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Verificação da Aplicabilidade de Tecido de Balões de Ar Quente e Paraquedas

em Balões Atmosféricos Superpressurizados

Victor Hugo Verzine Garcia, [email protected]

1

Marcos Vinícius Fernandes Ribeiro, [email protected]

Marcelo Aparecido Chinelatto, [email protected]

Paulo Celso Greco Júnior, [email protected]

1Departamento de Engenharia Aeronáutica – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo – Av.

João Dagnone, 1100, Jardim Santa Angelina, CEP 13563-120 – São Carlos (SP) - Brasil 2Departamento de Engenharia de Materiais – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo – Av.

Trabalhador São-carlense, 400, Pq. Arnold Schmidt, CEP 13566-590 – São Carlos (SP) - Brasil

Resumo: Este trabalho visa verificar a aplicabilidade de tecido comercial de balões de ar quente em substituição do

Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) para construção de balões atmosféricos superpressurizados. Largamente

utilizados para pesquisas meteorológicas, de sensores e sistemas de aquisição de dados, balões atmosféricos são

comumente feitos de PEBD em filme, e normalmente importados pelos institutos de pesquisa brasileiros. Fabricado no

Brasil, o produto em estudo é utilizado em balões de ar quente e paraquedas, e possui propriedades bastante diversas

do PEBD, principalmente por se tratar de um material constituído de poliamida e revestido por uma camada de outro

material polimérico. Para se realizar a verificação, foi realizada uma série de ensaios de caracterização do material

para obter os valores de propriedades mecânicas, térmicas, termodinâmicas, microscópicas e de permeabilidade

baseados em normas da ASTM. A partir dos resultados obtidos, foi possível analisar os usos e limites do material,

auxiliando no projeto de balões de ar quente e paraquedas e invalidando sua utilização para balões atmosféricos. As

principais razões que inviabilizaram sua aplicação foram a sua baixa capacidade de retenção de gases com moléculas

muito pequenas como dos gases Hélio e Hidrogênio, e a incompatibilidade de suas características à baixas

temperaturas às quais o superpressurizado é operado.

Palavras-chave: balões atmosféricos, balões superpressurizados, polímeros, poliamida, caracterização de materiais

1. INTRODUÇÃO

Balões Atmosféricos foram os primeiros veículos utilizados pelo homem para voar. O primeiro voo teria ocorrido

em 21 de novembro de 1783 em um balão de ar quente dos irmãos Montgolfier. Fundamentado no Princípio de

Arquimedes (240 A.C.), o avanço no desenvolvimento de balões foi decorrente do empirismo, da descoberta e

aperfeiçoamento de novos materiais, do uso de diferentes gases sustentadores e do estudo da atmosfera.

Os principais incrementos para a teoria de balonismo ocorreram na primeira metade do século 20 decorrente dos

estudos e experimentos da empresa Goodyear Tire & Rubber Co. destacando-se a formulação do conceito de formato

natural de envelopes de balões (Natural-Shape Balloon Concept) de R. H. Upson (1939). Em 1946 a General Mills

iniciou a utilização dos grandes balões de polietileno, material que seria largamente utilizado por todos os grupos de

pesquisa da atmosfera, um divisor de águas (Morris, 1975).

Os balões passaram a atingir altitudes cada vez maiores, se tornando uma alternativa aos foguetes, que também

eram aperfeiçoados no pós 2ª Guerra, pois um programa de pesquisas com balões é muito mais viável economicamente

que um programa de lançamento de foguete. O orçamento do Programa Oficial de Balonismo (OBP – Official Balloon

Program) da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) que envolve profissionais de pesquisa,

construção e lançamento de 18 balões por ano é de cerca de US$25 milhões. Além disso, são mais seguros, pois

foguetes, além de poderem apresentar problemas em seus sistemas de controle, podem explodir, e, a sua carga útil poder

ser facilmente recuperada, sem ser exposta a grandes acelerações, com o auxílio de paraquedas. Desta forma, em 1960 a

NASA lançou o primeiro balão-satélite, o Echo I. Ele utilizava o Mylar, um filme biaxialmente orientado de poliéster

feito de poli(tereftalato de etileno) (BoPET). Desde então, os balões passaram a carregar maiores cargas de

instrumentos, com maiores volumes e operando em maiores altitudes por um longo período. Em 2005, a NASA já

mailto:[email protected]

VI I Co ngr es so N ac io na l de E ng e nhar i a Me câ n i c a , 31 de j u l ho a 0 3 de Ag ost o 20 12 , Sã o L u is - Mar a nhão

estudava a concepção de um Balão de Duração Ultra Longa (Ultra-Long Duration Balloons – ULDB), capaz de

carregar 1 tonelada, a 33km por cerca de 100 dias (NASA, 2005).

