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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA EFEITO DO ENVELHECIMENTO ACELERADO EM COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO/EPÓXI USADOS PARA REVESTIMENTO DE DUTOS FRANCISCO ADRIANO FERREIRA DE OLIVEIRA JÚNIOR NATAL- RN, 2019

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

EFEITO DO ENVELHECIMENTO ACELERADO EM

COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO/EPÓXI USADOS

PARA REVESTIMENTO DE DUTOS

FRANCISCO ADRIANO FERREIRA DE OLIVEIRA JÚNIOR

NATAL- RN, 2019

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

EFEITO DO ENVELHECIMENTO ACELERADO EM

COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO/EPÓXI USADOS PARA

REVESTIMENTO DE DUTOS

FRANCISCO ADRIANO FERREIRA DE OLIVEIRA JÚNIOR

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do Rio

Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof.

Dr. Evans Paiva da Costa Ferreira

NATAL - RN

2019

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Oliveira Júnior, Francisco Adriano Ferreira de. Efeito do envelhecimento acelerado em compósitos de fibra devidro/epóxi usados para revestimento de dutos / FranciscoAdriano Ferreira de Oliveira Júnior. - 2019. 50f.: il.

Monografia (Graduação)-Universidade Federal do Rio Grande doNorte, Centro de Tecnologia, Engenharia Mecânica, Natal, 2019. Orientador: Dr. Evans Paiva da Costa Ferreira.

1. Envelhecimento acelerado - Monografia. 2. Degradação -Monografia. 3. Ensaio de flexão em três pontos - Monografia. 4.Compósito de fibra de vidro/epóxi - Monografia. I. Ferreira,Evans Paiva da Costa. II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 621

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRNSistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Elaborado por Raimundo Muniz de Oliveira - CRB-15/429

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

EFEITO DO ENVELHECIMENTO ACELERADO EM

COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO/EPÓXI USADOS

PARA REVESTIMENTO DE DUTOS

FRANCISCO ADRIANO FERREIRA DE OLIVEIRA JÚNIOR

Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. Evans Paiva da Costa Ferreira _________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador

Prof. MSc. Mirella Lopes da Rocha ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Avaliador Interno

Prof. MSc. Igor Lopes de Andrade ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Avaliador Interno

Prof. Dr. Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza ___________________________

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte – Avaliador Externo

NATAL, 26 de novembro de 2019.

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Dedicatória

Dedico este trabalho primeiramente a minha mãe, Karim Suelly Melo de

Oliveira, e ao meu pai, Francisco Adriano Ferreira de Oliveira, que sempre fizeram de

tudo para que tivesse sucesso nos meus estudos e alcançasse meus objetivos e que

muitas vezes tiveram de entender ausência e renúncia em momentos importantes.

Dedico também este trabalho aos meus queridos avós, Marlene, Helena e Lindbergh,

dos quais sempre contei com suas orações e torcida nessa jornada.

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Agradecimentos

Depois de uma longa caminhada de dedicação, concluo o curso de

engenharia mecânica. Foram anos sonhando com esse momento.

Primeiramente agradeço a Deus, criador de todas as coisas, que sempre me

deu forças para continuar diante das várias adversidades. Também gostaria de

dedicar meus sinceros agradecimentos a Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, por ter me proporcionado o acesso aos melhores laboratórios de pesquisa, a

melhor infraestrutura e, sem dúvida, aos melhores educadores do Estado.

Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas as

quais presto minha homenagem. Dentre eles, muito obrigado ao professor Evans

Paiva e a Mirella Lopes, fontes das quais tive total apoio para elucidar os desafios

nesse trabalho.

Finalmente, agradeço aos meus pais por todo o empenho que tiveram em me

apoiar sempre nos estudos e na vida. Minha fonte de perseverança para vencer.

Estendo esse agradecimento aos demais familiares e amigos que de uma forma ou

de outra sempre estiveram na torcida do meu sucesso. Aliás, do nosso. Muito obrigado

a todos.

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OLIVEIRA JÚNIOR, F. A. F. EFEITO DO ENVELHECIMENTO ACELERADO EM

COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO/EPÓXI USADOS PARA REVESTIMENTO DE

DUTOS. 2019. 50 p. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia

Mecânica) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

Resumo

O aço é um dos elementos mais utilizados na fabricação de dutos de petróleo e gás,

sendo periodicamente necessário reparo devido a degradação causada pela corrosão,

podendo ser potencializada pelas condições de temperatura e umidade do ambiente.

Então, os compósitos de fibra de vidro/epóxi surgem como alternativa de baixo custo

para o reparo desses dutos. No presente estudo, compósitos de fibra de vidro e resina

epóxi foram submetidos a envelhecimento acelerado por um período de 2.160 horas

em duas condições (térmico e higrotérmico) e foi observado o reflexo desse

envelhecimento sobre as propriedades térmicas, químicas e mecânicas desses

compósitos. As alterações foram avaliadas por Análise Dinâmico Mecânica (DMA),

ensaio de flexão em três pontos, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), e

também em termos de variação de massa. Para o envelhecimento higrotérmico foi

observado ganho de massa e para o envelhecimento térmico houve uma redução de

massa. Na análise de DMA em ambas condições foi observado um aumento da

temperatura de transição vítrea, bem como do módulo de armazenamento devido ao

aumento da densidade das ligações cruzadas com o efeito da pós cura. No ensaio de

flexão não foram observadas mudanças significativas entre a análise não-envelhecida

e envelhecida sob temperatura, enquanto que comparando com o higrotérmico houve

uma maior queda na resistência, devido à formação de microfissuras e vazios no

compósito, observadas através de imagens do MEV. Conclui-se que para dutos

expostos a umidade e temperatura, o reparo de fibra vidro/epóxi pode ter sua

resistência reduzida com o passar do tempo e a aumentar sua massa, podendo

aumentar as tensões de flexão naquele trecho do duto. Já para ambientes com baixa

umidade e submetidos a temperatura, haverá leve perda de massa no reparo, mas

também terá sua resistência de flexão diminuída.

Palavras-chave: envelhecimento acelerado, degradação, ensaio de flexão em três

pontos, compósito de fibra de vidro/epóxi.

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OLIVEIRA JÚNIOR, F. A. F. EFFECT OF ACCELERATED AGING ON

FIBERGLASS/EPOXY COMPOSITES USED FOR PIPE COATING. 2019. 50 p.

Conclusion work project (Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of

Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

Abstract

Steel is one of the most commonly used element in the manufacture of oil and gas

pipelines, and periodic repair is required due to the degradation caused by corrosion,

which may be enhanced by the temperature and humidity conditions of the

environment. Therefore, fiberglass/epoxy composites appear as a low cost alternative

for repairing these ducts. In the present study, fiberglass and epoxy resin composites

were subjected to accelerated aging for a period of 2,160 hours under two conditions

(thermal and hygrothermal) and the outcome of this aging on the thermal, chemical

and mechanical properties of these composites was observed. The changes were

evaluated by Dynamic Mechanical Analysis (DMA), three-point flexural test, Scanning

Electron Microscopy (SEM), and also in terms of mass variation. For hygrothermal

aging, mass gain was observed and for thermal aging there was a reduction in mass.

In the DMA analysis under both conditions an increase of the glass transition

temperature as well as the storage modulus was observed due to the increase of the

crosslinking density due to post cure effect. In the flexural test, no significant changes

were observed between the non-aged and temperature-aged analysis, whereas

compared to the hygrothermal one, there was a greater drop in strength due to the

formation of microcracks and voids in the composite, observed through SEM images.

It is concluded that for pipelines exposed to humidity and temperature, the fiberglass /

epoxy repair tends to have its resistance reduced over time and to increase its mass,

which may increase the flexural stresses in that section of the pipeline. For

environments with low level of humidity and subjected to temperature, there will be

slight loss of mass in the repair, but also have its flexural strength decreased.

