COMPÓSITOS LAMINADOS TÊXTEIS DE VIDRO E CARBONO … · Agradeço minha irmã Michelle e aos...

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)

UNIVESIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ)

COMPÓSITOS LAMINADOS TÊXTEIS DE VIDRO E

CARBONO EM MATRIZ EPÓXI REFORÇADA COM MICRO

E NANO SÍLICA.

Júlio Cesar dos Santos

São João del-Rei, 22 de fevereiro de 2013

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI (UFSJ)

COMPÓSITOS LAMINADOS TÊXTEIS DE VIDRO E

CARBONO EM MATRIZ EPÓXI REFORÇADA COM MICRO

E NANO SÍLICA.

Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado

em Materiais e Processos de Fabricação da

Universidade Federal de São João del-Rei, como

requisito para obtenção do título de Mestre em

Engenharia Mecânica.

Área de concentração: Materiais e processos de

fabricação.

Orientador: Prof. Dr. André Luis Christoforo

São João del-Rei, 22 de fevereiro de 2013

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA

Titulo em Inglês: Textile Composite Materials of Glass and Carbon Reinforcing Epoxy Matrix with Micro and

Nano sílica.

Palavras-chave em Inglês: Hibrids laminated composites, woven glass fibers, woven carbono fibers, micro sílica,

nano sílica.

Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação

Titulação: Mestre

Banca examinadora: Prof. Dr. André Luis Christoforo, Prof. Dr. Túlio HallakPanzera, Prof. Dr.

André Luiz Zangiácomo

Data da defesa: 22 de fevereiro de 2013

Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica (PPMEC)

Santos, Júlio Cesar dos

S237c Compósitos laminados têxteis de vidro e carbono em matriz epóxi

reforçada com micro e nano sílica. – 2013.

82f. ; il.

Orientador: André Luis Christoforo.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-

Rei. Departamento de Engenharia Mecânica.

Referências: f. 75 -82.

1. Compósitos laminados híbridos - Teses 2. Tecido de fibra de

vidro/carbono – Teses 3. Micro/nano sílica – Teses 4. Engenharia

Mecânica – Teses I. Chisttoforo, André Luis (orientador) II.Universidade

Federal de São João Del Rei – Departamento de Mecânica III. Título

1. CDU: 669.14

i

"Se, a princípio, a ideia não é absurda, então não

há esperança para ela.".

Albert Einstein

http://pensador.uol.com.br/autor/dalai_lama/

ii

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao todo poderoso por me abrir caminhos valiosos e manter minha serenidade

para concluir os objetivos.

Agradeço minha irmã Michelle e aos professores do curso de mestrado da engenharia

mecânica pela oportunidade Prof. Dr.Vânia Regina Velloso Silva, Prof. Dr. Túlio Hallak

Panzera e ao Prof. Dr. André Luis Christoforo, pela confiança em meu trabalho e grande

apoio.

Não deixando de lado agradecimentos aos queridos amigos do mestrado, Zélia

Missagia, Luciano Vieira, Rubens Torres e todos demais, aos quais pude contar nos

momentos mais difíceis.

iii

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a minha querida mãe que já se foi mais ainda permanece

juntamente comigo em espírito me dando forças para seguir em frente. A minha irmã e aos

meus tios Antônio Geraldo de Carvalho e Osvaldo Aparecido de Carvalho.

Descobri aos poucos que, citando a célebre frase de Antoine Lavoisier a natureza em

si é uma eterna transformação. O que julgamos perdas na verdade agregam experiências a

nossa vida. E o convívio com as pessoas modificam nossa existência, acrescentando saberes e

significados. Posso me dar por satisfeito por ter modelos de vida nos quais posso me espelhar.

A esses modelos só tenho a agradecer. Ao compartilharem um pouco de suas

referências de vida acrescentaram saberes, vivências, valores que sempre me baseio ao trilhar

minha caminhada.

iv

RESUMO

Nosso mundo constantemente passa por grandes modificações e não obstante, a tecnologia de

fabricação dos materiais acompanha essa evolução. Atualmente combinar materiais

convencionais contribui para obtenção de propriedades inéditas sejam mecânicas, físicas ou

químicas não antes imaginadas. O engenheiro moderno pode utilizar conhecimento técnico

para produzir materiais aos quais melhor se adaptam para suas necessidades, logo os materiais

compósitos tem maior poder de adaptação comparado aos materiais convencionais. Em

especial os polímeros reforçados fibras são os mais empregados devido a sua fácil

conformabilidade e elevada resistência específica. Em combinação às fibras, partículas em

escala micro e nano tem se tornado uma técnica promissora devido ao incremento nas

propriedades físico e mecânicas. Nanopartículas, devidamente dispersas, apresentam melhores

índices de incremento dessas propriedades quando comparadas as micropartículas. Este

trabalho objetivou-se em promover dispersão de nanopartículas de sílica e investigar os

efeitos da inclusão de frações mássicas (1%; 2%; 3,5%) de partículas de sílica (micro; nano)

em compósitos laminados em matriz epóxi reforçados com 5 camadas de 2 tipos de tecidos

(carbono; vidro) nas respostas: densidade relativa ou aparente (ρap), módulo de elasticidade na

tração (MOEt), resistência à tração (MORt), módulo de elasticidade na flexão (MOEf) e

resistência à flexão (MORf). Para tanto dois planejamentos fatoriais completos do tipo 213

1

foram elaborados para cada tipo de fibra, fornecendo ao todo doze condições experimentais

(CE) distintas, possibilitando investigar os efeitos individuais (dimensão e proporção mássica

de partículas) ou a interação entre ambos nas repostas de interesse por tipo de tecido utilizado,

fazendo-se uso da análise de variância (ANOVA) e do teste de comparação de médias de

Tukey. Os testes indicaram que além da redução da densidade aparente do material a melhor

eficiência de ganho em módulo tanto em tração quanto em flexão podem ser conferidas às

nanopartículas. Contudo o aumento da fracão de fibras de vidro, promovem uma redução

referente à resistência do material em solicitação mecânica à flexão, devido a uma fraca

região de interface promovida pelos elevados valores de fração de fibras. Para fibras de

carbono, o efeito se mostrou oposto promovido por uma melhor adesão interfacial entre os

componentes.

PALAVRAS-CHAVE: Compósitos laminados híbridos, tecido de fibra de vidro, tecido de

fibra de carbono, micro sílica, nano sílica.

v

ABSTRACT

It is a common sense that the world is always changing, and the tools that the technology

provides are great boosters of that evolution and the technologies of manufacturing materials

are not an exception. Nowadays combining conventional materials aids the achievement of

unprecedented mechanical, physical or chemical properties never imagined before. The

engineer can use modern technical knowledge to produce new materials which are best suited

for his needs, hence the composite material has higher adaptation compared to conventional

ones. In particular the reinforced fiber polymers are the most widely used due to its easy

formability and high specific resistance. The combination of fiber with the particles, in both

micro and nanoscale, have become a promising technique due to the increasing of physical

and mechanical properties. Nanoparticles, when properly dispersed, show higher rates

concerning the increasing of these properties as if compared to micro particles. This study

aimed to perform the dispersion of silica nanoparticles and investigate the effects of adding

mass fractions (1%, 2%, 3.5%) of silica (micro and nanoparticles) in laminated composites of

reinforced epoxy of 5 layers of two types of materials (carbon, glass) and their responses to

the following parameters: relative density (RD), tensile modulus of elasticity (E), tensile

strength (TS), bending modulus and bending strength. For this purpose two complete factorial

designs of type 213

1 were prepared for each type of fiber, providing twelve different

experimental conditions (EC) making possible the analysis of the individual effects (size and

mass proportion of particles) or the interaction between them on a specific aspect of

absorption by type of material employed. For that matter was used the analysis of variance

(ANOVA) and Tukey range test. In addition to the reduction of the relative density of the

material, the tests also indicated that an efficiently gain in module of both tensile and bending

may be assured by the use of nanoparticles. However the increase of the fraction of glass

fibers caused a reduction on the material's resistance to bending in mechanical stress due to a

weak interface zone fostered by the high fractional values of fiber. For carbon fibers, the

opposite effect was perceived due to a better interfacial adhesion between the components.

KEYWORDS: Hybrids laminated composites, woven glass fibers, woven carbon fibers,

micro silica, nano silica.

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Efeito da orientação das impurezas. Adaptado (GAY E HOA E TSAI, 2003). ........ 4

Figura 2 - Ponte Fabricada pela Fiberline - Kolding, Dinamarca. Fonte: Site Owens Cornning.

.......................................................................................................................................................... 6

Figura 3 - Tanques de Mergulho. Fonte: Site Owens Cornning. ................................................. 6

Figura 4 - Composição de um Boeing Dreamliner 787. Fonte: Griffiths (2005). ....................... 7

Figura 5 - Ilustração das fases presentes nos compósitos. ............................................................ 8

Figura 6 - Classificação dos materiais compósitos. Fonte: Ventura (2009). ............................. 10

Figura 7 - Empilhamento de camadas sucessivas reforçadas com fibras. Fonte:

Callister(2007). .............................................................................................................................. 11

Figura 8 - Diferentes formas de fibra. Adaptado de: Gay, Hoa e Tsai (2003). ......................... 12

Figura 9 - Células unitárias para tecidos simples e tecidos bidirecionais. Adaptado de: ASTM

D6856/D6856M. ........................................................................................................................... 12

Figura 10 - Óxido de etileno. ........................................................................................................ 15

Figura 11 - Grupo Glicidil. ........................................................................................................... 15

Figura 12 - Representação da interface em compósitos reforçados por fibras. Adaptado de:

Ratna (2009). ................................................................................................................................. 16

Figura 13 - Interação do agente de acoplamento com as nanopartículas e o polímero.

(MENDONÇA, 2008). .................................................................................................................. 20

Figura 14 - Tecido simples (a) Fibra de Vidro (b) Fibra de Carbono. ....................................... 27

Figura 15 - Micropartículas de sílica peneiradas na faixa granulométrica 325-400 US-Tyler. 27

Figura 16 – (a) Contêiner da SIGMA-ALDRICH (b) Nanopartículas de SiO2. ...................... 28

Figura 17 - Formação Tetraédrica da Sílica. ............................................................................... 28

Figura 18 - Balança de precisão Shimadzu. ................................................................................ 29

Figura 19 - Banho de ultrassom na solução composta por água destilada e nano sílica. ......... 29

Figura 20 - Solução composta por água e nano sílica em agitação magnética. ........................ 29

Figura 21 - Recobrimento partículas de SiO2 com PDDA. Adaptado de: Peng et al. (2007). . 30

Figura 22- Centrifuga. ................................................................................................................... 30

Figura 23 - Solução antes (a) e depois (b) da centrifugação. ..................................................... 30

Figura 24 - Trituração da nano sílica com almofariz de Ágata. ................................................. 31

Figura 25 - Processo de laminação HandLay-up. ....................................................................... 31

Figura 26 - Tecidos com dimensão 200×200mm. ....................................................................... 32

Figura 27 - Processo de Laminação. ............................................................................................ 34

Figura 28 - Laminado final: (a) de tecido de vidro (b) de tecido carbono................................. 34

Figura 29 - Demarcação corpos de prova para ensaios. ............................................................. 34

Figura 30 - Máquina de ensaio SHIMADZU AG-X Plus. ......................................................... 35

Figura 31 - Extensômetro fixado nos compósitos. ...................................................................... 35

Figura 32 - Corpos de prova para os ensaios de flexão estática. ................................................ 36

Figura 33-Detalhes do ensaio de flexão. ...................................................................................... 36

Figura 34 – Curvas análise TGA: (a) Laminados de vidro (b) Laminados de carbono. ........... 41

vii

Figura 35 - Foto da MEV: 3,5% de Micropartículas de na resina epóxi. .................................. 43

Figura 36 - Análise via MET: (a) Sem tratamento (b) Com tratamento. ................................... 43

Figura 37 - Influencia da área superficial de nanopartículas em matriz epóxi – microscopia

MET. .............................................................................................................................................. 44

Figura 38 - FTIR para SiO2 funcionalizas com PDDA. ............................................................. 44

Figura 39 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOEf (fibra de vidro). ..................... 46

Figura 40 - Gráfico de interação para o MOEf (fibra de vidro). ................................................ 47

Figura 41 - Gráfico de normalidade dos resíduos para MORf (Fibra de vidro). ....................... 49

Figura 42 - Gráfico de interação para o MORf (fibra de vidro). ................................................ 49

Figura 43 - Regressão linear entre o MOEf e o MORf (fibras de vidro).................................... 51

Figura 44 - Regiões de pull-out: (a) resolução de 500µm (b) resolução de 100 µm ................ 52

Figura 45 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOEf (fibra de carbono).................. 53

Figura 46 - Gráfico de interação para o MOEf (fibra de carbono). ............................................ 54

Figura 47 - Gráfico de normalidade dos resíduos para MORf (fibra de carbono). ................... 55

Figura 48 - Gráfico de efeitos principais sobre o MORf (fibra de carbono). ............................ 55

Figura 49 - Regressão linear entre o MOEf e o MORf (fibras de carbono). .............................. 57

Figura 50 - Fratura de laminado em carbono: (a) referencia (b) com 2% nanoparticulas. ....... 57

Figura 51 - Gráfico de normalidade para o MOEt (Fibra de Vidro) .......................................... 59

Figura 52 - Gráfico de interação para o MOEt (fibra de vidro).................................................. 59

Figura 53 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MORt (fibra de vidro). ..................... 61

Figura 54 - Gráfico de interação para o MORt (fibra de vidro). ................................................ 62

Figura 55 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOEt (fibra de carbono). ................. 64

Figura 56- Gráfico de efeitos principais sobre MOEt dos compostos (fibra de carbono). ....... 65

Figura 57 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MORt (fibra de carbono). ................ 66

Figura 58 - Gráfico de interação para o MORt (fibra de carbono). ............................................ 66

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Propriedades de compósitos de matriz epoxídica. (Chawla, 1987). ........................ 13

Tabela 2 - Propriedades de compósitos em matriz epóxi fabricados com tecido simples de

vidro, kevlar e carbono. Adaptado de: (Gay, Hoa e Tsai, 2003). ............................................... 14

Tabela 3 - Condições experimentais investigadas. ..................................................................... 25

Tabela 4 - Densidade Aparente (g/cm3). ...................................................................................... 39

Tabela 5 - Agrupamento fornecido pelo teste Tukey para a densidade aparente. ..................... 40

Tabela 6 - Resultados da curva de TGA para os compósitos laminados. .................................. 42

Tabela 7- Resultados dos ensaios de flexão para os compostos fabricados com fibra de vidro e

resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica. .............................................................. 45

Tabela 8 - Resultados da ANOVA para o MOEf (fibra de vidro). ............................................ 46

Tabela 9 - Agrupamentos por Tukey para o MOEf dos compostos de fibras de vidro. ............ 48

Tabela 10 - Agrupamento por Tukey para o MOEf dos compostos fabricados com 2% e 3,5%

e ou 1% e 2% de partículas nano sílica (fibra de vidro). ............................................................ 48

Tabela 11 - Resultado da análise de Variância para o MORf (fibra de vidro). ......................... 48

Tabela 12 - Agrupamentos por Tukey para o MORf dos compostos de fibras de vidro. ......... 50

Tabela 13 - Agrupamento Tukey (MORf): compostos fabricados com micropartículas de sílica

(fibra de vidro)............................................................................................................................... 50

Tabela 14 - Resultados dos ensaios de flexão para os compostos fabricados com fibra de

carbono e resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica. ............................................. 52

Tabela 15 - Resultados da análise da ANOVA para o MOEf (fibra de carbono). .................... 53

Tabela 16 - Agrupamentos por Tukey para o MOEf dos compostos de fibras de carbono. ..... 54

Tabela 17 - Resultado da análise de Variância para o MORf (fibra de carbono). ..................... 55

Tabela 18 - Agrupamentos por Tukey para o MORf dos compostos de fibras de carbono. ..... 56

Tabela 19 - Agrupamento por Tukey para o MORf dos compostos fabricados com 1% e 2% de

nanopartículas de sílica (fibra de carbono). ................................................................................. 56

Tabela 20 - Resultados dos ensaios de tração para os compostos fabricados com fibra de vidro

e resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica. ........................................................... 58

Tabela 21 - Resultados da análise da ANOVA para o MOEt (fibra de vidro). ......................... 59

Tabela 22 - Agrupamentos por Tukey para o MOEt dos compostos de fibras de vidro. .......... 60

Tabela 23 - Agrupamento por Tukey para o MOEt dos compostos fabricados com 1% e 2% de

partículas nano sílica (fibra de vidro). ......................................................................................... 60

Tabela 24 - Agrupamento por Tukey para o MOEt dos compostos fabricados com 1%, 2% e

3,5% de micropartículas de sílica (fibra de vidro). ..................................................................... 61

Tabela 25 - Resultado da análise de Variância para o MORt (fibra de vidro). ......................... 61

Tabela 26 - Agrupamentos por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com fibras de

vidro. .............................................................................................................................................. 62

Tabela 27 - Agrupamento por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com 1% e 2%, e

com 2% e 3,5% de partículas nano sílica (fibra de vidro). ......................................................... 62

ix

Tabela 28 - Agrupamento por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com 2% e 3,5%

de partículas micro sílica (fibra de vidro). ................................................................................... 63

Tabela 29 - Resultados dos ensaios de tração para os compostos fabricados com fibra de

carbono e resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica. ............................................. 63

Tabela 30 - Resultados da análise da ANOVA para o MOEt (fibra de carbono)...................... 64

Tabela 31 - Resultado da análise de Variância para o MORt (fibra de carbono). .................... 65

Tabela 32 - Agrupamentos por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com fibras de

carbono........................................................................................................................................... 66

Tabela 33 - Agrupamento por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com

nanopartículas de sílica nas três proporções investigadas (fibra de carbono). .......................... 67

Tabela 34 - Resultados dos ensaios de tração e flexão para os compostos fabricados com fibra

de vidro e resina reforçada com 0% e 2% de nanopartículas de sílica. ..................................... 68

Tabela 35 - Resultados da ANOVA entre as condições 0% e 2% de partículas de sílica (fibra

de vidro). ........................................................................................................................................ 68

Tabela 36 - Agrupamento por Tukey do fator proporção de nanopartículas (0% e 2%) nos

compostos fabricados com fibras de vidro. ................................................................................. 69

Tabela 37 - Resultados dos ensaios de tração e flexão para os compostos fabricados com fibra

de carbono e resina reforçada com 0% e 2% de nanopartículas de sílica.................................. 69

Tabela 38 - Resultados da ANOVA entre as condições 0% e 2% de partículas de sílica (fibra

de carbono). ................................................................................................................................... 70

Tabela 39 - Agrupamento por Tukey do fator proporção de nanopartículas (0% e 2%) nos

compostos fabricados com fibras de carbono. ............................................................................. 70

Tabela 40 - Porcentagens de ganho nas propriedades mecânicas dos laminados em fibras de

vidro e carbono com a inclusão de 2% de nanopartículas de sílica. .......................................... 71

x

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

CITEC: Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos;

GPQM: Grupo de pesquisas em Química;

MEV: Microscopia eletrônica de varredura;

MET: Microscopia eletrônica de transmissão;

Minitab: Software para análises estatísticas;