Segundo Yajima et al. (2009), os filmes para envelopes de balões devem apresentar características como

resistência, alto percentual de elongação, elevada resistência ao rasgo e baixa temperatura de fragilidade. Então, em

1998, N. Yajima e N. Izutsu propuseram uma nova forma de projetar baseada no conceito de Upson e que ficou

conhecido por Design of Natural-Shape Balloons with Load Tape (3D Gore Design Concept). Nesse conceito, a tensão

no envelope no sentido meridional seria igual a zero, pois, seria aplicada nas fitas de sustentação (load tapes) havendo,

portanto, tensão apenas no sentido da circunferência (Fig. 1).

Figura 1. À esquerda o conceito 3D e à direita a representação da distribuição de tensão (Yajima et al., 2009)

No entanto, quando comparada à resistência específica de materiais como Aramida, PBO e o filme de polietileno,

com materiais utilizados em balões, notam-se uma diferença de cerca de 100 vezes maior para as fibras poliméricas

tornando-as muito interessante devido à maior resistência (Yajima et al. 2009). Além disso, filmes de PEBD e de boa

qualidade são muito difíceis de serem encontrados no Brasil devendo ser importados, inviabilizando a utilização. Então,

buscou-se localizar no Brasil materiais de mais baixo custo que tivessem aplicação em balonismo e paraquedismo e

apresentassem características próximas às esperadas.

O produto em estudo é largamente utilizado como tecido para paraquedas e balões de ar quente no Brasil,

consistindo de um tecido com fibras de poliamida trançadas e entrelaçadas ±45º (woven) em camada única de lâmina

(single layer) e impermeabilizado para água. O interesse em um filme que tenha suas fibras bidirecionadas é a tentativa

de não ser necessário utilizar as fitas de sustentação (load tapes) e ainda assim poder se basear no Conceito 3D (3D

Gore Design Concept) reduzindo o peso final do envelope, mantendo alta resistência com custo mais baixo.

Dessa forma, é evidente a necessidade de se determinar alguns parâmetros principalmente relacionados à resistência

a esforços como tração, à propagação de rasgos, ao efeito de raios ultravioleta inerentes à operação e à altitude a que

estarão expostos. Outros testes importantes visam caracterizar o material de forma a verificar outras propriedades

interessantes como temperaturas de transição do material, direcionamento adequado das fibras, além de outras

substâncias que possam ser de grande valia ao balão em proposição. Para finalizar, é fundamental determinar se o

material é capaz de reter o gás e como ocorre a difusão gasosa.

Assim sendo, o objetivo deste artigo é verificar a aplicabilidade do material a partir de ensaios experimentais, sendo

esses, mecânicos, térmicos e analíticos. Foram realizados os testes de Resistência à Tração (ASTM D882), Resistência

ao Rasgo (ASTM D2261), Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMTA), Calorimetria Exploratória Diferencial

(DSC), Espectrofotometria no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Microscopia Eletrônica por

Varredura com Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X (MEV com EDS) e Permeabilidade e Difusão Gasosa

(ASTM D1434) ao gás Hélio. Os experimentos foram baseados nas normas da American Society for Testing and

Materials (ASTM) e terão suas particularidades explícitas na metodologia de cada teste.

2. METODOLOGIA

Balões atmosféricos são sistemas simples e fáceis de operar. Preenchido com gás sustentador, usualmente Hélio ou

mistura de Hidrogênio e outros gases inertes, em solo, tem sua válvula fechada e é liberado. Durante sua ascensão,

devido às diferenças de pressão, que podem se de cerca de 1/100 entre a atmosfera e o interior do balão, e de

temperatura (resultantes do resfriamento da atmosfera, da interação de raios ultravioleta e infravermelho com o material

do envelope e do aquecimento do gás sustentador por conta dessa interação), o balão começa a tomar o formato de uma

elipsoide (popularmente o formato abóbora). Ele atinge sua altitude limite de operação quando estiver totalmente

preenchido e a sustentação gerada se igualar ao peso total do sistema, ficando estacionado nessa altitude até que o gás

não seja suficiente para mantê-lo suspenso ou até que um mecanismo seja acionado para a liberação do gás ou ocorra o

rompimento do envelope e o balão retorne ao solo. Porém, balões superpressurizados já são lançados completamente

preenchidos. Desse modo, eles tipicamente não são extensíveis, sofrendo pequenas variações de volume.

