Existem vários programas comerciais no mercado com aplicações distintas [214]:
• Ansys: análise estrutural linear e não-linear, acústica, eletromagnetismo, escoamento de fluidos, distribuição de temperatura;
• Pro-Mechanica: análise estrutural linear e distribuição de temperatura;
• Abaqus: análise estrutural linear e não-linear;
• Nastran: análise estrutural;
• Cosmos: análise estrutural;
• Algor: análise estrutural linear e não-linear, análise térmica, escoamento de fluido;
• LS-Dyna: conformação mecânica de metais.
Entre as muitas áreas em que o MEF pode ser aplicado cita-se: projeto e análise de estruturas, análise de escoamento de fluidos, distribuição de temperaturas, eletromagnetismo, projeto de equipamentos eletromecânicos (máquinas, transformadores, etc...). Atualmente, o MEF é considerado um método matemático para a solução de equações diferenciais parciais, entre as quais se incluem as equações de Poisson, de Laplace, de Helmholtz, Navier-Stokes, etc. Em muitos casos práticos, o MEF é a única ferramenta capaz de fornecer uma solução aceitável, ainda que sob o ponto de vista matemático a solução seja considerada como uma aproximação. Neste trabalho, o pacote comercial Ansys 10.0 sob licença [215] será utilizado para efetuar uma análise estrutural linear (ensaio mecânico de flexão) de um sistema de intercalação polímero-material lamelar de diferentes propriedades elástica.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS
POLÍMERO-MATERIAL LAMELAR
Este apêndice apresenta o estudo das propriedades mecânicas de barras de compósitos polímero-material lamelar, obtidas por simulações numéricas de ensaios mecânicos de flexão por quatro pontos, realizadas com o método de elementos finitos (MEF). A técnica de indentação instrumentada foi utilizada para medir os valores do módulo de elasticidade do polímero e do material lamelar, os quais são dados de entrada nas simulações numéricas. A importância do estudo consiste em efetuar uma previsão teórica do reforço mecânico de matriz polimérica quando intercalada com material lamelar, para que futuros experimentos de indentação instrumentada possam ser efetuados nas áreas de micro e nanocompósitos.
B.1. INTRODUÇÃO
Os materiais compósitos são formados pela mistura de dois ou mais micro ou macroconstituintes, que diferem na forma e na composição química, e que na sua essência são insolúveis entre si. Estudos de reforço mecânico com a incorporação de argilas organofílicas em matrizes poliméricas desenvolvidos em meados de 1950, possibilitaram aplicações dos compósitos na indústria automobilística. Entretanto, só a partir de 1986, com os estudos realizados pelo grupo Toyota, os nanocompósitos de matriz polimérica com a estrutura intercalada ou esfoliada com argila forneceram impulso nesta área de pesquisa [124,216].
Recentemente, o estudo de Maiti e colaboradores [217] mostra que a adição de nanopartículas de argila pode deixar o polímero polihidroxibutirato (PHB) mais maleável e ter sua biodegradabilidade ajustada pelo simples controle da quantidade de nanopartículas que são adicionadas. O PHB é conhecido desde os anos 1980, e é tido como uma das alternativas mais promissoras para a fabricação de plásticos biodegradáveis. Comparando
Alexandre Mikowski – Tese de Doutorado – Apêndice B – Propriedades Mecânicas de Compósito Polímero - Material Lamelar.
131 com o PHB original, o novo plástico tem resistência mecânica e taxas de biodegradabilidade sistematicamente superiores ao do composto original. As ‘nanoargilas’ também permitem que o plástico se deteriore mais rapidamente, ao longo de apenas 7 semanas. Com a vantagem de que o início dessa degradação é agora mais previsível e ajustável pela quantidade das nanopartículas de argila adicionadas.
Esta nova classe de materiais compósitos, os nanocompósitos, tem sido utilizada com inúmeras aplicações industriais (automobilística, lubrificantes, plásticos, motores elétricos, etc...) [125]. Podem ser citadas como exemplos de agentes de reforço mecânico as adições de materiais lamelares em matriz polimérica: muscovita (mica) [3], hidróxidos duplos lamelares [4], minerais [5] aluminosilicatos [218] e silicatos [219]. Vários artigos de revisão [6-10,23] discutem os temas de processamento, manufaturamento e aplicações dos nanocompósitos poliméricos, os quais são obtidos a partir de intercalação ou esfoliação de materiais lamelares. A tendência de aumento nas propriedades mecânicas (módulo de elasticidade e resistência à tração), em função do acréscimo da fração de carga mineral na matriz polimérica dos nanocompósitos (materiais lamelares) é prevista por esses trabalhos. Como exemplo, os seguintes trabalhos podem ser citados:
i. Reforço mecânico da matriz polimérica de polidimetilsiloxano de módulo de elasticidade (teste de tração) igual a 1 MPa para 13 MPa correspondente ao compósito com fração volumétrica 14 % de mica [220];
ii. Reforço mecânico da matriz polimérica obtida do álcool polivinílico (PVA) de módulo de elasticidade (teste de tração) igual a 1,7 ± 0,2 GPa para 106 ± 11 GPa correspondente ao compósito (intercalado por ligações cruzadas) com fração volumétrica 50% de montmorilonita [221];
iii. Reforço mecânico da matriz polimérica obtida do PVA de dureza por indentação instrumentada (ponta esférica com de 150 µm) igual a 89,8 ± 7,5 MPa para 122,7 ± 2,3 MPa correspondente ao compósito com fração volumétrica 0,25 % de caulinita [222].