Keywords: accelerated aging, degradation, three-point flexural test, fiberglass/epoxy composite.

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Lista de Ilustrações

Figura 1 - Esquema de classificação dos compósitos. .............................................. 16

Figura 2- Empilhamento de camadas sucessivas reforçadas com fibras. ................. 17

Figura 3- Classificação geral para fibras. .................................................................. 18

Figura 4- Transmissão de carga matriz/fibra. ............................................................ 20

Figura 5 - Estrutura molecular da resina epóxi a base de Bisfenol A Diglicidil Éter. . 22

Figura 6- Esquema do processo de laminação manual. ........................................... 24

Figura 7- (a) Viga sob flexão pura – (b) Distribuição das tensões na seção transversal.

.................................................................................................................................. 27

Figura 8- Fluxograma das etapas do estudo em questão. ........................................ 30

Figura 9- Malha bidirecional de fibra de vidro utilizada na fabricação do compósito. 31

Figura 10 – Estufa TECNAL TE 394/1-MP. ............................................................... 33

Figura 11- Dimensões das amostras para ensaio de flexão. .................................... 34

Figura 12 - Ensaio de flexão em 3 pontos em amostra envelhecida higrotermicamente.

.................................................................................................................................. 34

Figura 13 - Dimensões das amostras para ensaio de DMA. ..................................... 35

Figura 14-magens de MEV comparativas na condição (a) não-envelhecida e na

condição (b) envelhecida em água salina. ................................................................ 36

Figura 15-Imagens de MEV comparativas na condição (a) não-envelhecida e na

condição (b) envelhecida temperatura. ..................................................................... 37

Figura 16 - Média da variação de massa em função da raiz quadrada do tempo para

as amostras submetidas às duas condições de envelhecimento. ............................. 37

Figura 17 - Amostra (a) – não-envelhecida; Amostra (b) – água salina; Amostra (c) –

temperatura. .............................................................................................................. 39

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Figura 18 - Resistência à flexão para as três condições: não-envelhecida, água salina

e temperatura. ........................................................................................................... 39

Figura 19 - Curva de carga versus deslocamento na flexão para as três condições

analisadas: não-envelhecida, água salina e temperatura. ........................................ 41

Figura 20 - Gráfico de tan Delta versus temperatura para as 3 condições analisadas.

.................................................................................................................................. 41

Figura 21 - Gráfico do módulo de armazenamento versus temperatura para as 3

condições analisadas. ............................................................................................... 42

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Lista de Tabelas

Tabela 1- Composição percentual das fibras de vidro. ............................................. 19

Tabela 2– Propriedades mecânicas dos reforços em compósitos. ........................... 19

Tabela 3 - Características e limitações das resinas termofixas. ................................ 21

Tabela 4- Características da resina a 25ºC. .............................................................. 30

Tabela 5- Características do tecido. .......................................................................... 31

Tabela 6 - Valores médios das dimensões das amostras de DMA. .......................... 43

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Sumário

1 Introdução .................................................................................................. 13

2 Revisão Bibliográfica ................................................................................. 15

2.1 Materiais Compósitos .......................................................................... 15

2.2 Categorização dos Compósitos .......................................................... 15

2.3 Reforço ............................................................................................... 17

2.4 Fibra de Vidro (Vidro-E) ...................................................................... 18

2.5 Matriz .................................................................................................. 19

2.6 Matriz termofixa ................................................................................... 20

2.7 Resina Epóxi ....................................................................................... 22

2.8 Compósito de matriz polimérica .......................................................... 22

2.9 Processo de fabricação do compósito por laminação manual ............ 23

2.10 Envelhecimento em materiais compósitos ........................................ 24

2.11 Flexão ............................................................................................... 26

2.12 Flexão em dutos ................................................................................ 28

2.13 Análise Dinâmico Mecânica – DMA .................................................. 29

3 Materiais e Métodos .................................................................................. 29

3.1 Matriz .................................................................................................. 30

3.2 Reforço ............................................................................................... 31

3.3 Fabricação do compósito (laminação manual e corte) ........................ 31

3.4 Ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura – MEV ...................... 32

3.5 Ensaio de Envelhecimento .................................................................. 32

3.5.1 Envelhecimento higrotérmico ....................................................... 32

3.5.2 Envelhecimento térmico ............................................................... 33

3.5.3 Variação de massa ....................................................................... 33

3.6 Ensaio de Flexão em 3 pontos ............................................................ 33

3.7 Análise Dinâmico Mecânica – DMA .................................................... 35

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4 Resultados e Discussões .......................................................................... 36

4.1 Ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura – MEV ...................... 36

4.2 Ensaio de Envelhecimento .................................................................. 37

4.2.1 Variação de massa ....................................................................... 37

4.3 Ensaio de Flexão em 3 pontos ............................................................ 38

4.4 Análise Dinâmico Mecânica – DMA .................................................... 41

5 Conclusões ................................................................................................ 44

6 Referências ............................................................................................... 45

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1 Introdução

Com processos industriais cada vez mais complexos, a ciência foi desafiada,

mais uma vez, a criar soluções para as necessidades do homem moderno. O cenário

científico/industrial atual da nossa sociedade é reflexo dos avanços advindos das

ciências e estudos acadêmicos, como as engenharias, cuja contribuição tem sido de

extrema importância nas últimas décadas. Dentre as áreas da engenharia, podem-se

citar como exemplo os nichos de pesquisa no campo subaquático, aeroespacial e óleo

e gás. Segundo Telles (1997), o aço é o tipo de material mais empregado em diversos

setores industriais na fabricação de dutos para transporte de fluidos.

Em geral, esses dutos estão expostos a diversas condições ambientais,

precisando periodicamente de reparos. Um dos problemas mais comuns é a corrosão,

causado por vapores, gases, maresia, umidade, poluição, entre outros (BRADLEY;

GRANT, 1995). Os materiais compósitos surgem, então, como alternativa para

solucionar esse problema.

Os primeiros esboços do uso de materiais compósitos no reparo externo de

dutos datam dos anos 90. O U.S. Gas Research Institute (GRI) foi responsável por

coordenar atividades de um grupo de organizações de pesquisa para

desenvolvimento de materiais e procedimentos que atendessem ao reparo de

gasodutos, resultando na criação do sistema Clock Spring (PATRICK; PORTER,

2001). Em síntese, esse método de reparo consiste de um material compósito de alta

resistência disposto em camadas sobrepostas e ligadas por uma forte camada

adesiva ao redor do duto (LIM et al., 2016).

Segundo uma análise da Petrobrás, o uso de matrizes reforçadas com fibras

de vidro no reparo de dutos aumenta a vida útil e diminui os custos com manutenção.

Todavia, esses materiais também estão sujeitos ao ambiente agressivo, o qual

promove o envelhecimento do material. O envelhecimento do compósito é o processo

de degradação das moléculas devido à exposição a condições ambientais, como

umidade e temperatura, por intervalos de tempos prolongados, ocasionando

degradação química da matriz e descolamento da interface fibra/matriz (BRADLEY;

GRANT, 1995). Além disso, esses dutos também podem estar sujeitos a ovalizações

devido a esforços de flexão (MAXWELL et al., 2005).

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O envelhecimento que alia as condições de umidade e temperatura é

conhecido como envelhecimento higrotérmico. Neste tipo de envelhecimento, a

umidade promove a hidrólise, quebrando as ligações químicas da interface

fibra/matriz. Além disso, há a contribuição para a lixiviação das moléculas de baixo

peso molecular, o que pode levar à fragilização e ao enrijecimento da matriz

polimérica, o que pode levar a uma redução na resistência mecânica do material

(SURESH et al., 1999; AL-BASTAKI; AL-MADANIB, 1995).