A tensão nesses balões é distribuída por toda a superfície e a dificuldade se dá por conta da diferença de pressão ser

cerca de 20 vezes maior se comparada à diferença de pressão no topo de um balão a pressão zero (zero-pressure

balloon). Assim, seria interessante utilizar-se um formato esférico, o que na prática é inviável devido a dificuldades na

construção. Então, vários formatos já foram utilizados como: cilíndrico, tetraédrico e formato abóbora (pumpkin).


Outro ponto de importância é a permeabilidade gasosa. O balão estará sujeito a grande diferença de pressão, então é

fundamental que seja capaz de reter o gás, ou que ainda, tenha taxas mínimas de vazamento (Tab. 1) (Lally, 1967).

PERCENTAGE GAS LOSS PER DAY FOR TYPICAL BALLOON SIZES (500-mb, 200-mb, and 30-mb balloons)

Gas flow Balloon Diameter

m3/day cc/sec 500 mb – 1.5 m 200 mb – 2 m 30 mb – 6.7 m

10-4

10-3

0.005% 0.0025% 6 x 10-5

10-3

10-2

0.05 0.025 6 x 10-4

10-2

10-1

0.5 0.25 6 x 10-3

10-1

1 5 2.5 6 x 10-2

1 10 50 25 0.6

10 100 - - - - - - 6

100 1000 - - - - - - 60

A grande dificuldade, no entanto, se dá para a temperatura de transição vítrea do material utilizado no envelope. O

sistema estará exposto a constante resfriamento durante sua ascensão podendo atingir até -57ºC a 11km de altitude.

Dessa forma, o material deve ser capaz de manter ou ter pequena perda de propriedades mecânicas a baixas

temperaturas.

Portanto, os ensaios experimentais propostos são capazes de caracterizar o material e indicar se sua utilização é

viável para esse tipo de balão atmosférico.

3. ENSAIOS EXPERIMENTAIS

3.1 Microscopia Eletrônica por Varredura com Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X (MEV com

EDS)

A Microscopia Eletrônica por Varredura (MEV) consiste na emissão de elétrons para a formação de imagens com

capacidade de resolução em escalas nanométricas (cerca de 10nm) (Canevarolo, 2007), com ampliação de cerca de 20 a

100000 vezes, muito superior à do Microscópio Óptico (OM). Os MEV possuem detectores de elétrons secundários e

elétrons retroespalhados os quais tem, respectivamente, a capacidade de formar imagens (tipicamente) de topografia e

de contraste de composição química.

O material foi submetido ao recobrimento de fita de carbono e em seguida submetido à evaporação no aparelho

LEICA EM SCD050. O estudo de MEV foi realizado no aparelho JSM-6510. O recobrimento da amostra por um filme

condutor visa evitar o acúmulo de carga negativa (Canevarolo, 2007).

Dessa forma, foram realizados ensaios nas duas faces do tecido verificando-se uma nítida diferença entre elas. Uma

superfície é recoberta por um material polimérico no qual, segundo o EDS, destaca-se a grande presença, em massa, de

cloro, cerca de 35,93%, o que pode levar à suposição de que o recobrimento é de um composto à base de cloro. Nota-se

também, da imagem por elétrons secundários (Fig. 3) que esse recobrimento não é uniformemente distribuído pela

superfície, havendo grandes buracos de cerca de 20 m de diâmetro, majoritariamente nas regiões de encontro de fibras.

Além disso, a imagem por elétrons retroespalhados indica a presença de contaminantes que não puderam ser

identificados.

As micrografias da outra face (Fig. 4) não indicam a presença de qualquer tipo de revestimento podendo ser

facilmente visualizada o trançamento (woven) das fibras nas direções principais. Segundo o ensaio por EDS, há a

presença de diversas substâncias, com destaque para o Silício, com cerca de 18,95% em massa. No entanto, é

importante ressaltar que por conta do recobrimento com carbono, a porcentagem de carbono na amostra (que seria

esperada muito alta), não foi considerada o que altera o resultado. Dessa forma, se houvesse a captação de carbono,

possivelmente essas porcentagens (Cloro e Silício) fossem comparativamente inferiores.

As imagens dessa última face com elétrons secundários indicam uma possível transferência desse polímero de

recobrimento para a face sem recobrimento nas regiões dos furos (face oposta). Além disso, as microscopias por

elétrons retroespalhados não indicam qualquer fato a ser ressaltado.

