INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONATO DE CÁLCIO (CACO 3 ) NO PROCESSO DE INFILTRAÇÃO E NAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS MOLDADOS POR RTM E RTM LIGHT

Transcrição

1 INFLUÊNCIA DO TEOR DE CARBONATO DE CÁLCIO (CACO 3 ) NO PROCESSO DE INFILTRAÇÃO E NAS PROPRIEDADES DE COMPÓSITOS MOLDADOS POR RTM E RTM LIGHT A. C. GARAY (1) ; V. HECK (1) ; A. ZATTERA (2) ; S. C. AMICO (1) (1) Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Materiais Caixa Postal Porto Alegre/RS *andrecechin@yahoo.com.br (2) Universidade de Caxias do Sul - UCS RESUMO O RTM Light é um processo de fabricação de compósitos poliméricos, complementar ao RTM tradicional que vem ganhando muita importância por possuir algumas vantagens em relação ao RTM tradicional como baixo custo do molde e alta produtividade. Neste trabalho, foi avaliada a influência de diferentes teores de carbonato de cálcio (CaCO 3 ) na permeabilidade de reforços fibrosos de manta de fibra de vidro, e no teor de vazios e nas propriedades mecânicas dos compósitos. Verificou-se que a permeabilidade do reforço diminui para maiores teores de CaCO 3 e algumas propriedades como dureza e módulo de elasticidade em tração aumentam. Por outro lado, à resistência ao impacto e à tração diminuíram com a adição de CaCO 3. Além disso, não foi notada influência no teor de vazios do compósito final. Palavras-Chave: RTM, RTM Light, Carbonato de Cálcio, Compósitos INTRODUÇÃO Há uma grande variedade de métodos de processamento disponíveis para materiais compósitos de matriz polimérica, entre eles, o RTM (resin transfer

2 molding) e o RTM Light. O RTM consiste na injeção de uma resina termorrígida préformulada em um molde onde há um reforço fibroso seco, geralmente de fibra de carbono ou vidro (1). O RTM Light, uma variante do RTM tradicional, tem algumas características distintas como um molde de material mais flexível (ex. de material compósito) e com sua parte superior translúcida, permitindo observar a evolução da frente de fluxo da resina. O RTM Light utiliza um vácuo periférico como mecanismo de travamento do molde/contramolde, enquanto que uma pressão positiva baixa em conjunto com o vácuo na cavidade do molde fazem com que a resina preencha essa cavidade (2). O RTM e suas variantes têm sido amplamente utilizado na indústria automotiva, aeroespacial, civil e esportivos (3). A resina poliéster insaturada é a mais utilizada no processo de RTM Light em aplicações diversas, pois possui baixa viscosidade, cura rápida e oferece boas propriedades mecânicas aos compósitos. Alguns tipos de cargas podem ser adicionadas à resina com o objetivo de reduzir custos de formulação e incrementar propriedades, e entre as mais usadas, destaca-se o carbonato de cálcio (CaCO 3 ). Considerando que há poucos trabalhos científicos relacionados ao processo de RTM Light, este estudo visa investigar o efeito da adição de carbonato de cálcio, em diferentes proporções (5, 10, 15 e 20%), na permeabilidade de mantas de fibras de vidro, e no teor de vazios e propriedades mecânicas dos compósitos moldados por este processo. MATERIAIS E MÉTODOS Os seguintes materiais foram usados: Resina: Poliéster insaturada ortoftálica, Elekeiroz. Reforço: Manta de fibras de vidro-e com núcleo de PP (350/250/350 g/m 2 ), Owens Corning. Iniciador: Peróxido de metil-etil-cetona (P-MEK) - 3% v/v de resina. Carga: Carbonato de cálcio natural, ITAP C325. A Tab. 1 mostra a composição de todas as amostras estudadas.

