AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE FLEXÃO DO COMPÓSITO PLÁSTICO REFORÇADO COM FIBRAS DE VIDRO QUANDO EM CONTATO COM DIFERENTES FLUIDOS Camilla M. Dantas¹, Renata C. T. S. Felipe², Raimundo N. B. Felipe³ ¹Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do Rio Grande do Norte IFRN- Natal-Rn k1000_rn@hotmail.com ² Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do Rio Grande do Norte IFRN- Natal-Rn ³ Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do Rio Grande do Norte IFRN- Natal-Rn Compósitos são materiais que possuem grande utilidade na indústria em geral. A sua utilização vem crescendo muito nos últimos anos, principalmente no que diz respeito aos plásticos reforçados por fibras de vidro (PRFV). Sabe-se que, na indústria petrolífera, o PRFV já encontra emprego na fabricação de escadas, assoalhos e tubulações para transporte de água, entre outros. No entanto, a sua utilização no processo de exploração de petróleo e gás natural ainda é muito incipiente, por se tratar de um material que carece de análises e de observações quanto ao seu comportamento quando em contato com o petróleo e com outros fluidos, como água do mar, por exemplo. Baseado nisso, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a influência de alguns fluidos, como petróleo, água do mar e água destilada, sobre as propriedades mecânicas de flexão do compósito PRFV. Para isso, foram confeccionados corpos de provas do compósito formado de matriz de poliéster e reforço de fibras de vidro do tipo E, os quais foram imersos nos meios fluidos acima referidos, sendo o período de imersão determinado a partir de ensaios prévios de absorção de umidade. Palavras Chave: compósito, PRFV, petróleo, propriedades de flexão EVALUATION OF BENDING PROPERTIES OF THE COMPOSITE REINFORCED PLASTICS BY GLASS FIBER WHEN IN CONTACT WITH DIFFERENT FLUIDS Composite materials have great utility in industry in general. The use of these materials has grown in recent years, especially with regard to plastics reinforced by glass fibers (PRFV). It is known that, in the oil industry, the PRFV is now utilized in the construction of stairs, floors and pipes to carry water, among others. However, its use in the exploration for oil and natural gas is still very low, because it is a material that requires analysis on its performance when in contact with oil and other fluids such as water sea, for example. Based on this, this study aims to evaluate the influence of some fluid, such as oil, sea water and distilled water on the bending mechanical properties of the PRFV composite. For this, proof bodies were made using the polyester matrix composite reinforced with E-glass fiber, which were immersed in fluid media described above. The period of immersion was determined from previous tests of moisture absorption. Keywords: composite, PRFV, oil, bending properties. 1. Introdução Como definição de um material composto, o mesmo é um conjunto de dois ou mais materiais diferentes, combinados em escala macroscópica, para funcionarem como uma unidade, visando obter um conjunto de propriedades que nenhum dos componentes individualmente apresenta [4]. Esse tipo de material vem sendo utilizado cada vez mais na indústria em geral, substituindo os materiais ditos convencionais, por apresentarem características como baixa densidade, alta resistência específica, alto módulo de elasticidade, alta resistência química, além de possibilitar a fabricação de peças bem mais
complexas. Eles também vêm sendo utilizados na indústria de petróleo e gás onde podem ser aplicados nas plataformas e em revestimentos de tanques e tubulações.[5] Os compósitos são uma família de materiais que possuem diversas aplicações e podem resolver diversos problemas como melhorar a produtividade, diminuir os custos e facilitar a introdução de novas propriedades de materiais.[7] O desempenho do compósito depende dos tipos de materiais que o constituem, desta forma, reforçá-los com fibras é uma das alternativas.[6] Dentre as fibras sintéticas, as fibras de vidro são as mais utilizadas devido ao seu baixo custo (quando comparadas com as de carbono e aramida) e melhores propriedades físicoquímicas.