3.2 Espectrofotometria no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

A Espectrofotometria no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) é um procedimento capaz de

determinar os grupamentos químicos de um material. Ela estuda a interação da radiação eletromagnética com a matéria,

pois, as transmissões vibracionais estão na região do infravermelho. Ele consiste na emissão de espectro de

infravermelho e na coleção da reflexão dos diferentes espectros correspondentes aos grupamentos funcionais

encontrados na cadeia polimérica.

Tabela 1 – Porcentagem média de perda gasosa em balões (Lally, 1967)


0

20

40

60

80

O Si Cl S Zn

Face com revestimento

Face sem revestimento

Figura 2 – Gráfico do resultado de EDS da porcentagem em massa dos elementos encontrados

Figura 3 - Face com revestimento - A. Microscopia por elétrons secundários; B. Microscopia por elétrons

retroespalhados; C. EDS

Figura 4 - Face sem revestimento - A. Microscopia por elétrons secundários; B. Microscopia por elétrons

retroespalhados; C. EDS


O método adotado é de Refletância Total Atenuada (ATR) no qual há apenas a absorção superficial do material,

utilizando o aparelho Thermo-Nicolet 4700 ft-ir. Por se tratar de um tecido, o teste foi realizado nas duas superfícies de

modo a verificar a presença de diferentes componentes em cada face e foram obtidas quatro curvas, sendo, duas a duas

referentes a cada face.

As primeiras curvas na Fig. 5.A indicam a face com revestimento. Os picos no quais são determinados os

grupamentos, indicados pela curva em vermelho retratam os números de onda e, com 92% de compatibilidade indicada

pelo aparelho o polímero encontrado é o Poli(vinil acetato-etileno), o EVA. Contudo, não há correspondência verificada

nos outros ensaios, tornando-se inconclusiva sua presença e podendo ser associado ao material de revestimento

encontrado. Verificam-se, a partir dos valores dos números de onda, os seguintes picos e grupos: o intervalo de 2959 a

2871 cm-1

correspondente à região de deformação de ligações C-H alifáticos (notadamente CH2, CH3); 1734 cm-1

,

deformação axial de C=O, Carbonila; 1237 cm-1

, deformação axial de estiramento de C-O; 1023 cm-1

, deformação axial

de C-O, sendo esses três últimos referentes ao grupamento Éster.

A curva na Fig. 5.B se refere à face sem revestimento. Conforme esperado, há a presença da Poliamida. A

compatibilidade de apenas 60% pode ser decorrente da confusão causada pela presença das Poliamida 6 e 6,6 com

diferentes transmitâncias. Verificam-se, a partir dos valores dos números de onda, os seguintes picos e grupos: 3299 cm-

1 correspondente a deformação axial de N-H (comum em Náilon); 2927 cm

-1 de deformação axial de CH2; 1636 cm

-1, de

deformação angular do N-H; tratando-se claramente de um grupamento amina e confirmando a diferença entre as duas

faces.

3.3 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)

A análise por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) tem ampla utilização na caracterização térmica de

materiais poliméricos. O método se baseia na medição das diferentes energias requeridas pelos materiais de referência e

em estudo, inertes, enquanto são submetidos a uma variação controlada de temperatura. As diferentes energias indicam

as variações de temperaturas de transição decorrentes de variações físico-químicas.

Figura 5 – FTIR - A. Espectros no infravermelho da face com revestimento; B. Curva da face sem revestimento

Tecido lado A

80

82

84

86

88

90

92

%T

Poly(vinyl acetate:ethylene) 8:2 - 92%

10

20

30

40

50

60

70

80

90

%T

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Wavenumbers (cm-1)

A

B

Tecido lado B

93

94

95

96

97

98

99

100

%T

Polyamide-6,6 - 60%

10

20

30

40

50

60

70

80

90

%T

1000 1500 2000 2500 3000 3500

Wavenumbers (cm-1)


O sistema adotado pelo aparelho utilizado Mettler-Toledo DSC822e é conhecido por Fluxo de Calor, no qual a

amostra e a referência são colocadas em cadinhos idênticos sob um disco termoelétrico e aquecidas pela mesma fonte

de calor. O cálculo da variação de entalpia é fornecido pelo cálculo da área situada abaixo dos picos no qual se pode

retirar as informações desejadas.

O estudo em questão utilizou uma amostra com massa de 7,03mg, sob fluxo constante de gás nitrogênio, com taxa

de aquecimento de 10°C/min em um espectro entre -80°C e 280°C, do qual foram obtidas três curvas correspondentes

ao 1º aquecimento, ao resfriamento e ao 2º aquecimento.