O reparo com materiais compósitos é uma alternativa de baixo custo para

reduzir problemas de corrosão em dutos de aço, especialmente em regiões com

reservatórios maduros. Nestes, grandes quantidades de água são injetadas nos poços

para obter o óleo, que em alguns casos, representa menos de 15% do líquido total

extraído (RODRÍGUEZ; ALVAREZ; MONTEMARTINI, 2013).

Portanto, dada as condições reais de temperatura, umidade e esforços

mecânicos mencionados nas quais esses dutos podem estar submetidos, o objetivo

deste trabalho é analisar os efeitos do envelhecimento térmico e higrotérmico nas

propriedades dos compósitos de fibra de vidro/epóxi utilizados em seus reparos. Para

tal, amostras do material compósito foram fabricadas e submetidas às duas condições

de envelhecimento. Posteriormente, para fins de caracterização do material, essas

amostras foram submetidas a ensaios de flexão, Análise Dinâmico Mecânica (DMA),

análise de variação de massa antes e depois do envelhecimento, e análise de

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) antes e depois do envelhecimento.

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2 Revisão Bibliográfica

2.1 Materiais Compósitos

Segundo Mercier e Maréchal (1993), compósitos podem ser considerados

como uma mistura ou combinação de dois ou mais constituintes, que diferem na forma

e na composição química, e que na sua essência, são insolúveis entre si. São criados

com o intuito de obter um material com propriedades mecânicas superiores, em alguns

aspetos, aos materiais constituintes. Assim sendo, há uma grande variedade de

compósitos devido ao seu equilíbrio de propriedades.

William e Callister (2007) também afirmam que após a combinação desses

materiais tem-se um melhoramento de propriedades. Sendo assim, as propriedades

dos compósitos dependem das propriedades das fases envolvidas, das suas

quantidades relativas e da geometria da fase dispersa.

Os compósitos mais simples consistem basicamente de dois componentes ou

fases: a matriz e a fase dispersa. Essas fases também são chamadas por Smith e

Hashemi (2009) de material de enchimento ou de reforço e uma resina aglutinadora,

respectivamente.

2.2 Categorização dos Compósitos

Smith e Hashemi (2009) classificam os compósitos da seguinte maneira.

Quanto a estrutura, sobressaem os materiais fibrosos (compósitos de fibras em uma

matriz) e particulados (compósitos de partículas em uma matriz). Quanto ao tipo de

matriz, os compósitos podem se classificar como compósitos de base metálica (metal

matriz composite – MMC), compósitos de base cerâmica (ceramic matriz composite –

CMC) e compósitos de base polimérica (polymer matrix composite – PMC). William e

Callister (2007) sugerem o esquema de classificação abaixo, quanto a estrutura, para

os vários tipos de compósitos, conforme descrito na Figura 1 abaixo.

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Figura 1 - Esquema de classificação dos compósitos.

Fonte: William e Callister (2007, p.30).

Os compósitos reforçados com partículas se subdividem em reforçados com

partículas grandes e por dispersão. Essa subdivisão é baseada na diferença entre o

mecanismo de reforço e as resistências (AL-QURESHI,1984).

Os reforços com fibras frequentemente apresentam alta rigidez e resistência

em relação ao peso. Os parâmetros que regem essas características são a resistência

específica, que é a razão entre o limite de resistência a tração e o peso específico, e

o módulo específico, que é a razão entre o módulo de elasticidade e o peso específico.

São subdivididos em contínuo e descontínuo, baseando-se no comprimento das

fibras. Para fibras descontínuas, não é possível uma melhora significativa na

resistência devido ao fato das fibras serem muito curtas (WILLIAM; CALLISTER,

2007).

Al-Qureshi (1984) afirma ainda que os compósitos podem ser também do tipo

estrutural, subdividindo-se em compósitos laminados e painéis-sanduíche. São

formados tanto de materiais com uma só característica como também podem ter dois

materiais com características diferentes. Esse tipo de compósito não se caracteriza

apenas pelos materiais que o constitui, mas também dependem da disposição

geométrica que esses materiais são empregados.

Os laminados são normalmente compostos de fibras de elevado módulo de

elasticidade e elevada resistência mecânica impregnados com uma matriz. Suas

interfaces distinguem-se entre si, mantendo as propriedades químicas e físicas dos

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componentes. A Figura 2 mostra o empilhamento das camadas nos compósitos

laminados, que são compostos por lâminas ou painéis bidimensionais, possuindo uma

direção preferencial de alta resistência. (MATTHEWS; RAWLINGS, 1994; CHAWLA,

1987; WILLIAM; CALLISTER, 2007).

Figura 2- Empilhamento de camadas sucessivas reforçadas com fibras.

Fonte: William e Callister (2007, p.363)

As camadas são colocadas umas sobre as outras continuamente, agregando-

se, e isso acontece de forma que a orientação da direção de alta resistência varie em

cada camada ordenadamente. Os laminados podem ser feitos utilizando-se materiais

de tecido, como fibra de vidro trançada em matriz de plástico (KOIDE, 2010).

2.3 Reforço

O reforço melhora as propriedades mecânicas dos compósitos. A principal

função do reforço é transportar a carga na direção de sua orientação. As propriedades

mecânicas da fibra, a sua interação superficial com a resina, a orientação e a fração

volumétrica da fibra são fatores que definem a contribuição do reforço nos compósitos

e na maioria de suas propriedades (TARANU, 2008). A fibra confere ao compósito

características mecânicas como rigidez, resistência a ruptura, fadiga e peso específico

(AZEVEDO, 2017).

Matthews e Rawlings (1994) classificam os reforços em dois tipos, os naturais

e os sintéticos. Fazem parte do grupo dos reforços naturais materiais como algodão,

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sisal e lã. Basicamente, os naturais podem ser de origem vegetal, animal ou mineral.

Os sintéticos se dividem em orgânicos e inorgânicos. A fabricação desses reforços

envolve várias etapas de processamento e variabilidade de propriedades.

Batista (2013) sugere a seguinte classificação para as fibras segundo a Figura

3 abaixo:

Figura 3- Classificação geral para fibras.

Fonte: Batista (2013, p.37)

Azevedo (2017) ressalva que o tipo mais utilizado na fabricação de plásticos

reforçados é o fibroso, podendo ser contínuas, descontínuas ou em forma de

partículas.

2.4 Fibra de Vidro (Vidro-E)

Segundo Wallenberger (1994), as fibras de vidro são úteis por sua alta razão

entre a área superficial e peso. No entanto, o aumento da área superficial os torna

muito mais suscetíveis a ataques químicos. Ao prender o ar dentro deles, os blocos

de fibra de vidro produzem um bom isolamento térmico, com uma condutividade

térmica da ordem de 0,05 Wm-1 K-1.

A fibra de vidro é o resultado da combinação de óxidos metálicos. Logo, o que

difere os diversos tipos de fibra de vidro é a proporção desses óxidos na sua

composição. Na nomenclatura, essa diferenciação é feita por letras, como por

exemplo: fibra de vidro-L, vidro-C, vidro-E, vidro-S, vidro-A e vidro-D (AZEVEDO,

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2017). Na Tabela 1, é informado o percentual da composição desses óxidos nas fibras

de vidro tipo E, tipo S e tipo AR.

Tabela 1- Composição percentual das fibras de vidro.

Óxido Vidro-e (%) Vidro-s (%) Vidro-ar(%)

SiO2 54 65 64

TiO2 3

ZrO2 13

Al2O3 14 25 1

B2O3 9

MgO 5 10 5

CaO 18 14

Na2O

Fonte: Adaptado de Matthews e Rawlings (1994).

