Propriedades mecânicas de compósitos particulados à base de resina epóxi reforçados com pó de rochas graníticas, pertencentes à faixa de dobramento sergipana

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAS. TESE DE DOUTORADO. PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PARTICULADOS À BASE DE RESINA EPÓXI REFORÇADOS COM PÓ DE ROCHAS GRANÍTICAS, PERTENCENTES À FAIXA DE DOBRAMENTO SERGIPANA.. JORGE ANTÔNIO VIEIRA GONÇALVES. ORIENTADORA: MARCELO ANDRADE MACÊDO. São Cristóvão – SE 2015.

(2) PROPRIEDADES MECÂNICAS DE COMPÓSITOS PARTICULADOS À BASE DE RESINA EPÓXI REFORÇADOS COM PÓ DE ROCHAS GRANÍTICAS, PERTENCENTES À FAIXA DE DOBRAMENTO SERGIPANA.. Jorge Antônio Vieira Gonçalves. Tese de doutorado apresentado ao Núcleo de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Sergipe, para a obtenção do título de Doutor em Ciências e Engenharia de Materiais.. ORIENTADORA: Prof. Marcelo Andrade Macêdo, D.Sc.. São Cristóvão – SE 2015.

(3) FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE. G635p. Gonçalves, Jorge Antônio Vieira Propriedades mecânicas de compósitos particulados à base de resina epóxi reforçados com pó de rochas graníticas, pertencentes à faixa de dobramento sergipana / Jorge Antônio Vieira Gonçalves; orientador Marcelo Andrade Macêdo. – São Cristóvão, 2015. 120f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, 2015. 1. Resistência de materiais. 2. Materiais - testes. 3. Resina epóxi. 4. Pó de rocha. 5. Compósitos poliméricos. l. Macêdo, Marcelo Andrade, orient. lI. Título. CDU 620.17. iii.

(4) iv.

(5) A felicidade não está na estrada que leva a algum lugar. A felicidade é a própria estrada. Bob Dylan. v.

(6) Dedico este trabalho a minha mãe Maria Vieira dos Santos, aos meus irmãos, minha esposa Mayka, meus filhos Dylan Gonçalves e Jorge filho e ao Led Zeppelin.. vi.

(7) AGRADECIMENTOS. A Deus, pelo dom incomensurável da vida, o maior bem da humanidade. A minha esposa, Mayka Brito, pela compreensão e dedicação para que eu vencesse mais essa etapa. Aos meus adoráveis filhos Dylan Gonçalves e Jorge Filho, por serem as maiores razões do esforço depositado nesta tese, almejando que todos os anos de estudos sirvam para que se orgulhem do pai, e os inspirem para trilhar o mesmo caminho. A minha mãe, Maria Vieira dos Santos, por toda a confiança que sempre depositou em mim, pelo amor incondicional e pela esperança no meu futuro. Aos irmãos, pelo companheirismo, pelos momentos de alegria. A CAPES, CNPq, FAPITEC, FINEP e ao Centro Multiusuário de Nanotecnologia da Universidade Federal de Sergipe. Ao professor, amigo, Marcelo Macêdo, meu orientador, por ter me dado à oportunidade de acesso à pesquisa científica, além de todo o apoio que sempre me dedicou. Aos amigos Nilson Ferreira, Diego Adalberto, Renata Gomes Carvalho, Amanda Gardênia Santos da Conceição, Mayara Cruz Negreiros, Gislane de Jesus Oliveira, Vinaldo Bispo, Cochiran Pereira, Júlio Santana, Manoel Cabral pela ajuda imensurável que dedicaram, tornando mais fácil a realização deste trabalho. Quero agradecer a todos os professores, que eu tive em minha formação. Aos professores que contribuíram diretamente neste trabalho, Dra. Maria de Lourdes da Silva Rosa, Dr. Herbet Conceição, Dr. Fernando Silva Albuquerque, Dr. Rogério Pagano, Dr. Mario Ernesto Giroldo Valerio. Aos inestimáveis amigos, Alessandro Cordeiro, Roberto Macias, Elder Sérgio de Menezes Araújo, Genilson Souza, Arivaldo Moreira (in memorian), Josafá de Oliveira Filho, Djalma de Arruda Câmara por todos os bons conselhos dados ao longo desses anos e pela amizade sincera.. vii.

(8) sta de Figuras. ix. Lista de Tabelas .................................................................................... xiv. Sumário CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ............................... 15 1.0 Introdução ....................................................................................... 16 1.1 Objetivo .......................................................................................... 18 CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................... 19 2.0 Apresentação ................................................................................... 20 2.1 Classificação ................................................................................... 21 2.2 Matriz Polimérica ............................................................................. 23 2.3 Resina Epóxi .................................................................................... 24 2.4 Pó de Rocha ..................................................................................... 29 2.5 Revisão ampla sobre Compósito Particulado Polimérico ...................... 31 2.6 Fundamentação Teórica das Propriedades Mecânicas .......................... 52 2.6.1 Tração .................................................................................... 54 2.6.2 Flexão .................................................................................... 56 2.6.3 Compressão ............................................................................ 60 CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS ............................................ 61 3.0 Apresentação ................................................................................... 62 3.1 Preparação das Amostras .................................................................. 63 3.2 Fluorescência de Raios X .................................................................. 65 3.3 Dispersão Dinâmica de Luz ............................................................... 66 3.4 Composição Mineralógica ................................................................. 67 3.5 Ensaios Mecânicos ........................................................................... 68 3.5.1 Ensaio Mecânico de Tração ...................................................... 68 3.5.2 Ensaio Mecânico de Flexão ...................................................... 70 3.5.3 Ensaio Mecânico de Compressão .............................................. 71 3.5.4 Ensaio Mecânico de Dureza ...................................................... 72 3.6 Análises Estatísticas ......................................................................... 73 3.7 Análises Microscópicas .................................................................... 73. viii.

(9) CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................... 74 4.0 Apresentação ................................................................................... 75 4.1 Análise Química e Mineralógica ........................................................ 75 4.2 Granulometria e Análises Microscópicas das Partículas ....................... 76 4.3 Processamento ................................................................................. 79 4.4 Ensaios Mecânicos de Tração ............................................................ 80 4.5 Ensaio Mecânico de Flexão ............................................................... 86 4.6 Ensaio Mecânico de Compressão ....................................................... 90 4.7 Ensaio Mecânico de Dureza .............................................................. 96 4.8 Análise Fractográfica ....................................................................... 96. CAPÍTULO 5 – CONCLUSÃO .............................................................. 104 5.0 Conclusões .................................................................................... 105 5.1 Desafios Encontrados ..................................................................... 105 5.2 Trabalhos Futuros .......................................................................... 108. Revisão Bibliográfica ..................................................................... 109. ix.

