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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN
Programa Interdisciplinar de Ps-graduao em Engenharia
(PIPE)
rea de concentrao: Cincia e Tecnologia de Materiais
Anlise de compsitos de polipropileno e
fibras de vidro utilizados pela indstria
automotiva nacional
Autor: Waldyr Naoki Ota
Orientador: Prof. Dr. Sandro Campo Amico
Co-orientador: Prof. Dr. Kestur Gundappa Satyanarayana
Dissertao apresentada ao Programa
Interdisciplinar de Ps-graduao em
Engenharia, como parte dos requisitos
exigidos para obteno do ttulo de Mestre
em Engenharia.
Julho 2004
-
Dissertao aprovada em 29 de Maro de 2004 pela banca examinadora
constituda pelos professores:
Prof. Sandro Campos Amico, Ph.D. (Orientador)
Prof. Ruth Marlene Campomanes Santana, D.Sc. (Membro externo)
Prof. Thais Helena Demetrio Sydenstricker, D.Sc. (DEMEC/UFPR)
-
AGRADECIMENTOS
- Agradeo minha esposa Danielle e meu filho Gian Kenji pela compreenso e apoio
para tornar possvel este estudo de mestrado e todos os meus familiares que sempre
estiveram juntos me ajudando.
- Agradeo ao Prof. Sandro Campos Amico e Prof. Kestur Gundappa Satyanarayana pela
orientao deste trabalho de mestrado.
- Agradeo DENSO DO BRASIL LTDA pela ajuda e pelos recursos fornecidos.
- Agradeo ao Sr. Leomar da ELETROCLUX S A, pela execuo do teste de ndice de
fluidez.
- Agradeo ao Prof. Irineu Mazaro e Profa Maria Aparecida pela realizao do teste de
raio-X.
- Agradeo ao LACTEC pelo ensaio de anlise termogravimtrica e pelas imagens de
microscopia eletrnica de varredura.
-
Esta verso corresponde redao final da dissertao de Mestrado
defendida pelo engenheiro Waldyr Naoki Ota, e aprovada pela Comisso
Julgadora em 29 de Maro de 2004.
_____________________________________________
Prof. Dr. Sandro Campos Amico
-
NDICE
NOMENCLATURA............................................................................................................. I
NDICE DE FIGURAS E TABELAS.................................................................................. II
RESUMO.............................................................................................................................. III
ABSTRACT......................................................................................................................... IV
TRABALHOS SUBMETIDOS............................................................................................ V
CAPTULO I INTRODUO E OBJETIVOS................................................................ 1
CAPTULO II REVISO BIBLIOGRFICA.................................................................. 5
2.1 - Fibras.......................................................................................................................... 5
2.1.1 - Fibras sintticas........................................................................................... 6
2.1.1.1 - Fibras de vidro (FV).................................................................. 7
2.2 - Matrizes...................................................................................................................... 9
2.2.1 - Termofixos................................................................................................... 10
2.2.2 - Termoplsticos............................................................................................. 11
2.2.2.1 - Polipropileno (PP)..................................................................... 11
2.2.2.1.1 Morfologia do polipropileno.................................. 12
2.3 - Interface, interfase e adeso e mecanismo de reforo................................................ 13
2.4 - Compsitos de matrizes termoplsticas...................................................................... 16
2.4.1 - Fabricao.................................................................................................... 17
2.4.1.1 - Injeo....................................................................................... 17
2.4.2 - Compsitos na indstria automotiva........................................................... 20
2.5 - Caracterizao do PP e de compsito de PP/FV........................................................ 23
2.5.1 - Mtodos mecnicos..................................................................................... 23
2.5.1.1 Trao........................................................................................... 24
2.5.1.2 Impacto......................................................................................... 26
CAPTULO III MATERIAIS E MTODOS.................................................................... 29
3.1 - Materiais utilizados.................................................................................................... 29
3.1.1 - Polipropileno................................................................................................ 29
-
3.1.2.- Compsitos de polipropileno reforados com de fibras de vidro............... 30
3.2 - Mtodos...................................................................................................................... 31
3.2.1 - Injeo de corpos de prova.......................................................................... 31
3.2.2 - Caracterizao fsica e qumica................................................................... 32
3.2.2.1 Densidade relativa....................................................................... 32
3.2.2.2 ndice de Fluidez (MFI)................................................................ 33
3.2.2.3 Difrao de raio-X........................................................................ 34
3.2.2.4 Anlises ticas caracterizao das fibras de vidro..................... 35
3.2.3 - Caracterizao trmica................................................................................. 36
3.2.3.1 Anlise termogravimtrico (TGA)................................................ 36
3.2.4 - Caracterizao mecnica.............................................................................. 37
3.2.4.1 Ensaios de trao.......................................................................... 37
3.2.4.2 Ensaios de impacto....................................................................... 38
3.2.4.3 Anlise das surperfcies de fratura por microscopia eletrnica de varredura (MEV)....................................................................
40
3.2.5 - Anlise estatstica........................................................................................ 42
CAPTULO IV RESULTADOS E DISCUSSES........................................................... 43
4.1 - Propriedades fsicas, qumicas e trmicas.................................................................. 43
4.1.1 - Densidade relativa........................................................................................ 43
4.1.2 - ndice de fluidez .......................................................................................... 44
4.1.3 - Comprimento das fibras nos compsitos..................................................... 45
4.1.4 - Cristalinidade............................................................................................... 49
4.1.5 - Perda de massa por termogravimetria.......................................................... 53
4.2 - Propriedades mecnicas.............................................................................................. 55
4.2.1 - Comportamento dos compsitos em ensaios de trao............................... 56
4.2.1.1 Resistncia trao....................................................................... 57
4.2.1.2 Mdulo elstico............................................................................ 60
4.2.1.3 Alongamento na ruptura............................................................... 62
4.2.1.4 Anlise da superfcie de fratura.................................................... 64
4.2.2 - Comportamento dos compsitos em ensaios de impacto............................ 68
4.2.2.1 Anlise da superfcie de fratura.................................................... 71
CAPTULO V CONCLUSES........................................................................................
77
CAPTULO VI SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS................................... 80
-
CAPTULO VII REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................... 81
-
I
NOMENCLATURA E ABREVIAES
ASTM American Society for Testing and Materials
D Dimetro (m)
d Distncia entre os planos (m)
DSC Calorimetria diferencial de varredura
DTA Anlise termodinmica
E Mdulo de Young (MPa)
EPDM Borracha etileno propileno dieno
EPR Borracha etileno propileno
FV Fibras de vidro
HDT Temperatura de deflexo trmica (C)
iPP Polipropileno isottico
ISO International Standardization Organization
KBr Brometo de potssio
L Comprimento da fibra (m)
Lc Comprimento crtico da fibra (m)
Ln Comprimento mdio das fibras (m)
l Comprimento sob deformao(mm)
lo Comprimento inicial (mm)
l Deslocamento mximo (mm)
MEV Microscopia eletrnica de varredura
MFI ndice de fluidez (g/10min)
n Nmero de onda
PBT Politereftalato de 1,2 butileno
PC Policarbonato
PEEK Poli(ter-ter-cetona)
POM Poliacetal
PP Polipropileno
PP/FV Compsito de polipropileno com fibras de vidro
-
I
PP0%FV Polipropileno puro
PP20%FV Compsito de polipropileno com 20% em massa de fibras de vidro
PP30%FV Compsito de polipropileno com 30% em massa de fibras de vidro
PPS Poli(sulfeto de fenileno)
sPP Polipropileno sindiottico
TGA Anlise termogravimtrica
Xc ndice de cristalinidade (%)
%Vf Frao volumtrica da fibra (%)
%Vpp Frao volumtrica do polipropileno (%)
%Wf Frao mssica da fibra (%)
%Wpp Frao mssica do polipropileno (%)
Resistncia interfacial (MPa)
Tenso (MPa)
f Resistncia trao da fibra (MPa)
d Variao de tenso at escoamento (MPa)
Deformao especfica (%)
d Variao de alongamento at escoamento (%)
ngulo de difrao ( )
c Densidade do compsito (g/cm3)
f Densidade da fibra (g/cm3)
pp Densidade do polipropileno (g/cm3)
vidro Densidade do vidro (g/cm3)
-
II
NDICE DE FIGURAS E TABELAS
FIGURAS
Figura 2.1 - Exemplo de (a) unidade de injeo e (b) unidade de fechamento
(sistema de alavanca duplo de quatro pontos).......................................... 20
Figura 2.2 - Exemplo de aplicaes de outros tipos de materiais como
polipropileno com talco............................................................................ 22
Figura 2.4 - Exemplo de aplicaes de outros materiais como o poliacetal
(POM) e polibutadieno tereftalato (PBT)................................................. 23
Figura 3.1 - Foto da injetora utilizada para injeo de corpos de prova de trao
e Impacto................................................................................................... 31
Figura 3.2 - Fotos do equipamento de medio de ndice de fluidez......................... 33
Figura 3.3 - Foto do microscpio tico...................................................................... 36
Figura 3.4 - Foto do corpo de prova utilizado para ensaio de impacto e trao......... 38
Figura 3.5 - Mquina universal de ensaios................................................................. 39
Figura 3.6 - Detalhe do extensmetro utilizado no ensaio de trao.......................... 39
Figura 3.7 - Foto do equipamento de teste de impacto............................................... 40
Figura 3.8 - Foto do equipamento de microscopia eletrnica de varredura............... 41
Figura 3.9 - Equipamento para preparao das amostras para anlise de
microscopia eletrnica de varredura......................................................... 41
Figura 4.1 - Comparao entre as densidades medidas experimentalmente e as
informadas pelo fabricante para o PP0%FV, o PP20%FV e o
PP30%FV e regresso linear de acordo com a regra das misturas.......... 44
Figura 4.2 - Histograma de distribuio de comprimentos de fibras nos
compsitos (PP20%FV) antes e aps a moldagem por injeo............... 46
Figura 4.3 - Histograma de distribuio de comprimentos de fibras nos
compsitos (PP30%FV) antes e aps a moldagem por injeo............... 47
Figura 4.4 - Distribuio cumulativa do comprimento das fibras para os
compsitos estudados, antes e aps a moldagem por injeo................. 47
Figura 4.5 - Histograma de distribuio de comprimentos de fibras nos
compsitos (PP20%FV) injetados em 170C e 250C............................. 48
Figura 4.6 - Histograma de distribuio de comprimentos de fibras nos
-
II
compsitos (PP30%FV) injetados em 170C e 250C............................. 49
Figura 4.7 - Difratogramas de raio-X de (a) PP0%FV, (b) PP20%FV e (c)
PP30%FV................................................................................................ 50
Figura 4.8 - Difratogramas de raio-X para PP0%FV com temperatura de injeo
diferenciada (a) 190C , (b) 210C , (c) 230C e (d) 250C.................... 50
Figura 4.9 - Taxa de cristalinidade para PP0%FV com temperatura de injeo
diferenciada de 170C, 190C, 210C, 230C e 250C.............................. 52 Figura 4.10 - Taxa de cristalinidade para PP0%FV, PP20%FV e PP30%FV
injetados 170C....................................................................................... 52 Figura 4.11 - Resultado da anlise termogravimtrica para o PP0%FV, injetado a
170C, 210 e 250C................................................................................. 54
Figura 4.12 - Resultado da anlise termogravimtrica para os diferentes
compsitos e para o PP0%FV, injetados a 170C................................... 54
Figura 4.13 - Curvas tenso-deformao tpicas para os diferentes materiais
Analisados obtidas em ensaios de trao a temperatura ambiente
(temperatura de injeo = 190C)............................................................ 56
Figura 4.14 - Curva tenso-deformao tpica completa............................................ 57
Figura 4.15 - Corpos de prova aps o teste de trao................................................... 58
Figura 4.16 - Variao da resistncia trao dos diferentes materiais analisados.... 59
Figura 4.17 - Variao do mdulo elstico dos diferentes materiais analisados........ 61
Figura 4.18 - Variao do mdulo elstico com o teor de fibras................................ 61
Figura 4.19 - Variao do alongamento dos diferentes materiais analisados............. 63
Figura 4.20 - Micrografias das superfcies de fratura das amostras de (a)
PP20%FV 170C (80x), (b) PP30%FV 170C (80x), (c) PP20%FV
170C (200x), (d) PP30%FV 170C (200x), obtidas por microscopia
eletrnica de varredura (teste de trao)................................................... 64
Figura 4.21 - Micrografias das superfcies das amostras de (a) PP20%FV 190C
(80x), (b) PP30%FV 190C (80x), (c) PP20%FV 190C (200x) e
(d) PP30%FV - 190C (200x), o btidas por microscopia eletrnica de
varredura (teste de trao)......................................................................... 65
Figura 4.22 - Micrografias das superfcies das amostras de (a) PP20%FV 230C
(200x), (b) PP20%FV 230C (400x), (c) PP20%FV 230C (1000x),
(d) PP30%FV - 230C (200x), (e) PP30%FV - 250C (400x) e (f)
-
II
PP30%FV - 250C ( 1000x), o btidas por microscopia eletrnica de
varredura (teste de trao).........................................................................