Na Tabela 2 podemos visualizar a principais propriedades mecânicas dos

reforços mais utilizados em compósitos.

Tabela 2– Propriedades mecânicas dos reforços em compósitos.

Material Densidade

(mg/m3)

Diâmetro da

fibra (µm)

Módulo de

elasticidade

(GPa)

Resistência

em tração

(MPa)

Carbono AM 1,8 7-10 400 2000-2800

Carbono AR 1,7 7-10 200 3000-3500

Boro 2,6 130 440 3500

BorSiC 2,7 142 400 3100

Al2O3 4,0 20 380 1800

Vidro-E 2,5 10 70 1500-2000

Vidro-S 2,6 10 90 4600

Aramida 1,5 12 130 3600

Polietileno 1,0 12 117 2600

Fonte: Adaptado de Ferrante (2002).

2.5 Matriz

A fase contínua, ou matriz, é responsável por suportar as cargas aplicadas no

composto e tem como função transferir os esforços mecânicos externos para o

reforço. A ligação entre a matriz e o reforço é realizada através de uma interface cuja

qualidade influencia diretamente no desempenho mecânico do compósito

(GROOVER, 2002). Quanto menor for o módulo de elasticidade e quanto maior for a

ductilidade da matriz, melhor é transmissão desses esforços mecânicos.

(MAZUNDAR, 2002; WILLIAM; CALLISTER, 2007). As matrizes são selecionadas

baseadas na finalidade da aplicação do compósito, uma vez que elas determinam a

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temperatura de trabalho e estabelecem parâmetros como propriedades elétricas e

requisitos para sua manufatura.

William e Callister (2007) menciona ainda outras importantes funções da

matriz. Além de distribuir as cargas, a matriz é responsável por proteger as fibras da

abrasão mecânica ou reações químicas indesejáveis com o ambiente, previne a

propagação de trincas de uma fibra para outra e mantém as fibras na orientação

apropriada. Na Figura 4 é possível visualizar o comportamento esquema de

transmissão de carga entre a fibra e a matriz.

Figura 4- Transmissão de carga matriz/fibra.

Fonte: William e Callister (2007, p.363).

2.6 Matriz termofixa

Esse tipo de matriz é caracterizado por possuir fortes ligações entre as

macromoléculas. Quando expostas a altas temperaturas, elas se desintegram antes

mesmo de se separar, não permitindo que esse tipo de material seja fundido e

reciclado (BATISTA, 2013).

Crosky et al. (2014) afirma que os polímeros termofixos diferem dos

termoplásticos pois contêm moléculas de reticulação entre as cadeias poliméricas.

Essas reticulações alteram expressivamente as propriedades do polímero e também

são responsáveis pela incapacidade dos polímeros termofixos serem processados por

fusão. Os termofixos têm uma temperatura de decomposição e não entram na fase de

fusão quando aquecidos.

Dentre suas principais características, Batista (2013) cita o baixo custo, certa

resistência à exposição ambiental (raios UV, umidade e outros), quebradiço, sensível

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a radiação e oxigenação, fácil manuseio, fácil processamento, isotrópicas e estado

líquido em temperatura ambiente. As resinas termofixas mais relevantes são: Poliéster

insaturado, Epóxi, Fenólica e Silicone. Abaixo na Tabela 3 são destacadas algumas

das principais características e limitações dos diversos tipos de resinas termofixas.

Tabela 3 - Características e limitações das resinas termofixas.

Resina Características Limitações

Epóxi

• excelente propriedade em compósito

• muito boa resistência química e

propriedades elétricas

• boas propriedades térmicas

• baixa concentração na cura

• longos ciclos de cura

• melhores

propriedades em altas

temperaturas

Fenólica

• ótimas propriedades térmicas

• boa resistência ao fogo

• boas propriedades elétricas

• cor

Poliéster

• amplamente utilizada

• fácil uso

• cura a temperatura ambiente

• ótimas propriedades em compósitos

• boa resistência química

• boas propriedades elétricas

• emissão de estireno

• contração durante

cura

• inflamável

Poliamida

• excelentes propriedades térmicas

• boas propriedades em compósitos

• boa resistência ao fogo

• boas propriedades elétricas

• cor

Poliuretano

• boas propriedades em compósitos

• muito boa resistência química

• alta dureza (resistência ao impacto)

• boa resistência a abrasão

• cor

• isocianetos como

agentes de cura

Silicone

• ótimas propriedades em térmicas

• excelente resistência química

• ótimas propriedades elétricas

• resistente a hidrólise e oxidação

• boa resistência ao fogo

• não tóxico

• adesão

• longos ciclos de cura

• cura somente a altas

temperaturas

Vinil ester

• boa resistência à fadiga

• excelente propriedades em compósitos

• muito boa resistência química

• boa dureza

• emissão de estireno

• contração durante a

cura

• inflamável

Fonte: Adaptado de Aquino (2003).

Devido às suas propriedades mecânicas, os termofixos são aplicados em uma

ampla gama de indústrias, incluindo eletrodomésticos e bens de consumo além de

aplicações de alto desempenho, como as indústrias aeroespacial, automotiva, de

energia e de geração de energia (SHELKE; NAGARALE; KUMBAR, 2014).

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2.7 Resina Epóxi

Shahbaz (2016) define como epóxi as resinas poliméricas termofixas que

contém um ou mais grupos epóxido. A química pode ser personalizada pelo peso

molecular ou viscosidade, conforme exigida pela finalidade, para torná-la a opção

mais adequada. Estão disponíveis dois tipos principais de epóxis, glicidil epóxi e não

glicidil. A Figura 5 mostra a estrutura molecular do grupo.

Figura 5 - Estrutura molecular da resina epóxi a base de Bisfenol A Diglicidil Éter.

Fonte: Zhou e Lucas (1999, p.5506).

As resinas epóxi requerem um agente de cura, usualmente chamado de

endurecedor. Geralmente, o agente de cura mais comum é à base de amina. Nas

resinas de poliéster ou éster de vinil, a resina é catalisada com uma pequena adição

(até 3%) de um catalisador, enquanto as resinas epóxi geralmente requerem a adição

do agente de cura em uma proporção muito maior de resina para endurecedor

(SHAHBAZ, 2016).

2.8 Compósito de matriz polimérica

Segundo Wang et al. (2016), esse tipo de material compósito usa um polímero

orgânico como matriz e fibras como reforço. Normalmente, a resistência e o módulo

de elasticidade da fibra são muito maiores do que a resistência e módulo da matriz.

Isso faz com que as fibras recebam a maior parte da carga. Porém, tem de haver uma

matriz com boas propriedades de adesão para unir essas fibras propriamente. Abaixo

seguem algumas características dos compósitos de matriz polimérica:

• Alta resistência específica e alto módulo específico

• Boa resistência a fadiga e alta tolerância ao dano.

• Boas características de amortecimento

• Desempenho multifuncional

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• Boas técnicas de processamento

• Anisotrópica

O desempenho da fibra, matriz e a interface entre elas estão diretamente

relacionados ao desempenho do compósito como todo.

2.9 Processo de fabricação do compósito por laminação manual

Existem diversos tipos de processos para a fabricação de materiais

compósitos e sua escolha vai depender do que se quer obter (dimensão, acabamento

e formato da peça), da escala de produção desejada, custo, entre outros (LION, 2013).

Em relação ao tipo de molde, esses processos são basicamente classificados em dois

grupos, fabricação em molde aberto e em molde fechado (KELLY; MILEIKO, 1983).

