DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITOS MOLDADOS POR COMPRESSÃO UTILIZANDO RESINA ÉSTER-VINÍLICA REFORÇADA COM TECIDO DE
ARAMIDA PARA APLICAÇÃO EM BLINDAGEM VEICULAR
Mirela O. H. Zunino1, Matheus Poletto1, Ademir J. Zattera1 1Universidade de Caxias do Sul
Rua Francisco Getúlio Vargas, 1130, Bairro Petrópolis, CEP 95070-000, Caxias do Sul – RS.
E-mail: mirela.ohz@hotmail.com
RESUMO
Compósitos poliméricos de aramida e resina éster-vinílica vem sendo utilizados em blindagens balísticas, devido à elevada resistência mecânica e massa específica reduzida. Este estudo tem por objetivo avaliar propriedades mecânicas e dinâmico-mecânicas de compósitos aramida/resina éster-vinílica com 8, 10 e 11 tecidos, moldados por compressão. Com base nos resultados, observou-se que a quantidade de tecidos interfere na resistência ao impacto e à tração do compósito. O compósito com 10 camadas obteve melhor resultado; com resistência ao impacto de535,0 kJ.m-2 e resistência à tração de 419,8 MPa. Na análise dinâmico-mecânica observou-se aumento do módulo de armazenamento, comparando o compósito com 10 tecidos ao de 8. Em contrapartida, comparando o de 10 tecidos ao de 11, ocorreu decréscimo no módulo de armazenamento. Desta forma, a diminuição das propriedades mecânicas no compósito contendo 11 mantas pode ser atribuído a alta relação reforço/resina. Palavras-chave: compósitos, resina éster-vinílica, aramida, moldagem por compressão.
INTRODUÇÃO
Ao longo da história da humanidade o homem utilizou de diversos materiais para se proteger de projéteis e elementos cortantes em situações de combate. Os aços foram amplamente utilizados em blindagens balísticas veiculares, por possuírem bom desempenho e baixo custo; em contrapartida, possuem elevada massa específica. A velocidade e mobilidade do veículo é uma componente chave, portanto quanto menor
a massa do veículo blindado, mais veloz e manobrável será este veículo, aumentando as chances de sobrevivência dos passageiros em situações de perigo (1,2).
Desde as últimas três décadas a utilização de materiais compósitos (poliméricos) em blindagens vem aumentando devido as diversas vantagens em comparação aos materiais metálicos tradicionais. A principal vantagem é a baixa massa específica e elevada resistência, bem como a facilidade de adaptação para as mais diversas aplicações (3).
O processo de moldagem por compressão está entre as mais antigas técnicas de processamento de materiais, principalmente no que se refere a materiais poliméricos. Seu princípio consiste em aquecer uma resina termorrígida, sob pressão, fechada dentro de um molde até que a mesma cure através de reações de reticulação(4). Dentre as vantagens do processo de moldagem por compressão, destaca-se a possibilidade de produzir peças com geometrias complexas, com baixo tempo e custo, facilitando a produção em escala industrial (5,6).
A demanda por fibras de aramida tem crescido rapidamente no mercado, especialmente para a produção de roupas para proteção e compósitos em um amplo espectro de aplicações industriais, aeroespaciais, militares e civis (7). A fibra de aramida foi a primeira fibra orgânica usada como reforço em compósitos avançados por possuir propriedades mecânicas superiores as do aço e da fibra de vidro, com menor massa específica. Compósitos poliméricos reforçados com fibras de aramida possuem baixa massa específica aliada a alta resistência, módulo de Young, flexibilidade, tenacidade, propriedades de fadiga à tração, resistência ao impacto, porém baixa resistência à compressão e resistência ao cisalhamento interlaminar (8,9). O número de camadas de reforço é um fator importante para determinar o grau de proteção do compósito balístico. O desempenho de um tecido depende das propriedades dinâmico mecânicas das fibras constituintes e da geometria do tecido (densidade linear do fio, tipo de trama, densidade do tecido, entre outros) (7).
A resina éster-vinílica é amplamente utilizada para a preparação de compósitos estruturais de engenharia devido as suas propriedades mecânicas, excelente resistência à corrosão, cura rápida e viscosidade reduzida, combina características das epóxis e dos poliésteres insaturados (10,11).