(10) Lista de Figuras Figura 2.1: Tijolo com fibras de palha .................................................... 20 Figura 2.2: Imagens da superfície de fratura de um compósito particulado ......................................................................... 21 Figura 2.3: Classificação dos tipos de compósitos ................................... 21 Figura 2.4: Polímero. termorrígido. com. cadeias. conectadas. por. ligações cruzadas ................................................................ 24 Figura 2.5: Anel epóxi .......................................................................... 25 Figura 2.6: Produção do bisfenol-A ........................................................ 25 Figura 2.7: Produção da epiclorohidrina ................................................. 26 Figura 2.8: Formação do polímero DGEBA ............................................. 26 Figura 2.9: Estrutura química de uma resina epóxi (DGEBA ) .................. 27 Figura 2.10: Principais reações entre o grupo epóxi e uma amina primária .............................................................................. 28 Figura 2.11: Mapa do Estado de Sergipe com a cidade de Nossa Senhora da Glória em destaque ............................................. 30 Figura 2.12: A-Contorno geográfico do Estado de Sergipe, com a demarcação do Domínio Macururé B-Domínio Macururé (área cinza), com a alocação dos corpos graníticos do Tipo Glória (em branco) C-Amostra macroscópica 12 -A. D-Amostra macroscópica 53 -A ............................................. 31 Figura 2.13: Dois prováveis caminhos para a propagação de trincas ........... 40 Figura 2.14: Aparência da superfície de fratura da resina epóxi pura .......... 46 Figura 2.15: Aparência da superfície de fratura do compósito .................... 47 x.

(11) Figura 2.16: Formas possíveis de partículas .............................................. 52 Figura 2.17: Módulo de compósitos para várias frações de volume ............. 53 Figura 2.18: Barra tracionada – Deformação e força normal ....................... 54 Figura 2.19: Barra tracionada – Tensão normal ......................................... 55 Figura 2.20: Representação do ensaio de flexão em três pontos .................. 56 Figura 2.21: Flexão pura e simples em quatro pontos ................................ 57 Figura 3.1: Amostras das rochas após passagem pelo britador .................. 63 Figura 3.2: a) Moinho de Panela, b) Sistema de trituração .................. 63-64 Figura 3.3: a) Resina epóxi, b) Pó de rocha ............................................. 64 Figura 3.4: Ilustração do processo de fabricação dos compósitos .............. 65 Figura 3.5: Lâmina Delgada ................................................................... 67 Figura 3.6: Molde de Tração .................................................................. 68 Figura 3.7: Corpos de prova utilizados no ensaio de tração ...................... 69 Figura 3.8: Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio de tração ................................................................................. 69 Figura 3.9: Molde de flexão ................................................................... 70 Figura 3.10: Ensaio de flexão em três pontos ............................................ 70 Figura 3.11: Dimensões do corpo-de-prova utilizado no ensaio de flexão ................................................................................. 71 Figura 3.12: Moldes de Compressão ......................................................... 71 Figura 3.13: Ensaios de compressão com corpo de prova cilíndrico ............ 72 Figura 3.14: Dimensões do corpo de prova utilizado no ensaio de compressão .......................................................................... 72 Figura 4.1: Imagens mostram formação de aglomerados: (a) Amostra 53-A e (b) Amostra 12-A. ..................................................... 77 xi.

(12) Figura 4.2: Imagens mostram partículas irregulares em diferentes ampliações: (c) (d) Amostra 53 -A e (e) (f) Amostra 12-A. .................................................................................. 78 Figura 4.3: Distribuição volumétrica do tamanho das partículas ............... 78 Figura 4.4: Sob tração, a trinca propaga -se instavelmente ........................ 81 Figura 4.5: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A ................................................................................... 82 Figura 4.6: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi + 12-A ................................................................................... 82 Figura 4.7: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos sistemas poliméricos: a) 30% .......................... 83 Figura 4.8: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob tração dos sistemas poliméricos: b) 50% .......................... 83 Figura 4.9: Tração. versus. Reforço. em. Massa. dos. sistemas. poliméricos ......................................................................... 84 Figura 4.10: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos ......................................................................... 85 Figura 4.11: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos ............................................................ 85 Figura 4.12: Curva Tensão -Deformação que ilustra o compor tamento sob flexão dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A ................................................................................... 86 Figura 4.13: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos sistemas poliméricos: b) Resina Epóxi + 12-A ................................................................................... 87 Figura 4.14: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos sistemas poliméricos: a) 30% .......................... 87 xii.

(13) Figura 4.15: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob flexão dos sistemas poliméricos: b) 50% ......................... 88 Figura 4.16: Flexão. versus. Reforço. em. Massa. dos. sistemas. poliméricos ......................................................................... 89 Figura 4.17: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos ......................................................................... 89 Figura 4.18: Módulo de Elasticidade versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos ............................................................ 90 Figura 4.19: Sob compressão, a trinca propaga -se estavelmente ................. 90 Figura 4.20: Na compressão ocorreu o alongamento da trinca nos corpos de prova fabricados com a resina epóxi pura ............... 91 Figura 4.21: Faixas de cisalhamento em compósitos reforçados .................. 92 Figura 4.22: Ampliação da faixa de cisalhamento de um compósito reforçado com 50%, realizada após ensaio de compressão ....... 92 Figura 4.23: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob compressão dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 53-A ....................................................................... 93 Figura 4.24: Curva Tensão -Deformação que ilustra o comportamento sob compressão dos sistemas poliméricos: a) Resina Epóxi + 12-A ....................................................................... 93 Figura 4.25: Compressão versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos ......................................................................... 94 Figura 4.26: Deformação versus Reforço em Massa dos sistemas poliméricos ......................................................................... 95 Figura 4.27: Módulo de Elasticidade versu s Reforço em Massa dos sistemas poliméricos ............................................................ 95 Figura 4.28: Variação da dureza com carga ............................................... 96. xiii.

(14) Figura 4.29: Corpos de prova fraturados da amostra 53 -A durante ensaio de tração ................................................................... 97 Figura 4.30: Corpos de prova fraturados da amostra 12 -A durante ensaio de tração ................................................................... 97 Figura 4.31: Região formada por elipses na superfície de fratura da resina epóxi pura após ensaio de tração (a), (b), (c) e (d) ... 98-99 Figura 4.32: Formação de marcas semielípticas na superfície de fratura da resina epóxi pura após ensaio de tração ................ 100 Figura 4.33: (a). Imagem. produzida. com. padrão. de. elétrons. retroespalhados do compósito 12 -A, (b) Superfície de fratura de compósito particulado com partículas 12 -A aderidas na resina epóxi. (c) Região rugosa no compósito 53-A ........................................................................... 101-102 Figura 5.1: Superfície. dos. corpos. de. prova:. (a). Resina. epóxi. modificada. (b) Resina epóxi pura ....................................... 107 Figura 5.2: Perfil de viscosidade em função da temperatura ................... 107. xiv.

(15) Lista de Tabelas Tabela 2.1: Equações empíricas ou semi -empíricas propostas para prever o módulo de elasticidade de compósitos particulado 49-50 Tabela 3.1: Características do sistema polimérico e proporções usadas ................................................................................. 62 Tabela 4.1: Dados da análise química por XRF ................................... 75-76 Tabela 4.2: Composição mineralógica das amostras ................................. 76 Tabela 4.3: Resultados estatísticos ......................................................... 79 Tabela 4.4: Valores dos Ensaios Mecânico de Tração ............................... 84 Tabela 4.5: Valores dos Ensaios Mecânico de Flexão ............................... 88 Tabela 4.6: Valores dos Ensaios Mecânico de Compressão ....................... 94 Tabela 4.7: Comparação entre os valores dos Ensaios Mecânico de tração/compressão ............................................................. 103 Tabela 5.1: Levantamento do material utilizado ..................................... 106. xv.