Segundo Macedo Neto (2016), entre os processos de fabricação em molde

fechado, podemos citar injeção, pultrusão e moldagem por compressão. Para molde

aberto, temos os processos de centrifugação, enrolamento, laminação à pistola e

laminação manual, sendo este último o método de fabricação muito utilizado para

compósitos de fibra de vidro (CERCHIARO, 2010).

Para Peters (1998), materiais compósitos avançados são fabricados

sobrepondo várias camadas densas de fibras e unindo-as impregnando com resina

para formar um laminado. Esse processo permite que as propriedades de um

compósito laminado sejam adaptadas para um ambiente de carregamento específico,

orientando as camadas do material para atender aos requisitos de carregamento. Na

Figura 6 podemos observar um esquema que exemplifica a laminação manual.

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Figura 6- Esquema do processo de laminação manual.

Fonte: Batista (2013, p.29)

Segundo Batista (2013), a laminação manual é mais utilizada na indústria de

plásticos reforçados e apresenta algumas desvantagens. Por se tratar de um processo

manual, é um processo de baixa produção, maior necessidade de mão de obra, maior

probabilidade de defeito de produção e bom acabamento apenas em uma face do

material laminado.

2.10 Envelhecimento em materiais compósitos

A depender da aplicação, o estudo do envelhecimento natural do material é

de extrema importância pois essa degradação é combinada com outros fatores, como

calor, radiação solar, poluição, carregamentos estáticos ou dinâmicos, que conduzem

ao envelhecimento do material com diminuição nas propriedades de resistência e

rigidez (RODRIGUES, 2007).

O envelhecimento em polímeros pode ser classificado tradicionalmente em

duas categorias principais: envelhecimento químico e físico. O envelhecimento físico

é caracterizado pelas mudanças nas conformidades moleculares sem alterar a

integridade estrutural das mesmas, sendo, portanto, um processo reversível

(ODEGARD; BANDYOPADHYAY, 2011). Segundo Barbosa et al. (2016), o

envelhecimento físico pode ocorrer durante longos períodos de exposição a uma

temperatura elevada e menor que a temperatura de transição vítrea (Tg). As

mudanças na conformidade molecular resultam em aumento do módulo de Young,

limite de escoamento, densidade, viscosidade e reduções na fluência e no alívio de

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tensão. No envelhecimento químico, há uma degradação irreversível da estrutura

molecular causada por mecanismos como quebra em cadeia, mudanças nas

densidades das ligações cruzadas, oxidação e depolimeração (BARBOSA et al.,

2016).

Botelho et al. (2011) afirma que se o compósito é exposto a um curto período

de duração à temperatura e umidade, os efeitos ocasionados podem ser reversíveis,

desde que a temperatura de transição vítrea não seja atingida. Do contrário, são

irreversíveis pois um maior tempo de exposição favorece a interação de grupos

funcionais de matrizes poliméricas de natureza polar com a água. A absorção e

salinidade do meio podem ainda degradar a interface fibra/matriz polimérica,

diminuindo assim os valores das propriedades mecânicas do compósito.

O efeito da temperatura no envelhecimento acelerado promove a degradação

oxidativa do compósito de matriz polimérica que em curto ou longo prazo produzem

mudanças físicas e químicas irreversíveis (ELLYIN; MASER, 2004). A degradação

oxidativa em compósitos com matriz polimérica geralmente se assemelha à de um

polímero puro. No entanto, as fibras e a interface fibra-matriz alteram

significativamente as propriedades de transporte do oxigênio, introduzem a

anisotropia e influenciam a extensão do dano dentro do compósito (COLIN, et al.,

2005).

Segundo Decelle e Huet (2003), primeiramente, uma camada superficial limita

a oxidação até o aparecimento de rachaduras nessa camada. Com as rachaduras,

novas trincas são abertas para a permeação do oxigênio, intensificando o processo

de oxidação. Esse processo pode continuar até o polímero estar completamente

oxidado. Durante a oxidação, os polímeros podem sofrer perda de massa, retração e

aumento de densidade.

Em um estudo conduzido por Khajeh et al. (2015), foi realizado um

envelhecimento isotérmico de um material compósito de fibra de vidro e resina epóxi

durante 800h, sob uma temperatura controlada de 82ºC. Após ensaios, observou-se

um aumento na resistência a tração e módulo, e queda na tenacidade, devido

provavelmente a fragilidade da matriz após polimeração e da concentração de

oxigênio. Os resultados das análises de DMA mostraram um aumento na temperatura

de transição vítrea devido ao aumento da densidade de ligações cruzadas da estrutura

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da rede de matrizes, ocasionado devido ao aumento da temperatura (pós-

envelhecimento e do envelhecimento físico).

Quanto a absorção de água pelo compósito, Sala (2000) defende que a água

é absorvida preferencialmente ao longo da interface fibra/matriz. As consequências

da absorção de água nas propriedades dos polímeros têm sido investigadas por

diversos estudos e alguns dos efeitos reportados incluem plastificação, diminuição da

Tg, aumento de fluência e alívio de tensão e diminuição na resistência mecânica e

módulo de elasticidade (DAO et al., 2006). A umidade absorvida pode ainda reagir

com grupos da estrutura da resina epóxi e, portanto, influenciar no processo de

envelhecimento.

De acordo com Maxwell et al. (2005), altas temperaturas são responsáveis

por acelerar a degradação de polímeros. Além disso, variações de temperatura

produzem fraturas em laminados e o crescimento da fratura pode ser mais acentuado

em atmosferas oxidativas (HOUGH; XIANG; JONES, 2005). Elevadas pressões de ar

e oxigênio aceleram a taxa de degradação térmico-oxidativas em compósitos

poliméricos quando comparados com amostras analisadas sob pressão atmosférica

(TSOTSIS, 1999).

Apesar de ser muito resistente, o epóxi após curado degrada com a exposição

aos raios UV. A superfície obtém uma aparência calcária e perde resistência. Uma

camada de proteção UV pode ser benéfica a esse respeito. Em temperaturas

elevadas, o epóxi perde resistência (SHAHBAZ, 2016).

2.11 Flexão

Na mecânica, o esforço de flexão é o esforço que caracteriza o comportamento

de um elemento estrutural quando submetido a uma carga aplicada

perpendicularmente a um eixo longitudinal do elemento (BORES; SCHIMIDT, 2002).

Tratando-se de uma análise de sistema sob flexão pura, algumas hipóteses são

adotadas por Budynas e Nisbett (2016):

a) A força de cisalhamento é zero e não há cargas axiais ou de torção.

b) Material é isotrópico e homogêneo.

c) Obedece a lei de Hooke.

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d) A viga é inicialmente reta, tendo sua seção transversal constante ao longo

do seu comprimento.

e) A viga tem um eixo de simetria no plano de flexão.

f) Falha apenas por flexão, excluindo-se esmagamento, enrugamento e

flambagem lateral.

g) As suas seções transversais são sempre planas durante a flexão.

Na Figura 7 (a) temos uma viga sob flexão pura. A distribuição das tensões de

flexão ao longo da seção transversal pode ser visto na Figura 7 (b), sendo igual a zero

no plano neutro (y=0) e máximas nas extremidades da seção transversal. Ainda, para

y>1, temos compressão das fibras da viga e para y<1, temos tração.

Figura 7- (a) Viga sob flexão pura – (b) Distribuição das tensões na seção transversal.

Fonte: Budynas e Nisbett (2016, p. 111-112).

A tensão de flexão máxima pode ser definida como mostra na equação (1),

onde c assume a maior magnitude que y pode ter.

𝜎𝑚á𝑥 =𝑀 𝑐

𝐼 (1)

Onde M é o momento fletor e I é o momento de inércia daquela seção

transversal. O momento fletor pode ainda ser definido como mostra a equação (2).

𝑀 = 𝐹 𝑑 (2)

Sendo F a força exercida sobre a viga e d a distância dessa força até o apoio.