P-valor: Estatística utilizada para sintetizar o resultado de um teste de hipóteses;

UFSJ: Universidade Federal de São João del-Rei;

US-Tyler: Tamanho de malha para seleção;

PDDA: Poly Diallyldimethylammonium Chloride;

SiO2: Silicon Dioxide (sílica);

IVTF: (Infravermelho por transformada de Fourier);

TGA: Análise termogravimétrica;

xi

LISTA DE SÍMBOLOS

k: Kilo (mil unidades da grandeza);

M: Mega (um milhão de unidades da grandeza);

m1: Massa inicial;

m12: Massa da amostra a 12% de umidade;

MOE: Módulo de elasticidade;

MOR: Módulo de resistência;

ms: Massa seca da amostra;

n: Porosidade;

v12: Volume da amostra a 12% de umidade;

vsat: Volume da amostra saturada;

vt: Volume total da amostra.

vv: Volume de vazios na amostra;

xii

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 ................................................................................................................................. 1

INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 1

1.1 Objetivo Geral ................................................................................................................... 2

1.1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................. 2

1.2 Justificativa ........................................................................................................................ 2

CAPÍTULO 2 ................................................................................................................................. 4

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................... 4

2.1 Breve Histórico sobre os Materiais Compósitos ............................................................. 4

2.1.1 A Era dos Polímeros................................................................................................... 5

2.1.2 Fibra de Vidro ............................................................................................................. 5

2.1.3 Fibra de Carbono ........................................................................................................ 6

2.2 Materiais Compósitos: Aspectos Fundamentais ............................................................. 8

2.2.1 Fase Matriz ................................................................................................................. 9

2.2.2 Fase Reforçadora ...................................................................................................... 10

2.3 Materiais Compósitos Laminados .................................................................................. 11

2.3.1 As Fibras ................................................................................................................... 11

2.3.2 Polímeros Termorrígidos e Termoplásticos........................................................... 14

2.3.3 Resina Epóxi ............................................................................................................ 15

2.3.4 Região de Interface em um Material Compósito Laminado................................. 16

2.4 Materiais Compósitos Híbridos: Revisão de Literatura ............................................... 17

2.4.1 Benefícios da Adição de Partículas em Laminados ............................................... 18

2.4.2 Dispersão de nanopartículas .................................................................................... 20

2.4.2.1 Poly Diallyldimethylammonium Chloride (PDDA) ....................................... 21

2.4.3 Laminados e particulados em uma mesma matriz polimérica ............................... 22

CAPÍTULO 3 ............................................................................................................................... 25

METODOLOGIA EXPERIMENTAL ..................................................................................... 25

3.1 Materiais .......................................................................................................................... 26

3.1.1 Fase Matriz: Araldite (Renlam M) .......................................................................... 26

3.1.2 Fase Dispersa: Tecido de Fibra de Vidro e Carbono ............................................. 26

3.1.3 Fase Dispersa: Micro e Nanopartículas de Sílica ................................................... 27

3.1.3.1 Micro Partículas de Sílica ................................................................................. 27

3.1.3.2 Nano Partículas de Sílica .................................................................................. 27

3.2 Métodos ............................................................................................................................ 28

3.2.1 Procedimento de Tratamento com PDDA .............................................................. 28

3.2.2 Método de Laminação Manual: Hand Lay-up e Vacuum Bag .............................. 31

3.2.3 Ensaios Mecânicos ................................................................................................... 35

3.2.3.1 Ensaio de Tração ............................................................................................... 35

xiii

3.2.3.2 Ensaio de Flexão................................................................................................ 36

3.2.4 Densidade Aparente dos compósitos ...................................................................... 37

3.2.5 Análise termogravimétrica - TGA........................................................................... 37

3.2.6 Espectroscopia IVTF ................................................................................................ 38

3.2.7 Análise de Microscopia Eletrônica – MEV e MET ............................................... 38

CAPÍTULO 4 ............................................................................................................................... 39

RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................................ 39

4.1 Densidade Aparente ........................................................................................................ 39

4.2 Determinação das Frações Volumétricas dos Compósitos por TGA .......................... 40

4.3 Dispersão das Partículas de Micro e Nano Sílica - Microscopia MEV e MET .......... 43

4.4 Análise de Infravermelho por Transformada de Fourier (IVTF)................................. 44

4.5 Ensaios de Flexão em Três Pontos ................................................................................ 45

4.5.1 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Vidro................................................ 45

4.5.2 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Carbono ........................................... 52

4.6 Ensaio de Tração Uniaxial ............................................................................................. 58

4.6.1 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Vidro................................................ 58

4.6.2 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Carbono ........................................... 63

4.7 Comparação entre as Condições: 0% e 2% de Nano Sílica ........................................ 68

4.8 Laminados em Fibras de Vidro e Carbono com 2% de Nano Sílica ........................... 70

CAPÍTULO 5 ............................................................................................................................... 72

CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 72

TRABALHOS FUTUROS ......................................................................................................... 74

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................................................. 74

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................... 75

1

Introdução

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Devido ao uso crescente de materiais compósitos em vários domínios tecnológicos

modernos, uma recente atenção considerável tem sido focada nas teorias de materiais

reforçados e processos avançados de produção destes materiais.

Após décadas de restrições a indústria moderna tem ampliado a utilização desses

materiais. Como exemplo, as indústrias automotivas, esportivas e de construção civil têm

experimentado um aumento dessa tecnologia a cada ano, pois esses são materiais que

apresentam baixo peso, baixa densidade e um maior desempenho em relação aos materiais

convencionais utilizados.

O Brasil tem ampliado a sua experiência de inovação na aplicação dos compósitos

estruturais, principalmente no setor aeronáutico, utilizando este tipo de material em

componentes externos e internos de aviões e helicópteros e, em menor escala, na estrutura de

foguetes (RESENDE e BOTELHO, 2000).

Nos últimos anos, têm se desenvolvido métodos de mistura de diferentes tipos de

aditivos como reforço especialmente para polímeros e assim obter novos materiais com

propriedades desejáveis. Técnicas iniciadas na Alemanha e difundidas nos Estados Unidos e

China que consistem na combinação de polímeros com partículas rígidas tem ganhado grande

interesse de estudo pela comunidade científica. Micropartículas incrementam as propriedades

mecânicas dos polímeros conferindo ganhos em módulos de rigidez e resistência a

propagação de trincas, contudo estudos têm sido direcionados para partículas em escala

nanométrica. Devido ao seu tamanho, nanopartículas conseguem abranger maior área

superficial dos polímeros, resultando em um material com modulo e resistência superiores.

Devido à existência de forças interatômicas na superfície das nanopartículas, um

obstáculo se faz presente no quesito dispersão. Ganhos significativos somente são

evidenciados quando uma dispersão total dessas partículas é promovida no polímero.

2

Introdução

Novas formas de dispersão são o grande foco da comunidade científica atual. Na área

aeroespacial, por exemplo, as aplicações dos nanodispositivos são de fundamentais

importância para o desenvolvimento de novas tecnologias que se utilizam de nanopartículas

dispersas em matrizes. A nanotecnologia está associada à síntese de novos materiais, tais

como, plásticos especiais, cerâmicas e outros materiais de alta confiabilidade que poderão

produzir, por exemplo, maleabilidade, dureza, resistência mecânica e resistência à corrosão

quando sob o efeito de um agente catalisador.

1.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo mostrar a eficiência de ganho em propriedades

mecânicas como resistência à tração, módulo de elasticidade na tração, resistência à flexão,

módulo de elasticidade na flexão que nanopartículas de sílica em relação as micro partículas

de sílica podem promover em materiais compósitos constituídos por fibras de vidro e carbono.

1.1.2 Objetivos Específicos

- Realizar tratamento químico nas nanopartículas reforçadoras para uma melhor dispersão,

com intuito de melhorar o desempenho mecânico dos compósitos;

- Fabricar compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de vidro e ou carbono e

partículas de micro e nano sílica;

- Investigar a influência de parâmetros como tamanho das partículas e percentagem das

mesmas no desempenho dos compósitos;

- Quantificar a proporção de reforço do material após período de cura do mesmo;

- Verificar efeitos da adição de partículas na densidade aparente do material;

- Verificar a eficiência do processo de dispersão utilizado.

1.2 Justificativa

De acordo com a Agência Senado, existe um projeto de lei (55/2008) que determina aos

fabricantes de veículos automotores uma adequação visando uma redução de 10% do

consumo de combustíveis. Essa medida vem a complementar as ações do PROCONVE

(Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores), visando aspectos

ambientais. Além da redução de peso uma aerodinâmica aperfeiçoada gera redução no

consumo de combustíveis fosseis contribuindo na preservação do meio ambiente.

A engenharia pode lançar mão dos materiais compósitos, que atualmente são candidatos

ideais para substituir alguns materiais tradicionais como os metais sendo menos densos mas

3

Introdução

comparáveis em valores de módulo e resistência. Um exemplo clássico de sucesso de

substituição foi o realizado pela Boeing com o seu modelo 787. Cinquenta por cento da

fuselagem dessa aeronave foi substituída por materiais compósitos de fibra de carbono e

resina. Entretanto materiais compósitos poliméricos ainda possuem uma pequena restrição

quando referente à flexão devido a sua fase polimérica.

Praticamente todo material em regime funcional está submetido à forças flexão. O

estudo de flexão pode quantificar a viabilidade de utilização do material submetido em cargas,

por exemplo, de forças compressivas do vento na superfície de uma fuselagem que provocam

flexão ou para qualquer outra aplicação em que o regime flexivo se faz presente.

Com baixa rigidez, o material é facilmente deformado perdendo a conformabilidade

podendo comprometer seu desempenho. Nanopartículas são materiais onerosos, mas com

grande potencial no que de diz respeito a incremento de propriedades tanto físicas como

mecânicas. Estima-se em alguns casos incrementos em até duzentos por cento, dependendo do

processo dispersivo. Encontrar métodos dispersivos mais variados pode aumentar a

empregabilidade de nanopartículas resultando em uma alta de consumo, estimulando em

longo prazo, queda de preços.

4

Revisão Bibliográfica

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Breve Histórico sobre os Materiais Compósitos

A importância e o uso da combinação de materiais são reportados em diversas fases

históricas do desenvolvimento da humanidade. No antigo Egito a utilização de feixes de palha

em tijolos era uma técnica bastante usada para aumentar a integridade estrutural de suas

construções. Este método, contudo, ainda pode ser encontrado em construções do mundo

moderno. Em outra forma de combinação, se utilizava o papiro para construção de barcos,

velas e cordas. Vislumbrados com uma gama de possibilidades, os artesãos egípcios

começaram a usar a tecnologia de combinação de materiais para melhorar a eficiência de

moldagem de seus trabalhos, utilizando papéis em camadas e diferentes tamanhos,

favorecendo a obtenção de um melhor acabamento final de seus trabalhos (VENTURA,

2009).

Em caráter militar, o exército de Genghis Khan utilizava a combinação de milho,

madeira e tendões de vaca colados para produção de seus arcos, tornando-os extremamente

poderosos e precisos. Os arcos “compostos” Mongóis de Genghis Khan foram as armas mais

poderosas da terra até a invenção da pólvora (GAY e HOA e TSAI, 2003; VENTURA, 2009).

Não muito diferente, os Japoneses produziam as lâminas de suas espadas ou sabres da

combinação de ferro e aço, onde a parte de aço era estratificada em pequenas “folhas”, com a

orientação de defeitos e impurezas na direção longitudinal ao comprimento da espada (Figura

1). Os espadachins dessa forma observavam que suas espadas, em um confronto se tornavam

muito mais resistentes, pois havia um ganho na resistência ao impacto e na resistência à

flexão perante a espada inimiga (GAY e HOA e TSAI, 2003).

Figura 1 - Efeito da orientação das impurezas. Adaptado (GAY E HOA E TSAI, 2003).

5


Esses artifícios aplicados sobre a composição de materiais foram sendo esquecidos

durante os séculos. O seu reaparecimento foi promovido com o surgimento de uma nova

classe de materiais que passaram a ser usados em estruturas compostas de baixa densidade

(VENTURA, 2009).

2.1.1 A Era dos Polímeros

A era moderna no que diz respeito à combinação de materiais iniciou-se com o

desenvolvimento dos plásticos pelos cientistas. Até então, resinas naturais derivadas de

plantas e animais eram as únicas fontes de colas e ligantes (MITCHELL, 1999).

Em 1909, a primeira resina sintética, resina de fenol-formaldeído foi desenvolvida,

sendo utilizada como fase matriz de materiais combinados reforçados com fibras sintéticas.

Junto a essa produção, a ciência voltada à tecnologia dos polímeros começa a ganhar força e

interesse mundial, uma vez que os polímeros se mostravam ser fortes substitutos aos materiais

convencionais da época em diversas aplicações. Estes novos materiais sintéticos superaram as

resinas naturais (RATNA, 2009; VENTURA, 2009).

A motivação para a substituição de materiais tradicionais por polímeros é conferida

devido as seguintes vantagens: baixa densidade, baixo custo, facilidade de processamento e

enorme possibilidade de modificações para adaptar as propriedades desejadas (RATNA,

2009). Esses motivos atrelados a vários outros são almejados pelas tecnologias avançadas que

requerem materiais leves e de fácil fabricação (LEVY e PARDINI, 2006).

No entanto, os plásticos por si não poderiam fornecer resistência suficiente para

aplicações estruturais, sendo necessária a adição de uma fase reforçadora proporcionando

assim o aumento da resistência bem como da rigidez do material (MITCHELL, 1999).

2.1.2 Fibra de Vidro

Em 1870, foi desenvolvido por John Player um processo que possibilitava a produção

em grande escala de filamentos de vidro com um processo de jato de vapor. As

experimentações continuaram durante a década de 1920, e as primeiras fibras reais de vidro

foram processadas em 1932 acidentalmente por um jovem pesquisador da Corning Glass,

tentando soldar blocos de vidro para uma vedação a prova de vácuo. Atingindo com um jato

de ar comprimido inadvertidamente um fluxo de vidro fundido, ele descobriu o que

pesquisadores estavam tentando fazer há anos, finas fibras de vidro. Pesquisas mostraram que

as fibras de vidro mesmo sendo mais leves, são muito mais fortes que um fio de aço

(MITCHELL, 1999).

6


Atualmente, uma vasta lista de itens confeccionados em materiais compósitos de fibra

de vidro é encontrada nas indústrias aeronáutica, automobilística, civil (Figura 2) e esportiva

(Figura 3). Os materiais reforçados com fibras de vidro apresentam elevado quociente

resistência/densidade, boa estabilidade dimensional, resistência ao calor bem como para com

a umidade e corrosão e boas propriedades de isolamento elétrico (VENTURA, 2009).

Figura 2 - Ponte Fabricada pela Fiberline -

Kolding, Dinamarca. Fonte: Site Owens

Cornning.

Figura 3 - Tanques de Mergulho. Fonte: Site

Owens Cornning.

A ponte ilustrada na Figura 2 foi projetada para suportar um carregamento de até 500

kg/m. Contudo, esta resistência é provida por um passadiço compósito de 12 toneladas que,

em aço pesaria 28 toneladas, e 90 toneladas em concreto. Além da leveza, os compósitos

possibilitaram a montagem da ponte em apenas 18 noites, minimizando assim a interrupção

do tráfego da rodovia (OWENS CORNNING).

A modelagem dos compósitos por enrolamento de resina epóxi reforçada com fibra de

vidro S-2® ("S-2Glass®"), confere aos dispositivos cilíndricos, como por exemplo tanques de

mergulho (Figura 3), uma flutuação neutra, permitindo que o mesmo não irá afundar nem

subir dentro d´água (OWENS CORNNING).

No que se refere a materiais compostos avançados para a indústria aeroespacial,

automotiva e artigos esportivos, materiais que combinam fibra de carbono, mesmo sendo mais

caros, têm se tornado dominantes devido à sua alta resistência, módulo elevado e baixa

densidade em comparação as fibras de vidro (CHUNG, 1994).

2.1.3 Fibra de Carbono

Os primeiros registros da produção de fibras de carbono são atribuídos a Thomas

Edison empregando esse material no filamento de lâmpadas elétricas incandescentes. Durante

a década de 60, interesses das indústrias aeronáuticas e militares alavancaram os avanços em

estudos sobre a produção de fibras de carbono. Atualmente, depois do avanço técnico e

7


comercial das fibras de alto desempenho surgidas no Japão e Inglaterra, os principais

materiais precursores utilizados na produção de fibras de carbono são as poliacrilonitrilas -

PAN (SAVAGE, 1992).

O processo de fabricação PAN acabou sendo mais econômico devido a maior e melhor

produção de carbono. Entretanto, recentemente na Alemanha, cientistas têm empregado o

laser infravermelho na fabricação de fibras de carbono ao invés de submeter às ligas a fornos

com alto gasto de energia. Esta técnica permite uma rápida fabricação do material sem que

haja inconvenientes, como a formação de deformidades decorrente de bolhas ocasionadas

pelo manuseio em presença de ar, que acabam por reduzir a resistência. Esta nova tecnologia

promete fabricar fibras até 100 vezes mais resistentes do que o aço e evidentemente bem mais

leve (SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA; LEBRÃO, 2008).

A princípio havia uma restrição ao uso comercial dessas fibras. Logo ao fim das

limitações impostas pelas indústrias militares (REZENDE, 2000), a indústria aeronática de

voos comerciais absorveu parte da utilização de materiais de fibra de carbono combinados

com polímeros para produção de fuselagens e carcaças de aviões. Essa revolução pode ser

destacada nas estruturas primárias das asas e fuselagem do Boeing 787 (Figura 4). Essa

aeronave teve seu primeiro voo realizado em novembro de 2011 (HEPHER, 2011).

A porcentagem de materiais poliméricos superou qualquer estimativa já prevista para

esse tipo de aeronave. As estruturas passam a ser feitas de material compósito reforçados com

fibras de carbono T8000. O objetivo consiste na tentativa da redução do peso da aeronave,

garantindo economia de combustível e aumento da autonomia de voo (GRIFFITHS, 2005).

Figura 4 - Composição de um Boeing Dreamliner 787. Fonte: Griffiths (2005).

8


2.2 Materiais Compósitos: Aspectos Fundamentais

Em termos técnicos atuais, esses materiais combinados que proporcionam melhorias nas

propriedades mecânicas, definem-se como materiais compostos ou compósitos (termo de uso

consagrado), que se configuram em uma combinação de materiais multifásicos exibindo uma

proporção significativa de propriedades das fases que o constituem. O principal objetivo

consiste na obtenção de um material que combina as características de seus componentes

apresentando um desempenho estrutural superior quando comparado às fases constituintes

isoladamente (CALLISTER, 2007).

Por não apresentar uma definição universalmente aceita, Ventura (2009) discute e

apresenta a sua definição sobre materiais compósitos, consistindo em materiais fabricados

com o uso de duas ou mais fases distintas.

Um compósito é um material feito artificialmente, exigindo do pesquisador

conhecimentos científicos sobre as propriedades físicas e mecânicas dos materiais individuais

(fases) assim como da interação entre ambos, de modo a resultar em um que satisfaça os

quesitos (propriedades) da sua aplicação (CALLISTER, 2007). De acordo com Daniel e Ishai

(2006), fases desse material devem se apresentar em proporções maiores que 5% e ter

propriedades diferentes. Devido a essa combinação e as propriedades dos compósitos são

notoriamente diferentes comparadas as dos materiais constituintes (DANIEL e ISHAI, 2006).