67
Figura 4.23 - Variao da resistncia ao impacto com a temperatura de injeo na
moldagem................................................................................................. 70
Figura 4.24 - Resistncia ao impacto mdia e Desvio padro para cada temperatura
de injeo................................................................................................. 70
Figura 4.25 - Micrografias das superfcies das amostras (a) PP0%FV 170C
(100x), (b) PP20%FV 170C (100x), (c) PP30%FV 170C (100x),
(d) PP0%FV 1 70C (500x), (e) PP20%FV 170C (500x), (f)
PP30%FV 170C (500x), obtidas por microscopia eletrnica de
varredura (teste de impacto)...................................................................... 72
Figura 4.26 - Micrografias das superfcies das amostras (a) PP20%FV 210C
(100x), (b) PP30%FV 210C (100x), (c) PP20%FV 230C (100x),
(d) PP30%FV 230C (100x), (e) PP20%FV 250C (100x), (f)
PP30%FV 250C (100x), obtidas por microscopia eletrnica de
varredura (teste de impacto)..................................................................... 73
Figura 4.27 - Micrografias das superfcies das amostras na regio prxima ao
entalhe de (a) PP0%FV 190C (100x), (b) PP20%FV 190C (100x),
(c) PP30%FV 190C (100x), obtidas por microscopia eletrnica de
varredura (teste de impacto)..................................................................... 74
Figura 4.28 - Micrografias das superfcies das amostras na regio prxima ao
Entalhe de (a) PP20%FV 210C (100x), (b) PP30%FV 210C
(100x), (c) PP20%FV 230C (100x), (d) PP30%FV 230C (100x),
obtidas por microscopia eletrnica de varredura (teste de impacto)......... 75
-
II
TABELAS
Tabela 3.1 - Propriedades do polipropileno......................................................... 29
Tabela 3.2 - Propriedades do compsito PP20%FV e PP30%FV....................... 30
Tabela 4.1 - Comparao de valores de densidade medidos experimentalmente
com os informados pelo fabricante.................................................... 43
Tabela 4.2 - Influncia da composio e do processamento no ndice de
fluidez do material............................................................................. 45
Tabela 4.3 - Picos caractersticos de difrao de raio-X para o polipropileno...... 51
Tabela 4.4 - Mdia dos resultados obtidos durante o ensaio e trao para os
diferentes materiais.............................................................................. 59
Tabela 4.5 - Influncia da composio e do processamento na resistncia ao
Impacto.............................................................................................. 69
-
III
RESUMO
O polipropileno apresenta baixo custo e, quando for reforado com fibras de vidro,
freqentemente utilizado como compsitos. Em peas injetadas, uma maior resistncia
trao e ao impacto dos compsitos so caractersticas cruciais para diferentes aplicaes
dos mesmos.
O objetivo deste trabalho a caracterizao de propriedades mecnicas, trmicas e
fsicas em compsitos de polipropileno (PP) com fibras de vidro (FV) processados em
diferentes temperaturas de injeo e utilizados pela indstria automotiva na fabricao de
ventoinhas para sistema de arrefecimento.
Compsitos de PP com 20% e 30% (em massa) de FV foram moldados em
diferentes temperaturas de injeo (170C, 190C, 210C, 230C e 250C) para obter corpos
de prova para testes de trao (ASTM-D638) e impacto (ASTM-D256) e tambm amostras
para anlises trmicas e fsicas, como comprimento das fibras, densidade do compsito,
ndice de fluidez e termogravimetria.
Os resultados obtidos a partir dos testes de trao demonstraram que, como
esperado, os compsitos com maior teor de reforo apresentaram um aumento na
resistncia trao, mdulo elstico e diminuio no alongamento na ruptura. Para
compsitos reforados pela mesma frao volumtrica de fibras, foram detectadas
variaes estatisticamente significativas no mdulo elstico com a temperatura, o que no
se verificou, no entanto, para a resistncia trao. Testes de impacto mostraram que
medida que aumenta a temperatura de injeo, h uma queda acentuada da energia
necessria para a fratura do polipropileno. O compsito, no entanto, mostrou-se
relativamente menos afetado pela temperatura de injeo.
A partir de imagens de microscopia eletrnica de varredura das amostras de teste de
trao e de impacto, foi observado tambm uma diminuio da quantidade de vazios ou
bolhas com o aumento do teor de fibras e diminuio do arrancamento (pull-out) de fibras
na matriz polimrica com o aumento da temperatura de injeo de 170C para 250C.
Correlaes foram feitas entre as condies de injeo e as propriedades medidas,
evidenciando a necessidade de controle do processo de injeo na fabricao de peas
comerciais.
-
IV
ABSTRACT
Polypropylene has low cost and, when reinforced with glass fibres, is usually
utilized as composites. The tensile and impact strength properties of such composites are
very important characteristics of the moulded parts for different applications and therefore
they need to be adequately monitored.
Hence, the goal of this work is to characterize composites of polypropylene (PP)
reinforced with glass fibres moulded under different injection temperatures (170C, 190C,
210C, 230C and 250C). The choice for this specific composite is mainly due to its use in
the production of cooling fans by the Brazilian automotive industry.
The PP composites with 20 or 30% (weight basis) of glass fibre content were
injection moulded to obtain test pieces for tensile (ASTM D 638) and impact (ASTM D
256) tests and to obtain samples for physical and thermal analysis.
The tensile test results showed an increase of tensile strength and elastic modulus
with a decrease of elongation to failure for the composites with increasing reinforcement
content. For composites with the same fibre weight fraction, though significant statistical
variations in elastic modulus were observed, no such variations occurred for tensile
strength. The impact strength decreased when the injection temperature was increased for
pure polypropylene, but this was not noticed for the composites.
Scanning electron microscopic analyses of both tensile and impact tested samples
showed a decrease of void volume fraction with fibre content and also a decrease of fibre
pull out with increasing injection temperature from 170C to 250C.
The correlations between injection conditions and test results obtained in this study
imply the necessity of having strict injection condition control in order to maximize
requisite properties when producing commercial parts.
-
TRABALHOS SUBMETIDOS
- COMPORTAMENTO MECNICO EM TRAO E IMPACTO DE
COMPSITOS DE POLIPROPILENO COM FIBRA DE VIDRO
15 Congresso Brasileiro de Engenharia Qumica (COBEQ) Curitiba - PR
- INFLUNCIA DAS CONDIES DE INJEO EM COMPSITOS DE
POLIPROPILENO/FIBRA DE VIDRO
15 Congresso Brasileiro de Engenharia Qumica (COBEQ) Curitiba - PR
-
- 1 -
CAPTULO I
INTRODUO E OBJETIVOS
Neste captulo, sero descritas a introduo e os objetivos que levaram a iniciar e
desenvolver este estudo de mestrado.
1.1 INTRODUO
Embora no haja definio universalmente aceita, um material compsito pode ser
visto como um sistema composto de dois ou mais macroconstituintes que diferem em forma
ou composio material e/ou que so essencialmente insolveis um no outro. A princpio,
qualquer combinao de dois ou mais materiais (metlicos, polimricos ou cermicos) pode
ser construda, porm a forma dos constituintes mais empregada fibra, partcula, lmina,
camada, floco ou carga e matriz. A matriz constitui o corpo ou fase contnua, servindo para
dar forma ao compsito; os outros constituintes so denominados estruturais, pois
determinam a estrutura interna do compsito.
