DESENVOLVIMENTO DE COMPOSITOS A BASE DE RESINA EPOXI/FIBRA DE VIDRO COM PARTÍCULAS CONDUTRIZES DE GRAFITE E FIBRAS DE AÇO Gean V. Salmoria 1 *, Rodrigo A. Paggi 1, Guilherme A. Testoni 1, Aldren H. Alves 1, Guilherme O. Barra 2 1 Laboratório de Projeto e Fabricação de Componentes Poliméricos- CIMJECT, Dep. Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC,88040-900 Florianópolis-SC 2 Laboratório de Polímeros LABPOL, Dep. Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, 88040-900 Florianópolis-SC *gsalmoria@emc.ufsc.br Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal a avaliação do efeito da adição de partículas condutrizes como grafite e fibras de aço (SF) em propriedades eletromagnéticas e mecânicas de compósitos laminados de epóxi e fibras de vidro. Foram realizadas analises dimensionais, medidas de resistividade elétrica, ensaios de resistência a abrasão e a flexão. Nas medidas de resistividade observou-se um efeito de diminuição da resistividade com adição das partículas, principalmente com para valores maiores que 10% (de 2 a 6 ordem de grandeza). No teste de abrasão foi observado uma significativa diminuição no desgaste abrasivo dos compósitos de epóxi/fibra de vidro com 10 % de grafite e com 10 % de fibra de aço em comparação com o compósito somente com epóxi e fibra de vidro. Os ensaios de flexão mostram que a adição tanto de grafite como de fibra de ferro aumentam o valos dos módulos de flexão dos compósitos, em concordância com os resultados de resistência a abrasão onde também são atuantes esforços em tensão, compressão e cisalhamento. Estes resultados mostram que é possível ampliar os valores de propriedades eletromagnética e mecânicas de compósito de epóxi/fibra de vidro com a adição de grafite e também de fibras metálicas, no caso estudado de aço. Palavras-chave: Compósito epóxi/fibra de vidro, PARTÍCULAS condutrizes, propriedades eletromagnéticas e mecânicas. The Development of Epoxy/Glass Fiber Composites with Conductive Particles of Graphite and Steel Fiber. Abstract: This work presents the evaluation of the effect of the conductive particles addition as graphite and short steel fibers (SF) in electromagnetic and mechanical properties of epoxy/glass fiber composites. Dimensional analyses, resistivity measurements, abrasion and flexural tests were carried out. In the measures of resistivity, an effect of reduction of resistivity with addition of graphite and steel fibers was observed, mainly for values up than 10 %wt (2 to 6 order of magnitude). In the abrasion test epoxy/glass fiber with 10% of graphite and 10% of steel fiber in comparison with the pure epoxy/glass fiber composite was observed a significant reduction in the abrasive consuming of the specimens mass. The flexural test showed that the graphite and steel fiber increase the flexural modules, in agreement with the abrasion resistance results, when efforts in tension, compression and shear are present. These results show that it is possible to extend the values of mechanical electromagnetic properties of epoxy/glass fiber composite with the addition of graphite and metallic fibers, in the studied case, steel fibers. Keywords: Epoxy/Glass Fiber Composites, Conductive Particles, Electromagnetic and Mechanical Properties Introdução A busca por materiais poliméricos e compósitos poliméricos com elevadas propriedades mecânicas e eletromagnéticas é uma constante em vários setores industriais, esportivos e da saúde. Obter materiais poliméricos com elevada resistência termomecânica e propriedades eletromagnéticas
controladas (dielétricos, dissipador e condutor) são desafios que exigem conhecimentos em princípios básicos de física e de química aplicados a engenharia. No setor aeronáutico é cada vez maior o uso de materiais compósitos em substituição a metais como o alumínio, porem alcançar os valores de propriedades mecânicas e eletromagnéticas dos metais é um desafio que vem sendo encarado através do uso de aditivos como partículas e fibras, metálicas e cerâmicas [1-5]. Este trabalho tem como objetivo principal a avaliação do efeito da adição de partículas condutrizes como grafite e fibras de aço (SF) em propriedades eletromagnéticas e mecânicas de compósitos laminados de epóxi e