,2% 2 0,2% 2 S0 18,00mm mm Limite último σ Ult Ult 1094, 00 = F Kgf σ = 60,78 Kgf S 18,00mm mm 0 2 ult 2 Limite de elasticidade σ Le Le 500, 00 = F Kgf σ = 27,78 Kgf S 18,00mm mm 0 2 el 2 Módulo de elasticidade σ Le Ε =, onde : Ε = Módulo de deformação ε σ Le = Tensão no limite elastico ε = Deformação

85 73 L ε = L 0 L = L L 39,05mm 39,00mm = 0,05mm f i 0,05mm ε = = 1, ,00mm 3 σ Le 27, 78 / Ε = E = , 66 ε 1, mm 2 Kgf mm Kgf 3 2 Alongamento Lf Li A = *100% L 0 47,40mm 39,00mm A = *100% A = 21, 54% 2 39,00mm Estricção Z = S0 S f S 0 *100% Z ,00mm 7,20mm = *100% Z = 60% 2 18,00mm Tensão de Ruptura σ Rup Rup 780, 00 = F Kgf σ = 43,33 Kgf S 18,00mm mm 0 2 Rup 2

86 Procedimentos de ensaio à tração do eucalipto citriodora O ensaio de tração, paralela as fibras, foi realizado em seis corpos-de-prova de seção retangular com características especificadas de acordo com a ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT (NBR 7190 :1997). A Fig mostra o aspecto do corpo-de-prova. Figura 11.6 Corpo de prova de ensaio à tração do eucalipto citriodora Determinação do teor de umidade Foi determinado através da média de seis corpos-de-prova com dimensões nominais de 2,0cm x 3,0cm e comprimento, ao longo das fibras, de 5,0cm, como ilustra a Fig o teor de umidade do eucalipto de acordo com os procedimentos que a norma determina. Figura 11.7 Corpo-de-prova para determinação da umidade O teor de umidade da madeira corresponde à relação entre a massa da água nela contida e a massa da madeira seca, dado por: mi ms U (%) = 100 m Realizada a pesagem dos corpos-de-prova através de uma balança de precisão encontrou-se o valor da massa inicial (m i ) igual a 23,51g. s

87 75 Após a determinação da massa inicial, os corpos-de-prova foram levados a uma câmara de secagem onde após 6h, realizou-se nova pesagem obtendo-se o valor médio da massa seca (m s ) igual a 19,44g. Com os valores de m i e m f calculou-se a o teor de umidade: mi ms 23,51g 19, 44g U (%) = 100 U (%) = x100 U (%) = 20,94% m 19, 44g s Ensaio Para determinação das propriedades de resistência e rigidez ensaiou-se seis corposde-prova de ensaio à tração através da máquina universal de ensaios EMIC. Devido a máquina não possuir garras específicas para prender os corpos-de-prova, foi necessário realizar adaptações nas cabeças dos corpos-de-prova conforme ilustra a Fig Figura 11.8 Adaptação nas cabeças do corpo-de-prova Os corpos-de-prova foram ensaiados com um carregamento monotônico crescente, correspondente a uma taxa de 10MPa/min conforme ilustra a Fig Figura 11.9 Ensaio à tração do eucalipto citriodora

88 76 Durante a realização do ensaio a máquina registra o comportamento do material através de um gráfico que é mostrado através da Fig Figura Gráfico força-deformação do eucalipto citriodora

