Desenvolvimentos em compósitos, fibra de vidro/epóxido/nanopartículas

Estudos desenvolvidos nos últimos anos têm relatado melhorias nas propriedades de compósitos, fibra de vidro/epóxido por meio da modificação da matriz polimérica com nanopartículas como NA ou CNT. Em geral, as pesquisas realizadas relatam melhoria das propriedades do compósito, dependentes da melhoria das propriedades da matriz.

Por exemplo, Lin et al., (2006) nos seus trabalhos estudaram a alteração das propriedades mecânicas e térmicas de um compósito convencional de fibra de vidro/epóxido, relacionadas com a dispersão de organoargila na matriz. Uma argila montmorilonita organofílica, denominada Cloisite 15A, foi dispersa nos monómeros de resina de epóxido por três métodos diferentes: i) mistura direta, realizada pela agitação de organoargila com monómeros de epóxido, a 80 ºC durante 4 horas; ii) mistura por solução, onde os monómeros de epóxido e a organoargila foram dispersos em clorofórmio através de agitação mecânica; iii) processo de mistura ultrassónico da organoargila no endurecedor, seguido de processo de ultrassónico de alta energia. Todas as amostras foram moldadas pelo processo de fabrico VARTM. Foram ainda utilizadas orientações diferentes de fibra: paralela ou perpendicular ao fluxo de resina no molde. Em relação aos diferentes métodos de dispersão de organoargila utilizados, estes não apresentaram grande alteração entre si, promovendo praticamente o mesmo estado intercalado em todos os métodos de mistura. A temperatura de transição vítrea (Tg) pouco aumentou com a adição das diferentes frações de nano-argila, sendo a diferença

máxima de apenas 3 ºC com uma fração mássica de 5% de organoargila. Em relação às propriedades mecânicas do compósito com matriz nano-estruturada, somente com a utilização de frações mássicas acima de 3% de organoargila é que foi observado um aumento do módulo de elasticidade do compósito, sem variar significativamente a resistência à tração, tanto para cargas paralelas como perpendiculares às fibras.

Também, Karippal et al., (2011) utilizaram uma matriz de epóxido DGEBA, endurecedor de poliamina-amida, nanopartículas de argila Nanocor I.30 E (modificada com octadecilamina) e reforço de fibras de vidro em forma de tecido. A dispersão da nano-argila na resina foi realizada “in situ” por processo ultrassónico de alta energia, sendo então os compósitos moldados por RTM. O módulo de elasticidade e resistência à flexão tiveram variações pouco percetíveis para frações mássicas de argila até 2%, porém acima de 3% foi verificado um grande aumento tanto no módulo de elasticidade como na resistência à flexão, atingindo-se os valores máximos para frações mássicas até 5% de nano-argila. Para frações mássicas superiores a 5% observou-se uma diminuição dos valores referidos, o que foi atribuído a efeitos relacionados com a aglomeração da nano-argila.

Tsai e Wu (2008) avaliaram o efeito da direção do carregamento no desempenho mecânico de compósitos formados por fibra de vidro unidirecional e matriz nano-estruturada a partir de ensaios de flexão longitudinal e transversal. Para tal, foram produzidos compósitos contendo frações em massa de 2,5%, 5% e 7,5% de nano-argila organicamente modificada dispersa numa matriz epoxídica. Como reforço foi utilizado um tecido unidirecional de fibra de vidro. Considerando-se os carregamentos em flexão e tração na direção longitudinal, não foram observadas alterações significativas na resistência mecânica entre os diferentes compósitos de matriz modificada com nano-argila e o compósito convencional. Estes resultados foram atribuídos ao facto das propriedades de flexão e tração longitudinal serem dependentes das fibras, sofrendo apenas pequena interferência da matriz. Quando avaliadas as resistências à flexão e tração na direção transversal, as quais são dependentes da matriz, verificou-se um aumento da tensão máxima com o aumento da concentração de nano-argila.

Subramaniyan e Sun (2006) verificaram os efeitos da adição de 3% e 5% em massa de nano-argila à matriz epoxídica, na resistência à compressão de compósitos de fibra de vidro. Os compósitos foram produzidos pelo processo de moldação em vácuo com cerca de 26% de fibras. Os autores observaram aumentos de 22% e 36% na resistência à compressão para os compósitos contendo, 3% e 5% nano-argila, respetivamente. Este aumento foi atribuído à presença de nanopartículas de argila de alto módulo de elasticidade na matriz que dificultam a encurvadura das fibras, aumentando a resistência à compressão do compósito.

organosilicatos, na matriz de um compósito laminado epóxido/fibra de carbono não produziu melhorias nas propriedades mecânicas do compósito. No entanto, Haque et al., (2003) usando um processo de fabrico similar ao considerado por Rice, verificaram que ao dispersar 1% em peso de nanosilicatos na matriz de um compósito de fibra de vidro/epóxido, conduziam a aumentos de 44%, 24% e 23% na resistência ao corte interlaminar, resistência à flexão e tenacidade à fratura, respetivamente. A melhoria das propriedades foi atribuída a fatores como: melhores propriedades da matriz devido às estruturas lamelares, interação sinergética entre a matriz modificada com nano-argila e as fibras, e à adesão matriz/fibra promovida pela nano-argila. A presença da nano-argila contribuiu ainda para diminuir o coeficiente de expansão térmica, reduzindo significativamente as tensões residuais e contribuindo para uma maior qualidade dos laminados.

