CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS COMPÓSITOS FEITOS PELA MOLDAGEM POR TRANSFERÊNCIA DE RESINA PARA APLICAÇÃO EM SISTEMAS PROPULSORES. Cláudia M. da Fontoura*, Ianto C. L. Rocha, Carlos A. Ferreira, Sandro C. Amico Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, Porto Alegre RS Brasil claudia.fontoura@gmail.com Resumo A aplicação de materiais compósitos em peças utilizadas em ambientes marítimos permite a fabricação de formatos complexos e com elevadas propriedades específicas. Hélices e laminados (placas) foram desenvolvidos utilizando resina éster-vinílica reforçados com manta e tecido de vidro. A fabricação do compósito foi realizada a partir da técnica de Moldagem por Transferência de Resina (RTM), para garantir as propriedades desejadas do material. Para a caracterização do compósito desenvolvido, o estudo será baseado na realização de alguns ensaios mecânicos como tração, flexão e dureza Barcol, bem como ensaios de densidade e teor de vazios para melhor avaliação física do compósito. Os resultados obtidos mostraram que o processo RTM é adequado para o desenvolvimento de materiais compósitos para sistemas propulsores. Palavras-chave: Materiais compósitos, RTM, sistemas propulsores e ensaios mecânicos. Characterization of composites materials made for Resin Transfer Molding (RTM) for application in propulsion systems. Abstract The application of composites materials in parts used in maritime environments allows the manufacture of complex shapes with high specific properties. Propellers and laminates (plates) were developed using vinyl-ester resin reinforced with glass fabrics and mats. The manufacture of the composite was made from the technique of Resin Transfer Molding (RTM), to ensure the desired properties of the material. For the characterization of the composite developed, the study will be based on achievement of some mechanical tests such as tensile, flexural and Barcol hardness, along with density and void content analysis for better physical evaluation of the composite. The results showed that the RTM process is appropriate for the development of composite materials for propulsion systems. Keywords: Composite materials, RTM, propulsion systems and mechanical testing. Introdução Materiais compósitos são materiais de moldagem estrutural, feitos de dois ou mais constituintes com propriedades específicas. As propriedades dos compósitos são influenciadas por muitos fatores e variáveis, possibilitando o fácil ajuste das suas condições de produção dotando-o de propriedades adequadas à necessidade e atendendo os requisitos específicos de projeto (1, 2). No mercado marítimo, as resinas aplicadas para a produção de um material compósito são normalmente as termorrígidas poliéster, éster-vinílica e epóxi (). A escolha da resina depende dos requisitos estruturais do compósito, da facilidade de manuseio, das características de cura, do tipo de ambiente onde será utilizado, da temperatura de operação e do tempo de vida para a qual foi projetada a estrutura (4).
O sistema propulsor é muito importante nas embarcações. Hélices para barcos feitas de polímeros reforçados com fibra de vidro têm alta resistência à corrosão quando comparado com as hélices metálicas tradicionais, além de resistir mais à abrasão, possuir elevada eficiência propulsora, em função do baixo peso, e proporcionar maior economia de combustível. Dentre as diferentes técnicas de fabricação de compósitos que podem ser utilizadas para atender o setor marítimo, encontra-se a Moldagem por Transferência de Resina (RTM - Resin Transfer Moulding). O RTM tem muitas vantagens sobre outros processos de fabricação, incluindo menor custo de mão-de-obra e fabricação de estruturas complexas e partes que requerem superfícies de ampla faixa de dimensões (5, 6). O estudo desenvolvido neste trabalho foi baseado