A análise da curva de cor preta (1º aquecimento) tem destaque a nítida presença de três picos que indicam as

diferentes temperaturas de fusão (Tf) encontradas no material. O primeiro pico à esquerda apresenta a temperatura de

158,93°C da qual não é possível obter qualquer conclusão e identificação. O segundo pico, de 221,20°C indica a Tf da

poliamida 6, que de acordo com a literatura deve estar próximo a 229°C. O terceiro pico, de 251,69°C corresponde à Tf

da Poliamida 6,6, que de acordo com a literatura deve estar próximo a 267°C.

A análise da curva azul (resfriamento) não apresenta nenhum pico que deva ser analisado e do qual possa ser

retirada qualquer conclusão, a não ser a curiosa ausência de um pico de cristalização do material.

A curva em verde (2º aquecimento) indica mudança de inclinação de linha base a 26,87ºC, característica da

temperatura de transição vítrea (Tg). Esta Tg deve estar relacionada com o polímero de recobrimento de um dos lados

do tecido.

Dessa forma, confirma-se a presença das fibras de Poliamida 6 e 6,6, e destaca-se a presença de uma outra

substância da qual não é possível confirmar sua identificação.

Figura 6 - Curvas de resfriamento, 1º aquecimento e 2º aquecimento, respectivamente, por DSC

3.4 Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMTA)

A Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMTA) baseia-se na detecção dos processos de relaxação bem como é

capaz de determinar as temperaturas de transição encontradas no material em estudo. Para tanto, o material é submetido

a algum tipo de esforço dinâmico podendo ser: Flexão em três pontos, Flexão em dois pontos, Tração/Compressão,

Torção e Cisalhamento; submetido a frequência predeterminada (usualmente de 1Hz), submetido a um programa de

temperatura com taxa controlada de aquecimento.

O teste foi realizado no aparelho TA Instruments - Q800 e o tecido foi submetido a uma taxa de aquecimento de

3ºC/min, no intervalo de -100/100ºC, obtendo-se três gráficos dos quais em dois serão analisadas as curvas de Módulo

de Armazenamento e Tan delta (Tan(δ)).

Na curva de Módulo de Armazenamento, a -100ºC é observado o valor de aproximadamente 3GPa e que conforme

ocorre o aquecimento decai. A -78,31ºC há a primeira leve queda que, de acordo com a curva Tan(δ), nota-se um

processo de relaxação decorrente de grupamentos laterais de transição secundária.


Observando a curva de Tan(δ) é destacado o pico de 1,66ºC de transição primária que pode ser associada à

Transição Vítrea (Tg) do revestimento encontrado em uma das faces do tecido e que promove grande relaxação até a

temperatura próxima a 23ºC. A 23ºC o tecido apresenta Módulo de Armazenamento de 731,6 MPa e Módulo de Perda

de 101,8 MPa.

Outro pico de destaque é o de 82,44ºC, notadamente referente a Tg das Poliamidas, refletindo uma queda acentuada

do Módulo de Armazenamento que atinge cerca de 200 MPa a 100ºC.

1.66°C82.44°C

-78.31°C

23.00°C731.6MPa

23.00°C101.8MPa

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

Ta

n D

elta

10

100

1000

Mó

du

lo d

e P

erd

a (

MP

a)

100

1000

10000

Mó

du

lo d

e A

rma

ze

na

me

nto

(M

Pa

)

-150 -100 -50 0 50 100 150

Temperatura (°C) Universal V4.7A TA Instruments

Figura 7 - Curvas de DMTA de Módulo de Armazenamento, Módulo de Perda e Tan(δ)

3.5 Ensaios Mecânicos

3.5.1 Resistência à Tração

O teste de Resistência à Tração é capaz de determinar o Módulo de Elasticidade, Tensão de Escoamento, Tensão na

Ruptura, Deformação na Ruptura. Para tanto, o teste foi baseado na norma ASTM D882 - Standard Test Method for

Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting, que trata de testes em plásticos, ao invés de ser utilizadas outras normas

como ASTM D3039/D3039M, D3518/3518M e D3479/D3479M que tratam de trançados 0/90°, materiais compósitos,

tecidos, pois interessa a peculiaridade da norma D882 que é a espessura limite do material ser de 0,25mm, visto que o

material apresenta espessura média de 0,18mm. Os corpos de prova apresentam comprimento de 700mm e largura de

20mm.