Outros autores avaliaram os efeitos nas propriedades mecânicas de compósitos convencionais fibrosos, pela modificação da matriz polimérica com nanopartículas à base de carbono. Por exemplo, Kim et al., (2010) desenvolveram compósitos de fibra de carbono e matriz epoxídica modificada com nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono foram dispersos no agente endurecedor, de menor viscosidade, por meio de ultrassons, durante 30 minutos. Após este período, a solução foi adicionada à resina. A mistura foi mantida sob ultrassom por períodos entre 10 minutos e três horas. Os compósitos foram laminados pelo processo de moldação a vácuo. Os resultados mostraram que a dispersão de uma fração em massa de 0.3% de CNT na matriz polimérica durante 10 minutos conduziu a melhores resultados: um aumento de 11,6% e 18% no módulo de elasticidade à flexão e na resistência mecânica quando comparado ao compósito convencional. De acordo com os autores, o desempenho de um compósito à flexão é determinado pelas propriedades da matriz. Pelo que, a melhoria dos valores de resistência máxima e módulo de elasticidade pode ser atribuída ao efeito do nano-reforço provocado pelos CNT. Quando analisado o efeito do tempo de dispersão, Kim et al., (2010) concluíram que com o aumento do tempo de dispersão, a matriz torna-se mais viscosa, dificultando a impregnação do tecido e a capacidade do polímero entrar nos espaços entre as fibras.

Sadeghian et al., (2006) relataram um aumento de 100% na resistência a delaminações em Modo I de solicitação de carga, como resultado da adição ao material compósito poliéster/fibra de vidro, obtido por RTM-ligth, 1% em peso de nanofibras de carbono (NFC).

Também Fan et al., (2008) encontraram um aumento de cerca de 20% na resistência ao corte interlaminar com a adição de uma fração de 0,5% em peso de CNT. Ainda, Zhou et al., (2008) relataram melhorias nas propriedades mecânicas de tração, flexão e resistência à fadiga.

Wicks et al., (2010) avaliaram os efeitos relacionados com a deposição de CNT alinhados na superfície das fibras, sobre as propriedades mecânicas de compósitos. Os autores relataram um aumento de 76% na Tenacidade à Fratura Interlaminar de compósitos com matriz modificada com nanotubos de carbono alinhados. Esses resultados foram associados à capacidade de os nanotubos na matriz ancorarem as fibras, impedindo a propagação da fenda. Apesar do potencial dos CNT para o desenvolvimento de compósitos convencionais de matriz polimérica, a sua utilização ainda é restrita em virtude do custo elevado de produção destas nanopartículas e da dificuldade de dispersão na matriz polimérica.

Boger et al., (2008) ao estudarem compósitos laminados fibra de vidro/epóxido com CNT dispersos na matriz e moldados por RTM, observaram que a resistência ao corte interlaminar não melhorou significativamente, como mostrado em estudos anteriores. Já Gojny et al., (2005), ao estudarem a influência da nano-modificação de compósitos de fibra de vidro, pela dispersão de 0,3% de MWCNT em matrizes de epóxido por calandragem, obtiveram um aumento de 20% na resistência ao corte interlaminar. No entanto, as propriedades em tração não foram afetadas pelos CNT, sendo dominadas pela fase do reforço. Fan et al., (2008) avaliaram as propriedades de compósitos convencionais obtidos por um processo de fabrico VARTM modificado. Estes autores observaram que a adição até 2% de CNT na matriz do compósito gerou um aumento máximo de resistência ao corte interlaminar (ILSS) de 33%. O aumento referido foi relacionado com a orientação preferencial obtida pela modificação do fluxo no processo VARTM. Foi assim demonstrado que um alinhamento preferencial dos CNT na direção da espessura do compósito pode aumentar a ILSS e as propriedades com solicitações em compressão.

Jingjing Qiu (2008) realizou estudos de permeabilidade de resinas modificadas com CNT funcionalizados até uma fração em massa de 3% em tecidos de fibra de vidro por RTM. Estes autores obtiveram aumentos de 27,2% e 15,9% no módulo de elasticidade e resistência mecânica, respetivamente. Quanto à resistência ao corte interlaminar também observaram um

aumento de 16% em relação ao compósito convencional, mostrando os efeitos positivos dos CNT e da sua funcionalização.

Chang et al., (2010) investigaram os efeitos da dispersão de MWCNT na matriz de um compósito convencional fibra de vidro/epóxido sobre as suas propriedades dinâmicas e térmicas. Estes autores concluíram que a resistência ao impacto aumentou em cerca de 44,3% com uma fração mássica de 2% de MWCNT, dispersos na resina epoxídica. Verificaram ainda, que a modificação da matriz com a adição dos MWCNT conduziu a um melhor controlo da expansão térmica e a um aumento do número de ciclos em fadiga do compósito.

Em resumo, os resultados relatados pelos diferentes autores sobre as propriedades mecânicas de compósitos, resultantes dos efeitos da modificação da matriz epoxídica com nanopartículas (nano-argila ou nanotubos de carbono) são muito variáveis. No entanto, parece consensual que uma boa dispersão/esfoliação das nanopartículas na matriz pode resultar em melhorias no comportamento mecânico dos compósitos sob diferentes formas de solicitação. Assim, o comportamento mecânico dos compósitos, relacionado com a melhoria das propriedades da matriz é essencialmente dependente do sucesso da seleção dos constituintes, dos procedimentos usados na preparação das suspensões epóxido/nanopartículas e do processo de fabrico.