(16) RESUMO. O desenvolvimento de materiais compósitos tornou-se um campo de estudo bastante atraente, devido a suas aplicações nos setores tecnológicos do mercado. E este trabalho tem como desafio priorizar os benefícios ecológicos, a redução de custo, o aumento da qualidade do produto acabado e técnicas de processamento para utilização de matérias primas. Para isso, estuda as propriedades mecânicas, que incluem tração, flexão, compressão, e dureza do compósito formado a partir da combinação de resina epóxi e pó de rochas granitoides, proveniente da Faixa de Dobramento Sergipana, localizada no município de Nossa Senhora da Glória, no Estado de Sergipe. Dois tipos de granitos, denominados 53-A e 12-A, foram incorporados com diferentes percentuais em massa de 0%, 30% e 50%, na matriz polimérica, diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), formada pelo polímero Araldite GY279 e o agente de cura Aradur 2963. Análises químicas mostram um elevado teor de SiO2 (dióxido de silício) e Al2O3 (óxido de alumínio), em que seus somatórios correspondem a 65,06% e 65,92% para as amostras 53-A e 12-A. Análises mineralógicas da rocha demostram que a amostra 53-A apresenta o maior percentual volumétrico de feldspato alcalino [(K,Na)AlSi3O8]. As imagens do MEV mostraram o surgimento de marcas semielípticas na superfície de fratura da resina epóxi pura e que a elevada rigidez das partículas serve de barreira para conter o crescimento da propagação de algumas trincas, alterando o caminho natural da propagação ao longo da interface partícula/matriz. Os compósitos fabricados com as amostras 53-A apresentaram melhor desempenho em todos os ensaios. Os resultados mostraram que aumentada à concentração em 50% o limite de resistência à compressão é de 79 MPa, fornecendo um máximo de 121% em comparação com a resina de epóxi pura. Os módulos de elasticidade aumentaram nos ensaios de tração, flexão e compressão, quando o teor do pó de granito aumentou.. Palavras chaves: epóxi, partículas, compósito e polímeros.. xvi.

(17) ABSTRACT:. The development of composite materials became a quite attractive research field, due to their use in technological sectors. The current study faces the challenge to prioritize ecological benefits, cost reduction, increased quality of finished products and improve the processing techniques in the use of raw materials. Thus, it studies mechanical properties that include traction, flexion, compression and hardness of the composite formed from the combination of epoxy resin and powder of granitic rocks from Sergipe Fold Belt, which is located in Nossa Senhora da Glória County, Sergipe State. Two granite types called 53-A and 12-A – with different mass percentages (0%, 30% and 50%) - were incorporated to the polymer matrix, Bisphenol A diglycidyl ether (BADGE), which was formed by Araldite polymer GY279 and the curing agent Aradur 2963. Chemical analyses show high ratio of SiO2 (silicone dioxide) and Al2O3 (aluminum oxide), their sums correspond to 65.06% and 65.92% in samples 53-A and 12-A. The mineralogical analyses of the rock show that sample 53-A presents higher volumetric percentage of alkaline feldspar [(K,Na)AlSi3O8]. MEV images show the rise of semi-elliptical marks on the surface of the pure epoxy resin crack and that the strong hardness of the particles works as a barrier to stop the propagation of some cracks, thus changing the natural propagation path along the particle/matrix interface. Composites manufactured out of the 53-A sample presented better performance in all the assays. Results show that once the concentration is increased in 50%, the resistance limit to compression is 79MPa, and it gives a maximum of 121% in comparison to the pure epoxy resin. The elasticity moduli increased in the traction, flexion and compression assays when the ratio of granite powder was also increased.. Keywords: epoxy, particles, composite and polymers.. xvii.

(18) 15.

(19) Capítulo 1 Introdução e Justificativa 1.0 INTRODUÇÃO. A matriz epóxi, principal resina utilizada comercialmente, é usada em diversas aplicações, na indústria eletrônica, naval, automobilística, aeroespacial. Devido à boa estabilidade térmica, alta resistência à tensão, baixo coeficiente de contração quando curada e excelentes propriedades de adesão, esta resina vem impulsionando os estudos voltados à produção de novos materiais [1, 2]. Entretanto, devido à formação de um polímero altamente reticulado, durante o processo de cura, em que ocorrem as mudanças irreversíveis nas propriedades químicas e físicas da resina e do endurecedor, as resinas epóxi resultantes são normalmente frágeis, quebradiças e apresentam baixa resistência à propagação de trincas [39]. Muita atenção tem sido dada à melhoria das propriedades mecânicas da resina epóxi pura [10-14]. Atualmente, algumas possibilidades de reforços têm sido propostas na tentativa de obtenção de materiais que simultaneamente atendam questões relacionadas à sustentabilidade e elevado desempenho. Isto inclui a utilização de vários tipos de reforços, tais como: partículas de vidro, cerâmica, silicatos, nanopartículas, diamantes, borrachas [10, 1523], entre outros. A mistura física de um material denominado de fase contínua (matriz) com uma fase dispersa (reforço) dá origem a uma nova classe de materiais, com características diferentes dos seus constituintes originais, denominada de compósitos [24]. Em geral, existem três tipos de materiais compósitos: compósitos de matriz polimérica, compósitos de matriz metálica e compósitos de matriz cerâmica. A matriz polimérica domina o mercado dos compósitos, entre os quais os compósitos termofixos representam dois terços de todo o mercado. De acordo com os tipos de reforço, os materiais compósitos podem ser classificados em compósitos de partículas, compósitos reforçados com fibras e compósitos estruturais [25]. O desenvolvimento de materiais compósitos formados por matrizes poliméricas reforçados com fibra de vidro, fibra de carbono e aramita tornou-se um campo de estudo 16.

(20) bastante atraente, devido a suas aplicações em setores altamente tecnológicos como, por exemplo, no mercado aeronáutico, aeroespacial, automobilístico, eletrônico e industrial [26]. O mercado global de compósitos foi avaliado em aproximadamente 76 bilhões de euros no ano de 2012, assumindo uma taxa de crescimento de 6% ao ano. Entretanto, uma taxa de crescimento de 13% a 17% é esperada somente para o mercado de compósito reforçado com fibra de carbono, o que representa apenas uma pequena parte do mercado de compósitos. Existe ainda um consenso na sociedade de que deve haver um maior enfoque na conservação dos recursos naturais. Portanto, o potencial de utilização de compósitos na indústria de construção contribui para o aumento da eficiência energética, tendo em vista a utilização de materiais mais leves que reduz o consumo de energia [27]. De fato, estes materiais estão bastante estabelecidos em uma série de aplicações. Contudo, existe uma necessidade de criação e aplicação de compósitos reforçados com vários outros tipos de material de reforços. No entanto, necessita-se ainda de muito esforço de pesquisa para resolver desafios tecnológicos, reduzir custo e aumentar a qualidade do material permitindo dessa forma que essas possibilidades se transformem em produtos comerciais competitivos [25]. i. i. consciência de sustentabilidade, que vem. sendo bastante debatida, normatizada e incentivada em todo o mundo, tornou indispensável o desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de processamento menos poluentes, com a utilização de matérias-primas provenientes de fontes naturais ou reaproveitamento de resíduo, na fabricação de compósitos e, consequentemente, com menor custo envolvido [27]. No caso específico dos compósitos particulado, a literatura apresenta vários resultados para a resistência mecânica, podendo ser influenciado por vários parâmetros. Em particular, a resistência mecânica pode ser afetada pelo tamanho, composição química, formato, distribuição, interface das partículas/matriz e dispersão das partículas, além das condições de ensaios e produção do material, da temperatura de cura e razão estequiométrica resina/endurecedor [3, 10, 28-31]. Dentre os vários tipos de resíduos que podem ser utilizados na resina epóxi estão as partículas provenientes das rochas. Existem inúmeros diferentes tipos de rochas na natureza, e cada uma com propriedades específicas [32]. Neste trabalho, foram utilizadas rochas ricas em 17.

