No estudo comparativo sobre a influência da absorção da umidade em cada configuração estudada, demonstra-se que a mesma afeta adversamente as propriedades mecânicas de resistência e rigidez, independente da configuração e do tipo de carregamento atuante.
A superioridade dessas propriedades para o estado seco, quando comparadas ao estado úmido é evidenciada para ambas as configurações na Tabela 18.
Tabela 1: Propriedades mecânicas dos compósitos – Superioridade do estado seco sobre o estado úmido
CONFIGURAÇÃO CARGA APLICADA AUMENTO NA RESISTÊNCIA
ÚLTIMA (%) AUMENTO NO MÓDULO ELÁSTICO (%) SJV Tração Uniaxial 4,96 13,4 SJV Flexão em três pontos 23,4 12 LJV Tração Uniaxial 19,3 17,4 LJV Flexão em três pontos 17,2 18,4
Na figura 60, mostra-se uma visão global da influência da configuração e da presença de absorção de umidade nas propriedades de resistência e rigidez dos dois laminados. A nova terminologia empregada na definição dos compósitos, ou seja, LJVS, LJVU, SJVS e SJVU, nos quais as letras “S” e “U” definem os estados seco e úmido, respectivamente, se faz necessária para melhor entendimento da influência simultânea do tipo de configuração, carga aplicada e absorção de umidade nas propriedades mecânicas das duas configurações em estudo.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
LJVS
Tração
Flexão
T
ensão Úl
ti
ma (
M
Pa)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Tração
Flexão
SJVS
Módulo Elástico (GPa)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Tração
Flexão
SJVU
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Tração
Flexão
LJVU
5. CONCLUSÕES
Com base nos resultados obtidos experimentalmente, as seguintes conclusões podem ser destacadas:
1. A absorção de umidade foi maior para o compósito sanduíche (SJV) do que para o laminado (LJV), sendo que para o SJV a absorção foi de 7,19%, e para o LVJ foi de 4,8%, havendo assim uma diferença percentual de 33%. Tal aumento na absorção pode ser atribuído ao acréscimo do coremat no SJV.
2. A fratura precoce por cisalhamento ocorrida no SJV na linha neutra do coremat foi a principal responsável pela perda da capacidade dessa configuração de suportar carga influenciando diretamente suas propriedades mecânicas. Essa característica de fratura do SJV ocorreu de forma constante quando este foi submetido a cargas de flexão, indiferente de qual tenha sido seu estado;
3. Apesar de haver fratura precoce por cisalhamento no coremat na maioria dos ensaios, é notório o bom rendimento do comportamento mecânico (resistência à rigidez) do SJV na flexão em três pontos, o que viabiliza o uso do coremat como camada de recheio em compósitos quando se deseja maior rigidez. Além disso, contudo, deve-se apresentar ressalva com relação à diminuição da resistência nesses casos;
4. A retirada do coremat na configuração do tipo LJV foi o suficiente para evitar a fratura precoce por cisalhamento na linha neutra, originando no laminado a fratura por flexão. Neste sentido, uma superioridade na resistência à flexão foi constatada;
5. A presença de fraturas adesivas nas configurações estudadas evidencia falhas na aderência fibra/matriz.
6. Para as duas configurações, as características comuns das fraturas encontradas nos ensaios de tração uniaxial e flexão em três pontos são: delaminação, microfissuração na matriz, fratura adesiva (interface fibra/matriz), fratura coesiva (tanto na matriz quanto na fibra) e ruptura de fibras.
7. As inflexões observadas nas curvas dos gráficos referentes ao ensaio de flexão em três pontos para o LJV, tanto no estado úmido quanto para o estado seco, caracterizam a fratura inicial da camada tracionada de fibra de juta, seguida da recuperação na capacidade de suporte de carga da camada adjacente;
8. Quando submetidos aos ensaios de flexão em três pontos e tração uniaxial, os compósitos LJV e SJV no estado seco demonstraram características como módulo de elasticidade e resistência última, sempre superiores às demonstradas quando estes se encontram no estado úmido, evidenciando que, à medida que esses compósitos absorvem umidade, sofrem também diminuição dessas propriedades.
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CONFIGURAÇÕES ALTERNATIVAS NO USO DOS PRF: LAMINADO
E ESTRUTURA SANDWICH.
Oliveira, J. F. S.
Post-graduation Program in Mechanical Engineering, Mechanical Engineering Department, Federal University of Rio Grande do Norte, 59072-970 - Lagoa Nova – Natal/RN – Brazil.
