INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA - Exército Brasileiro
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MINISTÉRIO DA DEFESA
EXÉRCITO BRASILEIRO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE DOUTORADO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CARACTERIZAÇÃO DO COMPÓSITO EPÓXI-FIBRA DE MALVA
PARA EMPREGO EM BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA
Maj QEM LUCIO FABIO CASSIANO NASCIMENTO
Rio de Janeiro
2017
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Maj QEM LUCIO FABIO CASSIANO NASCIMENTO
CARACTERIZAÇÃO DO COMPÓSITO EPÓXI-FIBRA DE MALVA
PARA EMPREGO EM BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA
Tese de doutorado apresentada ao Curso de Doutorado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Ciências em Ciência dos Materiais. Orientadores: Profº Luís Henrique Leme Louro – Ph.D.
Profº Sérgio Neves Monteiro – Ph.D.
Rio de Janeiro
2017
2
c2017
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270
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desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica
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Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e
do(s) orientador(es).
620.1
Nascimento, Lucio Fabio Cassiano
N244c Caracterização do compósito epóxi-fibra de malva para emprego em blindagem balística multicamada / Lucio Fabio Cassiano Nascimento; orientado por Luís Henrique Leme Louro; Sérgio Neves Monteiro – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2017. 178p.: il. Tese (Doutorado) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2017. 1. Curso de Ciência dos Materiais – teses e dissertações. 2. Balística. 3. Compósitos. 4. Fibras Naturais. I. Louro, Luís Henrique Leme. II. Monteiro, Sérgio Neves. III. Título. IV. Instituto Militar de Engenharia.
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a Deus, por todas as bênçãos que tenho recebido e
pela força nos momentos mais difíceis desta caminhada.
A meus pais Lucio e Jussara pelas orações, amizade e carinho durante toda
minha vida. Obrigado por tudo! Amo vocês!
A minha amada esposa Ana Paula e aos meus filhos Lucio Henrique e Paulo
Eduardo, por preencherem minha vida com alegria e amor. Vocês foram o fôlego
que eu recebia diariamente nos diversos momentos desta jornada. Amo muito
vocês, hoje e sempre!
Ao meu irmão Rafael, pela amizade e carinho, pois mesmo fisicamente distante,
em função do trabalho, sempre esteve comigo nesta e em outras caminhadas. Valeu
irmão!
A toda minha família do Rio de Janeiro e Juiz de Fora: avós, tios(as), primos(as),
sogra, cunhados(as), pela amizade e por sempre acreditarem nos meus estudos.
Obrigado!
Aos meus orientadores, Luis Henrique e Sérgio Neves, por todas as discussões
científicas, congressos que pude participar, artigos publicados, conhecimento e
experiência passados, mas principalmente pela amizade, compreensão e por todo o
apoio e estímulo. Muito obrigado!
Aos demais professores membros da banca: André Ben-Hur, Rubens Marçal,
Igor Margem, Maria Aparecida e Luís Carlos, pelas sugestões e apoio na realização
da tese.
Aos professores do programa de pós-graduação em Ciência dos Materiais do
IME, pelo carinho no meu retorno a esta casa e pelos ensinamentos de ontem e
hoje. Obrigado!
Aos amigos de longa data da IMBEL/FJF e do IME: Motta, Milanezi e Aline, pela
amizade, cafezinhos e ótimos momentos desde os tempos de Juiz de Fora. Meu
muito obrigado!
Aos amigos civis e militares que conheci no IME: José Celestino, Jesus, Gaspar,
Alberto, Simão, Édio, Rubens, Daniel, Jheison, Camila, Gisele, Renato e Bruna,
dentre outros, que foram fundamentais pelo apoio, companheirismo e risadas
diárias. Minha eterna gratidão!
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Aos amigos do grupo de fibras naturais: Fernanda, Fábio, Foluke, Arthur e Noan,
pela amizade, congressos, artigos e discussões sempre produtivas sobre os
trabalhos do grupo. Valeu muito por tudo!
Aos amigos Joel, Flávio, Leonardo, Irani e Anderson, do IME e Filipe da UFRJ:
pela ajuda na microscopia eletrônica, nos ensaios mecânicos e nos mais diversos
problemas do dia-a-dia.
Ao amigo Ten Montez do IME: por toda amizade, conhecimento e apoio nas
diversas situações administrativas que pareciam insolúveis, mas que foram
resolvidas, facilmente, graças à sua intervenção. Você é um exemplo de profissional.
Muito obrigado!
Ao CAEx (Centro de Avaliações do Exército), em especial ao TC Malizia,
Capitão D’megeon e à equipe da linha IV, por toda boa vontade e disponibilidade na
realização dos ensaios balísticos.
Ao IMA/UFRJ (Instituto de Macromoléculas), em especial a Dalva e ao Bruno
pelo apoio nos ensaios de DMA. Muito obrigado!
Ao IPqM (Instituto de Pesquisas da Marinha), especialmente à Cida, Jairo e
Arnaldo, pela ajuda nos ensaios de ultrassom e TGA.
Ao IEN (Instituto de Engenharia Nuclear), em especial ao Mantovano, pelos
ensaios de DRX e todo apoio nas análises.
A CAPES (Coordenação de Apoio à Pessoal de Ensino Superior), pelo suporte
financeiro deste projeto.
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SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES.................................................................................... 9
LISTA DE TABELAS............................................................................................. 17
LISTA DE ABREVIATURAS................................................................................. 21
1. INTRODUÇÃO.................................................................................... 24
1.1 Considerações Gerais........................................................................ 24
1.2 Justificativa do Trabalho..................................................................... 27
1.3 Objetivo do Estudo.............................................................................. 28
1.3.1 Objetivo Geral..................................................................................... 28
1.3.2 Objetivos Específicos.......................................................................... 29
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................................. 31
2.1 Sistemas de Blindagem Balística........................................................ 31
2.2 Materiais Poliméricos.......................................................................... 34
2.2.1 Conceitos Gerais................................................................................. 34
2.2.2 Resina Epóxi e sua Aplicação em Compósitos................................... 37
2.2.3 Fibras Naturais Lignocelulósicas (FNLs)............................................. 39
2.2.3.1 A Fibra de Malva................................................................................. 43
2.3 Materiais Cerâmicos............................................................................ 47
2.3.1 Conceitos Gerais................................................................................. 47
2.3.2 Alumina (Al2O3) Aditivada com Nióbia (Nb2O5)................................... 49
2.3.3 Processamento Cerâmico................................................................... 49
2.4 Materiais Compósitos.......................................................................... 51
2.4.1 Conceitos Gerais................................................................................. 51
2.4.2 Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Malva................ 54
2.5 Mecanismos de Fratura de Compósitos Poliméricos Reforçados
com Fibras........................................................................................... 57
2.6 Comportamento Dinâmico dos Materiais............................................ 57
2.7 Interação e Reflexão de Ondas de Choque........................................ 62
3. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................. 67
3.1 Aspectos Gerais.................................................................................. 67
7
3.2 Materiais Utilizados............................................................................. 68
3.2.1 Alumina (Al2O3) e Nióbia (Nb2O5)........................................................ 68
3.2.2 Polietileno Glicol (PEG)....................................................................... 68
3.2.3 Fibras de Malva................................................................................... 69
3.2.4 Resina Epóxi....................................................................................... 71
3.2.5 Placas de Liga de Alumínio (Al 5052 H34).......................................... 71
3.3 Métodos Propostos............................................................................. 72
3.3.1 Preparação dos Corpos Cerâmicos.................................................... 72
3.3.1.1 Medições dos Corpos Cerâmicos....................................................... 76
3.3.2 Fabricação dos Compósitos de Epóxi-Malva...................................... 77
3.3.3 Montagem da Blindagem Multicamadas............................................. 79
3.3.4 Ensaios Balísticos............................................................................... 80
3.3.5 Picnometria Gasosa............................................................................ 84
3.3.6 Ensaio de Impacto Charpy e Izod....................................................... 86
3.3.7 Ensaio de Tração................................................................................ 88
3.3.8 Ensaio de Flexão................................................................................. 91
3.3.9 Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)...................................... 92
3.3.10 Análise Termogravimétrica (TGA)....................................................... 93
3.3.11 Análise Dinâmico-Mecânica (DMA)..................................................... 93
3.3.12 Análise por Técnica de Excitação por Impulso................................... 94
3.3.13 Difração de Raios X (DRX)................................................................. 95
3.3.14 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)....................................... 96
3.3.15 Análise Estatística............................................................................... 97
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES........................................................ 100
4.1 Ensaios Balísticos............................................................................... 100
4.1.1 Camada Frontal Cerâmica.................................................................. 100
4.1.2 Camada Intermediária Compósita....................................................... 101
4.1.3 Ensaios Balísticos sobre a Plastilina................................................... 102
4.1.4 Ensaios Balísticos de Velocidade Residual........................................ 110
4.2 Interações das Ondas de Choque nas Blindagens Multicamadas...... 118
4.3 Picnometria Gasosa............................................................................ 124
4.4 Ensaios de Impacto Charpy e Izod..................................................... 125
4.4.1 Ensaio de Impacto Charpy.................................................................. 125
8
4.4.2 Ensaio de Impacto Izod....................................................................... 131
4.5 Ensaio de Tração................................................................................ 136
4.6 Ensaio de Flexão................................................................................. 143
4.7 Análise por Técnica de Excitação por Impulso................................... 148
4.8 Difração de Raios X (DRX)................................................................. 149
4.9 Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)...................................... 151
4.10 Análise Termogravimétrica (TGA)....................................................... 158
4.11 Análise Dinâmico-Mecânica (DMA)..................................................... 161
5. CONCLUSÕES................................................................................... 165
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS................................. 170
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................... 171
9
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 1.1 Esquemático de SBMs (Adaptado de LUZ, 2014).......................... 26
FIG. 2.1 Trauma do projétil medido por indentação no material de
referência (plastilina). Fonte: Adaptado da NIJ 0101.06 (2008) e
BRAGA, 2015................................................................................. 33
FIG. 2.2 Esquema de classificação para as moléculas poliméricas
(CALLISTER e RETHWISCH, 2012).............................................. 35
FIG. 2.3 Reação de produção da resina epóxi (RODRIGUES, 1991)
(adaptado)...................................................................................... 38
FIG. 2.4 Representação esquemática de uma fibra (JOHN e THOMAS,
2008) (adaptado)............................................................................ 40
FIG. 2.5 (a) Hastes de feixe de fibras de malva, (b) Aplicação em sacaria
de café, (c) Fibras e produtos de malva prontos para
comercialização (MARGEM, 2013) (adaptado).............................. 43
FIG. 2.6 (a) Fibra de vidro e (b) Fibra de malva (MARGEM, 2013)............. 44
FIG. 2.7 Feixes de malva em solução de hidróxido de sódio (MESQUITA,
2013) (adaptado)............................................................................ 45
FIG. 2.8 Processamento das fibras de malva. (a) Corte das hastes, (b)
Descorticagem, (c) Maceração, (d) Secagem, (e) Enfardamento
e (f) Fiação e tecelagem................................................................. 46
FIG. 2.9 Classificação dos materiais cerâmicos com base na sua
aplicação (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).............................. 48
FIG. 2.10 Etapas básicas do processamento cerâmico................................. 50
FIG. 2.11 Corpos cerâmicos produzidos no IME para fins de testes
balísticos ........................................................................................ 51
FIG. 2.12 Esquema de classificação para os vários tipos de compósitos
(CALLISTER e RETHWISCH, 2012).............................................. 53
FIG. 2.13 Ruptura de compósitos de matriz poliéster com diferentes
frações volumétricas de fibras de malva após ensaio de impacto
(MARGEM, 2013)...........................................................................
55
FIG. 2.14 Fratura por impacto de corpo de prova com 30% em volume de
fibras de malva (MARGEM, 2013)..................................................
56
10
FIG. 2.15 Diferentes tipos de arranjo de fibras: (a) simples; (b) sarja; (c)
cetim; (d) cesta; e (e) leno (JOHN e THOMAS, 2008)................... 56
FIG. 2.16 Mecanismos de falha em materiais compósitos reforçados por
fibras (ANDERSON, 1995)............................................................. 57
FIG. 2.17 Curva tensão (σ) versus deformação (ε) (MEYERS, 1994)........... 59
FIG. 2.18 Esquema para modelar matematicamente a propagação de
ondas de choque: (a) Antes do choque; (b) Após um tempo t1; (c)
Após um tempo t2 > t1 (MEYERS, 1994) (adaptado)...................... 60
FIG. 2.19 Sequência de etapas (a) antes, (b) durante e (c) após o choque
entre as superfícies em estudo (MEYERS, 1994) (adaptado)....... 63
FIG. 2.20 Transferência de onda de choque de um meio de baixa
impedância para outro de alta impedância. a) Gráfico de Pressão
versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão nos
materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994)
(adaptado)...................................................................................... 65
FIG. 2.21
FIG. 3.1
Transferência de onda de choque de um meio de alta
impedância para outro de baixa impedância. a) Gráfico de
Pressão versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão
nos materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994)
(adaptado)......................................................................................
Fibras de malva: a) “in natura” e b) na forma de tecido.................
66
70
FIG. 3.2 Fibras de malva submetidas ao tratamento de mercerização........ 71
FIG. 3.3 Placa de alumínio utilizada no SBMs............................................. 71
FIG. 3.4a Balança de precisão GEHAKA, modelo BK300............................. 72
FIG. 3.4b Moinho de bolas de alumina, modelo MA-500 e bolas de
moagem de alumina....................................................................... 72
FIG. 3.5 Estufa da marca ELKA................................................................... 73
FIG. 3.6 Almofariz e pistilo para maceração................................................ 73
FIG. 3.7 Agitador para areias finas............................................................... 73
FIG. 3.8 Conjunto pistão-matriz camisa flutuante........................................ 74
FIG. 3.9 Prensa hidráulica motorizada, NOWAK (LUZ, 2014)..................... 74
FIG. 3.10 Forno INTI FE1700 utilizado para sinterização do "corpo verde"... 75
FIG. 3.11 Corpos cerâmicos obtidos após processo de sinterização............ 75
11
FIG. 3.12 Matriz metálica para confecção de placas compósitas.................. 78
FIG. 3.13 Prensa SKAY de 30 ton.................................................................. 78
FIG. 3.14 Placas compósitas com percentuais de fibras "in natura" de 0 a
30% s/ tratamento e 30% c/ tratamento (Mercerização - 5%
NaOH, 24 h e sem agitação).......................................................... 79
FIG. 3.15 Sistema de blindagem multicamadas (SBMs) montado................. 79
FIG. 3.16 Esquemático dos SBMs montados sobre a plastilina (LUZ, 2014)
(adaptado)......................................................................................
80
FIG. 3.17 Armação do suporte de tiro preenchido com plastilina................... 81
FIG. 3.18 Sistema de blindagem multicamadas apoiado na plastilina........... 81
FIG. 3.19 Medida do trauma (indentação) na plastilina.................................. 81
FIG. 3.20 (a) Aparato para medição da velocidade residual; (b) Radar
dopller, modelo SL-520P do CAEX (LUZ, 2014) (adaptado).......... 83
FIG. 3.21 Munição 7,62 mm M1..................................................................... 83
FIG. 3.22 (a) Provete calibre 7,62 mm com mira laser; e (b) Esquema do
sistema utilizado com barreira óptica modelo B471 da HPI (DA
SILVA, 2014; LUZ, 2014)............................................................... 83
FIG. 3.23 Picnômetro de hélio ULTRAPYCNOMETER 1000 pertencente ao
Instituto Nacional de Tecnologia (INT)........................................... 85
FIG. 3.24 (a) Pêndulo PANTEC, Modelo XC-50, 1 x 220 V x 60 Hz,
pertencente ao LAMAV/UENF; (b) Pêndulo PANTEC, Modelo
CH/IZ-25, 220 V x 60 Hz e (c) Brochadeira manual PANTEC,
pertencentes ao IME...................................................................... 87
FIG. 3.25 Corpos de prova de compósito de epóxi reforçado com fibras de
malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0 a 30%v/v. a)
Ensaio Charpy; b) Ensaio Izod....................................................... 87
FIG. 3.26 a) Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao
LME/IME; b) Máquina universal de ensaios INSTRON 3365
pertencente ao LNDC/UFRJ........................................................... 88
FIG. 3.27 (a) Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva
contínuas e alinhadas; (b) Moldes de silicone utilizados para
confecção de corpos de prova para ensaio de tração....................
89
12
FIG. 3.28
(a) Máquina de corte a laser LC 1390, da G-WEIKE, pertencente
ao LNDC/UFRJ; (b) Detalhe da ferramenta de corte a laser e um
grupo de amostras produzidas para ensaio de tração...................
89
FIG. 3.29 Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva nos
percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v cortados a laser para ensaio
de tração.........................................................................................
89
FIG. 3.30 Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao
LNDC/UFRJ.................................................................................... 91
FIG. 3.31 Corpos de prova de compósitos epoxídicos reforçados com 0,
10, 20 e 30%v/v de fibras de malva contínuas e alinhadas para
ensaio de flexão em três pontos.....................................................
92
FIG. 3.32 Equipamento Netzsch modelo DSC 404 F1 Pegasus,
pertencente ao IME........................................................................ 92
FIG. 3.33 Equipamento Shimadzu modelo DTG-60, pertencente ao IPqM... 93
FIG. 3.34 Equipamento TA Instruments, modelo DMA Q800, pertencente
ao IMA/UFRJ.................................................................................. 94
FIG. 3.35 Analisador de excitação por impulso Sonelastic® pertencente ao
GTM/IPqM...................................................................................... 95
FIG. 3.36 (a) Difratômetro Shimadzu, modelo XRD-6000, pertencente ao
IEN/UFRJ; (b) Detalhe interno do difratômetro.............................. 96
FIG. 3.37 a) Microscópio eletrônico de varredura, modelo Quanta FEG
250, da FEI; b) Microscópio eletrônico de varredura, modelo
JSM-5800LV, da JEOL................................................................... 97
FIG. 3.38 a) Sistema de deposição de alto vácuo, LEICA, modelo EM
ACE600 (LUZ, 2014); b) Detalhe de amostras após recobrimento
de ouro........................................................................................... 97
FIG. 4.1 MEV da superfície de fratura cerâmica após ensaio balístico
(aumento de 10000x)..................................................................... 101
FIG. 4.2 Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido
de malva (30%v/v de fibras). (a) Antes do impacto; (b) Após o
impacto...........................................................................................
104
13
FIG. 4.3 Blindagem multicamadas com compósito reforçado com fibras
de malva contínuas e alinhadas (30%v/v de fibras). (a) Antes do
impacto; (b) Após o impacto...........................................................
104
FIG. 4.4 Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido
híbrido malva/juta (70%/30%p) – (30%v/v de fibras). a) Antes do
impacto; b) Após o impacto............................................................ 105
FIG. 4.5 Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido
híbrido malva/juta (50%/50%p) – (30%v/v de fibras). a) Antes do
impacto; b) Após o impacto............................................................ 105
FIG. 4.6 (a) Partículas cerâmicas aderidas ao compósito de epóxi
reforçado com tecido híbrido malva/juta (50%/50%p); (b)
Microscopia eletrônica de varredura da FIG. 4.6(a)....................... 106
FIG. 4.7 Espectroscopia de energia dispersiva da FIG. 4.6......................... 106
FIG. 4.8 (a) Compósito 100% epóxi (400x); (b) Compósito epóxi reforçado
com tecido de malva (30%v/v de fibras) (500x); (c) Compósito
epóxi reforçado com fibras de malva (30%v/v de fibras) (400x);
(d) Compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido híbrido
malva/juta (70%/30%p) (300x); (e) Compósito epóxi reforçado
com 30%v/v de tecido híbrido malva/juta (50%/50%p) (500x).......
107
FIG. 4.9 Gráfico de pontos experimentais do compósito epóxi reforçado
com 30%v/v de tecido 100% malva................................................
111
FIG. 4.10 Gráfico do casamento de impedâncias na blindagem
multicamadas com compósito epóxi-malva como camada
intermediária................................................................................... 120
FIG. 4.11 Energia de impacto Charpy versus percentuais de fibras de
malva.............................................................................................. 127
FIG. 4.12 Corpos de prova fraturados após ensaio de impacto Charpy. (a)
0%v/v de fibras; (b) 10%v/v de fibras; (c) 20%v/v de fibras; (d)
30%v/v de fibras sem tratamento; (e) 30%v/v de fibras tratadas
com NaOH a 5%, 24h e sem agitação (CP4).................................
127
FIG. 4.13 (a) Compósito epóxi com 0% de fibras de malva (90x); (b)
Compósito com 10% de fibras de malva (400x).............................
128
14
FIG. 4.14 (a) Compósito epóxi com 20% de fibras de malva (400x); (b)
Detalhe da fibra de malva no compósito com 20% de fibras
(2065x)...........................................................................................
129
FIG. 4.15 (a) Compósito epóxi reforçado com 30% de fibras de malva não
tratadas (100x); (b) Compósito epóxi reforçado com 30% de
fibras de malva mercerizadas (NaOH a 5%, 24h e sem agitação)
(400x)............................................................................................. 129
FIG. 4.16 Energia de impacto Izod versus percentuais de fibra de
malva.............................................................................................. 133
FIG. 4.17 Corpos de prova nos percentuais de reforço de fibras de malva
de 0%, 10%, 20% e 30%v/v fraturados após ensaio de impacto
Izod................................................................................................. 133
FIG. 4.18 Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura
dos compósitos reforçados com fibras de malva após ensaio de
impacto Izod (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20%; (d) 30%v/v de
fibras............................................................................................... 134
FIG. 4.19 Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de
malva atuando como reforço em compósitos de matriz epoxídica
produzidos a partir de moldes de silicone......................................
137
FIG. 4.20 Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de
malva atuando como reforço em compósitos de matriz epoxídica
produzidos a partir de placas de compósitos................................. 138
FIG. 4.21 Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com
fibras de malva, produzidos a partir de moldes de silicone, após
ensaio de tração.............................................................................. 139
FIG. 4.22 Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com
fibras de malva, produzidos a partir de placas compósitas, após
ensaio de tração.............................................................................. 139
FIG. 4.23 Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura
dos corpos de prova produzidos a partir de placas compósitas
cortadas a laser, após ensaio de tração (500x). (a) 0%; (b) 10%;
(c) 20% e (d) 30%v/v de fibras........................................................
140
15
FIG. 4.24 Variação da resistência à flexão com percentuais de fibras de
malva atuando como reforço em compósitos de matriz
epoxídica.........................................................................................
143
FIG. 4.25 Variação do módulo de elasticidade com percentuais de fibras de
malva atuando como reforço em compósitos de matriz
epoxídica.........................................................................................
144
FIG. 4.26 Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com
fibras de malva nos percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v,
após ensaio de flexão em 3 pontos................................................ 144
FIG. 4.27 Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura
dos compósitos reforçados com fibras de malva, após ensaio de
flexão (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de fibras......
145
FIG. 4.28 Variação do módulo de elasticidade longitudinal com os
percentuais de fibras de malva atuando como reforço em
compósitos de matriz epoxídica...................................................... 149
FIG. 4.29 Difratograma de fibras de malva não tratadas................................ 151
FIG. 4.30 Difratograma de fibras de malva tratadas com NaOH a 5%, por
24h e sem agitação – CP4(S/A)...................................................... 151
FIG. 4.31 Curva DSC para as fibras de malva, tecidos híbridos malva/juta
nas proporções 70%/30%, 50%/50% e tecido 100% juta............... 152
FIG. 4.32 Curva DSC e DDSC para as fibras de malva não tratadas............ 152
FIG. 4.33 Curva DSC e DDSC para as fibras de malva tratadas com NaOH
a 5% por 24h................................................................................... 153
FIG. 4.34 Curvas DSC para resina epóxi DGEBA-TETA nas taxas de
aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min para determinação de parâmetros
cinéticos de cura............................................................................. 154
FIG. 4.35 Curvas DSC para o compósito epóxi reforçado com 20%v/v de
fibras de malva nas taxas de aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min para
determinação de parâmetros cinéticos de cura.............................. 154
FIG. 4.36 Curva isotérmica de DSC a 25°C para a resina epóxi DGEBA-
TETA............................................................................................... 156
FIG. 4.37 Curva isotérmica de DSC a 25°C para o compósito de epóxi
reforçado com 20%v/v de fibras de malva......................................
156
16
FIG. 4.38 Curva TGA para a resina epóxi DGEBA-TETA .............................. 158
FIG. 4.39 Curva TGA para as fibras de malva não tratadas........................... 159
FIG. 4.40 Curva TGA para o compósito epóxi reforçado com 30%v/v de
fibras de malva................................................................................
160
FIG. 4.41 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo
de perda (E’’) e tanδ para amostra com 0%v/v de fibras de
malva...............................................................................................
161
FIG. 4.42 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo
de perda (E’’) e tanδ para amostra com 10%v/v de fibras de
malva............................................................................................... 162
FIG. 4.43 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo
de perda (E’’) e tanδ para amostra com 20%v/v de fibras de
malva............................................................................................... 163
FIG. 4.44 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo
de perda (E’’) e tanδ para amostra com 30%v/v de fibras de
malva............................................................................................... 164
17
LISTA DE TABELAS
TAB. 2.1 Classificação dos níveis de proteção em blindagens balísticas....... 32
TAB. 2.2 Características e aplicações de alguns polímeros termoplásticos e
termofixos (CALLISTER e RETHWISCH, 2012) (adaptado)............ 37
TAB. 2.3 Propriedades das resinas epoxídicas............................................... 39
TAB. 2.4 Propriedades mecânicas de algumas FNLs..................................... 42
TAB. 2.5 Propriedades físicas e mecânicas das fibras de malva.................. 44
TAB. 2.6 Comparativo da resistência ao impacto e absorção de umidade
para compósitos fabricados com fibras de malva com e sem
tratamento com anidrido maleico..................................................... 46
TAB. 2.7 Valores de tenacidade ao impacto de compósitos reforçados com
FNLs................................................................................................. 55
TAB. 3.1 Análise química da alumina.............................................................. 68
TAB. 3.2 Análise química da nióbia................................................................. 68
TAB. 3.3 Tipos de amostras produzidas pela variação dos parâmetros de
mercerização.................................................................................... 70
TAB. 3.4 Especificações da placa de alumínio............................................... 72
TAB. 3.5 Características e objetivos dos compósitos de epóxi-fibras de
malva................................................................................................ 78
TAB. 3.6 Grupos propostos para ensaios balísticos (indentação na
plastilina).......................................................................................... 81
TAB. 3.7 Grupos propostos para ensaios balísticos (velocidade residual)..... 82
TAB. 3.8 Grupos propostos para ensaios Charpy e Izod................................ 86
TAB. 3.9 Características dos grupos de amostras para ensaio de tração...... 90
TAB. 3.10 Parâmetros estatísticos utilizados na análise de variância
(ANOVA)........................................................................................... 98
TAB. 4.1 Propriedades das amostras cerâmicas à base de alumina/nióbia
sinterizadas...................................................................................... 100
TAB. 4.2 Massa específica dos compósitos e das fibras obtidos
geometricamente e por regra das misturas...................................... 102
18
TAB. 4.3 Resultados de testes balísticos para medição do trauma sobre a
plastilina............................................................................................
103
TAB. 4.4 Análise de variância das profundidades médias produzidas na
plastilina pelo impacto de projétil 7,62mm nos SBMs da TAB. 4.3.. 107
TAB. 4.5 Avaliação do peso e do custo dos diferentes SBMs........................ 109
TAB. 4.6 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia
absorvida e velocidade limite para cada componente do sistema
de blindagem multicamadas............................................................. 112
TAB. 4.7 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia
absorvida e velocidade limite para cada componente do sistema
de blindagem multicamadas obtidos por outros autores.................. 113
TAB. 4.8 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os
compósitos epoxídicos reforçados com tecido de malva ou híbrido
com juta............................................................................................ 115
TAB. 4.9 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os
compósitos epoxídicos reforçados com fibras de malva contínuas
e alinhadas....................................................................................... 116
TAB. 4.10 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da
energia absorvida (Eabs), pelos compósitos reforçados com fibras
de malva de 0 a 30%v/v e tecido de aramida (16 camadas), após
ensaio balístico de velocidade residual e aplicação do teste de
Tukey................................................................................................ 117
TAB. 4.11 Valores tabelados da velocidade da onda de choque e dos
parâmetros característicos dos materiais utilizados nos SBMs....... 119
TAB. 4.12 Valores da massa específica, módulo de elasticidade e da onda
elástica dos compósitos epóxi-malva e híbridos epóxi-
malva/juta......................................................................................... 119
TAB. 4.13 Valores da velocidade de partícula (Up), pressão nas interfaces
(P), velocidade de onda de choque (Us) e a natureza da onda de
choque ao longo dos SBMs.............................................................. 121
TAB. 4.14 Valores de massa específica, velocidade de onda (Us) e
impedância média de choque nas interfaces da blindagem
multicamadas................................................................................... 122
19
TAB. 4.15 Porosidade aberta e teor de celulose das fibras naturais de malva,
hemp, sisal, juta e kapok.................................................................. 125
TAB. 4.16 Resultados dos ensaios de impacto Charpy para os compósitos
de matriz epóxi reforçados com fibras de malva contínuas e
alinhadas..........................................................................................