(21) f. qu. z. é. u. x. çã “i. u ”. u i í i. N. S h. Glória, no Estado de Sergipe. A durabilidade dos compósitos e a sua capacidade de serem combinados com materiais tradicionais (ou não), abrirá caminhos para novos campos de aplicações. Isso poderá levar ao desenvolvimento de materiais ecologicamente corretos, que atendam às exigências de sustentabilidade e sejam também economicamente viáveis. A redução de peso pode contribuir tanto para o aumento da eficiência como para a redução de custos. Atualmente buscamos materiais com baixos preços aliados ao alto desempenho. No futuro, os benefícios ecológicos serão preponderantes no critério de seleção de materiais [27].. 1.1 OBJETIVO. O objetivo deste trabalho foi produzir um compósito polimérico particulado, com tecnologia de produção de baixo custo, produzido a partir de um tipo comercial de resina epóxi reforçado com pó de rochas graníticas, ricas em quartzo e feldspato, encontrado no interior do estado de Sergipe, nos percentuais de 0%, 30% e 50%, além de investigar o comportamento mecânico para os diferentes tipos de esforços (tração, flexão e compressão), estudar a interface partícula/matiz e a composição química e mineralógica dos tipos dos pósutilizados.. 18.

(22) 19.

(23) Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 2.0 APRESENTAÇÃO. No livro de Êxodos capítulo 5 versículos 10-12 está escrito: “Assim os capatazes e contramestres informaram o povo: Faraó deu-nos ordens para não vos ser fornecidas mais palha para os tijolos. Vai buscá-la onde quiserem; no entanto devem produzir o mesmo número de sempre. Então o povo viu-se obrigado a ir por toda a parte à procura de palha.”. O uso de tijolos feitos a partir da lama reforçados com palha (Figura. 2.1), demostra que a origem do compósito remonta a incontáveis milhares de anos [24, 33]. Figura 2.1: Tijolo com fibras de palha [33].. Conforme se posiciona o pesquisador Marcelo Rabello [34], com a crise do petróleo nos anos 60 e 70, os materiais poliméricos atingiram preços exorbitantes, e para reduzir as despesas na fabricação de polímeros e elastômeros foram utilizadas cargas minerais de baixo custo como meio de viabilização econômica. Com o desenvolvimento cientifico na área de compósitos poliméricos, a visão de servir apenas como enchimento torna-se ultrapassada, pela possibilidade de grandes alterações nas propriedades dos materiais caso sejam adicionadas cargas corretas em concentrações apropriadas. 20.

(24) Em termos gerais, compósito pode ser definido como um sistema heterogêneo, formado. por. dois. ou. mais. materiais. distintos. quimicamente,. que. apresenta. macroscopicamente uma interface bem definida, em que a fase descontínua é denominada reforço, enquanto a fase contínua é denominada matriz (Figura. 2.2). Figura 2.2: Imagens da superfície de fratura de um compósito particulado.. 2.1 CLASSIFICAÇÃO A classificação de um material compósito fornece informações importantes para sua aplicação (Figura. 2.3). O sistema mais adotado consiste na divisão dos compósitos em função da natureza do reforço[35]. Figura 2.3: Classificação dos tipos de compósitos [35].. 21.

(25) Quando um reforço é adicionado a um polímero, praticamente todas as propriedades são afetadas, algumas de forma positiva, outras de forma negativa em relação a uma determinada aplicação. As capacidades de reforço devem, portanto, ser apreciadas com respeito a um equilíbrio de propriedades, sendo a escolha feita a partir da aplicação considerada [36]. Nos compósitos particulados, podemos ter partículas no formato esférico, cúbico, tetragonal ou de qualquer forma regulares ou irregulares. Os compósitos particulados contêm um grande número de partículas aleatoriamente orientadas, denominadas agregados. As partículas de agregados com menos de 6,35 mm de diâmetro são classificadas como agregados finos, enquanto que as partículas maiores são classificadas como agregados grossos. Os compósitos particulados tendem a ser isotrópicos, sendo adequados para aplicações com carregamento tridimensional, possuindo as mesmas propriedades em todas as direções, são mais fáceis de fabricar e muito mais baratos que a matriz. O compósito particulado mais importante comercialmente é o concreto, que é uma mistura de brita, (o agregado) e o cimento Portland (a matriz) [37]. Algumas superfícies de rodovias são formadas pela mistura de cascalho em betume, um compósito particulado, denominadas macadame[38]. As propriedades dos compósitos estão diretamente associadas às propriedades dos elementos constituintes do material, tais como propriedades da matriz, concentração ou frações volumétricas, interface e adesão agregado/matriz, assim como pela geometria do agregado, tal como forma e tamanho [39]. As propriedades inerentes de todos os componentes, desde que combinadas com quantidades adequadas de materiais, contribuem na obtenção de novos materiais, com características ajustadas e melhoradas para aplicação final [40]. Os materiais compósitos, em princípio, são mais caros que os materiais tradicionais da construção civil, entretanto em longo prazo, eles são mais econômicos considerando suas boas propriedades. As fases particuladas são adicionadas ao sistema na matriz epóxi para melhorar algumas propriedades, e também reduzir o custo global do sistema. Quase todo material em forma de pó pode ser usado como material de reforço [41]. A disponibilidade de materiais utilizados na forma de partícula nos compósitos é abundante, tendo em vista a simplicidade do processo de produção [24]. Materiais na forma de pó descartados sem qualquer controle pode trazer riscos ao meio ambiente. Encontrar 22.

(26) métodos adequados para seu reaproveitamento, combinando economia com boas propriedades, são desafios deparados atualmente.. 2.2 MATRIZ POLIMÉRICA O conceito de matriz polimérica advém do produto formado pela mistura em quantidades proporcionais da resina e de um agente de cura, formando um material sólido com excelentes propriedades mecânicas e resistência química [39]. Uma variedade de materiais orgânicos produzidos em larga escala, obtidos do petróleo, permite a geração de um grande número de matrizes poliméricas. A matriz fornece a aparência final do compósito, exercendo as funções de proteger, conectar e distribuir os esforços aos elementos de reforço. De acordo com suas propriedades mecânicas e em temperatura elevada, as matrizes poliméricas podem ser divididas em duas categorias: termorrígidos (termofixos) e termoplásticos [35], sendo que esta última categoria não será discutida nesta tese. Polímeros termofixos ou termorrígidos são macromoléculas produzidas pela mistura de dois componentes, uma resina e um endurecedor. Em sua maioria, são inicialmente líquidos à temperatura abaixo de 50ºC. Durante a mistura, na temperatura ambiente ou aquecida, ocorrem reações químicas irreversíveis de reticulação, também conhecidas como ligações cruzadas (Figura. 2.4). Nesse processo, as cadeias poliméricas são unidas covalentemente formando uma rede tridimensional rígida, infusível e insolúvel [38, 39]. Quando a reticulação ocorre à temperatura ambiente, leva um tempo considerável alongando o processo de cura [42]. O rompimento das ligações cruzadas implica a degradação do material polimérico, ocorrendo com a introdução de uma considerável quantidade de energia [35, 43]. As ligações cruzadas formadas durante a polimerização da resina líquida e do endurecedor formam quase sempre uma estrutura amorfa [38].. 23.