na realização de ensaios mecânicos como tração, flexão e dureza (7), bem como ensaios de densidade e teor de vazios a fim de caracterizar os compósitos produzidos por RTM na busca de um material que atenda aos requisitos para a aplicação em sistemas propulsores. Experimental Materiais A matriz utilizada neste estudo foi a resina éster-vinílica Derakane 47- Momentum e como reforço utilizou-se manta de fibra de vidro-e ( g/m 2 ) e tecido plano de fibra de vidro-e orientado nas direções /9 ( g/m 2 ). Peróxido de metil etil cetona (PMEK) foi utilizado como iniciador, adicionando-se 1,5% em volume de resina e naftenato de cobalto 6% (NafCo) foi utilizado como catalisador da reação de cura da resina, sendo adicionando,25% em massa de resina. Os compósitos foram moldados em um sistema de moldagem por transferência de resina composto pelos seguintes dispositivos: sistema de injeção de fluidos com vaso de pressão, compressor, controlador de pressão de injeção. Foram utilizados dois moldes, um deles de dimensões 4 x 15 x 2 mm para a confecção das hélices e outro de x x 2 mm para a moldagem das placas, ambos com portas de entrada de resina e saída para ventilação e descarte. A moldagem das hélices foi realizada com uma pressão de,1 bar, com frações volumétricas de fibra (V f ) entre 21 e 24%. As placas foram moldadas à pressão de,45 bar, variando as frações volumétricas de 24 a 25%. Os compósitos idealizados têm a forma estrutural de uma hélice com duas pás e de uma placa (laminado), de acordo com a Figura 1. Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
Figura 1. Forma estrutural dos compósitos idealizados. Foram moldadas três hélices e uma placa para cada combinação com os reforços (só manta, só tecido e manta com tecido). A Tabela 1 mostra as condições utilizadas para a moldagem das hélices e das placas: CARACTERÍSTICAS DOS COMPÓSITOS Tabela1. Condições de processamento para moldagem dos compósitos. H 1- M H 1- T H 1- M/T PM PT PM/T Teor de fibras - V f (%) 21 24 22 24 25 25 Teor de fibras - W f (%) 47 54 5 54 56 56 Camadas de reforço nas pás 1 12 1 - - - Camadas de reforço no eixo da hélice 28 22 28 - - - Camadas de reforço nas placas - - - 4 4 4 H 1-M: Hélices de 1 a moldadas com Manta de fibra de vidro (FV). PM: Placa moldada com Manta de FV H 1-T: Hélices de 1 a moldadas com Tecido de FV. PT: Placa moldada com Tecido de FV H 1-M/T: Hélices de 1 a moldadas com Manta e Tecido de FV. PM/T: Placa moldada com Manta e Tecido de FV. Caracterização Mecânica Os ensaios de tração e flexão foram executados em corpos de prova conforme as Normas ASTM D9-8 e ASTM D79-, respectivamente, em uma Máquina Universal de Ensaios EMIC DL1 como mostrado na Figura 2, com o objetivo de analisar o comportamento da resistência à tração e à flexão, do módulo elástico e da deformação na ruptura em função da variação na disposição dos reforços fibrosos dos compósitos. Figura 2. Máquina universal de ensaios. Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
A velocidade utilizada para estes ensaios foi de 2 mm/minuto (8, 9), utilizando uma célula de carga de kgf para o ensaio de tração e de 5 kgf para o ensaio de flexão. Todos os ensaios foram realizados à temperatura ambiente (25 C). A dureza Barcol consiste na avaliação da dureza de um material através da medida da resistência a penetração exercida quando uma pressão uniforme é aplicada na amostra. A amostra é colocada sob um identador, onde uma pressão uniforme é aplicada na amostra. A profundidade da penetração é convertida em números absolutos de Barcol. Estes ensaios foram realizados nas hélices e nas placas com os diferentes tipos de reforços em um Durômetro Barcol digital Bareiss, seguindo a norma ASTM D258-1. Caracterização Física A densidade da resina e da fibra de vidro foi avaliada de acordo com a norma ASTM D792-91, com auxílio de um picnômetro (5 