126
TAB. 4.17 Análise de variância da energia de impacto Charpy para os
compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v
sem tratamento e 30%v/v com fibras de malva tratadas com
NaOH a 5%, 24h e sem agitação.....................................................
130
TAB. 4.18 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da
energia de impacto Charpy nas frações volumétricas de fibras de
malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey...................... 131
TAB. 4.19 Resultados do ensaio de impacto Izod para os compósitos de
matriz epóxi reforçados com fibras de malva contínuas e
alinhadas.......................................................................................... 132
TAB. 4.20 Análise de variância da energia de impacto Izod para os
compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v
com fibras de malva......................................................................... 135
TAB. 4.21 Resultados obtidos para as diferenças (d.m.s.) entre os valores
médios da energia de impacto Izod, nas frações volumétricas de
fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de
Tukey................................................................................................ 136
TAB. 4.22 Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados
com fibras de malva a partir de moldes de silicone.......................... 137
TAB. 4.23 Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados
com fibras de malva a partir de placas compósitas cortadas a
laser.................................................................................................. 138
TAB. 4.24 Análise de variância da resistência mecânica para os compósitos
epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v com fibras de
malva................................................................................................ 141
TAB. 4.25 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de
resistência mecânica nas frações volumétricas de fibras de malva
de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey................................ 142
20
TAB. 4.26 Resultados para o ensaio de flexão em 3 pontos de compósitos
reforçados com fibras de malva nos percentuais de 0%, 10%,
20% e 30%v/v...................................................................................
143
TAB. 4.27 Análise de variância da resistência à flexão para os compósitos
epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v com fibras de
malva................................................................................................
146
TAB. 4.28 Análise de variância do módulo de elasticidade para os
compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v
com fibras de malva......................................................................... 146
TAB. 4.29 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de
resistência à flexão nas frações volumétricas de fibras de malva
de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey................................ 147
TAB. 4.30 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de
módulo de elasticidade nas frações volumétricas de fibras de
malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey...................... 147
TAB. 4.31 Propriedades elásticas medidas através da técnica de excitação
por impulso....................................................................................... 148
TAB. 4.32 Índices de cristalinidade obtidos após combinações dos
parâmetros: concentração de NaOH, tempo de imersão e
agitação da solução.......................................................................... 150
TAB. 4.33 Parâmetros cinéticos de cura para resina epóxi DGEBA-TETA e
compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva....... 155
TAB. 4.34 Tempos médios de cura recalculados a partir dos expoentes de
Avrami obtidos da curva real a 25°C da resina epóxi e do
compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva....... 157
21
LISTA DE ABREVIATURAS
ABREVIATURAS
SBMs - Sistemas de Blindagem Multicamadas
NIJ - Instituto Nacional de Justiça (National Institute of Justice)
FNLs - Fibras Naturais Lignocelulósicas
CFNLs - Compósitos Reforçados com Fibras Naturais Lignocelulósicas
CGEE - Centro de Gestão de Estudos Estratégicos
IME - Instituto Militar de Engenharia
DSC - Calorimetria Diferencial de Varredura
TGA - Análise Termogravimétrica
FTIR - Infravermelho por Transformada de Fourier
UENF - Universidade Estadual do Norte Fluminense
MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura
DRX - Difração de Raios-X
DGEBA - Diglicidil Éter do Bisfenol A
CAEx - Centro de Avaliações do Exército
CTEx - Centro Tecnológico do Exército
ASTM - American Society for Testing of Materials
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
CBPF - Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
IEN - Instituto de Engenharia Nuclear
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
22
RESUMO
Neste cenário mundial de grandes evoluções e incertezas, o desenvolvimento de sistemas de blindagem balística, cada vez mais eficientes, torna-se fundamental para garantir a segurança pessoal e veicular, tanto a nível civil quanto militar. Um equilíbrio formado pela mobilidade, resistência à penetração e capacidade de absorção da energia de impacto, é fundamental para tornar uma blindagem balística eficiente. Neste contexto, as blindagens com componentes cerâmicos aliados a outros materiais, como compósitos poliméricos, são empregadas quando se deseja uma boa relação peso/proteção balística. São os chamados sistemas de blindagem multicamadas (SBMs). O objetivo não é apenas absorver o impacto, mas também evitar a penetração de fragmentos. No presente trabalho foram utilizadas fibras naturais lignocelulósicas (FNLs) de malva (Urena Lobata, Linn), na forma de tecidos, puros e híbridos com fibras de juta (Corchorus Capsularis) para aplicação final em compósitos de matriz epoxídica dentro de SBMs. Foi avaliada a eficiência balística destes SBMs, através da medição do trauma (indentação) na plastilina, bem como pela medição da velocidade residual e energia absorvida, após impacto de munição 7,62 mm. Um dos objetivos desta pesquisa foi comparar os resultados obtidos com trabalhos similares que utilizaram outras FNLs e materiais tradicionais utilizados em coletes para proteção individual. Também foram realizados ensaios de caracterização mecânica e térmica nas fibras de malva não tratadas (“in natura”) e mercerizadas com NaOH, além de um estudo cinético de cura da resina epóxi e dos compósitos reforçados com fibras de malva. Os resultados mostraram através de análise macroscópica e por microscopia eletrônica de varredura (MEV) que os principais mecanismos de ruptura atuante nos compósitos foram a delaminação de camadas, a ruptura de fibras e o efeito de arrancamento “pull-out”. Verificou-se que o aumento da fração volumétrica de fibras presentes no compósito estava intimamente ligado à ampliação de propriedades como a resistência mecânica e o módulo de elasticidade, bem como o aumento da própria estabilidade térmica do compósito. Em todos os grupos testados a indentação na plastilina foi inferior a 44 mm, que é o valor previsto como letal ao ser humano pela norma internacional NIJ 0101.06. Para a análise da profundidade do trauma na plastilina e da energia absorvida por cada componente do SBMs foi aplicada a análise de variância (ANOVA) e o Teste de Tukey, a partir do qual pôde-se afirmar, com um nível de confiança de 95%, que não houve diferença de desempenho entre os SBMs montados com compósitos epoxídicos reforçados com 30% em volume de tecidos híbridos malva/juta ou 100% malva em relação àqueles montados a partir dos materiais tradicionais utilizados para proteção individual contra munição 7,62 mm. No entanto, através de um balanço de peso, custos e valores de propriedades mecânicas e térmicas, constatou-se o grande potencial dos compósitos reforçados com fibras de malva nas aplicações de engenharia, principalmente aquelas ligadas à proteção balística.
23
ABSTRACT
In this current world scenario of great evolutions and uncertainties, the development of ballistic armour systems, increasingly efficient, becomes fundamental to guarantee personal and vehicular security, both civil and military. A balance formed by the mobility, resistance to penetration and absorption capacity of the impact energy, is fundamental to make an effective ballistic armour. In this context, the armours with ceramic components allied to other materials, such as polymeric composites, are used when a good weight / ballistic protection ratio is desired. These are called multilayer armouring systems (MAS). The goal is not only to absorb the impact energy, but also to avoid the penetration of fragments. In the present work, natural fibers lignocellulosic (NFLs) of malva (Urena Lobata, Linn) were used as fabric, pure and hybrid with jute fibers (Corchorus Capsularis) for final application in epoxy matrix composites within MAS. The ballistic efficiency of these MAS was evaluated by measuring the trauma (indentation) in the clay witness, as well as by measuring the residual velocity and absorbed energy, after ammunition impact 7.62 mm. One of the objectives was to compare the results obtained with similar work that used other NFLs and traditional materials used in individual protection vests. Mechanical and thermal characterization tests were also carried out on the untreated ("in natura") and mercerized with NaOH fibers, as well as a kinetic study of the epoxy resin and the reinforced composites with malva fibers. The results showed by macroscopy analysis and scanning electron microscopy (SEM) that the main mechanisms of rupture acting in the composites were the delamination of layers, the rupture of fibers and the pull-out effect. It could be verified that the increase in the volumetric fraction of fibers present in the composite was closely linked to the magnification of properties such as mechanical strength and modulus of elasticity as well as the increase of the thermal stability of the composite itself. In all groups tested the indentation in the clay witness was less than 44 mm, which is the predicted limit value as lethal to humans by the international standard NIJ 0101.06. In order to analyze the depth of the trauma in the clay witness and the energy absorbed by each component of the MAS, one applied the analysis of variance (ANOVA) and the Tukey's test, from which it could be stated, with a confidence level of 95%, that there was no difference in performance between MAS mounted with epoxy composites reinforced with 30% by volume of malva / jute or 100% malva hybrid fabrics compared to those assembled from the traditional materials used for individual protection against 7.62 mm ammunition. However, through a balance of weight, costs and values of mechanical and thermal properties, the great potential of the composites reinforced with malva fibers in engineering applications, especially those related to ballistic protection, was verified.
24
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS
O desenvolvimento armamentista experimentado pelas diversas nações nas
últimas décadas, principalmente após o término da Segunda Grande Guerra (1939-
1945), serviu para impulsionar as economias mundiais. Elas foram estimuladas pelo
forte sentimento nacionalista que as indústrias ligadas a este seguimento sugerem,
estimulando um desejo popular que clama por proteção enquanto aguarda uma
possível guerra iminente. Por outro lado, grupos extremistas, com frequência,
desafiam os mais competentes exércitos e polícias, praticando atos bárbaros e
covardes. Para tal, utilizam armas e munições extremamente evoluídas e letais,
modificando o próprio conceito tradicional de Guerra, no qual, segundo Sun Tzu, na
sua obra clássica “A Arte da Guerra” (513 a.c.) afirma que o objetivo final de toda
guerra é a conquista. No entanto, atualmente o medo e a intolerância estão também
sendo considerados como finalidades precípuas.
Neste cenário mundial atual, de grandes evoluções e incertezas, o
desenvolvimento de sistemas de blindagem balística, cada vez mais eficientes,
surge como elemento fundamental para garantir a segurança pessoal e veicular,
tanto a nível civil quanto militar.
Portanto, um tripé formado pela mobilidade, resistência à penetração e alta
absorção de impacto constituem os principais fatores que tornam uma blindagem
balística eficiente. No entanto, a melhoria em um desses fatores, muitas vezes,
influencia negativamente a de outro. Por exemplo, um aumento na resistência à
penetração pode causar uma redução na mobilidade, em função do necessário
aumento de espessura e, por conseguinte, de peso, no caso de blindagens
monolíticas feitas de aço (BORVIK et al., 1999). Com isso, torna-se necessário
buscar novas soluções de engenharia para melhorar a proteção dos alvos. Nesse
contexto, blindagens constituídas por componentes cerâmicos associados a outros
materiais, como compósitos poliméricos, são então empregadas para favorecer uma
boa relação peso/proteção balística (LUZ, 2014). São os chamados sistemas de
blindagem multicamadas (SBMs).
25
Os SBMs exploram o aproveitamento sinergético de materiais específicos para
promover a proteção adequada contra diversas ameaças, sem prejuízo da
mobilidade da estrutura, ou seja, possibilitando alcançar massa específicas iguais ou
inferiores àquelas alcançadas pelas blindagens monolíticas. O objetivo agora não é
apenas absorver o impacto, mas também evitar a penetração de fragmentos
(BROWN, 2013).
Nos SBMs normalmente a camada inicial frontal (aquela que primeiro interage
com o projétil) é constituída por um cerâmico duro e frágil, de elevada resistência à
compressão cuja função é absorver a maior parte da energia cinética do projétil,
destruindo e quebrando a sua ponta (MEDVEDOVSKI, 2010).
A camada seguinte, normalmente, é formada por um material mais leve que o
cerâmico de menor impedância de choque, cuja finalidade é de absorver uma
parcela significativa da energia cinética produzida pelos estilhaços, tanto do
cerâmico quanto do projétil. Nesta camada utiliza-se materiais compósitos, como por
exemplo: compósitos de fibras de vidro (CHOU et al., 1998), fibras de carbono
(HOSUR et al., 2004), tecidos de aramida Kevlar™ e Twaron™ (LEE, WETZEL e
WAGNER, 2003) e as fibras de polietileno de ultra-alto peso molecular, como
Spectra™ e Dyneema™ (MORYE et al., 2000). Tais compósitos absorvem a energia
proveniente dos estilhaços do cerâmico e do projétil através de mecanismos como,
ruptura de fibras, descolamento da fibra ou tecido da matriz e estiramento ou
deformação das fibras. Em resumo, tais compósitos cumprem a sua finalidade que é
promover a retenção de fragmentos.
Nos SBMs costuma-se ainda adicionar uma terceira camada constituída por um
metal dúctil, de baixa massa específica, que restringe a penetração tanto do projétil
quanto dos fragmentos gerados, por meio da ativação de mecanismos de
deformação plástica. A Norma Internacional de Resistência Balística Corporal (NIJ
0101.06, 2008) prevê que uma blindagem balística mostra-se eficiente quando a
profundidade do trauma (indentação) produzido em um material, que simula a
consistência do corpo humano (plastilina), for inferior a 44 mm.
No entanto, os materiais sintéticos que compõem o compósito da camada
intermediária possuem inconvenientes, tais como elevado custo de aquisição e
processamento, além de danos ambientais, em função, por exemplo, da sua
degradação com o tempo, após o término da sua vida útil. Com isso, esforços
26
constantes de pesquisa buscam por novos materiais alternativos que possam
substituir eficientemente os sintéticos e que sejam ambientalmente corretos. Nesse
contexto, as fibras naturais lignocelulósicas (FNLs) podem exercer esse papel, pois
possuem inúmeras vantagens, como: boas propriedades específicas (baixa massa
específica), baixa toxicidade, biodegradabilidade, baixo custo, etc. Além disso,
possibilitam fomentar o desenvolvimento econômico e tecnológico de regiões menos
favorecidas do Brasil, tais como as regiões norte e nordeste, que são grandes
produtoras de fibras naturais. Segundo o Centro de Gestão de Estudos Estratégicos
(CGEE, 2010), o mercado interno de fibras naturais cresce 5,5% ao ano,
substituindo as fibras sintéticas por novas aplicações e já se transformando em fator
determinante para o sucesso de algumas áreas, ligadas principalmente ao setor
automotivo. Na FIG. 1.1 é mostrado esquematicamente um SBMs (A+B+C), no qual
a camada intermediária pode ser formada por tecido de aramida ou um compósito
de epóxi com fibras de juta, tanto na forma de tecido quanto de manta.
FIG. 1.1 – Esquemático de SBMs (Adaptado de LUZ, 2014).
Neste trabalho, propõe-se utilizar as FNLs de Malva (Urena lobata linn) na forma
de fibras, tecidos puros e híbridos com FNLs de Juta (Corchorus capsularis) para
aplicação final em compósitos de matriz epoxídica, como camada intermediária,
dentro de SBMs. Também se propõe a realizar ensaios para caracterizar as fibras
utilizadas quanto as suas propriedades térmicas e mecânicas. Isto contribuirá para o
27
enriquecimento de informações relativas a fibra natural de malva e dos seus
compósitos, os quais ainda são pouco investigados, bem como vislumbrar
aplicações futuras, não apenas restritiva a área de blindagem balística.
1.2 JUSTIFICATIVA DO TRABALHO
No atual cenário mundial, de violência tanto interna quanto externa, estudos
voltados para o desenvolvimento de novos materiais que possam ser utilizados em
SBMs (e que sejam ecologicamente corretos) são fundamentais para o Exército
Brasileiro. Seguindo este enfoque, a Seção de Engenharia Mecânica e de Materiais
do IME já vem há anos investindo recursos, tempo e pessoal na tarefa de construir
SBMs cada vez mais eficientes e com uma relação custo-benefício mais favorável.
Nesse contexto, as fibras naturais podem satisfazer tais objetivos, além de
possibilitar o desenvolvimento de regiões menos favorecidas economicamente.
Objetiva-se dar continuidade ao desenvolvimento de novas abordagens tecnológicas
que atendam aos requisitos operacionais estabelecidos pela Força, priorizando a
utilização de matéria prima nacional, bem como caracterizar um novo material na
forma de fibra e tecido, contribuindo assim para o desenvolvimento estratégico e
sustentável, não só da engenharia militar brasileira, mas de outras áreas que
possam utilizar as FNLs em aplicações convencionais ou estruturais.
O ineditismo deste estudo proposto consiste na aplicação das fibras naturais de
malva em sistemas de blindagem multicamadas (SBMs), tanto na forma de fibras
quanto na de tecido, por meio da fabricação de compósitos à base de resina
epoxídica. A caracterização de propriedades e a investigação dos mecanismos
dinâmicos que ocorrem nas interfaces dos componentes dos SBMs também surgem
como contribuições originais deste trabalho para o estado da arte no campo de
blindagens balísticas.
28
1.3 OBJETIVO DO ESTUDO
1.3.1 OBJETIVO GERAL
Neste estudo, foi avaliada a eficiência balística de um SBMs envolvendo fibras
de malva na camada intermediária, por meio da medição do trauma (indentação)
causado na plastilina. Também foram medidas as energias cinéticas absorvidas
pelas placas compósitas investigadas nas diversas formas e composições,
objetivando comparar com outros trabalhos similares que utilizaram outras FNLs e
materiais tradicionais empregados em coletes para proteção individual, como é o
caso da aramida Kevlar™. Paralelamente foi realizada a análise da blindagem com
relação as suas propriedades dinâmicas, com ênfase nos mecanismos e nas
superfícies de fratura produzidas nos ensaios destrutivos revelados por meio da
observação das microestruturas por Microscopia Eletrônica de Varredura.
Adicionalmente também foi realizado o tratamento de mercerização, com o objetivo
de melhorar a estabilidade térmica das fibras e a compatibilidade na interface entre
as fibras de malva, naturalmente hidrofílicas, e a matriz epoxídica, normalmente
hidrofóbica.
Por fim, objetivou-se realizar vários ensaios mecânicos e térmicos para
caracterizar as propriedades do compósito epóxi-fibras de malva. Dentre os ensaios
realizados destacam-se: Ensaio de impacto Charpy e Izod, Ensaio de Tração,
Ensaio de Flexão, Picnometria Gasosa, Excitação por impulso, Calorimetria
Diferencial de Varredura (DSC), Análise Termogravimétrica (TGA), Análise Dinâmico
Mecânica (DMA), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Difração de Raios X
(DRX).
29
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos deste trabalho foram os seguintes:
1) Investigar se os compósitos de epóxi-malva puros ou híbridos, nas configurações
30%v/v em fibras, tecidos puros ou híbridos com fibras de juta, testados como
camada intermediária nos SBMs, atendem aos requisitos da norma internacional NIJ
0101.06 (2008);
2) Comparar o desempenho balístico dos compósitos de epóxi-fibras de malva com
outros compósitos utilizados como camada intermediária em SBMs, bem como
analisar comparativamente o peso e os custos dos materiais envolvidos nesta
pesquisa com materiais usados em outras blindagens multicamadas;
3) Analisar as superfícies de fratura dos compósitos produzidas após os ensaios
balísticos, através de microscopia eletrônica de varredura, a fim de verificar os
mecanismos de absorção de energia envolvidos;
4) Comparar as velocidades residuais individuais de cada componente da
blindagem, verificando também posteriormente a sinergia do conjunto, associando-a
com o desempenho balístico dos SBMs;
5) Comparar o desempenho individual dos compósitos de epóxi reforçados com
fibras, tecidos puros, híbridos malva/juta e aramida através da velocidade limite(VL) e
da energia absorvida (Eabs);
6) Comparar e associar o desempenho balístico com a impedância de choque dos
compósitos de epóxi reforçados com fibras, tecidos puros, híbridos malva/juta e
aramida;
7) Calcular a massa específica absoluta das fibras de malva pela técnica de
picnometria gasosa, bem como estimar o teor de celulose e a porosidade aberta das
fibras;
8) Calcular a energia de impacto Charpy e Izod absorvida pelos CFLNs, mostrando a
relação desta energia obtida com a fração volumétrica de fibras de malva;
9) Verificar a eficiência do tratamento de mercerização nas fibras de malva, em
termos de aumento de cristalinidade e energia de impacto, nas concentrações de 5,
10 e 20% de NaOH, em tempos de imersão de 3, 24 e 48h, com e sem agitação,
através de análise por difração de raios X das fibras e da energia absorvida no
30
ensaio de impacto para compósitos de epóxi reforçados com 30%v/v de fibras de
malva;
10) Calcular e comparar a resistência a tração de corpos de prova confeccionados a
partir de moldes de silicone, bem como a partir de placas compósitas cortadas a
laser;
11) Calcular o módulo de elasticidade longitudinal pela técnica de excitação por
impulso e a partir daí estimar o módulo de elasticidade transversal (G) e o
coeficiente de Poisson (ʋ) para os CFLNs nas frações volumétricas de 0%, 10%,
20% e 30%;
12) Calcular a resistência à flexão e o módulo de elasticidade por flexão, mostrando
a relação dos valores obtidos com a fração volumétrica de fibras de malva;
13) Analisar através de DSC as fibras de malva não tratadas, mercerizadas e fibras
de juta, evidenciando similaridades e diferenças nos eventos térmicos associados;
14) Realizar estudo cinético de cura da resina epóxi e do compósito de epóxi
reforçado com fibras de malva;
15) Realizar análise por TGA e DTG da resina epóxi, fibras de malva e do compósito
de epóxi reforçado com fibras de malva;
16) Calcular através de curvas de DMA a temperatura de transição vítrea (Tg) dos
compósitos de epóxi reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras de malva,
bem como os módulos de armazenamento (E’), módulo de perda (E”) e tangente
delta (Tanδ);
31
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 SISTEMAS DE BLINDAGEM BALÍSTICA
Os estudos de materiais apropriados para utilização em blindagem balística são
fundamentais não só para o Exército Brasileiro, mas de suma importância para o
desenvolvimento tecnológico do país. Diversos estudos já foram conduzidos nesta
área por outros pesquisadores (GOMES, 2004; CHAGAS, 2014; BRAGA, 2015), os
quais também contribuíram para o conhecimento de alguns destes materiais em
outras áreas, como por exemplo, na indústria automotiva. No entanto, um único
material não é capaz de condensar todas as propriedades desejáveis em um
sistema de proteção e ainda assim manter a adequada mobilidade do veículo ou do
combatente, bem como controlar os custos. Com isso, atualmente, quando se
deseja projetar um sistema de blindagem é importante não só ter o conhecimento
individual de cada componente da blindagem, mas principalmente compreender o
efeito sinergético do conjunto, objetivando extrair o melhor das propriedades de cada
material. Além disso, ao analisar o desempenho do conjunto, verifica-se que o
resultado final produzirá um efeito superior em relação àquele inerente a soma
individual das partes, em termos de eficiência contra ameaças (MILANEZI, 2015).
Dentro desse contexto, em sistemas de proteção contra projéteis de alta
velocidade (>800 m/s) a camada frontal inicial é normalmente constituída por uma
cerâmica avançada. Como exemplo, tem-se o óxido de alumínio ou alumina (Al2O3),
o carbeto de silício e o carbeto de boro, dentre outros. Tais materiais possuem
elevada dureza e resistência à compressão. A alumina costuma ser mais utilizada,
em função da sua boa relação custo-benefício, além de possuir um processo de
produção cujo processamento já está bastante consolidado (MEDVEDOVSKI, 2010).
A função principal da camada cerâmica é quebrar a ponta do projétil e absorver a
maior parte da energia de impacto por intermédio de mecanismos de dissipação de
energia que incluem a nucleação, crescimento e coalescimento de trincas e demais
defeitos como, por exemplo, a formação dinâmica de discordâncias na alumina por
choque.
A camada intermediária é constituída por um material que tem a função de
absorver parte remanescente da energia de impacto, bem como reter os estilhaços
32
da camada cerâmica frontal e do projétil (DA SILVA, 2014; LUZ, 2014; MILANEZI,
2015; BRAGA, 2015).
Normalmente há uma terceira camada constituída por um metal dúctil, a fim de
absorver a energia residual por meio de deformação plástica.
A norma NIJ 0101.06 (2008) estabelece padrões internacionais seguidos pelo
Exército Brasileiro e Forças Auxiliares para avaliação do desempenho de blindagens
balísticas, assim como mostra a classificação da blindagem em diferentes níveis.
Na TAB. 2.1 são mostrados os níveis de proteção em função da massa, calibre e
velocidade mínima do projétil.
TAB. 2.1 – Classificação dos níveis de proteção em blindagens balísticas.
Fonte: Adaptado da NIJ 0101.06 (2008).
Para verificação da eficácia do sistema de blindagem balística existem alguns
métodos previstos pela NIJ 0101.06 (2008). O mais imediato e simples consiste na
verificação do trauma (indentação) causado na plastilina após a execução de
ensaios balísticos com munição 7,62 mm. O trauma não pode ser superior a 44 mm,
caso contrário o dano pode ser considerado como letal para o corpo humano em
uma ocorrência real. Deve-se observar que a plastilina consiste de um material
33
semelhante a uma massa de modelar que mimetiza o material que compõe o corpo
humano.
Na FIG. 2.1 são mostrados os pontos de referência utilizados para medição do
trauma na plastilina, de acordo com a blindagem utilizada, conforme a NIJ 0101.06
(2008).
FIG. 2.1 - Trauma do projétil medido por indentação no material de referência (plastilina).
Fonte: Adaptado da NIJ 0101.06 (2008) e BRAGA, 2015.
Outro método para avaliar a eficiência da blindagem refere-se ao cálculo da
velocidade limite (VL), definida como a velocidade a partir da qual o projétil consegue
perfurar a blindagem. O principal estimador da velocidade limite é o limite balístico
(V50), que caracteriza a velocidade na qual a probabilidade de perfuração seria 50%
(SILVA, 2014; WANG et al., 2014). No entanto, para o caso de projéteis de alta
velocidade (>800 m/s), não é possível calcular a V50, pois seriam necessários pelo
menos 3 impactos que não perfurassem o alvo (WANG et al., 2014). O objetivo seria
realizar uma média de todos os impactos para calcular o limite balístico. Como
alternativa pode-se estimar a velocidade limite por meio da energia absorvida pelo
alvo perfurado por um projétil. Com isso, a energia absorvida (Eabs) pode ser
calculada pela diferença de energia cinética, conforme a EQ. 2.1.
34
𝐸𝑎𝑏𝑠 =𝑀(𝑉0
2−𝑉𝑅2)
2 EQ. 2.1
Sendo:
M – massa do projétil;
V0 – Velocidade do projétil imediatamente antes do impacto;
VR – Velocidade residual do projétil após perfurar o alvo.
Quando a velocidade residual (VR) for nula tem-se uma estimativa do valor da
velocidade limite (VL), e manipulando a equação EQ.2.1 obtém-se,
𝑉𝐿 = √2𝐸𝑎𝑏𝑠
𝑀 EQ. 2.2
2.2 MATERIAIS POLIMÉRICOS
2.2.1 CONCEITOS GERAIS
Os materiais poliméricos podem ser encontrados de forma natural, como por
exemplo, os derivados de plantas e animais (lã, couro, madeira, borracha, etc.) ou
produzidos sinteticamente, normalmente com finalidade industrial, para substituir
metais e cerâmicos em diversas aplicações. Os polímeros sintéticos podem ser
produzidos a baixos custos, e suas propriedades podem ser moldadas a valores
bem superiores a seus análogos naturais (CALLISTER e RETHWISCH, 2012); são
produzidos por reações químicas que consistem na união de pequenas unidades de
repetição, chamadas monômeros, para formar macromoléculas. Estas reações de
formação são chamadas de polimerização.
Para classificar essas macromoléculas, frequentemente orgânicas, diversas
metodologias podem ser utilizadas, como por exemplo: quanto ao tipo de unidade
repetida (homopolímero ou copolímero), quanto ao tamanho ou massa molar, quanto
à forma (torção, emaranhado, etc.), quanto à estrutura molecular (polímeros
lineares, ramificados, com ligações cruzadas ou em rede), quanto aos
35
estereoisômeros (polímeros atáticos, sindiotáticos ou isotáticos) ou quanto à
isomeria geométrica (polímeros cis ou trans) (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).
A FIG. 2.2 mostra as possíveis classificações mencionadas. Deve-se ressaltar
que as classificações não são excludentes e que muitas vezes um determinado
polímero enquadra-se em mais de uma classificação.
FIG. 2.2 – Esquema de classificação para as moléculas poliméricas (CALLISTER e RETHWISCH,
2012).
A resposta de um polímero a forças mecânicas, quando se varia a temperatura,
depende da sua estrutura molecular e sugere um esquema de classificação para
esses materiais de acordo com o seu comportamento frente a uma elevação de
temperatura (CALLISTER e RETHWISCH, 2012). Os termoplásticos amolecem
quando são aquecidos e endurecem quando são resfriados em reações
completamente reversíveis. Comumente são polímeros lineares ou com algumas
estruturas ramificadas. São relativamente macios. Alguns exemplos de polímeros
termoplásticos são o polietileno (PE), o policloreto de vinila (PVC), o polipropileno
36
(PP), poliestireno (PS), e a poliamida (PA, ou náilon), entre outros (ASKELAND e
PHULÉ, 2008).