Dentre os materiais compsitos, o reforo tipo fibra tem despertado grande interesse
em engenheiros da industria de diversos setores como automotiva, da construo,
mecnica, metalrgica, farmacutica, naval, aeronutica, aeroespacial, entre outras. Uma
vez que a forma fibrosa de um material possui elevada resistncia trao e alto mdulo de
elasticidade, este tipo de material usado atualmente como material de engenharia em
combinao com uma matriz que, alm de envolver e proteger a fibra, deforma sob a ao
de uma fora e lhe distribui a tenso, impedindo a propagao de falhas (Schwartz, 1984).
Os compsitos de fibras de vidro (FV) alcanaram o domnio de mercado aliando custo de
produo relativamente baixo e boas propriedades fsicas.
Como a tendncia da utilizao dos materiais tradicionais reduzir cada vez mais o
peso de materiais metlicos, os materiais mais leves e de menor custo que possuem uma
relao custo/benefcio, tornaram-se cada vez mais importantes e procurados, como os
materiais polimricos e seus compsitos. Devido a estes fatos, a plena caracterizao desses
-
- 2 -
novos materiais se torna crucial, assim como a importncia de se obter o domnio das
condies de processamento dos mesmos.
Um dos materiais mais utilizados nos diversos ramos de indstria como a da
mecnica, metalrgica, farmacutica, naval, aeronutica, aeroespacial, automotiva e entre
outras, sem dvida o termoplstico chamado polipropileno.
O polipropileno um termoplstico poliolefnico malevel a temperatura ambiente e
significativamente resistente. A alta cristalinidade do PP, entre 60 e 70%, lhe confere
elevada resistncia mecnica, rigidez e dureza (Blass, 1988), que se mantm a temperaturas
relativamente elevadas. A sua estrutura semicristalina de massa molar entre 80.000 e
500.000, com densidade aproximadamente de 0,90-0,91 g/cm3 (Calister, 1996).
Este material pode ser facilmente moldado por injeo, por extruso,
termoformagem, rotomoldagem entre outros, demonstrando que o seu processamento
extremamente simples e fcil em vrios tipos de moldagem. Este fato com certeza um dos
fatores que leva este termoplstico a ser muito freqentemente procurado por indstrias de
processamento. O seu baixo custo tambm favorece a comercializao e produo em larga
escala em comparao com outros materiais como os materiais metlicos. As suas
propriedades mecnicas so inferiores em comparao com os materiais tradicionais como
os metlicos, porm dependendo da sua aplicao, o uso deste material se torna mais
interessante.
O polipropileno possui a sua temperatura de transio vtrea abaixo da temperatura
ambiente, aproximadamente de -18C (Calister,1994), fato que faz com que este material
seja flexvel em temperatura ambiente. Como flexvel, o polipropileno se torna dctil
podendo assim ser utilizado tambm em aplicaes que envolvem impacto. A sua
temperatura de fuso de aproximadamente 165C, que tambm um outro ponto positivo,
podendo ser utilizado em temperatura acima da temperatura ambiente.
Com estas diversas vantagens, o polipropileno vem sendo usado na indstria
domstica na fabricao de copos plsticos, pratos, brinquedos entre outros. Na industria
automotiva, este material vem ganhando campo em substituio aos materiais metlicos
que so mais caros, mais pesados e que possuem a dificuldade de serem processados sob
formatos complexos. Em contra-partida, o polipropileno pode ser moldado no formato final
por injeo de modo rpido e eficiente. O polipropileno est presente nos pra-choques dos
-
- 3 -
veculos, processados na maioria dos casos por moldagem a vcuo em painis de veculos
que podem ser moldados por injeo, carcaas, defletores do sistema de ar-condicionado
que so moldados tambm por injeo e outras diversas aplicaes. Outras vantagens que
favorecem a utilizao de polipropileno ao invs de materiais metlicos incluem:
1- reduo na corroso;
2- leveza do veculo;
3- alta resistncia para pequenos choques;
4- boa proteo para passageiros, e
5- melhor vedao de rudo no veculo.
O polipropileno tambm muito utilizado como base polimrica onde as peas
plsticas so geralmente pintadas. Os engenheiros na indstria automotiva tm tentado
melhorar a propriedade de aderncia da tinta para serem usadas por longo tempo (Brun,
2000). Apesar da tecnologia de polmeros ter crescido, entretanto, estes materiais esto
sujeitos aos fenmenos de envelhecimento, em particular a degradao por oxidao, o que
requer estudos mais avanados (Rjeb, 2000).
Pelos motivos apresentados, acredita-se que o polipropileno , e continuar sendo,
um material bastante apreciado pela indstria brasileira e mundial e mais aplicaes
continuaro a ser identificadas para este valioso material polimrico.
A aplicao especfica para o polipropileno na indstria automotiva que este
trabalho focou foi a ventoinha do radiador, que fabricado em compsito de polipropileno
reforado com 20 e 30% em peso de fibras de vidro.
A inteno nacionalizar a matria-prima (compsito polipropileno/fibra de vidro)
e por isto foi necessrio um estudo cuidadoso das propriedades de interesse para a nova
matria-prima que se pretende utilizar para esta aplicao, gerando a motivao para
desenvolvimento deste trabalho de mestrado.
Para tanto, foram solicitadas amostras de matria-prima nacional de polipropileno
com 20 e 30% em massa de fibras de vidro, para se analisar, entre outros, o comportamento
mecnico em relao s condies de processamento, como a temperatura de injeo, que
uma das variveis mais importantes do processo de moldagem da ventoinha.
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- 4 -
1.2 OBJETIVOS
Este trabalho tem por objetivo, estudar os compsitos de polipropileno carregados
com 20% e 30% em massa de fibras de vidro atravs das seguintes objetivos especficos:
- Fabricar corpos de provas destes materiais em temperaturas variadas como
170C, 190C, 210C, 230C e 250C, por moldagem por injeo.
- Analisar o comportamento das propriedades mecnicas, trmicas e fsicas dos
compsitos injetados em diferentes temperaturas de injeo, mantendo outros
parmetros de injeo constantes.
- Checar a possibilidade de se utilizar as matrias-primas alternativas, fornecidas
por uma empresa nacional, para a ventoinha do radiador, a partir dos resultados
encontrados.
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- 5 -
CAPTULO II
REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 FIBRAS
H algumas dcadas, existem interesses em pesquisa e engenharia em materiais de
polmeros reforados com fibras denominadas compsitos. Estes compsitos, como
plsticos reforados com fibras de vidro, carbono e aramida, so usados, por exemplo, nas
indstrias aeroespacial, automotiva, de construo e de esportes (Wambua et al, 2003).
A utilizao de cargas e reforos pela indstria de plsticos no apenas tem
alcanado volumes expressivos como tambm vem mudando o perfil da indstria pela
ampliao do espectro de aplicao de diversos polmeros.
Compsitos de polmeros reforados com fibras curtas so muito atrativos devido
sua facilidade de fabricao, economia e propriedades mecnicas superiores. Processos de
injeo e extruso so freqentemente usados para fabricao destes compsitos (Fu et al,
2000). Desta forma, houve uma necessidade de aumentar o entendimento sobre as
influncias dos parmetros que controlam as relaes entre propriedades e estrutura destes
compsitos carregados com fibras (Thomason , 2002).
As principais razes para modificaes de plsticos com cargas so:
1- Aumento da resistncia ao calor;
2- Reduo de custo;
3- Aumento da rigidez;
4- Reduo da contrao;
5- Alterao das propriedades eltricas;
6- Reduo da flamabilidade;
7- Modificao do peso especfico;
8- Aumento da resistncia compresso;
9- Maior capacidade de lubrificao;
10- Reduo da permeabilidade;
11- Aumento da resistncia ao impacto e
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12- Maior estabilidade dimensional.
As principais variveis materiais da fibra que iro afetar significativamente as
propriedades mecnicas de plsticos reforados so:
1- Tipo de fibra;
2- Comprimento mdio das fibras;
3- Orientao da fibra e anisotropia;
4- Interface fibra-polmero e
5- Disperso das fibras.
2.1.1 FIBRAS SINTTICAS
Vrias fibras sintticas foram desenvolvidas especificamente para substituir as
fibras naturais, pois as primeiras tm comportamento mais previsvel e so geralmente mais
uniformes no tamanho, alm de custarem menos que as equivalentes. As mais comuns so
o nylon 6, o nylon 66, os polisteres saturados, o polipropileno, as elastomricas e as
acrlicas.
Algumas fibras sintticas ocupam um papel como fibras de reforo e as suas
principais utilizadas so:
1- Fibras de vidro: as mais importantes substncias que podem obter o estado
vtreo so slica (SiO2) e os silicatos, xido brico (B2O3) e os boratos,
pentxido de fsforo (P2O5) e os fosfatos (Chrtien, 1986);
2- Fibras de aramida: so fibras de poliamidas aromticas com, no mnimo, 85%
das funes amidas atadas diretamente a dois anis aromticos, como o kevlar e
FA arenka;
3- Fibras de boro: sua fabricao feita pela deposio em fase vapor do boro
sobre um filamento de tungstnio a uma temperatura de 1500K e seus
compsitos custam mais que os de fibra de carbono, porm apresentam
propriedades mecnicas superiores (Daviaud e Filliatre, 1983);
4- Fibras carbnicas: so fibras de elevada resistncia trao, porm um
material quebradio com baixa deformao e
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5- Grafticas: so fibras de alto mdulo obtido a partir da grafitizao da fibra de
carbono em uma temperatura superior a 1800C, onde se obtm uma estrutura
cclica quase perfeita que se aproxima da clula graftica (teor de carbono
superior a 99%, dependendo da temperatura de tratamento).
2.1.1.1 FIBRAS DE VIDRO
Existem muitos grupos de vidros, por exemplo, a slica, o oxinitrito e o fosfato,
porm a slica a mais importante para uso em compsitos (Matthews e Rawlings, 1994).
