STUDY OF THE ENVIRONMENTAL EFFECTS ON THE COMPRESSION STRENGTH OF CARBON, ARAMIDE AND GLASS FIBER WITH EPOXY RESIN

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1 ESTUDO DO EFEITO DO CONDICIONAMENTO AMBIENTAL SOBRE A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DOS COMPÓSITOS DE FIBRA DE CARBONO, DE ARAMIDA E DE VIDRO IMPREGNADOS COM RESINA EPÓXI José A. P. Cunha 1, Michelle L. Costa 2, Mirabel C. Rezende 2 * 1 Departamento de Engenharia Mecânica, ITA/SENAI-jpeixoto_cunha@hotmail.com; 2 Divisão de Materiais AMR/IAE/CTA, - michelle@thermoevolution.com.br; mirabel@iae.cta.br; Marechal do Ar Eduardo Gomes, n 5, Vila das Acácias, São José dos Campos, SP, , Brasil. STUDY OF THE ENVIRONMENTAL EFFECTS ON THE COMPRESSION STRENGTH OF CARBON, ARAMIDE AND GLASS FIBER WITH EPOXY RESIN Abstract - Influence of environmental effects on the compression strength of carbon, aramide and glass fiber with epoxy resin has been investigated. The moisture absorption was monitored placing the samples for a long specified time (until saturation) in a humidity-controlled chamber (8 C and 95% relative humidity (RH)) and other samples in a salt spray chamber (36 C). It was observed that the samples of glass fiber submitted to the humidity-controlled chamber presented a decrease of 25% in the compression strength when compared with specimens non-conditioned. But the specimens submitted to the salt spray chamber presented a decrease of the compression strength (17%). On the other hand, the tests performed the samples of aramide and carbon (Plain Weave) showed that the samples submitted to the salt spray chamber presented a decrease of 11% in the compression strength when compared with the specimens nonconditioned and decrease of 17% when submitted to de humidity-controlled. However, the carbon tape samples demonstrated decrease of 8% when submitted to the salt spray chamber. These results show that the humidity-controlled chamber cause more damages on the compression strength properties than the salt spray conditionings. Introdução Os compósitos poliméricos, quando colocados em serviço, são expostos também a uma variedade de condições ambientais e diversos tipos de carregamentos mecânicos. Os principais agentes atmosféricos causadores dos ataques ambientais são a temperatura; umidade relativa do ar; efeitos de radiação ultravioleta; ataque de partículas do espaço; exposição química; água salina; combustível; gases e fluidos hidráulicos. Já as tensões mecânicas são originadas dos esforços que atuam na estrutura. Estas exposições do meio ambiente combinada com as deformações e tensões mecânicas que atuam nas estruturas são as condições em que os compósitos poliméricos termorrígidos devem atuar [1]. Os efeitos ambientais causados pela temperatura e umidade relativa do ar podem ser reversíveis quando o período de exposição é de curta duração. Porém, quando a exposição ocorre em ciclos prolongados, onde a combinação da umidade com a mudança de temperatura estão presentes, os efeitos produzidos podem ser irreversíveis devido à afinidade da água por grupos funcionais específicos de matrizes poliméricas de natureza polar. Nesse caso, geralmente ocorrem alterações destrutivas na interface reforço/matriz polimérica, devido à degradação das prováveis interações físico-químicas existentes entre a resina e a fibra. Em conseqüência, ocorre o

2 descolamento da fibra, provocando a delaminação do compósito com a conseqüente redução das propriedades mecânicas e termofísicas do material compósito [1-6] Este estudo demonstra a influencia de duas diferentes condições ambientais (câmara de climatização e névoa salina) sobre a resistência à compressão de diversos tipos de compósitos, sendo, de tecido de carbono e de tecido de aramida impregnados com resina epóxi F 155; de tecido de vidro impregnado com resina epóxi F161 e e fita unidirecional de carbono impregnado com resina epóxi Experimental Os compósitos utilizados neste estudo foram obtidos de 4 famílias diferentes de laminados de epóxi. Sendo, os laminados de fibra de vidro estilo 7781 impregnado com resina epóxi tipo F161 (Hexcel Composites) e curado a 177 C, tecido de carbono estilo plain weave e de tecido de aramida estilo 285, ambos impregnados com resina epóxi tipo F155 (Hexcel Composites) e curados a 121 C, e finalmente, de fita unidirecional de carbono estilo IM7 impregnada com resina epóxi tipo 8552 (Hexcel Composites) e curada a 177 C, de onde foram preparados os corpos-de-prova para os ensaios de resistência à compressão. A exposição higrotérmica foi baseada no procedimento B da norma ASTM D 5229/D5229 M-92. Neste estudo a absorção de umidade dos corpos-de-prova foi monitorada até a saturação em uma câmara de umidade controlada a 8 C e 95% de umidade relativa. Sendo o peso dos corpos-deprova medido em função do tempo. Todos foram secos de acordo com a norma ASTM C antes do higrotérmico. Toda semana, os corpos-de-prova foram removidos da câmara de umidade controlada e pesados. Eles foram colocados para esfriar por um pequeno período de tempo antes da pesagem. O efeito da remoção dos corpos-de-prova da câmara por um pequeno período de tempo não foi levado em consideração. Os corpos-de-prova foram medidos utilizando uma escala de,1mg. Este procedimento foi repetido por 9 semanas até atingir o limite de saturação do material.para verificar a influência do em névoa salina sobre os resultados do ensaio de compressão, os corpos-de-prova foram expostos a uma combinação de temperatura e umidade em uma câmara de névoa salina de acordo com a norma ASTM Os corpos-de-prova foram suspensos entre 15º e 3º na vertical paralela a direção principal do fluxo horizontal de névoa dentro da câmara, posicionados de forma a não permitir que houvesse contato entre eles. O ensaio de compressão, descrito pela norma ASTM D341, foi utilizado para verificar o ambiental nos compósitos. Os ensaios foram executados em uma máquina universal de ensaios Instron com uma velocidade de 1,3 mm/min.