Desta forma, esse trabalho consiste em desenvolver compósitos com elevadas propriedades mecânicas e dinâmico-mecânicas, destinado a aplicação em blindagem
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Para a obtenção dos compósitos de aramida com resina éster-vinílica foram utilizados: tecidos de aramida bidirecionais AR-0465, do fabricante Fibertex®, cortados nas dimensões de 170 x 170 mm, resina éster-vinílica Derakane 411-350 Ashland, como catalisador foi utilizado o octalato de cobalto 6% (m/m) e agente de cura Peróxido de Butanox M-50, fornecidos pela Disfibra Indústria e Comércio de Fiberglass LTDA e agente desmoldante semipermanente Chemlease® PMR-90 Chem Trend.
Preparação das amostras
Os compósitos foram elaborados utilizando a metodologia descrita abaixo : 1. Adição do iniciador e agente de cura na resina, na proporção de 1% (m/m)
seguido de homogeneização completa utilizando um bastão de vidro;
2. Aplicação do desmoldante, utilizando um pincel, nos componentes macho e fêmea do molde de aço inoxidável nas dimensões de 170 x 170 x 5 mm e após secagem do mesmo, aplicação da primeira camada de resina, utilizando uma espátula e em seguida da primeira camada de tecido de aramida e assim sucessivamente (intercalando as camadas, ângulo de 0º) até atingir o número de 8, 10 e 11 tecidos;
3. Fechamento do molde e posicionamento na prensa a temperatura de 80 ± 5 °C a uma pressão de 4 bar, por um tempo aproximado de 18 ± 2 minutos. 4. Abertura do molde, retirada do compósito e colocação do mesmo na estufa de
circulação forçada por 4 horas a 80°C e 2 horas a 120°C para realizar a pós-cura;
5. Corte dos corpos de prova por jato d’água (conforme dimensões definidas na norma de cada ensaio) e realização dos ensaios de caracterização.
Caracterização
Os ensaios de resistência à tração foram realizados em uma máquina universal de ensaio EMIC DL (Brasil) com capacidade 200 KN, com velocidade de 5mm.min-1,
em 6 corpos de prova de dimensões 150 x 25 x 5 mm, de acordo com a norma ASTM D3039-14 com adaptação da norma ASTM A370 para aço.
Os ensaios de resistência ao impacto Izod sem entalhe foram realizados em equipamento de impacto Veb Werkstoffprüfmaschinen Leipzig (Alemanha), utilizando a máxima energia de pêndulo de 294 J. Ambos os ensaios serão realizados em 6 corpos de prova com dimensões de 63,5 x 12,7 x 5 mm, conforme a norma ASTM D256-10 com adaptação da norma ASTM E23-12C.
As propriedades viscoelásticas (módulo de armazenamento E’ e fator de amortecimento) foram determinadas por análise dinâmico-mecânica (DMA), os ensaios foram realizados no laboratório de polímeros (LPOL) da UCS em equipamento Q800 - TA Instrument (Estados Unidos). Os ensaios foram realizados em 3 corpos de prova com dimensões de 60 x 10 x 5 mm. Os corpos de prova foram fixados ao equipamento com clamp de suporte duplo (dual cantilever) e os testes foram realizados em método não isotérmico,na faixa de temperatura entre 30 e160 °C com taxa de aquecimento de 3 °C.mim-1, com frequência de 1 Hz e amplitude de deformação de 0,1%.
As amostras foram identificadas da seguinte forma: - Resina: resina éster-vinílica pura curada;
- AM8: compósito contendo 8 tecidos; - AM10: compósito contendo 10 tecidos; - AM11: compósito contendo 11 tecidos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Resistência a tração
No ensaio de resistência à tração, a resina apresentou um resultado de 86,0 MPa. Os compósitos com 8, 10 e 11 tecidos apresentaram resistência a tração de 419,8 MPa, 417,2 MPa, 415,8 MPa respectivamente.
Figura 1 – Resistência à tração da resina éster-vinílica e dos compósitos com 8, 10 e 11 tecidos.
Possivelmente, durante o processo de moldagem, tenham ocorrido falhas no molhamento dos tecidos pela resina, ou a resina adicionada não foi suficiente, pois ocorreu a delaminação de todas as amostras. Os resultados obtidos indicam que a adição de reforço melhora as propriedades do compósito, porém existe um limite que pode ser incorporado, a partir do qual o resultado sofre decréscimo (12).
Resistência ao impacto
No ensaio de resistência ao impacto, a resina apresentou um resultado de 8,11 kJ.m-2. O melhor desempenho foi obtido pelo compósito com 10 tecidos; 535,0 kJ.m -2. Ambos os compósitos com 8 e 11 tecidos apresentaram resistência ao impacto de 492,7 kJ.m-2 .
Figura 2 – Resistência ao impacto da resina éster-vinílica e dos compósitos com 8, 10 e 11 tecidos.