ml). Um método teórico para determinar a densidade do compósito a partir das densidades dos materiais separados baseia-se na lei das misturas de acordo com as equações (A) e (B) (1) : c ( 1 %) = ( ρ %V ) + ( ρ % V ) ρ (A) VE VE f f onde: %1 ρ ρ = c densidade do compósito( g / cm ) ρ VE = densidade da matriz( g / cm ) ρ f = densidadeda fibra( g / cm ) % V VE = fração volumétrica da matriz % V f = fração volumétrica da fibra % W VE = fração mássicada matriz % W f = fração mássica da fibra (%) c (%) (%) % W VE f = + (B) (%) ρ VE % W ρ f Este método também foi utilizado para se determinar o teor de vazios do compósito (ASTM D274-94), onde a densidade experimental é comparada à densidade teórica da resina e do reforço. Resultados e Discussão Caracterização Mecânica Curvas típicas de Tensão υs Deformação em tração para os laminados somente de manta, de tecido e de manta com tecido são apresentadas na Figura. As curvas apresentam um comportamento linear até a fratura (comportamento elástico). Este comportamento é típico de compósitos com matrizes termofixas e fibras sintéticas. Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
Tensão (MPa) 25 2 15 1 PM PT PM/T 5 5 1 15 2 25 Deformação (%) Figura. Tensão υs Deformação nos ensaios de tração dos compósitos laminados. A Figura 4 apresenta os resultados de resistência à tração dos compósitos com diferentes tipos de reforços (manta, tecido e manta com tecido). Nos laminados reforçados com manta, a resistência à tração (11 MPa) é inferior em função da disposição aleatória das fibras e do menor comprimento das mesmas. Nos laminados reforçados somente com tecido de fibra de vidro, a resistência à tração (24 MPa) foi duas vezes superior a resistência do compósito com manta, pois o tecido é orientado vertical e horizontalmente ( /9 ) e as fibras são contínuas. No caso do compósito laminado com manta e tecido, a resistência (16 MPa) apresentou valores intermediários. Isto se deve à heterogeneidade entre os reforços utilizados no processamento dos compósitos. Em comparação com o limite de resistência à tração do aço que é em torno de 4 MPa (11), a resistência dos compósitos é inferior, mas com o limite de escoamento do aço, que se encontra na região elástica (região linear), que, em geral, é de 275 MPa (11), as resistências dos compósitos (que também se encontram na região linear) apresentam valores muito próximos. 25 Resistência a Tração (MPa) 2 15 1 5 PM PT PM/T Figura 4. Gráfico representando a resistência à tração dos compósitos laminados. Em relação ao módulo elástico (Figura 5a) e a deformação na ruptura (Figura 5b) dos compósitos, a mesma tendência se manteve. O compósito feito somente de tecido apresentou maiores valores em relação aos compósitos feitos de manta e de manta com tecido. Comportamento similar foi observado em outros tipos de compósitos (7). Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
4 1 Módulo Elástico (GPa) 2 1 Deformação na Ruptura (%) 8 6 4 2 a) PM PT PM/T b) PM PT PM/T Figura 5. Propriedades obtidas a partir dos ensaios de tração: a) Módulo elástico; b) Deformação na ruptura. A baixa dispersão confirmou a qualidade da fabricação dos laminados e da preparação das amostras. Todas as amostras produzidas com tecido de fibra de vidro falharam por fratura longitudinal da fibra em diferentes camadas (12) (Figura 6a e 6b). Observou-se também ausência de delaminação entre as camadas das placas feitas de manta (Figura 6c). a) b) c) Figura 6. Fratura dos corpos de prova após ensaio de tração: a) compósito de tecido; b) compósito de manta com tecido; c) compósito de manta. Foi verificado que a fratura foi localizada, permanecendo o corpo de prova íntegro nas regiões distantes da mesma. Esta característica é de suma importância na avaliação dos laminados, pois mostrou que há uma boa adesão entre as fibras de vidro e a resina. As curvas dos ensaios de flexão dos laminados com os diferentes tipos de reforços são apresentadas na Figura 7. As curvas apresentam um comportamento linear elástico. Tensão (MPa) 25 2 15 1 5 PM PT PM/T 6 9 12 15 Deformação (%) Figura 7. Tensão υs Deformação nos ensaios de flexão dos compósitos laminados. Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