Uma das fases é denominada matriz, ou fase contínua, que representa o componente de

que apesenta menor rigidez e fragilidade estrutural conferindo formato à estrutura e elemento

de ligação para o material. Já a outra fase, denominada reforço, ou fase dispersa, confere as

propriedades mecânicas e estruturais do material (DANIEL e ISHAI, 2006).

Em alguns casos, devido à interação química entre as fases proveniente de processos de

tratamento químico pela aplicação de agentes aderentes, passa a existir uma terceira fase

distinta entre a matriz e o reforço, sendo denominada interface (Figura 5) (DANIEL e ISHAI,

2006).

Figura 5 - Ilustração das fases presentes nos compósitos.

9


A finalidade da interface é promover uma melhor interação mecânica na superfície de

contato entre a matriz e o reforço desse modo se tornando a responsável por transferir as

solicitações mecânicas internas da matriz para o reforço (DANIEL e ISHAI, 2006; FU et al.,

2008)

Segundo Panzera (Panzera 2012), o compósito pode ser definido como a combinação de

dois ou mais materiais sem a formação química de uma nova fase, exceto para quando ocorre

na região de interface entre as fases dispersa e matriz. Os compósitos devem ser projetos para

uma determinada finalidade, a fim de otimizar um determinado desempenho, ou seja, não

necessariamente o material deve optar por elevada resistência mecânica, enfim outras

características de desempenho podem ser demandadas como por exemplo, propriedades

elétricas, térmicas, ópticas, químicas e magnéticas.

De uma maneira formal, os compósitos podem ser classificados de acordo com a classe

de material de sua fase matriz. Dessa forma, as matrizes podem ser do tipo metálica, cerâmica

ou polimérica. A fase matriz tem por finalidades revestir, preencher espaços vazios que ficam

entre o reforço, orientar e fixar os reforços em suas posições, proteger a fase reforçadora

contra danos provindos do meio externo como reações químicas e principalmente, receber as

solicitações mecânicas (CALLISTER, 2007).

2.2.1 Fase Matriz

As matrizes cerâmicas, devido às altas temperaturas envolvidas nos processos de

fabricação, apresentam-se em um patamar diferente de utilização das demais. Os materiais

compósitos que possuem uma matriz cerâmica são dotados de resistência à oxidação e à

deterioração sob temperaturas elevadas (CALLISTER JR, 2007; VENTURA, 2009).

As matrizes metálicas, assim como a maior parte dos metais, podem originar matrizes

de excelentes qualidades, com potencialidade limitada apenas pelo fator temperatura. Em se

tratando de baixas temperaturas, ainda existem poucas aplicações relacionadas. Para algumas

aplicações aeroespaciais, metais leves como o titânio, o magnésio e o alumínio apresentam

propriedades relevantes (baixa densidade). Muitos compósitos de matriz metálica se

encontram ainda em fase de desenvolvimento, mas não tão intensamente como os de matriz

polimérica (VENTURA, 2009).

Os polímeros são usados como matrizes por apresentar propriedades mecânicas

vantajosas relativas à temperatura ambiente, baixo peso, facilidade no processo de fabricação

e custo reduzido. Polímeros podem ser processados a baixas temperaturas, evitando

problemas associados com a degradação do reforço. O desenvolvimento deste grupo de

10


materiais cresceu rapidamente, entretanto, as suas principais desvantagens residem na sua

limitação ao trabalho em altas temperaturas, instabilidade dimensional devido aos coeficientes

de expansão térmica elevados, grande sensibilidade à radiação e podendo algumas vezes

absorver umidade do ambiente (VENTURA, 2009).

2.2.2 Fase Reforçadora

Os três principais tipos de fibras sintéticas utilizados para reforçar materiais poliméricos

são: vidro, aramida (ou poliamida aromática) e carbono (SHIMOKAWA et al., 2007). Os

constituintes do reforço dos compósitos contribuem por incrementar a resistência e a rigidez,

podendo também aumentar resistência ao calor, corrosão e condutividade. Dependendo das

exigências de projeto, o reforço pode ser feito para facultar todas ou apenas uma destas

características (VENTURA, 2009).

A fase reforçadora existe em diversas formas, podendo ser em três categorias:

compósitos particulados, compósitos fibrosos de fibras contínuas, descontínuas e ou whiskers

(VENTURA, 2009), assim como ilustra a Figura 6.

Figura 6 - Classificação dos materiais compósitos. Fonte: Ventura (2009).

11


As fibras passam a ser uma fase de reforço importante, proporcionando incremento da

força da matriz. Deve-se destacar que a interação entre as fibras e a matriz criada no processo

de fabricação exerce uma influencia fundamental nas propriedades mecânicas do material

(GAY e HOA e TSAI, 2003).

Em quesito de desempenho e campo de aplicações, materiais de matriz polimérica

(PMC – Polymer Matrix Composites), geralmente constituídos por uma resina polimérica em

sua fase matriz e fibras como reforço, estão dentre o grupo dos mais importantes e os mais

utilizados como materiais na atualidade (VENTURA, 2009), sendo os laminados em matriz

polimérica reforçados por fibras de vidro e carbono, com a inclusão de micro e nanopartículas

de sílica, os compósitos investigados nesta pesquisa.

2.3 Materiais Compósitos Laminados

Materiais compósitos laminados são materiais normalmente constituídos de fibras de

alto módulo de elasticidade e resistência mecânica envolvidas em uma matriz. Suas interfaces

são distintas entre si, conservando assim as propriedades químicas e físicas da matriz e da

fibra. É composto por lâminas ou painéis bidimensionais (Figura 7) possuindo uma direção

preferencial de alta resistência como encontrado nas madeiras e nos plásticos reforçados com

fibras contínuas (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994; CHAWLA, 1998; CALLISTER, 2007).

Figura 7 - Empilhamento de camadas sucessivas reforçadas com fibras. Fonte:

Callister(2007).

2.3.1 As Fibras

Callister (2007) admite que tecnologicamente, os compósitos que tem maior

importância são aqueles em que a sua fase dispersa está na forma de fibra. As fibras consistem

em milhares de filamentos, apresentando diâmetros variando entre 5 e 15 micrómetros. Os

principais tipos de fibras existentes são: vidro, aramida ou kevlar, carbono, boro e carbeto de

silicio. Na fabricação de materiais compósitos, as fibras podem assumir as seguintes formas:

12


- Fibras continuas ou fibras longas: são cortadas durante o tempo de fabricação do

compósito material. Podem ser utilizadas como filamentos alongados ou mesmo tecido

(GAY, HOA e TSAI, 2003).

- Fibras descontinuas ou fibras curtas: possuem comprimentos de alguns centímetros ou

frações de milímetros. São feltros, mantas e fibras curtas utilizadas na moldagem por injeção

(GAY, HOA e TSAI, 2003).

A Figura 8 ilustra as diferentes formas de fibras.

Figura 8 - Diferentes formas de fibra. Adaptado de: Gay, Hoa e Tsai (2003).

Atualmente os materiais compósitos desenvolvidos para indústria aeroespacial e

automotiva são reforçados com fios de fibra contínuos na forma bi ou tridimensionais,

confeccionados na forma de tecidos trançados. Devido à natureza do reforço, esses materiais

passaram a ser referidos como compósitos “têxteis” (ASTM D6856/D6856M).

O padrão de repetição do tecido é denominado de “células de unidade têxtil” ou

simplesmente de “célula unitária”. Esse é um padrão de repetição geométrica baseado em

parâmetros de fabricação que os compósitos têxteis possuem. A célula unitária é considerada

como a menor secção da arquitetura necessária para repetição do padrão têxtil. A Figura 9

ilustra duas células unitárias diferentes para as arquiteturas de tecidos trançados (ASTM

D6856/D6856M:2003(2008)e1

).

Figura 9 - Células unitárias para tecidos simples e tecidos bidirecionais. Adaptado de:

ASTM D6856/D6856M.

13


A largura da célula unitária é a distância entre duas colunas adjacentes de urdidura de

fio (na direção de fios de enchimento) e a altura é a espessura do tecido consolidado do

compósito (ASTM D6856/D6856M).

Levando em consideração as diferenças no tamanho dos fios ou no padrão de repetição

da trama ocasionado pelo entrelaçamento dos mesmos, pode ocorrer um aumento de falta de

homogeneidade nos deslocamentos locais do laminado. Essa possível falta de homogeneidade

no compósito têxtil pode ser grande se comparado a um compósito de fibra tradicional

(ASTM D6856/D6856M).

Em exemplificação, a Tabela 1 apresenta as diferenças nos valores de módulo e de

resistência mecânica nas mais variadas formas de reforço de fibra de vidro (CHAWLA,

1987).

Tabela 1 - Propriedades de compósitos de matriz epoxídica. (Chawla, 1987).

Propriedade

(50 vol% fibra)

Forma da fibra de vidro

Unidirecional Bidirecional

Densidade (g/cm3) 2 1,7

MOE Tração

(GPa)

L 40 16,5

T 10 16,5

MOR Tração

(MPa)

L 780 280

T 28 280

MOE Flexão (GPa) 35 15

MOR Flexão (MPa) 840 220

Obs: L = longitudinal; T = transversal; MOE = módulo de elasticidade

O que diferencia um compósito têxtil para um compósito de fibras unidirecionais seria

os mesmo valores do módulo e resistência para com as direções longitudinais (x) e

transversais (y) (Chawla, 1987). A Tabela 2 apresenta o comparativo de algumas propriedades

físicas e mecânicas dos tecidos simples de fibra de vidro, kevlar e carbono.

14


Tabela 2 - Propriedades de compósitos em matriz epóxi fabricados com tecido simples de

vidro, kevlar e carbono. Adaptado de: (Gay, Hoa e Tsai, 2003).

E – Glass Kevlar Carbono

Gravidade específica (kg/m3) 1900 1330 1450

MOR Tração x =y (MPa) 400 500 420

MOR Compressão x =y (MPa) 390 170 360

Módulo Elasticidade Tração Ex=Ey(GPa) 20 22 54

As fibras são submetidas a um tratamento de superfície para que dessa forma se

diminua a ação de abrasão das fibras ao passarem através das máquinas de moldagem bem

como na tentativa de se melhorar a adesão com o material de matriz (GAY e HOA e TSAI,

2003).

Material de fase matriz utliza polímeros que se dividem em dois grupos: termorrígidos e

termoplásticos (CALLISTER, 2007; RATNA, 2009; VENTURA, 2009).

2.3.2 Polímeros Termorrígidos e Termoplásticos

As matrizes poliméricas termoplásticas, tais como os metais, tornam-se mais dúcteis

com o aquecimento e eventualmente fundem, endurecendo novamente com o resfriamento.

Nylon e polipropileno são exemplos típicos de resinas termoplásticas (RATNA, 2009).

As matrizes termorrígidas sofrem uma reação química de cura de carater exotérmico,

sendo convertidas em um material infusível e insolúvel. A infusibilidade e insolubilidade do

polímero curado surgem devido à formação de uma rede estrutural tridimensional (3D).

Polímeros termorrígidos podem ser agrupados com base no peso molecular em resinas

termorrígidas (baixo peso molecular) e de borracha ou de elastômero (peso molecular

elevado), podendo-se citar como exemplo as resinas poliéster, éster-vinilica, uretano, fenol-

formaldeído e a mais conhecida e utilizada dentre as demais, a resina a epóxi (PILATO e

MICHNO, 1994; RATNA, 2009).

Entretanto, uma boa interação permite uma melhor transferência de cargas entre a

matriz e reforço. Por esse motivo, a escolha do tipo de matriz para um determinado tipo de

reforço se torna crucial no desempenho final de um compósito (MATTHEWS e RAWLINGS

1994; PAUL e BUCKNALL, 2000).

15


2.3.3 Resina Epóxi

Nos dias atuais, o termo epóxi é entendido como um plástico termorrígido reticulado e

curado. A palavra epóxi vem do grego “Ep” (sobre ou entre) e do inglês “Oxi” (oxigênio). Em

um sentido geral, o termo refere-se a um grupo químico constituído por um átomo de

oxigênio ligado a dois átomos de carbono (LEE e NEVILLE, 1967; RATNA, 2009).

Existem vários tipos de resinas epoxídicas comercialmente disponíveis, tais como:

diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), produzida pela reação entre epicloridrina e Bisfenol A,

consistindo na resina comercial mais comum dentre as resinas epóxi (RATNA, 2009).

De acordo com Lee e Neville (1967) e Ratna (2009), o grupo mais simples é o óxido de

etileno (Figura 10), onde um átomo de oxigênio está ligado a dois grupos CH2 ligados entre

si.

O

CH2 CH2

Figura 10 - Óxido de etileno.

A este grupo dá-se a denominação de grupamento α-epóxi. Esse tipo de resina exibe

uma elevada adesão por consequência da grande polaridade dos grupos ésteres e hidroxilas

alifáticas, que frequentemente constituem a cadeia da resina inicial e a rede do sistema curado

(RUSHING, THOMPSON e CASSIDY, 1994).

Outro grupo muito comum é o grupo glicidil (Figura 11) que contém no anel epóxi um

carbono secundário (RATNA, 2009).

O

CH2

CH CH3

Figura 11 - Grupo Glicidil.

A polaridade desses grupos serve para criar forças de interação entre a molécula epóxi e

o substrato, otimizando o seu uso como adesivo e revestimento. As resinas epóxi podem ser

usadas como fase matriz na produção de compósitos com fibras sintéticas e naturais. Essas

resinas são quimicamente compatíveis com a maioria dos substratos e tendem a molhar as

superfícies muito facilmente, justamente devido aos grupos polares que minimizam os

problemas relativos à interface resina/reforço (RUSHING, THOMPSON e CASSIDY, 1994).

Sabe-se que é por intermédio da região de interface que as interações químicas e físicas

entre a matriz e o reforço são estabelecidas ou combinadas. Logo, da mesma forma que altos

16


valores de resistência mecânica podem ser alcançados, falhas no material podem ser

facilmente propagadas por uma região de interface fraca (FU et al., 2008; RATNA, 2009).

2.3.4 Região de Interface em um Material Compósito Laminado

Em se tratando de compósitos laminados, uma boa região de interface (Figura 12) é

aquela onde toda a região da extensão superficial da fibra é devidamente “impregnada” ou

“molhada” pela fase matriz, de maneira a garantir melhores desempenhos mecânicos do

material fabricado (RATNA, 2009).

Figura 12 - Representação da interface em compósitos reforçados por fibras. Adaptado

de: Ratna (2009).

A região de interface pode sofrer mudanças dependendo da natureza da matriz bem

como da natureza da fibra ou partícula (RATNA, 2009). Fibras geralmente são usadas depois

de submetidas a tratamentos físicos ou químicos superficiais adequados. Esses tratamentos

são um artifício muito utilizado em fibras naturais para o aumento da sua “rugosidade

superficial”, contribuindo por melhorar sua adesão com a fase matriz (KHANAM e KHALIL,

2011).

De acordo com Khanam e Khalil (2011), o tratamento alcalino em fibras de sisal produz

uma superfície mais rugosa, influenciando na resistência mecânica à tração e à flexão em

compósitos de matriz poliéster.

Nas últimas décadas, estudos tem revelado que a inclusão de partículas em escalas nano

e micro tem contribuído por melhoras as propriedades mecânicas de materiais poliméricos

reforçados com fibras (CHOWDHURY, HOSUR e JEELANI, 2007).

Cao e Cameron (2006) utilizaram a combinação de micropartículas de sílica para

melhoria das propriedades mecânicas de flexão (CAO e CAMERON, 2006a) de um

compósito laminado em fibra de vidro. O artifício para aumento da “rugosidade superficial”

pode ser associado com a utilização de partículas em combinação às fibras, em razão das

partículas proporcionarem mudanças na região de interface entre a fibra e matriz pelo

aumento do ângulo de contato entre ambos, dividindo as tensões de forças interlaminares pela

criação de pontos cisalhantes (CAO e CAMERON, 2006a; CAO e CAMERON, 2006b).

17


Wichmann et al. (2006) incrementa em 16% o valor da resistência ao cisalhamento

interlaminar em adição de 0,3 percentual de massa de nanotubos de carbono em compósitos

de fibra de vidro unidirecional. Entretanto a influencia positiva do incremento promovido

pelas nanopartículas decai com o alto volume de fibra de vidro no compósito. Verificou-se

que a adição de partículas em laminados contendo aproximadamente 50% de teor volumétrico

de fibras, promove uma redução da região de interface a tornando mais fraca ao cisalhamento

interlaminar.

Com base nos resultados de Markkula, Malecki e Zupan (2013), os ganhos de

resistência e módulo na tração de laminados em fibras de vidro foram obtidos pelo uso de

uma cobertura uniforme às fibras com nano tubos de carbono. As partículas de nano tubos

permitem um reforço eficiente entre a matriz e as fibras, aumentando a sua rigidez ao

cisalhamento. Além disso, segundo estes autores, o reforço fornece um mecanismo de “trava”,

promovido pelo maior atrito devido à modificação do ângulo de contato entre a fibra e a

matriz, na direção axial das fibras com os painéis, apresentando melhorias nas propriedades

de tração, exibindo ainda um comportamento mais linear da curva tensão-deformação.

Considerando-se que existem dois tipos de reforço na mesma matriz, partícula e fibra,

este tipo de compósito passa ser categorizado como híbrido, por utilizar mais do que uma fase

de reforço no sistema (MATTHEWS e RAWLINGS, 1994; ZHENG, NING e ZHENG, 2005;

CAO e CAMERON, 2006a; TSAI e CHENG, 2009). Cabe salientar que o termo "composto

híbrido" é também utilizado na literatura para descrever um material no qual dois ou mais

tipos de fibras são utilizadas para reforçar uma matriz comum, podendo ser de fibras naturais

como banana e sisal (VENKATESHWARAN, ELAYAPERUMAL e SATHIYA, 2012) e ou

fibras sintéticas, tais como a de vidro, carbono, kevlar ou boro (GIANCASPRO

PAPAKONSTANTINOU e BALAGURU, 2010; DONG, RANAWEERA-JAYAWARDENA

e DAVIES, 2012).

Compósitos híbridos também podem ser considerados entre dois ou mais tipos de

partículas combinadas em uma matriz para se obter melhores desempenhos mecânicos

(UDDIN e SUN, 2010; JANG et al., 2010; TIAN e HE, 2011).

2.4 Materiais Compósitos Híbridos: Revisão de Literatura

Segundo Abot et al. (2008), materiais compósitos laminados são ideais para suportar

cargas e tensões no sentido das fibras, no entanto, tensões interlaminares causadas por fissuras

ou defeitos locais podem surgir nestes compósitos e sua propagação levar o material a uma

18


fratura prematura. Essas tensões são ocasionadas pela falha das fibras no sentido transversal

ao laminado, região exclusiva onde o polímero exibe baixa rigidez.