[7] Os plásticos reforçados por Fibras de Vidro (PRFV) são um dos tipos de compósito em que a fibra de vidro funciona como reforço e a resina de poliéster serve de matriz. [5] O comportamento mecânico dos compósitos frente às condições de serviço são extremamente complexos e diversificados pois as tensões nos quais estes materiais são submetidos influenciam diretamente no mecanismo de dano principalmente no que se refere à de laminação entre as camadas [8]. No entanto, ao analisarmos as tensões nas quais os materiais podem ser submetidos pode-se citar as tensões associadas à umidade, onde podem induzir à diminuição da resistência ao longo do tempo. No entanto, nos materiais homogêneos, a cinética de difusão da umidade está relacionada com a capacidade máxima de absorção de umidade e com o mecanismo de difusibilidade. Porém ao se tratar de compósitos, o processo de difusão da umidade, depende de cada constituinte que faz parte deste material, das frações volumétricas, do arranjo e da morfologia. [10]. Além disso, outro aspecto que se deve levar em consideração ao se trabalhar com os materiais compostos diz respeito à interface reforço/matriz, que segundo Papanicolaou et al, 2002[9], existe a formação de uma terceira fase, na qual o mesmo chama de interface, onde a mesma não é homogênea, sendo que as outras fases são formadas pelo reforço e pela matriz. Além disso, sabe-se que as matrizes poliméricas utilizadas na fabricação de compósitos são extremamente afetadas pela radiação ultra violeta (UV) e absorvem bastante umidade, com isto, ocorre uma variação nas propriedades mecânica do compósito.[11] O objetivo desse trabalho consiste em avaliar e comparar as propriedades mecânicas de flexão em três pontos do compósito PRFV quando o mesmo é imerso em diversos fluidos diferentes como a água destilada, água do mar e petróleo e compará-las com o estado seco, ou seja, sem imersão a fim de saber a influência desses fluidos nas propriedades de flexão
do compósito analisado. O período de imersão dos corpos de prova nos respectivos fluidos foi determinado a partir do ensaio de absorção de umidade. 2. Materiais e Métodos 2.1. Materiais Na fabricação do compósito foi obtida uma placa, na qual foi utilizada a resina poliéster insaturada pré-acelerada como matriz, fabricante NOVOCOL L-120/08 com as seguintes características, fornecida pelo o fabricante: densidade entre 1,10 e 1,15 g/cm 3, viscosidade BROOKFIELD, a 25 0 C entre 260 e 300 cp e o catalisador utilizado para o sistema de cura da resina foi o Butanox. Como material de reforço utilizou a manta de fios picados de vidro-e, fabricante OWENS-CORNING, com uma gramatura de 450 g/m 2 sendo a densidade da fibra de 2,54 g/cm 3. Os fluidos utilizados para a imersão dos corpos de prova foram: o petróleo que foi cedido pela PETROBRAS/UN-RNCE, tendo um API 30,1518, dados fornecidos pelo laboratório da unidade UN-RNCE/ATP-MO; a água destilada concedida pelo laboratório de recursos naturais do IFRN e a água do mar retirada diretamente do mesmo. O processo de fabricação do compósito foi laminação manual, sendo fabricado o respectivo compósito com 4 camadas de reforço. Equipamentos Os equipamentos utilizados nesse trabalho foram a máquina de ensaio universal Pavitest fabricante CONTENCO, o forno do tipo mufla fabricante EDGCON 3P - modelo F 100 e a Balança Eletrônica, analítica Fabricante BIOPRECISA Modelo FA2104N 2.2. Métodos Densidade e Fração Volumétrica Para a determinação da densidade do compósito utilizou-se a norma ASTM D 792-00[2] onde foram obtidos cinco corpos de prova com dimensões de 25x25mm, retirando desta forma um valor médio da densidade.
A determinação das frações volumétricas de matriz, reforço e vazios se faz a partir do ensaio de calcinação, onde as amostras são calcinadas e colocadas no forno do tipo mufla por um período de 40 min a uma temperatura de 750 o C. Ensaio de Absorção de Água Para realização desse ensaio foram confeccionados corpos de prova, segundo a norma ASTM D570-98 (Reapproved 2005)[1] com as seguintes dimensões: 25mm de largura e 76mm de comprimento. Onde os mesmos permaneceram imersos em água destilada, a temperatura ambiente, por um período definido segundo a norma utilizada. Esses corpos foram pesados, secos e após sua imersão, periodicamente até que atingissem a saturação. Ao final do ensaio foi obtida a Curva de absorção de umidade em função do número de horas de imersão, sendo utilizado uma média de cinco corpos de prova. Ensaio de Flexão em Três Pontos Segundo a norma ASTM D 790-03[3] as dimensões dos corpos de prova (CP) variam conforme espessura do material, foi realizado neste caso o ensaio de flexão em três pontos. Desta forma os corpos de prova ficaram com as seguintes dimensões: 80 x 16 x 4 mm (comprimento, largura e espessura), já que esta foi a espessura média da placa após a cura. Os CP foram divididos de forma que parte deles permaneceu no estado seco, outra parte foi imersa em petróleo, outra em água destilada e o restante na água do mar. Sendo ensaiados cinco corpos de prova para cada situação. O tempo de imersão foi definido mediante o ensaio de absorção de umidade. A velocidade de ensaio foi 1 mm/min. 3. Resultados 3.1. Densidade do Compósito e Teores de Reforço, Matriz e Vazios Na Tabela 1, são mostrados os valores médios obtidos para a densidade do compósito e as frações volumétricas de reforço, de matriz (resina) e de vazios, determinados apenas para a situação do material sem imersão em petróleo, ou seja, estado seco.
