INSTABILIDADE ESTRUTURAL DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS: ENVELHECIMENTO AMBIENTAL ACELERADO
Renata Carla Tavares dos Santos Felipe (R. C. T. S. Felipe)
Avenida Senador Salgado Filho, 1559, Tirol. Natal-RN, CEP 59015-000. E-mail: renata.felipe@ifrn.edu.br
Instituto Federal do Rio Grande do Norte - IFRN Raimundo Nonato Barbosa Felipe (R. N. B. Felipe)
Instituto Federal do Rio Grande do Norte - IFRN Ana Claudia de Melo Caldas Batista (A. C. M. C. Batista)
Universidade Federal do Semi-Árido - UFESA Eve Maria Freire de Aquino (E. M. F. de Aquino) Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN
RESUMO
Este trabalho visa determinar qual dos compósitos desenvolvidos, ao ser submetido ao envelhecimento ambiental acelerado, sob as condições de vapor aquecido e radiação ultra-violeta; mediante norma específica, terá uma maior perda de massa e de espessura. Para a avalição das respectivas perdas, foram utilizadas a técnica de medição de variação de espessura (TMVE) e a técnica de variação de perda de massa (TMVM). Os dois compósitos poliméricos híbridos foram desenvolvidos utilizando uma matriz de poliéster e como reforço as fibras de vidro-E e fibras kevlar 49, a diferença entro os laminados será o tipo de hibridização, sendo um utilizando hibridização no tecido (CTH) e o outro com a hibridização na mecha (CMH). Desta forma após o período de exposição foi detectado que para ambas as técnicas, o CTH foi o que ficou mais susceptível ao efeito do envelhecimento, mostrando que as técnicas apresentaram concordância.
Palavras-Chave: Compósito polimérico híbrido, instabilidade estrutural, envelhecimento ambiental acelerado.
1. INTRODUÇÃO
Com o avanço tecnológico e o desenvolvimento de projetos cada vez mais elaborados surge a necessidade do desenvolvimento de novos materiais que venham atender as necessidades de mercado. No entanto quando nos reportamos aos novos materiais, surgem os compósitos que apareceram com o objetivo de atender as condições específicas de projeto.
Dentre essas especificidades, pode-se ressaltar a utilização de materiais compósitos sob a ação de condições adversas como umidade, temperatura e radiação ultravioleta, destacando-se que a escolha de seus elementos constituintes influenciam no comportamento mecânico desse material.
Estudos mostram que os compósitos, principalmente os poliméricos, absorvem umidade, e esta absorção depende de fatores como temperatura, fração volumétrica das fibras, orientação do reforço e natureza das fibras, área superficial de exposição, difusividade de massa e proteção superficial.
O mecanismo de penetração da umidade se dá basicamente mediante o processo de difusão direta de água dentro da matriz e da fibra, porém, por exemplo, no caso das fibras sintéticas, em menor intensidade. Também existem outros mecanismos de absorção de umidade que podem ser a capilaridade que acontece na interface fibra/matriz devido ao fluxo de moléculas de água ao longo da interface e ainda, o transporte de umidade por microfissuras envolvendo o fluxo de estocagem de água nesta microfissuras, tema abordado tanto por Cavalcante et al. (2005) como em Hull e Clyne (1996).
Diante disso, esse trabalho tem como objetivo avaliar a perda de massa e espessura de dois tipos de compósitos, sendo eles reforçados com fibras de vidro/kevlar, diferindo no tipo de hibridização e utilizando em ambos a matriz de poliéster quando exposto a radiação ultra violeta e vapor aquecido numa câmara de envelhecimento acelerado.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Materiais utilizados
Para realização do estudo, foram confeccionas dois laminados, ambos híbridos e com quatro camadas, que utilizaram como matéria prima: resina termofixa; fibras
de vidro-E; e fibras kevlar 49. A diferença entre eles se dá pelo tipo de hibridização que realizada.
Um laminado, CMH, utiliza a hibridização na mecha, onde cada mecha do tecido é composta por fios de fibra de vidro e fibra de fibras kevlar 49, enquanto que o outro laminado, CTH, a hibridização e realizada no tecido, apresentando cada mecha com um tipo de fibra. Ambos os tecidos utilizados estão mostrados na Fig. 1. A matriz utilizada nos dois laminados é a resina poliéster insaturada orto-tereftálica, com especificação técnica Novapol - L20.
Fig. 1 – Amostras dos tecidos utilizados para a confecção dos compósitos; (a) CTH e (b) CMH
2.2. Ensaio de envelhecimento Ambiental Acelerado e Corpos de Prova
2.3 Processo de Fotoxidação
O estudo da fotoxidação é obtido, realizando uma análise comparativa das superfícies dos corpos de provas antes de serem exposto ao envelhecimento ambiental, na metade do ciclo de exposição e após o término da exposição dos mesmos. A análise das superfícies dos corpos de provas foi obtida através de uma análise macroscópica. Para essas análises macroscópicas utilizou-se o scanner da marca HP Photosmart C4280.