(27) Figura 2.4: Polímero termorrígido com cadeias conectadas por ligações cruzadas [44].. O termo cura de uma resina ou polimerização completa descreve o processo bastante complexo pelo qual a resina e o endurecedor são transformados de materiais de baixo peso molecular em um material altamente reticulado [45], modificando as propriedades química e física dos reagentes [46].. 2.3 RESINA EPÓXI Uma das primeiras descrições das resinas epóxi está contida na publicação da patente alemã 676 117 por I.G. Farbenindustrie, em 1939 [47]. As resinas epóxi entraram no mercado por volta de 1947, e a primeira grande aplicação foi usada quase que inteiramente para o revestimento de superfícies. O desenvolvimento nesta área, é, em grande parte, devido às obras de Pierre Castan da Suíça e S.O. Greenlee dos Estados Unidos [48-50]. As resinas epóxi são polímeros termorrígidos de fácil processamento, altamente reticulados e de alto desempenho, que contêm pelo menos dois grupos epóxi terminais por molécula [24, 51, 52]. O anel epóxi (Figura 2.5) é formado por dois átomos de carbono ligados a um átomo de oxigênio, em que o ângulo das ligações C-O. 61°24’ [53, 54], por. meio de uma ligação covalente simples [45]. Graças à alta reatividade dos anéis, as resinas epóxi podem ser utilizadas sob as mais diversas solicitações mecânicas dadas as suas boas propriedades adesivas, rigidez, resistência especifica, estabilidade dimensional, resistência química e boa fluidez antes da cura, permitindo fácil processamento [10, 15, 16, 40, 55, 56].. 24.

(28) Figura 2.5: Anel epóxi.. O. 59. 18' 59°. H 2C. °18. '. 61°24'. CH2. A produção mundial das resinas epóxi nos anos de 1980 atingiu cerca de 600.000 toneladas por ano, subindo no final dos anos 1990 para cerca de 750.000 toneladas por ano. Cerca de 50% da produção mundial de resina epóxi é utilizada para aplicações de revestimento de superfície, com o restante dividido entre aplicações eletrônicas e o setor de construção e usos diversos. Atualmente, com 70% da produção mundial, a Shell, a Dow Química e a Huntsman, são os maiores produtores. As primeiras e ainda mais utilizadas resinas epóxi, cerca de 80-90% do mercado comercial, são sintetizadas a partir de uma reação entre o bisfenol-A e a epiclorohidrina [24, 47, 51]. O bisfenol-A (acetato de bisfenol) é preparado pela condensação de acetona com fenol (Figura. 2.6) [24, 47, 51]. Figura 2.6: Produção do bisfenol-A [47]. CH3 HO. +. C. O. +. CH3. OH CH3. HO. C. OH. CH3. A epiclorohidrina é o composto mais caro, obtido pela cloração do propileno (Figura. 2.7) [47].. 25.

(29) Figura 2.7: Produção da epiclorohidrina [47]. CH 2. CH + Cl 2. CH 2. CH. CH 3. CH 2. CH + H 2 O/Cl 2. + HCl. CH 2 Cl. Cl. CH 2. CH (OH). CH 2. Cl. CH 2 Cl O Cl. CH2. CH(OH). CH2. Cl + NaOH. Elev. Temp.. CH2. CH. CH2. Cl. O diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA) representa até hoje o tipo mais comum de resina epóxi (Figura. 2.8) [49].. Figura 2.8: Formação do polímero DGEBA [49, 51].. (Molécula de epiclorohidrina). O Cl. CH2. CH. (Molécula de bisfenol A). (Molécula de epiclorohidrina). O. CH3 CH2 + HO. C. OH + HC 2. CH. CH2. Cl. CH3 A representação estrutural típica da resina epóxi, baseada em bisfenol A, é mostrada na (Figura 2.9) [24, 51].. 26.

(30) Figura 2.9: Estrutura química de uma resina epóxi (DGEBA) [24, 51, 57]. Grupo epóxi terminal Estrutura triangular. O HC 2. OH. CH3 CH. CH 2. O. C. CH 2. O. CH. CH 2. CH3. n Unidade de repetição n = 0 a 25. O. CH3 O. C. O. CH 2. HC. CH2. CH3 Grupo epóxi terminal Estrutura triangular. A unidade de repetição (n) pode variar de 0 a 25. Quando (n) é menor que 1 e maior que 0 podem ser obtidas resinas líquidas de baixa viscosidade. Quando (n) é maior que 1 obtemos resinas sólidas [24]. A versão comercial básica da resina epóxi tem peso molecular 380; versões purificadas (n = 0) têm peso molecular mais baixo 344; versões de peso molecular mais elevado (n = 1-10) são produzidas através da redução da quantidade de epiclorohidrina e reagem em condições mais alcalinas [49]. Os grupos terminais epóxi presentes nas extremidades da DGEBA são muito reativos. A adição de aminas, ácidos, fenóis e álcool, contendo hidrogênios ativos, abrem os anéis epóxi formando grupos hidroxilas (-OH) [39]. Os grupos hidroxilas comportam-se como catalisadores da reação e não consomem os grupos epóxi [46, 58]. A reação entre um grupo epóxi e uma amina primária, segundo Shechter, leva à formação de duas reações principais (Figura 2.10). As hidroxilas aceleram a reação entre o glicidil-éter e a amina e são incorporadas ao anel epóxi, geralmente formado por uma reação secundária, quando o grupo epóxi está em excesso [46, 58].. 27.

(31) Figura 2.10: Principais reações entre o grupo epóxi e uma amina primária [46, 58]. Amina. Grupo epóxi. Amina secundária. O. R ŃH 2 + CH. OH CH 2. R ŃH. R. CH 2. OH R ŃH. CH 2. CH. R. +. CH. CH. CH 2. R. OH. R Ń CH 2. R. O. Amina terciária. R. CH. CH 2. CH. CH 2. R. CH 2. OH. COSTA et al. [58] estudaram a cinética da reação de cura de resinas epóxi por meio de técnicas analíticas. A técnica mais utilizada é a calorimetria exploratória diferencial (DSC). O comportamento cinético da reação de cura se inicia com a queda da viscosidade, devido ao aumento da temperatura interna da formulação, e depois com o aumento do seu peso molecular, provocando um aumento de viscosidade. Por meio da técnica de DSC, pode-se obter dois tipos de varreduras: as dinâmicas (calor em função da temperatura) e as isotérmicas (calor em função do tempo). As primeiras oferecem resultados mais rápidos e aproximados do u. i éi. u. çã. u. ú i. i. çã. “ ”;. segundas possuem maior simplicidade na interpretação dos dados e maior aplicabilidade, com i i. çã :. “ ”. u. íi. i. i ã. realidade cinética, porém é mais demorado que as dinâmicas, pois precisam de no mínimo três varreduras isotérmicas para se obter o resultado.. 28.