Observa-se que a partir de determinado teor de reforço, neste caso a partir de 10 tecidos adicionados a matriz, maior a dificuldade da resina de penetrar o reforço
de forma homogenea, podendo reduzir a transferência de tensão na interface reforço / matriz (13).
Análise dinâmico-mecânica
A análise dinâmico-mecânica permite a separação da contribuição elástica e viscosa em materiais viscoelásticos, em função da temperatura e do tempo (17). O módulo de armazenamento é uma medida da energia mecânica que o material pode armazenar, na forma de energia potencial ou elástica(16,17). Na análise dinâmico-mecânica, obteve-se um módulo de armazenamento máximo para o compósito com 10 tecidos, da ordem de 8300 MPa, seguido do compósito de 11 e de 8 tecidos com resultados de 7700 MPa e 7300 MPa, respectivamente. A resina éster-vinílica apresentou módulo de armazenamento máximo de 1600 MPa, como pode ser observado na Figura 3.
No compósito com 10 tecidos, ocorre maior restrição da mobilidade molecular da matriz, que aumenta a distribuição das tensões na interface. O módulo de armazenamento também está associado à rigidez do compósito e a capacidade de armazenar energia, sendo que a rigidez aumenta com o aumento do teor de reforço (14,15,18).
A altura do pico de tan delta está associada a melhor interação na interface fibra/matriz, enquanto que a largura está associada aos processo de relaxação que ocorrem no material. Assim, a presença das fibras em todos os compósitos promove maior restrição molecular na interface reforço/matriz e consequentemente a transição do estado vítreo para o estado elastomérico ocorre de maneira mais lenta em comparação a resina, o que geralmente implica em maior resistência ao impacto(15,16). A partir das curvas de amortecimento (tan delta), também apresentadas na Figura 3, foi observada menor altura de pico e menor área sob a curva de tan delta do compósito com 10 tecidos, associado a um menor fator de amortecimento. Este comportamento pode indicar que os compósitos com 8 e 11 tecidos são mais heterogêneos que o compósito com 10 tecidos. No entanto, a menor altura e largura do pico de tan delta para o compósito com 10 mantas pode estar associada a melhor interface reforço/matriz e melhor homogeneidade do compósito o que favorece a dissipação da energia da matriz para as fibras o que pode acarretar maior resistência ao
Figura 3 – Módulo de armazenamento e tan delta da resina e dos compósitos com 8, 10 e 11 tecidos.
CONCLUSÕES
Com base nos resultados obtidos neste trabalho, constatou-se que a adição dos tecidos de aramida acarretou no aumento das propriedades mecânicas do compósito quando comparado com as propriedades mecânicas da resina éster-vinílica. Observou-se também que a resistência à tração dos compósitos aumentou aproximadamente 5 vezes e que a resistência ao impacto aumentou cerca de 60 vezes, quando comparadas a resina. Esse incremento nas propriedades é confirmado na análise dinâmico-mecânica. Foi observado que o compósito com melhor desempenho foi o desenvolvido com 10 mantas, possivelmente por apresentar a melhor relação reforço / matriz e proporcionar a melhor condição para que ocorresse a total molhabilidade dos tecidos.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Universidade de Caxias do Sul (UCS), o Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos e Tecnologia (PGEPROTEC) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).
REFERÊNCIAS
1. SORRENTINO, L., BELLINI, C., CORRADO, A., POLINI, W., & ARICÒ, R. (2014). Ballistic performance evaluation of composite laminates in kevlar 29. Procedia Engineering, 88, 255–262. 2. ZHOU, Y.; CHEN, X.; WELLS, G. Influence of yarn gripping on the ballistic performance of woven fabrics from ultra-high molecular weight polyethylene fiber. Composites: Part B, v. 62, p. 198-204, 2014.
3. PATEL, S., AHMAD, S., & MAHAJAN, P. (2018). Safety assessment of composite beam under ballistic impact. Thin-Walled Structures, 126(May), 162–170.
4. TATARA, R. A. (2017). Compression Molding. In Applied Plastics Engineering Handbook (pp. 291– 320). Elsevier.
5. EVANS, A. D.; QIAN C.C.; TURNER T.A.; HARPER L.T; WARRIOR N.A. Flow characteristics of carbon fibre moulding compounds. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v. 90, p. 1-12, 2016.
6. PICHER-MARTEL, G. P.; LEVY, A.; HUBERT, P. Compression moulding of Carbon/PEEK Randomly-Oriented Strands composites: A 2D Finite Element model to predict the squeeze flow behaviour. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v. 81, p. 69-77, 2016.