Os polímeros termofixos são configurados em rede. Eles se tornam
permanentemente rígidos durante sua formação e não amolecem sob aquecimento.
Os polimeros em rede apresentam ligações cruzadas covalentes entre as cadeias
moleculares adjacentes. Durante os tratamentos térmicos, essas ligações prendem
as cadeias umas as outras para resistirem aos movimentos de vibração e rotação
quando são submetidas a temperaturas elevadas. Dessa forma, os materiais não
amolecem quando aquecidos. A massa específica de ligações cruzadas é
geralmente elevada, tal que entre 10% e 50% das unidades repetidas na cadeia tem
ligações cruzadas. Apenas um aquecimento até temperaturas excessivas causará o
rompimento dessas ligações cruzadas e a degradação do polimero. Os polimeros
termofixos são, em geral, mais duros e mais resistentes que os termoplásticos e
possuem melhor estabilidade dimensional. A maioria dos polimeros com ligações
cruzadas e em rede, os quais incluem as borrachas vulcanizadas, os epóxis, as
resinas fenólicas e algumas resinas poliéster, são termofixos (CALLISTER e
RETHWISCH, 2012).
Outra classe importante de polímeros a ser citada são os elastômeros. Possuem
como principal característica a capacidade de sofrerem altos percentuais de
deformação no regime elástico, comportamento esse já observado na borracha
natural, que pode chegar a 800%. Pode-se citar como exemplos destes materiais,
além da borracha natural (poli-isopreno natural), o Neoprene (cloropreno) e o
Silicone (polissiloxano).
A TAB. 2.2 mostra alguns polímeros termoplásticos e termofixos, bem como
algumas características e aplicações comerciais e industriais.
37
TAB. 2.2 – Características e aplicações de alguns polímeros termoplásticos e termofixos (CALLISTER
e RETHWISCH, 2012) (adaptado).
2.2.2 RESINA EPÓXI E SUA APLICAÇÃO EM COMPÓSITOS
As resinas epoxídicas são polímeros termofixos caracterizados pela presença de
grupos glicidila em sua molécula. Através da reação do grupo glicidila com um
agente reticulante adequado (endurecedor), uma estrutura tridimensional é formada.
A epicloridrina (1-cloro-2,3 – epóxi – propano) é o agente universal portador do
grupo epóxi que irá reagir com espécies químicas que tem hidrogênios ativos. O
bisfenol A – é a espécie química mais comum que possui esses hidrogênios ativos.
Na FIG. 2.3 ilustra-se a reação de produção da resina epóxi mais comum, o diglicidil
éter do bisfenol A (DGEBA). As resinas epoxídicas podem, entre outras aplicações,
ser utilizadas como adesivos, as quais são polímeros usados para unir outros
polímeros, metais, cerâmicos ou compósitos, e, neste caso, organizam-se em
adesivos quimicamente reativos. Como este tipo de adesivo, os epóxis constituem-
se em sistemas de dois componentes, os quais passam pelo processo de cura
quando tais resinas são misturadas (ASKELAND e PHULÉ, 2008).
38
FIG. 2.3 – Reação de produção da resina epóxi (RODRIGUES, 1991) (adaptado).
Entre as suas características principais, pode-se citar: ótima combinação de
propriedades mecânicas; boas propriedades elétricas; estáveis em termos
dimensionais; adesão eficiente; excelente resistência à corrosão; e baixo custo.
Entre as suas aplicações típicas, tem-se: adesivos, moldes elétricos, componentes
para os setores automotivo e aeroespacial, revestimentos de proteção, artigos
esportivos e matrizes para compósitos com reforço de fibras (ASKELAND e PHULÉ,
2008).
Esta última aplicação típica foi a que inspirou o uso do epóxi no presente estudo
como material da matriz para o compósito polímero-fibra natural. Na TAB. 2.3 são
mostrados os valores fornecidos por Callister e Rethwisch (2012) para algumas
propriedades das resinas epoxídicas.
39
TAB. 2.3 – Propriedades das resinas epoxídicas.
Massa
Específica
(g/cm3)
Módulo de
Elasticidade
(GPa)
Limite de
Resistência a
Tração (MPa)
Alongamento
Percentual
(%)
Tenacidade a
Fratura
(MPa.m1/2)
1,10 a 1,40 2,41 27,6 a 90,0 3 a 6 0,6
FONTE: (CALLISTER e RETHWISCH, 2012) (adaptado).
A matriz polimérica possui vital importância na produção de compósitos
utilizados na proteção balística. Dentre suas funções estão: a ligação e a
transmissão da carga para as fibras, a proteção das mesmas contra danos
superficiais, e a função de servir como barreira a propagação de trincas. A região de
interface entre a matriz e as fibras é crítica para definição da capacidade de
absorção de energia pelo compósito, bem como o mecanismo de fratura dominante
nas solicitações mecânicas.
2.2.3 FIBRAS NATURAIS LIGNOCELULÓSICAS (FNLs)
Em diversos setores da indústria, é crescente a tendência de substituição de
fibras sintéticas por fibras naturais lignocelulósicas (FNLs). Isto se deve ao fato delas
apresentarem um custo relativamente baixo, baixa massa específica e provenientes
de fontes renováveis e biodegradáveis. Um exemplo de aplicação está na indústria
automotiva, a qual vem utilizando diferentes tipos de FNLs na fabricação de alguns
componentes internos dos carros. A Mercedes Benz utiliza fibras de banana no
modelo Classe A (JOHN e THOMAS, 2008).
As fibras podem ser classificadas de várias maneiras, sendo as principais: fibras
naturais e sintéticas. Pode-se agrupá-las de acordo com sua origem; seja vegetal
(lignocelulósica), animal ou mineral. Além disso, podem-se separar as fibras naturais
lignocelulósicas (FNLs) conforme a sua localização no interior da planta, seja:
semente, fruto, caule, folha e cana.
Uma única fibra de uma planta é um composto natural complexo constituído por
várias células (BLEDZKI e GASSAN, 1999; MONTEIRO et al., 2011). Essas fibras
consistem basicamente em fibrilas de celulose semicristalina incorporadas em uma
matriz de hemicelulose e lignina (JOHN e THOMAS, 2008). Uma rede tridimensional
40
é formada pelas ligações de pontes de hidrogênio entre a matriz de hemicelulose e
as fibrilas. Na FIG. 2.4 ilustra-se o esquema de uma fibra.
FIG. 2.4 - Representação esquemática de uma fibra (JOHN e THOMAS, 2008) (adaptado).
Nela, observa-se que a fibra possui uma estrutura complexa, constituída de
parede primária e secundária, sendo a parede secundária subdividida em três
camadas (S1, S2 e S3), nas quais as microfibrilas estão arranjadas de forma
helicoidal. O ângulo helicoidal formado entre o eixo da fibra e as microfibrilas é
chamado de ângulo microfibrilar (JOHN e THOMAS, 2008) e varia de uma fibra para
outra, assim como, a razão entre celulose e lignina/hemicelulose. Por isso, cada FNL
apresenta propriedades distintas. Portanto, suas propriedades mecânicas são
determinadas e dependentes das configurações destes parâmetros estruturais.
A lignina é um ligante amorfo, hidrofóbico, de alto grau de polimerização, que
compreende compostos aromáticos e alifáticos e pode ser diluída em soluções
alcalinas. Ela é responsável por conferir rigidez às plantas. Por outro lado a
hemicelulose é hidrofílica e consiste em polissacarídeos que são facilmente
hidrolisados em ácidos e permanecem associados com a celulose, mesmo depois
da remoção da lignina (BLEDZKI e GASSAN, 1999; MONTEIRO et al., 2011).
Ao contrário das fibras sintéticas, as fibras naturais não possuem propriedades
uniformes. Elas são microestruturalmente heterogêneas e têm limitação dimensional.
Uma mesma espécie de fibra pode ter suas propriedades afetadas
41
consideravelmente dependendo da sua origem, qualidade e idade da planta,
diâmetro da fibra, razão de aspecto e seu pré-condicionamento (MOHANTY et al.,
2000).
Outra diferença entre a FNL e a sintética é a interação com a água. Devido à
presença de grupos hidroxila as FNLs são hidrofílicas e apresentam grande
afinidade com a umidade ambiente. Esse teor de umidade pode variar entre 5% e
10% (SAHED et al., 1999).
A água sobre a superfície da fibra age como um agente de separação na
interface de uma matriz polimérica hidrofóbica, que é o caso da maioria das resinas
empregadas nos compósitos. Ainda, devido à evaporação da água, podem aparecer
vazios na matriz, gerando perda de propriedades mecânicas. Soluções para reduzir
o teor de umidade e melhorar a adesão interfacial são a secagem da FNL
(MOHANTY et al., 2000) e o pré-tratamento das fibras, através de modificação
química da superfície das mesmas (BLEDZKI e GASSAN., 1999; MOHANTY et al.,
2000; MONTEIRO et al., 2011).
O pré-tratamento pode aumentar a rugosidade da superfície, o que contribui
para uma melhor adesão na matriz polimérica. Porém, algumas FNLs já apresentam
uma rugosidade considerável sem tratamento e, neste caso, o pré-tratamento pode
degradar a fibra e prejudicar o reforço da matriz (MONTEIRO et al., 2011; KALIA et
al., 2011). Dentre as diversas técnicas de pré-tratamento e modificação de superfície
de FNLs, uma das mais utilizadas é o tratamento alcalino (mercerização), o qual
remove tanto as ceras e graxas quanto uma parcela de hemicelulose e de lignina.
Assim, melhora-se o empacotamento das moléculas de celulose e aumenta-se a
cristalinidade das fibras, resultando em uma superfície mais rugosa, com maior
superfície de contato, auxiliando no ancoramento mecânico e promovendo um
aumento tanto no módulo de elasticidade quanto na resistência à tração das fibras.
Embora as FNLs apresentem alguns inconvenientes, elas oferecem vantagens
como: o custo relativamente baixo, baixa massa específica, maior flexibilidade e não
são abrasivas, que ao contrário das fibras sintéticas, danificam o equipamento de
processamento. Além disso, as FNLs auxiliam nas questões socioambientais, pois
são provenientes de recursos renováveis, são biodegradáveis e uma fonte de renda
de regiões em desenvolvimento (MONTEIRO et al., 2011). Em aplicações ligadas a
blindagem balística, na forma de reforço de compósitos de matriz polimérica, pode-
42
se substituir ou produzir compostos híbridos com materiais sintéticos como o
Kevlar™, a fibra de vidro e o polietileno de ultra-alto peso molecular, reduzindo
custos conforme documentado em alguns trabalhos e melhorando a eficiência do
SBMs (DA CRUZ, 2015; LUZ, 2014; DE ARAÚJO, 2015; MILANEZI, 2015; BRAGA,
2015; MONTEIRO et al., 2014).
Na TAB. 2.4 são mostradas propriedades mecânicas de algumas fibras naturais
atualmente pesquisadas.
TAB. 2.4 – Propriedades mecânicas de algumas FNLs.
FNL
Massa
específica
ρ (g/cm3)
Resistência à
tração σ (MPa)
Módulo de
Young (GPa)
Máx. σ/ρ
(MPa.cm3/g)
Bambu
(Bambusa vulgaris) 1,03 – 1,21 106 - 204 - 198
Banana
(Musa sapientum) 0,67 – 1,50 700 - 800 27 - 32 1194
Coco
(Cocos nucifera) 1,15 – 1,52 95 - 220 4 - 6 191
Cânhamo
(Cannabis sativa) 1,07 389 - 690 35 649
Curauá
(Ananas erectifolium) 0,57 – 0,92 117 - 3000 27 - 80 2193
Juta
(Corchorus capsularis) 1,30 – 1,45 393 - 800 13 - 27 615
Malva
(Urena lobata) 1,37 – 1,41 160 17,4 117
Linho
(Linum usitatissimum) 1,30 - 1,50 344 - 1035 26 - 28 496
Rami
(Boehmeria nivea) 1,5 400 - 1620 61 - 128 1080
Sisal
(Agave sisalana) 1,26 – 1,50 287 - 913 9 - 28 725
Vidro E 2,50 – 2,58 2000 - 3450 70 - 73 1380
Carbono 1,78 – 1,81 2500 - 6350 230 - 400 3567
Aramida 1,44 3000 - 4100 63 - 131 2847
FONTE: MONTEIRO et al., 2011; BRAGA, 2015 (adaptado)
43
2.2.3.1 A FIBRA DE MALVA
Dentre as FNLs destaca-se a malva (Urena lobata linn), pertencente à família
das malváceas. É uma planta anual, herbácea e bem adaptada às condições de
várzea, cultivada nos estados do Amazonas e Pará desde os anos 30. As fibras
extraídas desta planta nativa são utilizadas na fabricação de papel, vestuário,
tecidos para estofados e tapetes e, principalmente na confecção de sacaria para
acondicionar produtos como açúcar, café, castanha de caju e cacau, bem como
apresenta grande potencial de utilização na construção civil (SAVASTANO Jr.,
2000).
A malva origina uma fibra de resistência tão alta quanto a produzida pela juta,
porém menos sedosa e brilhante. São plantadas juntas, em sistema de consórcio,
sendo que a juta em várzea baixa e a malva em várzea alta, ambas em terras muito
férteis (MARGEM, 2013). Em 2012, segundo a CONAB – Companhia Nacional de
Abastecimento, a produção de malva atingiu 15.700 ton/ano, a um custo de US$900
/ ton de fibra seca. A principal característica, que chama a atenção, na fibra de
malva é o seu reduzido valor econômico, quando comparada às fibras sintéticas,
como as de vidro e aramida, chegando a ter um valor dez vezes menor (SHIHONG,
et al. 1994). Outras características importantes são: menor abrasividade aos
equipamentos de processamento, sua biodegradabilidade e baixo peso específico
(em torno de 1,40 g/cm3). Seu cultivo é fundamental como fonte de renda para as
populações ribeirinhas dos Estados do Pará e Amazonas. Na FIG. 2.5 mostram-se
feixes de fibras de malva e algumas das suas aplicações tradicionais.
(a) (b) (c)
FIG. 2.5 - (a) Hastes de feixes de fibras de malva, (b) Aplicação em sacaria de café, (c) Fibras e
produtos de malva prontos para comercialização (MARGEM, 2013)(adaptado).
44
Embora muito utilizada para a confecção de cordoaria em geral, tapetes, papel
moeda, artesanato e outras várias finalidades, a fibra de malva ainda não possui
grande utilização como componente de reforço em produtos industrializados. No
entanto, suas propriedades físicas e mecânicas como resistência à tração, módulo
de elasticidade e massa específica, demonstram um grande potencial na utilização
destas fibras como reforço em compósitos de matriz polimérica. Na TAB. 2.5 são
mostradas algumas propriedades das fibras de malva.
TAB. 2.5 – Propriedades físicas e mecânicas das fibras de malva.
Fibra
natural
Diâmetro
(µm)
Comp.
(mm)
Massa
específica
(kg/m3)
Resistência
a tração
(MPa)
Along. a
ruptura
(%)
Módulo de
elasticidade
(GPa)
Malva 42,6 23,8 1374 160 5,2 17,4
Fonte: Adaptado MARGEM, 2013.
Outras características que influenciam positivamente nas propriedades
mecânicas da malva são o baixo ângulo microfibrilar, em torno de 8º, e um razoável
teor de celulose, por volta de 76% (SAVASTANO Jr. et al., 1997). O ângulo
microfibrilar e o teor de celulose possuem respectivamente relação inversa e direta
com a resistência mecânica da fibra. O que comparativamente a outras fibras
naturais, como por exemplo, as fibras de sisal (10-22º e 78,6%) e coco (30-49º e
53%) representam vantagens em aplicações de engenharia. No entanto, a fibra de
malva, assim como a maioria das FNLs, possui heterogeneidades microestruturais, o
que limita algumas aplicações de responsabilidade, mas por outro lado incentiva
inúmeros estudos no sentido de minimizar essas variações. Na FIG. 2.6 são
mostradas imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura de uma fibra de
malva e de vidro.
FIG. 2.6 – (a) Fibra de vidro e (b) Fibra de malva (MARGEM, 2013).
45
Mesquita (2013) realizou tratamento em diversas fibras lignocelulósicas, dentre
elas feixes de fibras de malva, com o intuito de reduzir sua hidrofilicidade e melhorar
a compatibilidade com uma matriz de poliéster utilizada para fabricação de
compósitos. O pré-tratamento inicial utilizado foi o tratamento alcalino
(mercerização) com NaOH (pH=12) por 2 horas (FIG. 2.7). Posteriormente, os feixes
de malva foram tratados com anidrido maleico (esterificação da celulose), com o
intuito de aumentar a tensão superficial das fibras e, por conseguinte, sua
molhabilidade. No entanto, os resultados mostraram queda de algumas
propriedades mecânicas dos compósitos fabricados, em relação àqueles fabricados
com fibras não tratadas como, por exemplo, a resistência ao impacto que
apresentou queda em torno de 30%. Por outro lado, houve uma redução de mais de
30% na absorção de umidade para as fibras de malva tratadas com anidrido
maleico, demostrando que as modificações na superfície das fibras lignocelulósicas
são fundamentais. Contudo, de acordo com o autor devem ser analisados quais são
os parâmetros mais adequados (tempo, temperatura, concentração, etc.), bem como
os tratamentos que proporcionarão o ganho esperado nas propriedades que estarão
diretamente relacionadas com a aplicação desejada. Na TAB. 2.6 são mostrados
alguns dados obtidos pelo trabalho supracitado.
FIG. 2.7 – Feixes de malva em solução de hidróxido de sódio (MESQUITA, 2013) (adaptado).
46
TAB. 2.6 – Comparativo da resistência ao impacto e absorção de umidade para compósitos
fabricados com fibras de malva com e sem tratamento com anidrido maleico.
FONTE: Adaptado MESQUITA, 2013.
No caso das fibras de malva (Urena lobata linn) e juta (Corchorus capsularis), as
quais são produzidas no sistema de consórcio (MARGEM, 2013), o processamento
das fibras consiste basicamente em duas etapas: a de campo e a industrial. A etapa
campestre inclui sequencialmente: corte das hastes, descorticagem, maceração
(afogamento das fibras em água de 8 a 10 dias), desfibramento, secagem e
enfardamento. A etapa industrial consiste basicamente na separação e classificação
das fibras, limpeza para retirar cascas e sujeiras, fiação e tecelagem (dependendo
da aplicação). Na FIG. 2.8 são mostradas algumas etapas do processamento das
fibras de malva.
FIG. 2.8 – Processamento das fibras de malva. (a) Corte das hastes, (b) Descorticagem, (c)
Maceração, (d) Secagem, (e) Enfardamento e (f) Fiação e tecelagem.
Material Resistência ao impacto
(kJ/m2) Absorção de umidade (%)
Malva (sem tratamento) 13,87±3,17 4,51±0,65
Malva (com tratamento) 9,52±2,68 2,91±0,65
47
No entanto, uma das limitações das fibras naturais lignocelulósicas é o seu
comprimento. Para solucionar esta limitação uma das alternativas é produzir fios
contínuos que podem ser enrolados em bobinas. Assim, essas FNLs poderão ser
distribuídas de forma uniforme em compósitos de matriz polimérica (CMP) e
fabricadas automaticamente por processos de pultrusão, prepreg, enrolamento
filamentar, dentre outros (MONTEIRO et al., 2009; CALLISTER e RETHWISCH,
2012).
2.3 MATERIAIS CERÂMICOS
2.3.1 CONCEITOS GERAIS
A maioria das cerâmicas são compostos formados por elementos metálicos e
não metálicos, para os quais as ligações interatomicas são predominantemente
iônicas, ou covalentes. O termo ceramica vem da palavra grega keramikos, que
significa “matéria queimada”, indicando que as propriedades desejáveis desses
materiais são obtidas normalmente por meio de um processo de tratamento térmico
conduzido a alta temperatura (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).
Há cerca de 60 anos, os materiais mais importantes nessa categoria eram
denominados “ceramicas tradicionais” tendo como matéria-prima principal a argila;
os principais produtos derivados das ceramicas tradicionais são a porcelana (usada
em louças), tijolos, telhas, bem como vidros e ceramicas refratárias. Recentemente,
foi realizado um progresso significativo em relação a compreensão da natureza
fundamental desses materiais e dos fenomenos que neles ocorrem, responsáveis
por suas propriedades únicas. Consequentemente, uma nova geração desses
materiais foi desenvolvida, e o termo ceramica tornou-se muito mais abrangente.
Surgiram as cerâmicas avançadas. Em um grau ou outro, esses novos materiais
vêm causando um efeito consideravelmente drástico e positivo sobre nossas vidas,
como nas industrias de componentes eletrônicos, de computadores, de
comunicação e aeroespacial (CALLISTER e RETHWISCH, 2012). No presente
estudo, endereça-se uma ligação intrínseca com a produção de blindagens
48
balísticas, para fins de desenvolvimento de proteção pessoal (coletes) ou veicular,
explorando a elevada dureza dos cerâmicos.
Uma classificação bastante usual dos materiais cerâmicos é aquela ligada a sua
aplicação. Neste contexto, podem ser citados os vidros, produtos à base de argila,
refratários, abrasivos, cimentos e as cerâmicas avançadas, nas quais são
enquadrados os materiais utilizados nos sistemas de blindagem balística. Na FIG.
2.9 está ilustrada a classificação mencionada.
FIG. 2.9 – Classificação dos materiais cerâmicos com base na sua aplicação (CALLISTER e
RETHWISCH, 2012).
Dentre as propriedades dos materiais cerâmicos de interesse para blindagens
balísticas pode-se citar alta resistência mecânica, rigidez, dureza e resistência à
compressão. No entanto, em função da sua fragilidade são necessários outros
materiais no SBMs para resultar em um efeito sinergético eficiente. Nos SBMs o
componente cerâmico é responsável pela absorção de um percentual significativo,
em torno de 55%, da energia cinética inicial do projétil (DA SILVA, 2014; LUZ, 2014).
Dentre os principais materiais cerâmicos utilizados em blindagens balísticas pode-se
citar o carbeto de silício, carbeto de boro, nitreto de silício e o mais utilizado
atualmente, em função da sua ótima relação custo-benefício, o óxido de alumínio ou
alumina (Al2O3), normalmente aditivada com nióbia (Nb2O5). Diversos estudos foram
conduzidos no desenvolvimento de blindagens balísticas utilizando estes materiais,
com aditivos ou não e sob diferentes formas (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012;
CHAGAS, 2014), buscando ampliar cada vez mais a eficiência das blindagens
balísticas.
49
2.3.2 ALUMINA (Al2O3) ADITIVADA COM NIÓBIA (Nb2O5)
Conforme citado, a alumina é um dos materiais cerâmicos mais utilizados em
blindagens balísticas. O seu processo de produção é bastante conhecido e
controlado, possibilitando obter uma boa relação custo-benefício na sua utilização
frente a outros materiais apropriados para blindagem, como por exemplo, o carbeto
de silício (SiC). No entanto, diversos estudos foram desenvolvidos para melhorar as
propriedades mecânicas da alumina e reduzir seu custo, através do uso de aditivos,
a fim de utilizar em aplicações militares (GOMES, 2004). Dentre esses aditivos, a
nióbia (Nb2O5) vem sendo utilizada com sucesso em diversos trabalhos, melhorando
a densificação da alumina e possibilitando reduzir sua temperatura de sinterização
de 16000C para algo em torno de 14000C (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012;
CHAGAS, 2014), com expressiva redução de custo de fabricação.
A nióbia é encontrada na natureza no estado sólido e possui boa estabilidade
química. Tem aparência branca, não é solúvel na água e é inerte (CHAGAS, 2014).
Como aditivo de sinterização, a nióbia permanece nos contornos dos grãos de
alumina, favorecendo o seu crescimento e intensificando a eliminação de poros ao
longo dessas fronteiras, o que, como resultado, incrementa a massa específica das
amostras pós-sinterização. A presença de nióbia gera precipitados como uma
segunda fase nos contornos de grãos da alumina, aumentando a área superficial a
ser percorrida pelas trincas produzidas pelo impacto balístico, e por conseguinte, a
absorção de energia durante o impacto, devido ao fato da modificação do modo de
fratura transgranular para intergranular na fragmentação. A presença de nióbia
também aumenta a dureza do corpo cerâmico, o que contribui para erodir a ponta do
projétil de forma mais eficiente (LOURO; GOMES; COSTA, 2001).
2.3.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO
O processamento cerâmico envolve uma sequência de operações, a partir do pó
cerâmico, para se obter um produto cerâmico com as propriedades desejadas. O
fluxograma da FIG. 2.10 resume as operações normalmente realizadas para cada
fase do processamento. A aditivação refere-se à presença da nióbia e de outros
aditivos, com intuito de melhorar as propriedades mecânicas do cerâmico. Nesta
50
fase, utiliza-se também um ligante molecular para manter as partículas cerâmicas
unidas, realizando a moagem para homogeneizar a mistura, além de reduzir o
tamanho médio das partículas e contribuir para um formato mais esférico das
mesmas. Normalmente, utiliza-se como ligante o PEG (polietileno glicol). O PEG é
um óxido etileno polimérico com a estrutura HO – [CH2 – CH2 – O]n – H. As faixas
de peso molecular nos quais é encontrado comercialmente variam de 200 a 8000
g/mol. Os ligantes PEG são solúveis em água e muito puros, e em uma ampla faixa
de solventes, possuem uma solubilidade limitada (REED, 1995). Após a
homogeneização ocorre a etapa de produção do “corpo verde”, chamada
conformação, o que confere uma pré-forma ao produto desejado. Alguns exemplos
dos possíveis processos de conformação incluem a prensagem uniaxial, prensagem
a quente, prensagem isostática e a colagem por barbotina.
FIG. 2.10 – Etapas básicas do processamento cerâmico.
Após a obtenção do corpo verde, o corpo cerâmico já possui o formato e
dimensões preliminares, porém com propriedades mecânicas muito abaixo dos
valores desejados, realiza-se a principal etapa do processamento cerâmico, a
sinterização.
A sinterização é o processo pelo qual um compacto de pó é transformado em
um corpo cerâmico denso e resistente por aquecimento. Trata-se de um processo
51
termicamente ativado, ou seja, necessita de tempo e temperatura para que ocorra a
difusão, caracterizada em três estágios que apresentam as seguintes
características: Estágio Inicial (1) – formação de “pescoços”, densificação de 60 a
65%, ocorre na superfície e a temperaturas mais baixas; Estágio Intermediário (2) –
formação de canais porosos contínuos, densificação de 65 a 90%, ocorre a
chamada “consolidação” do produto, na qual, ao longo do material, as particulas se
juntarão mais, formando um agregado, obtendo maior resistência mecânica; e
Estágio Final (3) – crescimento de grão e posterior resfriamento, até atingir a
temperatura ambiente (REED, 1995). No estágio final da sinterização os poros
tornam-se isolados.
Por fim, ainda podem existir etapas de acabamento visando a obtenção do
produto final, o qual será caracterizado quanto à forma, dimensões e propriedades.
A FIG. 2.11 mostra um exemplo de corpos cerâmicos, após processamento, que
foram utilizados em testes de blindagem balística no IME.
FIG. 2.11 – Corpos cerâmicos produzidos no IME para fins de testes balísticos.
2.4 MATERIAIS COMPÓSITOS
2.4.1 CONCEITOS GERAIS
Os compósitos surgiram da necessidade de melhorar as propriedades dos
materiais convencionais como metais, cerâmicos e polímeros. Em função do
crescente avanço tecnológico, cada vez mais surgem aplicações que contrapõem
52
propriedades ditas antagônicas, como por exemplo, combinar uma alta resistência
com uma ductilidade e tenacidade apreciáveis.
Neste contexto, entende-se por compósito um material multifásico, produzido de
forma artificial e “engenheirada”. Ou seja, pode-se obter um material que apresente
uma mistura de fases quimicamente diferentes, de forma bem específica e com a
presença de uma interface distinta. Com isso, através do princípio da ação
combinada ou regra das misturas, o material compósito exibe uma proporção
significativa de ambas as fases constituintes. Assim, é possível obter uma gama
praticamente infinita de combinações de propriedades, as quais seriam impossíveis
de serem alcançadas, isoladamente, nos materiais monolíticos (CALLISTER e
RETHWISCH, 2012).
De uma maneira geral, os compósitos são formados por uma fase contínua
denominada matriz, que pode ser metálica (CMM), cerâmica (CMC) ou ainda
polimérica (CMP), como por exemplo, uma matriz epoxídica conforme utilizada no
presente estudo. Dentre as funções da matriz estão a ligação entre fibras e a
proteção das mesmas contra danos superficiais, bem como servir como barreira a
propagação de trincas. A matriz polimérica é a mais comum de todas, normalmente
a base de poliésteres e epóxis, podendo ser reforçada com fibras de vidro, carbono,
aramidas ou fibras naturais, por exemplo. As matrizes metálicas e cerâmicas são
usadas em temperaturas de serviço mais elevadas e possuem maior resistência à
degradação.