2.4.1 Benefícios da Adição de Partículas em Laminados

Entretanto, sabe-se que para lidar com as limitações dos polímeros, como sua baixa

rigidez e baixa resistência mecânica, partículas inorgânicas em escala micro ou nano de SiO2,

vidros, Al2O3, Mg(OH)2, CaCO3, nano-tubos de carbono e silicatos podem ser adicionados

para aumento da rigidez do polímero (FU et al., 2008; QUARESIMIN, 2008). Neste contexto,

Abot et al.(2008) fabricaram materiais compósitos laminados em fibra de carbono reforçado

com nanopartículas (híbridos), exibindo estes resistências mecânicas ao cisalhamento

superiores quando comparados aos compósitos de fibra pura. As partículas de nanotubos de

carbono conferiram ao material além de melhorias de rigidez na matriz, aumento da

tenacidade evitando propagação de trincas e aumento da resistência ao cisalhamento

interlaminar.

Contudo, o método de produção de um compósito reforçado com partículas de

estruturas pequenas deve ser levado em consideração, a fim de alcançar uma adequada

interação física e química dos componentes, e assim obter um material de melhor desempenho

funcional, pois a aglomeração das partículas podem prejudicar suas propriedades finais

(SAVCHUK e KOSTORNOV, 2010).

De acordo com Pethrick, Miller e Rhoney (2009), matrizes epóxi termorrígidas

normalmente têm uma baixa resistência à propagação de trincas, e através da incorporação de

uma segunda fase particulada seja ela em escala micro ou nano ou mesmo a combinação das

duas pode-se aumentar a resistência mecânica final do compósito.

Sabe-se que a falha de materiais compósitos laminados é um fenômeno complexo, que

pode incluir craqueamento da matriz, delaminação e quebra da fibra. A delaminação ou

descolagem interlaminar é um processo crítico e uma parte importante do dano acumulando

de uma estrutura de suporte de carga do compósito. As fendas iniciais na matriz são causadas

em descontinuidades de cisalhamento e dessa forma afetam a capacidade de suporte do

material (KOSTOPOULOS et al., 2009).

As cargas modificam propriedades físicas e mecânicas de polímeros de diversas

maneiras. As partículas utilizadas nas dimensões microscópicas promovem um incremento na

estabilidade térmica (PETHRICK, MILLER e RHONEY, 2009; JANG et al., 2010), rigidez,

resistência mecânica (FU et al., 2008; UDDIN e SUN, 2010) e resistência ao crescimento e

19


propagação de trincas na matriz polimérica (BOONYAPOOKANA, NAGATA e MUTOH,

2011).

A adição de micropartículas em compósitos laminados podem apresentar uma redução

na resistência à ruptura bem como na resistência ao impacto, e em alguns casos, uma redução

da tenacidade à fratura. Muitas das vezes a solução para esse problema está relacionada com

adição de partículas de tamanho nanométrico. Essas partículas, no entanto, vêm tomando

grandes proporções em utilização em forma de reforço em matrizes poliméricas

(MANJUNATHA et al., 2008).

A adição de partículas confere um aumento no volume do compósito, entretanto pode se

notar que para um mesmo volume adicionado, as nanopartículas exibem maior área de contato

específica, e consequentemente, uma maior região de contato dentro da matriz polimérica,

conferindo ser o comportamento resultante do compósito determinado pela interface do

material (WETZEL et al., 2002).

Nano partículas podem proporcionar uma área de interface muito maior que partículas

maiores. Pode-se então falar de “interface-dominada”, tornando claro que a área interfacial

aumentada pode promover melhorias de até 80% nas propriedades mecânicas de rigidez da

resina epóxi, como já observado por Yasmin (2003).

Resultados experimentais demonstrados por Zheng, Ning e Zheng (2005) apontam que

a dispersão uniforme das nanopartículas constitui-se como um papel importante no

desempenho mecânico da matriz polimérica. Aumento de 115% e 13% em resistência e

módulo de tração, respectivamente e um aumento de 60% em impacto foram alcançados com

percentual de massa de nanopartículas de sílica de 0,03 referente à matriz epóxi.

Rosso et al. (2006) relataram que a inclusão de 11 por cento em massa de

nanopartículas de sílica possibilitou aumentos no módulo de elasticidade e resistência à

fratura de compostos fabricados com fibras de vidro, concluindo também que a adição de

nanopartículas de sílica com uma matriz epóxi levou a um aumento muito significativo na

dureza e temperatura de transição vítrea.

A melhora na resistência depende fortemente do teor de partículas e da correta dispersão

das mesmas. A melhoria da resistência e endurecimento da matriz se deve ao grande

aperfeiçoamento da exclusão de partículas aglomeradas resultando em uma maior

homogeneidade da dispersão das cargas (UDDIN e SUN, 2010).

A distribuição de partículas depende de seu tamanho e tipo, da área de superfície

específica, do conteúdo e das condições de mistura do processo. A fim de encontrar um

melhor desempenho de nano compósitos, uma melhor formulação deve ser estabelecida. Isto

20


pode ser feito através da produção de uma série de nano compósitos com proporções distintas

de nanopartículas diversas (DONG et al., 2011).

2.4.2 Dispersão de nanopartículas

As nanopartículas apresentam uma grande tendência de aglomeração entre si. A

dispersão de nanopartículas é muitas vezes uma tarefa difícil e deve ser investigada a fim de

promover uma melhor homogeneização das partículas dentro de uma matriz. De acordo com

Seekkuarachchia, Tanaka e Kumazawa (2008), as dificuldades em dispersar partículas

nanométricas podem ser justificadas pela alta energia de superfície livre das nanopartículas, a

distância entre as partículas e sua configuração molecular, possibilitando aumentar ou

diminuir efetivamente essa região de energia.

Experimentalmente, como já demonstrado por Pethrick, Miller e Rhoney (2009), os

silanos são largamente empregados em conjunto com nanopartículas de sílica para promoção

de suas propriedades mecânicas dentro de uma matriz epóxi. Esquematicamente, a alta

ramificação da cadeia é associada a uma melhor adesão partícula-matriz, uma vez que os

silanos são por natureza agentes acopladores de alta compatibilidade com resina epóxi

(MENDONÇA, 2009).

Essa compatibilidade maximiza a região de interface partícula-matriz aumentando a

aderência e promovendo maior integridade ao conjunto. A Figura 13 ilustra

esquematicamente o incremento de melhorias em nano compósitos mediante tratamento

químico da superfície (MENDONÇA, 2009).

Figura 13 - Interação do agente de acoplamento com as nanopartículas e o polímero.

(MENDONÇA, 2008).

A principal vantagem decorrente de uma utilização de agentes acopladores é a

promoção da aderência entre materiais orgânicos e inorgânicos. Em demonstração tem-se um

conjunto Polímero + Agente de Acoplamento + Carga Inorgânica. Em questão, o agente

acoplador ilustrado na Figura 13 são os organossilanos ou simplesmente silanos. Os agentes

21


de acoplamento, além de modificar a interação partícula polímero, podem promover a

dispersão dos agregados (MENDONÇA, 2009).

Entretanto, pesquisas têm sido focadas com o objetivo de se desenvolver e caracterizar

agentes de acoplamento para uma melhor aderência entre as fases constituintes de compósitos,

além de maximizar os processos de produção. Essas pesquisas baseiam-se no emprego de três

tipos principais de tratamento superficial (LIAW, 1998):

1. Tratamento entre interação do agente e a superfície do mineral:

para fins de dispersão apenas da carga mineral dentro da matriz do polímero;

2. Tratamento entre a interação do agente e a superfície do

polímero: utilizado quando se deseja a dispersão de agentes de coloração;

3. Tratamento entre interação do agente com ambas as superfícies:

usado em compósitos termorrígidos nos quais sofrerão algum tipo de cura.

Dentre as classificações de Liaw (1998), o método de tratamento utilizado neste

trabalho, pode ser enquadrado como sendo a interação de um agente e superfície do mineral.

2.4.2.1 Poly Diallyldimethylammonium Chloride (PDDA)

O tratamento superficial com PDDA é uma técnica bastante usada na dispersão de

várias nanopartículas, dentre elas as de sílica (PENG et al., 2007) e nano tubos de carbono

(WANG et al., 2008).

O procedimento chave deste processo é a técnica de encapsulamento das nanopartículas

de SiO2 com camadas de PDDA. Essa técnica visa suprimir a auto agregação das

nanopartículas de SiO2 causada pela forte interação partícula-partícula (PENG et al., 2007).

As partículas de sílica são tratadas objetivando suprimir sua carga elétrica negativa

diretamente com o PDDA. Devido a uma grande diferença na rigidez entre SiO2 e o PDDA, a

densidade de carga do PDDA é significativamente maior do que a densidade de carga da

SiO2. Dessa forma, a carga positiva do PDDA não pode ser neutralizada completamente pela

carga negativa das partículas de SiO2, tornando impossível todas as cargas anteriores de SiO2

formarem pares de curta distância (PENG et al., 2007).

A utilização do agente de funcionalização PDDA resulta em uma carga elétrica positiva

mais elevada da superfície (NIKOLIC et al., 2012), o que pode se tornar ideal para uma

possível reação de repulsão das partículas promovendo uma dispersão. A força resultante

dessa interação é que se encarrega de impedir a aglomeração das nanopartículas (ZHOU et

al., 2008).

22


2.4.3 Laminados e particulados em uma mesma matriz polimérica

Uma variedade de métodos propostos na literatura visa melhorar o comportamento de

fratura de materiais compósitos laminados, dentre elas, a incorporação de nano fases, a qual

tem demonstrado ter efeito benéfico como todos os mecanismos de reforço que se tornam

ativos em uma escala diferente (KOSTOPOULOS et al., 2009).

Zheng, Ning e Zheng (2005) verificaram aumento de 69,4% sobre a resistência à flexão

com a adição de 5 por cento em massa de nanopartículas de sílica em compósitos laminados

em fibras de vidro, e de 21 e 23% no módulo de elasticidade e resistência à tração,

respectivamente, pela inclusão de 7% por cento em massa. A melhoria na resistência ao

cisalhamento e da resistência à compressão do compósito, por outro lado, é limitada. A adição

de 5% em massa de nanopartículas promoveu uma redução na resistência ao cisalhamento

interlaminar do compósito. Logo por conclusão do autor, entende-se que quando submetidos a

cargas de flexão, o material fica submetido a múltiplas forças envolvendo não somente a

tração e compressão, mas também tensões de cisalhamento no local de compressão. Logo a

melhoria da resistência à flexão é devido a um aumento nas propriedades de tração,

compressão e cisalhamento do material.

Compósitos híbridos fibra/partícula revelaram uma melhoria no que diz respeito à

energia de fratura interlaminar em materiais de fibra de carbono com matriz epóxi. O uso de

nano-partículas de SiO2 com micropartículas de borracha aumentou a resistência à

delaminação dos compósitos de fibra de carbono (KINLOCH et al., 2006).

Cao e Cameron (2006a) encontraram uma melhora no desempenho ao impacto pela

inclusão de micropartículas de sílica em materiais compósitos laminados em fibras de vidro, e

Cao e Cameron (2006b) obtiveram aumento na resistência à flexão dos laminados em fibras

de vidro com a inclusão também de micropartículas de sílica.

Quaresimin e Varley (2008) investigaram o efeito da inclusão de nanopartículas de

argila em compostos em matriz epóxi reforçados por fibras de carbono (unidirecionais) na

resistência à tração, concluindo que a inclusão de nanopartículas proporcionou aumento

significativo na resistência à tração quando comparado aos materiais fabricados da condição

de referência (sem partículas).

Manjunatha (2008) constatou ser significativo o aumento da resistência à fadiga de

compósitos laminados em matriz epóxi e fibras de vidro com a inclusão de 10 por cento em

massa de nanopartículas de sílica.

A partir dos resultados apresentados por Manjunatha (2009) é evidente que a

modificação da matriz epóxi com incorporação de 10 por cento em massa de nanopartículas

23


de sílica aumenta a resistência à fadiga de laminados de fibra de vidro. A redução da taxa de

delaminação nos compósitos com base em matrizes modificadas aparenta ser a principal razão

do aumento observado da vida em fadiga.

A fabricação de compósitos em fibras de vidro com diferentes frações em massa de

silicatos em camadas foi bem-sucedida quando adicionadas proporções inferiores a 5 por

cento em massa na matriz polimérica. A melhoria se dá pela elevada rigidez que os silicatos

nano estruturados promovem aos compósitos. Os resultados mostraram que os laminados em

fibras de vidro com 5 por cento em massa ofereceram melhoria de aproximadamente 30%

sobre a resistência à flexão bem como a resistência à compressão quando comparados às

condições de referência (DAUD et al., 2009).

Uddin e Sun (2008) descobriram que as propriedades de flexão e tração de compósitos

fibrosos de vidro foram melhoradas com a adição de nanopartículas de sílica (15 por cento em

massa) Esse comportamento pode ser atribuído pelas forças de interação (atrito) entre as

fibras e a matriz modificada com sílica. Segundo Tsai e Cheng (2009), estas forças de

interação podem ser associadas com a redução do início de propagação de fraturas que levam

o material à ruptura.

A adição de nano sílica em compósitos epoxídicos de fibra de vidro exibe um efeito

benéfico sobre o desempenho de fadiga e fratura interlaminar. A vida em fadiga do compósito

de fibra de vidro foi aumentada aproximadamente de três a quatro vezes, devido à adição de

10 por cento em massa de nanopartículas de sílica à fase matriz. A taxa de propagação de

trincas e ruptura da matriz é suprimida pelas nanopartículas, contribuindo para a maior vida e

resistência a fadiga dos compósitos (MANJUNATHA et al., 2010).

Alamri e Low (2012) em sua pesquisa utilizando 1por cento em massa de

nanopartículas de carbeto de silício, obtiveram redução na absorção de água dos materiais

fabricados com fibras naturais e aumento no valor do módulo e resistência à flexão dos

mesmos.

Silva et al. (2012) investigaram a adição de micropartículas de sílica (15 por cento em

massa) em compósitos laminados de fibra de sisal com resina epóxi, e Santos et al. (2012)

investigaram o efeito da combinação de micropartículas de carbeto de silício (15 por cento em

massa) em compósitos de fibras de vidro. Em ambos os trabalhos a adição das micropartículas

promoveram aumento nas propriedades mecânicas de flexão dos compósitos fabricados.

Os resultados do processo de deposição de nano tubos de carbono (0,05 por cento em

massa.) para melhoramento interfacial da adesão fibra/matriz indicaram um aumento na

resistência à tração de 43% para compósitos laminados em matriz epóxi e fibras de carbono

24


T700SC, e de 12% para os compósitos laminados com fibras de carbono T300B, sendo este

efeito relacionado à resistência ao cisalhamento interfacial. O atrito interfacial, a ligação

química e o endurecimento da resina foram os fatores responsáveis pelo aumento da

resistência à tração destes materiais (LI et al., 2013).

Finalmente, a partir desta revisão sobre adição de partículas em compósitos laminados,

conclui-se que a sua dispersão se apresenta como um fator dominante na melhoria das

propriedades mecânicas destes materiais, visto que aglomerações e baixas regiões de interface

causadas pela grande concentração e área superficial de nanopartículas, refletem diretamente

na minoração das propriedades mecânicas.

Neste trabalho, são investigados, com o uso dos ensaios mecânicos de tração e flexão,

os efeitos da inclusão de micro e nanopartículas de sílica em compósitos laminados em matriz

epóxi reforçados fibras de vidro ou de carbono, sendo utilizada uma metodologia alternativa

para o tratamento à dispersão das nanopartículas de sílica, possibilitando avaliar a sua

eficiência.

25

Metodologia Experimental

CAPÍTULO 3

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Este trabalho consiste em investigar os efeitos da inclusão de frações mássicas (1%; 2%;

3,5%) de partículas de sílica (micro; nano) em compósitos laminados em matriz epóxi

reforçados com 5 camadas de tecidos simples de carbono e vidro nas variáveis-respostas:

densidade aparente (ρap), módulo de elasticidade na tração (MOEt), resistência à tração

(MORt), módulo de elasticidade na flexão (MOEf) e resistência à flexão (MORf). Dois

planejamentos fatoriais completos do tipo 213

1 foram elaborados para cada tipo de fibra,

fornecendo ao todo doze condições experimentais (CE) distintas (Tabela 3), possibilitando

investigar os efeitos individuais (dimensão e proporção mássica de partículas) ou a interação

entre ambos nas variáveis-repostas de interesse por tipo de tecido utilizado, fazendo-se uso da

análise de variância (ANOVA) e do teste de comparação de médias de Tukey.

Tabela 3 - Condições experimentais investigadas.

CE Tipo de Fibra Dimensão Porcentagem mássica

de Partícula

1 Vidro Micro 1

2 Vidro Micro 2

3 Vidro Micro 3,5

4 Vidro Nano 1

5 Vidro Nano 2

6 Vidro Nano 3,5

7 Carbono Micro 1

8 Carbono Micro 2

9 Carbono Micro 3,5

10 Carbono Nano 1

11 Carbono Nano 2

12 Carbono Nano 3,5

Depois de descoberta as melhores condições para o MOE e MOR na flexão e tração

dos materiais em fibras de vidro e de carbono com a inclusão das partículas de sílica, estas

foram comparadas com as respectivas condições de referência (sem partículas) via o teste de

comparação de Tukey, possibilitando constatar em linhas gerais, por tipo de fibra utilizada,

ser benéfica ou não a inclusão de partículas nos materiais fabricados.

26


Quando um experimento e realizado com apenas dois tratamentos, podemos visualizar

apenas pela média qual o melhor tratamento, porém quando há mais de dois tratamentos,

apenas com o teste “f” (teste que mostra se existe diferença entre as médias dos tratamentos)

não é possível indicar qual o melhor tratamento se fazendo necessária aplicação de um teste

de comparação de médias entre os mesmos.

A ANOVA permite verificar pelo menos a desigualdade e um dos tratamentos. Para

responder qual seria o melhor, é necessária a utilização de métodos de contraste ou

comparação (NEVES, 2011). Os testes de comparação servem como um complemento para o

estudo da análise de variância. O Teste de Tukey é teste de comparação de fácil aplicação.

Não permitindo comparar grupos de tratamentos entre si, é utilizado para testar qualquer

diferença entre duas médias de tratamento quando o teste “F” para tratamentos da ANOVA

(análise de variância) for significativo. Com a utilização do Minitab®, versão 16, o teste é

simplificado. A classificação é realizada por agrupamentos A e B, onde A se configura como

sendo o melhor resultado obtido.

Ressalta-se que fora necessário separar o estudo por tipos de fibras (dois

planejamentos distintos) por se constatar que após o processo de laminação à vácuo os

mesmos apresentaram proporções de reforço (fibras) distintos, devido a diferença na

gramatura dos tecidos usados. Todas as estatísticas foram realizadas com o auxílio do

software Minitab®

, versão 16.

3.1 Materiais

3.1.1 Fase Matriz: Araldite (Renlam M)

Como fase matriz do presente trabalho, foi utilizada uma matriz termorrígida epóxi

Araldite-M (RenLam M) com endurecedor RenShape HY 956 da empresa Huntsman®

,

fornecidos pela empresa Maxepoxi Indústria e Comércio Ltda®

, localizada em São Paulo (SP)

- Brasil.

A proporção utilizada de resina e endurecedor obedeceu a relação em proporção

mássica fornecida pelo fabricante, sendo 100 partes de resina para 20 de endurecedor (5:1) em

peso (MAXEPOXI).