As propriedades de resistência à flexão, módulo elástico em flexão e deflexão máxima (deformação na ruptura) são apresentadas nas Figuras 8a, 8b e 8c. Durante o carregamento por flexão-em-três-pontos a distribuição de carga não é uniforme em todas as camadas, mais especificadamente, as camadas externas do laminado estão submetidas ao maior nível de deformação e, por este motivo, são mais influentes nas propriedades do laminado, principalmente no módulo elástico que é medido com baixo nível de carregamento. 25 12 Resistência a Flexão (MPa) 2 15 1 5 Módulo Elástico (GPa) a) PM PT PM/T b) 9 6 PM PT PM/T 4 Deformação na Ruptura (%) 2 1 c) PM PT PM/T Figura 8. Propriedades obtidas a partir do ensaio de flexão dos compósitos laminados: a) Resistência à Tração b) Módulo elástico; c) Deformação na ruptura. Pode-se dizer que enquanto o módulo em flexão depende prioritariamente das camadas externas, a resistência à flexão, determinada no momento da ruptura da face trativa do corpo de prova, depende da configuração do laminado como um todo. Este comportamento está intrinsecamente relacionado ao bom desempenho da configuração adotada, simétrica quanto à distribuição das camadas (1). O modo de fratura do laminado reflete o seu bom desempenho mecânico no carregamento em flexão. As Figuras 9a, 9b e 9c apresentam corpos de prova após o ensaio de flexão, onde é possível visualizar a fratura na face trativa e sua propagação para o interior do mesmo, em direção à linha neutra, caracterizando a típica fratura por flexão-em-três-pontos. Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
b) c) a) Figura 9. Corpos de prova após ensaio de flexão: a) compósito de tecido; b) compósito de manta com tecido; c) compósito de manta. Para as diferentes disposições dos reforços nos laminados, a fratura foi bastante localizada, havendo pouca delaminação entre as camadas. Este comportamento comprova a eficiência da configuração adotada no carregamento em flexão. Foram medidas as durezas das hélices e das placas de acordo com as diferentes combinações dos reforços, conforme mostram os gráficos das Figuras 1a e 1b. 5 5 4 4 Dureza Barcol 2 Dureza Barcol 2 1 1 a) H1-M H1-T H1-M/T Resina b) PM PT PM/T Resina Figura 1. Dureza Barcol dos compósitos comparando com a dureza da resina sem reforço: a) dureza das hélices; b) dureza dos laminados. A dureza da resina éster-vinilíca (sem reforço), de acordo com sua ficha técnica (14), é de 5 Barcol. O resultado encontrado para a resina foi de 6 ±, Barcol, muito semelhante do valor esperado. A dureza das hélices e das placas teve o mesmo comportamento. Em ambos compósitos, a maior dureza obtida foi no reforço só de manta e a dureza de menor valor foi encontrada nos compósitos com tecido. Essa queda nos valores de dureza, para os compósitos que foram produzidos com reforço de tecido, pode ser devido aos intervalos entre os feixes que a trama do tecido de fibra de vidro tem. No caso do reforço de manta, as fibras são dispostas aleatoriamente, diminuindo estes intervalos. Caracterização Física A densidade média da resina éster-vinílica conforme sua ficha técnica (14) é de 1,14 g/cm. E da fibra de vidro é de 2,54 g/cm. Com o auxílio de um picnômetro, foram medidas as densidades Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