As propriedades obtidas nestes compósitos são funções das seguintes variáveis:
a) Propriedades das fases constituintes;
b) Quantidades relativas;
c) Geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação).
Os compósitos podem ser divididos em três grandes grupos: reforçados com
partículas, reforçados com fibras e estruturais. Na FIG.2.12 estão ilustradas as
subdivisões dos materiais compósitos.
53
FIG. 2.12 – Esquema de classificação para os vários tipos de compósitos (CALLISTER e
RETHWISCH, 2012).
Dentre esses grupos, os compósitos reforçados com fibras são os mais
importantes devido à possibilidade de projetar materiais com alto módulo de
elasticidade e resistência específica, os quais possibilitam inúmeras aplicações
tecnológicas. Nestes compósitos a fase dispersa encontra-se na forma de fibra,
devido ao seu volume reduzido, o que diminui a probabilidade de ocorrer defeito
superficial crítico, tornando-os muito mais resistentes que um material volumétrico. A
EQ. 2.3 representa a regra das misturas para o módulo de elasticidade longitudinal
para um compósito reforçado por fibras.
Ecomp. = Em. Vm + Ef. Vf EQ. 2.3
Sendo:
Ecomp. – Módulo de elasticidade do compósito;
Em – Módulo de elasticidade da matriz;
Vm – Fração volumétrica da matriz;
Ef – Módulo de elasticidade da fibra;
Vf – Fração volumétrica da fibra.
As propriedades finais deste compósito não dependem apenas das propriedades
da fibra, mas também da ligação interfacial entre fibra e matriz. Por isso, para que o
reforço seja efetivo é necessário que a fibra tenha uma interface com boa aderência
à matriz e certo comprimento crítico (lc), o qual depende do diâmetro, do limite de
54
resistência à tração da fibra e da tensão de escoamento ao cisalhamento da matriz.
Na EQ. 2.4 mostra-se a relação entre os parâmetros que definem o comprimento
crítico da fibra.
𝑙𝑐 =𝜎𝑓.𝑑
2.𝜏 EQ. 2.4
Sendo:
lc - Comprimento crítico da fibra;
σf - Limite de resistência à tração da fibra;
d - Diâmetro da fibra;
𝜏 - Tensão de escoamento ao cisalhamento da matriz.
As fibras de comprimento 15 vezes maior do que o comprimento crítico são
consideradas contínuas, caso contrário são chamadas descontínuas ou curtas.
Como as fibras são anisotrópicas, diversos fatores podem influenciar diretamente no
comportamento do compósito, como por exemplo, se elas estão alinhadas ou
orientadas aleatoriamente, assim como sua fração volumétrica e a direção na qual a
carga é aplicada (longitudinal ou transversal à direção de alinhamento). Além disso,
as fibras podem ser divididas em três classes, de acordo com o diâmetro e a
natureza das mesmas: A primeira classe, whiskers, são monocristais com diâmetros
entre 0,1 μm e 10 μm. Já as fibras, são policristalinas ou amorfas com diametros
entre 10 μm e 100 μm, e pertencem a segunda classe. Os materiais da terceira
classe, chamados de arames, e são aqueles com diâmetros entre 100 μm e 1000
μm.
2.4.2 COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE MALVA
A utilização das fibras de malva (Urena lobata linn) como reforço em CFNLs
constitui um campo de pesquisa relativamente novo. No entanto, têm-se alguns
relatos principalmente ligados a construção civil, nos quais verificou-se que a
incorporação de 2% de fibras de malva em matriz de cimento Portland foi capaz de
aumentar a ductilidade do compósito produzido, mantendo os níveis de resistência
55
dentro de valores adequados às normas (SAVASTANO Jr., 1997). O pesquisador
Margem (2013) mostrou também em seu trabalho, que a tenacidade ao impacto dos
compósitos com fibras de malva possui lugar de destaque, comparativamente a
energia absorvida por outros CFNLs, o que mostra haver um grande potencial dos
compósitos fabricados com esta fibra, no que se refere a aplicações dinâmicas, em
função do tipo de fratura que ocorre na interface fibra-matriz. Outro ponto a ressaltar,
diz respeito à ligação direta entre o aumento da fração volumétrica de fibras com o
aumento da tenacidade ao impacto. Na TAB. 2.7 são mostrados alguns resultados
obtidos e nas FIG. 2.13 e 2.14 são observados, respectivamente, corpos de prova
de compósitos reforçados com fibras de malva com frações volumétricas variando
de 0 a 30% e a imagem em MEV de um compósito reforçado com fibras de malva
após a fratura, ressaltando o mecanismo de descolamento de fibras da matriz
(MARGEM, 2013).
TAB. 2.7 – Valores de tenacidade ao impacto de compósitos reforçados com FNLs.
FONTE: MARGEM, 2013.
FIG. 2.13 – Ruptura de compósitos de matriz poliéster com diferentes frações volumétricas de fibras
de malva após ensaio de impacto (MARGEM, 2013).
56
FIG. 2.14 – Fratura por impacto de corpo de prova com 30% em volume de fibras de malva
(MARGEM, 2013).
Os compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de malva possuem
aplicações promissoras no campo da blindagem balística, em função da sua alta
tenacidade ao impacto, comparativamente aos compósitos reforçados por outras
FNLs. Com isso, torna-se fundamental caracterizar estes compósitos e testá-los em
um SBMs, tanto na condição de reforço por fibras, mas principalmente utilizando
tecido de malva, pois alguns trabalhos já desenvolvidos mostraram que a eficiência
da blindagem, em termos de redução na profundidade de impacto, é maior em
tecidos e mantas, mesmo em trama simples, do que nas fibras em arranjo
unidirecional, pois há uma melhor distribuição de tensões e deformações
(MILANEZI, 2015). A FIG. 2.15 ilustra alguns dos possíveis arranjos de tecidos
disponíveis no mercado têxtil. A trama simples é a mais utilizada, em função da
facilidade de confecção e boa relação entre as propriedades mecânicas e custos
associados.
FIG. 2.15 - Diferentes tipos de arranjos de fibras: (a)simples; (b)sarja; (c)cetim; (d)cesta; e (e)leno
(JOHN e THOMAS, 2008).
57
2.5 MECANISMOS DE FRATURA DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS
REFORÇADOS COM FIBRAS
O entendimento dos mecanismos de falha associados aos compósitos
poliméricos é de fundamental importância para melhorar esses materiais,
principalmente no caso de aplicações de responsabilidade, como na utilização em
blindagem balística. De maneira geral, a fratura não ocorre de modo catastrófico,
mas de acordo com o percentual de fibras que reforçam o compósito. Em torno de
20% v/v de fibras naturais já é possível verificar que a falha tende a ser progressiva,
e o compósito passa a falhar por meio de uma combinação de mecanismos de
fratura.
A FIG. 2.16 ilustra alguns dos vários mecanismos de falhas que podem ocorrer
em compósitos reforçados por fibras.
FIG. 2.16 – Mecanismos de falha em materiais compósitos reforçados por fibras (ANDERSON, 1995).
Os mecanismos de falha que podem ocorrer nos compósitos reforçados por
fibras são: arrancamento de fibras (“pull-out”), ponte de fibras (“fiber bridging”),
descolamento fibra/matriz, ruptura das fibras, trincamento da matriz e a
delaminação, que ocorre normalmente em compósitos reforçados por tecidos.
2.6 COMPORTAMENTO DINÂMICO DOS MATERIAIS
Os processos a que os corpos estão sujeitos, quando são submetidos a
carregamentos que variam rapidamente, podem ser significativamente diferentes
daqueles que ocorrem em situações estáticas ou quase estáticas (MEYERS, 1994).
58
A aplicação de força externa a um corpo, por definição, é um processo dinâmico.
Contudo, quando a taxa de variação da força aplicada é baixa, pode-se considerar o
processo como uma sequência de etapas para as quais o corpo está em equilíbrio
estático. No entanto, para altas taxas de deformação, as tensões (e deformações)
associadas variam de seção para seção. A nível atômico visualiza-se uma onda que
opera como se fosse uma sucessão de impactos entre átomos adjacentes. Estas
ondas possuem velocidade característica, que pode ser medida ou estimada com
boa aproximação (MEYERS, 1994).
O comportamento balístico de um material pode ser definido como a resposta
dinâmica, em virtude das altas taxas de deformações causadas pelo impacto do
projétil. Além disso, conforme o comportamento do material, em virtude da
magnitude da solicitação externa, podem ser geradas ondas elásticas, plásticas ou
de choque.
Nas ondas elásticas as tensões transmitidas estão abaixo da tensão de
escoamento do material, e sua velocidade (VE) em um meio contínuo depende do
módulo de elasticidade do material (E) e da sua massa específica (ρ). Na EQ. 2.5
mostra-se a relação entre os parâmetros (MEYERS, 1994).
𝑉𝐸 = √𝐸
𝜌 EQ. 2.5
Nas ondas plásticas as tensões transmitidas ultrapassam o limite de
escoamento, e o material se deforma plasticamente. Com isso, ocorre a
decomposição da onda de tensão em uma componente elástica mais rápida e outra
plástica. A velocidade da onda plástica pode ser definida pela EQ. 2.6 (MEYERS,
1994).
𝑉𝑃 = √𝑑𝜎
𝑑𝜀⁄
𝜌 EQ. 2.6
Sendo:
VP – velocidade da onda plástica;
𝑑𝜎𝑑𝜀⁄ - inclinação da curva tensão (σ) versus deformação (ε) mostrada na FIG. 2.17;
ρ – massa específica do material.
59
A FIG. 2.17 mostra que a relação 𝑑𝜎𝑑𝜀⁄ é constante e igual ao módulo de
elasticidade (E) no regime elástico. Já no regime plástico a inclinação 𝑑𝜎𝑑𝜀⁄ é
reduzida, o que significa que as ondas plásticas propagam-se a uma velocidade
menor do que as ondas elásticas.
FIG. 2.17 – Curva tensão (σ) versus deformação (ε) (MEYERS, 1994).
Já quando as ondas de tensão excedem, em muito, o limite de escoamento
dinâmico do material, as tensões cisalhantes podem ser desprezadas, e o material
se comporta como um fluido podendo ser modelado através da equação dos gases
perfeitos definida pela EQ. 2.7 (MEYERS, 1994).
𝑑𝑃
𝑑𝑉= −𝛾.
𝑃
𝑉 EQ. 2.7
Sendo:
P – pressão;
V – volume específico;
Ɣ – índice adiabático.
Essas ondas são chamadas ondas de choque e podem ser modeladas
matematicamente pelas equações de Rankine-Hugoniot. O conceito de onda de
choque, bem como as equações de conservação envolvidas (massa, momento e
energia), podem ser entendidos por meio de um modelo representado por um pistão
que percorre um cilindro com gás. Na FIG. 2.18 são ilustradas as etapas do
processo.
60
FIG. 2.18 – Esquema para modelar matematicamente a propagação de ondas de choque: (a) Antes
do choque; (b) Após um tempo t1; (c) Após um tempo t2>t1 (MEYERS, 1994) (adaptado).
No tempo t0=0, FIG. 2.18(a), o pistão está em repouso e o gás no seu interior
possui massa específica ρ=ρ0, pressão P=P0, energia interna E=E0 e velocidade
U0=0. Após um tempo t1, FIG. 2.18(b), o pistão é acelerado até a velocidade UP, e
cria-se uma frente de choque que se move com velocidade Us, ou seja, um plano
que separa o fluido em movimento daquele ainda estacionário. O pistão desloca-se
Up.t1 e a frente de choque Us.t1. O gás no interior da região comprimida possui
parametros P, ρ e E diferentes da região não comprimida. Na FIG. 2.18(c), para um
tempo t2>t1, o fenômeno é idêntico ao que ocorre em t1. No entanto, como a
velocidade Us>UP, a região comprimida torna-se cada vez maior (MEYERS, 1994).
Como regiões de maior amplitude de onda de tensão movem-se com velocidade
superior àquelas de menor magnitude, define-se onda de choque como uma
descontinuidade na pressão, temperatura (energia interna) e massa específica.
As equações de conservação de Rankine-Hugoniot expressas pelas EQs. 2.8,
2.9 e 2.10 modelam matematicamente a propagação das ondas de choque.
61
a) Conservação de massa: 𝜌0. 𝑈𝑆 = 𝜌. (𝑈𝑆 − 𝑈𝑃) EQ. 2.8
b) Conservação de momento: (𝑃 − 𝑃0) = 𝜌0. 𝑈𝑆. 𝑈𝑃 EQ. 2.9
c) Conservação de energia: 𝐸 − 𝐸0 = 12⁄ . (𝑃 + 𝑃0). (𝑉0 − 𝑉) EQ. 2.10
As relações supracitadas assumem as seguintes premissas:
a) O choque é uma superfície descontínua sem espessura aparente;
b) O módulo de cisalhamento é considerado zero (comporta-se como um fluido);
c) Forças de corpo (p.ex. forças gravitacionais) e a condução de calor na frente
de choque são desprezíveis (processo adiabático);
d) Não há comportamento elastoplástico;
e) O material não sofre transformações de fase.
As EQs. 2.8, 2.9 e 2.10 possuem cinco variáveis: massa específica (ρ) ou volume
específico (V), pressão (P), energia (E), velocidade da partícula (UP) e velocidade de
choque (US). Portanto, torna-se necessário encontrar uma quarta equação para que
as variáveis de interesse possam ser calculadas. Esta quarta equação (EQ. 2.11)
chama-se equação de estado do material que mostra uma relação obtida
experimentalmente entre as velocidades UP e US.
𝑈𝑆 = 𝐶0 + 𝑆1. 𝑈𝑃 + 𝑆2. 𝑈𝑃2+ ⋯ + 𝑆𝑛. 𝑈𝑃𝑛
EQ. 2.11
Sendo:
C0 – a velocidade do som no material à pressão zero (C0 e VE são numericamente
iguais);
S1, S2,..., Sn – Parâmetros empíricos;
Para a maioria dos materiais, S2 e demais termos de S de ordem superior são
iguais a zero. Com isso, tem-se uma equação linear simplificada (EQ. 2.12) entre US
e UP, que descreve razoavelmente a resposta ao choque de materiais que não
experimentaram transformações de fase.
62
𝑈𝑆 = 𝐶0 + 𝑆1. 𝑈𝑃 EQ. 2.12
Os valores de C0 e S1 normalmente são tabelados e encontrados na literatura.
De posse das citadas quatro equações torna-se possível calcular uma série de
relações, duas a duas, como por exemplo, P-UP (Pressão – Velocidade de partícula),
P-(V / V0) (Pressão – Volume específico) e E-Us (Energia – Velocidade da onda de
choque).
2.7 INTERAÇÃO E REFLEXÃO DE ONDAS DE CHOQUE
Para analisar os parâmetros de choque oriundos das diversas interações entre
as camadas de um sistema de blindagem, cujas ondas de choque são produzidas
após o impacto de um projétil, adota-se o método gráfico denominado casamento de
impedâncias. A impedância de choque de um material consiste no produto entre a
sua massa específica (ρ) multiplicado pela velocidade da frente de onda (US). Na
falta deste parâmetro pode-se utilizar a velocidade da onda sônica (C0). Ou seja,
quanto maior a massa específica ou a velocidade da onda sônica, maior será a
impedância de choque do material. A impedância de choque possibilitará o cálculo
da pressão que será gerada da interface de choque para uma determinada
velocidade de partícula (UP). Para aplicação deste método algumas considerações
devem ser feitas, a saber:
a) Impacto planar – envolve duas superfícies planas;
b) Superfícies paralelas;
c) Impacto normal – a direção de movimento do projétil deverá ser perpendicular
a sua superfície.
Na FIG. 2.19 mostra-se esquematicamente a sequência de etapas antes (a),
durante (b) e após (c) o choque entre as superfícies (projétil e alvo) em estudo,
segundo um observador externo.
63
FIG. 2.19 – Sequência de etapas (a) antes, (b) durante e (c) após o choque entre as superfícies em
estudo (MEYERS, 1994) (adaptado).
Antes do impacto na situação (a), o projétil (1) move-se a velocidade V e o alvo
(2) encontra-se em repouso. Após o impacto duas ondas compressivas são geradas,
uma com velocidade US2 viaja para dentro do alvo, enquanto outra com velocidade
US1 viaja para dentro do projétil. A porção não comprimida do projétil ainda viaja a
velocidade V, enquanto a porção não comprimida do alvo ainda está em repouso.
Existem duas condições que devem ser estabelecidas para que a pressão
gerada tanto no alvo quanto no projétil possa ser calculada (MEYERS, 1994).
a) O material tem que ser contínuo através da interface de impacto, o que impõe
mesma velocidade de partícula na região comprimida (região hachurada). Se
as velocidades de partícula fossem diferentes haveria vazios ou regiões de
superalta massa específica, itens que não acontecem. Logo UP1 = UP2;
b) A pressão tem que ser a mesma, pois caso contrário formar-se-ia outro pulso.
Logo P1 = P2.
Para se estabelecer as igualdades através da equação de conservação de
momento de Rankine-Hugoniot e equação de estado do material (EQs. 2.9 e 2.12)
deve-se atentar para o sistema de referência. Como a superfície de contato move-se
em relação ao observador externo, para manter a pressão constante, a velocidade
UP1 deve ser medida em relação ao referencial móvel lagrangeano (EQ. 2.13).
UP1 = V – UP2 EQ. 2.13
64
Duas situações distintas são analisadas através do método do casamento de
impedâncias:
1) Transferência de onda de choque de um meio de baixa impedância (A) para
outro de alta impedância (B);
2) Transferência de onda de choque de um meio de alta impedância (A) para
outro de baixa impedância (B).
No primeiro caso o material (A) possui massa específica menor do que o
material (B), pois como já mencionado, a impedância de choque é diretamente
proporcional à massa específica do material e a velocidade da frente de choque ou
da onda sônica (elástica). Na FIG. 2.20(a) e (b) está ilustrado o processo e mostra a
variação de pressão em função das velocidades das partículas nos materiais (A) e
(B). A linha pontilhada representa a reta de Rayleigh, a qual representa a
descontinuidade na pressão, pois a mesma não percorre a curva Hugoniot
continuamente, conforme a evolução do processo. A inclinação da reta de Rayleigh
é o produto da massa específica (ρ0) pela velocidade da frente de choque (US).
Na FIG. 2.20(a) o material (A) representa o projétil e o material (B) o alvo. Na
interface entre os materiais A e B, ocorrerá a mudança da pressão P1 para que o
equilíbrio seja atingido. Essa mudança pode ser calculada através do casamento de
impedâncias, como apresentado esquematicamente na FIG.2.20(a). Nota-se que o
material (A) de menor impedância possui inclinação menor, em relação ao eixo
horizontal, do que o material (B) de maior impedância. Para determinar graficamente
os valores de UP1 e P1 desenha-se a curva Hugoniot inversa do material (A),
chamada de (AR), e o ponto de encontro com a curva Hugoniot (A) direta serão os
pontos UP1 e P1 na abscissa e ordenada respectivamente. Após o choque a pressão
passa de P1 para P2 na interface. A velocidade de partícula é reduzida de V para
UP2, e o ponto de coordenadas (UP2, P2) é determinado graficamente pelo
cruzamento da curva Hugoniot do material (B) com a Hugoniot inversa do material
(A). Neste momento, a onda é decomposta e uma frente de pressão propaga-se
para (A) e (B), conforme FIG. 2.20(b). Esta frente de pressão retorna como uma
onda compressiva e seu valor reduz para P2 – P1 dentro do material (A), ilustrado
pela FIG. 2.20(b). O pulso continua sua propagação para a esquerda e a velocidade
de partícula UP2 se mantem a mesma na região de alta pressão, em A e B. Desse
65
modo, é assegurada a continuidade de pressão e de velocidade de partícula
(MEYERS, 1994).
FIG. 2.20 – Transferência de onda de choque de um meio de baixa impedância para outro de alta
impedância. a) Gráfico de Pressão versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão nos
materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994) (adaptado).
66
No segundo caso a transferência da onda de choque ocorreu de um material de
alta impedância para outro de baixa impedância. A FIG. 2.21 ilustra o referido
processo.
FIG. 2.21 – Transferência de onda de choque de um meio de alta impedância para outro de baixa
impedância. a) Gráfico de Pressão versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão nos
materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994) (adaptado).
Na determinação da pressão e da velocidade de partícula após o choque, a
curva Hugoniot do material (A) é invertida (curva AR) no ponto de pressão P1. No
cruzamento desta curva com a Hugoniot direta do material (B) tem-se o ponto de
coordenadas (UP2, P2) que representa a velocidade de partícula e pressão na
interface (A) e (B). Neste exemplo a pressão P2 é menor do que P1. Com isso, esta
pressão libera um pulso que se propagará para dentro do material (A). Como
admite-se que os materiais (A) e (B) são semi-infinitos, o pulso de tensão viajará
livremente até encontrar o pulso primário. O encontro ocorrerá no tempo t4,
conforme a FIG. 2.21(b), e será gerado um pulso trativo que se propagará tanto para
o material (A) quanto para (B). Caso a amplitude da onda trativa seja
suficientemente alta ocorrerá estilhaçamento do material (MEYERS, 1994).
67
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 ASPECTOS GERAIS
Este trabalho consistiu, basicamente, de quatro etapas. A primeira delas foi a
fabricação dos corpos de prova cerâmicos e compósitos nos laboratórios do IME. A
segunda etapa dedicou-se à caracterização mecânica e térmica dos corpos de prova
compósitos. A terceira realizou a avaliação balística dos SBMs, os quais possuíam
as placas compósitas reforçadas por fibras de malva como camada intermediária, e
a quarta etapa efetuou a análise dos resultados balísticos de acordo com as
características dos compósitos de epóxi-fibras de malva.
Os corpos cerâmicos foram fabricados seguindo a metodologia já aplicada em
outros trabalhos com SBMs (LUZ, 2014; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015).
Os corpos de prova (CPs) compósitos foram fabricados com fibras de malva
para caracterização mecânica nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras. Para
os ensaios balísticos os corpos foram fabricados com 30%v/v de fibras na forma de
tecido 100% malva, ou híbrido com a fibra de juta. De acordo a literatura (FARUK,
2012), 30%v/v de fibras seria o percentual que possibilitaria a obtenção de
resultados satisfatórios em termos de propriedades mecânicas. As placas que
produziram os diversos CPs foram fabricadas através de prensagem uniaxial em
matriz metálica apropriada, com resina epóxi e fibras de malva (fibras soltas
alinhadas e tecido) nas dimensões 150 x 120 mm.
Na terceira e quarta etapas realizou-se ensaios balísticos no Centro de
Avaliações do Exército (CAEx). Nessas etapas, analisou-se o desempenho balístico
das placas, bem como os resultados dos diversos ensaios mecânicos e térmicos.
O foco do trabalho foi a realização de ensaios balísticos em compósitos
epoxídicos reforçados por tecidos 100% malva, híbridos com juta e por fibras de
malva contínuas e alinhadas. Comparou-se os resultados obtidos com outros
compósitos à base de fibras naturais (CFNLs) bem como com materiais tradicionais
empregados em sistemas de blindagem, como o Kevlar™.
68
3.2 MATERIAIS UTILIZADOS
3.2.1 ALUMINA (Al2O3) E NIÓBIA (Nb2O5)
As TABs. 3.1 e 3.2 apresentam as análises químicas da alumina e da nióbia que
foram utilizadas, conforme informação obtida dos fornecedores. A alumina (Al2O3) foi
fornecida pela empresa Treibacher Schleifmittel Brasil Ltda. A nióbia (Nb2O5)
utilizada como aditivo na alumina foi fornecida pela Companhia Brasileira de
Metalurgia e Mineração (CBMM).
TAB. 3.1 - Análise química da alumina.
ELEMENTO ANÁLISE ESPECIFICAÇÃO
Al2O3 (%) 99,4 mín. 99,1
SiO2 (%) 0,04 máx. 0,06
Fe2O3 (%) 0,04 máx. 0,06
Na2O (%) 0,11 máx. 0,15
umidade a 300º C (%) 0,2 máx. 0,5 FONTE: Adaptado de TRINDADE, 2012.
TAB. 3.2 - Análise química da nióbia.
ELEMENTO ANÁLISE
Nb2O5 (%) 99,5
Ta (ppm) 745
Ti (ppm) 240
Fe (ppm) 136
Si (ppm) 66
Sn (ppm) 95 FONTE: Adaptado de TRINDADE, 2012.
3.2.2 POLIETILENO GLICOL (PEG)
Para possibilitar o manuseio dos “corpos verdes” durante o processamento
cerâmico, antes da etapa de sinterização, foi utilizado o ligante orgânico polietileno
glicol (PEG) fornecido pela Vetec Química Fina Ltda.
69
3.2.3 FIBRAS DE MALVA
As fibras de malva na forma “in natura” e como tecido hibrido malva/juta nas
proporções 70%/30% (em peso) e 50%/50% (em peso) foram fornecidas pela
Companhia Têxtil Castanhal do Pará. O tecido 70%/30% (329 g/m2) seguiu uma
trama simples enquanto que o tecido 50%/50% (704 g/m2) foi preparado na trama do
tipo arraiolo. Também foram doadas fibras de malva “in natura” pela Universidade
Estadual do Norte Fluminense (UENF). A FIG. 3.1 mostra as fibras de malva como
recebidas. O tecido 100% malva (329 g/m2) foi confeccionado manualmente, na
trama simples, por comunidades indígenas da região do Pará. As fibras de malva
foram limpas, cortadas, no comprimento de 150 mm, e secas em estufa por 24 h. Os
tecidos 100% malva e híbridos foram cortados nas dimensões 150 x 120 mm e
utilizaram o mesmo procedimento de limpeza e secagem adotado para as fibras “in
natura”.
Além da utilização das fibras de malva “in natura” sem tratamento, foram
também realizados tratamentos químicos de mercerização em NaOH combinando os
seguintes parâmetros:
a) Concentração de NaOH (5%, 10% e 20%);
b) Tempo de imersão (3h, 24h e 48h);
c) Agitação ou não da solução.
Foram realizadas 18 combinações de tratamento, além do grupo de controle,
representado pelas fibras de malva não tratadas. O objetivo do tratamento por
mercerização foi aumentar a cristalinidade das fibras, melhorar as suas propriedades
mecânicas, bem como promover uma melhor adesão das fibras com a matriz
polimérica, através do aumento de rugosidade interfacial, quando da confecção do
compósito com resina epóxi. A TAB. 3.3 mostra os tipos de amostras produzidas
variando-se os parâmetros de mercerização. A análise da cristalinidade original e
das fibras tratadas foi realizada por DRX.
70
TAB. 3.3 - Tipos de amostras produzidas pela variação dos parâmetros de mercerização.
Parâmetros de controle Tempo de imersão NaOH
Concentração NaOH 3h 24h 48h
5% CP1 CP4 CP7
10% CP2 CP5 CP8
20% CP3 CP6 CP9
Após o procedimento descrito, foram submetidas ao tratamento de mercerização
aproximadamente 100 g de fibras de malva “in natura”, que proporcionou uma maior
cristalinidade nas fibras de malva (CP4) para confecção de placa compósita com
resina epóxi e 30%v/v de fibras. Nesta condição, as placas foram submetidas a
avaliação mecânica através do ensaio de impacto Charpy. O tratamento de
mercerização consistiu em mergulhar as fibras de malva em solução de NaOH a 5%
por 24 h, sem agitação. Após este período as fibras foram lavadas e imersas em
água destilada por 48h, com troca de água a cada 24 h. O pH foi monitorado até
alcançar valores próximos de 7,0 após o procedimento de lavagem. Na FIG. 3.2 são
mostradas as fibras de malva mergulhadas em solução de NaOH a 5% por 24 h,
para este tratamento.
FIG. 3.1 – Fibras de malva: a) “in natura” e b) na forma de tecido.
71
FIG. 3.2 – Fibras de malva submetidas ao tratamento de mercerização.
3.2.4 RESINA EPÓXI
O polímero utilizado como material da matriz da placa compósita foi a resina
epóxi comercial do tipo éter, diglicidílico do bisfenol A (DGEBA), endurecida com
trietileno tetramina (TETA), utilizando-se a proporção estequiométrica de 13 partes
de endurecedor para 100 partes de resina. A empresa fabricante da resina foi a Dow
Chemical do Brasil e fornecida pela distribuidora RESINPOXY Ltda.
3.2.5 PLACAS DE LIGA DE ALUMÍNIO (Al 5052 H34)
As placas de liga de alumínio 5052 H34 utilizadas foram fornecidas pela
empresa Metalak Comércio Indústria de Metais Ltda., nas dimensões 120 x 150 mm,
com espessura de 5 mm (FIG. 3.3). Os valores fornecidos pelo fabricante, e as
especificações de resistencia a tração (σT), limite de escoamento (σe), deformação
por alongamento (ΔL/L0) da liga são mostrados na TAB. 3.4 (BRAGA, 2015)
(adaptado).