(32) 2.4 PÓ DE ROCHA As rochas graníticas incluem uma ampla gama de tipos de rochas que variam em sua mineralogia, características petrograficas e propriedades de engenharia. A composição mineralógica é o fator mais importante que afeta as propriedades mecânicas das rochas, principalmente a variação na quantidade de feldspato e quartzo [59]. O termo feldspato tem origem alemã, feld significa campo e spato significa pedra; representa um dos mais abundantes grupos de minerais, reunindo uma série de silicatos de alumínio, contendo proporções variadas de potássio, sódio, cálcio e ocasionalmente bário [60]. Segundo suas composições químicas, classificam-se em [60]: Feldspato potássico ortoclásio - KAlSi3O8; Albita - NaAlSi3O8 (plagioclásio); Anortita - CaAl2Si2O8 (plagioclásio); O feldspato englobando principalmente dois grupos minerais: Feldspato alcalino, quando as composições químicas encontram-se entre o feldspato potássico e a albita; plagioclásios quando a composição química está entre anortita e albita. Possui dureza de 6.0 a 6.5, na escala Mohs, peso específico de 2.5 a 2.8 g/cm3, sistema de cristalização monoclínico e triclínico [60]. Grandes volumes de rochas que compõem a crosta terrestre são formados pelo quartzo, sendo este um composto formado por uma molécula de silício ligada a duas moléculas de oxigênio SiO2 (dióxido de silício). Nas rochas graníticas, o quartzo encontra-se associado ao feldspato e a mica. O Quartzo é um mineral cuja dureza é 7.0 na escala Mohs, possui peso específico de 2.65 g/cm3, com sistema de cristalização trigonal para baixa temperatura, conhecido como qu qu. z α. h x g. u. h i. z β [61, 62]. No Estado de Sergipe (Figura 2.11), com área de 21.994 km2, encontra-se o município. de Nossa Senhora de Glória, localizada entre as latitudes sul de 9º 31´+ 11º 34´ e as coordenadas longitudinais oeste de 36º 25´ e 38º 14´, na porção noroeste do Estado, e com 29.

(33) área de 745 km2 (Fig. 2.12 em destaque) [63]. Neste município foram extraídas as rochas granitoides utilizadas na fabricação dos compósitos. Figura 2.11: Mapa do Estado de Sergipe com a cidade de Nossa Senhora da Glória em destaque [63].. Existem atualmente raízes de antigos cinturões orogênicos em várias regiões do planeta [64], como a Faixa de Dobramento Sergipana. A área explorada, conhecida como Macururé (Figura 2.12), limita-se ao sul com o Domínio Vaza-Barris pelas zonas de cisalhamento São Miguel do Aleixo e Nossa Senhora da Glória. [69].. 30.

(34) Figura 2.12: A - Contorno geográfico do Estado de Sergipe, com a demarcação do Domínio Macururé. B - Domínio Macururé (área cinza), com a alocação dos corpos graníticos do Tipo Glória (em branco) [65] C - Amostra macroscópica 12-A. D - Amostra macroscópica 53-A (Fotos fornecidas pelo Departamento de Geologia da Universidade Federal de Sergipe).. 2.5 REVISÃO AMPLA SOBRE COMPÓSITO PARTICULADO POLIMÉRICO Para uma determinada aplicação de compósito, a seleção do tipo de processamento é sempre um desafio. Tais processos correspondem a 50-60% do custo total do material 31.

(35) produzido,. além. de afetar. significativamente. as. distribuições. microestruturais. e. consequentemente as propriedades finais do compósito, demandando significativa atenção da comunidade industrial e científica [39, 66, 67]. Os processos gerais de fabricação de compósitos a base de resina epóxi, reforçados por partículas, consistem na mistura por cisalhamento mecânico, sonificação de ultrassom, além de outros métodos térmicos, químicos, desgaseificação a vácuo e utilização de reforço com nanopartículas. O objetivo é a redução da viscosidade e a tensão superficial da resina, aumentando assim o nível de dispersão global das partículas na matriz epóxi [30, 68-71]. O controle do estado de dispersão e a homogeneidade na distribuição das partículas na matriz, a formação de aglomerados, a compreensão do efeito da interface entre a matriz e o reforço, são as principais limitações nos processos de fabricação dos compósitos particulados poliméricos [72, 73]. Quando adicionamos um reforço a um polímero, praticamente todas as propriedades são afetadas, algumas de forma positiva, outras de forma negativa, em relação a uma determinada aplicação[36]. Um processo simples de mistura foi implementado por Lai et al. [74], através da agitação manual, a fim de reduzir as tensões residuais da resina epóxi curada. As partículas foram dispersas primeiramente no polímero e posteriormente com o endurecedor. O processo de produção utilizado pode ser o causador da redução de algumas propriedades mecânicas, situação esta que foi notada por outros pesquisadores, que se utilizaram de agitador mecânico simples, ocasionando a falta de dispersão adequada das partículas, tendo em vista a baixa energia fornecida para gerar a tensão de cisalhamento necessário[30]. Consequentemente, a condição ideal em que todas as partículas deveriam estar totalmente recobertas pela matriz epóxi pode não ter sido totalmente satisfeita. O tamanho e a forma dos particulados, a razão de aspecto, a tendência natural das partículas se aglomerarem, a absorção de umidade, juntos desempenham também um papel preponderante no desempenho mecânico [30, 72, 73]. Outro fator limitante é a formação de bolhas, que ocorre durante a mistura do polímero com o endurecedor, que podem induzir as concentrações de tensão, que afetam negativamente as propriedades finais do compósito [41, 72]. 32.

(36) Processos em escala industrial podem melhorar significativamente as propriedades mecânicas, tendo em vista sua maior capacidade de distribuição das partículas. Entre as técnicas de manipulação de partículas, podemos citar o fluxo através de silos e moldes pneumáticos, que através da perturbação e vibração simultaneamente conseguem com que as partículas menores ocupem os interstícios entre as partículas maiores, de modo a conseguir uma alta densidade de empacotamento [66]. Os polímeros epóxi fornecem um conjunto de excelentes propriedades e são relativamente fáceis de processar. Entre as vantagens obtidas em sua utilização, destacamos a capacidade de aceitar diferentes tipos de reforços, que vão desde o CaCO3 [41], fibras de sisal, fibras de bananeiras [75], areia de fundição [76], nanopartículas de vidro [31, 72, 77], nanopartículas de óxido de alumínio Al2O3 [78], partículas de borracha [79, 80], cimento [81, 82], pó de granitos [41, 83], até partículas de diamante [84]. Piratelli et al. [85] investigaram o ferro fundido e o granito, usados como bases para colocar as máquinas e instrumentos de precisão das indústrias mecânicas, em virtude de terem altos valores de módulo de elasticidade, de resistência ao desgaste e tenacidade.. Eles. verificaram que o ferro fundido apresenta alta expansão térmica e condutividade, o que ocasiona alterações dimensionais, acarretando erros nas fabricações realizadas nas máquinas que estão sendo seguradas pelas bases. Por sua vez, o granito apresenta baixa tenacidade, no entanto a fabricação de bases com este material é de difícil processamento, em razão de sua alta dureza, porosidade e fissuras internas. Com o objetivo sanar tais problemas ocasionados pelos materiais acima, eles utilizaram compósitos particulados à base de resina epóxi reforçados com pó de granito (epóxi-granito), por contarem com fácil moldagem de peças com geometrias complexas e excelente redução no amortecimento das vibrações, além de alto módulo de elasticidade. Foi relatado pelos pesquisadores que diversas condições devem ser analisadas no processamento do material, tais como: o tamanho da partícula, a pureza, o fator de empacotamento, a porosidade, o percentual da resina e sua viscosidade no momento da mistura. E esse trabalho estudou rigorosamente esses fatores. Eles concluíram que o granitoepóxi tem um efeito de amortecimento, que é significativamente maior do que o ferro fundido cinzento, para o mesmo volume do material. Concluíram também que as resinas de epóxi são mais caras que as resinas de poliéster, mas quando se trata de amortecimento de vibração, os resultados deste estudo sugerem que a matriz de resina epóxi é adequada para esta finalidade.. 33.