E-mail: jorge@cefetba.br
Aquino, E. M. F
Post-graduation Program in Mechanical Engineering, Mechanical Engineering Department, Federal University of Rio Grande do Norte, 59072-970 - Lagoa Nova – Natal/RN – Brazil.
E-mail:eve@dem.ufrn.br
Silva, R. V.
Metalurgia e Materiais, CEFET-ES. Av. Vitória 1729, Jucutuquara, Vitória-ES, CEP 29040-780. E-mail: rosanavilarim@yahoo.com.br
Abstract. Atualmente a conjugação de propriedades inerentes aos materiais atingiu tamanha importância que o
futuro de grande parte das aplicações estruturais está baseado no desenvolvimento dos materiais compósitos. A aplicação estrutural desses materiais compósitos tem como base a concepção de novas configurações de reforço (tecidos) e estruturas laminares. Destaque pode ser feito, para o crescimento do uso de compósitos à base de fibras "naturais" ressaltando-se que sua principal aplicação se resume aos elementos submetidos a esforços de pequeno e médio porte. Isso porque quando comparadas às fibras sintéticas, as fibras naturais, em geral, possuem baixo desempenho mecânico. Neste sentido, estudos têm sido realizados envolvendo os compósitos híbridos, ou seja, envolvendo a combinação de fibras sintéticas e naturais com o objetivo de se conseguir um melhor desempenho mecânico do compósito. Neste trabalho será avaliada a influência do tipo de configuração (sandwich ou laminado), nas propriedades de resistência e rigidez de materiais compósitos híbridos envolvendo reforços de fibras naturais (juta) e fibras sintéticas (vidro-E) em matriz polimérica. As propriedades mecânicas serão determinadas em ensaios de tração uniaxial e flexão-em-três-pontos. Análise das características da fratura será também efetuada. Os resultados mostram uma influência direta da configuração nas propriedades e característica da fratura dos compósitos.
Keywords: Compósitos, fibras naturais, fibras sintéticas, configurações.
1. Introdução
Atualmente a conjugação de propriedades inerentes aos materiais atingiu tamanha importância que o futuro de grande parte das aplicações estruturais está baseado no desenvolvimento dos materiais compósitos. Estes são constituídos pela mistura de dois ou mais materiais diferindo em forma e/ou composição química e que sejam essencialmente insolúveis entre si. Assim, por exemplo, resinas poliméricas são usadas para aglomerar fibras e filamentos de alta resistência mecânica formando compósitos de alto desempenho mecânico.
A combinação de propriedades físicas, mecânicas e químicas dos componentes de um compósito para proporcionar as características desejadas ao produto final, deve ser realizada conhecendo-se muito bem as propriedades de cada componente. Portanto, durante o desenvolvimento do compósito é necessário se conhecer a fundo as diferentes características de seus componentes.
A aplicação estrutural dos materiais compósitos apresentou considerável crescimento nos últimos anos em virtude de aperfeiçoamento nos processos de fabricação envolvidos bem como da concepção de novas configurações de reforço (tecidos) e estruturas laminares (Banister M., 2001; Ellyin F. et al., 2004; Daí, J. et al., 2003; Freire Jr. et al., 2005). Destaque pode ser feito, para o crescimento do uso de compósitos à base de fibras “naturais” tais como: sisal, curauá, fibra de bananeira, juta entre outras, (Aziz et al, 2005; Singleto et al, 2003; Herrera et al, 2004), ainda que suas aplicações sejam restritas aos elementos submetidos a esforços de pequeno e médio porte. Isso porque quando comparadas às fibras sintéticas, as fibras naturais possuem baixas propriedades mecânicas. Neste sentido, foram idealizados os compósitos híbridos envolvendo a combinação de fibras sintéticas e naturais (John K. et al, 2004; Thwe M. M. et al, 2001; Aquino, E. M. F. et al, 2005). A aplicação deste tipo de compósito, no entanto, está condicionada a que o produto final aporte um bom desempenho mecânico aliado a um baixo custo de produção. A configuração desses compósitos híbridos é de vital importância na resposta final do material.