FIG. 3.3 – Placa de alumínio utilizada no SBMs.
72
TAB. 3.4 – Especificações da placa de alumínio.
Material
Massa
específica
(g/cm3)
Limite de
resistência à
tração (MPa)
Limite de
escoamento
(MPa)
Alongamento
(%)
Alumínio 5052
H34 2,7 249 205 10
FONTE: Adaptado de BRAGA, 2015.
3.3 MÉTODOS PROPOSTOS
3.3.1 PREPARAÇÃO DOS CORPOS CERÂMICOS
A primeira etapa do processamento cerâmico consistiu na mistura dos pós
cerâmicos na proporção previamente investigada que resultou nos melhores
resultados em testes balísticos (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012). Os pós foram
pesados em balança de precisão GEHAKA, modelo BK300, com precisão de 0,001
g. Assim, foram adicionados os pós de alumina (700 g – 94,5%p), nióbia (29,15 g –
3,94%p) e o ligante líquido PEG (11,3 g – 1,53%). O PEG foi aquecido a 700C para
facilitar a mistura com os demais componentes (GOMES, 2004). Os componentes
da mistura foram submetidos a um processo de moagem e homogeneização em
moinho com bolas de alumina, modelo MA 500, por um período de 8 horas. Na FIG
3.4 são mostrados a balança e o moinho utilizados no referido processamento,
pertencentes ao Laboratório de Materiais Cerâmicos do IME.
FIG. 3.4b – Moinho de bolas de alumina, modelo
MA-500 e bolas de moagem de alumina.
FIG. 3.4a – Balança de precisão
GEHAKA, modelo BK300.
73
Após a moagem e homogeneização a mistura foi colocada em estufa, da marca
ELKA, a 700C, por 48 horas, para fins de secagem. Em seguida, a massa cerâmica
obtida foi macerada com auxílio de almofariz e pistilo. Na sequência, após a
maceração, a mistura foi peneirada com a utilização de um agitador de peneiras
empilhadas até a peneira com abertura de 0,355 mm (42 Mesh).
Nas FIGs. 3.5, 3.6 e 3.7 mostram-se os equipamentos e acessórios utilizados
durante o processamento cerâmico.
FIG. 3.5 – Estufa da marca ELKA. FIG. 3.6 – Almofariz e pistilo para maceração.
FIG. 3.7 – Agitador para areias finas.
Após peneiramento, a mistura cerâmica foi submetida a um processo de
prensagem para obtenção do “corpo verde”. Foi utilizado um conjunto constituído por
dois punções e uma matriz de camisa flutuante. Para cada corpo pesou-se 100 g da
74
massa cerâmica na balança da FIG. 3.4a e utilizou-se uma prensa hidráulica
motorizada de 30 toneladas, da marca NOWAK, para realização do processo de
prensagem. Aplicou-se uma carga de 12 toneladas, equivalente a uma pressão de
30 MPa.
Nas FIGs 3.8 e 3.9 são mostrados o conjunto pistão-matriz camisa flutuante,
bem como a prensa hidráulica utilizada.
FIG. 3.8 – Conjunto pistão-matriz camisa flutuante.
A última etapa do processamento cerâmico foi a condução do processo de
sinterização, na qual o “corpo verde” tornou-se um corpo cerâmico sinterizado com
as propriedades mecânicas desejadas para aplicação balística. A rota de
sinterização utilizada foi a mesma aplicada em trabalhos anteriores, que também
tinham como objetivo fabricar materiais para proteção balística (TRINDADE,
GOMES e LOURO, 2013). A etapa de sinterização do processamento cerâmico foi
conduzida em um forno INTI, modelo FE 1700, nas seguintes condições:
i) Aquecimento de 25°C até 158°C, utilizando uma taxa de 1°C/min;
ii) Patamar de aquecimento de 158°C por 1h;
iii) Aquecimento de 158°C até 375°C a uma taxa de 1°C/min;
iv) Aquecimento de 375°C até 1000°C a uma taxa de 8°C/min;
v) Aquecimento de 1000°C até 1400°C a uma taxa de 5°C/min;
vi) Patamar de sinterização a 1400°C por 3h;
vii) Resfriamento de 1400°C até 1000°C a uma taxa de 5°C/min;
viii) Resfriamento de 1000°C até 700°C a uma taxa de 3°C/min;
FIG. 3.9 – Prensa hidráulica motorizada,
NOWAK. (LUZ, 2014).
75
ix) Resfriamento de 700°C até 25°C através da inércia do forno após o seu
desligamento;
As três primeiras etapas foram mais lentas e destinadas a evaporação do ligante
orgânico, quando então, a composição do material resultante tornou-se 96% de
alumina e 4% de nióbia. As FIGs. 3.10 e 3.11 mostram o forno INTI e os corpos
sinterizados após o processo descrito. Neste trabalho foram produzidos e
sinterizados 60 corpos cerâmicos destinados aos diversos SBMs investigados.
FIG. 3.10 – Forno INTI FE1700 utilizado para sinterização do “corpo verde”.
FIG. 3.11 – Corpos cerâmicos obtidos após processo de sinterização.
76
3.3.1.1 CARACTERIZAÇÕES DOS CORPOS CERÂMICOS
A determinação da massa específica dos corpos cerâmicos sinterizados foi feita
através do cálculo da razão massa/volume (EQ. 3.1), e também da densificação
(EQ. 3.2) obtida em termos percentuais em relação a massa específica teórica da
mistura (Al2O3 + Nb2O5). A massa específica teórica foi calculada pela regra das
misturas a qual considera a fração de cada componente presente na mistura
resultando em 4,0049 g/cm3 (LUZ, 2014).
𝜌𝑠𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =𝑚
𝑉 EQ. 3.1
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎çã𝑜 = (𝜌𝑠𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜
𝜌) × 100% EQ. 3.2
Sendo:
ρ: massa específica teórica;
ρsinterizado: massa específica do corpo cerâmico sinterizado;
m: massa da amostra (g);
V: volume da amostra (cm3).
Como a dimensão de maior relevância é a espessura do corpo cerâmico, o
cálculo de retração linear (RL) foi feito apenas nessa dimensão, conforme a EQ. 3.3.
𝑅𝐿 =𝑒𝑣𝑒𝑟𝑑𝑒−𝑒𝑠𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜
𝑒𝑣𝑒𝑟𝑑𝑒× 100% EQ. 3.3
Sendo:
everde: espessura do corpo verde;
esinterizado: espessura da amostra sinterizada.
Os corpos cerâmicos resultantes deste processamento utilizaram matérias
primas dos mesmos fornecedores, e já tinham sido caracterizados por outros
autores (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012). Eles apresentaram uma densificação
média de 88,1% na sinterização, e massa específica média do sinterizado de 3,53
77
g/cm³. A retração linear destas peças na dimensão da espessura foi avaliada por
Luz (2014), e o valor obtido foi 12,6 ±1,4%.
3.3.2 FABRICAÇÃO DOS COMPÓSITOS DE EPÓXI-MALVA
Os compósitos de epóxi-malva foram fabricados na forma epóxi-fibras e epóxi-
tecido (100% malva e híbrido malva+juta). Os compósitos reforçados por fibras
foram utilizados em ensaios mecânicos, térmicos e balísticos; e os compósitos
reforçados por tecidos 100% malva e híbridos com juta foram utilizados apenas em
ensaios balísticos. Foram fabricados 75 corpos de prova de compósitos de matriz
epoxídica reforçados com fibras, tecidos ou 100% epóxi.
Para os compósitos a base de fibras “in natura” foi utilizada uma matriz metálica
(FIG. 3.12) com volume interno de 214,2 cm3 (dimensões 15 x 12 x 1,19cm). As
placas foram produzidas em uma prensa SKAY de 30 toneladas (FIG. 3.13). Foi
utilizada uma carga de 5 toneladas durante 24 horas para fabricação dos corpos
compósitos (LUZ, 2014; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015). Foi utilizada para as fibras
de malva como referência inicial a massa específica de 1,40 g/cm3 (AGOPYAN,
1997; OLIVEIRA, 1998) e para a resina epóxi (DGEBA-TETA) o valor de 1,15 g/cm3
(SILVA, 2014). Foram também produzidas placas compósitas com fibras
mercerizadas, em função do aumento da cristalinidade proporcionado pelo referido
tratamento (CP4). As fibras foram colocadas manualmente na matriz, alinhadas,
distribuídas e molhadas com a resina epóxi.
Quanto aos compósitos na forma epóxi-tecido foram fabricados três grupos,
todos na proporção de 30%v/v para o reforço, destinados ao teste balístico:
a) Compósitos de epóxi – tecido 100% malva (trama simples);
b) Compósitos de epóxi – tecido híbrido 70% malva / 30% juta (trama simples);
c) Compósitos de epóxi – tecido híbrido 50% malva / 50% juta (trama arraiolo).
Os compósitos reforçados com fibras contínuas e alinhadas foram fabricados
nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras para a realização de ensaios
mecânicos, térmicos e balísticos.
Na TAB. 3.5 encontram-se resumidas as principais características e objetivos
para os compósitos fabricados com diversos percentuais de fibras e tecidos de
malva. Na FIG. 3.14 são mostradas placas compósitas com percentuais de fibras
78
contínuas e alinhadas de 0 a 30%v/v sem tratamento e 30%v/v mercerizadas
conforme os parâmetros de CP4.
TAB. 3.5 – Características e objetivos dos compósitos de epóxi-fibras de malva.
Percentuais
de fibras (v/v)
Fibras (F) ou
Tecido (T)
Massa de
fibras (g)
No de placas
compósitas Objetivos
0% - - 13 a) Testes balísticos
(indentação na plastilina e
velocidade residual);
b) Ensaios de impacto
Charpy e Izod;
c) Ensaio de flexão;
d) Ensaio de tração;
e) Ensaio DMA.
f) Ensaio DSC.
g) Ensaio TGA.
h) Técnica de excitação por
impulso.
10% F 30 6
20% F 60 6
30% F 90 13
30%T*
(5% por 24h) F 90 1 Ensaio de impacto Charpy
30% T 90
9 – tecido
híbrido 70/30;
9 – tecido
híbrido 50/50;
9 – tecido
100% malva.
Testes balísticos (indentação
na plastilina e velocidade
residual)
T*(concentração e tempo de imersão em NaOH) - Fibras tratadas (mercerizadas).
FIG. 3.12 – Matriz metálica para
confecção de placas compósitas.
FIG. 3.13 – Prensa SKAY de 30 ton.
79
FIG. 3.14 – Placas compósitas com percentuais de fibras “in natura” de 0 a 30% sem tratamento e
30% com tratamento (Mercerização – 5% NaOH, 24h e sem agitação).
3.3.3 MONTAGEM DA BLINDAGEM MULTICAMADAS
Os corpos para blindagem multicamadas foram montados em sequência com o
corpo cerâmico como camada frontal, logo após o compósito epóxi-fibra de malva, e
por fim a placa de alumínio 5052 H34. Na FIG. 3.15 mostra-se o SBMs montado com
os componentes supracitados. Para junção dos componentes foi utilizada uma fina
camada de cola à base de poliuretano, da marca ULTRAFLEX. Trabalhos anteriores
relatam que a cola empregada não influenciou nos resultados dos testes balísticos
(LUZ, 2014; MILANEZI, 2015).
FIG. 3.15 – Sistema de blindagem multicamadas (SBMs) montado.
80
3.3.4 ENSAIOS BALÍSTICOS
Os ensaios balísticos objetivaram verificar a capacidade de absorção da energia
cinética de um projétil em movimento por um sistema de blindagem multicamadas ou
por materiais isolados aplicados em proteção balística. No presente trabalho dois
tipos de ensaios balísticos foram realizados. No primeiro tipo os diversos sistemas
de blindagem (FIG. 3.16) foram apoiados em um bloco de plastilina (CORFIX™) com
50 mm de espessura, a qual possui consistência semelhante a do corpo humano e
massa específica aproximada de 1,7 g/cm3 (FIG. 3.17). O objetivo foi medir o trauma
(indentação) provocado na plastilina após o impacto do projétil de munição de
calibre 7,62 mm no SBMs (FIG. 3.18). De acordo com a NIJ 0101.06 a blindagem
balística será eficiente se o trauma provocado for igual ou inferior a 44 mm. As
medições foram realizadas com um sensor à laser digital modelo Q4X Banner (FIG.
3.19).
FIG. 3.16 – Esquemático dos SBMs montados sobre a plastilina (LUZ, 2014) (adaptado).
81
FIG. 3.19 – Medida do trauma (indentação) na plastilina.
Os ensaios foram divididos em grupos conforme a formulação do material
compósito da camada intermediária. Na TAB. 3.6 estão relacionados os grupos
propostos para ensaios.
TAB. 3.6 – Grupos propostos para ensaios balísticos (indentação na plastilina).
Grupo Camada intermediária Número de placas
1 100% Epóxi.
7 placas para cada
grupo proposto.
2 Epóxi – reforçado com 30%v/v fibras
de malva contínuas e alinhadas.
3 Epóxi – reforçado com 30%v/v tecido
de malva pura.
4 Epóxi – reforçado com 30%v/v tecido
híbrido (70%p malva / 30%p juta).
5 Epóxi – reforçado com 30%v/v tecido
híbrido (50%p malva / 50%p juta).
FIG. 3.17 – Armação do suporte de tiro
preenchido com plastilina.
FIG. 3.18 – Sistema de blindagem
multicamadas apoiado na plastilina.
82
O segundo tipo de ensaio balístico teve por objetivo medir a energia absorvida
pela camada intermediária da blindagem, por meio da medição da velocidade
residual após o impacto do projétil 7,62 mm (FIG. 3.20a), com a utilização de um
radar Doppler WEIBEL SL-520P (FIG. 3.20b) pertencente ao Centro de Avaliações
do Exército (CAEx). De posse dos dados fornecidos pelo radar Doppler foi possível
calcular a velocidade limite definida pelas EQs. 2.1 e 2.2. Para avaliação da
velocidade residual realizou-se 8 disparos para cada grupo constante da TAB. 3.7.
TAB. 3.7 – Grupos propostos para ensaios balísticos (velocidade residual).
Grupo Camada intermediária Número de placas
1 100% Epóxi.
8 placas para cada
grupo proposto.
2 Epóxi – reforçado com 10%v/v fibras
de malva contínuas e alinhadas.
3 Epóxi – reforçado com 20%v/v fibras
de malva contínuas e alinhadas.
4 Epóxi – reforçado com 30%v/v fibras
de malva contínuas e alinhadas.
5 Epóxi – reforçado com 30%v/v tecido
de malva pura.
6 Epóxi – reforçado com 30%v/v tecido
híbrido (70%p malva / 30%p juta).
7 Epóxi – reforçado com 30%v/v tecido
híbrido (50%p malva / 50%p juta).
Os testes balísticos foram realizados nas seguintes condições:
i) Munição: Calibre 7,62 mm M1 (FIG. 3.21), conforme e fornecida comercialmente
ao Exercito; com projétil de massa de 9,7 gramas;
ii) Dispositivo: Provete calibre 7,62 mm (FIG. 3.22a) e um dispositivo de fixação do
alvo;
iii) Distância do alvo: 15 metros, conforme previsto na norma NIJ 0101.06 para as
munições 7,62 mm (FIG. 3.22b);
iv) Ângulo de incidência no alvo: 90°;
83
v) Quantidade de tiros para cada situação especifica: 7 (sete) disparos por grupo
– verificação do trauma na plastilina e 8 (oito) disparos por grupo – medição da
velocidade residual;
vi) Local: Centro de Avaliações do Exército - CAEx.
FIG. 3.20 – (a) Aparato para medição da velocidade residual; (b) Radar doppler, modelo SL-520P do
CAEx (LUZ, 2014) (adaptado).
FIG. 3.21 – Munição 7,62mm M1.
FIG. 3.22 – (a) Provete calibre 7,62 mm com mira laser; e (b) Esquema do sistema utilizado com
barreira óptica modelo B471 da HPI (DA SILVA, 2014; LUZ, 2014).
84
Foram também avaliadas as interações das ondas de choque nas interfaces dos
componentes dos SBMs através do método de casamento de impedâncias de
choque, levando em consideração as premissas e as equações de conservação de
Rankine-Hugoniot, anteriormente descritas.
3.3.5 PICNOMETRIA GASOSA
O picnômetro de gás possibilita determinar o volume verdadeiro de um sólido,
mesmo que poroso, por variação da pressão de gás numa câmara de volume
conhecido (WEBB e ORR, 1997). Normalmente, utiliza-se hélio porque este gás,
além de inerte, penetra facilmente nos poros (acessíveis) da amostra, devido ao
pequeno tamanho dos seus átomos, permitindo, assim, determinar o volume do
sólido com maior precisão.
O picnômetro de hélio é constituído por duas câmaras de volumes conhecidos
por calibração prévia: a câmara onde se coloca a amostra e a câmara de expansão,
ligadas por uma válvula (válvula de expansão).
Depois de levado todo o sistema à pressão atmosférica, isola-se a câmara de
expansão, fechando a válvula de expansão e pressuriza-se a câmara que contém a
amostra até uma pressão P1
(cerca de 17 psi ≈ 1,16 atm). Em seguida, a válvula de
expansão é aberta e a pressão é reduzida para um valor P2. Com isso, mediante a
equação 3.4 pode-se calcular o volume do sólido (SMITH, 1996):
𝑃1(𝑉𝑎 − 𝑉𝑠) = 𝑃2(𝑉𝑎 − 𝑉𝑠 + 𝑉𝑒) EQ. 3.4
Sendo:
Va – volume da câmara da amostra;
Ve – volume da câmara de expansão;
Vs – volume do sólido;
P1 – Pressão inicial de pressurização;
P2 – Pressão final após abertura da válvula de expansão.
85
Remanejando a EQ. 3.4 obtém-se o volume do sólido dado pela EQ. 3.5. A
massa específica será calculada automaticamente, pois a massa do sólido é
introduzida como dado de entrada.
𝑉𝑠 = 𝑉𝑎 −𝑉𝑒
𝑃1𝑃2
−1 EQ. 3.5
A principal vantagem deste método reside na sua capacidade de medir apenas o
volume da substância lenhosa, ou seja, desconta do volume total da amostra todos
os poros abertos (excetuando aqueles fechados ou inacessíveis ao gás).
A FIG. 3.23 mostra o picnômetro de hélio, ULTRAPYCNOMETER 1000 da
Quantachrome Instruments, pertencente ao Instituto Nacional de Tecnologia (INT), o
qual foi utilizado para medir a massa específica real das fibras de malva. As normas
utilizadas foram a ASTM D4892 e D5550.
FIG. 3.23 – Picnômetro de hélio ULTRAPYCNOMETER 1000 pertencente ao Instituto Nacional de
Tecnologia (INT).
86
3.3.6 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY E IZOD
Os ensaios de impacto Charpy e Izod foram realizados, respectivamente,
conforme as normas ASTM D6110 e ASTM D256, os quais diferem por fatores
ligados principalmente a metodologia e as dimensões do corpo de prova. No
entanto, o objetivo em ambos os ensaios foi obter a energia de fratura em Joules por
metro (J/m). Os ensaios foram realizados nos compósitos de epóxi, reforçados com
fibras de malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v.
Também foi realizado ensaio Charpy em compósitos de epóxi, reforçados com fibras
de malva mercerizadas com os parâmetros que proporcionaram aumento na
cristalinidade original da fibra (CP4), conforme mostrado na TAB. 3.8.
TAB. 3.8 – Grupos propostos para ensaios Charpy e Izod.
Grupos Tipo Percentual de
fibras (malva pura)
Quantidade de
amostras
1 Charpy
0%
9 amostras para cada
percentual de fibras de
malva
10%
20%
30% s/tratamento
30% c/tratamento*
2 Izod
0% 9 amostras para cada
percentual de fibras de
malva
10%
20%
30%
*Mercerização com NaOH a 5%, 24h e sem agitação.
Os ensaios Charpy foram realizados em um pêndulo da Pantec, Modelo XC-50,
1x 220 V x 60 Hz, pertencente ao LAMAV/UENF. Os ensaios Izod foram realizados
em um pêndulo da Pantec, Modelo CH/IZ-25, 220 V x 60 Hz, pertencente ao IME. O
entalhe foi feito utilizando-se uma brochadeira manual Pantec, disponível no
Laboratório de Ensaios Mecânicos do IME. A FIG. 3.24 mostra os equipamentos
supracitados.
87
FIG. 3.24 – (a) Pêndulo Pantec, Modelo XC-50, 1 x 220 V x 60 Hz, pertencente ao LAMAV/UENF; (b)
Pêndulo Pantec, Modelo CH/IZ-25, 220 V x 60 Hz e (c) Brochadeira manual Pantec, pertencentes ao
IME.
A FIG. 3.25a mostra alguns corpos de prova compósitos de epóxi reforçados
com 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras de malva sem tratamento e 30%v/v de fibras
mercerizadas, preparados para realização de ensaio Charpy. Já a FIG. 3.25b mostra
corpos de prova reforçados com os mesmos percentuais de reforço supracitados,
sem tratamento, preparados para ensaio Izod. Os corpos para ensaio Charpy foram
fabricados nas dimensões 127 x 12,7 x 10 mm e para o ensaio Izod nas dimensões
62,5 x 12,7 x 10 mm, conforme as normas já referenciadas.
FIG. 3.25 – Corpos de prova de compósito de epóxi reforçado com fibras de malva contínuas e
alinhadas nos percentuais de 0 a 30%v/v. a) Ensaio Charpy; b) Ensaio Izod.
88
3.3.7 ENSAIO DE TRAÇÃO
O ensaio de tração foi realizado em duas máquinas universais: EMIC DL10000 e
INSTRON 3365. Em ambos os equipamentos a velocidade de ensaio foi de 2 mm /
min, conforme a norma ASTM D638. Os equipamentos encontram-se disponíveis no
Laboratório de Ensaios Mecânicos (LME) do IME e no Laboratório de ensaios não
destrutivos, corrosão e soldagem (LNDC) da UFRJ. Na FIG. 3.26 são mostrados os
equipamentos descritos.
Foram produzidos dois grupos de amostras de compósitos epoxídicos
reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0, 10, 20 e
30%v/v: o primeiro grupo foi produzido a partir de moldes de silicone, conforme FIG.
3.27. E o segundo grupo foi produzido a partir de placas compósitas que foram
cortados a laser nas dimensões previstas pela norma acima referenciada. O objetivo
foi comparar os resultados, em termos de propriedades mecânicas, obtidos pelas
duas metodologias de confecção de corpos de prova. O equipamento utilizado para
o corte das amostras foi a máquina para corte a laser LC 1390, da G-WEIKE,
velocidade de deslocamento de 30 m/s e potência do laser de 70 w, pertencente ao
Centro de Tecnologia SENAI (CTS Euvaldo Lodi). As FIG. 3.28 e 3.29 mostram o
equipamento para corte a laser e as amostras produzidas respectivamente.
FIG. 3.26 – a) Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao LME/IME; b) Máquina
universal de ensaios INSTRON 3365 pertencente ao LNDC/UFRJ.
89
FIG. 3.27 – (a) Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas; (b)
Moldes de silicone utilizados para confecção de corpos de prova para ensaio de tração.
FIG. 3.28 – (a) Máquina de corte a laser LC 1390, da G-WEIKE, pertencente ao LNDC/UFRJ; (b)
Detalhe da ferramenta de corte a laser e um grupo de amostras produzidas para ensaio de tração.
FIG. 3.29 – Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva nos percentuais de 0, 10, 20
e 30%v/v cortados a laser para ensaio de tração.
90
A TAB. 3.9 apresenta as principais características dos grupos de amostras
produzidas para realização de ensaio de tração.
TAB. 3.9 – Características dos grupos de amostras para ensaio de tração.
Grupo Modo de
fabricação
Percentual de fibras de malva
contínuas e alinhadas
Quantidade de
amostras
1
A partir de
moldes de
silicone
0%
7 para cada grupo
10%
20%
30%
2
Corte a laser de
placas
compósitas
0%
10%
20%
30%
O ensaio teve por objetivo obter parametros como a tensão máxima (σmáx),
módulo de elasticidade longitudinal (E) e deformação máxima percentual (ε), bem
como o gráfico tensão-deformação. As EQs. 3.6 e 3.7 relacionam as variáveis em
análise.
𝜎𝑚á𝑥 =𝐹𝑚á𝑥
𝐴𝑜 EQ. 3.6
𝐸 =𝜎
𝜀 EQ. 3.7
Sendo:
σmáx - Tensão máxima de engenharia;
Fmáx - Carga máxima;
Ao – Área inicial da seção reta do corpo de prova;
E – módulo de elasticidade;
σ, ε – Tensão e deformação associada na região elástica.
91
3.3.8 ENSAIO DE FLEXÃO
O ensaio de flexão a três pontos foi realizado em uma máquina de ensaio
mecânico EMIC DL10000, pertencente ao LNDC/UFRJ. O equipamento é mostrado
na FIG. 3.30. Os parâmetros utilizados seguiram o previsto na norma ASTM D790.
Os corpos de prova foram confeccionados a partir de placas compósitas nas
dimensões 120 x 15 x 6 mm, a velocidade de deformação foi 2 mm / min e a
distância entre os suportes de 96 mm. A tensão máxima (σmáx) e o módulo de flexão
(E) foram calculados utilizando-se as EQs. 3.8 e 3.9.
𝜎𝑚á𝑥 =3𝐿𝑄𝑚
2𝑏𝑑2 EQ. 3.8
𝐸 =𝑄𝑚𝐿3
4𝑏𝑑3∆𝑦 EQ. 3.9
Sendo:
Qm – carga máxima;
L – a distância entre os suportes;
b; d – largura e espessura respectivamente;
Δy – a deflexão.
Foram produzidas amostras de compósitos epoxídicos reforçados por fibras de
malva nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v. O total de amostras fabricado foi de 7
para cada percentual estudado. A FIG. 3.31 mostra alguns corpos produzidos nos
diversos percentuais de reforço.
FIG. 3.30 – Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao LNDC/UFRJ.
92
FIG. 3.31 – Corpos de prova de compósitos epoxídicos reforçados com 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras
de malva contínuas e alinhadas para ensaio de flexão em três pontos.
3.3.9 CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC)
Para a análise por calorimetria diferencial de varredura (DSC) as fibras de malva
foram cominuídas e colocadas em cadinho de alumínio do equipamento Netzsch
modelo DSC 404 F1 Pegasus, pertencente ao IME, operando em atmosfera de
nitrogênio com taxas de aquecimento de 5, 7,5 e 10ºC/min, em um intervalo de
temperatura de 20 a 400ºC. Foram ensaiadas fibras de malva, epóxi puro e o
compósito de epóxi reforçado com fibras de malva. O método descrito pela ASTM
E698 foi utilizado para calcular os seguintes parâmetros cinéticos de cura: Energia
de ativação “E” (kJ/mol), fator pré-exponencial “Z” (min-1), taxa “K” (min-1) constante
para cada temperatura e o tempo médio de cura “t1/2” para o epóxi puro e o
compósito reforçado por fibras de malva, em temperaturas de 25ºC a 100ºC. A FIG.
3.32 mostra o equipamento que foi utilizado na caracterização supracitada.
FIG. 3.32 – Equipamento Netzsch modelo DSC 404 F1 Pegasus, pertencente ao IME.
93
3.3.10 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA)
Da mesma forma que na análise por DSC as fibras de malva foram cominuídas e
colocadas em cadinho de platina para análise por termogravimetria (TGA). O
equipamento utilizado foi um Shimadzu modelo DTG-60H, pertencente ao Instituto
de Pesquisas da Marinha (IPqM), operando em uma atmosfera de nitrogênio com
taxa de aquecimento de 10oC/min em um intervalo de temperatura de 30 a 700oC.
Foram ensaiadas amostras de fibras de malva, epóxi puro e compósitos epoxídicos
reforçados com fibras de malva. Durante a análise foram identificadas as
temperaturas associadas com as várias etapas de degradação dos materiais em
estudo, como a perda de umidade e a degradação dos componentes estruturais das
fibras naturais. A FIG. 3.33 mostra o equipamento utilizado nesta caracterização.
FIG. 3.33 – Equipamento Shimadzu modelo DTG-60, pertencente ao IPqM.
3.3.11 ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA (DMA)
A análise dinâmico mecânica foi realizada com o intuito de identificar os
parametros de módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e a tangente
delta (Tanδ) relacionados com o comportamento viscoelástico do material, bem
como parâmetros importantes como a temperatura de transição vítrea dos
compósitos. As amostras utilizadas foram compósitos epoxídicos reforçados com
fibras de malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v. Todo o
procedimento seguiu o previsto na norma ASTM D4065 e o modo de ensaio foi a
94
flexão em três pontos para amostras fixas por uma das extremidades (“single
cantilever”). As amostras possuiam as dimensões 46 x 12 x 3 mm. O equipamento
utilizado foi um DMA Q800, da TA Instruments, pertencente ao Instituto de
Macromoléculas da UFRJ (IMA/UFRJ). A FIG. 3.34 mostra o equipamento utilizado.
FIG. 3.34 – Equipamento TA Instruments, modelo DMA Q800, pertencente ao IMA/UFRJ.