A vantagem de obter nanocompósitos a partir de materiais lamelares deve-se ao baixo custo quando comparado com os nanotubos de carbono [223].
O PVA, por suas excelentes propriedades físicas e químicas, tem sido utilizado em um grande número de aplicações industriais. Este polímero é um excelente adesivo, possui boa resistência a solventes, óleos e graxas e sua resistência à passagem de oxigênio é superior a de qualquer polímero conhecido. Por isso, a produção de um compósito com matriz polimérica PVA é de grande interesse para a indústria de filmes e embalagens, pois as propriedades de resistência e barreira a gases estariam maximizadas [222].
A aplicação tecnológica de um material compósito submetido a algum esforço mecânico depende de suas propriedades mecânicas para que essa aplicação seja bem sucedida. O módulo de elasticidade (ver seção 2.1.2) depende fundamentalmente das forças de ligação interatômicas, da composição química e da estrutura cristalográfica. [36]. Quanto maior o valor do módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão, e mais rígida será a estrutura do material [52]. A medida do valor do módulo de elasticidade pode ser obtida por diferentes técnicas experimentais: medida da rigidez elástica e da área projetada do contato em um ensaio de indentação instrumentada, medida da deformação em ensaio de tração e flexão, medida da freqüência natural de vibração de uma barra e medida da velocidade do som no material.
Para o desenvolvimento de novos materiais compósitos, os métodos numéricos fornecem uma previsão teórica do comportamento mecânico desses materiais, evitando gastos com matéria-prima. Considerando as interessantes aplicações científicas e tecnológicas dos materiais compósitos, o objetivo deste apêndice consiste em utilizar o MEF para simular um ensaio de flexão por quatro pontos de barras de compósito polímero- material lamelar. Estas simulações numéricas são efetuadas para calcular os valores do módulo de elasticidade de compósitos polímero-material lamelar e analisar a distribuição de tensões que aparecem nas diferentes camadas dos compósitos. O PVA e a muscovita foram os materiais selecionados para efetuar o estudo numérico. A importância do emprego da mica em polímeros de um modo geral, deve-se ao baixo custo e abundância no Brasil, além de ser um isolante elétrico e térmico [224].
Alexandre Mikowski – Tese de Doutorado – Apêndice B – Propriedades Mecânicas de Compósito Polímero - Material Lamelar.
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B.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
B.2.1 Polímero – Álcool polivinílico (PVA)
A amostra de PVA foi obtida a partir da preparação da solução 20 g/L de álcool polivinílico, utilizando-se de aquecimento e agitação para melhor solubilizar a amostra. O conteúdo da solução foi vertido para uma placa de vidro plana, que foi levado para estufa ao vácuo sob temperatura de 60 °C durante 24 h. A partir do degrau formado da placa de vidro para o filme de PVA e com auxílio de um micrômetro, a espessura do filme de PVA foi estimada em 300 µm. Desta maneira, os ensaios de indentação instrumentada foram realizados em profundidades de penetração de até 10 % da espessura do filme, para evitar o efeito da propriedade mecânica do substrato na propriedade do filme [35].
Os filmes de PVA foram confeccionados pelo aluno de mestrado Antônio A. S. Marangon, orientado pelo Prof. Dr. Fernando Wypych, no Centro de Pesquisa em Química Aplicada, do Departamento de Química, da UFPR.
B.2.2 Material Lamelar – Muscovita (mica)
Amostras do mineral muscovita KM(AlSi3O10)(OH)2 (M pode ser Al, Fe, Mg ou
combinações destes metais) foram separadas e visualizadas por microscopia óptica. Para obter uma superfície plana e limpa, uma fita adesiva é colada na superfície da amostra. O mesmo procedimento de retirada de plano lamelares discutido anteriormente para a grafite (seção 4.2) e caulinita (seção 5.2) foi empregado. Na seqüência, a amostra foi selecionada e submetida aos ensaios da indentação instrumentada na direção (001) normal ao plano basal.
B.2.3 Módulo de elasticidade por indentação instrumentada
Os valores do módulo de elasticidade (EIT) do PVA e da mica foram determinados com a técnica de indentação instrumentada e, os dados gerados, foram tratados pelo método de Oliver e Pharr [11,93]. Os testes foram realizados com a ponta Berkovich, sendo empregado 1 ciclo completo de carregamento e descarregamento, para a carga máxima aplicada de 1 mN. Em cada uma das amostras foram realizadas 50 indentações, dispostas em matriz (5x10).
Os valores medidos para EIT do PVA e da mica são iguais a 4,5 ± 0,1 GPa e 68,3 ± 4,8 GPa respectivamente. A magnitude do espalhamento dos valores medidos de EIT é quantificada pelo coeficiente de variação (CV), que apresentou valores de 2,2 % para o PVA e 7 % para a mica, indicando que os valores são estatisticamente homogêneos [208]. Os resultados medidos para EIT do PVA e da mica estão de acordo com os valores medidos por Marangon e colaboradores [222] com técnica de indentação instrumentada (4,5 ± 0,1 GPa) para o PVA e por McNeil e colaboradores [225] com técnica de medida da velocidade do som (70,7 ± 0,6 GPa) para a mica.