O envelhecimento ambiental ocorreu em uma câmara a qual atua por ação de raios UV e vapor d’água (envelhecimento acelerado), os corpos-de-prova foram submetidos à ciclo, alternados, diários de radiação (18 horas) e vapor d’água aquecido (6 horas) até atingir o tempo definido através da norma ASTM G-53 – 96. O ensaio teve uma duração de 2016h no total, sendo 1512h de radiação ultravioleta e 504h de vapor d’água aquecido. A câmara de envelhecimento ambiental foi
Fibra de Vidro
Fibra de Kevlar 49
Fibra de Vidro Fibra de Kevlar 49
construída segundo a norma ASTM G53 e utilizado o método de aceleração do envelhecimento conforme a norma ASTM G154.
2.4. A Técnica de Medição de Variação de Massa (TMVM) e a técnica de medição de variação de espessura (TMVE)
A avaliação da estabilidade estrutural será realizada por meio de duas técnicas, que são: Técnica de Medição de Variação de Massa (TMVM) e a Técnica de Variação de Espessura (TMVM).
A Técnica de Medição de Variação de Massa (TMVM) consiste em quantificar as perdas de massas, que foram obtidas pela Eq. (1), baseada na lei de difusão de Fick.
( 3.1) Onde, – é a perda percentual de massa (%), “ ” é a massa do corpo de prova envelhecido ( ) e “ ” é a massa do corpo de prova no estado original ). A massa do corpo de prova no estado original é considerada como sendo a massa do corpo de prova antes de iniciar o ensaio de envelhecimento, a mesma foi submetida durante 24h uma temperatura de 50 ±3°C, em uma estufa, para que houvesse a retirada da umidade e a uniformização do peso, servindo então de referência para o início do estudo comparativo posterior.
Já a Técnica de Medição de Variação de Espessura (TMVE), desenvolvida por Felipe (2012a) e Felipe (2012b), consiste em avaliar a variação de espessura sofrida nos CP´s a partir da medição de 48 pontos (6 medidas em cada corpo de prova, tendo um total de 8 corpos de prova) medidos para os dois estados (original e envelhecido) em todos os laminados. Vale destacar que os locais medidos foram marcados, para assim, após o envelhecimento refazer todas as medidas.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. O Processo de Fotoxidação nos CP’s CMH e CTH
Para análise do processo de fotoxidação dos laminados expostos ao envelhecimento, foi realizado uma macroscópica dos corpos de provas (CP´s) na
superfície exposta ao mesmo, utilizando um scanner, com o objetivo de monitorar qualquer influência do envelhecimento sobre a superfície dos mesmos. Para realização deste monitoramento o processo de digitalização foi realizado em três períodos diferentes: antes do condicionamento (0 dias), com metade do ciclo de envelhecimento (36 dias) e com o término do envelhecimento (84 dias). Os resultados obtidos estão expostos na Fig. 2.
Característica do envelhecimento
Número de Dias 0 36 84
CMH
CTH
Fig. 2 – Análise das Superfícies Expostas ao Envelhecimento Mediante Utilização do Scanner.
Pela análise das amostras contidas na Fig. pode-se perceber claramente a mudança de cor na fibra de kevlar que passa da cor amarelo claro para amarelo escuro (queimado) nos laminados CMH e CTM, evidenciando o processo de fotoxidação na face exposta diretamente ao envelhecimento, como observado no trabalho de Zainuddin et al. (2011), Batista (2013) e previsto por Chawla (1994).
3.2 Avaliação da estabilidade estrutural dos laminados compósitos
Para quantificar a estabilidade estrutural dos laminados propostos expostos ao envelhecimento, será exposto os resultados obtidos na TMVM e na TMVE separadamente.
3.2.1 Deterioração Por Perda de Massa nos CP’s CMH e CTH – TMVM
Para a realização desta técnica os CP´s foram submetidos a pesagens semanais do início (estado original) ao fim do ensaio e assim quantizadas em termos
de percentuais de perda de massa (Eq. 1), perda essa sofrida durante todo o processo de envelhecimento, como mostrado na Fig. 3.
0 500 1000 1500 2000 2500 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Pe rd a d e Ma ss a (%) Tempo de Exposição (h) 0 500 1000 1500 2000 2500 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Pe rd a d e Ma ss a (%) Tempo de Exposição (h) (a) (b)
Fig. 3 – Perda de Massa em Função do Período de Exposição nos Laminados (a) CMH e (b) CTH
Analisado a Fig. , fica nítido que ambos os laminados sofreram comportamentos semelhantes, no que diz respeito a perda de massa, porém o CTH presentou um percentual de perda de massa superior em relação ao CMH. Os valores finais de percentuais, referentes à perda de massa dos respectivos laminados compósitos avaliados estão mostrados na Tab.1.