Os parâmetros utilizados nos ensaios foram os seguintes:
a) Amplitude = 20 μm;
b) Frequência = 1Hz;
c) Força estática / dinâmica = 2N;
d) Faixa de aquecimento de 20 a 200ºC;
e) Taxa de aquecimento = 3ºC/min;
f) Atmosfera = Nitrogênio.
3.3.12 ANÁLISE POR TÉCNICA DE EXCITAÇÃO POR IMPULSO
A técnica de excitação por impulso é um ensaio não destrutivo que permite
determinar através das frequências naturais de vibração os módulos elásticos do
material. Ao sofrer um leve impacto mecânico, o corpo de prova emite uma onda
sonora que depende de suas dimensões, massa e propriedades elásticas. O
equipamento utilizado foi o Sonelastic®, da ATCP Engenharia Física, pertencente ao
Grupo de Tecnologia de Materiais do Instituto de Pesquisas da Marinha
(GTM/IPqM). Os parâmetros utilizados foram: tempo de aquisição 0,683 s e filtro de
95
detecção variando de 0,5 a 20 KHz. O procedimento foi realizado conforme a ASTM
E1876. Foram determinados os módulos de elasticidade longitudinal (E), transversal
(G) e coeficiente de Poisson (ʋ) para amostras de compósitos epoxídicos reforçados
com 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras de malva contínuas e alinhadas. Para cada grupo
foram realizadas 10 medições. A FIG. 3.35 mostra o equipamento utilizado.
FIG. 3.35 – Analisador de excitação por impulso Sonelastic® pertencente ao GTM/IPqM.
3.3.13 DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX)
A técnica de difração de raios X foi utilizada com o intuito de calcular o índice de
cristalinidade das fibras de malva não tratadas e mercerizadas com NaOH. Segundo
diversos autores o índice de cristalinidade de FNLs tem relação direta com a
resistência mecânica e o módulo de elasticidade, apesar de não ser o único fator
que determina o aumento ou redução destas propriedades (CHAND et al., 1993;
GREENBERG et al., 1989). O índice de cristalinidade (Ic) da celulose foi calculado
através da EQ. 3.10. Sendo I1 a intensidade do mínimo de difração, relacionada à
parte amorfa e I2 a intensidade do máximo de difração, relacionada à parte cristalina.
Este método foi desenvolvido por Segal, 1959 e colaboradores, e tem sido
largamente utilizado para o estudo de fibras naturais (MARTIN, 2001; MWAIKAMBO
et al., 2002; FERREIRA, et al., 2003).
𝐼𝑐 = 1 −𝐼1
𝐼2 EQ. 3.10
96
O equipamento utilizado foi um difratômetro Shimadzu, modelo XRD-6000,
anodo de Cu (cobre), detetor tipo contador de cintilação (NaI), acoplado com
monocromador de grafite, velocidade de varredura de 4o/min, potência 30 mA x 40
kV, varredura de 5o a 80o, pertencente ao Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) da
UFRJ. Na FIG. 3.36 mostra-se o equipamento utilizado. Foram obtidos 18
difratogramas conforme a TAB. 3.3 (cada corpo de prova com e sem agitação) e 1
difratograma referente as fibras de malva “in natura”, ou seja, que não sofreram
nenhum tratamento. Em todos eles foi calculado o Ic das fibras de malva.
FIG. 3.36 – (a) Difratômetro Shimadzu, modelo XRD-6000, pertencente ao IEN/UFRJ; (b) Detalhe
interno do difratômetro.
3.3.14 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
Os diversos grupos de compósitos utilizados nos SBMs (TAB. 3.6), bem como os
corpos de prova utilizados nos ensaios mecânicos já descritos tiveram suas
superfícies de fratura analisadas por microscopia eletrônica de varredura, no intuito
de associar o comportamento mecânico e balístico à microestrutura. Foi verificada a
influência dos diferentes percentuais de reforço de fibras de malva, bem como os
mecanismos de fratura atuantes, após ensaios balísticos, nos corpos de prova
compósitos reforçados por fibras ou tecidos.
Para possibilitar a visualização das superfícies mencionadas houve a
necessidade de utilizar um recobrimento condutor de platina ou ouro. Os
equipamentos utilizados foram o MEV modelo Quanta FEG 250, da FEI e o MEV
modelo JSM-5800LV, da JEOL, ambos pertencentes ao IME. Para o recobrimento
97
de platina foi utilizado o equipamento de deposição de filme de alto vácuo da marca
LEICA, modelo EM ACE600. Nas FIG. 3.37 e 3.38 são mostrados, respectivamente,
os microscópios eletrônicos de varredura e o equipamento para deposição do filme
de platina ou ouro.
FIG. 3.37 – a) Microscópio eletrônico de varredura, modelo Quanta FEG 250, da FEI; b) Microscópio
eletrônico de varredura, modelo JSM-5800LV, da JEOL.
FIG. 3.38 – a) Sistema de deposição de alto vácuo, LEICA, modelo EM ACE600 (LUZ, 2014); b)
Detalhe de amostras após recobrimento de ouro.
3.3.15 ANÁLISE ESTATÍSTICA
Foi utilizada a análise de variância (ANOVA), através do teste F, para verificar se
existiam diferenças significativas entre as médias dos resultados obtidos para
determinadas propriedades medidas em ensaios mecânicos e balísticos, variando-se
o tipo ou a fração volumétrica de fibras ou tecido de malva em cada amostra
(tratamentos). O nível de significância utilizado para todos os testes foi de 5%. A
98
tabela 3.10 resume os parâmetros estatísticos utilizados para realização da análise
de variância. Quando o valor de F calculado foi superior ao F crítico ou tabelado
concluiu-se que a hipótese nula (Ho), de que eram iguais as médias dos resultados
obtidos para cada tipo ou fração volumétrica de fibras ou tecido de malva, não era
válida. As EQ. 3.11 e 3.12 mostram como foram obtidos os valores da soma dos
quadrados do tratamento (SQT) e da soma dos quadrados total (SQTo) para um
experimento inteiramente ao acaso com amostras do mesmo tamanho. Os demais
parâmetros estatísticos foram dados iniciais da análise de variância ou
consequência matemática das equações supracitadas.
TAB. 3.10 – Parâmetros estatísticos utilizados na análise de variância (ANOVA).
Causas de
variação GL
Soma de
quadrados
Quadrado
médio
F
calculado F crítico (tabelado)
Tratamentos k - 1 SQT QMT QMT/QMR
Tabela F
(5% de significância)
Resíduo k(r - 1) SQR QMR
Total kr - 1 SQTo
Sendo:
GL – nº de graus de liberdade;
k – nº de tratamentos (tipos ou percentuais de reforço de tecido ou fibras de malva
utilizados);
r – nº de repetições do tratamento
n – (nº de tratamentos) x (nº de repetições do tratamento);
k(r - 1) - nº de graus de liberdade do resíduo;
(kr – 1) – nº total de graus de liberdade;
SQT – Soma dos quadrados dos tratamentos;
SQT = ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜) 2
𝑟−
(∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒))2
𝑛 EQ. 3.11
SQR – Soma dos quadrados do resíduo (SQR = SQTo – SQT);
SQTo – Soma dos quadrados total;
SQTo = ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒)2 −(∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒))2
𝑛 EQ. 3.12
99
QMT – Quadrado médio dos tratamentos (QMT = SQT / (k-1));
QMR – Quadrado médio do resíduo (QMR = SQR / k(r – 1));
Neste caso: ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜) = ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒).
Após a verificação da existência de diferença significativa entre as médias dos
resultados obtidos (validade da hipótese alternativa H1), para os diversos tipos e
frações volumétricas de fibras ou tecido de malva, foi utilizado o Teste de Tukey,
também conhecido como teste da diferença honestamente significativa (HSD). O
objetivo foi avaliar quantitativamente dois a dois cada um dos tipos ou percentuais
de fibras ou tecido utilizados (tratamentos). Trata-se de um teste de hipóteses, no
qual, a partir dos resultados obtidos rejeita-se ou não a hipótese de igualdade com
base na diferença mínima significativa (d.m.s), dada pela EQ. 3.13.
𝑑. 𝑚. 𝑠. = 𝑞 ∙ √𝑄𝑀𝑅
𝑟 EQ. 3.13
Sendo:
q a amplitude total estudentizada (valor tabelado), a qual é função do grau de
liberdade (GL) do resíduo e do número de tratamentos; QMR é o quadrado médio do
resíduo; e r é o número de repetições de cada tratamento.
Com isso, pôde-se verificar comparativamente a influência dos tipos e
percentuais de reforço de fibras ou tecido de malva, utilizados na matriz epoxídica,
nas diversas amostras de ensaios balísticos e mecânicos, e concluir
qualitativamente e quantitativamente, qual configuração possibilitou resultados mais
expressivos nas propriedades medidas.
100
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 ENSAIOS BALÍSTICOS
O foco do presente trabalho foi a análise do desempenho balístico da camada
intermediária (compósito) tanto individualmente, quanto dentro de um SBMs. No
entanto, tanto a camada frontal cerâmica, quanto a própria camada intermediária de
compósito foram caracterizadas, em algumas de suas propriedades, no intuito de
possibilitar a comparação de resultados com trabalhos similares que também
verificaram a eficiência de outros compósitos, pertencentes a SBMs, e que
utilizavam pastilhas cerâmicas e placas de alumínio como componentes da
blindagem (DA CRUZ, 2015; LUZ, 2014; DE ARAÚJO, 2015; MILANEZI, 2015;
BRAGA, 2015; ASSIS, 2016). Para as placas de alumínio foram utilizados os valores
referenciados na TAB. 3.4, os quais foram investigados por BRAGA (2015).
4.1.1 CAMADA FRONTAL CERÂMICA
Em todos os ensaios balísticos a camada frontal cerâmica foi completamente
destruída, sendo responsável pela absorção de aproximadamente 65% da energia
cinética do projétil que incidiu sobre o SBMs (SILVA, 2014; LUZ, 2014; MILANEZI,
2015; BRAGA, 2015; ASSIS, 2016). A TAB. 4.1 mostra os valores médios obtidos
para massa específica, espessura, densificação e retração linear para as amostras
cerâmicas.
TAB. 4.1 – Propriedades das amostras cerâmicas à base de alumina/nióbia sinterizadas.
Massa específica (g/cm3)
Espessura (mm) Densificação (%) Retração Linear (%)
3,45 ± 0,03 10,56 ± 0,10 86,20 ± 0,75 15,56 ± 0,83
Os valores exibidos na TAB. 4.1 foram coerentes e próximos daqueles obtidos
por LUZ (2014), MILANEZI (2015) e ASSIS (2016). Eles demonstraram
homogeneidade de metodologia e processamento, conforme rota previamente
estabelecida também por outros autores para obtenção dos seus melhores
resultados balísticos (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012).
101
A fratura dinâmica das placas cerâmicas ocorreu de modo predominantemente
intergranular, o que pode ser explicado pela adição de 4%p de Nb2O5. De acordo
com GOMES (2014) a nióbia reage com a alumina e forma precipitados frágeis no
contorno de grão (AlNbO4), os quais provocam a modificação do modo de fratura de
transgranular para intergranular. Tal configuração de falha é desejável para
aplicações balísticas, pois a energia de impacto absorvida pela placa cerâmica
torna-se maior, em função do maior caminho a ser percorrido pelas trincas,
maximizando a criação de novas superfícies livres. A FIG. 4.1 mostra uma imagem
de MEV, após ensaio balístico, salientando o mecanismo intergranular descrito.
FIG. 4.1 – MEV da superfície de fratura cerâmica após ensaio balístico (aumento de 10000x).
4.1.2 CAMADA INTERMEDIÁRIA COMPÓSITA
A camada intermediária da blindagem multicamadas foi monitorada com relação
a massa específica final do compósito (determinada geometricamente) e a massa
específica das fibras utilizadas (determinada através da regra das misturas na EQ.
2.3), para fins de comparação com a literatura e controle do processo de fabricação.
Os valores obtidos estão mostrados na TAB. 4.2 e foram coerentes com a previsão
de outros autores que trabalharam com as fibras de malva e juta (LUZ, 2014; ASSIS,
2016; AGOPYAN et al., 1997), e obtiveram massa específicas entre 1,30 g/cm3 e
1,45 g/cm3.
102
TAB. 4.2 – Massa específica dos compósitos e das fibras obtidos geometricamente e por regra das
misturas.
Grupos Especificação Massa específica
do compósito (g/cm
3)
Massa específica das fibras e
tecidos (g/cm3)
1 100% Epóxi 1,15 ± 0,04 *
2 Epóxi - reforçado com 10%v/v de
fibras de malva 1,16 ± 0,02 1,36 ± 0,03
3 Epóxi - reforçado com 20%v/v de
fibras de malva 1,18 ± 0,02 1,35 ± 0,04
4 Epóxi - reforçado com 30%v/v de
fibras de malva 1,21 ± 0,02 1,37 ± 0,04
5 Epóxi - reforçado com 30%v/v de
tecido de malva 1,18 ± 0,02 1,35 ± 0,03
6 Epóxi - reforçado com 30%v/v de
tecido híbrido malva/juta (70%/30%p) 1,17 ± 0,02 1,27 ± 0,04
7 Epóxi - reforçado com 30%v/v de
tecido híbrido malva/juta (50%/50%p) 1,18 ± 0,02 1,33 ± 0,02
4.1.3 ENSAIOS BALÍSTICOS SOBRE A PLASTILINA
Foram realizados ensaios balísticos de medição do trauma sobre a plastilina nos
grupos explicitados na TAB. 3.5. Em cada grupo foram utilizados 7 SBMs. Em
nenhum grupo testado houve penetração completa do SBMs pelo projétil 7,62 mm e
o trauma sobre a plastilina foi inferior a 44 mm, valor considerado letal ao ser
humano pela norma NIJ 0101.06. Os resultados obtidos estão apresentados na TAB.
4.3.
103
TAB. 4.3 – Resultados de testes balísticos para medição do trauma sobre a plastilina.
Grupos
Camada intermediária
Quantidade de
SBMs testados
em cada grupo
Valor médio do
trauma sobre a
plastilina (mm)
Referência
1 100% Epóxi.
7
23,75 ± 2,371 *PT
2
Epóxi – reforçado com
30%v/v fibras de malva
contínuas e alinhadas.
22,40 ± 1,290 *PT
3
Epóxi – reforçado com
30%v/v tecido de malva
pura.
21,41 ± 1,370 *PT
4
Epóxi – reforçado com
30%v/v tecido híbrido
(70%p malva / 30%p juta).
23,15 ± 2,359 *PT
5
Epóxi – reforçado com
30%v/v tecido híbrido
(50%p malva / 50%p juta).
23,17 ± 2,416 *PT
6
Epóxi reforçado com
30%v/v tecido de juta
pura.
10 20,67 ± 3,109 LUZ, 2014
7
Kevlar™: 18 camadas de
tecido de aramida coladas
com policloroprene.
10 22,67 ± 2,787
LUZ, 2014;
MONTEIRO
et al., 2016
*PT – Presente trabalho
Pela análise visual percebe-se nas FIG. 4.2 a FIG. 4.5 que o principal
mecanismo de falha dos compósitos dos grupos de 2 a 5 foi a delaminação de
camadas, mostrando grande absorção da energia de impacto. No entanto, foi
possível observar simultaneamente a ocorrência também de outros mecanismos
dissipadores de energia, e que influenciaram sobremaneira o desempenho balístico,
como por exemplo, a fratura das fibras (MORYE et al., 2000).
104
Analisando-se os resultados de outros autores que trabalharam com compósitos
reforçados com FNLs, com aplicações em blindagem multicamadas, percebeu-se o
grande potencial da malva (fibra e tecido) nesta área de conhecimento (LUZ, 2014;
SILVA, 2014; ASSIS, 2016), mesmo em relação a tradicional aramida.
FIG. 4.2 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido de malva (30%v/v de
fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.
FIG. 4.3 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com fibras de malva contínuas e
alinhadas (30%v/v de fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.
105
FIG. 4.4 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido híbrido malva/juta
(70%/30%p) - (30%v/v de fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.
FIG. 4.5 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido híbrido malva/juta
(50%/50%p) - (30%v/v de fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.
Na FIG. 4.6a percebe-se a ocorrência de partículas cerâmicas aderidas ao
compósito de matriz epóxi com reforço de tecido híbrido malva/juta (50%/50%p),
após o ensaio balístico, visualizadas por MEV na FIG. 4.6b e comprovadas por
espectroscopia de energia dispersiva (EDS) na FIG. 4.7. Nas imagens supracitadas
foi possível evidenciar os mecanismos de fratura atuantes, bem como fibras
rompidas e algumas ainda íntegras após o teste balístico. Alguns trabalhos sobre
SBMs (SILVA, 2014; LUZ, 2014; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015; ASSIS, 2016)
mostraram que a camada de compósito ou Kevlar™ possui além da função de
oferecer resistência à penetração do projétil, incidindo diretamente na blindagem, o
papel de reter os minúsculos fragmentos cerâmicos gerados após a completa
106
ruptura da camada cerâmica frontal, pela atuação de ondas de tração geradas no
processo.
FIG. 4.6 – (a) Partículas cerâmicas aderidas ao compósito de epóxi reforçado com tecido híbrido
malva/juta (50%/50%p); (b) Microscopia eletrônica de varredura da FIG. 4.6(a).
FIG. 4.7 – Espectroscopia de energia dispersiva da FIG. 4.6.
Independentemente do tipo de compósito ensaiado, as imagens de MEV (FIG.
4.8b a 4.8e) evidenciaram claramente a semelhança nos principais mecanismos de
fratura atuantes no processo, para os grupos 2 a 5 da TAB. 4.3: delaminação de
camadas, fratura de fibras e arrancamento de fibras (“pull-out”). Como exceção, a
imagem da FIG. 4.8a, mostrou uma superfície de fratura da placa 100% epóxi, que
apresentou fratura completa após impacto balístico, justificando a alta absorção de
energia e, por conseguinte, o valor de trauma na plastilina compatível com os
demais grupos ensaiados. No entanto, os principais mecanismos atuantes foram
aqueles correspondentes a fratura frágil e catastrófica, tipificados pela clivagem de
planos e marcas de rio.
107
Os resultados encontrados foram compatíveis com análises balísticas realizadas
por outros autores em compósitos poliméricos reforçados com outras fibras naturais,
como por exemplo, o curauá (SILVA, 2014; BRAGA, 2015), rami (MILANEZI, 2015) e
sisal (BOLZAN, 2016).
FIG. 4.8 – (a) Compósito 100% epóxi (400x); (b) Compósito epóxi reforçado com tecido de malva
(30%v/v de fibras) (500x); (c) Compósito epóxi reforçado com fibras de malva (30%v/v de fibras)
(400x); (d) Compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido híbrido malva/juta (70%/30%p) (300x);
(e) Compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido híbrido malva/juta (50%/50%p) (500x).
Realizou-se análise de variância (ANOVA) para verificar se houve diferença
significativa entre as médias dos traumas produzidos na plastilina pelos grupos 1 a 7
da TAB. 4.3. Os resultados encontrados são mostrados na TAB. 4.4.
TAB. 4.4 Análise de variância das profundidades médias produzidas na plastilina pelo impacto de
projétil 7,62 mm nos SBMs da TAB. 4.3.
Causas de variação GL Soma de
quadrados
Quadrado
médio
F
calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 4 12,41 3,10 1,38 2,87
Resíduo 20 45,11 2,26
Total 24 57,52
108
A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.4 aceita-se a
hipótese de que as médias são iguais com nível de significância de 5%, pois pela
estatistica “F”, tem-se: F calculado < F crítico (tabelado). Portanto, não houve
diferença entre os grupos da TAB. 4.3, em relação ao trauma provocado na plastilina
após ensaio balístico.
Analisando-se o grupo 1 (100% epóxi), verificou-se que, apesar de não possuir
diferença significativa para os demais, reforçados por fibras ou tecidos 100% malva
ou híbridos, a placa foi completamente destruída após ensaio balístico. Este
comportamento torna o material 100% epóxi inadequado para utilização em proteção
individual, já que não seria possível resistir a impactos subsequentes, além do
primeiro projétil.
Quanto aos grupos de 2 a 5 foi realizada uma análise econômica para justificar a
viabilidade da fibra natural, principalmente ao compará-la com o tradicional Kevlar™,
o qual ainda está bastante presente atualmente em coletes destinados a proteção
individual. A TAB. 4.5 mostra os resultados obtidos, que também foram coerentes
com estudos econômicos realizados por outros autores, no intuito de motivar e
justificar a utilização de compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras
naturais, em blindagem balística (LUZ et al., 2015; MONTEIRO et al., 2015; ROHEN
et al., 2015; MONTEIRO et al., 2016).
109
TAB. 4.5 Avaliação do peso e do custo dos diferentes SBMs.
Componentes
da blindagem
Volume
(cm3)
Massa
específica
(g/cm3)
Peso (kgf)
Preço por kg
(US$
dólares)
Custo dos
componentes
(US$ dólares)
Pastilhas
cerâmicas de
Al2O3
225 3,72 0,837 33,00 27,62
Placas de tecido
de aramida 225 1,44 0,324 63,60 20,61
Placas de
compósito de
epóxi reforçado
com fibras ou
tecido 100%
malva
225 1,19 0,268
Fibra 9,41
(30%)
5,17 Epóxi 23,50
(70%)
Placas de
compósito de
epóxi reforçado
com tecido
híbrido 70%
malva e 30%
juta
225 1,18 0,266
Fibra 9,41
(30%)
5,13 Epóxi 23,50
(70%)
Placas de
compósito de
epóxi reforçado
com tecido
híbrido 50%
malva e 50%
juta
225 1,17 0,263
Fibra 5,57
(30%)
4,77 Epóxi 23,50
(70%)
Placa de
alumínio 5052
H34
112,5 2,70 0,304 11,24 3,42
% de redução de peso
(usando compósito
reforçado por tecido 100%
malva)
3,82
% de redução de custo
(usando compósito
reforçado por tecido
100% malva)
29,89
% de redução de peso
(usando compósito
reforçado por tecido 70%
malva e 30% juta)
3,96
% de redução de custo
(usando compósito
reforçado por tecido 70%
malva e 30% juta)
29,97
% de redução de peso
(usando compósito
reforçado por tecido 50%
malva e 50% juta)
4,16
% de redução de custo
(usando compósito
reforçado por tecido 50%
malva e 50% juta)
30,67
110
Pela TAB. 4.5 verifica-se uma redução em torno de 4% no peso da blindagem e
uma redução da ordem de 30% no custo do SBMs, comparativamente ao sistema
que utiliza o Kevlar™. Tais resultados tornam promissora a utilização de compósitos
epoxídicos reforçados com malva, na forma de fibras, tecidos puros ou híbridos com
juta. Cabe ressaltar as características e propriedades bastante semelhantes entre a
juta e a malva, verificados pelos resultados com a utilização dos tecidos híbridos e
pelos resultados obtidos por outros autores, visando proteção balística (LUZ, 2014;
ASSIS, 2016).
4.1.4 ENSAIOS BALÍSTICOS DE VELOCIDADE RESIDUAL
Com o objetivo de verificar a resistência balística individual de cada componente
do SBMs, foi realizado o ensaio de velocidade residual, sendo assim possível
estimar a energia absorvida (Eabs) e a velocidade limite (VL) de cada amostra, com o
auxílio de um radar Doppler (FIG. 3.20b) e utilizando-se as EQ 2.1 e EQ 2.2. Neste
ensaio todas as amostras foram perfuradas e atravessadas pelo projétil,
diferentemente dos testes realizados sobre a plastilina. Isto possibilitou a medição
da energia absorvida por cada componente presente na blindagem. Os grupos e as
quantidades testadas estão descritos na TAB. 3.7. A FIG. 4.9 exemplifica os pontos
experimentais obtidos a partir do espectro de radar Doppler de um corpo de prova
do compósito epóxi-tecido 100% malva (30%v/v) e a curva polinomial contínua
ajustada.
111
FIG. 4.9 - Gráfico de pontos experimentais do compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido 100%
malva.
Pode-se perceber que aproximadamente a 840 m/s ocorreu uma queda abrupta
de velocidade, o que caracterizou o momento de impacto no alvo. Essa velocidade
foi definida como sendo a velocidade de impacto (Vi) e a velocidade mínima atingida
nessa queda definiu a velocidade residual (Vr). Gráficos semelhantes foram obtidos
para os demais componentes do SBMs e com base nos resultados extraídos desses
gráficos determinou-se tanto a velocidade limite (VL) quanto a energia absorvida
(Eabs). Na TAB. 4.6 são mostrados os resultados de velocidade média de impacto do
projétil (Vi), velocidade residual média (Vr), energia absorvida (Eabs) e sua
porcentagem em relação à energia total (% Eabs), bem como a estimativa da
velocidade limite (VL). Para fins comparativos também foram apresentados os dados
de outros autores que também estudaram SBMs baseados em fibras naturais na
TAB. 4.7 (LUZ, 2014; DA SILVA, 2014; DE ARAÚJO, 2015; BRAGA, 2015; ASSIS,
2016).
Momento inicial do impacto no alvo (Vi)
Momento final do impacto no alvo (Vr)
112
TAB. 4.6 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia absorvida e velocidade
limite para cada componente do sistema de blindagem multicamadas.
Componentes
da blindagem Vi (m/s) Vr (m/s) Eabs (J) % Eabs VL (m/s) **Ref.
Al2O3 +
4%Nb2O5 846,96 ± 4,15 492,59 ± 49,56 2290,45 65,87 689,39 ± 33,51 *PT
Liga de
alumínio 5052
H34
844,65 ± 6,51 813,26 ± 8,03 252,26 7,28 226,68 ± 25,11 *PT
Compósito
100% epóxi 848,08 ± 6,20 817,01 ± 8,87 250,73 7,20 227,02 ± 12,52 *PT
Compósito
100% malva
(30% v/v) -
Tecido
842,26 ± 7,06 809,56 ± 6,05 261,98 7,60 231,71 ± 18,14 *PT
Compósito
70%p malva /
30%p juta
(30% v/v) -
Tecido
845,62 ± 4,67 815,13 ± 4,86 245,59 7,08 224,40 ± 16,83 *PT
Compósito
50%p malva /
50%p juta
(30% v/v) -
Tecido
838,97 ± 4,43 806,69 ± 3,08 257,70 7,54 230,30 ± 9,85 *PT
Compósito
100% malva
(30% v/v) -
Fibras
840,00 ± 11,19 807,96 ± 11,52 256,02 7,48 229,54 ± 10,06 *PT
Compósito
100% malva
(20% v/v) -
Fibras
843,39 ± 5,33 807,07 ± 8,57 290,53 8,42 243,81 ± 21,42 *PT
Compósito
100% malva
(10% v/v) -
Fibras
845,02 ± 6,78 815,09 ± 9,78 240,72 6,95 220,92 ± 28,77 *PT
*PT – Presente trabalho
**Ref. - Referência
113
TAB. 4.7 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia absorvida e velocidade
limite para cada componente do sistema de blindagem multicamadas obtidos por outros autores.
Componentes
da blindagem Vi (m/s) Vr (m/s) Eabs (J) % Eabs VL (m/s) **Ref.
Tecido de
aramida
(16 camadas)
862 ± 7,00 835 ± 10,00 221,00 6,10 212 ± 23 BRAGA,
2015
Compósito
epóxi - juta
(30% v/v) -
Tecido
841,45 ± 6,50 822,81 ± 6,41 150,50 4,40 176,16 LUZ,
2014
Compósito
poliéster -
juta (30% v/v)
- Tecido
839,32 ± 8,25 812,99 ± 8,65 189,45 5,37 200,00 ASSIS, 2016
Compósito
epóxi - sisal
(30% v/v) -
Tecido
844,91 ± 6,04 817,46 ± 4,82 221,33 6,40 213,62
DE
ARAÚJO,
2015
Compósito
epóxi - sisal
(30% v/v) -
Fibras
845,06 ± 3,54 823,86 ± 5,10 171,58 5,00 188,09
DE
ARAÚJO,
2015
Compósito
epóxi -
curauá (30%
v/v) - Fibras
848,30 ± 6,36 835,29 ± 6,17 106,16 3,00 147,95 DA SILVA,
2014
Compósito
poliéster -
curauá (30%
v/v) - Fibras
858,00 ± 3,00 833,00 ± 10,00 210,00 5,80 207,00 BRAGA,
2015
**Ref. - Referência
Conforme a TAB. 4.6, observa-se que o material cerâmico foi aquele que mais
dissipou energia cinética proveniente do projétil, em torno de 65%, devido a sua alta
resistência a compressão e capacidade de fragmentação, criando novas superfícies
114
livres (GOMES, 2004; DA SILVA, 2014). Através da medida da velocidade residual,
foi possível constatar que nenhum material, quando aplicado individualmente nas
dimensões utilizadas nos ensaios, seria eficiente para utilização como blindagem
nível III, contra munições de calibre 7,62 x 51 mm. No entanto, percebeu-se
claramente o efeito sinergético dos componentes de um SBMs (MILANEZI, 2015),
pois individualmente as camadas: cerâmica, compósito e alumínio, não chegam a
absorver 85% da energia do projétil. Contudo, as mesmas camadas unidas por uma
fina camada de poliuretano, propiciaram além da não perfuração da blindagem, a
absorção de energia de impacto suficiente para satisfazer o requisito de
profundidade máxima de 44 mm, nos ensaios sobre a plastilina, previstos pela NIJ
0101.06.