Compósito Valor médio Desvio padrão Densidade (g/cm 3 ) 1,52 ± 0,3 Fração volumétrica de reforço (%) 22 % ± 1% Fração volumétrica de matriz (%) 76% ± 1% Fração volumétrica de vazios(%) 2% ± 1,5% Tabela 1. Caracterização do compósito. 3.2. Absorção de Absorção de Umidade A figura abaixo mostra o percentual de água absorvido pelo material até a saturação. Este tempo serviu de parâmetro para colocação dos corpos de provas nos respectivos fluidos. Observa-se um comportamento linear para um período 1008 horas que equivale à aproximadamente 42 dias; a partir deste período deixa de ser linear ocorrendo desta forma uma menor absorção de umidade ao longo do tempo. 1,2 1,0 0,8 M(%) 0,6 0,4 0,2 0,0 0 10 20 30 40 50 Time (h 1/2 ) Figura 01 Percentual de absorção de umidade em função do tempo de imersão. 3.3. Ensaio de Flexão A figura a seguir representa a tensão de flexão suportada pelo compósito conforme fluido de imersão. Observa-se que praticamente não houve variação na resistência á flexão do compósito, observando que para este tempo de imersão, ou seja, 90 dias, a resistência permaneceu praticamente constante. Um fato a ser observado é que os limites de resistência
à flexão para as condições de imersão em água do mar e petróleo permaneceram os mesmos valores. 160,0 155,3 163,7 153,5 163,4 Limite de Resistência à Flexao (MPa) 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Seco Água do Mar Água Destilada Petróleo Figura 02 Limite de resistência à flexão em função do condicionamento do CP. No que se refere à próxima figura, que relaciona o módulo de flexão em função do meio, também teve o mesmo comportamento, ou seja, praticamente não houve variação na rigidez do material, mas mesmo assim pode se observar que para a condição de água do mar, aparentemente, ela se torna mais agressiva que até mesmo o petróleo. Módulo em Flexão (GPa) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 3,648 3,161 3,31 3,582 0 Seco Água do Mar Água Des tilada Petróleo Figura 03 Módulo de flexão em função em função do condicionamento do CP. No que se refere à deformação sofrida do material em função do fluido de imersão observa-se na figura abaixo que para a condição de imersão em água do mar o material sofre uma maior deformação.
1,6 1,497 Deformação Máxima(%) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 1,146 1,286 1,247 0 Seco Água do Mar Água Des tilada Petróleo Figura 04 Deformação máxima à flexão em função do condicionamento do CP 4. Conclusão Observou-se que não houve praticamente variação das propriedades mecânicas de flexão para os corpos de provas ensaiados na condição seca e de imersão (água destilada, água do mar e petróleo), observa-se desta forma que para o período de imersão, de praticamente 90 dias, as propriedades mecânicas permaneceram constantes. Observou-se ainda que a fratura para todas as condições dos corpos de provas ensaiados aconteceu na região de tração mostrando desta forma que o fluido não interferiu na fratura final. Alem de um bom desempenho do material. 5. Sugestões Sugere-se que se faça uma análise microscópica da superfície fraturada para se verificar o mecanismo de dano para todas as condições de amostras ensaiadas.. 6. Agradecimento Agradecemos o apoio do CNPq, pela bolsa PIBIT concedida à aluna; da Tecniplas Tubos e Conexões Ltda., pelo fornecimento da matéria prima para a fabricação do compósito; e da PETROBRAS/UN-RNCE, pelo fornecimento do petróleo.
6. Referências 1. ASTM D 570-98 (Reapproved 2005) Standard Test Method for Water Absorption of Plastics. 2. ASTM D 792 Standard Test Methods for Specific Gravity and Density of Plastics by Displacement - American Society for Testing and Materials, 1979. 3. ASTM D 790-03 Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials - American Society for Testing and Materials, 1990. 4. Mendonça, P. T. R. Materiais Compostos & Estrutura-Sanduíches Baruer, SP: Manoele, 2005. 5. G.A. Barros, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2007. 6. K. John and S. Venkata Naidu, Journal of Reinforced Plastics and Composites 2004; 23; 1601. 7. Abdullah-Al-Kafi, M. Z. Abedin, M. D. H. Beg, K. L. Pickering and Mubarak A. Khan, Journal of Reinforced Plastics and Composites 2006; 25; 575. 8. R.C.T.S.Felipe, Dissertação de Mestrado, Universidade federal do Rio grande do norte, 1997b. 9. Papanicolaou, G. C., Michalopoulou, M. V. and Anifantis, N. K. (2002). Thermal Stresses in Fibrous Composite Incorporating Hybrid Interphase Regions, Compos. Sci. Tech., 62(14): 1881 1894. 10. Vaddadi, P., Nakamura, T. and Singh, R. P. (2003). Inverse Analysis for Transient Moisture Diffusion through Fiber-reinforced Composites, Acta Mater., 51(1): 177 193. 11. J.R.M. d Almeida, R.C. d Almeida, W.R. de lima, ScienceDirect( avaliação online em 4 de maio de 2007).