(37) Ramakrisha et al. [41] investigaram a utilização do pó de granito como material de enchimento da resina epóxi e o polímero Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). As propriedades mecânicas de flexão, compressão, resistência química, e a morfologia dos compósitos foram estudadas. Para melhorar as propriedades destes compósitos, o pó de granito foi tratado com o agente de acoplamento silano. O teor utilizado foi de 0 a 60% em peso. Segundo os autores, quando curadas as resinas epóxi são muito frágeis, com baixa resistência a propagação de trinca e baixa força de impacto. O objetivo do trabalho dos autores é endurecer a matriz epóxi sem reduzir significativamente outras propriedades. Segundo eles algumas tentativas têm sido feitas para modificar as resinas epóxi com polímeros termoplástico. A melhoria na resistência é obtida somente com maior teor de termoplástico, superior a 10% em peso de ABS, entretanto a modificação da resina aumenta acentuadamente a viscosidade inviabilizando o processamento da resina. Os pós de granitos foram adicionados ao sistema para melhorar a moldagem, as propriedades de cura e redução do custo global do sistema. O pó de granito é um subproduto de cortes de rochas de granito na indústria, precisando-se encontrar métodos adequados para sua utilização e eliminação. Quando o pó de granito tem maior área de superfície devido ao seu pequeno tamanho de partícula, tende a aglomerar, e isto, resulta na redução da superfície de interação entre a resina epóxi e o pó de granito. Observaram que a incorporação de partículas rígidas melhora o módulo de elasticidade do compósito polimérico. O módulo de elasticidade de compressão de todos os compósitos aumenta à medida que o conteúdo de pó aumenta. O tratamento do pó de granito com agente de acoplamento melhorou as propriedades mecânicas e também melhorou a adesão interfacial entre o pó de granito e a matriz. Eles concluíram que compósitos com 50% em peso de granito obtiveram em todos os casos as melhores propriedades mecânicas. A resistência à compressão encontrada nos compósitos reforçados com 50% de granitos não tratados foi de 80,93 MPa; já a resistência à compressão para resina epóxi pura foi de 48,36 MPa. Para os compósitos reforçados com granito tratado com 60% de reforço houve um aumento na resistência de 57,81 % se comparado com a resina epóxi pura. Piratelli et al. [83] apresentaram um estudo de processamento de um compósito polimérico, utilizando a resina epóxi reforçada com partículas de granito, que foram misturadas em diferentes composições 15% e 20% em peso de resina epóxi. No primeiro compósito, foram misturados 50% de partículas com dimensões entre 106 e 45 µm mais 50% í u 70%. i í u. ã i. 106 õ. 500 μ . N 106. 45 μ. gu 30%. i í u. f. i u i. ã 34.

(38) 106. 500 μ . S gu. u. ompósito desenvolvido é superior ao ferro. fundido, oito vezes no que tange as questões de amortecimento de vibrações, possui também maior estabilidade térmica e maior flexibilidade geométrica. O potencial deste material resultou em algumas patentes, dentre elas destaca-se o Granitan, do fabricante Suíço Fritz Studer, considerado pioneiro no desenvolvimento de máquinas. O compósito foi obtido através da mistura das partículas de granito com a resina epóxi, que foram depositadas nos moldes de compressão, onde permaneceram durante 48 horas, depois foram retiradas e curadas a temperatura ambiente por 7 dias, logo depois o processo de cura foi acelerado por aquecimento das amostras a temperatura de 60ºC durante 4 hora. Os pesquisadores conseguiram uma resistência a compressão de 114,23 MPa, um aumento de 137,63% se comparado ao valor de resistência a compressão da resina epóxi pura 83 MPa. Foram observados aglomerados de partículas de granito nas amostras com 15% em peso de resina epóxi, tal presença pode estar associada à baixa adesão partícula/matriz. Quanto maior o tamanho dos aglomerados menor a resistência à compressão. O uso de métodos industriais pode melhorar o processo de fabricação e consequentemente melhorar a resistência à compressão. Mendonça et al. [86] investigaram materiais compósitos particulados, baseados em uma matriz epóxi com incorporação de pó de granito. Os materiais utilizados para fabricação dos compósitos foram o granito na forma de pó, em diferentes tamanhos,. i. 45 μ. 106 μ , e a resina epóxi Reaxdur 55. Os resultados mostram que o compósito desenvolvido apresentou valor máximo de resistência à compressão de 64,7 MPa, com pós de diferentes tamanhos de partículas (mix) e para uma razão de aspecto de 1,4. Foi observado também que a redução da porcentagem em peso de epóxi resultou na redução da resistência à compressão, o que pode ter ocorrido devido à dificuldade de processamento com teores baixos de resina. Weimer et al. [87] analisaram a tensão de cisalhamento na interface em três diferentes tipos de concreto. Segundo os pesquisadores existirá uma necessidade crítica para o desenvolvimento e implantação de adequações tecnológicas para reforçar, reparar e reabilitar estruturas de concreto, resultado de fadiga, ataques ambientais e sobrecargas mecânicas em que estas estruturas estão expostas. O compósito polimérico, reforçado com fibras de carbono e uma matriz epóxi, é um dos métodos em destaque. Foi observado que a transferência de carga do concreto para o compósito ocorre através das tensões de cisalhamento na região interfacial. Os pesquisadores concluíram que as falhas do concreto preenchidas com partículas 35.