Os valores da velocidade limite (VL) e energia absorvida (Eabs), para os
compósitos de matriz epoxídica reforçados com tecido ou fibras 100% malva ou
tecidos híbridos malva/juta (70/30 e 50/50) apresentaram valores superiores aqueles
encontrados por outros autores para a aramida (BRAGA, 2015), epóxi-tecido de juta
(LUZ, 2014), poliéster-tecido de juta (ASSIS, 2016), epóxi reforçado com fibras ou
tecido de sisal (DE ARAÚJO, 2015), epóxi ou poliéster reforçados com fibras de
curauá (DA SILVA, 2014; BRAGA, 2015), em torno de 225 m/s e 250 J,
respectivamente. O fato pode ser explicado pelas boas propriedades mecânicas da
malva, conforme anteriormente demonstrado por Margem (2013). Houve dissipação
de uma maior quantidade de energia cinética do projétil através dos mecanismos de
fratura frágil da matriz epóxi, em conjunto com mecanismos dúcteis como
delaminação entre camadas, deformação elástica do compósito, cisalhamento das
camadas e tensão à ruptura das fibras (MORYE et al., 2000; LUZ, 2014). Em todos
os casos analisados por este trabalho, os parâmetros obtidos para o ensaio de
velocidade residual, foram superiores aqueles encontrados para o tecido de aramida
(212 m/s e 221 J), o que evidencia a viabilidade das fibras/tecido de malva para
utilização em aplicações balísticas. Fato este também corroborado pela favorável
análise econômica realizada na TAB. 4.5.
De maneira geral, os compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais na
configuração tecido, apresentam desempenhos balísticos superiores (DE ARAÚJO,
2015; BRAGA, 2015) quando comparados com os compósitos reforçados por fibras
contínuas e alinhadas (DA SILVA, 2014; DE ARAÚJO, 2015; BRAGA; 2015) quando
115
aplicados como camada intermediária nos sistemas de blindagem multicamadas.
Este comportamento pode ser justificado já que as fibras, na configuração tecido,
propiciaram uma melhor distribuição de tensões, nas várias frentes das trincas de
delaminação (HOSUR et al., 2004).
Foram também realizadas análises de variância (ANOVA) e o teste de Tukey
para verificação se havia diferença significativa entre os resultados obtidos para a
energia absorvida (Eabs) entre os compósitos epoxídicos reforçados com tecido de
malva ou híbrido com juta, e para verificação da influência do percentual de fibras de
malva nos casos dos compósitos reforçados com fibras contínuas e alinhadas. As
TAB. 4.8, TAB. 4.9 e TAB. 4.10 mostram os resultados obtidos.
TAB. 4.8 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os compósitos epoxídicos
reforçados com tecido de malva ou híbrido com juta.
Causas de variação GL Soma de
quadrados
Quadrado
médio
F
calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 3 4641 1547 2,05 3,49
Resíduo 12 9048 754
Total 15 13689
A partir dos resultados de análise de variância da TAB. 4.8 aceita-se a hipótese
de que as médias são iguais com nível de significância de 5%, pois pela estatística
“F”, tem-se: F calculado (2,05) < F crítico ou tabelado (3,49). Portanto, pode-se
afirmar que não houve diferença significativa entre os seguintes componentes dos
SBMs presentes na TAB. 4.6, em relação à energia absorvida (Eabs) pelo compósito
após ensaio balístico de velocidade residual:
a) Compósito 100% malva (30% v/v) – Tecido;
b) Compósito 70%p malva / 30%p juta (30% v/v) – Tecido;
c) Compósito 50%p malva / 50%p juta (30% v/v) – Tecido;
d) Tecido de aramida (16 camadas).
A verificação de que as médias das energias absorvidas pelos compósitos
reforçados com tecido de malva ou híbrido com juta foram iguais a média da energia
absorvida pelo tecido de aramida, aliado a análise estatística do trauma provocado
na plastilina, após ensaio balístico desses compósitos nos SBMs e aliado a análise
116
econômica realizada na TAB. 4.5 demonstrou-se a potencialidade da aplicação da
malva com objetivo de proteção balística. Este fato também foi observado no estudo
de Monteiro et al. (2016b) no caso das fibras de curauá.
TAB. 4.9 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os compósitos epoxídicos
reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas.
Causas de variação GL Soma de
quadrados
Quadrado
médio
F
calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 4 13399 3350 3,37 2,87
Resíduo 20 19859 993
Total 24 33258
A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.9 rejeita-se a
hipótese de que as médias são iguais com nível de significância de 5%, pois pela
estatistica “F”, tem-se: F calculado (3,37) > F crítico ou tabelado (2,87). A diferença
média significativa (dms) encontrada foi 59,61. Portanto, a fração volumétrica de
fibras de malva nos compósitos de matriz epoxídica reforçados com fibras contínuas
e alinhadas têm efeitos diferentes na energia absorvida (Eabs) após ensaio balístico
de velocidade residual. Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey para comparação de
médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para verificar qual fração
volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores resultados em termos de
energia absorvida (Eabs) pelo compósito após ensaio balístico de velocidade residual.
Os seguintes componentes dos SBMs presentes na TAB. 4.6 foram testados:
a) Compósito epoxídico reforçado com 30% v/v de fibras de malva contínuas e
alinhadas;
b) Compósito epoxídico reforçado com 20% v/v de fibras de malva contínuas e
alinhadas;
c) Compósito epoxídico reforçado com 10% v/v de fibras de malva contínuas e
alinhadas;
d) Compósito 100% epoxídico;
e) Tecido de aramida (16 camadas).
117
TAB. 4.10 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da energia absorvida (Eabs),
pelos compósitos reforçados com fibras de malva de 0 a 30%v/v e tecido de aramida (16 camadas),
após ensaio balístico de velocidade residual e aplicação do teste de Tukey.
Fração
volumétrica de
fibras de malva e
tecido de aramida
30%
fibras de
malva
20%
fibras de
malva
10%
fibras de
malva
0% fibras
de malva
Tecido de
aramida
(16 camadas)
30% fibras de
malva 0 43,6 15,2 3,8 26,4
20% fibras de
malva 43,6 0 28,4 47,4 70
10% fibras de
malva 15,2 28,4 0 19 41,6
0% fibras de
malva 3,8 47,4 19 0 22,6
Tecido de aramida
(16 camadas) 26,4 70 41,6 22,6 0
A TAB. 4.10 mostra que houve diferença entre os valores médios de energia
absorvida (Eabs) entre o compósito epoxídico reforçado com 20%v/v de fibras de
malva (290,53 J) e o tecido de aramida com 16 camadas (221 J). Uma possível
explicação seria que os compósitos de epóxi reforçados com 20%v/v de fibras de
malva estão na transição entre os mecanismos de fratura frágil, atuantes
principalmente através da matriz epoxídica e dúctil, cada vez mais presentes a
medida que cresce a fração volumétrica de fibras. No entanto, deve-se lembrar da
maior integridade obtida nos SBMs que possuem camada intermediária com 30%v/v
de fibras/tecidos de malva, após o impacto do projétil de alta velocidade. Além da
necessidade de combinação com o ensaio de trauma na plastilina, o qual segundo
outros autores mostra claramente que o percentual de reforço de 30%v/v (fibras ou
tecido), é mais adequado aos requisitos previstos pela NIJ 0101.06 (DA SILVA,
2014; DE ARAÚJO, 2015; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015; ASSIS, 2016), não
excedendo a profundidade máxima de 44 mm.
118
4.2 INTERAÇÕES DAS ONDAS DE CHOQUE NAS BLINDAGENS
MULTICAMADAS
O método de casamento de impedância e as equações de conservação de
Rankine-Hugoniot (EQ. 2.8, EQ. 2.9 e EQ. 2.10) foram aplicados para análise das
interações de ondas de choque nos SBMs. Para fins de comparação dos resultados
obtidos neste estudo com trabalhos anteriores (DA SILVA, 2014, LUZ, 2014, DA
CRUZ, 2015; DE ARAÚJO, 2015; ASSIS, 2016), foi calculada a impedância de
choque, as velocidades de partículas e pressão na interface para as diferentes
configurações de blindagem multicamadas.
Como não foi possível obter, na literatura, parâmetros específicos para os
compósitos epóxi-fibras de malva, epóxi-tecido de malva e epóxi-tecido híbrido
malva/juta (70/30 e 50/50), utilizou-se a velocidade da onda elástica (VE), expressa
pela EQ. 2.5, no lugar da velocidade de onda de choque (Us), conforme sugerido por
Meyers (1994). Utilizou-se as equações da regra das misturas, para estimar o
módulo de elasticidade (EQ. 2.3) e a massa específica (EQ. 4.1) do compósito
epóxi-malva.
ρcp = ρm ∙ Vm + ρf ∙ Vf EQ. 4.1
Sendo:
ρcp → Massa específica do compósito;
ρm → Módulo de elasticidade da matriz;
ρf → Módulo de elasticidade da fibra;
Vm → Fração volumétrica da matriz;
Vf → Fração volumétrica da fibra.
Para a resina epóxi, fibras de malva e fibras de juta os valores referentes ao
módulo de elasticidade foram extraídos da literatura (CALLISTER e RETHWISH,
2012; SATYANARAYANA et al., 2007; MONTEIRO et al., 2011). Para os compósitos
combinou-se a da regra das misturas (EQ. 4.1) com a técnica de excitação por
impulso descrita na seção 3.3.13 deste trabalho. Nas TAB. 4.11 e TAB.4.12 são
mostrados os parâmetros característicos dos materiais utilizados nos sistemas de
blindagem multicamadas.
119
TAB. 4.11 Valores tabelados da velocidade da onda de choque e dos parâmetros característicos dos
materiais utilizados nos SBMs.
Material ρ
(kg/m3) C0 (m/s) S *Us (m/s) Referência
Chumbo 11300 2066 1,517 2066 + 1,517UP MEYERS,
1994
Aramida 1440 1180 2,420 1180 + 2,420UP MEYERS,
1994
Alumínio 2700 5328 1,338 5328 + 1,338UP MEYERS,
1994
Alumina 3890 7455 1,299 7455 + 1,299 UP KLEISER et
al., 2011
*Us = C0 + SUP
TAB. 4.12 Valores da massa específica, módulo de elasticidade e da onda elástica dos compósitos
epóxi-malva e híbridos epóxi-malva/juta.
Material ρ
(g/cm³)
Emín.
(GPa)
Emáx.
(GPa) C0 (mín.) (m/s) C0 (máx.) (m/s)
Malva 1,37 17,40 62,70 - -
Juta 1,30 13,00 27,00 - -
100 % Epóxi 1,15 2,41 2,41 1447,60 1447,60
Compósito Epóxi-Fibras
de malva (30%v/v) 1,22 6,91 20,50 2383,30 4105,60
Compósito Epóxi-Tecido
de malva (30%v/v) 1,22 6,91 20,50 2383,30 4105,60
Compósito Epóxi-Tecido
híbrido 70%malva e
30%juta (30%v/v)
1,17 6,51 17,28 2358,84 3843,08
Compósito Epóxi-Tecido
híbrido 50%malva e
50%juta (30%v/v)
1,18 6,25 15,14 2301,44 3581,97
120
A FIG. 4.10 apresenta um dos gráficos obtidos pelo método de casamento de
impedância. Nela, mostram-se as interações das ondas de choque em cada
interface do sistema de blindagem multicamadas. Neste gráfico, o sistema de
blindagem multicamadas utilizado foi aquele onde a camada intermediária foi o
compósito de matriz epóxi reforçado com 30%v/v de tecido de malva. Nos demais
SBMs estudados o perfil gráfico assemelha-se ao da FIG. 4.10. A resolução dos
cálculos nas interfaces pode ser resumida em três etapas: interface projétil
(chumbo)/alumina; interface alumina/compósito; e interface compósito/alumínio.
Também foram consideradas as interfaces alumina/aramida e aramida/alumínio para
fins comparativos. A velocidade de projétil adotada foi a mesma utilizada por LUZ
(2014), DE ARAÚJO (2015), DA CRUZ (2015) e ASSIS, 2016 de 863,63 ± 9,46 m/s,
para estabelecer uma base comparativa.
FIG. 4.10 - Gráfico do casamento de Impedâncias na blindagem multicamadas com compósito epóxi-
malva como camada intermediária.
Os valores encontrados para as interações das ondas de choque, nas interfaces
dos demais sistemas de blindagem multicamadas, estudados neste trabalho,
utilizando o método de casamento de impedância, estão mostrados na TAB. 4.13.
0
5
10
15
20
25
30
35
0 162 324 486 648 810 972 1134 1296 1458
P (GPa)
Up (m/s)
Projetil(chumbo)
Alumina
AluminaInvertida
Epóxi-Malva(30%)
Epóxi-Malva(30%)Invertida
Alumínio
Up1 ; P1
Up2 ; P2
Up3; P3
Vp
121
TAB. 4.13 Valores da velocidade de partícula (Up), pressão nas interfaces (P), velocidade de onda de
choque (Us) e a natureza da onda de choque ao longo dos SBMs.
Interfaces Up
(m/s)
Pressão
(GPa) Us (m/s)
Natureza da
onda de choque
Chumbo/Alumina 420,30 13,08 8001,10 Compressiva
Alumina/100%Epóxi 770,00 2,13 2410,00 Trativa
100%Epóxi/Alumínio 236,40 3,60 5644,30 Compressiva
Alumina/Epóxi-Fibras
de malva (30%v/v)
Mín. 770,00 2,20 2380,00 Trativa
Máx. 720,00 3,60 4110,00 Trativa
Epóxi-Fibras de malva
(30%v/v)/Alumínio
Mín. 244,50 3,73 5655,10 Compressiva
Máx. 349,00 5,46 5794,90 Compressiva
Alumina/Epóxi-Tecido
de malva (30%v/v)
Mín. 770,00 2,20 2380,00 Trativa
Máx. 720,00 3,60 4110,00 Trativa
Epóxi-Tecido de malva
(30%v/v)/Alumínio
Mín. 244,50 3,73 5655,10 Compressiva
Máx. 349,00 5,46 5794,90 Compressiva
Alumina/Epóxi-Tecido
híbrido 70%malva e
30%juta (30%v/v)
Mín. 770,00 2,11 2350,00 Trativa
Máx. 730,00 3,28 3840,00 Trativa
Epóxi-Tecido híbrido
70%malva e 30%juta
(30%v/v)/Alumínio
Mín. 235,00 3,58 5642,50 Compressiva
Máx. 326,90 5,09 5765,40 Compressiva
Alumina/Epóxi-Tecido
híbrido 50%malva e
50%juta (30%v/v)
Mín. 770,00 2,09 2300,00 Trativa
Máx. 740,00 3,11 3580,00 Trativa
Epóxi-Tecido híbrido
50%malva e 50%juta
(30%v/v)/Alumínio
Mín. 232,80 3,55 5639,50 Compressiva
Máx. 314,70 4,88 5749,00 Compressiva
Alumina/Aramida 714,55 2,99 2909,21 Trativa
Aramida/Alumínio 365,84 5,75 5817,49 Compressiva
Na TAB. 4.14 são mostradas as impedâncias de choque médias dos
componentes e nas interfaces trativas da blindagem multicamadas. Neste trabalho
optou-se por enfatizar os valores médios de impedância, pois estes mostram com
122
maior clareza o comportamento médio do material/interface durante o impacto
balístico, o qual torna-se fundamental para possibilitar uma visão expandida da
aplicabilidade ou não dos materiais utilizados nos SBMs.
TAB. 4.14 Valores de massa específica, velocidade de onda (Us) e impedância média de choque nas
interfaces da blindagem multicamadas.
Interfaces
Massa
específica
(kg/m3)
Us (m/s)
Impedância
média de
choque
(kg/(m2.s))
**Ref.
Chumbo/Alumina 3890 8001,10 31,12 x 106 *PT
Aramida/Alumínio 2700 5817,49 15,85 x 106 *PT
Alumina/Aramida 1440 2909,21 4,19 x 106 *PT
Alumina/Epóxi 1150 2410,00 2,77 x 106 *PT
Alumina/Epóxi-Fibras ou
tecido de malva (30%v/v)
Min. 1220
2380,00 3,96 x 106 *PT
Máx. 4110,00
Alumina/Epóxi-Tecido
híbrido 70%malva e
30%juta (30%v/v)
Min.
1170
2350,00
3,62 x 106 *PT
Máx. 3840,00
Alumina/Epóxi-Tecido
híbrido 50%malva e
50%juta (30%v/v)
Min.
1180
2300,00
3,47 x 106 *PT
Máx. 3580,00
Alumina/Epóxi-juta (mín.) 1167 2188,03 2,97 x 106 LUZ, 2014
Alumina/Epóxi-juta (máx.) 1167 2895,94
Alumina/Epóxi-bambu (mín.) 983,4 4082,11 4,83 x 106
DA CRUZ,
2015 Alumina/Epóxi-bambu (máx.) 983,4 5372,88
Alumina/Epóxi-sisal (mín.) 1155 1948,91
2,83 x 106
DE
ARAÚJO,
2015 Alumina/Epóxi-sisal (máx.) 1155 2955,22
Alumina/Poliéster-juta (30%)
(mín.) 1160 2145,97
3,05 x 106 ASSIS,
2016 Alumina/Poliéster-juta (30%)
(máx.) 1160 3105,47
*PT – Presente trabalho
O projétil (chumbo) viaja com velocidade média de 863,63 m/s ao incidir na
camada cerâmica (Al2O3 + 4% Nb2O5), sendo capaz de gerar na interface entre os
dois materiais altas pressões (13,08 GPa) e ondas de choque com velocidade de
123
8001,10 m/s. A placa cerâmica avançada, à base de alumina, devido a sua elevada
resistência à compressão, foi capaz de erodir e deformar a ponta do projétil,
distribuindo a pressão em uma área maior (DA SILVA et al., 2014) além de reduzir a
velocidade do projétil de 863,63 m/s para 420,30 m/s, absorvendo cerca de 65% da
energia de impacto.
A onda de choque, de caráter compressivo, que se propaga através da alumina
(velocidade de 8001,10 m/s) ao incidir na interface subsequente constituída pelo
compósito epóxi-malva, terá parte do pulso transmitido e parte refletirá de volta.
Como a impedância da alumina (31,12 x 106 kg/m²s) é maior que a impedância do
material compósito da camada intermediária, a onda refletida tem caráter trativo, o
que promoveu uma intensa fragmentação da alumina. Segundo a TAB. 4.14, todos
os materiais utilizados como camada intermediária possuíam impedâncias de
choque médias menores que a alumina, ou seja, o pulso refletido sempre será de
caráter trativo.
Dos materiais utilizados como camada intermediária, o compósito epóxi-bambu-
30% possui o maior valor de impedância de choque média (4,83 x 106 kg/m²s),
seguido pela aramida (4,19 x 106 kg/m²s). Os compósitos epóxi-fibras ou tecido de
malva, bem como os compósitos híbridos epóxi-malva/juta (70/30 e 50/50)
apresentaram valores de impedância de choque bem próximos, porém abaixo da
aramida (3,96 x 106, 3,62 x 106 e 3,47 x 106 kg/m²s respectivamente). Segundo Luz
(2014), a camada intermediária transmitirá uma maior energia do pulso de
compressão para a camada metálica (alumínio 5052 H34) conforme aumenta a sua
impedância de choque. Os valores de impedância de choque e os valores médios de
profundidade de indentação na plastilina das camadas intermediárias (epóxi-malva
ou epóxi-híbrido malva/juta) foram próximos e se tratando do ensaio balístico de
blindagem multicamadas, que é um ensaio complexo, a diferença de impedância
pode ser considerada desprezível. Segundo Meyers (1994), o ensaio balístico de
multicamadas envolve diversos fenômenos dinâmicos como interações e reflexões
entre ondas, atenuações das ondas de choque e transformações de fase. Fato que,
em adição aos resultados positivos de outros ensaios balísticos, credencia a
utilização destes materiais a base de fibras de malva dentro dos SBMs.
124
4.3 PICNOMETRIA GASOSA
O resultado de picnometria gasosa para determinar a massa específica absoluta
das fibras de malva, encontrado pelo Laboratório de Tecnologia de Pós (LATEP) do
INT, foi de 1,542 g/cm3, após os ajustes necessários na preparação dos corpos de
prova para eliminar heterogeneidades e impurezas.
Para fins de cálculo de porosidade aberta (EQ. 4.2) e teor de celulose (EQ. 4.3)
presentes nas fibras de malva foram utilizados os valores de massa específica
aparente obtidos pelo grupo 4 da TAB. 4.2 (1,37 ± 0,04 g/cm3) e o valor de 1592
kg/m3 para a massa específica absoluta da celulose pura (MWAIKAMBO e ANSELL,
2001). A diferença entre as massas específicas absoluta e aparente está ligada a
presença da porosidade aberta nas fibras naturais, pois o gás hélio utilizado na
picnometria gasosa tem a capacidade de preencher o volume de poros abertos, ou
seja, calcula-se apenas a massa específica da parte lenhosa do material. Com isso,
tem-se que ρabs.(picnometria) > ρapar. (regra das misturas).
𝑃 = (1 −𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟.
𝜌𝑎𝑏𝑠.) 100 EQ. 4.2
𝑍 = [2 (𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟.
𝜌𝑎𝑏𝑠.+
𝜌𝑎𝑏𝑠.
𝜌𝑐𝑒𝑙.) −
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟.
𝜌𝑐𝑒𝑙.− 2] 100 EQ. 4.3
Sendo:
P = Percentual de porosidade aberta das fibras de malva (%);
Z = Percentual de celulose encontrado nas fibras de malva (%);
ρabs = massa específica absoluta (g/cm3);
ρapar. = massa específica aparente (g/cm3);
ρcel. = massa específica da celulose pura (g/cm3).
A TAB. 4.15 mostra o resultado obtido para o percentual de porosidade aberta e
teor de celulose presentes nas fibras de malva, além de correlacionar com os
125
resultados obtidos por outros autores para as fibras naturais de sisal, juta e kapok
(MWAIKAMBO e ANSELL, 2001).
TAB. 4.15 Porosidade aberta e teor de celulose das fibras naturais de malva, hemp, sisal, juta e
kapok.
Fibra
natural
Massa
específica
absoluta
ρabs (g/cm3)
Massa
específica
aparente
ρapar.
(g/cm3)
Porosidade
aberta
P (%)
Teor de
celulose
Z (%)
Referência
Malva 1,542 1,370 11,15 85,35 *PT
Sisal 1,428 1,273 10,85 77,74 MWAIKAMBO
e ANSELL,
2001.
Juta 1,532 1,358 11,36 84,44
Kapok 1,474 0,384 73,95 13,16
*PT – Presente trabalho
Apesar do ângulo microfibrilar também exercer forte influência sobre as
propriedades mecânicas das fibras naturais (JOHN e THOMAS, 2008), pela TAB.
4.15 percebe-se o grande potencial que as fibras de malva e juta possuem para
reforçar materiais poliméricos, em função do alto teor de celulose presente e da
porosidade aberta em torno de 11%, fatores determinantes para a produção de
compósitos com aplicações industriais e de engenharia.
4.4 ENSAIOS DE IMPACTO CHARPY E IZOD
4.4.1 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY
Os resultados obtidos para ensaio de impacto Charpy para compósitos de matriz
epóxi reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas, nos percentuais 0%,
10%, 20%, 30% sem tratamento (s/trat.) e 30% com tratamento (c/trat.) – CP4,
demonstraram existir uma boa capacidade de absorção de energia destes materiais
comparativamente a outros compósitos reforçados com FNLs (MARGEM, 2013). Na
TAB. 4.16 são mostrados os resultados de energia absorvida em (J/m) para cada
126
grupo citado. Observou-se ter havido uma redução na energia absorvida por impacto
para o grupo com 30%v/v de fibras com tratamento (CP4). É provável que este
comportamento tenha ocorrido devido aos parâmetros de mercerização escolhidos
(NaOH a 5%, tempo de permanência na solução alcalina de 24 horas e sem
agitação), que promoveram um aumento da cristalinidade das fibras de malva, e por
conseguinte da rugosidade superficial. No entanto, a energia de impacto não foi
ampliada porque a baixa rugosidade, nesta aplicação em especial, aumentou o
caminho percorrido pela trinca, e por conseguinte, promoveu a ampliação da energia
absorvida necessária para a fratura do compósito.
TAB. 4.16 – Resultados do ensaio de impacto Charpy para os compósitos de matriz epóxi reforçados
com fibras de malva contínuas e alinhadas.
Energia absorvida (J/m) - Ensaio Charpy
CPs 0% 10% 20% 30% s/trat. 30% c/trat. – CP4
1 86,12 156,86 511,74 914,03 173,91
2 72,07 146,34 545,02 926,27 182,52
3 91,35 138,89 525,82 926,61 152,66
4 101,94 132,7 535,55 857,14 173,08
5 82,95 134,62 660,55 972,35 144,93
6 138,09 146,34 586,36 1018,52 159,42
7 100 142,89 601,9 723,5 143,54
Média 96,07 142,66 566,71 905,49 161,44
Desvio Padrão 21,15 8,23 52,54 94,56 15,33
Na FIG. 4.11 é mostrado o gráfico que relaciona a energia de impacto Charpy
com o percentual de fibras de malva. Percebe-se que da mesma forma que em
trabalhos de outros autores é nítido o aumento da energia absorvida por impacto
quando cresce o percentual de fibras utilizado no compósito (BLEDZKI E GASSAN,
1999; MARGEM, 2013).
127
FIG. 4.11 – Energia de impacto Charpy versus percentuais de fibras de malva.
Em todos os corpos ensaiados ocorreu a ruptura completa dos mesmos,
tornando válidos os resultados obtidos. Na FIG. 4.12 são mostrados os corpos de
prova fraturados após o ensaio de impacto Charpy.
FIG. 4.12 – Corpos de prova fraturados após ensaio de impacto Charpy. (a) 0%v/v de fibras; (b)
10%v/v de fibras; (c) 20%v/v de fibras; (d) 30%v/v de fibras sem tratamento; (e) 30%v/v de fibras
tratadas com NaOH a 5%, 24h e sem agitação (CP4).
0,00
200,00
400,00600,00
800,00
1000,00
0% 10% 20% 30%s/trat.
30%c/trat.
Energia de impacto (J/m)
% de fibras de malva
Energia de impacto Charpy (J/m)
128
Pela análise visual percebe-se a tendência de fratura frágil nos corpos de 0%,
10% e 30% c/trat., o que é confirmado pelos valores de energia de impacto
presentes na TAB. 4.16, a qual mostra um salto superior a 200% de 10% para 20%
de fibras de malva.
As imagens em microscopia eletrônica de varredura mostram de uma maneira
mais clara os mecanismos de fratura envolvidos no processo (FIG. 4.13, FIG. 4.14 e
FIG. 4.15).
FIG. 4.13 – (a) Compósito epóxi com 0% de fibras de malva (90x); (b) Compósito com 10% de fibras
de malva (400x).
Na imagem (FIG. 4.13(a) e (b)) percebe-se nitidamente o mecanismo de fratura
frágil, pela presença das “marcas de rio”, tanto no compósito 100% epóxi quanto
naquele com 10% de fibras, mostrando que não houve reforço efetivo com esse
percentual de fibras.
129
FIG. 4.14 – (a) Compósito epóxi com 20% de fibras de malva (400x); (b) Detalhe da fibra de malva no
compósito com 20% de fibras (2065x).
Para os compósitos com 20% percebe-se uma atuação maior das fibras no
mecanismo de fratura, evidenciando fibras rompidas, arrancadas e descoladas da
matriz (FIG. 4.14a), além da percepção do recobrimento bem efetivo da fibra
rompida pela matriz epóxi (FIG. 4.14b).
FIG. 4.15 – (a) Compósito epóxi reforçado com 30% de fibras de malva não tratadas (100x); (b)
Compósito epóxi reforçado com 30% de fibras de malva mercerizadas (NaOH a 5%, 24h e sem
agitação) (400x).
Na imagem da FIG. 4.15a percebe-se a ruptura de fibras, bem como o
arrancamento e o descolamento interfacial com a matriz epóxi. A atuação destes
mecanismos de falha propiciaram a absorção de alta energia de impacto
130
comparativamente a outros percentuais testados para fibras de malva contínuas e
alinhadas. No entanto, a imagem da FIG. 4.15b mostra a superfície de fratura dos
compósitos com fibras mercerizadas, bem parecida com os compósitos 0% e 10%
de fibras. Com isso, a fratura foi frágil e a energia absorvida foi próxima àquela
medida para reforço com 10% de fibras.