fibras de vidro. Foram realizadas analises dimensionais, medidas de resistividade elétrica, ensaios de resistência a abrasão e a flexão. Experimental Inicialmente foram realizados testes para avaliar a influencia da adição de partículas condutrizes na processabilidade dos compósitos preparados por laminação. Neste estudo foram usados a resina epóxi TCR50 Fiberglass S.A., fibra de vidro (diâmetro de 50 µm), grafite (diâmetro médio de 45 µm) da Nacional de Grafite e fibras de aço (80 x 10 µm) fornecidas pela Bombril S.A. para a fabricação de corpos de prova por laminação de corpos de prova 100 x 100 x 1,0 mm utilizando 6 camadas de tecido de fibra de vidro. Durante a fabricação foram avaliadas as características reológicas (viscosidade) do uso destas partículas e sua influencia na qualidade dimensional e na ocorrência de defeitos. Na analise dimensional foram fabricados 3 corpos de prova (CPs) para cada composição de carga/compósito, sendo realizado 20 medidas de espessura por CP. No gráfico de espessura em função da quantidade de partículas (Figura 1) são apresentados os valores médios e o desvio padrão (SD) como barra em cada ponto. Para as medidas de resistividade foram fabricados 2 corpos de prova (CPs) para cada composição de carga e compósito, sendo realizado 5 medidas (e montagens na célula de medidas) de resistividade por CP em um aparelho Megahometer da Megabras a 500 volts de tensão. Os resultados das medidas de resistividade são mostrados na Figura 2. Para os testes de resistência a abrasão foi utilizado um tribometro Taber TM com elementos abrasivos em material cerâmico. Nos ensaios de resistência a flexão foi utilizado um equipamento DMA Q800 da TA Instruments no modo single cantiliver. Resultados e Discussão Na figura 1 é mostrado o gráfico de espessura em função da quantidade de partículas são apresentados os valores médios e o desvio padrão (SD) como barra em cada ponto. O processo de laminação em laboratório apresentou uma inexatidão de 15% no valor projetado de 1,0 mm de espessura, pois a maioria dos CPs apresentou valor médio próximo a 1,15 mm.
Figura 1: Gráfico dos valores médios e o desvio padrão da espessura do corpo de prova laminado em função da quantidade de PARTÍCULAS. O processo de laminação apresentou uma boa precisão para um processo manual, pois a variação de espessura (o SD) ficou em torno de +/- 0,45mm. Não foi observado um aumento na espessura média dos CPs laminados com a adição de grafite e fibras de aço. Na figura 2 é mostrado o gráfico de resistividade em função da quantidade de partículas são apresentados os valores médios e o desvio padrão (SD) como barra em cada ponto. Figura 2: Gráfico dos valores médios e o desvio padrão da resistividade elétrica do corpo de prova laminado em função da quantidade de partículas.
Nas medidas de resistividade observou-se um efeito de diminuição da resistividade com adição das partículas, principalmente com para valores maiores que 10% (de 2 a 6 ordem de grandeza). A adição de 20 % em massa de fibra de aço apresentou um grande efeito de diminuição da resistividade elétrica do compósito sugerindo que foi atingida a percolação, criando caminhos condutores no interior do mesmo. Figura 3: Variação de massa durante o teste de abrasão Taber em função de número de ciclos para os compósitos epóxi/fibra de vidro, epóxi/fibra de vidro com 10% de grafite e epóxi/fibra de vidro com 10 % de fibra de aço. Na figura 3 é mostrado o gráfico de variação de massa durante o teste de abrasão Taber em função de número de ciclos para os compósitos epóxi/fibra de vidro, epóxi/fibra de vidro com 10% em peso de grafite e epóxi/fibra de vidro com 10 % em peso de fibra de aço. No teste de abrasão foi observado uma significativa diminuição no desgaste abrasivo dos compósitos de epóxi/fibra de vidro com 10 % de grafite e com 10 % de fibra de aço em comparação com o compósito somente com epóxi e fibra de vidro. O compósito com grafite apresentou maior resistência a abrasão devido provavelmente ao efeito lubrificante do grafite que evitaria o desgaste da matriz epóxi [3]. A figura 4 apresenta imagens dos corpos de prova usados no ensaio de resistência a abrasão Taber onde é possível observar a região de desgaste e perda de massa.