Neste trabalho será avaliada a influência do tipo de configuração (sandwich ou laminado), nas propriedades de resistência e rigidez em materiais compósitos híbridos envolvendo reforços de fibras naturais (juta) e fibras sintéticas (vidro-E) em matriz polimérica (poliéster ortoftálica). Todo o estudo tem como base os ensaios de tração uniaxial e flexão-em-três-pontos. A proposta de trabalho envolve parceria com a industria que visualiza uma possível aplicação do compósito híbrido em tubulações e/ou reservatórios em substituição aos compósitos do tipo sanduíche, somente a base de fibras de vidro-E, já comumente utilizados.
2. Procedimento Experimental
Foram desenvolvidos dois compósitos híbridos, ambos de fabricação industrial (hand-lay-up), utilizando a resina poliéster ortoftálica como matriz.
O primeiro é caracterizado por uma estrutura do tipo sanduíche reforçado com tecidos bidirecionais de fibra de vidro-E e fibra de juta, além de uma camada de recheio denominada de coremat. A utilização do
coremat tem como único objetivo promover um aumento na rigidez da estrutura.
O coremat é um material não tecido composto de 50% de fibras e 50% de micro esferas de poliéster sendo do tipo feltro perfurado, com espessura de 2,0 mm. O mesmo é comumente utilizado na confecção dos laminados compósitos como camada de recheio (central) e fabricado pela LANTOR com uma designação R30302. A figura 01 a, b e c ilustra os tipos de tecidos utilizados como reforços em estruturas laminares.
O segundo laminado consiste de um compósito híbrido com a mesma distribuição de camadas do compósito anterior e utilizando o mesmo tipo de resina, com a diferença de que o mesmo não possui a camada central de recheio (coremat Xi). Para efeito de estudo comparativo, foi escolhido para análise um laminado, também do tipo sandwich, porém utilizando como reforço somente fibras de vidro-E. O mesmo já é tradicionalmente utilizado na industria, e possui a mesma configuração dos laminados anteriores com a ressalva de que as camadas de tecido de juta foram substituídas por camadas de mantas de fibras de vidro, ver figura 1d. A resina utilizada foi a mesma dos demais compósitos.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 01 – Materiais utilizados nos compósitos: (a) estrutura do coremat Xi, (b) tecido bidirecional de fibras de vidro, (c) tecido bidirecional de fibras de juta e (d) manta de fibras de vidro.
Análises das propriedades mecânicas de resistência e rigidez são obtidas a partir dos testes de tração e flexão-em-três-para as três configurações propostas. As configurações dos compósitos híbridos foram as seguintes: [FJ/FV/FJ/C]s (Sandwich Híbrido de Fibras de Vidro e Juta - SJV) e [FJ/FV/FJ/FJ/FV/FJ] (Laminado
Híbrido de Fibras de Vidro e Juta - LJV). Onde FJ e FV são tecidos bidirecionais de fibras de juta (trama de 3617,1 denier e urdume de 3245,4 denier) e de vidro-E (450g/m2), respectivamente e C representa o coremat. A
letra “s” indica simetria na distribuição das camadas com relação à camada central do compósito. Para a estrutura sandwich somente a base de fibras de vidro (SV), a configuração vem na forma [MV/TV/MV/C]sonde
MV e TV são mantas de fibras curtas (450g/m2) e tecido bidirecional (450g/m ), respectivamente. A figura 02 2
mostra o
mpósitos resultaram em aproximadamente 6,7 mm, 6,0mm e 7,0mm para os SJV, LJV e SV, respectivamente.
s esboços dessas configurações.
Ressalta-se que para os ensaios de tração uniaxial os tecidos bidirecionais apresentam-se com as direções das fibras sempre paralelas (0q) e perpendiculares (90q) à direção de aplicação da carga. Já para os ensaios de flexão-em-três-pontos, foram posicionadas perpendiculares à carga aplicada, ou seja, paralelas às tensões normais desenvolvidas. Neste estudo, a idéia inicial foi a da utilização das fibras naturais (juta) na forma “in natura”, de forma a não encarecer o produto final. As espessuras dos co
fibreglass mat
(a) (b)
(c)
Figura 02 – Configurações dos com ósitos. (a) SJV, (b) SV e (c) LJV.
deslocamento e carga aplicada, e outra parte em
e fibra/matriz), coesivas (na atriz ou na fibra), e delaminação (descolamento entre as camadas do laminado).
Jute fabric Fibreglass
fabric
p
As dimensões dos CP´S e as especificações de execução dos ensaios de tração uniaxial e flexão-em- três-pontos, seguiram as normas ASTM D3039-00 e ASTM D790-90, respectivamente. Os ensaios foram