3 As medidas de permeabilidade foram realizadas em molde de aço inox (cavidade: ,6 mm) com a parte superior em vidro para possibilitar a visualização do avanço da frente de fluxo do fluido e uma câmera fotográfica digital capturou a posição da frente de fluxo com o tempo. Mais detalhes da metodologia de determinação da permeabilidade de reforços fibrosos podem se encontradas na literatura (4). As medidas de permeabilidade foram feitas para os reforços com núcleo de polipropileno (PP), para as amostras P90/C0/G10, P85/C5/F10, P80/C10/F10, P75/C15/F10 e P70/C20/F10. A pressão de injeção foi pré-ajustada para 0,1 bar. Tabela 1: Nomenclatura adotada e porcentagens em massa das amostras. Nomenclatura Resina (P) Proporção CaCO 3 (C)* Fibra de vidro (G)** P90/C0/G P85/C5/G P80/C10/G P75/C15/G P70/C20/G P P95/C P90/C P85/C P80/C P55/C20/B O molde de RTM Light utilizados no experimento é mostrado esquematicamente na Fig. 1. Ele foi projetado para produzir peças de 3 mm, com o formato de uma bandeja. O vácuo aplicado sobre a área entre a flange de vedação externa e do selo interior foi de - 0,5 bar e o aplicado na cavidade central foi de 0,3 bar, enquanto a pressão de injeção positiva foi de 0,3 bar. Figura 1: Partes do molde RTM Light.

4 Uma camada de fibra de vidro-e com núcleo do PP, 350/250/350 g/m 2, foi colocado em cada moldagem. Foram feitas moldagens por RTM Light das amostras P90/C0/G10, P85/C5/G10, P80/C10/G10, P75/C15/G10 e P70/C20/G10. A densidade das amostras, com peso mínimo de 2,0 g, foi medida pelo método de Arquimedes. O teor de vazios (V V %) das amostras foi determinado usando os valores de densidades medidos, de acordo com a Eq. (A). (A) Onde: é a densidade dos compósitos, da matriz e do CaCO 3, é a fração mássica de fibras, de matriz e de CaCO 3. O ensaio de dureza Barcol foi realizado de acordo com a norma ASTM D2583 em um equipamento Bareiss Pruefgeraetebau GmbH D Oberdischingen. O ensaio de impacto realizado foi o Izod sem entalhe, em um aparelho CEAST, com martelo de 5,5 J conforme a norma ASTM D O ensaio de tração dos compósitos foi realizado conforme a norma ASTM D em uma máquina universal de ensaios EMIC DL 2000 a uma velocidade de 2 mm/min e com o uso de extensômetro. RESULTADOS E DISCUSSÃO Como pode ser observado na Fig. 2, quanto maior o teor de CaCO 3 na resina, menor a permeabilidade do reforço e maior o tempo de preenchimento do molde. A diminuição da permeabilidade se deve à presença de partículas de carbonato de cálcio entre as fibras, dificultando o fluxo da resina no meio fibroso (5,6). Os resultados também indicam que há um aumento de densidade no compósito final com o aumento do teor de CaCO 3, como esperado (Tab. 2), pois o CaCO 3 possui uma densidade elevada de 2,82 g/cm 3 comparada com a da fibra de vidro (2,52 g/cm 3 ) e da resina (1,19 g/cm 3 ). Este aumento de densidade no compósito é uma característica muitas vezes não desejada, principalmente no setor automobilístico, enquanto que em outros setores, como construção civil, não é tão relevante.

5 Figura 2: Permeabilidade do reforço com núcleo de PP em função do teor de CaCO 3 na resina. Na Tab. 2, pode ser visto que a adição da carga na resina não teve influência no teor de vazios dos compósitos. Este resultado pode ser explicados pelo uso do processo RTM Light. Este processo utiliza um vácuo interno que aumenta a eficiência do preenchimento dos espaços vazios do reforço pela resina, pro,ovendo preenchimento eficiente dos canais. Tabela 2: Densidade, teor de vazios, dureza Barcol e resistência ao impacto de compósitos com diferentes teores de CaCO 3. Amostras Densidade (g/cm 3 ) Teor de vazios (%V v ) Dureza Barcol Resistência ao impacto (kj/m 2 ) P90/C0/F10 P85/C5/F10 P80/C10/F10 P75/C15/F10 P70/C20/F10 1,22 1,32 1,38 1,43 1,51 0,98 1,01 0,97 0,98 0,98 49 (±4) 52 (±4) 54 (±3) 55 (±3) 56 (±3) 49,9 (±4,0) 39,4 (±4,9) 34,9 (±3,9) 34,4 (±3,1) 33,9 (±2,1) Em testes de dureza Barcol, observou-se que a dureza aumentou com a adição de CaCO 3 (Tab. 2). Este resultado também era esperado, pois o CaCO 3 é um material inorgânico com dureza elevada, tornando o compósito mais duro, principalmente na sua superfície onde o volume de resina é ligeiramente mais elevado. O aumento da dureza em materiais compósitos é uma propriedade normalmente procurada, então a adição de CaCO 3 exerceu um efeito positivo.