As fibras de vidro curtas do tipo E (E-glass), obtidas a partir de uma mistura de xidos de
Si, Al, B, Ca e Mg (borosilicato de alumina e calcio), so normalmente usadas como
reforos para termoplsticos devido ao seu baixo custo, comparados com a aramida e o
carbono (Wambua et all, 2003) e resultam na melhoria das propriedades dos materiais
como a resistncia ao impacto e rigidez (Larena et al, 1992).
A fibra do tipo S (S-glass - strength) ou tipo R na Europa, baseada no sistema
SiO2 Al2O3 MgO, esta fibra tem uma alta resistncia em relao a fibras do tipo E
(Matthews et Rawlings, 1994). As fibras do tipo S tambm possuem boas propriedades a
altas temperaturas. Outras fibras tm sido desenvolvidas como as do tipo C ou C-glass
(chemical glass), do tipo E-CR ou E-CR-glass (chemical resistance) e do tipo AR ou AR-
glass (alkali resistance glass resistncia alcalina).
A fibra de vidro bastante difundida devido s suas boas propriedades mecnicas,
porm uma de suas desvantagens a irritao que causa na pele, quando as fibras contidas
na matriz podem ter contato com a pele humana. Devido a isto, fibras minerais tm sido
utilizadas como alternativas para estas como basalto de baixo custo, que possuem
excelentes propriedades mecnicas, no lugar das fibras de vidro (Szab e Czigny, 2003).
As fibras de vidro so facilmente produzidas por aquecimento do vidro e por
moldagem por foras gravitacionais a partir de um mandril de platina. O mandril contm
aproximadamente 200 canais e ento 200 fibras de dimetro de 10 microns so feitas
simultaneamente (Matthews e Rawlings, 1994).
Uma emulso geralmente aplicada nas fibras de vidro para melhorar a
processabilidade e para reduzir danos durante o manuseio. Coberturas superficiais podem
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tambm ser aplicadas para melhorar a adeso entre a matriz e a fibra (De e White, 1996).
Estas emulses contm de agentes de acoplamento que so os complexos organosilanos
(Matthews et Rawlings, 1994).
O vidro um timo agente de reforo porque tem uma alta resistncia trao
(acima de 3,6 GN/m2) e um alto mdulo de Young (94 GN/m2). As fibras de vidro tm uma
boa estabilidade dimensional, no sofrem fluncia e estas caractersticas so repassadas
para o compsito reforado com estas fibras. Como o vidro relativamente um material
inerte, as fibras tambm so imunes aos ataques biolgicos e tm uma boa resistncia aos
ataques de solventes e produtos qumicos. As fibras de vidro no so inflamveis e tm
boas propriedades eltricas (De e White, 1996).
Fibras de vidro possuem geralmente de 5-20 microns de dimetro e suas superfcies
no so livres de falhas. Quando compostos so processados, as fibras se tornam mais
curtas especialmente no caso de moldagem por injeo na qual uma grande tenso
aplicada para fundir (De e White,1996).
Com a finalidade de atingir um nvel de tenso mxima na fibra, o comprimento de
da fibra deve ser maior ou igual ao um valor crtico conhecido como comprimento crtico
da fibra (Lc).
Para o compsito, o comprimento crtico da fibra pode ser calculada por Lc=fD/2,
onde f a resistncia da fibra, D o dimetro da fibra e a resistncia interfacial
(Thomason e Vlug, 1997). Estima-se que o comprimento crtico da fibra utilizada para este
trabalho no mnimo de 1 mm.
Quando o comprimento da fibra for menor, igual ou maior que o comprimento
crtico podem ocorrer as seguintes situaes:
(1) Se L< Lc:
A tenso nunca atinge um valor suficiente para quebrar a fibra e outros mecanismos
como a ruptura da matriz e o arrancamento da fibra (pull-out) iro ocorrer.
(2) Se L = Lc:
Neste caso o pico de tenso pode atingir a tenso de fratura da fibra no centro desta.
(3) Se L > Lc:
O pico de tenso aplicado na parte central da fibra, podendo ocorrer fratura da
mesma.
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Tancrez et al (1994) estudaram o comportamento da resistncia ao impacto
CHARPY em compsitos de polipropileno carregados com fibras de vidro em funo do
comprimento de fibras e comentaram que a energia de ruptura mxima ocorre prximo ao
comprimento crtico da fibra de vidro. Este comprimento crtico depende da qualidade da
interface do compsito de polipropileno com fibras de vidro (Tancrez et al, 1994).
Thomason e Vlug (1997) tambm estudaram o comportamento da resistncia ao
impacto CHARPY para compsitos de polipropileno com fibras de vidro e encontrou um
valor de resistncia mxima ao impacto no comprimento crtico da fibra em 2,6 mm.
2.2 MATRIZES
Os materiais polimricos vm sendo requisitados cada vez mais pela nossa
sociedade tecnolgica em centenas de aplicaes. Algumas destas aplicaes incluem
embalagens, tubulaes, pneus, revestimentos de fios e cabos, engrenagens e outros
componentes mecnicos de mquinas, painis, carcaas, coberturas estruturais, pra-
choques de carro, substratos e placas de circuito impressos eletrnicos.
Em todas estas aplicaes, os polmeros, seja como homopolmeros ou ento
formulados com aditivos especiais ou na forma de blendas (misturas) e compsitos
polimricos, vm sendo crescentemente empregados em substituio aos materiais
tradicionais metlicos e cermicos, ou so escolhidos exclusivamente pelas suas
propriedades singulares. Em algumas destas aplicaes, as propriedades mecnicas do
polmero, so de suma importncia e esto aliadas s vantagens como sua leveza, baixo
custo de transformao e facilidade de conformao em formas complexas. Em outros
casos, a escolha do polmero se deve essencialmente s caractersticas especiais tais como o
excelente isolamento trmico e eltrico ou resistncia corroso.
A matriz mais utilizada para materiais compsitos a polimrica. As razes para
isto so duas:
(1) Em geral, as propriedades mecnicas dos polmeros so inadequadas para vrias
aplicaes. As suas resistncias so muito inferiores se comparadas com as de
metais e cermicos. Isto significa que existe um grande benefcio potencial
usando o processo de reforo em materiais polimricos e;
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(2) O processamento de compsitos polimricos no necessita de altas presses e de
altas temperaturas.
Uma classificao simples para as matrizes polimricas as divide em termofixos,
termoplsticos e elastmeros sendo todas importantes para compsitos (Matthews et
Rawlings, 1994).
As matrizes de termofixos e termoplsticos sero comentadas a seguir.
2.2.1 TERMOFIXOS
Resinas termofixas (termorrgidos) so aquelas que sofrem transformao
irreversvel quando submetidas s influncias de calor devido formao de ligaes
covalentes, diferentemente dos termoplsticos que amolecem e fluem quando calor e
presso so aplicados em mudanas reversveis (Billmeyer, 1971). A reao de
polimerizao, responsvel pela transformao, geralmente chamada de cura e o produto
forma uma estrutura de rede tridimensional que no consegue ser fundida. Os termofixos
no podem ser moldados aps a cura e so normalmente curados em moldes j em sua
configurao final (De e White, 1997).
Os tipos mais comuns de termofixos so o polister, resinas fenlicas e epoxi.
Os termofixos reforados geralmente tm uma melhor resistncia fluncia (creep)
do que os termoplsticos reforados e permitem mais altas temperaturas de trabalho. As
suas desvantagens so a dificuldade de armazenagem e a dificuldade de fabricao em
relao aos termoplsticos reforados (De e White, 1996).
O processo de cura de resinas muito exotrmico, sendo crtico quando sees
espessas so moldadas (De e White, 1996). Addabbo et al (1979) estudaram a cura dos
termofixos num molde aquecido e mostraram a existncia de espessura crtica. Williams et
al (1985) encontraram que o plano mais quente nem sempre coincide com a linha central e
que o tempo do ciclo de cura no proporcional espessura da pea.
O reforo de fibra de vidro mais comumente utilizado do tipo E-glass. A
incorporao de um agente de acoplamento melhora a adeso entre a resina e a fibra de
vidro e melhora as propriedades mecnicas e eltricas do material reforado. Com o uso de
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fibras de vidro, a resistncia e a tenacidade do material polimrico so bastante melhoradas
(De et White, 1996).
2.2.2 TERMOPLSTICOS
A combinao de baixa densidade, resistncia qumica, custo baixo e um balano
entre rigidez e tenacidade permite que termoplsticos ocupem espao de outros materiais
em muitas aplicaes importantes (Elmajdoubi e Vu-Khanh, 2003).
Termoplsticos consistem em longas molculas com comprimento da ordem de 20
30 nm (Davis et al, 1982) e fluem facilmente sob tenso sem elevadas temperaturas,
permitindo assim ser fabricado na forma solicitada e mantendo a forma quando resfriado
temperatura ambiente. Estes polmeros podem ser repetidamente aquecidos, fabricados e
resfriados e conseqentemente serem reciclados. Os termoplsticos bem conhecidos so
acrlico, nylon (poliamida), polietileno, poli(ter-ter cetona) e poliestireno (Matthews e
Rawlings, 1994) e polipropileno.
2.2.2.1 POLIPROPILENO
Atualmente, o consumo de compsitos termoplsticos est aumentando em relao
aos compsitos termofixos devido questo ecolgica. Esta tendncia devido ao
desenvolvimento de polmeros de alta performance, tais como poli(ter-ter-cetona)
(PEEK), poli(sulfeto de fenileno) (PPS) ou policarbonato (PC) chamados de plsticos de
engenharia, que oferecem excelentes propriedades mecnicas. Entretanto o polipropileno
que foi primeiramente polimerizado em 1955 por Natta, tem tambm sido reconhecido
como um bom material polimrico. A razo disto a sua versatilidade de projeto a nvel
molecular (Hamada et al, 2000).
O polipropileno um termoplstico que originado pelo monmero chamado
propileno (C3H6) e polimerizado por um processo de reao de poliadio a massa molar
geralmente est entre 80.000 e 500.000. um polmero semicristalino que possui uma
densidade aproximadamente de 0.90-0.91 g/cm3 e ndice de refrao de 1.45. A sua
temperatura de transio vtrea e a temperatura de fuso esto em torno de -18C e 165C,
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respectivamente (Calister, 1994). Como um polmero com alta cristalinidade, em torno de
60 a 70%, a sua resistncia mecnica e a sua dureza so relativamente boas. O mdulo de
elasticidade, a resistncia a trao, resistncia ao escoamento e o alongamento esto em
torno de 1.14-1.55 GPa, 31-41.4 MPa, 31.0-37.2 MPa e 100-600%, respectivamente
(Calister, 1994).