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2.12 Flexão em dutos

De acordo com a norma ASTM D790, a depender da finalidade, dutos feitos de

compósitos, especialmente na construção de linhas de dutos complexas, podem estar

sujeitos a flexão. Nesse caso, exceder a tensão permitida pode levar ao trincamento

nas tubulações (PUTIC et al, 2007).

O laminado é tido como simétrico em relação ao eixo axi-simetria quando tem

lâminas nas posições simétricas, em relação ao plano médio, com mesmos materiais,

espessuras e orientação das fibras (NETO; PARDINI, 2006). O laminado pode ser

simétrico em relação ao eixo de axi-simetria central do cilindro, e não ser simétrico em

relação a linha média na sua espessura. Nesse caso, para a teoria macroscópica este

laminado tubular não é simétrico e está sujeito às tensões geradas devido a pressão

interna, temperatura, esforço axial e momento fletor (FELIPPES, 2010).

De acordo com Maxwell et al. (2005), o aumento das tensões de flexão irá

ovalizar o tubo antes da ruptura. Essa ovalização promove elevadas tensões que se

somam à tensão gerada pela pressão interna e então leva o tubo ao colapso plástico.

Em ensaios de flexão realizados em dutos reparados com compósito de fibra

de vidro/epóxi e em amostras do mesmo compósito, após envelhecimento em água e

temperatura a 70°C por 12 semanas, Maxwell et al. (2005), notou que para as

amostras, pouco houve variação visual. Já no duto reparado, observou-se notório

processo de corrosão. O autor destaca que o decréscimo no módulo de elasticidade

entre o material não envelhecido e envelhecido foi de aproximadamente 16% e isso

pode estar relacionado com a cisão da cadeia polimérica que acarreta na diminuição

da massa molecular. Já para o ensaio de flexão no duto, não se pode perceber

grandes variações mecânicas se comparada ao não envelhecido.

Ainda no mesmo estudo, para os ensaios das amostras submetidas apenas a

temperatura de 70°C, não foi observado mudanças expressivas das amostras

envelhecidas e não envelhecidas, provavelmente devido a temperatura do ensaio ser

bem abaixo da temperatura de transição vítrea do composto. Além disso, trata-se de

um material amorfo e as ligações cruzadas promoverem estabilidade a estrutura

molecular (MAXWELL et al., 2005).

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2.13 Análise Dinâmico Mecânica – DMA

O DMA permite a caracterização das propriedades de materiais em função do

tempo, da deformação, da temperatura, da frequência e/ou a combinação destes

parâmetros. Nesta análise, uma tensão não estática oscilante é aplicada a uma

frequência à amostra. A deformação que o material apresenta durante a análise está

diretamente relacionada a sua rigidez. Assim, estes dados são usados para se obter

informações sobre o módulo do material (PRICE,2002; LORAND; CIOFF; ORNAGHI

JUNIOR, 2016).

Para compósitos, o DMA permite o estudo da relaxação da matriz e da

interface, permitindo avaliar o comportamento do material sob diversas condições de

tensão, temperatura e disposição do reforço (IDICULA,2005). Através dessa análise

é possível determinar propriedades como módulo de armazenamento, módulo de

perda e tan delta, bem como a temperatura de transição vítrea (Tg).

Segundo Price (2002) e Deng, Hou e Ye (2007), o módulo de armazenamento

descreve o comportamento elástico do material enquanto que o módulo de perda

caracteriza o comportamento viscoso. Já o fator de perda (tan delta), permite avaliar

a diferença entre as componentes elástica e viscosa do material.

A mudança na transição de um estado de um material sólido vítreo para um

estado borrachudo, ou o inverso, ocorre na chamada temperatura de transição vítrea

(Tg) (ROOS, 1995).

3 Materiais e Métodos

Os dutos, e consequentemente a região reparada com o material compósito,

podem estar sujeitos a condições adversas durante sua operação, como exposição a

temperatura, umidade e esforços mecânicos como o de flexão. Logo, os ensaios e

parâmetros adotados nesse estudo têm como objetivo simular um possível cenário de

trabalho desses dutos reparados e analisar as propriedades do material compósito de

fibra de vidro/epóxi diante dessas condições.

O estudo em questão iniciou-se com a determinação e especificação dos

materiais a serem utilizados como matriz e como reforço. Em seguida, os laminados

do material compósito foram fabricados, a partir dos quais foi realizado o posterior

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corte das amostras. Por último foram realizados ensaios para a caracterização das

propriedades mecânicas após o material compósito ter sido submetido ao

envelhecimento térmico e higrotérmico. A Figura 8 mostra um fluxograma que contém

essas etapas.

Figura 8- Fluxograma das etapas do estudo em questão.

Fonte: Autor.

Os ensaios e análises que foram realizados são: MEV antes e após

envelhecimento, pesagem das amostras a serem envelhecidas antes e depois do

envelhecimento (para análise de variação de massa), ensaio de flexão em 3 pontos e

DMA nas amostras não envelhecidas e envelhecidas. O envelhecimento acelerado e

demais ensaios foram realizados seguindo-se as normas ASTM correspondentes a

cada um.

3.1 Matriz

A matriz utilizada nesse trabalho foi a resina polimérica termofixa do tipo epóxi

a base de Bisfenol A Diglicidil Éter, da fabricante RESILAN EM, com especificações

(a 25°C) mencionadas na Tabela 4

Tabela 4- Características da resina a 25ºC.

Descrição Especificação Técnica

Dureza Barcol 50 a 55

Viscosidade Brook 800 a 1000 cP

Massa específica 1,04 a 1,14 g/cm3

Cor acabamento Incolor

Fonte: RESILAN EM (2019).

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3.2 Reforço

A fibra de vidro tipo E, utilizada como material de reforço foi fornecido pela

empresa Owens Coning ® em forma de tecido bidirecional [0/90°], com gramatura de

600 g/m2, como mostrado na Figura 9.

Figura 9- Malha bidirecional de fibra de vidro utilizada na fabricação do compósito.

Fonte: Autor.

As especificações técnicas do tecido fornecidas pelo fabricante estão

mencionadas na Tabela 5.

Tabela 5- Características do tecido.

Propriedade Máximo Média Mínimo

Gramatura (g/cm2) 618 609 600

Sólido (%) 0,85 0,83 0,81

% Umidade 0,02 0,01 0,00

Fonte: Owens Coning.

3.3 Fabricação do compósito (laminação manual e corte)

O compósito estudado nesse trabalho foi fabricado através do processo de

laminação manual (hand-lay-up), utilizando-se um molde de vidro, no Laboratório de

Compósitos do Departamento de Engenharia de Materiais da UFRN. Foi feita uma

placa do laminado compósito, tendo esta quatro camadas de reforço e impregnadas

com a matriz epóxi. Para a aceleração da reação de polimerização foi utilizado um

catalizador com base de poliamina alifática na proporção de 10% em relação a massa

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da resina, proporção esta recomendada pelo fabricante da resina, e o processo de

cura se deu à temperatura ambiente por sete dias para então ser desmoldado. Após

o desmolde, as amostras foram cortadas por jato de água de acordo com dimensões

especificadas nas normas para cada ensaio.

3.4 Ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura – MEV

Com o intuito de melhorar a visualização das fibras de vidro dentro do

compósito e facilitar a comparação da morfologia do material antes e depois do

envelhecimento, foi realizada uma análise visual das superfícies através de um

microscópio eletrônico de varredura, modelo Hitachi TM-3000. Antes do

envelhecimento acelerado, a área da seção transversal da região de fratura das

amostras submetidas ao ensaio de flexão foi lixada utilizando-se lixas de carbeto de

silício com granulometria variando de 400 a 2000 mesh e em seguida polidas com

solução de alumina. A mesma região da amostra foi examinada antes e depois do

procedimento de envelhecimento acelerado.