3.1.2 Fase Dispersa: Tecido de Fibra de Vidro e Carbono

A matéria prima do tecido de fibra de vidro utilizado foi adquirida da empresa Owens

Corning®

, sendo manufatura em forma de tecido simples pela empresa Mundo da Resina®

,

situada na cidade de Belo Horizonte (MG). O tecido é composto de fibra de vidro tipo “E” e

27


com gramatura de 200 g/m2. O tecido de fibra de carbono utilizado no trabalho foi doado pela

empresa ALLTEC Materiais compósitos®

, localizada em São José dos Campos (SP). A fibra

foi fornecida em forma de tecido simples (ASTM D6856/D6856M), sendo constituído de

tecido de fibra de carbono T300 com gramatura de 300 g/m2 (Figura 14).

Figura 14 - Tecido simples (a) Fibra de Vidro (b) Fibra de Carbono.

3.1.3 Fase Dispersa: Micro e Nanopartículas de Sílica

3.1.3.1 Micropartículas de Sílica

A distribuição granulométrica das partículas de sílica foi obtida através do processo de

peneiramento de uma amostra seca em estufa.

A faixa granulométrica foi a 325-400 US-TYLER, sendo aproveitadas as partículas

retidas na malha 400, ficando o diâmetro médio das partículas entre 44 e 37 microns (Figura

15).

Figura 15 - Micropartículas de sílica peneiradas na faixa granulométrica 325-400 US-Tyler.

3.1.3.2 Nanopartículas de Sílica

As nano-partículas de sílica foram obtidas da empresa SIGMA-ALDRICH®

(Figura 16).

De acordo com o fabricante, as partículas foram classificadas com diâmetro médio de 20nm,

com densidade superficial de 0,011 g/cm3.

(a) (b)

28


Figura 16 – (a) Contêiner da SIGMA-ALDRICH (b) Nanopartículas de SiO2.

3.2 Métodos

3.2.1 Procedimento de Tratamento com PDDA

As nanopartículas de sílica foram inicialmente tratadas à dispersão, consistindo o

tratamento (alternativo) em uma adaptação baseada nos estudos e observações frutos das

pesquisas de Peng et al. (2007) e MENDONÇA (2009). O processo de tratamento foi

realizado nas dependências do laboratório de síntese de materiais do grupo (GPQM) do

Departamento de Ciências Naturais (DCNAT) da Universidade Federal de São João del-Rei.

A unidade estrutural básica das formas da sílica e da maioria dos silicatos é um arranjo

tetraédrico de 4 átomos de oxigênio ao redor de um átomo de silício centralizado (Figura

17). A distância entre o oxigênio e o átomo de Silício é inversamente proporcional ao

tamanho das partículas e a energia necessária para se dispersar esses estados agregados se

torna grande considerado um tamanho médio de ordem 10-9

m (SEEKKUARACHCHIA e

TANAKA e KUMAZAWA, 2008).

Figura 17 - Formação Tetraédrica da Sílica.

Inicialmente foi medida em uma balança de precisão da marca Shimadzu®

, modelo BL-

320H, 8 gramas de nano-sílica (Figura 18).

(a) (b)

29


Figura 18 - Balança de precisão Shimadzu.

Em um recipiente do tipo erlenmeyer de aproximadamente 1L de capacidade, foram

depositados 800mL de água destilada. Com a ajuda de um funil foram acrescentadas na água

destilada as 8 gramas de nano-sílica. O recipiente com a solução seguiu imediatamente para o

banho de ultrassom. O equipamento de ultrassom utilizado foi o ultracleaner 1400A, com

frequência de vibração de 40kHz (Figura 19).

Figura 19 - Banho de ultrassom na solução composta por água destilada e nano sílica.

A solução permaneceu em banho de ultrassom por aproximadamente 30 minutos,

sendo em seguida transferida para um agitador magnético CorningStirrer (Figura 20) com

velocidade de rotação (stir) de 8. Com esse procedimento se garante uma dispersão

momentânea das partículas. Naturalmente sem a influência da vibração de ultrassom ou

agitação, os estados agregados, provavelmente voltarão a ser formar.

Figura 20 - Solução composta por água e nano sílica em agitação magnética.

Enquanto a solução era misturada, um pHmetro (Quimis) foi inserido no meio para

medição do pH. Com o auxilio de um conta-gotas, o pH da solução foi modificado mediante a

adição de uma solução de NaOH em 0,2mol/Lpara a obtenção de pH igual a 10. Nessa etapa

30


do processo temos uma mistura homogênea, considerando uma perfeita dispersão das

nanopartículas de SiO2 em meio aquoso.

Posteriormente o PDDA foi pesado conforme estequiometria indicada, em um valor de

2,016g. Sendo um polímero catiônico muito solúvel em água, o mesmo foi diluído em 25 mL

de água destilada antes de ser adicionado à solução aquosa de nano sílica. Assim, a solução

final permaneceu em mistura no agitador magnético por 2h e 30 min.

As cargas negativas das nanopartículas de SiO2 atuam como moldes para absorver as

cadeias moleculares de PDDA carregadas positivamente, através da adsorção eletrostática

(Figura 21).

Figura 21 - Recobrimento partículas de SiO2 com PDDA. Adaptado de: Peng et al. (2007).

Após o período de agitação a solução com pH:10, água destilada, nano sílica e PDDA,

foi dividida em pequenos tubos de ensaios de plástico, preenchendo-se 45ml do seus

respectivos volumes, e levados a uma centrífuga (Figura 22) por 15 minutos.

Figura 22- Centrifuga.

Após os 15 minutos a sílica foi decantada e o excesso de água retirado. O mesmo tubo

de ensaio foi preenchido com água destilada até a marca de 45 ml, contribuindo na remoção

dos excessos de polímeros, sendo novamente levado a centrifuga, onde permaneceu por mais

15 minutos.

(a) (b)

Figura 23 - Solução antes (a) e depois (b) da centrifugação.

31


Depois da última centrifugação, na qual foi removido o excesso de polímero (Figura

23), a amostra foi levada a uma estufa de aquecimento à vácuo, da marca MARCONI, modelo

MA 30/12, a uma pressão interna constante de 600 mm/Hg e temperatura de 45° C,

permanecendo até a secagem total do líquido. O processo de secagem foi possibilitado após

averiguação da não oxidação do PDDA sob condições de temperatura utilizada em estufa.

Como o objetivo do trabalho foi a utilização das nanoparticulas em resina epóxi,logo a

secagem se fez necessária para a sua utilização sem a influência de água a qual esse

procedimento é realizado. Essa é a parte que se difere ao apresentado por Peng et al. (2007) e

demais autores na literatura que utilizam exclusivamente o processo em meio liquido.

Para finalização do tratamento, a nano-sílica tratada e seca foi triturada (Figura 24 - a), e

com o auxilio de uma peneira de granulometria de 400 US-TYLER (para melhor ajuda na

dispersão) a mesma foi peneirada e guardada em ambiente seco para posterior laminação

(Figura 24 - b).

Figura 24 - Trituração da nano sílica com almofariz de Ágata.

Após tratadas as nano sílicas prosseguiu-se com a elaboração dos compostos.

3.2.2 Método de Laminação Manual: Hand Lay-up e Vacuum Bag

Sabe-se que o processo de laminação manual Hand Lay-up (Figura 25), é o método

ideal para laminação de pequenas quantidades de peças (VISON e SIERAKOWSKI, 2002).

Em suma, a metodologia apresentada nesse trabalho buscou combinar a metodologia Hand

Lay-up e com o método de assistência à vácuo - vacuum hand lay-up process a fim de retirar

as possíveis bolhas provenientes do processo de laminação (STRINGER, 1989; TSAI e

Cheng, 2009).

Figura 25 - Processo de laminação HandLay-up.

(a) (b)

32


Para se atingir um material laminado de fibra de carbono de alto padrão, é exigido pela

indústria que o mesmo possua de 50 a 65% de teor de fibras (reforço) com uma porosidade

máxima de 2%. Entretanto para se obter tais especificações, é primordial que o material sofra

rigosoro controle de compactação. Essa compactação é facilmente controlada aplicando-se

uma pressão à vácuo na amostra durante o processo de cura da resina. Além de uma perfeita

compactação, o vácuo retira o excesso de bolhas formadas no processo de mistura da resina,

reduzindo a sua porosidade (STRINGER, 1989; GIOVEDI, MARINUCCI e ROUSE, 2004;

SHIMOKAWA et al., 2007, ABOT et al., 2008).

A utilização da compactação à vácuo consiste em uma técnica que atulamente se

expande não somente na laminção de fibras de carbono, mas também na laminação das fibras

de vidro na tentativa de se melhorar o ganho de desempenho mecânico dos compostos

(GIANCASPRO, 2009; MOHAN, NATARAJAN e KUMARESHBABU, 2011; SEVKAT e

BRAHIMI, 2011; MELO e VILLENA, 2012).

A etapa de laminação foi realizada nas dependências do laboratório CITEC do

departamento de engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del-Rei.

Inicialmente foram medidos (200×200mm) e cortados cinco camadas de tecido simples de

fibras de vidro (Figura 26) e carbono, sendo posteriormente pesados em uma balança.

Figura 26 - Tecidos com dimensão 200×200mm.

Foi estimado o valor volumétrico de reforço após a pesagem da massa de fibra. Os

cálculos foram obtidos segundo as premissas da norma ASTM D3031. A respectiva norma é

utilizada para determinação da proporção volumétrica de materiais compósitos laminados.

A laminação foi realizada com a mesma quantidade volumétrica de material para todos

os compostos, para então serem submetidos à compactação à vácuo. A norma ASTM D3031

foi utilizada para posteriores cálculos da fração volumétrica de fibra e matriz final do material

final já curado. A metodologia foi aplicada para todas as 12 condições experimentais do

trabalho (Tabela 1).

33


A fração volumétrica de fibras foi obtida mediante o valor da massa medida de acordo

com a Equação 1, sendo df a densidade da fibra (obtida na literatura), mf a massa total da fibra

e vf o volume da fibra.

f

f

f

md

v (1)

O volume de fibra foi obtido com o rearranjo da Equação 1, colocando-se em evidência

o volume da fibra . Após ensaios preliminares para determinação da proporção volumétrica de

fibra/matriz, para evitar desperdício desnecessário de material e garantir que toda superfície

de fibra fosse recoberta de resina no processo de laminação manual, ficou estipulado que a

melhor condição para ser utilizada foi a relação 60/40 (matriz/fibra). O volume de matriz (vm)

foi obtido com o uso da Equação 2.

40%

60%

f

m

v

v

15

10

f

m

vv

(2)

Uma vez calculado o volume total de matriz, o valor mássico de resina a ser medido foi

obtido reutilizando-se a Equação1. Conhecida a densidade da mistura (dm= 1,13 g/cm3) resina

e endurecedor, a massa de matriz (mm) foi obtida com o uso da Equação 3.

m mm 1,13 v (3)

Esse valor forneceu a quantidade base para a massa das partículas de sílica que foram

usadas em relação massa de matriz.

Com os cálculos (massa matriz, massa reforço) realizados, iniciou-se o processo de

laminação manual. A bancada foi devidamente forrada para se evitar qualquer tipo de

contaminação. Um tecido teflon do tipo Armalon®

foi cortado para acomodar e facilitar a

posterior desmoldagem dos laminados (Figura 27 - a).

Cada uma das cinco camadas de tecido foi devidamente impregnada com resina epóxi

(Figura 27 - b). Roletagem foi utilizada para melhor compactação e uma eliminação de bolhas

(Figura 27 - c).

Após término do procedimento nas cinco camadas, o laminado foi encoberto com

outra camada de tecido teflon Armalon, e inserido entre duas lâminas de vidro para posterior

processo à vácuo (Figura 27 - d).

34


Figura 27 - Processo de Laminação.

A bomba utilizada para criação do ambiente à vácuo foi da marca SURYA®

de 5CFM.

Após tempo de cura de aproximadamente 15 horas à temperatura ambiente, o material foi

retirado do vácuo e deixado para pós-cura por mais 6 dias. É importante ressaltar que o tempo

de cura e pós-cura estão de acordo com a norma do fabricante da resina HUNTSMAN®

.

Todas as condições foram feitas seguindo esse mesmo procedimento. Para as condições

em que a fase matriz foi reforçada com partículas, estas foram previamente misturadas e

homogeneizadas às partículas para posterior continuidade do processo de laminação dos

materiais. O resultado final do processo pode ser visto nas Figura 28.

Figura 28 - Laminado final: (a) de tecido de vidro (b) de tecido carbono.

Depois dos materiais prontos, curados e pós-curados, as placas (200×200mm) foram

marcadas para corte dos corpos de prova para ensaios mecânicos (Figura 29).

Figura 29 - Demarcação corpos de prova para ensaios.

(a) (b)

(c) (d)

(a) (b)

35


Os ensaios, as dimensões e procedimentos utilizados são listados a seguir.

3.2.3 Ensaios Mecânicos

A escolha adequada do uso das normas para realização dos testes mecânicos (módulo de

elasticidade na tração; resistência à tração; módulo de elasticidade na flexão; resistência à

flexão) e físico (densidade relativa) foi auxiliada pela norma ASTM D6856/6856M:

2003(2008), apropriada para compósitos fabricados em tecidos.

3.2.3.1 Ensaio de Tração

O ensaio de tração foi realizado seguindo as premissas e procedimentos de cálculo da

norma ASTM D39039/D3039M:2008. Os ensaios foram realizados em uma maquina de

ensaios universal SHIMADZU®

AG-X Plus (Figura 30), de capacidade de carga de 100KN,

com velocidade de 2mm/min.

Figura 30 - Máquina de ensaio SHIMADZU AG-X Plus.

A relação recomendada da largura de amostra para a largura da célula unitária é de 2:1

(D6856/6856M, 2008) , assegurando pelo menos duas células unitárias dentro a seção de

calibre da amostra no extensômetro (Figura 31). O comprimento útil utilizado foi estimado no

valor de 127 ± 2.0 mm, resultando em amostras com dimensões 127 × 15mm.

Figura 31 - Extensômetro fixado nos compósitos.

A temperatura de condicionamento e realização dos ensaios foi de 23 ± 1ºC com

umidade relativa controlada de 50 ± 10%.

36


Para os testes de tração foram fabricadas 2 placas de compósito (200×200mm) por

condição experimental investigada, sendo extraídos 5 amostras por placa para realização dos

ensaios. Por condição experimental, tomou-se o cuidado de fabricar as placas em períodos

distintos, possibilitando, com o auxílio da análise estatística (ANOVA), verificar a

homogeneidade do processo de fabricação dos materiais. Este procedimento foi realizado

também para com as demais experimentações.

3.2.3.2 Ensaio de Flexão

Os ensaios de flexão estática em três pontos foram realizados de acordo com as

premissas e métodos de cálculo da norma americana ASTM D790 (2010). A largura dos

corpos de prova estipulada pela referida norma é de 12,7mm. O comprimento das amostras é

dependente das espessuras obtidas, sendo estas últimas em média próximas e inferiores a

1,6mm, conferindo um comprimento de 50,8mm. A Figura 32 ilustra os corpos de prova

utilizados nos testes de flexão.

Figura 32 - Corpos de prova para os ensaios de flexão estática.

De acordo com a norma americana ASTM D790 (2010), a distância útil entre os apoios

do suporte para amostras com espessuras inferiores a 1,6mm deve ser de 25,40mm, sendo esta

a medida utilizada para realização dos testes de flexão.

Os ensaios de flexão, assim como os ensaios de tração, foram realizados na maquina de

ensaios universal SHIMADZU®

AG-X Plus. A Figura 33 exibe a base de apoio que permite a

realização do ensaio de flexão em 3 pontos.

Figura 33-Detalhes do ensaio de flexão.

37


Para os testes de flexão, assim como nos testes de tração, foram fabricadas 2 placas de

compósito (200×200mm) por condição experimental investigada, sendo extraídos 5 amostras

por placa para realização dos ensaios.

3.2.4 Densidade Aparente dos compósitos

A obtenção da densidade aparente ou relativa seguiu as premissas e procedimentos de

cálculo da norma ASTM D792:2008, sendo utilizada uma balança de precisão 0,001g e água

destilada sob condição de temperatura de 25ºC, medida no instante das análises com o auxilio

de um termômetro.

Para a determinação da densidade aparente, por painel e por condição experimental

investigada, foram extraídos 2 amostras. A norma faz considerações para valores de peso de

amostra entre 1 e 5 mg, sendo aceitáveis peso de ate 50g, não mencionando padrões ou

dimensões para os corpos de prova.

3.2.5 Análise termogravimétrica - TGA

O volume fracional de matriz na composição de um laminado pode ser obtido por meio

de digestão ou queima de matriz. O método de queima da matriz é aplicado a materiais

compósitos em que a fibra não sofra oxidação na temperatura necessária para que a matriz se

volatilize (GIOVEDI, MARINUCCI e ROUSE, 2004).

Nestes procedimentos, a partir da fração mássica de fibra obtida, do valor calculado da

fração mássica da matriz e das densidades da fibra, da matriz e do compósito previamente

determinadas, é possível calcular a fração volumétrica de reforço (fibra), matriz e vazios

presentes no compósito. A termogravimetria é uma técnica que permite avaliar a variação de

massa em função da temperatura ou do tempo sob condições de ambiente e de temperatura

controlada (BANDEIRA et al., 2012).

De acordo com Giovedi, Marinucci e Rouse (2004), reportam que os ensaios

termogravimétricos em micro balança e em forno com atmosfera controlada foram os que

apresentaram os melhores resultados para determinação das frações volumétricas das fases

presentes. Além do mais, a termogravimetria também apresenta as vantagens de necessitar de

tempo reduzido para a realização dos ensaios, menor quantidade de reagentes e menos

resíduo, comprovando assim a sua potencialidade na caracterização de materiais compósitos.

Para o presente estudo, utilizou-se um DTG-60H Simultaneous DTA - TG

SHIMADZU®

. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Análises Térmicas (LATES)

do Departamento de Ciências Naturais (DCNAT) da Universidade Federal de São João del-

38


Rei. As amostras foram aquecidas a uma taxa de aquecimento de 10°C/min (GIOVEDI,

MARINUCCI e ROUSE, 2004; LÓPEZ et al. , 2012; BANDEIRA et al., 2012) sob um fluxo

de atmosfera constante de nitrogênio, da mesma forma utilizada por Giovedi , Marinucci e

Rouse (2004) e Bandeira et al., (2012). Os tamanhos e pesos das amostras foram estipulados

de acordo com as especificações de peso máximo da capacidade da termobalança utilizada.

3.2.6 Espectroscopia IVTF

A análise de IVTF (Infravermelho por transformada de Fourier) foi realizada em um

espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier da marca Perkin Elmer modelo

Spectrum GX, sendo registrados espectros na região de 4000 a 400cm-1

, utilizando resolução

de 4cm-1

e acúmulo de 32 espectros. As amostras foram preparadas com a utilização de KBr

(Brometo de potássio) e conformadas com auxílio de uma prensa hidráulica com o uso de 10

toneladas de pressão de compactação

3.2.7 Análise de Microscopia Eletrônica – MEV e MET

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi utilizada na avaliação das superfícies

de fratura de corpos de prova dos compósitos laminados em fibras de vidro e carbono e nas

amostras de polímero com adição de micropartículas de SiO2 para estimativa da dispersão das

mesma na matriz epóxi. Para tanto utilizou-se um aparelho MEV de bancada Hitachi

Analytical TableTop Microscope TM3000 com aceleração de voltagem variável - 5kV e

15kV.