Tancrez et all (1994) comentaram que o polipropileno um material muito utilizado
na indstria devido s inmeras qualidades como:
(1) Facilidade de produo;
(2) Boas caractersticas mecnicas, devido, em grande parte, sua natureza
semicristalina e
(3) Inrcia qumica, sendo possvel sua aplicao mesmo em meios corrosivos.
O polipropileno extensivamente usado em embalagem, sacaria, piso tipo carpete,
seringa de injees descartveis, peas automotivas, carcaas de eletrodomsticos e
brinquedos. Entretanto, sua aplicao como termoplstico de engenharia limitada devido
a sua fraca resistncia ao impacto. Modificadores de impacto como copolmeros de etileno-
propileno (EPR) e etileno-propileno dieno (EPDM) so geralmente adicionados no
polipropileno para melhorar sua tenacidade (Tam et al, 1996).
2.2.2.1.1 MORFOLOGIA DO POLIPROPILENO
Em 1932 foi descoberto o primeiro polioleofinas monosubstitudas que possuia uma
srie de carbonos assimtricos ao longo da cadeia (Billmeyer, 1970). Quando os radicais de
um polmero esto posicionados de um nico lado da cadeia principal, o polmero
chamado de isottico e quando estes radicais esto dispostos de forma alternada, o polmero
chamado de sindiottico. Porm, quando estes radicais no seguem nenhuma
configurao peridica, ou seja, quando de forma randmica, o polmero chamado de
attico.
Polipropileno sindiottico (sPP) foi sintetizado por Ewen e al (1988) em 1988 com
catalisador metaloceno homogneo. De ponto de vista de aplicao industrial, sPP menos
interessante do que o polipropileno isottico (iPP), por causa da sua baixa rigidez, embora
possua uma boa tenacidade. Em contraste, iPP usado em vrias aplicaes devido a uma
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combinao de baixo custo, temperatura de distoro trmica (HDT) acima de 100C e alta
rigidez (Stricker et al, 1997).
A estrutura morfolgica, incluindo comprimentos de cadeias nas estruturas
cristalinas e esferulticas podem ser estudadas por raio-X e microscopia eletrnica (Nielsen,
1974).
As propriedades do polipropileno dependem muito da sua morfologia cristalina
desenvolvida durante a sua moldagem. Assim como a morfologia, o peso molecular,
distribuio da massa molar e regularidade da cadeia (estereorregularidade) so definidas
na sntese da resina, porm algumas propriedades podem ser influenciadas por cristalizao
do material. Processo de recristalizao a temperatura acima de 80C influenciam a
temperatura de deflexo trmica (HDT), a resistncia ao impacto , a densidade e o mdulo
de elasticidade.
2.3 INTERFACE, INTERFASE, ADESO E MECANISMO DE REFORO
Em compsitos, a interface, interfase, adeso e mecanismo de reforo influenciam
as propriedades mecnicas, como resistncia trao e resistncia ao impacto, e so
considerados fatores importantes.
A interface referida como a ligao considerada de espessura zero entre a
superfcie da fibra e a matriz. A regio de interfase a rea imediatamente adjacente
interface, estendida a uma distncia finita na matriz polimrica. Do ponto de vista
mecnico, considerada contnua em termos de transferir tenses entre a fibra e a matriz.
Uma vez que a matriz recebe o material de reforo, ocorre um contacto ntimo entre
eles e pode haver adeso. Um nmero de diferentes tipos de adeso pode ser formado, ou
seja, para uma certa combinao de materiais, um mecanismo de adeso pode ocorrer,
como adeses mecnica, eletrosttica, qumica e por interdifuso. Os tipos de adeso
dependem de alguns fatores como a presena de impurezas ou adio de agentes de
acoplamento (Matthews e Rawlings, 1994).
O comportamento tenso-deformao de muitos polmeros reforados pode ser
alterado por promotores de adeso e agentes de acoplamento como o silano que altera a
adeso e a natureza da interface reforo-matriz. Alguns silanos reagem com polmero e com
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os grupos hidroxilas das superfcies das cargas que fazem aumentar a adeso. Reforos
tratados geralmente fazem com que a resistncia trao de compsitos aumente (Nielsen,
1974).
A seguir, os tipos de adeso sero explicados em detalhes.
1- Adeso mecnica: Consiste numa adeso de intertravamento ou chaveamento
mecnico das duas superfcies. Este tipo de adeso o tipo mais eficaz, quando
a fora aplicada paralelamente a interface, aumentando consideravelmente a
tenso ao cisalhamento. Em muitos casos, a adeso mecnica no ocorre sem a
ajuda de algum outro mecanismo de adeso.
2- Adeso eletrosttica: Adeso ocorre entre a matriz e o material de reforo
quando as superfcies so carregadas negativa e positivamente. Isto promove
uma atrao eletrosttica entre os componentes do compsito que depender da
diferena de carga de suas superfcies. Esta interao eletrosttica baixa e
eficaz apenas quando as distncias so pequenas na ordem de distncias
interatmicas.
3- Adeso qumica: A adeso qumica formada por adeso entre grupos qumicos
sobre as superfcies do compsito. Este tipo de adeso depende do nmero de
adeso por rea e do tipo da adeso. Como exemplos temos os agentes de
acoplamento, como os silanos que promovem acoplamento de xidos (silanol)
da superfcie do vidro com as molculas da matriz polimrica.
4- Adeso por interdifuso: Os tomos ou molculas de dois componentes do
compsito podem interdifundir na inteface para promover a adeso conhecida
como interdifuso.
Para um determinado grau de adeso interfacial alcanado no compsito,
comprimento mdio da fibra (Ln) no compsito deve ser maior que o seu comprimento
crtico (Lc), necessrio para uma eficiente transferncia de tenso da matriz para as fibras
de reforo. Quando se obtm uma boa adeso interfacial em compsito de
polipropilleno/fibra de vidro, somente valores Ln da fibra acima de cinco a dez vezes do seu
comprimento crtico (Lc) permitiro mxima eficincia de reforo equivalente resistncia
de termoplsticos reforados com fibras de vidro (Lopes e Souza, 1999). Como as
condies de processamento influenciam de forma oposta adeso interfacial da fibra de
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vidro e na preservao do Ln da fibra de vidro, torna-se importante obter um balano entre
estes dois fatores durante a fabricao do compsito. Neste sentido, busca-se aumentar a
eficincia de reforo do compsito atravs da otimizao das variveis materiais e de
processamento na compostagem por extruso e no subseqente processo de injeo em
produtos acabados, como tambm pela otimizao da adeso interfacial polmero-reforo
com tratamento superficial das fibras utilizando agentes de molhamento e de acoplamento
interfacial (silanos, titanatos, etc.) e por adio de compatibilizantes interfaciais (anidrido
maleico ) (Lopes e Souza, 1999). A condio de fabricao, como a taxa de resfriamento
tambm afeta o comportamento interfacial matriz e fibra e est relacionada com as fibras
(Davies e Cantwell, 1993).
Com os compsitos de termoplsticos, a interao interfacial , em muitos casos,
muito fraca. Em particular, com polmeros poliolefnicos como o polipropileno, existe uma
baixa ou nenhuma reao qumica entre a fibra e a matriz. Alm disso, a morfologia do
polmero na interfase no somente afetada por tratamento das fibras, mas pode ser
diretamente afetada por interao com a fibra, deixando ocorrer a transcristalizao, que
complica a transferncia de tenso para a fibra. O interesse do polipropileno nas aplicaes
como matriz em compsitos vem crescendo e a adeso deste polmero apolar para a
superfcie da fibra de vidro tambm apolar um importante desafio (Thomason e
Schoolenberg, 1994).
Fibras de vidro contnuas so produzidas a partir de matria-prima de vidro fundido
e estes filamentos so recobertos com soluo de agentes de acoplamento silano. A seleo
de agente de acoplamento tambm crucial na formao de uma boa interface (Hamada et
al, 2000).
Para assegurar a eficincia na transferncia de tenso entre a fibra e matriz, as fibras
so tratadas superficialmente ou no caso de matriz apolar, so modificadas. A funo de
agentes de ligao e suas reaes e interaes com as fibras em polmeros, tm sido revistas
por alguns pesquisadores. No caso de fibras de vidro, o silanol no final das molculas de
agentes de ligao atrado pela superfcie da fibra onde se forma a ligao, provavelmente
por ligaes de hidrognio atravs de grupos OH que esto normalmente presentes na
superfcie de vidro baseados em slica ou possvel formar ligaes de Si-O-Si. A outra
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extremidade da molcula reage quimicamente com um dos reagentes da resina
termoplstica (Mder e Freitag, 1990).
2.4 COMPSITOS DE MATRIZES TERMOPLSTICAS
Avanos recentes em resinas termoplsticas tem melhorado suas propriedades
mecnicas e trmicas. Isto os tem tornado mais competitivos especialmente para indstria
de transporte onde eles so usados como painis, rolamentos, engrenagens, etc. Resinas
termoplsticas com alta massa molar e alta cristalinidade podem ter maior temperatura de
fuso e melhores propriedades mecnicas. Compsitos termoplsticos so carregados com
fibras baseadas em vidros, aramidas, carbonos, e misturas hbridas. Estes compsitos
podem ser produzidos por processos de moldagem e oferecem um nmero de vantagens.
As caractersticas da superfcie da fibra de vidro so extremamente importantes
porque a superfcie deteriorada pode afetar a propriedade de trao. Superfcie exposta
numa atmosfera normal apresentou deteriorizao da superfcie interferindo na adeso com
a matriz polimrica (Calister, 1997).
A temperatura de uso de muitos materiais com fibras de vidro limitada para 200C
e acima desta temperatura, os mesmos comeam a deteriorar. Entretanto, a temperatura de
uso pode ser extendida para 300C, usando-se um material de slica de alta pureza (Calister,
1997).
