Reforços

Os PRF podem usar uma grande variedade de reforços fibrosos para uma mesma matriz, permitindo a obtenção de um material compósito com um amplo espectro de propriedades, uma vez que cada par fibra + resina apresenta o seu próprio leque de propriedades.

A ASTM - American Society for Testing Materials, através do seu grupo de trabalho Committee D30, define fibras como materiais alongados com uma razão entre comprimento e espessura de 10/1, no mínimo, com uma secção transversal máxima de 5x10^-2 mm² e espessura máxima de 0,25 mm. As fibras mais usuais são do tipo vidro (G), o carbono (C) e aramida (A).

Constroem-se os respectivos compósitos reforçados denominados internacionalmente por GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer), CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) e AFRP (poliamide aromática Aramid Fiber Reinforced Polymer) [4, 15,16].

2.1.3.1. Fibras de vidro

As fibras de vidro (Calcium aluminoborosilicate), que constituem o tipo de reforço mais utilizado, são obtidas pela fusão e obtenção de fibras de óxidos metálicos (óxidos de silício, sódio, cálcio, alumínio, potássio, entre outros). Esses óxidos são analisados, moídos, doseados, misturados e alimentados em fornos de fusão para posterior transformação em fibras [17], as quais são produzidas por estiramento a alta velocidade do vidro fundido (temperatura de fusão de 1260 ^oC) através de uma fieira em liga de platina-ródio, com orifícios de dimensões muito precisas entre 0,79 mm a 3,18 mm. Os varões resultantes são estirados para filamentos contínuos com diâmetro compreendido entre 3 µm a 20 µm e sofrem, à saída, um tratamento de superfície polivalente. O revestimento pode ser têxtil para o fabrico de tecidos sem risco de danificação da fibra, ou revestimento plástico. Para permitir a compatibilização da fibra com as matrizes estes revestimentos contêm, em geral, um ligante que mantém os filamentos unidos, um agente de adesão para facilitar a adesão fibra-matriz, um lubrificante e agentes anti-estáticos ou de impregnação.

Uma vez que as fibras de vidro são fortemente higroscópicas, o revestimento tem, também, a função de impedir o contacto com a humidade, evitando-se deste modo a destruição da interface fibra – matriz [2, 6]. Actualmente, dividem-se em três categorias, de acordo com as suas características (^{Tabela 4}) em: E “Electrical” (elétrico), C “Chemical” (químico) e S “High Tensile Strength” (alta resistência) [18].

A mais comum é a fibra de vidro tipo E, apresentando resistência à tração de aproximadamente 3450 MPa e um módulo de elasticidade de 72 GPa, com relativa baixa taxa de alongamento: cerca de 3 a 4%, apresentando simultaneamente um custo bastante reduzido [6, 10] (Tabela 4).

Tabela 4 - Classes de fibra de vidro e respectivas propriedades [18]

Classe de Fibra de vidro Características

E Alta resistência e alto módulo de elasticidade;

Bom isolante elétrico.

C Alta resistência à corrosão;

Baixa propriedade de resistência.

S Alto módulo à corrosão;

Resistente a altas temperaturas.

Figura 2 - Fibras de vidro longas e curtas [20]

A fibra de vidro tipo S apresenta resistência à tração de 4600 MPa e módulo de Young de aproximadamente 86 GPa, sendo utilizada para aplicações de alto desempenho [10].

13 2.1.3.2. Fibras de carbono

As fibras de carbono podem ser essencialmente de dois tipos: tipo I, com percentagens de carbono entre 80% e 95%, ou tipo II, com percentagem de carbono superior a 95%, chamadas fibras de grafite, para aplicações exigentes como a aeronáutica e a indústria aeroespacial. A produção de fibras de carbono centra-se na decomposição térmica de vários precursores orgânicos. Podemos apresentar três tipos de processos de obtenção: as fibras produzidas a partir da celulose (designadas por “rayon fibers”), e que exigem elevadíssimas temperaturas na grafitização, tornando o processo muito dispendioso; as fibras produzidas a partir de Poliacrilonitril (PAN) - actualmente as mais utilizadas, e as fibras produzidas a partir do alcatrão derivado do petróleo destilado (“pitch”), que apresentam propriedades mecânicas ligeiramente inferiores.

As principais vantagens em recorrer a fibras de carbono traduzem-se nos valores elevados das razões rigidez/peso específico e resistência/peso específico, nos baixos valores do coeficiente de dilatação térmica, quer longitudinal quer transversal, na reduzida sensibilidade à fadiga e nas excelentes resistências química e à humidade. Contudo, as mesmas fibras têm como principal inconveniente o baixo valor de resistência ao impacto manifestada pela sua baixa deformação na rotura e, eventualmente, conforme a circunstância da aplicação, o poder tratar-se de um material bom condutor térmico e eléctrico (Tabela 5) [21, 22, 23].

Figura 3 - Mantas constituídas à base de fibras de carbono [24]

2.1.3.3. Fibras Aramídicas

As fibras aramídicas são produzidas com base em poliamidas aromáticas. "Aramida" é a denominação genérica das fibras orgânicas de poliamida aromática (Polyparaphenyle-neterephthalamide).

O processamento das fibras de aramida é realizado por corte de um polímero em solução cristalina ainda líquida, com moléculas orientadas parcialmente. Desse modo, resultam fibras cujas moléculas rígidas são alinhadas segundo o eixo da fibra de menor complexidade, o que proporciona propriedades mecânicas vantajosas, concretamente, elevadas resistência e módulo de elasticidade. A solução de polímero é mantida a baixa temperatura (entre -50 ^oC e -80 ^oC) e depois extrudida a uma temperatura de aproximadamente 200 ^oC. Distinguem-se ainda aspectos como o baixo peso específico das fibras, a elevada resistência à tração e a excelente tenacidade, a qual contribui com bons resultados em situações de choque ou fadiga e, ainda, com uma boa capacidade de amortecimento de vibrações como exemplo, a balística.

Em contrapartida, estas fibras são bastante caras e possuem propriedades modestas à flexão e à compressão, em consequência da microestrutura fibrilar das fibras. Apresentam, ainda, um comportamento algo permissivo à fluência devido à interacção da água com as moléculas e com a cristalografia estrutural das fibras de aramida, quando expostas à humidade e sofrem degradação das fibras quando expostas a radiações ultravioletas [2, 25, 26, 27, 28].

2.1.3.4. Fibras de Boro

As fibras de boro são produzidas por deposição de boro em fase de vapor sobre um fio de tungsténio ou carbono, que actuam como substrato. O diâmetro das fibras que atua como substrato é de cerca de 12 µm e o resultado, após deposição do boro, é uma fibra que pode atingir os 200 µm. As fibras de boro utilizam-se na forma de fitas pré-impregnadas numa resina de epóxido, fenólica ou poliimidica. Pelo seu elevado custo, os compósitos com fibras de boro aplicam-se sobretudo na indústria aeronáutica. [2]

15 2.1.3.5. Resumo das principais propriedades das fibras de reforço

Os quadros seguintes tentam sintetizar as principais propriedades das fibras utilizadas como reforços nos PRF.

Tabela 5 - Propriedades principais das fibras usualmente utilizadas como reforço nos PRF [2]

Tipo de fibra

Tabela 6 - Propriedades principais de algumas fibras utilizadas como reforço nos PRF [11]

Devido à natureza heterogénea da ligação fibra/matriz plástica no compósito, é possível formar mecanismos com grande absorção de energia numa reduzida escala de deformações [15, 16].