A singularidade do teste se dá na garra utilizada. Diferentemente de outros materiais, a garra para esse teste deve

ser cilíndrica de modo a evitar o rompimento das fibras devido à fixação. Assim sendo, foram realizados testes nas duas

direções principais do tecido sendo elas Trama e Urdume. Esperam-se resultados distintos nas duas direções devido a

diferença de composição das fibras verificada nos testes anteriores.

O teste de Resistência à Tração foi realizado na máquina INSTRON 5569 com velocidade de 1 polegada por

minuto para as duas direções do tecido obtendo resultados significativamente distintos conforme esperado visto a

diferente composição de fibras.

É possível notar na Fig. 8 a alta deformação da poliamida indicando que não há presença de carga (tipicamente,

reforço com fibra de vidro o que dificulta a fiação da fibra).

3.5.1.1 Degradação por Ultravioleta

Um balão atmosférico também é exposto à alta radiação ultravioleta principalmente de raios UVA e UVB, podendo

ser atingido por raios UVC quando ultrapassada a camada de ozônio. Desta forma, foi realizado um ensaio de

degradação por raios UV consistindo na exposição do tecido à radiação e subsequente ensaio de resistência à tração nos

mesmos moldes do teste para o tecido não degradado.

O material com direcionamento do Urdume foi exposto durante quarenta minutos à radiação liberada pela lâmpada

OSRAM Ultra-VItalux E271ES/300W, o que, segundo o manual da fabricante, corresponde a uma eficácia de 6 a 7

vezes superior ao tempo de exposição à radiação UV emitida pelo sol. Assim, à distância de 0,5 metro, o material ficou

submetido ao equivalente a 4 horas de luz solar. Porém, a Poliamida pouco sofre com a simples exposição à UV,

obtendo resultados similares ao obtido com o material não-degradado do Urdume (Fig. 8).


3.5.2 Resistência ao Rasgo

O Teste de Resistência ao Rasgo mede a capacidade do material resistir a um rasgo já iniciado e normalizado. A

norma utilizada para o tecido foi a ASTM D2261 - Standard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by the

Tongue (Single Rip) Procedure (Constant-Rate-of-Extension Tensile Testing Machine), na qual há a expansão constante

das extremidades do corpo de prova preso às garras da máquina. Por conta de limitações no tamanho das garras

utilizadas no teste, os corpos de prova tiveram suas dimensões baseadas na proposta da norma, com sua largura

reduzida.

Os testes foram realizados em corpos de prova nos dois eixos principais do tecido visto que trata-se de um tecido

entrelaçado 0/90° cujas fibras da Trama e do Urdume apresentam características distintas (Poliamida 6,6 no Urdume e

Poliamida 6 na Trama). Dessa forma, esperam-se resultados distintos do rompimento das fibras nas duas direções.

Os testes foram realizados no aparelho INSTRON 5569, à velocidade de 300±100mm/min, nas duas direções

principais do tecido. Os gráficos com os resultados instantâneos do teste mostram picos e vales correspondendo ao

momento posterior ao rompimento de cada fibra no sentido perpendicular ao movimento das garras. Com esses

intervalos pode-se determinar a Força média e a Energia média necessária em cada teste.

O primeiro teste foi realizado com as fibras do Urdume (Poliamida 6,6) perpendiculares ao deslocamento da garra.

A sequência de 9 amostras (tendo uma das amostras descartadas) requereu a Força média de 20,44N e Energia Média de

Rasgamento de 0,14J. O segundo teste foi realizado com as fibras da Trama (Poliamida 6) perpendiculares ao

deslocamento da garra. A sequência de 9 amostras requereu Força Média de 10,16N e Energia Média de Rasgamento de

0,13J. Comparando-se os picos gerados instantaneamente (Fig. 9) é possível notar que a quantidade de picos é menor no

Urdume, pois exigem maior Força com a mesma Energia.

Nota-se na Figura 7.D o modo como o tecido é deformado e como as fibras são rompidas após o teste, com

aparência similar às duas fibras porém com resultados distintos.