As mais atrativas caractersticas oferecidas pelos compsitos termoplsticos so o
potencial de produo de baixo de custo, alta tenacidade fratura, boa resistncia ao
impacto, boa resistncia propagao de microtrincas, fcil controle de qualidade e a
possibilidade de reciclagem da matria-prima (Ferreira et al, 1999).
A orientao das fibras tambm afeta muito as propriedades dos compsitos. No
caso de injeo de compsitos com fibras de vidro curtas, a mudana de orientao
inevitvel. Quando as seces em que o fundido injetado so vrias, impossvel de se
prever a orientao das fibras. A orientao das fibras muda em funo de vrios fatores
como as propriedades geomtrica das fibras, comportamento viscoelstico do polmero e
projeto do molde (Matthews e Rawlings, 1994).
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Os pellets de compsitos podem ser fabricados quando as fibras de vidro contnuas
so impregnadas em resinas atravs de um banho de resina. Com um sistema de controle
eletrnico, as fibras impregnadas podem ser orientadas em diferentes ngulos, com
preciso, para se obter a resistncia mecnica desejada. Aps este estgio de impregnao,
a resina impregnada curada atravs de um forno e cortada posteriormente.
2.4.1 FABRICAO
Mtodos de fabricao so geralmente determinados a partir das propriedades
reolgicas do polmero e a primeira considerao se o material termoplstico ou se
termofixo. Outras consideraes importantes incluem a temperatura de amolecimento, a
estabilidade, o tamanho e a forma do produto final (Billmeyer, 1970).
Os mtodos mais utilizados para a fabricao de compsitos termoplsticos so os
mtodos de moldagem vcuo, termo-formao, moldagem por extruso e moldagem por
injeo. Este ltimo ser comentado a seguir, pois foi o mtodo utilizado na confeco de
corpos de prova deste trabalho.
2.4.1.1 INJEO
O processo de injeo usado para produzir peas idnticas a partir de um molde.
Devido sua alta viscosidade, o fundido no pode ser despejado no molde, isto , foras
gravitacionais so inadequadas para este caso. Assim, o fundido deve ser injetado dentro no
molde por aplicao de uma grande fora. Uma vez que o fundido injetado no molde,
inicia-se o processo de resfriamento, uma quantidade adicional de fundido deve ser injetado
no molde para compensar a contrao durante a solidificao e para atingir uma reproduo
mais precisa (Tadmor e Gogos, 1979).
A funo da unidade de injeo de fundir o polmero e injet-lo dentro do molde
enquanto que a funo da unidade de fixao de sustentar o molde, abrir, fechar
automaticamente e retirar o produto final. A unidade de injeo praticamente formada por
roscas que se movimentam em rotao e na direo axial. Quando se movimenta em
rotao, a funo de fundir e bombear o polmero. Quando se movimenta na direo axial,
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a funo injetar dentro do molde. A rosca geralmente rotacionada por um motor
hidrulico e o seu movimento axial executado e controlado tambm por um sistema
hidrulico (Tadmor e Gogos, 1979).
Muitos compsitos so moldados por processo de moldagem por injeo. O
polmero pr-aquecido numa cmara tipo cilindro para uma temperatura na qual ir fluir e
ento forado para cavidade de um molde frio e fechado atravs de uma alta presso
hidrulica. As temperaturas de injeo so mais altas em relao s usadas para processo de
compresso, acima de 250C para muitos materiais polimricos. As presses aplicadas so
entre 10.000 e 30.000 psi e tempos de ciclo de 10 a 30 segundos so mais comuns. O
mtodo tem sido usado no passado para pequenas peas simples, porm grandes peas
como caixa de televisores so moldados com sucesso (Billmeyer, 1970).
Na moldagem por injeo, existem trs fases distintas durante o preenchimento do
molde:
(1) Fase de preenchimento;
(2) Fase de pressurizao, e
(3) Fase de compensao.
Quando a presso de injeo aumentada, o volume especfico do fundido aumenta
e o mesmo acontece quando a temperatura aumentada devido diminuio da
viscosidade.
Durante o preenchimento do molde, o fundido sai do bico de injeo, percorre os
canais de injeo, os canais de alimentao, a distribuio e, por ltimo, a cavidade do
molde. O fluxo da parte frontal se assemelha com um perfil parablico e existe a formao
de uma pelcula congelada e esta parte frontal sofre pequenas taxas de cisalhamento e a
pelcula no possui orientaes altas.
A fase de pressurizao se assemelha com a fase de preenchimento diferindo apenas
na taxa de cisalhamento. Durante a fase de compensao ou recalque, o material mantido
sob uma presso hidrosttica com a finalidade de apenas suprir o encolhimento.
As principais variveis do processo que afetam as propriedades do moldado,
especialmente as propriedades mecnicas so:
(1) Temperatura do molde;
(2) Temperatura do fundido;
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(3) Tempo de enchimento do molde (velocidade de injeo), e
(4) Geometria do molde.
Como na indstria automotiva, a qualidade do produto um fator decisivo, estas
variveis so consideradas importantes para evitar quaisquer ocorrncias de falhas e, para
evit-las, necessrio o controle dos seguintes itens:
(1) temperatura do polmero;
(2) presses e velocidades;
(3) ciclo de moldagem;
(4) plastificao;
(5) temperatura do leo no circuito hidrulico;
(6) temperatura de refrigerao (mquina e molde);
(7) taxa de circulao de refrigerao (molde), e
(8) temperaturas dos grnulos quando entram no funil de alimentao.
O ciclo de moldagem por injeo pode ser dividido em vrias fases, que se
sobrepem parcialmente como:
(1) fechamento do molde;
(2) avano da unidade de injeo;
(3) injeo;
(4) presso de recalque;
(5) recuo da unidade de injeo;
(6) plastificao;
(7) tempo real de refrigerao, e
(8) abertura e ejeo.
O equipamento de moldagem por injeo consiste em duas partes:
(1) Unidade de injeo, e
(2) Unidade de fechamento
Durante o processamento, a moldagem por injeo tem afetado drasticamente o
comprimento das fibras. Por exemplo, aps a injeo de compsito de polipropileno com
28 % em peso de fibras de vidro, atravs de uma ferramenta circular de 3 mm de dimetro,
o comprimento mdio reduziu para 0.5 mm, embora tenham sido encontradas fibras com 2
mm de comprimento (Matthews e Rawlings, 1994).
-
- 20 -
Exemplos de unidades de injeo e de fechamento esto apresentados na Figura 2.1.
Figura 2.1 Exemplo de (a) unidade de injeo e (b) unidade de fechamento (sistema de
alavanca duplo de quatro pontos)
2.4.2 COMPSITOS NA INDSTRIA AUTOMOTIVA
O uso de polipropileno com fibra de vidro ainda objeto de muita investigao
cientfica e tecnolgica, em funo do grande atrativo deste compsito de baixo custo para
licaes de engenharia cada vez mais exigentes, como requerida na indstria
(b)
(a)
-
- 21 -
automobilstica, na qual os requisitos da relao custo/desempenho mecnico devem ser
otimizados em funo do entendimento das correlaes processamento-estrutura-
propriedades mecnicas de termoplsticos reforados com fibras de vidro. Portanto, a
grande maioria dos desenvolvimentos est concentrada na melhoria das caractersticas
materiais dos compsitos, isto , a matriz polimrica, o reforo fibroso e a interface
polmero-reforo, e no aprimoramento das tcnicas de processamento na composio e
transformao de termoplsticos reforados com fibras de vidro (Lopes e Souza, 1999).
Este compsito de polipropileno carregado com fibra de vidro muito usado para
peas nas quais a resistncia mecnica como a resistncia trao e a resistncia ao
impacto so muito importantes.
Alguns exemplos destes tipos de aplicao so os casos das ventoinhas dos
radiadores do sistema de arrefecimento de veculos. As ventoinhas so usadas neste tipo de
sistema para auxiliar o radiador, que um trocador calor, no resfriamento do lquido usado,
para evitar o fenmeno de superaquecimento do motor. Este tipo de problema se torna
muito crtico por este motivo e considerado como sendo uma das preocupaes mais
importantes, pois o veculo perder suas funes primrias, ou seja, de se locomover.
Alguns ventiladores possuem a concentrao de fibras variadas dependendo do grau de
solicitao de tenso, por exemplos compsitos de polipropileno com 20 e 30% de fibras de
vidro.
Outras aplicaes so os defletores que tambm fazem parte do sistema de
arrefecimento e so fabricados de compsitos de polipropileno com 30% de fibras de vidro.
Assim como estes compsitos, outros materiais diversos como o poliacetal (POM),
poli(tereftalato de 1,2 butileno) (PBT), polipropileno com 20 e 40% em massa de talco ,
polipropileno com mica, poliamidas (nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 entre outros) com
fibras de vidro, polietileno de baixa densidade, polietileno de alta densidade, tambm
podem ser encontrados em aplicaes no setor automotivo.
A seguir esto apresentados alguns exemplos de aplicaes de compsitos de
polipropileno carregados utilizados na industria automotiva brasileira.
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- 22 -
Figura 2.2 Exemplo de aplicaes de outros tipos de materiais como polipropileno com
talco.
Carcaa da caixa de ar condicionado (Polipropileno carregado com talco 20%)
Defletor da caixa de ar condicionado (Polipropileno carregado com talco 20%)
-
- 23 -
Figura 2.3 Exemplo de aplicaes de outros materiais como o poliacetal (POM) e
polibutadieno tereftalato (PBT).
2.5 CARACTERIZAO DO PP E DE COMPSITO DE PP/FV
2.5.1 MTODOS MECNICOS
Muitos plsticos so usados porque eles tm boas propriedades mecnicas a um
custo baixo. Por esta razo, as propriedades mecnicas so normalmente consideradas mais
Engrenagem (Poliacetal POM)
Engrenagem (Poli-tereftalato de 1,2 butileno PBT)
Engrenagem (Poli-tereftalato de 1,2 butileno PBT)
Engrenagem (Poliacetal POM)
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- 24 -
importantes do que as propriedades fsicas e qumicas de polmeros para muitas aplicaes.