3 Resultados e Discussão As Tabelas 1 e as Figuras de 1 a 4 apresentam os resultados obtidos nos ensaios à compressão. Tabela 1 - Resultados dos ensaios de resistência à compressão (MPa). Tecido de carbono (PW) Máximo Mínimo Média Não condicionado 51,2 476,9 495,1 ± 15,7 Câmara de climatização 477,9 378,9 411,7 ± 34,7 Câmara de névoa salina 454,1 422,7 439, ± 14,2 Tecido de Aramida Máximo Mínimo Média Não condicionado 136,6 13,3 134,2 ± 2,4 Câmara de climatização 123,2 14,9 111,1 ± 6,4 Câmara de névoa salina 132,3 15,8 12,2 ± 9,7 Tecido de fibra de vidro Máximo Mínimo Média Não condicionado 446,4 385,1 414,8 ± 23,6 Câmara de climatização 338,7 285,6 313,1 ± 19,2 Câmara de névoa salina 358, 32,7 344,9 ± 12,9 Fita de carbono Máximo Mínimo Média Não condicionado 1841,7 177, 1812,2 ± 3,6 Câmara de névoa salina 185,4 1538,7 1667,8 ± 17,3 Examinando-se os resultados dos compósitos de fibra de vidro submetidos à câmara de névoa salina (344,9 ± 12,9MPa), verifica-se que houve uma redução de 17% no valor da resistência à compressão em relação as amostras de vidro não condicionadas. Nos compósitos de fibra de vidro submetidos à câmara de umidade controlada (313,1 ± 19,2MPa) observa-se uma maior redução, de 25%, no valor da resistência à compressão quando comparado com os compósitos não condicionados (Fig.1). Isto sugere que o processo de absorção de umidade pelo compósito de fibra de vidro em câmara de climatização é ampliado pela temperatura elevada (8 C), uma vez que a mesma é de 25 C em câmara salina. Resistência à compressão (MPa) % Fibra de vidro 25% salt spray camara de climatização sem ambiental Figura 1 Resultado dos ensaios de compressão dos laminados de fibra de vidro.

4 Já para compósitos de tecido de carbono observou-se que os submetidos à câmara de névoa salina (439, ± 14,2MPa) apresentaram uma diminuição de 11% no valor da resistência à compressão quando comparados com os não condicionados (495,1 ± 15,7MPa). Já os compósitos submetidos à câmara de umidade controlada (411,7 ± 34,7MPa) apresentaram uma redução de 17% na resistência à compressão (Fig.2). Ou seja, neste caso a redução da resistência a compressão também foi maior em câmara de climatização, sugerindo que a temperatura e a umidade juntas degradam mais rapidamente as propriedades dos compósitos poliméricos. Carbono (PW) Resistência à compressão (MPa) % 17% salt spray camara de climatização Condicionamento ambiental sem Figura 2 Resultado dos ensaios de compressão dos laminados de tecido de carbono plain weave. Quando observado os resultados dos compósitos de tecido de aramida submetidos à câmara de névoa salina (12,2 ± 9,7MPa) verifica-se que houve uma redução de 1% no valor da resistência à compressão. Nos compósitos submetidos à câmara de umidade controlada (111,1 ± 6,4MPa) houve uma redução de 17% no valor da resistência à compressão quando comparados com os compósitos de tecido de aramida não condicionados (134,2 ± 2,4MPa) (Fig.3). Aramida 14 1% Resistência à compressão (MPa) salt spray 17% camara de climatização ambiental sem Figura 3 Resultado dos ensaios de compressão dos laminados de tecido de aramida.

5 Analisando-se os resultados dos compósitos de fita de carbono IM7 submetidos à câmara de névoa salina (1667,8 ± 17,3MPa) observa-se que houve uma diminuição de 8% na resistência à compressão quando comparados com os compósitos não condicionados (1812,2 ± 3,6MPa) (Fig.4). carbono IM7 Resistência à compressão(mpa) % salt spray sem ambiental Figura 4 Resultado dos ensaios de compressão dos laminados de fita de carbono IM7. Assim, pode-se observar que em todos os compósitos avaliados a temperatura juntamente com a umidade afetam muito mais a resistência à compressão que somente a umidade, não importando o tipo de reforço utilizado. Conclusões A influencia ambiental sobre a resistência à compressão dos compósitos foi investigada. Os resultados mostram que todos os compósitos submetidos ao ambiental apresentam uma diminuição na resistência à compressão, sendo que aqueles submetidos à câmara de umidade e temperatura controlada apresentam uma maior redução na resistência à compressão em relação aos condicionados em câmara de névoa salina, independente do tecido ou da resina utilizada. Sendo assim, os efeitos da temperatura e umidade juntos são mais danosos aos compósitos poliméricos que somente a umidade. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro, ao ITA e a EMBRAER pelo fornecimento dos compósitos utilizados no presente trabalho.

6 Referências Bibliográficas 1. L. A. Carlsson; R. B Pipes, Experimental characterization of Advanced Composite Materials.2 ed. Lancaster, PA: Technomic, K. H. G. Ashbee, Fundamental principles of fiber reinforced composites 2nd. ed. Lancaster, PA: Technomic, cap G. M. Cândido, Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, M. L. Costa, Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, J. D. Demonte, F.L. Malabar, Technology of carbon and graphite fiber composites Robert E. Krieger, 1987, cap E.G. Wolff, Sampe Journal, 1993, 9: J.A.P. Cunha, Tese de Mestrado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 24.