Figura 7 – A. Resistência à Tração; B. Resistência ao Rasgo; C. Degradação por Ultravioleta; D. Corpos de

prova antes e após o ensaio de Resistência ao Rasgo; E. Corpo de prova após ensaio de Tração

Figura 8 – Gráfico comparativo das propriedades das direções principais do tecido em ensaio de tração

A B C D E


Figura 9 – Picos do teste de Resistência ao Rasgo; A. Rompimento do Urdume; B. Rompimento da Trama

3.6 Permeabilidade e Difusão Gasosa

É fundamental saber a permeabilidade do gás de sustentação no material a partir da determinação da taxa de difusão

gasosa. Um balão superpressurizado não conta com válvulas de liberação de gás o que requer que o material empregado

no envelope seja capaz de suportar aos requisitos mecânicos e de impermeabilidade gasosa. Para isso, o teste realizado

buscou determinar essa taxa e averiguar a aplicabilidade do material a partir da comparação do resultado obtido com

dados de perda gasosa de outros balões (Tab. 1), e é baseado na norma ASTM D1434 - Standard Test Method for

Determining Gas Permeability Characteristics of Plastic Film and Sheeting. A grande alteração se dá na forma como o

teste foi realizado. Um mecanismo foi desenvolvido de forma a integrar as duas propostas encontradas na norma, uma

manométrica e a outra volumétrica. Ele consiste de uma campânula (Fig. 10) na qual há a verificação da diferença de

pressão na câmara pressurizada com o tempo, indicando a transposição do gás Hélio à outra câmara que é aberta à

atmosfera.

O teste de permeabilidade foi realizado com a campânula construída, na qual a interface utilizada consistiu em uma

dupla camada de tecido. O procedimento adotado foi preencher a câmara com o gás Hélio, verificar a variação de

pressão com um transdutor e fazer a coleta dos dados com um DSpace DS 1103, registrando o decaimento de pressão

com o tempo em um programa de MatLab®. Porém, após três tentativas, analisando apenas o manômetro a queda de

pressão de 20 psi (~140 kPa) ocorreu em menos de 1 minuto, tornando-se desnecessária a utilização do transdutor,

invalidando o material para o armazenamento sob pressão de gás Hélio, conforme era esperado devido aos furos

encontrados no ensaio de MEV, muito superiores à dimensão das moléculas de Hélio.

Figura 10 - Campânula construída para teste de difusão gasosa

4. CONCLUSÃO

Os resultados dos ensaios de caracterização do tecido em estudo foram capazes de mostrar suas propriedades e

correlacioná-las com os requisitos exigidos como envelope de balões superpressurizados.

O material apresenta de fato características muito interessantes para ser utilizado como envelope de balões de ar

quente ou ainda como tecido para paraquedas devido às suas propriedades mecânicas, em especial a Resistência à

Tração próxima à temperatura ambiente bem como a resistência ao rasgo.


Contudo, apesar dessas propriedades mecânicas que poderiam ser aplicadas ao balão superpressurizado, outras

características invalidam sua utilização. A primeira propriedade se trata da alta temperatura de transição vítrea situada a

cerca de 82ºC característica de poliamidas, que deixa o material mais frágil com o decréscimo de temperatura. É

importante ressaltar que a atmosfera tem um decréscimo contínuo de temperatura até cerca de 11km de altitude na qual

atinge -57ºC (Fox et al., 2006), muito inferior à Tg. Além disso, o ensaio por DMTA é capaz de mostrar outro aspecto

importante que é a variação do Módulo de Armazenamento entre as temperaturas de -50ºC a até 23ºC, que apresenta um

alto crescimento entre as temperaturas de 23ºC e -50ºC, tornando o material menos propício a sua utilização devido ao

aumento da fragilidade e da diminuição significativa de deformação.

Outra característica que invalida sua utilização para superpressurizados é a baixa capacidade de retenção gasosa

verificada no ensaio de permeabilidade e difusão gasosa e confirmada, principalmente, por conta dos buracos

encontrados nas microscopias da face com revestimento do ensaio de MEV, significativamente maiores que as

moléculas de gases sustentadores como Hélio e Hidrogênio.

Uma possível utilização com este propósito seria a partir da restrição de altitude de operação (abaixo de 11 km), de

forma a manter as características mecânicas do material, e com a utilização de um revestimento homogêneo de um

polímero capaz de reter gases como o EVA.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a colaboração do Prof. Dr. Harry Edmar Schulz do Laboratório de Fenômenos de Transporte

do Departamento de Engenharia Hidráulica e Saneamento da EESC/USP, de Alexandre Alberto Cardoso Rossmann e

da Prof. Dra. Liliane Ventura do Laboratório de Instrumentação Oftálmica do Departamento de Engenharia Elétrica da

EESC/USP, ao Técnico Luciano Lopes Felippe da Oficina de Criogenia do IFSC/USP.

Um agradecimento especial ao Prof. Dr. José Donato Ambrósio e ao Engenheiro Rubens Eduardo dos Santos do

CCDM/UFSCar, que acreditaram na pesquisa e providenciaram a realização de grande parte dos ensaios.

