AVALIÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA E MICROMECANISMOS DE FRATURA EM POLIPROPILENO SINTÁTICO

Transcrição

1 AVALIÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA E MICROMECANISMOS DE FRATURA EM POLIPROPILENO SINTÁTICO A. Á. F. Martins (1), B. P. dos Santos (1), T. R. Strohaecker (1) (1) LAMEF/PPGEM/Escola de Engenharia/UFRGS - Av. Osvaldo Aranha, 99, sala 610. Porto Alegre - RS. CEP agnesmartins@ufrgs.br RESUMO O polipropileno (PP) é um termoplástico bastante utilizado na indústria de transformação em virtude da sua versatilidade, baixo custo e fácil processabilidade. Polipropileno sintático é um compósito com sistema de multicamadas que contém microesferas utilizadas como reforço em uma matriz polimérica. Essas microesferas são em sua maioria, fabricadas em uma forma oca e de vidro, o que confere um aumento na resistência mecânica do polímero. O material foi avaliado através dos ensaios de tração e compressão para verificar se ocorre influência por parte das orientações de camadas da matriz polimérica quando submetida a estes esforços. Para verificarmos se ocorre influência, os ensaios mecânicos foram realizados baseados em normas técnicas, que no caso especifico para tração e compressão são as normas ASTM e ASTM D695-10, respectivamente. Após os ensaios observouse que para os ensaios de tração a direção longitudinal da camada apresentou maior alongamento e maior resistência à tração do que os corpos de prova com orientação transversal. Para os ensaios de compressão os resultados mostraram que o efeito da variação da direção de camada apresentou pequena diferença. Palavras-chave: Polipropileno Sintático, multicamadas, tração e compressão, ASTM e ASTM D

2 1. INTRODUÇÃO Engenheiros de qualquer especialidade devem compreender como as várias propriedades mecânicas são medidas e o que elas representam. Essas propriedades são necessárias ao projeto de estruturas ou componentes que utilizem materiais predeterminados a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou falhas em serviço, ou o aumento de custo do produto em função do superdimensionamento de componentes. As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de ensaios cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço. Neste trabalho foram realizados ensaios para a caracterização mecânica de materiais poliméricos utilizados em revestimentos de dutos submarinos com sistema de multicamadas baseado em polipropileno sintático. Para tanto dez amostras do PP sintático foram subdivididas em cinco amostras de tração na direção longitudinal e cinco na direção radial do duto. Ensaios de compressão também foram realizados em corpos de prova tipo cilíndrico, sendo vinte amostras subdivididas em dez amostras na direção longitudinal e dez na direção transversal do componente. Todos os ensaios foram realizados conforme as normas ASTM e ASTM D695-10, respectivamente. Após os ensaios observou-se que para os ensaios de tração a direção longitudinal, apresentaram maior alongamento e maior resistência à tração do que os corpos de prova com orientação transversal. Para os ensaios de compressão os resultados mostraram que o efeito da variação da direção apresentou pequena diferença. Com as propriedades obtidas nos ensaios mecânicos dos materiais consegue-se estabelecer limites de aplicação e efetuar a validação das propriedades mínimas requeridas pelos materiais. Adicionalmente, também servem como guia para a predição da ocorrência de falhas nestes sistemas de revestimentos. 8808

3 2. MATERIAIS E METODOS Foram retiradas algumas amostras de um componente mecânico utilizado como sistema de revestimento multicamada baseado em PP Sintático. As amostras recebidas foram destinadas a obtenção e preparação de corpos de prova para caracterização mecânica. A figura 1 mostra a matriz de corte dos corpos de prova e como foram retirados os corpos de prova das placas (orientação radial ao tubo e longitudinal ao tubo). (a) ( b ) Figura 1. (a) Cortes radiais (b) Cortes longitudinais Os ensaios de tração foram realizados segundo a norma ASTM D Tensile properties of Plastic Materials. A figura 2 apresenta o desenho com suas dimensões em milímetros e mostra o CP de tração em seus formatos reais preparados a partir da amostra recebida. Foram ensaiadas 10 amostras, subdivididas em 05 amostras de tração na direção paralela a conformação e 05 amostras de tração na direção perpendicular a conformação. 8809

4 Radial ao tubo Longitudinal ao tubo Figura 02. Corpo de prova com suas dimensões e corpos de prova real. Por praticidade e devido as dimensões reduzidas dos corpos de prova, foi utilizada uma matriz de corte, que apresentou cortes com bom acabamento. As dimensões correspondem as do corpo de prova tipo Small Specimens Type Figura 3 da Norma ISO Plastics - Determination of tensile properties - Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. Figura 03. Corpo de Prova Tipo 5A, ISO 527-2, Dimensões em milímetros. 8810

5 Nas imagens das amostras ensaiadas se observa que a ruptura do corpo de prova na posição radial ao duto ocorre em um ponto determinado correspondente com uma das camadas em que se encontra subdividido a espessura de PP Sintático. Na Figura 5 observamos que esta ruptura se dá com uma tensão menor e um alongamento final substancialmente menor que as obtidas nas amostras na direção longitudinal. Isso devido a presença da interface das camadas do SPP. Para determinar o modo de fratura da superfície foi realizado MEV Shimadzu Microscópio Eletrônico de Varredura, modelo SSX 550. Figura 04. Amostras de tração no sentido longitudinal ensaiadas. Figura 05. Amostras de tração no sentido transversal ensaiadas. 8811