6 Os resultados de resistência ao impacto (Tab. 2) mostram uma diminuição nesta propriedade com adição de CaCO 3. Isto ocorre já que o compósito fica mais rígido em concentrações maiores de CaCO 3, absorvendo menos energia durante o impacto e fraturando de forma mais frágil, absorvendo pouca energia. Os resultados de resistência à tração podem ser vistos na Fig. 3. Verificou-se que a resistência à tração diminui com a adição de CaCO 3, uma vez que a partícula de carga está atuando como um concentrador de tensão na matriz do compósito. Verificou-se também um aumento esperado do módulo de elasticidade em tração com o aumento do teor de CaCO 3 (Fig. 3), pois o compósito torna-se mais rígido com adição deste tipo de cargas minerais. Figura 3: Resultados de resistência à tração e módulo de elasticidade dos compósitos em função do teor de CaCO 3.

7 CONCLUSÕES Os resultados deste trabalho demonstram que o uso de CaCO 3 na resina poliéster dificulta o seu processamento em técnicas de manufatura da família da moldagem líquida, como o RTM e o RTM Light. Este trabalho também deixa claro o impacto da adição de CaCO 3 nas propriedades do material resultante. O impacto foi positivo em algumas propriedades, como dureza e módulo de elasticidade, e foi negativo com relação à resistência ao impacto e a resistência à tração. Nota-se que é possível produzir compósitos de menor custo com a adição de CaCO 3, e que as propriedades podem ser ajustadas para uma determinada aplicação. AGRADECIMENTOS mecânicos. Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à UCS pelos ensaios REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Hsiao, K-T.; Little, R.; Restrepo, O.; Minaie, B. A study of direct cure kinetics characterization during liquid composite molding. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v.37, p , Maclaren, J. M. G.; Hickey, C. M. D.; Bickerton, S.; Kelly, P.A. The RTM-Light manufacturing process: Experimentation and modeling. 17th International Conference on Composite Materials. Edinburgh, UK Haider, M.; Hubert, P.; Lessard, L. An experimental investigation of class A surface finish of composites made by the resin transfer molding process. Composites Science and Technology, v. 67, n , p , Amico, S. C.; Lekakou, C. An experimental study of the permeability and capillary pressure in resin-transfer moulding. Composites Science and Technology, v. 61, p , Nordlund, M.; Fernberg, S. P.; Lundstro, T. S. Particle deposition mechanisms during processing of advanced composite materials. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v. 38, p , 2007.

8 6. Leclerc, J. S.; Ruiz, E. Porosity reduction using optimized flow velocity in Resin Transfer Molding. Composites: Part A, v. 39, p , INFLUENCE OF THE CALCIUM CARBONATE CONTENT ON THE INFILTRATION PROCESS AND THE PROPERTIES OF COMPOSITES MOLDED BY RTM AND LIGHT RTM ABSTRACT Light RTM is a technique to produce polymeric composites, that is complimentary to traditional RTM. The former is growing in importance due to a few associated advantages, such as low tooling cost and high productivity. This work focused on the study of the influence of the calcium carbonate (CaCO 3 ) content of the resin on the permeability of glass-fiber based reinforcements and on the void content and mechanical properties of the final composites. The permeability was found to decrease with the CaCO 3 content. The addition of this filler showed a positive effect on some properties, including hardness and tensile modulus, and a negative effect on impact strength and tensile strength. Besides, the void content was not affected. Key-words: RTM, Light RTM, Calcium Carbonate, Composites