3.5 Ensaio de Envelhecimento

O envelhecimento foi realizado por um período de 90 dias (2.160 horas) sob

duas condições, em temperatura e em água salina e temperatura combinadas. Assim,

todas as análises foram realizadas através de uma comparação entre os dados

obtidos com as amostras envelhecidas sob essas condições e com as amostras não-

envelhecidas. A temperatura para o envelhecimento foi de 50ºC, abaixo da

temperatura de transição vítrea da resina utilizada (que é entre 70 e 75ºC), segundo

recomendado na norma ASTM D 1141-98.

3.5.1 Envelhecimento higrotérmico

Inicialmente, visando eliminar a umidade presente no material, cinco amostras

foram condicionadas para secagem em uma estufa de secagem e esterilização com

circulação de ar, marca TECNAL, modelo TE 394/1-MP, sob uma temperatura de

50°C, por 48 horas. Posteriormente, as amostras foram imersas em banhos de água

salina, seguindo-se os parâmetros da norma ASTM D1141-98, sob a temperatura

controlada de 50°C, por um período de 90 dias (2.160 horas).

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3.5.2 Envelhecimento térmico

Nessa etapa, as amostras foram submetidas à condição de 50°C durante 90

dias em estufa com ventilação forçada, modelo TECNAL TE 394/1-MP, a qual pode

ser vista na Figura 10.

Figura 10 – Estufa TECNAL TE 394/1-MP.

Fonte: Autor.

3.5.3 Variação de massa

As amostras a serem utilizadas no ensaio de flexão foram pesadas antes e

depois do envelhecimento acelerado para observar a variação de massa em uma

balança Shimadzu, série UX-4200H (com precisão 0,01g). A variação de massa foi

calculada utilizando-se a Equação (3), a qual está apresentada na norma ASTM D

5229/D 5229M.

𝑀(%) =𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (𝑔)−𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 (𝑔)

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (𝑔)∗ 100 (3)

3.6 Ensaio de Flexão em 3 pontos

Para fins de caracterização das resistência mecânica do material, o ensaio

mecânico de flexão em três pontos foi realizado utilizando-se a máquina universal

Shimadzu AGX – 100 com célula de carga de 300 kN, a uma velocidade de 1 mm/min,

e distância entre apoios de 64 mm, seguindo as diretrizes da norma ASTM

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D7264/D7264M-15. Conforme mostrado na Figura 11, todas as amostras foram

cortadas nas dimensões 4 mm x 13 mm x 130 mm (espessura x largura x

comprimento), à jato de água. Foram ensaiadas todas as amostras das diferentes

condições: não envelhecido, envelhecimento higrotérmico e envelhecimento térmico.

Figura 11- Dimensões das amostras para ensaio de flexão.

Fonte: Autor.

A Figura 12 mostra o procedimento do ensaio de flexão em 3 pontos, que

consiste na aplicação de uma carga P no centro de uma amostra específica, apoiado

em dois pontos. A carga aplicada parte de um valor inicial igual a zero e aumenta

lentamente até a ruptura da amostra.

Figura 12 - Ensaio de flexão em 3 pontos em amostra envelhecida higrotermicamente.

Fonte: Autor.

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3.7 Análise Dinâmico Mecânica – DMA

O ensaio de DMA foi realizado com o intuito de verificar a temperatura de

transição vítrea, temperatura na qual o material passa de um comportamento vítreo

para um comportamento mais borrachoso, e assim poder verificar sua temperatura de

trabalho paras as condições de envelhecimento.

As amostras envelhecidas e não envelhecidas foram cortadas nas dimensões

1,5 mm x 3,0 mm x 56,0 mm (espessura x largura x comprimento), a jato de água,

como mostra a Figura 13. Após o corte, as amostras foram colocadas em estufa a

50ºC durante 48 horas e permaneceram em dessecador até a realização dos ensaios.

As amostras foram analisadas por um equipamento da TA Instruments, modelo DMA

Q800, no modo dual cantilever, frequência de 1 Hz, taxa de aquecimento de 2°C/min.

As medições foram feitas dentro do intervalo de temperatura de 25 a 200°C, de acordo

com as recomendações da norma ASTM D7028-07. Temperatura de transição vítrea,

módulo de armazenamento e tan delta foram determinados em função da

temperatura.

Figura 13 - Dimensões das amostras para ensaio de DMA.

Fonte: Autor.

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36

4 Resultados e Discussões

4.1 Ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura – MEV

Depois de 2.160 h de envelhecimento a 50°C, mudanças notáveis ocorreram

no compósito. Nas Figura 14 e Figura 15 estão apresentados os comparativos entre

o material não-envelhecido e depois dos dois tipos de envelhecimento em cada

condição após o ensaio de flexão. É perceptível um aumento significativo do tamanho

das trincas e da concentração de vazios entre as amostras não envelhecidas e

envelhecidas. Com o aumento das tensões locais devido ao envelhecimento, bem

como à fragilização da matriz induzida pelo efeito da temperatura e da água salina por

um longo período, o material não é capaz de absorver as cargas aplicadas, o que leva

a falhas na estrutura com propagação de trincas.

Figura 14-magens de MEV comparativas na condição (a) não-envelhecida e na condição (b)

envelhecida em água salina.

Fonte: Autor

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37

Figura 15-Imagens de MEV comparativas na condição (a) não-envelhecida e na condição (b) envelhecida temperatura.

Fonte: Autor

4.2 Ensaio de Envelhecimento

4.2.1 Variação de massa

As características de ganho ou perda de massa dos compósitos vidro/epóxi

para ambos os ambientes condicionantes são plotadas em relação à raiz quadrada do

tempo de exposição na Figura 16, de acordo com a equação (3). Os resultados

apresentados para os compósitos são a média do valor de 05 amostras.

Figura 16 - Média da variação de massa em função da raiz quadrada do tempo para as amostras submetidas às duas condições de envelhecimento.

Fonte: Autor.

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38

Os pontos representados em vermelho referem-se ao envelhecimento

higrotérmico em água salina, mostrando ganho de massa gradual na fase inicial de

absorção, e, em seguida, há pouca variação por volta de 30 dias, correspondendo a

uma condição de equilíbrio (mecanismo de absorção fickiano). A absorção de

umidade é caracterizada pela migração de substâncias de baixo peso molecular,

através da difusão. O comportamento difusivo da água está relacionado à orientação

e quantidade de fibras, da matriz e também da natureza da interface fibra-matriz. A

água pode se difundir entre as fibras e a matriz, e então o fluxo capilar da água pode

ocorrer através da interface fibra-matriz, o que por sua vez pode levar ao

enfraquecimento ou destruição da interface fibra-matriz, crescimento de microfissuras

ou vazios e formação de bolhas (ELLYIN; MASER, 2004; SETHI; RAY, 2015).

Os pontos representados em preto referem-se ao envelhecimento térmico,

mostrando pouca perda de massa. Essa pequena variação se deve, provavelmente,

devido à presença de oxigênio no ambiente, indicando que a perda de peso resultou

principalmente da oxidação térmica. A oxidação da matriz epoxídica resulta em perda

de massa e redução no volume da matriz, induzindo o encolhimento da matriz em

relação às fibras (HENAFF-GARDIN, et al. 2001).