7. ERTEKIN, M. (2017). Aramid fibers. In Fiber Technology for Fiber-Reinforced Composites (pp. 153–167). Elsevier.
8. REIS, P. N. B., FERREIRA, J. A. M., SANTOS, P., RICHARDSON, M. O. W., & SANTOS, J. B. Impact response of Kevlar composites with filled epoxy matrix. Composite Structures, v. 94, n. 12, p. 3520-3528, 2012.
9. BENCOMO-CISNEROS, J. A., TEJEDA-OCHOA, A., GARCÍA-ESTRADA, J. A.,
HERRERA-RAMÍREZ, C. A., HURTADO-MACÍAS, A., MARTÍNEZ-SÁNCHEZ, R., & HERRERA-HERRERA-RAMÍREZ, J. M. , J. A. Characterization of Kevlar-29 fibers by tensile tests and nanoindentation. Journal of Alloys and Compounds, v. 536, p. S456-S459, 2012.
10. VENGATESAN, M. R., VARGHESE, A. M., & MITTAL, V. (2018). Thermal properties of thermoset polymers. Thermosets (2nd ed.). Elsevier Ltd.
11. SIMSIRIWONG, J.; SULLIVAN R. W.; LACY JR. T. E; HILTON H. H. A statistical approach to characterize the viscoelastic creep compliances of a vinyl ester polymer. Polymer Testing, v. 48, p. 183-198, 2015.
12. CUNHA, J. A. P.; COSTA, M. L.; REZENDE, M. C. Influência de diferentes condições
higrotérmicas na resistência à tração de compósitos de fibra de carbono/epóxi modificada. Polímeros, v. 16, n. 3, p. 193-201, 2006.
13. SANGTHONG, S.; PONGPRAYOON, T.; YANUMET, N. Mechanical property improvement of unsaturated polyester composite reinforced with admicellar-treated sisal fibers. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, v. 40, n. 6–7, p. 687-694, 2009.
14. ROMANZINI, D.; LAVORATTI, A.; ORNAGHI Jr. H. L.; AMICO, S. C.; ZATTERA, A. J.Influence of fiber content on the mechanical and dynamic mechanical properties of glass/ramie polymer
composites. Materials & Design, v. 47, p. 9-15, 2013.
15. ORNAGHI Jr. H. L.; BOLDER, A. S.; FIORIO, R.; ZATTERA, A. J.; AMICO, S. C. Mechanical and dynamic mechanical analysis of hybrid composites molded by transfer molding, Journal of Applied Polymer Science, v. 118, p. 887-896, 2010.
16. PAGNONCELLI LORANDI, N., ODILA HILÁRIO CIOFFI, M., & ORNAGHI JR., H. (2016). Análise Dinâmico-Mecânica de Materiais Compósitos Poliméricos. Scientia Cum Industria.
https://doi.org/10.18226/23185279.v4iss1p48
17. CASSU, S. N., & FELISBERTI, M. I. (2005). Comportamento dinâmico-mecânico e relaxações em polímeros e blendas poliméricas. Quimica Nova. https://doi.org/10.1590/S0100 40422005000200017 18. POLETTO, M., ZENI, M., & ZATTERA, A. J. (2012). Dynamic mechanical analysis of recycled polystyrene composites reinforced with wood flour. Journal of Applied Polymer Science.
https://doi.org/10.1002/app.36291
DEVELOPMENT OF COMPRESSED MOLDED COMPOUNDS USING RESIN-ESTERED VINYL RESIN WITH ARAMIDE FABRIC FOR APPLICATION IN
VEHICLE ARMOR ABSTRACT
Polymeric composites of aramid and ester-vinyl resin have been used in ballistic shields, due to the excellent mechanical resistance and reduced specific mass. This study aims to evaluate the properties of aramid / vinyl ester resin with 8, 10 and 11 fabrics, compression molded. Tests of tensile strength, impact and dynamic-mechanical analysis were performed. Based on the results, it was observed that the amount of fabric interferes in the impact strength and the tensile strength of the composite. The composite with 10 layers obtained better result; impact strength with a maximum force of 535 kJ.m -2 and a tensile strength of 419,8 MPa. In the dynamic-mechanical analysis it was observed an increase of the storage modulus, comparing the composite with 10 tissues to that of 8. In contrast, comparing the 10 of tissues to that of 11, there was a decrease in the storage modulus. Thus, the reduction of the mechanical properties in the composite containing 11 blankets can be attributed to high reinforcement / resin ratio.