Já a microscopia eletrônica de transmissão (MET), foi realizada no centro de

microscopia da UFMG, com a utilização de um microscópio Tecnai 12 D1037 BioTwin High

tension 80 Wehnelt, devido à alta resolução de visualização, para avaliar a distribuição e

verificar a presença de aglomerados das nanopartículas de SiO2 na matriz epóxi,

possibilitando julgar a eficiência do tratamento de dispersão das partículas aqui utilizado.

39

Resultados e Discussões

Tabela

CAPÍTULO 4

RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Densidade Aparente

A Tabela 4 apresenta os resultados referentes as estatísticas descritivas (média (Xm);

desvio padrão (DP); coeficiente de variação (CV) para a densidade aparente (ρap) dos

compósitos de fibra de vidro/carbono sem e com adição de micro e nanopartículas de sílica.

Tabela 4 - Densidade Aparente (g/cm3).

Condição

Tipo de Fibra

Vidro Carbono

Xm DP CV(%) Xm D CV(%)

Referência 1,8 0,029 1,64 1,42 0,015 1,05

Micro (%)

1 1,79 0,017 0,96 1,42 0,005 0,35

2 1,79 0,015 0,84 1,41 0,013 0,91

3,5 1,79 0,021 1,20 1,41 0,051 3,68

Nano (%)

1 1.77 0,014 0,79 1,39 0,013 0,92

2 1,77 0,0129 0,73 1,38 0,006 0,42

3,5 1,75 0,0130 0,74 1,38 0,021 1,51

As densidades dos materiais fabricados estão próximas dos valores apresentados por

Chawla (1987) e Gay, Hoa e Tsai, (2003).

Para avaliação das possíveis diferenças na densidade causadas pela inclusão de

partículas de sílica nos compostos foram investigados doze grupos, formados pela

combinação das frações de partículas (0%; 1%; 2%; 3,5%), tipo de fibra (vidro e carbono) e

tamanho das partículas (micro; nano). Para cada grupo realizou-se a ANOVA, e constatada

significância (P-valor inferior a 0,05-5%) dos níveis investigados sobre o fator avaliado

utilizou-se na sequência o teste de comparação de Tukey (Tabela 5). Ressalta-se que os

quesitos para validação da ANOVA (homogeneidade, normalidade e independência dos

resíduos) e do teste de Tukey (equivalência entre variâncias) foram verificados, utilizando-se

40


para tanto os gráficos de resíduo e do teste de hipótese para equivalência entre variâncias

(teste t) respectivamente.

Tabela 5 - Agrupamento fornecido pelo teste Tukey para a densidade aparente.

Grupos Tipo de Fibra

Referência ×

Vidro Carbono

Micro

1% A/A A/A

2% A/A A/A

3,5% A/A A/A

Nano

1% A/B A/B

2% A/B A/B

3,5% A/B A/B

As condições com incorporação de nanopartículas apresentaram uma pequena redução

na densidade dos compósitos (Tabela 5), assim como constatado no trabalho de Yusriah,

Mariatti e Bakar (2010), que consideram ser a redução de densidade aparente do material de

tecido em fibra de vidro promovida pela inserção de partículas de microesferas fenólicas ocas

(PHMS) com densidade de 0,23 g/cm3 (inferior ao da própria fibra). Logo a tendência da

redução pode ser explicada pela introdução de preenchimento de vazios internos por

nanopartículas com densidade aparente (0,011 g/cm3) inferior à densidade da própria resina

(1,13 g/cm3) e ou das fibras de vidro (2,5 g/cm

3) e carbono (1,77 g/cm

3).

4.2 Determinação das Frações Volumétricas dos Compósitos por TGA

Na seção 3.2.5 argumentou-se sobre a decisão de utilização do método TGA em

detrimento aos demais métodos existentes para determinação de frações volumétricas de fibra

em um compósito laminado após eliminação dos excessos indesejáveis de fase matriz e

devidamente curado. Para tal avaliação, algumas equações são utilizadas para se quantificar

os montantes fracionais de fibras, uma vez que os valores obtidos do TGA se referem somente

a perda de massa em relação a variação de temperatura.

A Figura 34 ilustra as curvas tendência de variação de massa das amostras dos

compósitos poliméricos de vidro e carbono em função da temperatura. As curvas obtidas

revelaram uma perda de massa com patamar que pode ser definido entre 300oC e 450

oC,

intervalo correspondente à eliminação da matriz polimérica de resina epóxi (GIOVEDI,

MARINUCCI e ROUSE, 2004; BANDEIRA et al., 2012; LÓPEZ et al. 2012). Ressalta-se

41


que a porcentagem de peso obtida dos gráficos é referente ao material polimérico (resina), que

se degrada bem antes das fibras.

Figura 34 – Curvas análise TGA: (a) Laminados de vidro (b) Laminados de carbono.

A partir da massa de fibra obtida das análises de TGA, a fração volumétrica de fibra

pôde ser obtida de acordo com as Equação 5, sendo Vf o volume de fibra, Ma a massa da

amostra e Mf a massa de fibra da analise TGA (BANDEIRA et al., 2012).

f cf

a f

MV 100

M

(5)

De acordo com Wu et al. (2008), o material não oxidado representa o material de

reforço, contudo, as amostras híbridas aqui fabricadas apresentam valores restantes de massa

que correspondem ao somatório das fibras e partículas (Mf), logo: Mf = mf + mp (mf - massa de

fibra; mp - massa de partícula). A massa de partícula (mp) pode ser obtida pela relação de

porcentagem em peso de matriz (Equação 6), sendo p corresponde a porcentagem de

partículas (1%, 2% e 3,5%) usadas em fração mássica de resina e mr obtida diretamente do

gráfico.

p rm m p (6)

Sabendo-se que o valor de massa restante da analise TGA (𝑀𝑓) é resultado do

somatório de massa de fibra e de partículas, a massa total fica então determinada pela

Equação 7.

f f pM m m

f f rM m m p

f f rm M m p (7)

(a) (b)

42


O valor final da fração volumétrica de fibras foi determinado com o uso da Equação 8,

sendo considerados os valores de densidades das fibras de vidro e carbono (2,5 g/cm3 e 1,77

g/cm3) obtidos da literatura. As densidades dos compósitos foram obtidas por meio de ensaios

físicos de densidade seguindo norma standard ASTM D792.

100f r c

f

a f

M m pV

M

(8)

As estatísticas descritivas referentes aos resultados da análise termogravimétrica dos

laminados em fibras de vidro e carbono são apresentadas Tabela 6 respectivamente, sendo

utilizadas sete amostras por tipo de fibra.

Tabela 6 - Resultados da curva de TGA para os compósitos laminados.

Fração volumétrica de fibra (%)

Estatísticas Fibra de vidro Fibra de carbono

Xm 55,43 60,06

DP 1,15 1,19

CV(%) 2,07 1,98

Determinar as frações volumétricas dos laminados podem fornecer informações

triviais do comportamento mecânico dos mesmos. Eliminar material de baixa resistência, no

caso a fase matriz, pode configurar em um material compósito final de melhor resistência

mecânica, isto é, respeitando os limites entre as fases. De acordo com Joseph (1999) existe

uma relação mínima e máxima entre matriz e reforço que afeta significativamente as

propriedades dos compósitos. Aumentado da proporção do reforço se promove o aumento das

propriedades mecânicas, embora a alto valor de carregamento de reforço pode vir a favorecer

aglomeração de fibras promovendo uma baixa dispersão da matriz.

Sabe-se que em um compósito laminado polimérico de fibra de carbono, uma relação

entre 50% e 65% de volume de fibra pode ser considerada ideal. Dessa forma foi demonstrado

que o processo de fabricação se mostrou efetivo. A literatura demonstra resultados de

laminados de fibra de vidro compactados que chegam a porcentagens volumétricas de fibras

de 45% (TSAI e CHENG, 2009). Os altos teores de fibra de vidro (55%), superiores aos

considerados elevados (50%) no trabalho de Wichmann et al. (2006), mostraram efeitos

negativos quando se relacionado a região de interface. As determinações das frações

volumétricas de fibras nos laminados deram suporte para esclarecimento das condições de

interface dos laminados em regime de flexão.

43


4.3 Dispersão das Partículas de Micro e Nano Sílica - Microscopia MEV e MET

A Figura 35 ilustra a foto obtida do MEV para uma amostra em epóxi contendo 3,5%

micropartícula (entre 45 e 37 µm) após processo de cura do período de sete dias.

Figura 35 - Foto da MEV: 3,5% de Micropartículas de na resina epóxi.

A ligação da superfície das partículas de sílica é comparável ao seu tamanho. Logo,

quanto maior o tamanho das partículas, maior é a distancia de ligação, contribuindo por

facilitar a sua dispersão (SEEKKUARACHCHI, TANAKA e KUMAZAWA, 2008).

Entretanto, a energia de superfície das nanopartículas é elevada tornando a distância da

superfície muito pequenas, o que dificulta a sua dispersão (Figura 36). Uma simples agitação

não foi suficiente para dispersar os estados agregados (SEEKKUARACHCHI, TANAKA e

KUMAZAWA, 2008). A Figura 36 apresenta a imagem de MET do material polimérico

reforçado com 2% de nano SiO2 sem (a) e com (b) o tratamento para dispersão (PDDA)

respectivamente.

Figura 36 - Análise via MET: (a) Sem tratamento (b) Com tratamento.

(a) (b)

44


A Figura 37 ilustra os efeitos da alta área superficial que as nanopartículas promovem

na matriz polimérica.

Figura 37 - Influencia da área superficial de nanopartículas em matriz epóxi – microscopia

MET.

Um dos principais motivos do melhor incremento em propriedades mecânicas dos

compósitos reforçados por nanopartículas em detrimento aos de micro se evidencia

relacionando à alta área superficial das nanopartículas. Em uma pequena porção de material

matriz (Figura 37) pode-se notar um grande revestimento de partículas.

4.4 Análise de Infravermelho por Transformada de Fourier (IVTF)

A validação da presença de nano SiO2 funcionalizadas se dá por intermédio da IVTF. A

Figura 38 apresenta os resultados obtidos desta análise com os picos característicos

correspondentes às partículas de SiO2 e PDDA.

Figura 38 - FTIR para SiO2 funcionalizas com PDDA.

As partículas de sílica são evidenciadas pelos picos nas regiões de vibração entre 1250 e

1000 cm-1

(PENG et al., 2007). O pico observado próximo de aproximadamente 3500 cm-1

45


corresponde ao grupo de vibração OH, grupo do H2O contendo a molécula PDDA (MANOJ,

KUMAR e SANTHANALAKSHMI, 2012). A frequência de vibração de grupos C=C pode

ser observada em uma região entre 1500 e 1750. A vibração nessa faixa corresponde às

bandas características de PDDA (LIU et al., 2010).

A presença de grupos OH evidencia a interação do polímero PDDA com as moléculas

de oxigênio das partículas de SiO2. De forma análoga aos silanos, o PDDA promoveu um

aumento na distância entre os grupos Si-OH na superfície das partículas de sílica, levando a

uma diminuição da atividade de ligação de superfície, facilitando a dispersão em resina

(SEEKKUARACHCHI, TANAKA e KUMAZAWA, 2008).

4.5 Ensaios de Flexão em Três Pontos

4.5.1 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Vidro

A Tabela 7 apresenta as estatísticas descritivas referentes ao módulo de elasticidade

(MOEf) e resistência à flexão (MORf) dos materiais fabricados com fibra de vidro e resina

reforçada com micro e nanopartículas de sílica.

Tabela 7- Resultados dos ensaios de flexão para os compostos fabricados com fibra de vidro e resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica.

MOEf (MPa) MORf (MPa)

Xm DP CV(%) Xm DP CV(%)

Micro

1% 19698,0 566,96 2,88 372,00 20,82 5,60

1%-Rp 20918,3 494,88 2,37 362,7 27,3 7,54

2% 19832,2 1416,80 7,14 376,26 19,68 5,23

2%-Rp 20697,0 862,99 4,17 382,5 23,1 6,03

3,5% 22325,1 1221,32 5,47 279,09 18,28 6,55

3,5%-Rp 22593,1 367,919 1,63 298,35 9,97 3,34

Nano

1% 21105,5 876,355 4,15 346,5 22,5 6,50

1%- Rp 21258,7 722,225 3,40 360,86 16,79 4,65

2% 22664,3 406,299 1,79 212,91 9,10 4,27

2%- Rp 23028,7 480,706 2,09 223,01 11,71 5,25

3,5% 21618,2 1031,72 4,77 264,3 27,6 10,45

3,5%-Rp 21632,2 1260,48 5,83 283,7 36,3 12,78

46


Módulo de elasticidade na flexão:

Os valores médios dos módulos de elasticidade dos materiais fabricados variaram entre

19698,0 MPa a 23028,7 MPa. A Tabela 8 apresenta os resultados dos P-valores e o respectivo

coeficiente de determinação ajustado R2 (Adj.) da ANOVA referente aos fatores individuais

(dimensão e proporção de partículas de sílica) e interação entre ambos sobre o módulo de

elasticidade na flexão (MOEf), encontrando-se sublinhados os P-valores menores que 0,05

(5%), considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95%.

Tabela 8 - Resultados da ANOVA para o MOEf (fibra de vidro).

Fatores Experimentais P-valor

Dimensão da Partícula 0,000

Porcentagem de Particulas 0,000

Dimensão da Partícula*Porcentagem de partículas 0,000

R² (Adj.) 67,14%

A Figura 39 ilustra o gráfico de normalidade dos resíduos da ANOVA (Anderson-

Darling) sobre o MOEf, comprovando normalidade dos resíduos por apresentar P-valor

superior a 0,05.

200010000-1000-2000

99,9

99

95

90

80706050403020

10

5

1

0,1

Módulo de Elasticidade

Po

rcen

tag

em

Mean -6,66963E-13

StDev 671,1

N 60

AD 0,341

P-Value 0,485

Figura 39 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOEf (fibra de vidro).

Assim como discutido para a densidade aparente, todos os quesitos para validação da

ANOVA e do teste de comparação de Tukey foram atendidos também para o MOEf dos

compostos, sendo apresentado apenas gráfico de normalidade dos resíduos. Este

procedimento se repetiu para todas as demais variáveis respostas investigadas neste trabalho.

Os efeitos de interação entre os fatores de um planejamento estatístico, quando

considerados significativos, se mostram mais importantes que os fatores individuais por

melhor explicar o comportamento da variável-resposta em análise, sendo investigados apenas

47


os fatores individuais significativos quando a interação for considerada não significativa

(DRUMOND et al. 1993).

A Figura 40 ilustra o gráfico de interação entre os fatores sobre o MOEf dos

compostos fabricados com resina, fibras de vidro e partículas de sílica. Os gráficos de

interações são usados para visualização do efeito de interação de dois ou mais fatores

experimentais sobre a variável-resposta, permitindo comparar a significância relativa entre os

efeitos (WERKEMA E AGUIAR, 1996). Os gráficos de interação, quando acusado

significativo o fator pela ANOVA, foram utilizados em todas as demais variáveis-resposta

investigadas neste trabalho.

3,5%2%1%

23000

22500

22000

21500

21000

20500

20000

Proporção de Partícula (%)

Méd

ia M

OE

Micro

Nano

Partícula

Dimensão

Figura 40 - Gráfico de interação para o MOEf (fibra de vidro).

Observa-se um incremento do valor do módulo de elasticidade na flexão se comparado

as respectivas dimensões de partículas (micro; nano). Com o intuito de verificar a influência

do emprego das partículas em escala micro e nano nos compostos, foram fixados os níveis do

fator proporção de partículas e utilizado o teste de agrupamento de Tukey em cada nível deste

último fator. Os resultados revelaram (Tabela 9) que o uso das nanopartículas de sílica nas

proporções 1% e 2% forneceram valores de MOEf superiores (agrupamento A) a MOEf dos

materiais feitos com micropartículas de sílica (agrupamento B) e nestas mesmas proporções,

sendo equivalentes entre as partículas micro e nano para a fração de 3,5% (mesmo

agrupamento).

48


Tabela 9 - Agrupamentos por Tukey para o MOEf dos compostos de fibras de vidro.

Média Agrupamento

1% Micro 20308,1 B

Nano 21182,1 A

2% Micro 20264,6 B

Nano 22846,5 A

3,5% Micro 22459,1 A

Nano 21625,2 A

O teste de Tukey foi utilizado novamente com o intuito de verificar as diferenças do uso

de 1% e 2% e logo seguida entre 2% e 3,5% de nanopartículas (dimensão que forneceu os

melhores valores para o MOEf) (Tabela 9), possibilitando identificar o melhor reforço

particulado para ganho de módulo de elasticidade na flexão (Tabela 10), sendo este os

fabricados com 2% de nanopartículas, por se apresentarem como melhor entre os três maiores.

Tabela 10 - Agrupamento por Tukey para o MOEf dos compostos fabricados com 2% e 3,5%

e ou 1% e 2% de partículas nano sílica (fibra de vidro).

Média Agrupamento Média Agrupamento

2% Nano 22846,5 A 2% Nano 22846,5 A

1% Nano 21182,1 B 3,5% Nano 21625,2 B

Módulo de resistência ou resistência à flexão:

Os valores dos módulos de resistência à flexão dos compostos (MOR) variaram de

212,91 MPa a 372,00 MPa. A Tabela 11 apresenta os resultados da análise de variância

(ANOVA) para média da variável resposta resistência, encontrando-se sublinhado os P-

valores menores ou igual a 0,05, considerados significativos a um nível de 95% de

significância.

Tabela 11 - Resultado da análise de Variância para o MORf (fibra de vidro).


Dimensão Partícula 0,000

Porcentagem de Particula 0,000

Dimensão da Partícula * Porcentagem de partícula 0,000

R² (Adjunto) 88,80%

49


A Figura 41 apresenta o gráfico de normalidade de Anderson-Darling para os resíduos

da ANOVA sobre o módulo ou resistência à flexão, comprovando ser normal a distribuição

dos resíduos pelo P-valor encontrado ser superior a 0,05.

50250-25-50-75

99,9

99

9590

80706050403020

105

1

0,1

Módulo de Resistência a Flexão

Po

rcen

tag

em

Mean -7,10543E-15

StDev 20,76

N 60

AD 0,518

P-Value 0,182

Figura 41 - Gráfico de normalidade dos resíduos para MORf (Fibra de vidro).

A Figura 42 exibe o gráfico de interação dos fatores sobre o MORf dos compostos

fabricados.

3,5%2%1%

400

350

300

250

200

Proporção de Particula (%)

Méd

ia M

OR

Micro

Nano

Dimensão

Figura 42 - Gráfico de interação para o MORf (fibra de vidro).

O gráfico da Figura 42 apresenta tendências de redução dos valores do MORf para

aumentos sucessivos das proporções de partículas com as duas dimensões. Uma correta

afirmação pode ser melhor explicada pelo teste Tukey (Tabela 12). De acordo com os

resultados, a diferença nas proporções ocorreu apenas nos materiais fabricados com 2% micro

e nanopartículas de sílica.

50


Tabela 12 - Agrupamentos por Tukey para o MORf dos compostos de fibras de vidro.