Figura 4: Imagens dos corpos de prova de compósitos epóxi/fibra de vidro e epóxi/fibra de vidro com fibra de aço, e epóxi/fibra de vidro com grafite após o teste de abrasão. A figura 5 apresenta micrografias da superfície de compósitos epóxi/fibra de vidro e epóxi/fibra de vidro com fibra de aço antes e após o teste de abrasão onde é possível observar o arrancamento da matriz e a fratura das fibras de vidro e de aço. A B C D Figura 5: Micrografias da superfície de compósitos epóxi/fibra de vidro e epóxi/fibra de vidro com fibra de aço antes (A e C, respectivamente) e após o teste de abrasão (B e D, respectivamente). A figura 6 apresenta os valores de modulo de flexão para os compósitos de epoxi/fibra de vidro com grafite e com fibra de aço. Os ensaios de flexão mostram que a adição tanto de grafite como de fibra
de ferro aumentou os valores dos módulos de flexão dos compósitos, em concordância com os resultados de resistência a abrasão onde também são atuantes esforços em tensão, compressão e cisalhamento. Estes resultados mostram que é possível ampliar os valores de propriedades eletromagnéticas e mecânicas de compósito de epóxi/fibra de vidro com a adição de grafite e também de fibras metálicas, no caso estudado de aço. Figura 6: Variação do modulo de flexão em função da quantidade de carga para epóxi/fibra de vidro com grafite (GF + Grafite) e epóxi/fibra de vidro com fibra de aço (GF + SF). Conclusões Nas medidas de resistividade observou-se um efeito de diminuição da resistividade com adição das partículas, principalmente com para valores maiores que 10% (de 2 a 6 ordem de grandeza). A adição de 20 % em massa de fibra de aço apresentou um grande efeito de diminuição da resistividade elétrica do compósito sugerindo que foi atingida a percolação, criando caminhos condutores no interior do mesmo. Não foi observado um aumento na espessura média dos CPs laminados com a adição de grafite e fibras de aço. No teste de abrasão foi observado uma significativa diminuição no desgaste abrasivo dos compósitos de epóxi/fibra de vidro com 10 % de grafite e com 10 % de fibra de aço em comparação com o compósito somente com epóxi e fibra de vidro. O compósito com grafite apresentou maior resistência a abrasão devido provavelmente ao efeito lubrificante do grafite
que evitaria o desgaste da matriz epóxi. As micrografias da superfície de compósitos epóxi/fibra de vidro e epóxi/fibra de vidro com fibra de aço antes e após o teste de abrasão possibilitaram observar o arrancamento da matriz e a fratura das fibras de vidro e de aço. Os ensaios de flexão mostram que a adição tanto de grafite como de fibra de ferro aumenta o valores dos módulos de flexão dos compósitos, em concordância com os resultados de resistência a abrasão onde também são atuantes esforços em tensão, compressão e cisalhamento. Estes resultados mostram que é possível ampliar os valores de propriedades eletromagnéticas e mecânicas de compósito de epóxi/fibra de vidro com a adição de grafite e também de fibras metálicas, no caso estudado, fibras de aço. Agradecimentos Os autores agradecem a CAPES, CNPq, FAPESC e AEB pelo parcial apoio financeiro. Referências [1] Osman Asi. Effect of different woven linear densities on the bearing strength behavior of glass fiber reinforced epoxy composites pinned joints. Composite Structures 90 (2009) 43 52. [2] Buket Okutan, Zü leyha Aslan, Ramazan Karakuzu. A study of the effects of various geometric parameters on the failure strength of pin-loaded woven-glass-fiber reinforced epoxy laminate. Composites Science and Technology 61 (2001) 1491 1497. [3] S. Basavarajappa, S. Ellangovan, K.V. Arun. Studies on dry sliding wear behaviour of Graphite filled glass epoxy composites. Materials and Design 30 (2009) 2670 2675. [4] L. A. L. Franco1, E. C. Botelho, G. M. Cândido, M. C. Rezende; Avaliação Fractográfica de Compósitos de Fibras de Vidro/Epóxi Após Ensaios de Tração e Cisalhamento Interlaminar. 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. [5] S. Basavarajappa, S. Ellangovan, K.V. Arun; Investigation of the wear behaviour of a glassfibre-reinforced composite and plain polyester resin, Materials and Design 30 (2009) 2670 2675