Agradecimento também aos colegas do Grupo TOPUS de Pesquisas Aeroespaciais da EESC/USP que proveram

todo apoio.

Por fim, o agradecimento à empresa fornecedora do material, pela disponibilidade e por acreditar em nossa

pesquisa.

6. REFERÊNCIAS

Beer, F.P., Johnston Jr, E.R. and DeWolf, J.T., 2006. “Resistência dos Materiais”. Ed. McGraw-Hill. Quarta Edição.

São Paulo, Brasil.

Canevarolo Jr., S. V., 2007. “Técnicas de Caracterização de Polímeros”. Ed. Artliber. São Paulo, Brasil.

Canevarolo Jr., S. V., 2006. “Ciência dos Polímeros”. Ed. Artliber. Segunda Edição. São Paulo, Brasil.

Fox, R.W., McDonald, A.T. and Pritchard P.J., 2006. “Introdução à Mecânica dos Fluidos”. Ed. LTC. Sexta Edição.

Rio de Janeiro, Brasil.

Lally, V.E.,1967. “Superpressure Balloons for Horizontal Soundings of the Atmosphere”. National Center for

Atmospheric Research. Boulder, USA.

Morris, L.A., 1975. “Scientific Ballooning Handbook”. National Center for Atmospheric Research. Boulder, USA.

NASA Report of the Scientific Ballooning Planning Team, 2005. “NASA Stratospheric Balloons. Pioneers of Space

Exploration and Research”. National Aeronautics and Space Administration. USA.

NCAR Facilities Report, 1964. “Standard Test Methods for Balloon Materials”. National Center for Atmospheric

Research. Boulder, USA.

Norma ASTM D882, 2010. “Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting”. American Society

for Testing and Materials. West Conshohocken, USA.

Norma ASTM D2261, 2011. “Standard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by the Tongue (Single Rip)

Procedure (Constant-Rate-of-Extension Tensile Testing Machine)”. American Society for Testing and Materials.

West Conshohocken, USA.

Norma ASTM D1434, 2009. “Standard Test Method for Determining Gas Permeability Characteristics of Plastic Film

and Sheeting”. American Society for Testing and Materials. West Conshohocken, USA.

OSRAM. Manual da lâmpada “Ultra-Vitalux E271ES/300W”.

Yajima, N., Izutsu, N., Imamura, T. and Abe, T., 2009. “Scientific Ballooning: Technology and Applications of

Exploration Balloons Floating in the Stratosphere and the Atmospheres of Other Planets”. Ed. Springer. New York,

USA.

7. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

Analysis of Aplicability of Fabric Used on Parachutes and Hot-Air Ballons in

Superpressure Atmospheric Balloons

Victor Hugo Verzine Garcia, [email protected]

1

Marcos Vinícius Fernandes Ribeiro, [email protected]

Marcelo Aparecido Chinelatto, [email protected]

Paulo Celso Greco Júnior, [email protected]

1Departamento de Engenharia Aeronáutica – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo – Av.

João Dagnone, 1100, Jardim Santa Angelina, CEP 13563-120 – São Carlos (SP) - Brasil 2Departamento de Engenharia de Materiais – Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo – Av.

Trabalhador São-carlense, 400, Pq. Arnold Schmidt, CEP 13566-590 – São Carlos (SP) - Brasil

Abstract: This paper aimes verifying the aplicability of comercial fabric used on hot-air ballons to substitute Low

Density Polyethilene (LDPE) to build superpressure atmospheric balloons. Largely used in metheorological research,

of sensing and data acquisition systems,it is usually build in LDPE films, and imported by brazilian research institutes.

Produced in Brazil, the product under study is utilized in hot-air ballons and parachutes, and presents some different

characteristics when compared with LDPE, initially of being a material constituted of polyamide with a surface of

other polimeric material. To verify this application, a serie of tests was conducted in order to characterize the material

to obtain values of mechanical, termical, termodynamical, microscopical and of permeability properties based on

ASTM normatization. Finally, it was possible to analyse the use and limits of the material, in order to provide useful

information to the project of hot-air ballons and parachutes and to invalidate its use in atmospheric balloons. The

main reasons that made it impractable were its low gas retention capacity when utilyzing Helium and Hydrogen gases,

and because of its low temperature’s characteristics in which the superpressure is under operation.

Keywords: atmospheric balloons, superpressure balloons, polymers, polyamide, materials characterization

mailto:[email protected]

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