(39) de granito ocorrem principalmente ao longo da interface entre as partículas e a argamassa, incluindo arrancamento (pull-out) de partículas inteiras. Rama et al. [2] modificaram a resina epóxi, utilizando elastômeros termoplásticos em diferentes proporções (1, 2, 3, 4, e 5% em peso). Na resina epóxi pura e na resina epóxi modificada usaram cinzas com enchimento nas proporções (0, 30, 40, 50 e 60%). Os compósitos foram curados durante 24 horas a temperatura ambiente e depois pós-curados a 80ºC durante 4 horas. Eles concluíram que os elastômeros aumentam a tenacidade do compósito. A análise da superfície de fratura revelou boa ligação entre as cinzas e a matriz epóxi. Observaram que para um melhor equilíbrio de propriedades mecânicas, a seleção do tamanho de partícula é crítica, as partículas de borracha devem ser grandes o suficiente para o endurecimento eficaz. Foi constatado que quando os valores são superiores a 1% em peso de elastômero, há uma redução na resistência à compressão e ao impacto. Bittmann et al. [88] pesquisaram a inserção de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) na matriz epóxi. Eles avaliaram o desempenho mecânico do compósito para os teores de 2, 5 e 10% em volume de nanopartículas de TiO2. Segundo os autores, as nanopartículas de. dióxido de titânio aumentam o módulo de elasticidade e a resistência à compressão quando comparados com a matriz epóxi pura. Entretanto, as interações de van der Waals causam aglomeração nas nanopartículas. Por esta razão as nanopartículas têm de ser dispersas na matriz polimérica, para que, quando as nanopartículas com sua elevada área superficial entram em contato com a matriz polimérica, os aglomerados tendem a ser quebrados e as partículas distribuídas de forma homogênea no interior da matriz. A fim de obter os melhores parâmetros de processos, o tempo de dispersão deve ser suficientemente longo para quebrar a maioria dos aglomerados e concomitantemente curto por razões econômicas. Foi utilizado, para quebra de aglomerados, o princípio de dispersão por ultrassom. Contudo, antes a mistura foi aquecida a fim de reduzir a viscosidade, tendo em vista que a alta viscosidade conduz a um amortecimento das vibrações geradas, o que dificulta a dispersão das partículas. Os pesquisadores descobriram que as nanopartículas contém agregados com ligação iônica e não somente interações de van der Waals, portanto não podem ser separados por meio de técnicas de dispersão convencional. Observaram também que a alta intensidade do ultrassom é capaz de quebrar os aglomerados de nanopartículas, mas também é capaz de quebrar as cadeias moleculares da resina. Para a avaliação das propriedades mecânicas os compósitos foram. 36.

(40) fabricados com o tempo de 15 minutos. Observaram um efeito de reforço devido a adição e dispersão de nanopartículas de dióxido de titânio. Zabihi et al. [1] investigaram as características mecânicas e térmicas do compósito formado pela matriz epóxi reforçados em diferentes concentrações (0, 1, 5, 10, e 15%) de nanopartículas de óxido de ferro Fe2O3 (III). Segundo os pesquisadores as propriedades dos compósitos dependem principalmente do tamanho de partícula, concentração e a interação partícula/matriz polimérica. Os ensaios mecânicos mostraram que à medida que o conteúdo de nanopartículas aumenta (maior que 15%) de Fe2O3 há uma redução das propriedades mecânicas. As imagens de micrografia comprovam a formação de agregados nos compósitos reforçados com 15% de nanopartículas. O diâmetro dos aglomerados encontrados foi de aproximada de 300 nm, indicando fraca adesão entre as nanopartículas e a resina epóxi, resultando em redução na resistência à tração e no módulo de elasticidade. Monteiro et al. [84] averiguaram compósito fabricado com resina epóxi reforçado com partículas de diamante nos seguintes teores 0, 20 e 30% em peso. Os compósitos foram preparados em moldes de silicone aberto, e em seguida curados a temperatura ambiente durante sete dias. Segundo os pesquisadores a utilização de uma proporção superior de endurecedor na fabricação da matriz epóxi resultou na melhoria do desempenho mecânico do material. Tal comportamento pode estar associado à redução da mobilidade das moléculas da resina epóxi, consequentemente há uma redução na capacidade de deformação do compósito. Foi observada uma tendência na redução da resistência a tração do compósito, com a incorporação de partículas de diamante. Isto pode estar relacionado à baixa adesão interfacial entre a partícula e a matriz e a geometria das partículas de diamante. As partículas tendem a exibir uma distribuição não uniforme na matriz polimérica. As propriedades de todos os sistemas podem ser expressivamente modificadas através da variação de temperatura, tempo de cura e quantidade de endurecedor. O compósito desenvolvido tem mostrado propriedades promissoras como ferramenta de polimento de pedras ornamentais. Monteiro et al. [89] estudaram compósitos poliméricos reforçados por partículas de diamante para utilização como ferramentas abrasivas. Para fabricação dos compósitos foi utilizada a resina DER331 e o endurecedor DEH24, ambos da Dow Química S.A, e partículas de diamante obtidas da mistura de pó de grafite e liga Ni-Mn processadas nas frações de 10, 20 e 30% em peso com tamanho máximo das partículas de diamante 170µm. Os resultados mostram que a incorporação diminui sensivelmente a resistência do compósito, sobretudo 37.

(41) acima de 10% de partículas de diamante incorporadas. Segundo os autores, tal fato pode estar associado à heterogeneidade do tamanho, morfologia e distribuição das partículas de diamante na matriz, levando a concentração de tensão. A resina pura apresentou uma resistência à tração de 46.9±2.3 MPa, havendo uma redução nos valores de resistência para 42.3±2.1, 30.4±1.5 e 19.8±2.5 MPa, para os teores de 10, 20 e 30% de partículas na matriz epóxi, respectivamente. Al-Turaif et al. [21] investigaram as propriedades mecânicas da resina epóxi endurecida com dois tamanhos de partículas de dióxido de titânio (17 nm e 50 nm) e compararam com as partículas de tamanho 220 nm. Para fabricação dos compósitos, a resina epóxi escolhida foi DER 331TM misturados em diferentes frações em peso (1%, 3%, 5% e 10%). A modificação do epóxi com partículas nano de TiO2 melhorou a resistência à flexão dos compósitos. Os resultados mostram que a adição de 1% de partículas de TiO2 causou um aumento na resistência à flexão; os compósitos carregados com partículas de 17 nm, 50 nm e 220 nm de TiO2 tiveram um aumento de resistência à flexão de 22, 17 e. 14 %. respectivamente, e esse comportamento não foi melhorado pela adição de mais percentual de material de enchimento. Ahmad et al. [90] avaliaram o desempenho de compósitos carregados com três diferentes formatos de partículas (angulares, cúbicas e alongadas). Para fabricação dos compósitos a resina epóxi utilizada foi a EPONTM 8281, e o agente de cura foi o Polieteramina D230, e as partículas foram utilizadas em diferentes percentagens em peso (15, 30 e 45%). Constataram que a adição de partículas de sílica aumentou a resistência à flexão e o módulo de elasticidade. Os resultados mostram uma tendência crescente de resistência à flexão com o aumento da carga de enchimento; no entanto, ocorre uma ligeira redução nos compósitos com 15% de volume de sílica. Segundo os pesquisadores, o formato afeta a sedimentação, separação durante a mistura, a viscosidade da resina e o empacotamento das partículas. Eles concluíram que as partículas anisométricas são mais eficazes que as partículas isométricas, isto é, tendo uma área superficial maior, as partículas irregulares possuem maior área de contato com a resina epóxi, tornando-se mais eficientes no reforço do compósito. O alongamento à ruptura dos compósitos diminuiu com o aumento de enchimento, comportamento que pode ser atribuído pelas mudanças no movimento, à concentração de tensões e iniciação e propagação da trinca. A maior resistência encontrada foi nos compósitos carregados com enchimento de 45% de volume. Os compósitos carregados com sílica 38.