Existem muitos fatores estruturais que determinam a natureza do comportamento mecnico
dos materiais que so:
1) massa molar;
2) ligaes cruzadas e ramificaes;
3) cristalinidade e morfologia cristalina;
4) copolimerizao (randmica, graftizao e em blocos);
5) plastificao;
6) orientao molecular, e
7) cargas.
Em adio aos fatores estruturais e moleculares, as seguintes variveis externas e
ambientais so importantes na determinao do comportamento mecnico:
1) temperatura;
2) tempo, freqncia, ou taxa de cisalhamento;
3) presso;
4) amplitude de tenso e deformao;
5) tipos de deformao (cisalhamento, trao, biaxial, etc.);
6) tratamento trmico ou histrico trmico, e
7) atmosfera externa.
As propriedades dos polmeros possuem uma forte dependncia com a temperatura
e tempo se comparados com os metais, que resultado da natureza viscoelstica dos
polmeros (Billmeyer, 1970).
2.5.1.1 TRAO
No ensaio de trao, a fora (ou tenso) medida enquanto a amostra est sendo
deformada a uma taxa constante. Testes de trao tm, tradicionalmente, sido o mais
popular e universal teste usado dentro dos testes mecnicos.
A parte reta da curva de trao-deformao o mdulo elstico do material, que
chamado de mdulo de Young (E),
-
- 25 -
d
dE = (2.1)
em que:
d = variao de tenso at o escoamento.
d = variao de alongamento at o escoamento.
.
A tenso () e a deformao () especfica tambm podem ser calculadas da
seguinte forma
rea
fora= (2.2)
( )ol
ll = (2.3)
em que:
l = comprimento sob deformao.
lo = comprimento inicial.
O grau de cristalinidade e a morfologia dos materiais cristalinos tem fortes efeitos
sobre o comportamento mecnico dos polmeros. O grau de cristalinidade, como visto
anteriormente, pode ser geralmente medidos com tcnicas de difrao de raio-X ou por
medio de densidade, mas alguns testes mecnicos so os melhores indicadores de
cristalinidade (Nielsen, 1974).
Quando a temperatura aumenta a partir de uma temperatura abaixo para acima da
temperatura de transio vtrea ou do ponto de fuso, o alongamento na ruptura baixo
baixas temperaturas, e no existe ponto de escoamento. A altas temperaturas, existe um
ponto de escoamento e aumenta. Para altas massas molares, os polmeros possuem alta
resistncia e baixa deformao na ruptura (Nielsen, 1974).
A resistncia e a ductilidade dos polmeros podem ser modificadas pela orientao
molecular das cadeias polimricas. A orientao pode ser produzida pelo rpido
resfriamento do fundido. A resistncia trao diminui na direo perpendicular a
orientao. A tenso de escoamento e o mdulo de Young mostram a mesma tendncia da
-
- 26 -
resistncia trao, mas o aumento na direo paralela e a diminuio na direo
perpendicular orientao no so grandes como no caso da resistncia trao (Nielsen,
1974).
A resistncia trao e o mdulo aumentam com o aumento do volume de fibras em
compsitos de polipropileno (Wambua et all, 2003). Os estudos feitos por Fu et al (2000)
mostraram que a resistncia trao do compsito de polipropileno reforados com fibras
de vidro mais influenciada pelo comprimento da fibra do que da concentrao da mesma,
enquanto que o mdulo do compsito mais influenciado pela concentrao de fibras.
Thomason (2002) estudou o comportamento mecnico de compsitos de
polipropileno reforados com fibras de vidro e demonstrou que a resistncia trao e a
resistncia ao impacto aumentam com a concentrao de fibras de vidro, porm no so
fortemente influenciados com a variao do dimetro da fibra.
Tancrez et all (1994), ao estudar o compsito de polipropileno reforado com fibras
de vidro, mostraram que, aps a injeo, o comprimento das fibras diminuiu e,
conseqentemente, houve uma diminuio nas caractersticas mecnicas dos compsitos
que no possuam agentes de acoplamento.
2.5.1.2 IMPACTO
Os testes de impacto so testes de fraturas a alta velocidade que mede a energia para
romper a amostra. Nos testes de impacto Izod e Charpy, um pndulo com um peso jogado
contra a amostra (com entalhe ou no) e a energia necessria para romper a amostra
determinada atravs da perda de energia cintica do pndulo (Nielsen, 1974).
No teste de impacto com queda de pndulo, a quantidade de energia necessria para
quebrar um material determinada pelo peso do pndulo e altura inicial de queda (Nielsen,
1974).
A geometria da pea importante porque a resistncia ao impacto depende do
tamanho da pea. Uma amostra mais fina tende a resistir ao impacto mais do que uma
amostra mais espessa. Desacordo entre diferentes mtodos de teste indica que os testes de
impacto so controlados por pelo menos duas propriedades fsicas.
1) A energia necessria para iniciar a ruptura e
-
- 27 -
2) A energia requerida para propagar a trinca.
A resistncia ao impacto de amostra com entalhe menor do que a de sem entalhe.
A principal razo para isto que o entalhe concentrador de tenso. A concentrao de
tenso maior para formato de entalhes com menor raio de curvatura. Numa amostra com
entalhe, a maioria da deformao localizada nas regies prximas regio de menor
abertura do entalhe, onde ocorre com uma taxa de deformao maior se comparado com
amostras sem entalhe. A altas deformaes um material pode mudar de comportamento
dctil para frgil com baixa resistncia ao impacto. Assim, a diferena entre uma amostra
com entalhe e sem entalhe pode ser maior ainda para material dctil do que para material
frgil. Um outro fator que afeta a sensibilidade do material com entalhe o processo de
fratura que envolve a iniciao da trinca e a sua propagao (Nielsen, 1974).
A resistncia ao impacto aumenta com o aumento da temperatura. Para polmeros
amorfos, a resistncia ao impacto aumenta dramaticamente quando a temperatura
aumentada prxima da temperatura de transio vtrea ou acima. Muitos polmeros
cristalinos tambm possuem maior resistncia ao impacto acima do que abaixo da
temperatura de transio vtrea. Em temperaturas prximas temperatura de transio
vtrea ou acima, movimentos moleculares so grandes suficientes para aliviar a
concentrao de tenso e muita energia pode ser dissipada por calor, tornando possvel o
escoamento e altas deformaes (Nielsen, 1974).
Os efeitos da orientao molecular sobre a resistncia ao impacto possuem os
mesmos comportamentos encontrados em tenso-deformao. Na situao prtica, quando
a direo da fora uma direo qualquer ou biaxial, a amostra sempre vai romper na
direo mais fraca. A alta temperatura no cilindro da mquina de moldagem por injeo
permite que a orientao diminua mais do que em temperaturas mais baixas, devido
relaxao de tenso (Nielsen, 1974).
A resistncia ao impacto tende a aumentar com aumento da massa molar at um
valor onde a resistncia se torna independente da massa molar. O efeito da massa molar
parece ser mais significativo para polmeros cristalinos, como o polipropileno acima da
temperatura de transio vtrea (Nielsen, 1974).
A cristalinidade geralmente diminui a resistncia ao impacto de polmeros que tm
temperatura de transio vtrea bem acima da temperatura de teste. Como a estrutura
-
- 28 -
esferultica destes materiais aumenta com o resfriamento lento do fundido, a resistncia ao
impacto diminui. A altos graus de cristalinidade, a resistncia ao impacto diminui (Nielsen,
1974).
No teste de impacto, as fibras podem aumentar a resistncia ao impacto por dois
mecanismos de dissipao de energia:
(1) As fibras podem ser arrancadas (pull-out) da matriz e dissipar energia durante a
frico mecnica. Ao mesmo tempo, o arrancamento das fibras previnem a
concentrao de tenso nas reas ao longo da fibra, e
(2) As fibras dissipam energia durante o processo de descolagem (dewetting)
tendendo a cessar a propagao da trinca.
As fibras tambm tendem a reduzir a resistncia ao impacto por dois mecanismos:
(1) As fibras reduzem drasticamente o alongamento at ruptura, assim podem
reduzir a rea sobre a curva tenso-deformao, e
(2) A concentrao de tenso ocorre nas regies de finais das fibras, reas de adeso
fraca e regies onde as fibras se tocam.
Assim, dependendo da natureza do compsito e do tipo do teste de impacto, as
fibras podem diminuir ou aumentar a resistncia ao impacto (Nielsen, 1974).
Se a carga de impacto aplicada na direo paralela orientao das fibras, uma
alta resistncia ao impacto obtida se a adeso relativamente fraca e se as fibras so
curtas. Ento a mxima energia pode ser dissipada por frico mecnica durante o processo
de arrancamento (pull-out) e por descolamento (debonding) das fibras (Nielsen, 1974).
Estudos feitos por Thomason e Vlug (1996) mostraram que a resistncia ao impacto
aumentou com o aumento da concentrao de fibras, para compsitos de polipropileno
reforados com fibras de vidro. A resistncia ao impacto CHARPY levemente afetada
pela temperatura de teste entre 50 e +40C, encontrou um pequeno aumento com a
diminuio da temperatura.
-
- 29 -
CAPTULO III
MATERIAIS E MTODOS
Neste captulo sero descritos os materiais utilizados e a metodologia para a
realizao de ensaios fsicos, trmicos e mecnicos, nos injetados produzidos.
3.1- MATERIAIS UTILIZADOS
3.1.1 POLIPROPILENO
De acordo com fabricante, o polipropileno utilizado um homopolmero
desenvolvido para componentes automotivos e o material no-txico, quimicamente
inerte e insolvel em solventes comuns. Este material possui uma sua cor preta que foi
resultado do tingimento por master batch. As propriedades informadas pelo fabricante
POLIBRASIL esto na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Propriedades do polipropileno (cdigo N 168)
PROPRIEDADES NORMA UNIDADE VALOR
ndice de Fluidez (230C/ 2,16 kg) ISO 1133 g/10 min 7,5
Densidade ISO 1183 g/cm3 0,91
Ponto de fuso ISO 3146 C 160-165
Mdulo de flexo ISO 178 MPa 1300
Resistncia trao no escoamento ISO 527-2 MPa 34
Impacto IZOD sem entalhe a 23C ISO 180-4/A J/m 25
Temperatura de deflexo trmica - HDT (1,82 MPa)
ISO 75-2/A C 57
Temperatura de deflexo trmica - HDT (0,45 MPa)
ISO 75-2/B C 105
Vicat (1kg) ISO 306 C 152
-
- 30 -
3.1.2 COMPSITOS DE POLIPROPILENO REFORADOS COM FIBRAS DE
VIDRO
Foram utilizados pellets j formulados de PP e FV com uma frao mssica de
fibras de 20 e 30%, que sero simbolizados de PP20%FV e PP30%FV; respectivamente.