89 77 Nota-se através do gráfico que o comportamento da madeira é bem diferente em relação ao aço que apresenta uma continuidade da força ao longo do ensaio. Já com a madeira isto não acontece devido ser um material fibroso com inúmeros vazios em seu interior. No ensaio de tração da madeira, a medida que a força vai sendo aplicada, a deformação é contínua até um certo ponto (L e ). A partir daí as fibras começam a se romperem e a carga começa a oscilar devido ao fato de ocorrer uma transferência de carga entre as fibras, ou seja, à medida que uma fibra rompe transfere a carga para outra. O resultado do ensaio foi obtido através da média de seis corpos-de-prova que é mostrada através da Tab Tabela 11.2 Resultados do ensaio à tração do eucalipto citriodora Material Comprimento Inicial Comprimento Final Área Inicial Força Última Força de Ruptura L i (mm) L f (mm) A i (mm 2 ) FU (Kgf) FR (Kgf) Eucalipto Citriodora , ,00 Com os valores da tabela foram calculadas as propriedades de resistência à tração paralela às fibras (f t,0 ); tensão a 10%; tensão a 50%; limite de elasticidade(l e ) e o módulo de elasticidade (E c,0 ). Limite último de resistência à tração paralela as fibras f 2000, 00 = F Kgf f = 14, 29 Kgf Ult t,0 2 t,0 2 S0 140, 00mm mm Tensão a 10% σ 200, 00 = F Kgf σ = 1, 43 Kgf 10% 10% 2 10% 2 S0 140, 00mm mm

90 78 Tensão a 50% σ 1000, 00 = F Kgf σ = 7,14 Kgf 50% 50% 2 50% 2 S0 140, 00mm mm Limite de elasticidade σ Le Le 1050, 00 = F Kgf σ = 7,50 Kgf S 140, 00mm mm 0 2 el 2 Módulo de elasticidade σ Le Ε =, onde : ε Ε = Módulo de deformação ou módulo de elasticidade σ Le = Tensão no limite elástico ε = Deformação L ε = L 0 L = L L 150,56mm 150, 00mm = 0,56mm f i 0,56mm ε = = 3, , 00mm 3 σ Le 7,5 / Ε = E = 2008,93 ε 3, mm 2 Kgf mm Kgf Procedimentos de ensaio à tração do poliéster reforçado Para realização deste ensaio, foram moldados seis corpos-de-prova, tomando-se como base o item 6 da norma ASTM D-638/99. Os corpos-de-prova foram moldados a partir de amostras adquiridas através de fabricantes da área de materiais compostos. Estes fabricantes utilizam

91 79 estes produtos para fabricação de peças como grades, eletrocalhas, leitos para cabos, elementos de isolação térmica, elétrica e acústica. A Fig mostra como ficou a moldagem de um dos seis corpos-de-prova. Figura Corpo-de-prova de ensaio à tração do poliéster reforçado com de fibra de vidro Ensaio do poliéster Primeiramente foram ensaiados em uma máquina universal de ensaios (EMIC) seis corpos-de-prova padronizados a uma velocidade de ensaio de 5mm/min. A Fig mostra o ensaio. Figura Ensaio à tração do poliéster reforçado com fibras de vidro Como pode se observar o material não rompe no meio do corpo-de-prova como se esperava e sim na extremidade. O fato ocorreu com os seis corpos-de-prova padronizados.

92 80 A força máxima suportada pelos corpos-de-prova variou de 1150,00Kgf a 1710,00Kgf em uma secção de 39,00mm 2, portanto uma tensão entre 29,48Kgf/mm 2 a 43,84Kgf/mm 2 respectivamente. O registrador da máquina de ensaio não conseguiu traçar gráficos com precisão de modo que não foi possível detectar o limite elástico, módulo de elasticidade, patamar de escoamento etc., o que é necessário para uma melhor análise do material. Tendo em vista o ocorrido, foram moldados mais seis corpos de prova com secção igual ao corpo-de-prova de ensaio à tração do aço (3mm x 6mm), ou seja, uma redução de área de aproximadamente 54%. A Fig mostra como ficou o corpode-prova com a secção reduzida. Figura Corpo-de-prova com a secção reduzida Foi realizado um novo ensaio com uma velocidade de 5mm/min conforme ilustra a Fig Figura Segundo ensaio à tração do poliéster reforçado com fibras de vidro