6 2.1. ENSAIOS DE TRAÇÃO Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de ensaios eletromecânica da marca INSTRON, modelo 5585H. A Figura 5 mostra a montagem do ensaio sendo empregada uma taxa de deslocamento de 5 mm/min e a base de medida (Lo) para determinação do alongamento foi de 25 mm. Figura 06. Montagem do ensaio de tração na máquina INSTRON 5585H ENSAIOS DE COMPRESSÃO Os ensaios de compressão foram realizados segundo a norma ASTM D Compressive Properties of Rigid Plastics, com corpos de prova Tipo Cilíndricos, Figura 7 de dimensões: Diâmetro=12,7 mm, Altura= 25,4 mm, a ser confeccionados a partir da amostra em bruto recebida. Foram ensaiadas 20 amostras, subdivididas em 10 amostras de compressão na direção longitudinal do duto e 10 amostras de compressão na direção transversal do componente. 8812

7 Radial ao tubo Longitudinal ao tubo Figura 07. Representação esquemática do CP do corpo de prova para ensaio de compressão e Amostras prontas para ensaios. Dimensão em mm. Os ensaios de compressão foram realizados em uma máquina de ensaios eletromecânica da marca INSTRON, modelo 5585H. A Figura 081 mostra a montagem do ensaio sendo que a taxa de deslocamento empregada foi de 1,3 mm/min. A base de medida (Lo) para determinação do alongamento foi de 25,4mm. Figura 081. Montagem do ensaio de compressão na máquina INSTRON 5585H. 8813

8 Figura 09. Ensaio de Compressão e amostra ensaiada. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 1 e 2 apresentam os resultados dos ensaios de tração para as amostras com orientação transversal e longitudinal, respectivamente. Tabela 01. Resultados dos ensaios de tração dos corpos de prova com orientação transversal (taxa: 5 mm/min). Tabela 02. Resultado do ensaio de tração do corpo de prova com orientação longitudinal (taxa: 5 mm/min). 8814

9 As tabelas 3 e 4 apresentam os resultados dos ensaios de compressão para amostras com orientação transversal e longitudinal, respectivamente. Tabela 03. Resultados de resistência à compressão das amostras com orientação transversal ao tubo. Amostra Resistência à Compressão (MPa) Amostra 01 17,25 Amostra 02 15,97 Amostra 03 15,8 Amostra 04 16,97 Amostra 05 15,74 Amostra 06 16,11 Amostra 07 16,9 Amostra 08 16,67 Amostra 09 15,86 Amostra 10 17,28 Média 16,45 Tabela 04. Resultados de resistência à compressão das amostras com orientação longitudinal ao tubo. 8815

10 Amostra Resistência à Compressão (MPa) Amostra 01 16,27 Amostra 02 16,82 Amostra 03 17,05 Amostra 04 16,95 Amostra 05 17,83 Amostra 06 16,87 Amostra 07 17,89 Amostra 08 15,17 Amostra 09 16,76 Amostra 10 16,13 Média 16,77 A Figura 10 apresenta a imagem obtida através de MEV da superfície de fratura dos corpos de prova, após o ensaio de tração. Figura 10. Corpo de prova fraturado e imagem em MEV na ponta da superfície de fratura. Na análise factográfica das amostras pela microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram detectados a presença de espaços vazios ocasionado pelo desprendimento das esferas ocas de vidro e, analisando a superfície de fratura desses corpos de prova, verificamos que este material apresenta fratura dúctil na ponta da trinca. 8816

11 4. CONCLUSÕES Nos ensaios de tração as amostras com camada na direção longitudinal a laminação, obtiveram uma maior resistência e também maior alongamento durante o ensaio o que era o esperado para um material polimérico termoplástico. Já nas amostras com camada na direção perpendicular apresentaram ruptura no ponto onde as camadas se encontram. Em decorrência os valores de limite de resistência à tração e o alongamento do material foram menores devido a isto. Para esforços de compressão a direção das camadas não mostrou influência. 8817

12 5. BIBLIOGRÁFIA 1. CALLISTER JR, W. D; RETHWISH, D. G. Materials science and engineering: an introduction. New York: John Wiley & Sons, SMITH, W. F. Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. 3 ed. Lisboa: McGRAW-HILL, DIETER, George Ellwood. Metalurgia mecânica. 2 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, ASTM D Tensile Properties of Plastic Materials. 5. ISO 527-2:3012, Plastics Determination of Tensile Properties Part 2: Test Conditions for Moulding and Extrusion Plastics. 6. ASTM D Compressive Properties of Rigid Plastics. 7. MAE, H.; OMIYA, M.; KISHIMOTO, K. Effect of Micro Porous Shape on Mechanical Properties in Polypropylene Syntactic Foams. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, v. 2, n. 5, p , SHUTOV, F. A. Syntactic polymer foams. In: Advances in polymer science: Chromatography/Foams/Copolymers, p , Springer, Berlin, STRENGTH OF APPRAISAL MECHANICS AND FRACTURE micromechanics POLYPROPYLENE syntactical ABSTRACT Polypropylene (PP) is a thermoplastic widely used in the manufacturing industry because of their versatility, low cost and easy processability. Syntactic Polypropylene is a multilayer composite system consisting of microspheres used as reinforcement in a polymer matrix. Such microspheres are mostly made of glass and a hollow shape, which confers an increase in the mechanical strength of the polymer. The material was evaluated by the tensile and compression to verify that occurs influence on the part of the polymer matrix layers guidelines when subjected to these efforts. To check whether it has influence, the mechanical tests were performed based on technical standards, which in the specific case for tension and compression are the ASTM and ASTM D695-10, respectively. After the tests it was observed that for tensile 8818

13 tests the longitudinal direction of the layer showed higher elongation and higher tensile strength than the specimens with transverse orientation. For compression testing results showed that the effect of the variation direction of the layer showed little difference. 8819