Tab. 1 – Perda de Massa dos Laminados Compósitos.
Laminado Compósito Perda de Massa Após Envelhecimento (%)
CMH 0,37 ± 0,02
CTH 0,40 ± 0,03
A superioridade da perda de massa do laminado CTH está associada provavelmente ao teor superior de resina (48,0 ± 2,5)% enquanto que o teor de resina para o CMH é de (40,6 ± 3,5)%. A explicação seria o fato semelhante a apresentada por Zainuddi et al. (2011) onde comenta que a perda de massa é justificada devido à perda de resina ocasionada pela degradação ocasionadas pela radiação UV.
A Tab.2 mostra os valores médios obtidos nas medidas de espessura para os laminados CMH e CTH antes (estado original) e após o envelhecimento (estado envelhecido).
Tab.2 – Variação de Espessura nos Laminados Compósitos.
Laminado Compósito Perda de Espessura
Estado original (mm) Estado envelhecido (mm)
CMH 4,1556 4,123
CTH 3,211 3,180
Realizando uma análise com os valores obtidos na TMVE, pode-se quantificar que o CMH sofreu uma perda de espessura de aproximadamente 0,8%, enquanto que no CTH foi de aproximadamente 1%.
4. CONCLUSÕES
Percebeu-se a eficiência da TMVE já que a mesma apresentou coerência com a TMVM. Ambas as técnicas propostas mostram que o compósito que utilizou a hibridização de tecido (CTH) apresentou aproximadamente um 1% de perda de espessura e 0,4% de perda de massa.
5. AGRADECIMENTOS
Agradecimento ao Instituto Federal do Rio Grande do Norte (IFRN), à Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) e à Universidade Federal do Semi-Árido (UFERSA).
6. REFERÊNCIAS
ASTM G 53: “Standard Practice for Operating Light- and Water- Exposure Apparatus (Fluorescente UV-Condensation Type) for Exposure of Nonmetallic Materials”, 1996. ASTM G154 - 06 - Standard Practice for Operating Fluorescent Light Apparatus for UV Exposure of Nonmetallic Materials, 2006.
BATISTA, A. C. de M. C. Envelhecimento ambiental em compósitos poliméricos à base de tecidos de reforço híbridos. 105 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Mecânica, Departamento de Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2013. CAVALCANTI, W. S.; CARVALHO, L. H.; LIMA, A. G. B. Difusão de Água em Compósito Poliéster Insaturado Reforçados por Tecido Híbrido de Juta-Vidro: Modelagem e Simulação. Revista Matéria, v. 10, n. 1, PP. 14-23, Março de 2005.
CHAWLA, K. K. Composite Materials: Science and Engineering. 2. ed., Birmingham: Springer, 1998.
HULL, D and CLYNE, T. W.-.An Introduction to Composite Materials - Ed. Cambridge UniversityPress, Cambridge, 2ed, 1996.
FELIPE, R. C. T. S. Envelhecimento ambiental acelerado em PRF a base de tecidos híbridos kevlar/vidro: propriedades e instabilidade estrutural. 2012a. 163 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Rio grande do Norte, 2012a.
FELIPE,R. N. B. Efeitos da radiação UV, temperatura e vapor aquecido nos compósitos poliméricos: monitoramento, instabilidade estrutural e fratura. 2012b. 193 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Rio grande do Norte, 2012b.
ZAINUDDIN, S., M.V. HOSUR, M. V.; BARUA, R.; KUMAR, A. and JEELANI, S. - Effects of Ultraviolet Radiation and Condensation on Static and Dynamic Compression Behavior of Neat and Nanoclay infused Epoxy/ Glass Composites. Journal of Composite Materials (2011) 1-18.
STRUCTURAL INSTABILITY OF POLYMERIC COMPOSITES: ENVIRONMENTAL AGING ACCELERATED
ABSTRACT
This paper aims to determine which of the compounds developed to be subjected to accelerated environmental aging, under the conditions of heated steam and ultraviolet radiation; by specific standard, will have a higher mass loss and thickness.The measurement technique and thickness variation (TMVE) the technique of variation of mass loss (TMVM) were used for the evaluation of their losses.The two hybrid polymeric composites have been developed using a polyester matrix and reinforcing by fibers glass and Kevlar fibers 49 and the difference laminate is enter the type of hybridization, one using hybridization in tissue (CTH) and the other with hybridization in the wick (CMH).Thus after the exposure period that was detected for both techniques, the CTH was what was most susceptible to the effects of aging, showing that techniques showed agrement.