dos compósitos, da resina curada e da fibra de vidro. Os valores das densidades da resina e da fibra (Figura 11) obtidos são muito próximos aos da literatura, e a densidade dos compósitos se mostrou intermediária a esses valores (15). 2,6 Densidade (g/cm³) 1,95 1,,65 H1-M//PM H1-T//PT H1-M/T PM/T Resina Figura 1. Valores das densidades medidas. FV Quando se compara a densidade de uma hélice de aço, que é em torno de 7,8 g/cm (11), pode-se dizer que os compósitos, por serem mais leves, possuem vantagens como, por exemplo, a eficiência propulsora e a economia de combustível. O peso final da hélice de compósito ficou em torno de 26 g, enquanto que o peso da hélice de aço, utilizada como referência é de 16 g. O teor de vazios calculado para cada compósito é mostrado na Tabela 2. Tabela 2. Percentual do teor de vazios e de fibras de cada amostra. Amostra Teor de Vazios Teor de fibras - (%) V f (%) H 1- M,4 21 H 1- T,44 24 H 1 M/T,4 22 PM,44 24 PT,44 25 PM/T,44 25 Pode-se verificar que o teor de vazios se manteve constante em todos os compósitos. Isto indica que as condições durante as moldagens foram uniformes e que todas as amostras tiveram um ótimo resultado, pois para se ter um bom compósito, o teor de vazios deve ser inferior a 1%. Conclusões De maneira geral, pode-se verificar que os resultados obtidos se mostraram favoráveis ao desenvolvimento de materiais compósitos de resina éster-vinílica reforçados com fibra de vidro através do processo de moldagem por transferência de resina (RTM) para a aplicação desejada. Verifica-se um aumento linear da resistência à tração, do módulo elástico e da deformação na ruptura com a mudança dos reforços (manta, manta com tecido e tecido). Estas características Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29
são importantes na avaliação dos laminados, pois mostram que há uma boa adesão entre as fibras e a resina, comprovado pelo baixo teor de vazios encontrados nos compósitos. Nos ensaios mecânicos de flexão, para as diferentes disposições dos reforços nos laminados, a fratura foi bastante localizada não havendo delaminação entre as camadas, o que comprova a eficiência da configuração adotada no carregamento em flexão e a eficiência na fabricação dos laminados. Comportamento semelhante foi observado para a dureza das hélices e dos laminados. Os valores de densidade obtidos são próximos dos descritos na literatura e permitiram avaliar o teor de vazios dos compósitos, que se mantiveram sempre abaixo de 1,%. Agradecimentos Ao CNPq pelo apoio financeiro e à UNISC pela realização dos ensaios de flexão e tração. Referências Bibliográficas 1. F. Levy Neto, L. C. Pardini in Compósitos Estruturais: ciência e tecnologia. 1 ed. Blücher, Ed.; São Paulo, 26. 2. M. S. Uchimura in Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas SENAI/RS; sbrt2699, 26.. M. Berins, Plastics Engineering Handbook. Society of the Plastics Industry (SPI), 5th ed. 5, 1991. 4. R. Brognoli in Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas SENAI/RS; sbrt2664, 26. 5. A. Hodzic; J. K. Kim; A. E. Lowe; Z. H. Stachurski, Composites Science and Technology. 24, 64, 2185. 6. G.W. Lee; N. J. Lee ; J. Jang ; K. J. Lee; J. D. Nam, Composites Science and Technology. 22, 62, 9. 7. H. Gu; S. Hongxia. Materials and Design. 27, 28, 1647. 8. H. Gu. Materials and Design. 29,, 2774. 9. Y. Zhou; F. Pervin; L. Lewis; S. Jeelani, Materials Science and Engineering A, 28, 475, 157. 1. W. N. Ota, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Paraná, 24. 11. W. D. Callister in Ciência e Engenharia de Materiais, Livros Técnicos e Científicos, Ed.; Rio de Janeiro, RJ, 22; 25, 248 e 249. 12. K. N. Shivakumar; G. Swaminathan; M. Sharpe. J. of Reinf. Plast. and Comp. 26, 25, 1. 1. A. R. F. Barros in Anais do 17 Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Foz do Iguaçu, PR, 26, 177. 14. Ashland, Boletim Técnico Derakane Momentum 47-. 29. 15. P. Suppakul; S. Bandyopadhyay, Composites Science and Technology. 22, 62, 79. Anais do 1 o Congresso Brasileiro de Polímeros Foz do Iguaçu, PR Outubro/29