4.3 Ensaio de Flexão em 3 pontos

A inspeção visual das amostras antes dos ensaios mecânicos também revela

o efeito causado pela imersão em água e temperatura. A Figura 17 mostra o aspecto

de um conjunto de amostras antes do envelhecimento (Figura 17a), após

envelhecimento higrotérmico (Figura 17b) e após envelhecimento térmico (Figura

17c). Pode-se ver o efeito de branqueamento causado pela água. O clareamento está

associado à presença de trincas ou interfaces descentradas em compósitos

(D’ALMEIDA; ALMEIDA; LIMA, 2008). As amostras que sofreram envelhecimento

térmico apresentaram uma coloração mais amarelada do que as amostras não

envelhecidas e as amostras envelhecidas higrotermicamente.

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Figura 17 - Amostra (a) – não-envelhecida; Amostra (b) – água salina; Amostra (c) – temperatura.

Fonte: Autor

Os resultados obtidos para resistência à flexão dos materiais envelhecidos e

não envelhecidos são mostrados na Figura 18.

Figura 18 - Resistência à flexão para as três condições: não-envelhecida, água salina e temperatura.

Fonte: Autor

Os resultados da resistência à flexão mostram uma redução de 6,5% na

resistência mecânica das amostras envelhecidas ao ar na estufa quando comparados

às amostras não envelhecidas. Já para a ação combinada de umidade e temperatura,

houve uma redução significativa de 23,5% na resistência à flexão.

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40

É perceptível um aumento no desvio padrão para as amostras envelhecidas

comparadas as não envelhecidas, que se deve ao processo de degradação não-

uniforme dos compósitos (RIOS et al., 2016). Apesar de ter acontecido uma pós-cura

com aumento da densidade de ligações cruzadas para as amostras envelhecidas em

água salina, isso não foi suficiente para melhorar a resistência a flexão do compósito.

Esse fato acontece porque o material estudado é sensível à presença da água e a

quantidade de umidade absorvida pela resina da matriz é significativamente diferente

daquela absorvida pela fibra de reforço. Ou seja, como a matriz absorve mais umidade

do que as fibras, há um descompasso significativo na expansão volumétrica, o que

pode ter levado ao aumento de campos de tensão e deformação localizados

(VADDADI; NAKAMURA;SINGH, 2003; HENAFF-GARDIN, et al., 2001).

A temperatura também promove um descompasso devido à expansão térmica

diferencial entre a fibra e a matriz, o que pode ter levado à formação de microtrincas

na interface fibra/matriz (DRZAL; RICH; LLOYD, 1983). Assim, essa interface também

se torna suscetível a reações agressivas devido à exposição à ambientes de alta

temperatura, podendo potencializar a degradação tanto das fibras quanto da matriz

(BOCKENHEIMER; FATA; POSSART, 2004). Portanto, como o efeito da temperatura

no envelhecimento acelerado foi menos pronunciado do que o efeito combinado entre

temperatura e umidade, as amostras envelhecidas só com temperatura apresentaram

uma resistência mecânica maior do que as envelhecidas higrotermicamente.

A Figura 19 mostra as curvas de carga versus deslocamento para as amostras

ensaiadas envelhecidas e não envelhecidas. O gráfico de deslocamento de carga para

as amostras envelhecidas em água salina apresenta uma queda acentuada na carga

aplicada. Entre os resultados das amostras não envelhecidas e envelhecidas

termicamente não houve mudanças significativas. Esta queda na carga se deve

provavelmente à formação de microfissuras no compósito decorrente do efeito

sinérgico.

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41

Figura 19 - Curva de carga versus deslocamento na flexão para as três condições analisadas: não-envelhecida, água salina e temperatura.

Fonte: Autor.

4.4 Análise Dinâmico Mecânica – DMA

Os resultados de DMA em termos de tangente de perda (tan delta) e módulo

elástico de armazenamento são relatados para todas as condições obtidas para

compósitos envelhecidos e não envelhecidos mostrados na Figura 20 e Figura 21.

Figura 20 - Gráfico de tan Delta versus temperatura para as 3 condições analisadas.

Fonte: Autor.

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42

Figura 21 - Gráfico do módulo de armazenamento versus temperatura para as 3 condições analisadas.

Fonte: Autor.

Para as três condições analisadas as curvas de tan Delta apresentam um pico

bem definido, atribuído ao relaxamento da resina e também ao valor da temperatura

de transição vítrea do material, como mostrado na .

Figura 20. Os valores de temperatura de transição vítrea encontrado para as três

condições foram: 83,6°C para o material não-envelhecido, 91,24°C para o material

envelhecido em água salina e temperatura, e 89,17°C para o material envelhecido em

temperatura.

Foi observado um aumento da temperatura de transição vítrea devido ao

aumento na densidade de ligações cruzadas para as duas condições de

envelhecimento em comparação com curva do material não envelhecido. Esse

aumento na temperatura de transição vítrea com o envelhecimento já foi observado

por vários autores (ZHOU; LUCAS, 1999; BARRAL et al., 1995; WANG et al., 2016).

No envelhecimento higrotérmico houve uma redução de 30% no valor de tan delta e

isso pode estar associado ao efeito sinérgico da água e da temperatura, que induz

diversos efeitos, como a plastificação, o descolamento entre fibra e resina, a

degradação molecular, reações de pós-cura e a formação de pseudo ligações

cruzadas com o hidrogênio. (STARKOVA, et. al., 2013; KHAJEH, et al., 2015; ALESSI,

PITARRESI; SPADARO, 2014).

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As observações moleculares previamente citadas permitem explicar as curvas

do módulo de armazenamento mostradas na Figura 21. É possível observar que para

ambos os tipos de envelhecimento há um aumento no módulo de armazenamento

comparado ao material não-envelhecido, referente ao peso molecular médio entre

ligações cruzadas (FLORY, 1953), estando de acordo com os resultados encontrados

por Barral et al. (1995) e Shim et al. (1997). Essa comparação entre os módulos pode

ser feita, pois, como mostrado na Tabela 6, não há variação significativa entre as

dimensões das amostras.

Tabela 6 - Valores médios das dimensões das amostras de DMA.

Espessura média

Largura média

Não-envelhecido 1,48 2,93

Água Salina 1,47 2,92

Temperatura 1,47 2,97

Fonte: Autor.

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5 Conclusões

O objetivo deste estudo foi investigar os efeitos do envelhecimento térmico e

higrotérmico em amostras de fibra de vidro-epóxi, sendo a temperatura para ambas

as condições de envelhecimento de 50ºC, por um período de 3 meses.

As amostras submetidas ao envelhecimento higrotérmico apresentaram

ganho de massa devido a presença de água. Já as amostras envelhecidas

termicamente apresentaram perda de massa causadas pelo processo de

envelhecimento. Os modos de falhas observado no MEV para o ensaio de flexão

mostraram que a ligação da interface provavelmente foi afetada pelo envelhecimento,

uma vez que foi observado um aumento significativo no tamanho das trincas entre os

materiais e na concentração de vazios. Com o aumento das tensões locais devido ao

envelhecimento e com a fragilização da matriz induzida pelo efeito da temperatura e

da água salina por um longo período, o material não foi capaz de absorver a carga

aplicada mostrada no ensaio de flexão, o que levou a falha da estrutura com

propagação de trincas.

No ensaio mecânico de flexão em três pontos foi observado uma redução na

resistência mecânica para ambas as condições de envelhecimento, sendo mais

pronunciada para o envelhecimento higrotérmico. Esse resultado sugere que dutos

expostos a umidade e temperatura tendem reduzir a resistência do material compósito

estudado ao longo do tempo.

Os resultados de DMA indicam um aumento na temperatura de transição

vítrea das amostras envelhecidas em comparação com o material não envelhecido

devido ao processo de pós-cura. Esse aumento da Tg das amostras envelhecidas

sugere que o reparo feito com compósito de fibra de vidro/epóxi pode trabalhar em

temperaturas mais elevadas (mas abaixo da Tg) do que o compósito não envelhecido

sem perder seu comportamento vítreo.

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