Média Agrupamento

1% Micro 365,16 A

Nano 353,38 A

2% Micro 378,29 A

Nano 216,30 B

3,5% Micro 286,34 A

Nano 269,68 A

De maneira a confirmar a melhor condição experimental para o MORf dos materiais

fabricados com fibras de vidro, foi-se utilizado novamente o teste de Tukey para os materiais

feitos com 1% e 2% de micropartículas de sílica (Tabela 13), resultando na equivalência entre

ambos. Os materiais foram também equivalentes para a proporção e 1% e 3,5% de partículas

entre nano e micropartículas, e mostrou diferença significativa de 42,82% dos materiais feitos

com 2% de nanopartículas para os fabricados com 2% de micropartículas (menores

resultados). Com a comparação dos dois maiores resultados para com o terceiro maior,

constata-se que as melhores condições (equivalentes) são providas dos materiais feitos com

1% e 2% de micropartículas de sílica.

Tabela 13 - Agrupamento Tukey (MORf): compostos fabricados com micropartículas de sílica

(fibra de vidro).

Média Ag. Média Ag. Média Ag.

1% 378,29 A 1% 378,29 A 2% 365,16 A

2% 365,16 A 3,5% 286,34 B 3,5% 286,34 B

A Figura 43 ilustra o gráfico de regressão linear entre o módulo de elasticidade e a

resistência à flexão dos compostos fabricados das seis condições experimentais investigadas

para a fibra de vidro, fornecendo um valor de R2 (Adj.) de 81%, indicando ser válida a relação

linear entre MOEf e MORf.

51


2300

0

2250

0

2200

0

2150

0

2100

0

2050

0

2000

0

400

350

300

250

200

MOE - Flexão

MO

R -

Fle

xã

o

S 27,9175

R-Sq 84,8%

R-Sq(adj) 81,0%

Figura 43 - Regressão linear entre o MOEf e o MORf (fibras de vidro).

Chung (1994) afirma que as propriedades de resistência do material na flexão possuem

relação direta com a região de interface. Com uma região de interface fraca, a transferência de

carga entre matriz e fibra é reduzida, limitando a resistência à flexão do material apenas pela

fase matriz. A matriz flete e como a tenacidade da fibra é maior, a fibra absorve mais energia

(VENTURA, 2009) e o material sofre a falha quando a matriz chega ao seu limite. Por outro

ponto de vista, quando a matriz tem o seu valor de rigidez muito grande, a fratura é propagada

em um único ponto ao invés de ser propagada ao longo de toda extensão da fibra

(WICHMANN et al., 2006).

Wichmann et al. (2006) chegaram a conclusão que com o aumento da porcentagem

volumétrica de fibras de vidro (variação de 30% a 54%) e adição de reforço particulado, a

região de interface foi prejudica, limitando a transferência de cargas da matriz para fibra,

contribuindo por respaldar os resultados obtidos para os materiais fabricados com fibras de

vidro. Além do mais ficou discutido em seu trabalho redução à resistência ao cisalhamento

interlaminar, assim como no trabalho de Zheng, Ning e Zheng (2005).

Zheng, Ning e Zheng (2005) defende a teoria de que quando submetidos a cargas de

flexão, o material fica submetido a forças envolvendo tensões de cisalhamento no local de

compressão de laminado. Cao e Cameron (2006a) argumentam que o ganho em resistência à

flexão e devido ao aumento de tensões cisalhantes no laminado, pois esses dividem as tensões

por toda superfície das fibras, justificando incremento de força. Logo a perda da resistência à

flexão provavelmente é devido a uma redução das forças de cisalhamento promovidas pelo

baixo conteúdo de matriz no laminado, para fibras de vidro.

A Figura 44 mostra a análise de MEV de laminados de fibra de vidro com adição de 2%

de nanopartículas de sílica (maior módulo de elasticidade e menor resistência à flexão), sendo

52


notadas grandes regiões de escorregamentos (pull-out), demonstrando os efeitos da baixa

adesão entre fibra e matriz devido ao enfraquecimento da região de interface.

Figura 44 - Regiões de pull-out: (a) resolução de 500µm (b) resolução de 100 µm

4.5.2 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Carbono


(MOEf) e resistência á flexão (MORf) dos materiais fabricados com fibra de carbono e resina


Tabela 14 - Resultados dos ensaios de flexão para os compostos fabricados com fibra de

carbono e resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica.

MOEf (MPa) MORf (MPa)


Micro

1% 51148,7 1018,74 1,99 578,11 43,18 7,5

1%-Rp 51740,5 574,429 1,11 556,83 27,18 4,9

2% 45660,4 330,814 0,72 527,143 19,14 3,6

2%-Rp 46783,1 647,039 1,38 531,79 29,03 5,5

3,5% 47494,0 198,671 0,42 559,67 28,38 5,1

3,5%-Rp 48552,3 236,620 0,49 543,66 30,33 5,6

Nano

1% 53280,5 724,073 1,36 589,91 25,95 4,4

1% - r 53984,4 775,940 1,44 600,52 29,932 4,9

2% 61946,7 503,368 0,82 610,59 14,22 2,3

2% - r 60105,1 639,641 1,06 599,398 10,47 1,7

3,5% 49358,2 463,620 0,94 556,067 44,08 7,9

3,5% - r 51213,7 854,897 1,67 547,067 28,34 5,2

(a) (b)

53


Módulo de Elasticidade na Flexão:

Os valores médios dos módulos de elasticidade dos materiais fabricados variaram entre

45660,4 MPa a 61946,7 MPa. A Tabela 15 apresenta os resultados dos P-valores e o

respectivo coeficiente de determinação ajustado R2 (Adj.) da ANOVA referente aos fatores

individuais (dimensão e proporção de partículas de sílica) e interação entre ambos para o

módulo de elasticidade na flexão (MOEf), encontrando-se sublinhados os P-valores menores

que 0,05 (5%), considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95%.

Tabela 15 - Resultados da análise da ANOVA para o MOEf (fibra de carbono).






A Figura 45 apresenta o gráficos de normalidade dos resíduos da ANOVA em relação

ao MOEf, comprovando normalidade nas distribuições dos resíduos pelos P-valores

encontrados serem ambos superiores a 0,05, auxiliando por validar o modelo da ANOVA.

3000

2000

10000

-100

0

-2000

-300

0

99,9

99

9590

80706050403020

105

1

0,1


Po

rcen

tag

em

Mean -3,63798E-12

StDev 859,4

N 60

AD 0,349

P-Value 0,465

Figura 45 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOEf (fibra de carbono).

A Tabela 14, mostra a interação entre os dois fatores significativos para as propriedades

do MOEf dos compostos. A Figura 46 ilustra o gráfico de interação dos fatores principais

sobre o MOEf.

54


3,5%2%1%

62500

60000

57500

55000

52500

50000

47500

45000

Proporção de partícula (%)

Méd

ia M

OE

Micro

Nano

Dimensão

Figura 46 - Gráfico de interação para o MOEf (fibra de carbono).

Com o intuito de verificar a influência do emprego das partículas em escala micro e

nano nos compostos, foram fixados os níveis do fator proporção de partículas e utilizado o

teste de agrupamento de Tukey em cada nível deste último fator. Os resultados revelaram

(Tabela 16) que o uso das nanopartículas de sílica nas proporções 1% e 2% forneceram

valores de MOEf superiores a MOEf dos materiais feitos com micropartículas de sílica e

nestas mesmas proporções, sendo equivalentes os resultados entre do módulo de elasticidade

na flexão entre as partículas micro e nano para 3,5%.

Tabela 16 - Agrupamentos por Tukey para o MOEf dos compostos de fibras de carbono.

Média Agrupamento

1% Micro 51444,6 B

Nano 53632,6 A

2% Micro 46221,8 B

Nano 61025,9 A

3,5% Micro 48023,1 B

Nano 50285,9 A

Módulo de resistência ou resistência à flexão:

Os valores dos módulos de resistência à flexão dos compostos (MORf) variaram de




significância.

55


Tabela 17 - Resultado da análise de Variância para o MORf (fibra de carbono).






A Figura 47 apresenta o gráfico de normalidade dos resíduos e o P-valor encontrado de

0,165, comprovando ser normal a distribuição dos resíduos da ANOVA.

100500-50-100

99,9

99

9590

80706050403020

105

1

0,1

Módulo de Resistência

Po

rcen

tag

em

Mean 2,936910E-14

StDev 25,61

N 60

AD 0,534

P-Value 0,165

Figura 47 - Gráfico de normalidade dos resíduos para MORf (fibra de carbono).

A Figura 48 ilustra o gráfico de interação dos fatores principais sobre o MORf dos

compostos fabricados com fibras de carbono.

3,5%2%1%

610

600

590

580

570

560

550

540

530

520

Proporção de partícula

Méd

ia M

OR

Micro

Nano

Dimensão

Figura 48 - Gráfico de efeitos principais sobre o MORf (fibra de carbono).

A Tabela 18 apresenta os resultados do teste de Tukey para o fator dimensão da

partícula, constatando diferenças significativas do MORf entre as proporções de 1% e 2%

(micro; nano) e equivalência para 3,5% de partículas.

56


Tabela 18 - Agrupamentos por Tukey para o MORf dos compostos de fibras de carbono.

Média Agrupamento

1% Micro 567,47 B

Nano 595,21 A

2% Micro 529,47 B

Nano 604,99 A

3,5% Micro 551,67 A

Nano 551,57 A

A Tabela 19 apresenta os resultados do teste de Tukey entre as proporções de 1% e 2%

de nano sílica, constatando serem equivalentes no MOR f. Por serem também os compostos

com 1% de partículas de nano sílica superiores aos fabricados com 1% de micro (Tabela 14),

constata-se que os materiais elaborados com 1% ou 2% de nanopartículas de sílica

apresentaram os melhores resultados para MORf.

Tabela 19 - Agrupamento por Tukey para o MORf dos compostos fabricados com 1% e

2% de nanopartículas de sílica (fibra de carbono).

Média Agrupamento

Nano 1% 595,21 A

2% 604,99 A

A Figura 49 ilustra o gráfico de regressão linear entre o módulo de elasticidade e a

resistência à flexão dos compostos fabricados das seis condições experimentais investigadas

para a fibra de carbono, apresentando um valor de R2 (Adj.) de 81,80% (validade da relação

linear entre MOEf e MORf) e um comportamento contrário ao obtido nos compostos

elaborados em fibras de vidro.

57


6250

0

60000

5750

0

5500

0

52500

5000

0

47500

4500

0

620610600590580570560550540530

MOE - Flexão

MO

R -

Fle

xã

o

S 12,2513

R-Sq 85,4%

R-Sq(adj) 81,8%

Figura 49 - Regressão linear entre o MOEf e o MORf (fibras de carbono).

Anteriormente foi discutida a influência da baixa região de interface do material com a

transferência de cargas matriz/fibra (CHUNG, 1994). Enquanto as fibras de vidro

apresentaram uma redução da região de interface pelo aumento da fração volumétrica de

fibras, as fibras de carbono existiu comportamento oposto. A Figura 50(a) e (b) mostra a

região de fratura dos laminados que é praticamente ausente de escorregamentos ou pull-outs.

Fibra e matriz se rompem na mesma região, comprovando a alta relação de adesão.

Figura 50 - Fratura de laminado em carbono: (a) referencia (b) com 2% nanoparticulas.

Além da boa relação adesão matriz/fibra cabe ainda mencionar que o reforço

particulado aumenta o atrito entre as fibras (MANJUNATHA, 2008) atribuindo um papel

importante no transporte de cargas, respaldando os incremento no MOR do laminado assim

como observado por Zhou et al. (2007).

Zheng, Ning e Zheng (2005) mencionam que o ganho em propriedades mecânicas de

flexão podem ser atribuídos ao ganho em propriedades de tração e compressão. Aumentos

dessas propriedades podem justificar ganho em MOE do material. Uma correlação entre o

MOE e MOR de tração sob condições de região de interface não pode ser estabelecida, pois

(a) (b)

58


de acordo com Chung (1994) e Fu et al. (2008), a tração é totalmente indiferente à influencia

da região de interface. A seguir são apresentados os resultados dos ensaios de tração uniaxial

para complementar essa teoria.

4.6 Ensaio de Tração Uniaxial

4.6.1 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Vidro


(MOEt) e resistência à tração (MORt) dos materiais fabricados com fibra de vidro e resina


Tabela 20 - Resultados dos ensaios de tração para os compostos fabricados com fibra de vidro

e resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica.

MOEt (MPa) MORt (MPa)


Micro

1% 20216,0 1196,14 5,92 289,169 21,253 7,35

1%-Rp 21703,9 796,108 3,67 275,341 16,023 5,82

2% 20798,7 935,935 4,50 197,877 2,934 1,49

2%-Rp 20881,3 645,95 3,09 204,839 6,256 3,05

3,5% 21146,1 526,305 2,60 160,743 4,862 3,03

3,5%-Rp 20253,7 933,513 4,39 153,221 7,144 4,66

Nano

1% 22182,6 734,216 3,31 409,581 18,159 4,43

1%-Rp 22570,5 710,508 3,18 376,902 21,80 5,78

2% 22420,6 440,778 1,95 428,521 8,620 2,01

2%-Rp 22342,2 546,025 2,44 401,198 17,937 4,47

3,5% 20891,6 1158,06 5,54 385,484 11,484 2,98

3,5%-Rp 20022,3 648,241 3,24 374,137 16,193 4,33

Módulo de Elasticidade na Tração:

Os valores médios dos módulos de elasticidade na tração dos materiais fabricados

variaram entre 20022,3 MPa a 22570,5 MPa. A Tabela 21 apresenta os resultados dos P-

valores e o respectivo coeficiente de determinação ajustado R2 (Adj.) da ANOVA referente

aos fatores individuais (dimensão e proporção de partículas de sílica) e interação entre ambos

para o módulo de elasticidade na tração (MOEt), encontrando-se sublinhados os P-valores

menores que 0,05 (5%), considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95%.

59


Tabela 21 - Resultados da análise da ANOVA para o MOEt (fibra de vidro).





R² (Adj.) 60,22%


Darling) sobre o MOEt, comprovando normalidade para os resíduos por apresentar P-valor

superior a 0,05.

200010000-1000-2000

99,9

99

9590

80706050403020

105

1

0,1


Po

rcen

tag

em

Mean 1,818989E-13

StDev 682,4

N 60

AD 0,600

P-Value 0,114

Figura 51 - Gráfico de normalidade para o MOEt (Fibra de Vidro)

A Figura 52 ilustra o gráfico de interação entre os fatores sobre o MOEt dos compostos

fabricados com resina, fibras de vidro e partículas de sílica.

3,5%2%1%

22500

22000

21500

21000

20500

Proporção de Partícula

Méd

ia M

OE

Micro

Nano

Dimensão

Figura 52 - Gráfico de interação para o MOEt (fibra de vidro).

Da Figura 52, nota-se um aumento do MOEt dos materiais com a inclusão de 1% e 2%

de nano sílica em relação a micro sílica para as mesmas proporções, aparentando serem

60


equivalentes para a proporção de 3,5% micro e nano. Com o intuito de investigar a influência

da inclusão de micro nanopartículas nos materiais utilizou-se o teste de agrupamento de

Tukey, cujos resultados são apresentados na Tabela 22.

Tabela 22 - Agrupamentos por Tukey para o MOEt dos compostos de fibras de vidro.

Média Agrupamento

1% Micro 21000,4 B

Nano 22251,5 A

2% Micro 20840,0 B

Nano 22456,3 A

3,5% Micro 20432,9 A

Nano 20335,1 A

Os resultados do MOEt se apresentaram semelhantes ao módulo de elasticidade na

flexão dos compostos fabricados com fibras de vidro, exibindo diferenças significativas entre

as proporções e 1 e 2%, com 2% de nanopartículas configurando a melhor condição para o

MOEt, e sendo equivalentes pela inclusão de 3,5% de partículas.

O teste de Tukey foi utilizado para verificar as diferenças entre os MOE t dos materiais

fabricados com 1% e 2% de nanopartículas, sendo os resultados do agrupamento apresentados

na Tabela 23.

Tabela 23 - Agrupamento por Tukey para o MOEt dos compostos fabricados com 1% e 2% de

partículas nano sílica (fibra de vidro).

Média Agrupamento

1% Nano 22251,5 A

2% Nano 22456,3 A

A Tabela 24 apresenta os resultados do teste de Tukey das proporções de

micropartículas sobre o MOEt dos materiais, comprovando serem equivalentes. Isto implica

que o materiais fabricados com micropartículas apresentaram os mesmos resultados para esta

propriedade.

61


Tabela 24 - Agrupamento por Tukey para o MOEt dos compostos fabricados com 1%, 2% e

3,5% de micropartículas de sílica (fibra de vidro).

Média Agrupamento

1% Micro 21000,4 A

2% Micro 20840,0 A

3,5% Micro 20432,9 A

Módulo de Resistência ou Resistência à Tração:

Os valores dos módulos de resistência à tração dos compostos (MORt) variaram entre




significância.

Tabela 25 - Resultado da análise de Variância para o MORt (fibra de vidro).




Dimensão de Partícula * Porcentagem de partícula 0,000

R² (Adj.) 97,22%


Darling) sobre o MORt, comprovando normalidade para os resíduos por apresentar P-valor

superior a 0,05.

50250-25-50

99,9

99

9590

80706050403020

105

1

0,1

Módulo de Resistência Tração

Po

rcen

tag

em

Mean -2,84217E-14

StDev 16,10

N 60

AD 0,672

P-Value 0,075

Figura 53 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MORt (fibra de vidro).

62


A Figura 54 exibe o gráfico de interação entre os fatores para o MORt dos compostos

fabricados com fibras de vidro.

3,5%2%1%

450

400

350

300

250

200

150

Proporção de Partícula

Méd

ia M

OR

Micro

Nano

Dimensão

Figura 54 - Gráfico de interação para o MORt (fibra de vidro).

A Tabela 26 apresenta os resultados do agrupamento do teste de Tukey para

investigação do tamanho das partículas nas três proporções idealizadas.

Tabela 26 - Agrupamentos por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com

fibras de vidro.

Média Agrupamento

1% Micro 282,25 B

Nano 393,24 A

2% Micro 201,36 B

Nano 414,36 A

3,5% Micro 156,98 B

Nano 379,81 A

Com relação ao MORt, todas a porcentagens apresentaram ganhos significativos quando

da inclusão de nanopartículas à matriz polimérica. Dentre as nanopartículas, a que apresentou

os melhores resultados foi referente à condição com de 2% (Tabela 27).

Tabela 27 - Agrupamento por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com 1% e 2%, e

com 2% e 3,5% de partículas nano sílica (fibra de vidro).

Média Agrupamento

1% Nano-2% Nano 1% 393,24 B

2% 414,36 A

2% Nano-3,5% Nano 2% 414,36 A

3,5% 379,81 B

63


A Tabela 28 mostra o agrupamento para determinação do menor valor de MOR do

compósito.

Tabela 28 - Agrupamento por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com 2% e 3,5%

de partículas micro sílica (fibra de vidro).

Média Agrupamento

2% Micro-3,5% Micro 2% 201,36 A

3,5% 156,98 B

Assim como no MOEt dos materiais feitos com fibras de vidro, a melhor condição

obtida para o MORt pode ser atribuída ao tratamento com 2% nanopartículas, e os menores

valores desta propriedade foram provenientes dos materiais fabricados com 3,5% de

micropartículas de sílica.