De acordo com o fabricante, estes materiais so polipropileno homopolmero reforado
com fibra de vidro, de dimetro de aproximadamente 14 m, desenvolvido para aplicaes
que exigem de alta a excelente rigidez, boa resistncia ao impacto, bom acabamento
superficial. O material no-txico e quimicamente inerte e insolvel em solventes
comuns. Estes materiais possuem uma sua cor preta que foi resultado do tingimento por
master batch. As propriedades informadas pelo fabricante POLIBRASIL esto na Tabela
3.2.
Tabela 3.2 - Propriedades do compsito PP20%FV (cdigo F076) e PP30%FV (cdigo
F151)
PROPRIEDADES NORMA UNIDADE PP20%FV PP30%FV
ndice de Fluidez (230C/ 2,16 kg)
ISO 1133 g/10 min 5,0 2,9
Teor de carga ISO 3451-1 % 20,0 30,0
Densidade ISO 1183 g/cm3 1,05 1,13
Mdulo de flexo ISO 178 MPa 3900 5800
Resistncia trao no escoamento
ISO 527-2 MPa 70 80
Impacto CHARPY sem entalhe a 23C ISO 179/1eU kJ/m
2 26 27
Temperatura de deflexo trmica - HDT (1,82 MPa)
ISO 75-2/A C 130 145
Temperatura de deflexo trmica - HDT (0,45 MPa)
ISO 75-2/B C 145 155
Vicat (5kg) ISO 306-VS/B/50 C 152 130
Resistncia Termo-Oxidao a 150C
ISO 4577 horas 1000 1000
-
- 31 -
3.2 MTODOS
3.2.1 INJEO DOS CORPOS DE PROVA
Um molde foi projetado e fabricado (a partir de um molde disponvel para a
fabricao de presilhas) de modo a produzir corpos de prova de acordo com as normas da
ASTM-D638, tipo IV, para ensaios de trao, e ASTM-D256-93 para ensaios de resistncia
ao impacto. Este molde foi acoplado a uma injetora modelo horizontal Sinitron (Figura
3.1).
Estes materiais foram moldados por injeo em temperaturas de injeo variadas
(170C, 190C, 210C, 230C e 250C) para analisar o comportamento das propriedades em
funo da temperatura de injeo. Os perfis de temperatura utilizados nas 4 zonas de
aquecimento da injetora foram (1) 165C, 168C, 170C e 170C (chamado a partir de agora
de Tinj=170C); (2) 185C, 188C, 190C e 190C (chamado a partir de agora de
Tinj=190C); (3) 205C, 208C, 210C e 210C (chamado a partir de agora de Tinj=210C);
(4) 225C, 228C, 230C e 230C (chamado a partir de agora de Tinj=230C) e (5) 245C,
248C, 250C e 250C (chamado a partir de agora de Tinj=250C).
As presses de injeo e de recalque utilizadas foram de aproximadamente de 60
bar e 50 bar, respectivamente, e os tempos de injeo, recalque, resfriamento e ciclo total
foram de 10, 2, 40 e 52 segundos, respectivamente.
Figura 3.1 - Foto da injetora utilizada para injeo de corpos de prova de trao e impacto
-
- 32 -
A temperatura uma varivel importante para todas as fases na injeo, incluindo o
aquecimento e o resfriamento do material e deve ser controlada, pois, por exemplo, se a
temperatura for baixa, o material apresentar alta viscosidade e ser submetido a tenses de
cisalhamento mais intensas, o que levar s fraturas na massa fundida e a um produto de m
aparncia e baixa homogeneizao. Por outro lado, o PP em altas temperaturas de
processamento e na presena de O2 poder sofrer oxidao e ciso das cadeias causando a
degradao do material que se torna mais frgil (Billiani et all, 1990).
3.2.2 CARACTERIZAO FSICA E QUMICA
3.2.2.1 DENSIDADE RELATIVA TERICA
Na determinao da densidade relativa aparente dos materiais, foi utilizada a norma
ASTM D 792 91. Foi utilizada uma balana com preciso de 4 casas decimais de grama.
Um mtodo terico para determinar a densidade do compsito a partir das
densidades dos materiais separados baseia-se na lei das misturas:
)%()%(%)100( ffPPPPc VVX += (3.1)
ou
f
f
PP
PP
c
WW
%%%100 += (3.2)
onde:
c = densidade do compsito (g/cm3)
PP = densidade do polipropileno (g/cm3)
f = densidade da fibra (g/cm3)
%VPP = frao volumtrica do polipropileno (%)
%V f = frao volumtrica de fibra (%)
%WPP = frao mssica do polipropileno (%)
-
- 33 -
%Wf = frao mssica de fibra (%)
3.2.2.2 NDICE DE FLUIDEZ (MFI)
A viscosidade dos materiais polimricos tambm um fator importantssimo que
afeta as suas propriedades. Esta viscosidade est diretamente relacionada com a massa
molar do material e suas configuraes moleculares e pode ser mensurada por vrias
tcnicas como o de ndice de fluidez. O teste de ndice de fluidez uma tcnica mais
simples, mas amplamente utilizado nas indstrias, principalmente na rea automotiva.
Este ensaio serviu para analisar a ciso das cadeias polimricas durante o processamento
com a variao da temperatura de injeo.
O ensaio de ndice de fluidez foi realizado com o equipamento Plastmetro de
modelo MI3 DSM e com uma balana modelo METTLER PM 200 com uma preciso de
0,001g, da Empresa ELECTROLUX S A de Curitiba-PR.
A Norma utilizada foi a Norma ASTM D1238 01 com uma carga de 2,160 kg e
com uma temperatura de 230C. As fotos dos equipamentos esto apresentadas a seguir, na
Figura 3.2. As amostras submetidas ao teste foram coletadas a partir do material em pellets
e em corpos de provas injetados.
Figura 3.2 - Fotos do equipamento de medio de ndice de fluidez (a) Plastmetro e (b)
balana
(a) (b )
-
- 34 -
3.2.2.3 DIFRAO DE RAIO-X
O grau de cristalinidade, definido como a frao volumtrica da fase cristalina, de
importncia fundamental para definio de propriedades qumicas e fsicas de polmeros
semicristalinos. Muitos mtodos so usados para avaliar o grau de cristalinidade como
mtodos calorimtricos (DSC calorimetria diferencial de varredura, DTA anlise
diferencial trmica), espectroscopia (FT-IR anlise por absoro de infravermelho com
transformada de Fourier) e tcnicas de Raio-X. Cada um deste mtodos baseado na
diferena de caractersticas fsicas e usa diferentes definies de ordem cristalina (Ryan et
all, 1996).
O grau de cristalinidade, o tamanho dos esferulitos e a orientao molecular tem
sido considerados como os mais importantes fatores que influenciam o comportamento
mecnico do material.
O ensaio de difrao de raio-X freqentemente utilizado para determinao de
quantidades relativas de fase cristalina e amorfa nos compostos polimricos, de tamanho e
perfeio dos cristais, orientao, ordem e empacotamento, e para investigar arranjos
atmicos ou moleculares atravs de interao de radiao eletromagntica, comparando o
comprimento de onda da radiao. Para este trabalho o objetivo deste ensaio foi a
investigao da variao do grau de cristalinidade em funo da temperatura de injeo.
Quando raios-X incidem num cristal so espalhados pelos tomos destes. Os raios-
X espalhados tm o comprimento de onda dos incidentes, porque resultam da acelerao e
desacelerao de eltrons, postos em movimento pelos raios-X incidentes. Este fato,
somado regularidade da distribuio dos tomos no cristal, permite tratar um cristal como
uma rede de difrao tridimensional. A difrao, ou interferncia construtiva ocorre
somente quando a diferena percorrida por duas ondas difratadas idnticas for um nmero
inteiro de comprimento de onda, de modo que as duas ondas esto em fase. A diferena
total de caminho entre os dois raios de 2d sen , ento a equao a seguir descreve as
condies sob as quais ocorre difrao (Moffatt et all, 1972). A equao 3.3 conhecida
como a lei de Bragg para difrao de raios-X; nela, n pode ser qualquer nmero inteiro, o
ngulo de difrao , o comprimento de onda e d a distncia entre os planos (Van
Vlack, 1988).
-
- 35 -
sen2dn = (3.3)
A anlise de difrao de Raio-X foi realizado com uma varredura de 10 30 graus
(2) e com uma velocidade de 2 /minuto em um difratomtro Rigaku acoplado ao gerador
de Raios-X Phillips, de fonte de radiao CuK, no laboratrio de tica e Instrumentao de
Raios-X do Departamento de Fsica da UFPR. As amostras utilizadas neste teste foram
retiradas a partir dos prprios corpos-de-prova injetados.
Os clculos de ndice de cristalinidade foram baseados na equao 3.4.
AaAc
AcIC
+=% (3.4)
onde, Aa a rea abaixo da linha da regio amorfa e Ac a rea remanescente abaixo dos
picos cristalinos.
Para obteno dos resultados foram feitas deconvolues dos espectros obtidos em
um software (ORIGIN 5.0), sendo os dados colocados na equao referida acima e os
valores reportados com porcentagens estimadas de taxa de cristalinidade.
3.2.2.4 ANLISES TICAS CARACTERIZAO DAS FIBRAS DE VIDRO
Este mtodo utilizado quando o tamanho do objeto de 0,01 a 1 mm. Os
principais mtodos de microscopia tica foi o mtodo utilizado para este estudo foi o de luz
refletida que consiste na iluminao da amostra e deteco da luz refletida. O contraste
um resultado das variaes na refletividade da superfcie.
As anlises ticas foram realizadas a partir um microscpio tico com um aumento
mximo de 100x, da Empresa