4.6.2 Compósitos Híbridos de Tecido de Fibra de Carbono


(MOEt) e resistência à tração (MORt) dos materiais fabricados com fibra de carbono e resina


Tabela 29 - Resultados dos ensaios de tração para os compostos fabricados com fibra de

carbono e resina reforçada com micro e nanopartículas de sílica.

MOEt (MPa) MORt (MPa)


Micro

1% 54585,5 1431,51 2,62 646,48 13,84 2,14

1%-Rp 53472,5 917,615 1,71 635,88 10,08 1,59

2% 56240,3 788,23 1,40 601,02 11,95 1,99

2%-Rp 57323,9 808,20 1,41 580,02 42,61 7,34

3,5% 53742,7 572,87 1,07 621,14 11,38 1,83

3,5%-Rp 53870,8 505,074 0,94 618,76 19,70 3,18

Nano

1% 53927,4 652,77 1,21 738,19 31,65 4,29

1%-Rp 55652,2 605,611 1,09 711,65 25,14 3,53

2% 58430,6 743,44 1,27 720,62 16,39 2,27

2%-Rp 58587,0 1338,15 2,28 718,40 11,44 1,59

3,5% 55027,7 669,744 1,22 715,93 19,59 2,74

3,5%-Rp 55710,5 1145,45 2,06 719,99 16,52 2,29

64


Módulo de Elasticidade na Tração:

Os valores médios dos módulos de elasticidade na tração dos materiais fabricados

variaram entre 53472,5 MPa e 58587,0 MPa. A Tabela 30 apresenta os resultados dos P-

valores e o respectivo coeficiente de determinação ajustado R2 (Adj.) da ANOVA referente

aos fatores individuais (dimensão e proporção de partículas de sílica) e interação entre ambos

para o módulo de elasticidade na tração (MOEt), encontrando-se sublinhados os P-valores

menores que 0,05 (5%), considerados significativos a um nível de confiabilidade de 95%.

Tabela 30 - Resultados da análise da ANOVA para o MOEt (fibra de carbono).





R² (Adj.) 76,42%


Darling) sobre o MOEt, comprovando normalidade para os resíduos por apresentar P-valor

superior a 0,05.

3000

2000

10000

-100

0

-2000

-300

0

99,9

99

9590

80706050403020

105

1

0,1


Po

rcen

tag

em

Mean -1,94026E-12

StDev 897,8

N 60

AD 0,461

P-Value 0,251

Figura 55 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MOEt (fibra de carbono).

Apenas os fatores individuais foram significativo no MOEt dos materiais fabricados

com fibras de carbono. A Figura 56 ilustra os gráficos de efeitos principais dos fatores

considerados significativos sobre o MOEt dos compostos. Constata-se que os materiais

fabricados com 2% de nanopartículas de sílica apresentaram os melhores resultados para o

MOEt.

65


NanoMicro

58000

57000

56000

55000

54000

3,5%2%1%

Dimensão

Méd

ia

Proporção Partícula

Figura 56- Gráfico de efeitos principais sobre MOEt dos compostos (fibra de carbono).

Módulo de Resistência ou Resistência à Tração:

Os valores dos módulos de resistência à tração dos compostos (MORt) variaram entre

580,02 MPa e 738,19 MPa. A Tabela 31 apresenta os resultados da análise de variância



significância.

Tabela 31 - Resultado da análise de Variância para o MORt (fibra de carbono).





R² (Adj.) 92,16%


Darling) sobre o MORt, comprovando ser normal a distribuição dos resíduos pelo P-valor

obtido superar 0,05.

2,46%

5,95%

66


50250-25-50

99,9

99

9590

80706050403020

105

1

0,1

Módulo de Resistência

Po

rcen

tag

em

Mean -6,63173E-14

StDev 14,66

N 60

AD 0,630

P-Value 0,096

Figura 57 - Gráfico de normalidade dos resíduos para o MORt (fibra de carbono).

A Figura 58 exibe o gráfico de interação entre os fatores para o MORt dos compostos

fabricados com fibras de carbono.

3,5%2%1%

740

720

700

680

660

640

620

600

Proporção Partícula

Méd

ia M

OR

Micro

Nano

Dimensão

Figura 58 - Gráfico de interação para o MORt (fibra de carbono).

O Teste de Tukey (Tabela 32) revelou que a inclusão de nanopartículas apresentaram

vantagens sobre a inclusão de micropartículas no MORt dos materiais fabricados com fibras

de carbono para as três proporções avaliadas.

Tabela 32 - Agrupamentos por Tukey para o MOR t dos compostos fabricados com

fibras de carbono.

Média Agrupamento

1% Micro 641,18 B

Nano 729,92 A

2% Micro 595,52 B

Nano 719,51 A

3,5% Micro 619,95 B

Nano 717,96 A

17,93%

67


A Tabela 33 apresenta os resultados do teste de Tukey sobre o MORt para o fator

dimensão sendo variados os três níveis do fator proporção de partículas. Os resultados

revelaram equivalência estatística do MORt para as três proporções, e como os materiais

feitos com as nanopartículas apresentaram resistência à tração superior ao MORt dos materiais

fabricados com micropartículas (Tabela 32), constata-se que os feitos com nanopartículas de

sílica apresentaram os melhores resultados, independente das proporções estudadas

(equivalentes).

Tabela 33 - Agrupamento por Tukey para o MORt dos compostos fabricados com

nanopartículas de sílica nas três proporções investigadas (fibra de carbono).

Média Agrupamento

Nano

1% 729,92 A

2% 719,51 A

3,5% 717,96 A

Assim como encontrado para o MOEt e MORt dos compósitos fabricados com fibras de

vidro, os melhores resultados do MOEt e MORt dos compostos com fibras de carbono foram

provenientes da inclusão de nanopartículas de sílica.

Já havia sido discutido por Fu et al. (2008), em seu trabalho, que o MOE em tração é

inversamente proporcional ao tamanho médio das partículas. Em outras palavras, a redução

do tamanho médio das partículas adicionadas em matriz polimérica proporciona ligeiro

aumento nas propriedades de tração, fato esse evidenciado nessa pesquisa, onde os compostos

fabricados com as nanopartículas (com diâmetro médio de 20ηm) promoveram um ligeiro

aumento no valor do MOEt em relação aos materiais feitos com micropartículas de sílica (45 e

37 µm).

Fu et al. (2008) afirmam ainda que a adição de partículas em um polímero pode

aumentar a rigidez à tração desde que as partículas utilizadas apresentem módulo de

elasticidade bem superior ao módulo de elasticidade do polímero (matriz), proporcionando

aumento consistente com o aumento das frações de partículas. Entretanto, dos resultados

obtidos do presente estudo, para frações mássicas superiores a 2% de partículas (3,5%) notou-

se minoração das propriedades mecânicas.

Pelos resultados obtidos dos ensaios de tração e flexão para os dois tipos de fibras,

ficou-se constatado que a inclusão de 2% de nanopartículas de sílica apresentou em geral os

melhores resultados, sendo esta condição comparada com a de referência (sem partículas).

68


4.7 Comparação entre as Condições: 0% e 2% de Nano Sílica

Fibra de Vidro:

A Tabela 34 apresenta as estatísticas descritivas referentes aos ensaios de flexão e

tração dos compostos laminados em fibras de vidro sem a inclusão 0% (referência) e 2% de

nanopartículas de sílica na matriz epóxi.

Tabela 34 - Resultados dos ensaios de tração e flexão para os compostos fabricados com

fibra de vidro e resina reforçada com 0% e 2% de nanopartículas de sílica.

MOE (MPa) MOR (MPa)


Flexão

0% 20482,0 482,477 2,36 449,10 35,81 7,97

0%-Rp 19875,4 549,063 2,76 469,17 17,06 3,64

2% 22664,3 406,299 1,79 212,91 9,10 4,27

2%-Rp 23028,7 480,706 2,09 223,01 11,71 5,25

Tração

0% 22456,3 483,04 2,15 325,48 22,90 7,04

0%-Rp 20119,9 411,54 2,045 319,56 28,74 8,99

2% 22570,5 440,778 1,95 428,52 8,620 2,01

2%-Rp 22342,2 546,025 2,44 401,20 17,937 4,47

A Tabela 35 apresenta os resultados dos P-valores e dos respectivos coeficientes de

determinação R2 (Adj.) da ANOVA referente à influência da inclusão de partículas de nano

sílica (0% e 2%) nas quatro propriedades mecânicas investigadas, encontrando-se sublinhado

os P-valores menores ou igual a 0,05, considerados significativos a um nível de 95% de

significância.

Tabela 35 - Resultados da ANOVA entre as condições 0% e 2% de partículas de sílica

(fibra de vidro).

MOE (MPa) MOR (MPa)

0% × 2% (Nano) Tração Flexão Tração Flexão

P-valor 0,000 0,000 0,000 0,000

R2(Adj.) 76,23% 87,06% 80,37% 96,95%

69


Os P-valores do teste de normalidade de Anderson-Darling dos resíduos da ANOVA

foram superiores a 0,05 nas quatro respostas investigadas [0,071; 0,383], comprovando-se

desta forma a normalidade dos resíduos.

A Tabela 36 apresenta os resultados do teste de Tukey do fator proporção de

nanopartículas de sílica nas quatro propriedades mecânicas avaliadas, constatando-se a

superioridade nos valores dos materiais fabricados com as nanopartículas sobre a condição de

referência em todas as respostas.

Tabela 36 - Agrupamento por Tukey do fator proporção de nanopartículas (0% e 2%)

nos compostos fabricados com fibras de vidro.

Tração Flexão

MOE (MPa) MOR (MPa) MOE (MPa) MOR (MPa)

Média Agrup. Média Agrup. Média Agrup. Média Agrup.

0% 20119,8 B 322,52 B 20178,7 B 458,02 A

2% Nano 22456,3 A 409,84 A 22846,5 A 216,30 B

Fibra de Carbono:

A Tabela 37 apresenta as estatísticas descritivas referentes aos ensaios de flexão e

tração dos compostos laminados em fibras de carbono com a inclusão 0% (referência) e 2%

de nanopartículas de sílica na matriz epóxi.

Tabela 37 - Resultados dos ensaios de tração e flexão para os compostos fabricados com

fibra de carbono e resina reforçada com 0% e 2% de nanopartículas de sílica.

MOE (MPa) MOR (MPa)


Flexão

0% 41021,8 801,89 1,95 501,81 31,81 5,83

0%-Rp 42193,5 496,67 1,18 507,32 33,88 6,68

2% 61946,7 503,368 0,82 610,59 14,22 2,3

2%-Rp 60105,1 639,641 1,06 599,398 10,47 1,7

Tração

0% 53684,6 1088,01 2,03 671,91 23,42 3,49

0%-Rp 53369,9 606,159 1,14 691,75 14,12 2,04

2% 58430,6 743,44 1,27 720,62 16,39 2,27

2%-Rp 58587,0 1338,15 2,28 718,40 11,44 1,59

70


A Tabela 38 apresenta os resultados dos P-valores e dos respectivos coeficientes de

determinação R2 (Adj.) da ANOVA referente à influência da inclusão de partículas de nano

sílica (0% e 2%) nas quatro propriedades mecânicas investigadas, encontrando-se sublinhado

os P-valores menores ou igual a 0,05, considerados significativos a um nível de 95% de

significância.

Tabela 38 - Resultados da ANOVA entre as condições 0% e 2% de partículas de sílica

(fibra de carbono).

MOE (MPa) MOR (MPa)

0% × 2% (Nano) Tração Flexão Tração Flexão

P-valor 0,000 0,000 0,000 0,000

R2(Adj.) 88,02% 99,00% 66,53% 64,67%

Os P-valores do teste de normalidade de Anderson-Darling dos resíduos da ANOVA

foram superiores a 0,05 nas quatro respostas investigadas [0,063; 0,382], comprovando-se

desta forma a normalidade dos resíduos.

A Tabela 39 apresenta os resultados do teste de Tukey do fator proporção de

nanopartículas de sílica nas quatro propriedades mecânicas avaliadas, constatando-se a

superioridade nos valores dos materiais fabricados com as nanopartículas sobre a condição de

referência em todas as respostas.

Tabela 39 - Agrupamento por Tukey do fator proporção de nanopartículas (0% e 2%)

nos compostos fabricados com fibras de carbono.

Tração Flexão

MOE (MPa) MOR (MPa) MOE (MPa) MOR (MPa)

Média Agrup. Média Agrup. Média Agrup. Média Agrup.

0% 53527,3 B 681,83 B 41608 B 504,48 B

2% Nano 58508,8 A 719,51 A 61025,9 A 604,99 A

4.8 Laminados em Fibras de Vidro e Carbono com 2% de Nano Sílica

A Tabela 40 apresenta as porcentagens de ganho nas propriedades mecânicas com a

inclusão de nanopartículas de sílica nos laminados em fibras de vidro e carbono com relação

às respectivas condições de referência (0% de partículas), com o intuito de avaliar os

resultados obtidos.

71


Tabela 40 - Porcentagens de ganho nas propriedades mecânicas dos laminados em fibras de

vidro e carbono com a inclusão de 2% de nanopartículas de sílica.

MOE MOR MOE MOR

Tipo de Tecido Tração Flexão

Vidro 11,61% 27,07% 13,22% -52,75%

Carbono 9,31% 5,53% 46,67% 20,94%

Os compósitos laminados em vidro e com 2% de nanopartículas de sílica apresentaram

propriedades mecânicas superiores aos da condição de referência nas respostas MOEt, MORt

e MOEf, sendo apenas inferior na resistência à flexão (52,75%), possivelmente justificada

pela região de baixa interface promovida pelas nanoparticulas pelo do teor de fibras,

aproximadamente 55% (WICHMANN et al., 2006) resultando numa redução da força de

resistência ao cisalhamento interlaminar (Zheng, Ning e Zheng, 2005).

Os resultados encontrados na presente pesquisa são próximos dos obtidos do trabalho

de Rahmanian et al. (2012), que utilizam nanotubos de carbono em compósitos de

polipropileno com fibras curtas de vidro e carbono. Suas conclusões são de que as melhorias

na resistência (tração e flexão) podem ser associadas com uma melhor transferência de tensão

entre as fibras e matriz. O módulo de elasticidade não se torna fortemente influenciado pela

adesão interfacial. Em linhas gerais, conclui-se que os módulos de elasticidade na flexão e na

tração para os compostos feitos com ambas as fibras investigadas tiveram aumento

significativo devido à incorporação de nanopartículas rígidas na matriz epóxi, assim também

como constatado no trabalho de Fu et al. (2008). Uma associação para com o aumento do

módulo de tração pode ser plausível para argumentar o aumento do módulo de flexão e uma

futura investigação para compressão com fibras podem vir a agregar teoria de Zheng, Ning e

Zheng (2005), pois já é constatado que nanoparticulas de SiO2 incrementam o módulo de

elasticidade à compressão de laminados de fibra de vidro (Tsai e Cheng, 2009).

Os compósitos laminados em carbono e com 2% de nanopartículas de sílica

apresentaram propriedades mecânicas superiores aos da condição de referência em todas as

respostas, sendo a maior diferença constatada no módulo de elasticidade na flexão, e a menor

na resistência à tração.

72

Conclusões

CAPÍTULO 5

CONCLUSÕES

- A inclusão de micropartículas nos compósitos laminados nas três proporções investigadas

não proporcionou alterações significativas na densidade aparente, o mesmo não ocorreu com

relação à inclusão de nanopartículas, responsáveis por minorar a densidade dos materiais

(para ambos os tipos de fibra e frações de partículas) quando comparados com a densidade

dos compósitos das respectivas condições de referência (0% de partículas), explicada pelo

preenchimento de vazios na matriz epóxi;

- O método de funcionalização das nano sílicas com PDDA e testes iniciais de dispersão em

matriz epóxi se apresentaram eficientes, possibilitando melhorar a distribuição dos esforços

internos para os reforços e contribuindo por aumentar as propriedades de resistência e rigidez

investigadas;

- A inclusão de nano sílica nos materiais compósitos laminados em matriz epóxi reforçados

por fibras de vidro e carbono apresentou desempenho mecânico superior em MOE (tração e

flexão) quando comparados com os materiais elaborados com micropartículas de sílica;

- A inclusão de nano sílica nos materiais compósitos laminados em matriz epóxi reforçados

por fibras de carbono apresentou desempenho mecânico superior em MOR (tração e flexão)

quando comparados com os materiais elaborados com micropartículas de sílica, entretanto a

tendência se mostrou diferente para com os reforçados por fibras de vidro onde o MOR

obteve maiores resultados para com micropartículas. Não existem estudos na literatura para

confronte dos dados, logo a explicação mais provável poderia ser o enfraquecimento da região

de interface e redução da resistência ao cisalhamento interlaminar promovido pelo baixo

conteúdo de matriz somado ao alto volume que as nanopartículas (interface mais dominada

por partículas que as micro) promoveram no polímero.

- De maneira geral, das proporções de partículas investigas, notou-se aumento nas

propriedades mecânicas de 1% para 2% e decréscimos de 2% para 3,5%, sendo eleita a fração

de 2% como ideal para as propriedades mecânicas avaliadas;

73

Conclusões

- A análise estatística possibilitou concluir que a combinação de 2% de nano sílica nos

materiais compósitos para ambos os tipos de fibra se configurou como a melhor condição

experimental dentre as investigadas para ganhos em MOE (tração e flexão);

- A análise estatística possibilitou concluir que a combinação de 2% de nano sílica nos

materiais compósitos de fibra de carbono se configurou como a melhor condição experimental

dentre as investigadas para ganhos em MOR (tração e flexão) e MOR (tração) para

compósitos de fibra de vidro. Quanto MOR (flexão) para os compósitos de fibra de vidro, 2%

micro sílica se mostrou a melhor condição.

- A comparação das propriedades de resistência e rigidez na tração e flexão dos materiais

fabricados com 2% de nanopartículas com a condição de referência (0% de partículas)

possibilitou concluir que o emprego das partículas proporcionou aumentos nos módulos de

elasticidade (tração e flexão) e na resistência à tração, o mesmo não ocorrendo com a

resistência à flexão, tendo seus valores minorados, pela região de baixa interface promovida

pelo aumento do teor de fibras somado a interface mais dominada por partículas, reduzindo

consideravelmente a área de contado resina/fibra de vidro.

- Para os laminados de fibra de vidro, outros ensaios variando a porcentagem volumétrica de

fibra/matriz devem ser realizados para melhores conclusões sobre a redução de MOR e

estabelecimento de proporções ótimas de reforço.

74

Trabalhos Futuros

TRABALHOS FUTUROS

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

- Estudar comparação das outras formas de tratamentos com o PDDA;

- Estudar o tratamento com PDDA em outras nanopartículas, por exemplo, nanotubos de

carbono e reforçar laminados de fibra de carbono;

- Variar a proporção de fibra de vidro e matriz polimérica e identificar proporção ótima de

reforço no laminado;

- Realizar estudos comprovando a eficiência de se adicionar partículas para ganhos de módulo

e resistência mecânica (tração e flexão) em laminados de fibra de vidro com alto teor de

resina (aproximadamente setenta por cento) comparados com laminados compactados à vácuo

(aproximadamente cinquenta e cinco por cento);

75

Referências Bibliográficas

REFERÊNCIAS

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