Foi também realizada análise de variância (ANOVA) para verificação se há
diferença significativa entre os resultados obtidos para a energia de impacto Charpy
entre os compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v sem
tratamento e 30%v/v com fibras de malva tratadas com NaOH a 5%, 24h e sem
agitação. A TAB. 4.17 mostra os resultados obtidos.
TAB. 4.17 Análise de variância da energia de impacto Charpy para os compósitos epoxídicos
reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v sem tratamento e 30%v/v com fibras de malva tratadas com
NaOH a 5%, 24h e sem agitação.
Causas de
variação GL
Soma de
quadrados
Quadrado
médio
F
calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 4 3468899,11 867224,78 348,18 2,69
Resíduo 30 74721,76 2490,73
Total 34 3543620,88
A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.17 rejeita-se a
hipótese de que as médias são iguais com nível de significância de 5%, pois pela
estatistica “F”, tem-se: F calculado (348,18) >> F crítico ou tabelado (2,69). Portanto,
a fração volumétrica de fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi, bem como
o tratamento de mercerização têm efeitos diferentes na energia de impacto Charpy.
Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey para comparação de médias utilizando-se um
nível de confiança de 95% para verificar qual fração volumétrica de fibras de malva
proporcionou melhores resultados em termos de energia de impacto Charpy. A
diferença média significativa (dms) encontrada foi 77,34. A TAB. 4.18 mostra os
resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da energia de impacto
Charpy entre as frações volumétricas de fibras de malva testadas.
131
TAB. 4.18 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da energia de impacto
Charpy nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de
Tukey.
Fração volumétrica
de fibras de malva 0% 10% 20% 30% s/trat. 30% c/trat. (CP4)
0% 0 46,59 470,63 809,41 65,36
10% 46,59 0 424,04 762,83 18,77
20% 470,63 424,04 0 338,78 405,27
30% s/trat. 809,41 762,83 338,78 0 744,05
30% c/trat.(CP4) 65,36 18,77 405,27 744,05 0
Com base nesses resultados, têm-se que, com nível de significância de 5%, que
o compósito reforçado com 30%v/v de fibras de malva, sem tratamento, apresentou
melhor desempenho, pois exibiu maior valor de energia média de impacto Charpy
(905,49 J/m), sendo significativamente diferente dos demais, pois as diferenças
encontradas são superiores ao d.m.s (77,34). Este comportamento também foi
comprovado por outros trabalhos envolvendo energia de impacto em CFNLs
(MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014). Outro ponto importante a ressaltar é que não
há diferença significativa entre os valores de energia média de impacto Charpy entre
os percentuais de reforço de fibras de malva com 0%, 10% e 30% com tratamento,
pois as diferenças são inferiores ao d.m.s.
4.4.2 ENSAIO DE IMPACTO IZOD
Na TAB. 4.19 são mostrados os resultados de ensaio de impacto Izod para os
compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras de malva
contínuas e alinhadas.
132
TAB. 4.19 – Resultados do ensaio de impacto Izod para os compósitos de matriz epóxi reforçados
com fibras de malva contínuas e alinhadas.
Energia absorvida (J/m) - Ensaio Izod
CPs 0% 10% 20% 30%
1 10,15 102,71 342,18 547,42
2 6,84 122,10 354,19 498,58
3 4,08 137,76 346,3 526,76
4 5,46 104,07 378,6 522,35
5 5,47 103,87 381,09 466,36
6 5,37 122,22 352,89 475,62
7 6,76 99,71 371,48 454,96
Média 6,30 113,21 360,96 498,86
Desvio Padrão 2,11 14,30 15,84 34,67
Pelos resultados obtidos e apresentados na TAB. 4.19 percebe-se dois grandes
saltos na energia de impacto Izod. O primeiro de 0% para 10% e o segundo de 10%
para 20%. Em ambos os casos a variação de energia possivelmente está associada
a mudança de mecanismos de fratura. Passando de um mecanismo completamente
frágil, com baixa absorção de energia para os corpos de prova com 100% de epóxi,
até um comportamento de transição dúctil-frágil para um percentual de 20%v/v de
reforço. A explicação para esta mudança está associada a propagação transversal
da trinca no compósito com 0% de reforço, ou seja, a medida que aumenta-se a
fração volumétrica de fibras, as mesmas passam a funcionar como barreiras que
desviam a trajetória das trincas, e por conseguinte, aumentam a energia de impacto
do sistema (GOMES, 2015). Aumento também expressivo ocorreu entre 20%v/v e
30%v/v de reforço, consolidando a atuação do mecanismo de ruptura dúctil nesta
maior fração volumétrica de fibras.
Na FIG. 4.16 mostra-se o gráfico que relaciona a energia de impacto Izod com o
percentual de fibras de malva. Percebe-se nitidamente que a energia de impacto
cresceu com a fração volumétrica de fibras (BLEDZKI E GASSAN, 1999; MARGEM,
2013; CANDIDO, 2014).
133
FIG. 4.16 – Energia de impacto Izod versus percentuais de fibras de malva.
Em todos os corpos ensaiados ocorreu a ruptura completa dos mesmos,
tornando válidos os resultados obtidos. Na FIG. 4.17 são mostrados os corpos de
prova após o ensaio de impacto Izod.
FIG. 4.17 - Corpos de prova nos percentuais de reforço de fibras de malva de 0%, 10%, 20% e
30%v/v fraturados após ensaio de impacto Izod
Pela análise visual da FIG. 4.17 confirma-se a tendência de fratura frágil nos
corpos de 0% e 10%, e a evolução para uma fratura dúctil nos compósitos com
fração volumétrica de fibras de 20% e 30%. As imagens por microscopia eletrônica
de varredura na FIG. 4.18 mostram de uma maneira mais clara os mecanismos de
fratura atuantes envolvidos no processo.
0,00
200,00
400,00
600,00
0% 10% 20% 30%
Energia de impacto
(J/m)
% de fibras de malva
Energia de impacto Izod (J/m)
134
FIG. 4.18 – Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura dos compósitos reforçados
com fibras de malva após ensaio de impacto Izod (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de
fibras.
Na FIG. 4.18(a) percebe-se o mecanismo de fratura completamente frágil, pela
presença de padrões tipo “marcas de rio”. A trinca propaga-se de maneira
transversal e catastrófica tanto no compósito 100% epóxi quanto naquele com 10%
de fibras (FIG. 4.18(b)), mostrando que não houve reforço efetivo com esse
percentual de fibras (CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).
Para os compósitos com 20% presentes na FIG. 4.18(c) percebe-se uma
atuação maior das fibras no mecanismo de fratura, evidenciando fibras rompidas e
descoladas da matriz (efeito “pull-out”), fato comprovado pela maior absorção de
energia de impacto (TAB. 4.19).
Na imagem da FIG. 4.18(d) percebe-se a ruptura de fibras, bem como o
descolamento interfacial com a matriz epóxi. Esta combinação de mecanismos de
135
falha propiciou a absorção de alta energia de impacto comparativamente a outras
frações volumétricas testadas. Tais resultados estão de acordo com as observações
de outros autores que também realizaram ensaios de impacto em CFNLs
(MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).
Foi realizada análise de variância (ANOVA) para verificar se havia diferença
significativa entre os resultados obtidos para a energia de impacto Izod entre os
compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de
malva. A TAB. 4.20 mostra os resultados obtidos.
TAB. 4.20 Análise de variância da energia de impacto Izod para os compósitos epoxídicos reforçados
com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de malva.
Causas de
variação GL
Soma de
quadrados
Quadrado
médio
F
calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 3 1065675,77 355225,26 855,43 3,01
Resíduo 24 9966,22 415,26
Total 27 1075641,99
A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.20 rejeita-se a
hipótese de que as médias são iguais com nível de significância de 5%, pois pela
estatistica “F”, tem-se: F calculado (855,43) >> F crítico ou tabelado (3,01). Portanto,
a fração volumétrica de fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi têm efeitos
diferentes na energia de impacto Izod. Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey para
comparação de médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para verificar
qual fração volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores resultados em
termos de energia de impacto Izod. A diferença média significativa (d.m.s)
encontrada foi 32,12. A TAB. 4.21 mostra os resultados obtidos para as diferenças
entre os valores médios da energia de impacto Izod entre as frações volumétricas de
fibras de malva testadas.
136
TAB. 4.21 Resultados obtidos para as diferenças (d.m.s) entre os valores médios da energia de
impacto Izod, nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de
Tukey.
Fração volumétrica
de fibras de malva 0% 10% 20% 30%
0% 0 106,90 354,66 492,56
10% 106,90 0 247,76 385,66
20% 354,66 247,76 0 137,90
30% 492,56 385,66 137,90 0
Com base nesses resultados, têm-se que, com nível de significância de 5%, que
o compósito reforçado com 30%v/v de fibras de malva apresentou melhor
desempenho, pois exibiu maior valor de energia média de impacto Izod (498,86
J/m), e este é significativamente diferente dos demais, pois as diferenças
encontradas são superiores ao d.m.s (32,12). Fato semelhante também foi
comprovado por outros trabalhos envolvendo energia de impacto em CFNLs
(MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015). Outro ponto importante a
ressaltar é que houve diferença significativa entre os valores de energia média de
impacto Izod entre os demais percentuais de reforço de fibras de malva com 0%,
10% e 20%, comprovando, portanto, a relação direta entre o aumento da fração
volumétrica de fibras e a energia de impacto Izod.
4.5 ENSAIO DE TRAÇÃO
Foram realizados e obtidos resultados para o ensaio de tração dos compósitos
reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas fabricados a partir de moldes
de silicone (FIG. 3.27) e a partir de placas compósitas cortadas a laser conforme
norma específica (FIG. 3.28). Em ambos os grupos, e da mesma forma conduzida
por outros autores que trabalharam com CFNLs, verificou-se que a resistência
mecânica crescia com o percentual de fibras (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014;
GOMES, 2015). Os testes de tração foram realizados nos percentuais de 0%, 10%,
20% e 30%v/v de fibras e os resultados encontrados são mostrados nas TAB. 4.22 e
TAB. 4.23. Nas FIG. 4.19 e FIG. 4.20 mostra-se graficamente o crescimento da
137
resistência mecânica com o percentual de fibras, para as amostras fabricadas a
partir de moldes de silicone, e àquelas fabricadas a partir de placas compósitas. O
módulo de elasticidade foi determinado e medido dinamicamente pela técnica de
excitação por impulso, técnica que possibilitou alcançar uma precisão e
homogeneidade maior de resultados, em comparação com os valores obtidos com o
uso do extensômetro por métodos destrutivos (MORREL, 2006). Tais resultados
serão apresentados na seção 4.7 do presente estudo, juntamente com a estimativa
do módulo de elasticidade transversal (G) e o coeficiente de Poisson (ʋ).
TAB. 4.22 – Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados com fibras de malva a
partir de moldes de silicone.
Percentual de fibras de malva
Resistência a tração (MPa) Alongamento (mm)
0% 32,98 ± 14,61 1,42 ± 0,55
10% 90,01 ± 21,35 2,89 ± 0,45
20% 109,85 ± 21,70 3,12 ± 0,28
30% 177,49 ± 17,80 4,99 ± 0,49
FIG. 4.19 – Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de malva atuando como
reforço em compósitos de matriz epoxídica produzidos a partir de moldes de silicone.
0
50
100
150
200
0% 10% 20% 30%
Resistência mecânica (MPa)
% de fibras de malva
Resistência mecânica *Moldes de silicone
138
TAB. 4.23 – Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados com fibras de malva a
partir de placas compósitas cortadas a laser.
Percentual de fibras de malva
Resistência a tração (MPa) Alongamento (mm)
0% 51,98 ± 2,37 1,29 ± 0,15
10% 86,91 ± 17,37 1,05 ± 0,23
20% 128,27 ± 15,19 1,20 ± 0,10
30% 130,70 ± 12,95 1,43 ± 0,15
FIG. 4.20 – Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de malva atuando como
reforço em compósitos de matriz epoxídica produzidos a partir de placas de compósitos.
As FIG. 4.19 e FIG. 4.20, assim como as TAB. 4.22 e TAB. 4.23 mostram
valores próximos da resistência mecânica para as duas metodologias empregadas,
nos percentuais estudados de reforço entre 0% e 30%v/v. Este fato credencia o
monitoramento desta propriedade tanto através da confecção de corpos de prova
por moldes de silicone, quanto por meio do corte a laser de placas compósitas. Os
resultados também evidenciam a pequena variação do alongamento entre as
frações volumétricas estudadas, para os corpos de prova fabricados a partir de
placas compósitas, apesar do crescimento da resistência mecânica. Demonstrou-se
assim uma melhor homogeneidade entre os percentuais de reforço estudados, muito
0
20
40
60
80
100
120
140
0% 10% 20% 30%
Resistência mecânica (MPa)
% de fibras de malva
Resistência mecânica *Placas de compósitos
139
provavelmente associado a precisão dimensional obtida pelo corte a laser das
placas compósitas.
Nas FIG. 4.21 e FIG. 4.22 são mostrados os corpos de prova após a realização
do ensaio de tração. Uma análise visual das superfícies de fratura mostra evidências
da atuação de um mecanismo do tipo frágil até um percentual de reforço de 10%. A
partir deste percentual percebe-se que as fibras funcionam atuando como reforço
efetivo do compósito (20% e 30%v/v), em razão da ativação de mecanismos como a
fratura de fibras e o descolamento das fibras na interface fibra-matriz.
FIG. 4.21 – Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de malva,
produzidos a partir de moldes de silicone, após ensaio de tração.
FIG. 4.22 – Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de malva,
produzidos a partir de placas compósitas, após ensaio de tração.
140
As imagens em microscopia eletrônica de varredura na FIG. 4.23 mostram de
uma maneira mais clara os mecanismos de fratura envolvidos no processo.
FIG. 4.23 – Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura dos corpos de prova
produzidos a partir de placas compósitas cortadas a laser, após ensaio de tração (500x). (a) 0%; (b)
10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de fibras.
Na FIG. 4.23(a) percebe-se o mecanismo de fratura completamente frágil,
caracterizado pela presença de padrões tipo “marcas de rio” e “marcas de praia”. Na
FIG. 4.23(b) o reforço pelas fibras ainda não é efetivo, o que torna o mecanismo de
fratura frágil ainda dominante no compósito (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014;
GOMES, 2015).
Para os compósitos com 20% presentes na FIG. 4.23(c), já percebe-se uma
atuação maior das fibras no mecanismo de fratura, evidenciado por fibras rompidas
e descoladas da matriz (efeito “pull-out”), fato corroborado pela maior resistencia
141
mecânica obtida, independentemente se o corpo de prova foi produzido a partir de
moldes de silicone ou placas compósitas (TAB. 4.22 e TAB. 4.23).
Na imagem da FIG. 4.23(d) percebe-se com maior intensidade a ruptura de
fibras, bem como o descolamento interfacial com a matriz epóxi. A atuação
combinada desses mecanismos de falha resultou em um aumento na resistência
mecânica comparativamente a outras frações volumétricas testadas. Tal resultado
está de acordo com resultados obtidos por outros autores que também realizaram
ensaio de tração em CFNLs (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).
Foi também realizada análise de variância (ANOVA) para verificar se havia
diferença significativa entre os resultados obtidos de resistência mecânica entre os
compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de
malva. Como os valores encontrados para esta propriedade foram semelhantes nas
duas metodologias aplicadas, foram escolhidos os resultados obtidos a partir de
corpos de prova confeccionados por moldes de silicone, em função da percepção de
uma variação um pouco maior entre os percentuais de reforço estudados. A TAB.
4.24 mostra os resultados obtidos.
TAB. 4.24 Análise de variância da resistência mecânica para os compósitos epoxídicos reforçados
com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de malva.
Causas de
variação GL
Soma de
quadrados
Quadrado
médio
F
calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 3 51909,85 17303,28 97,21 3,24
Resíduo 16 2847,94 178,00
Total 19 54757,79
A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.20 rejeitou-se a
hipótese de que as médias fossem iguais com nível de significância de 5%, pois pela
estatistica “F”, tem-se: F calculado (97,21) >> F crítico ou tabelado (3,24). Portanto,
a fração volumétrica de fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi tiveram
efeitos diferentes na resistência mecânica. Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey
para comparação de médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para
verificar qual fração volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores
resultados em termos de resistência mecânica. A diferença média significativa (dms)
142
encontrada foi 25,83. A TAB. 4.25 mostra os resultados obtidos no teste de Tukey
para as diferenças entre os valores médios da resistência mecânica entre as frações
volumétricas de fibras de malva testadas.
TAB. 4.25 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de resistência mecânica
nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de Tukey.
Fração volumétrica
de fibras de malva 0% 10% 20% 30%
0% 0 59,552 80,854 142,506
10% 59,552 0 21,302 82,954
20% 80,854 21,302 0 61,652
30% 142,506 82,954 61,652 0
Com base nesses resultados, tem-se que, com nível de significância de 5%, que
o compósito reforçado com 30%v/v de fibras de malva apresentou melhor
desempenho, pois exibiu maior valor de resistência mecânica (177,49 MPa), e este é
significativamente diferente dos demais, pois as diferenças encontradas foram
superiores ao d.m.s (25,83). Fato semelhante também comprovado por outros
trabalhos envolvendo medidas da resistência mecânica em CFNLs (MARGEM,
2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015). Outro detalhe importante a ressaltar é que
não houve diferença significativa entre os valores de resistência mecânica entre os
percentuais de reforço de fibras de malva nas frações de 10% e 20%. Este
comportamento está possivelmente associado a ocorrência da transição entre um
mecanismo completamente frágil de ruptura (0% e 10%v/v) para uma fratura que já
evidencia mecanismos de ductilidade (20% e 30%v/v), ocasionando maiores valores
de resistência mecânica, em função do aumento da fração volumétrica de fibras que
reforçam o compósito conforme documentado na literatura (KU et al., 2011;
MORAES et al., 2016).
143
4.6 ENSAIO DE FLEXÃO
A TAB. 4.26 mostra os resultados obtidos para o ensaio de flexão em 3 pontos
nos compósitos reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas. Da mesma
forma que outros autores que também trabalharam com CFNLs constatou-se que a
resistência mecânica e o módulo de elasticidade em flexão cresceram com o
percentual de fibras (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015). Os testes
foram realizados nos percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras. Nas FIG.
4.24 e FIG. 4.25 são mostrados o crescimento da resistência mecânica e do módulo
de elasticidade com o aumento do percentual de fibras incorporado nos compósitos.
TAB. 4.26 – Resultados para o ensaio de flexão em 3 pontos de compósitos reforçados com fibras de
malva nos percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v.
Percentual de fibras de malva
Resistência à flexão (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa)
0% 36,6 ± 16,00 3,12 ± 0,28
10% 80,47 ± 5,89 6,20 ± 0,49
20% 138,84 ± 23,61 8,58 ± 1,53
30% 191,27 ± 22,68 10,9 ± 0,58
FIG. 4.24 – Variação da resistência à flexão com percentuais de fibras de malva atuando como
reforço em compósitos de matriz epoxídica.
0
50
100
150
200
250
0% 10% 20% 30%
Resistência a flexão (MPa)
% de fibras de malva
Resistência à flexão
144
FIG. 4.25 – Variação do módulo de elasticidade com percentuais de fibras de malva atuando como
reforço em compósitos de matriz epoxídica.
Na FIG. 4.26 são mostrados os corpos de prova após a realização do ensaio de
flexão em 3 pontos. Uma análise visual das superfícies de fratura revelou a atuação
de mecanismos tipicamente frágeis atuando até um percentual de reforço de 10%. A
partir deste percentual percebeu-se que as fibras funcionaram como reforço efetivo
do compósito (20% e 30%v/v), em razão da atuação de mecanismos como a fratura
de fibras e o descolamento das fibras na interface fibra-matriz.
FIG. 4.26 – Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de malva nos
percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v, após ensaio de flexão em 3 pontos.
As imagens em microscopia eletrônica de varredura na FIG. 4.27 demostram de
uma maneira mais clara a atuação dos mecanismos de fratura envolvidos no
processo.
0
2
4
6
8
10
12
0% 10% 20% 30%
Módulo de elasticidade
(GPa)
% de fibras de malva
Módulo de elasticidade
145
FIG. 4.27 – Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura dos compósitos reforçados
com fibras de malva, após ensaio de flexão (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de fibras.
Na FIG. 4.27(a) percebe-se a atuação do mecanismo de fratura completamente
frágil, caracterizado pela presença de padrões tipo “marcas de rio” e “marcas de
praia”. Na FIG. 4.23(b) o reforço de fibras ainda não mostrou-se efetivo, o que tornou
o mecanismo de fratura frágil ainda dominante no compósito (MARGEM, 2013;
CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).
Para os compósitos com fração de 20%v/v de fibras presentes na FIG. 4.23(c)
percebeu-se uma atuação maior das fibras no mecanismo de fratura, evidenciado
por fibras rompidas e descoladas da matriz (efeito “pull-out”). Este fato foi
comprovado pelo aumento da resistência à flexão em torno de 60% e do módulo de
elasticidade em torno de 70% (TAB. 4.26), conforme já apresentado.
Na imagem da FIG. 4.23(d) percebeu-se com maior intensidade a ruptura de
fibras, bem como o efeito “pull-out”. Houve um reforço mais efetivo das fibras na
146
matriz, o que foi comprovado pela maior atuação de mecanismos de falha
associados a fratura dúctil, bem como pelo aumento nas propriedades de resistência
à flexão e módulo de elasticidade comparativamente a outras frações volumétricas
testadas. Os resultados obtidos estão coerentes com os resultados obtidos por
outros autores que também realizaram ensaio de flexão em CFNLs (MARGEM,
2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).
Foi também realizada análise de variância (ANOVA) para verificação se havia
diferença significativa entre os resultados obtidos para a resistência à flexão e
módulo de elasticidade entre os compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%,
20% e 30%v/v com fibras de malva. As TAB. 4.27 e 4.28 mostram os resultados
obtidos.
TAB. 4.27 Análise de variância da resistência à flexão para os compósitos epoxídicos reforçados com
0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de malva.
Causas de
variação GL
Soma de
quadrados
Quadrado
médio F calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 3 92672,28 30890,76 77,73 3,01
Resíduo 24 9537,74 397,41
Total 27 102210,02
TAB. 4.28 Análise de variância do módulo de elasticidade para os compósitos epoxídicos reforçados
com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de malva.
Causas de
variação GL
Soma de
quadrados
Quadrado
médio F calculado
F crítico
(tabelado)
Tratamentos 3 233,05 77,68 88,82 3,01
Resíduo 24 20,99 0,87
Total 27 254,04
A partir dos resultados obtidos pela análise de variância das TAB. 4.27 e TAB.
4.28 rejeitou-se a hipótese de que as médias fossem iguais com nível de
significância de 5%, pois pela estatistica “F”, tem-se: F calculado (77,73) >> F crítico
ou tabelado (3,01) para a resistência à flexão e F calculado (88,82) >> F crítico ou
tabelado (3,01) para o módulo de elasticidade. Portanto, a fração volumétrica de
fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi mostrou ter efeitos diferentes na
147
resistência à flexão e no módulo de elasticidade. Por isso, aplicou-se o Teste de
Tukey para comparação de médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para
verificar qual fração volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores
resultados em termos de propriedades mecânicas em flexão. A diferença média
significativa (d.m.s) encontrada foi de 31,42 e 1,47, respectivamente para a
resistência à flexão e módulo de elasticidade. As TAB. 4.29 e TAB. 4.30 mostram os
resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios das propriedades
estudadas em cada fração volumétrica de fibras de malva.
TAB. 4.29 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de resistência à flexão nas
frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de Tukey.
Fração volumétrica
de fibras de malva 0% 10% 20% 30%
0% 0 40,86 99,24 151,67
10% 40,86 0 58,37 110,80
20% 99,24 58,37 0 52,43
30% 151,67 110,80 52,43 0
TAB. 4.30 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de módulo de elasticidade
nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de Tukey.
Fração volumétrica
de fibras de malva 0% 10% 20% 30%
0% 0 3,08 5,47 7,78
10% 3,08 0 2,39 4,70
20% 5,47 2,39 0 2,31
30% 7,78 4,70 2,31 0
Com base nesses resultados, tem-se que, com nível de significância de 5%, que
o compósito reforçado com 30%v/v de fibras de malva apresentou melhor
desempenho, pois exibiu maior valor de resistência à flexão (191,27 MPa) e módulo
de elasticidade (10,9 GPa), e estes são significativamente diferentes dos demais,
pois as diferenças encontradas foram superiores ao d.m.s (31,42 e 1,47
respectivamente). Este fato também foi comprovado por outros trabalhos envolvendo
148
medidas de propriedades em flexão em CFNLs (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014;
GOMES, 2015).
4.7 ANÁLISE POR TÉCNICA DE EXCITAÇÃO POR IMPULSO
A TAB. 4.31 mostra os resultados obtidos para as medidas dinâmicas do módulo
de elasticidade longitudinal (E), módulo de elasticidade transversal (G) e coeficiente
de poisson (ʋ).
TAB. 4.31 Propriedades elásticas medidas através da técnica de excitação por impulso.
Percentual de
fibras de malva
Módulo de elasticidade
longitudinal - E (GPa)
Módulo de elasticidade
transversal - G (GPa)
Coeficiente de
poisson (ʋ)
0% 3,89 ± 0,03 1,42 ± 0,02 0,36 ± 0,02
10% 11,60 ± 0,11 5,48 ± 0,02 0,05 ± 0,02
20% 15,73 ± 0,17 6,00 ± 0,01 0,30 ± 0,01
30% 20,50 ± 0,10 6,77 ± 0,01 0,52 ± 0,01
O módulo de elasticidade longitudinal foi a propriedade mais importante obtida
pela técnica de excitação por impulso, pois representa um parâmetro estrutural
fundamental a ser definido para utilização dos compósitos em aplicações de
engenharia (MORREL, 2006). As demais propriedades presentes na TAB. 4.31,
apesar de igualmente importantes, necessitam de medições por outras metodologias
para confirmação de seus valores, como por exemplo, métodos estáticos, pois
segundo a norma ASTM E1876, a anisotropia do material compósito pode introduzir
erros na determinação do módulo de elasticidade transversal e consequentemente
no coeficiente de Poisson.
No entanto, a determinação do módulo longitudinal pelo método dinâmico
propiciou baixa dispersão de valores e a verificação do aumento do mesmo a
medida que cresce o percentual de reforço de fibras. Este fato foi comprovado por
outros autores que utilizaram métodos destrutivos para determinação destas
propriedades, porém com maior dispersão de valores e menor precisão (CANDIDO,
2014; GOMES, 2015). A FIG. 4.28 mostra o aumento do módulo de elasticidade
149
longitudinal com a fração volumétrica de fibras de malva em um comportamento
aproximadamente linear.
FIG. 4.28 – Variação do módulo de elasticidade longitudinal com os percentuais de fibras de malva
atuando como reforço em compósitos de matriz epoxídica.
4.8 DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX)
Os resultados obtidos em difração de raios X mostram a alta cristalinidade das
fibras de malva, o que tem influencia direta nas boas propriedades mecânicas que
esta FNLs apresenta, pois conforme diversos autores a cristalinidade está
relacionada com o teor de celulose que a fibra apresenta, pois é o único componente
que cristaliza-se (BISANDA et al., 1992; ROWELL et al., 2000), e consequentemente
aquele que, juntamente com outros parâmetros, como o baixo ângulo microfibrilar,
possibilitam o aumento de propriedades como a resistência mecânica. A TAB. 4.32
mostra os resultados obtidos para o índice de cristalinidade das amostras tratadas
conforme os parâmetros da TAB. 3.3. A efetividade do tratamento de mercerização
foi comprovado pelo aumento de cristalinidade através de DRX, com os parâmetros:
NaOH a 5%, por 24h de imersão e sem agitação da solução. Não foi observado a
ampliação da energia de impacto Charpy, em virtude do próprio mecanismo de
absorção de energia. A energia de impacto absorvida é ampliada, dentre outros
fatores, em função da baixa adesão superficial entre fibra e matriz, pois possibilita o
y = 53,96x + 4,836 R² = 0,9795
0
5
10
15
20
25
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%
Módulo de elasticidade longitudinal
(MPa)
% de fibras de malva
Módulo de elasticidade longitudinal - método dinâmico
150
aumento do caminho a ser percorrido pela trinca (GOMES, 2015). O índice de
cristalinidade obtido para as fibras de malva sem tratamento foi 82,64%. Este valor é
bastante expressivo e está de acordo com a literatura que afirma que a celulose
derivada de plantas é altamente cristalina e pode apresentar valores superiores a
80% (ROWELL et al., 1997).
Apesar de não ter sido possível aumentar a energia de impacto Charpy através
da variação da cristalinidade das fibras, isto não significa que outros ensaios
mecânicos (tração e flexão), bem como outras propriedades não possam ser
melhoradas pelo aumento da cristalinidade (MESQUITA, 2013). Outro detalhe
importante a mencionar refere-se a aplicabilidade direta da técnica de DRX para
verificação da variação da cristalinidade, através do método desenvolvido por Segal
(1959) e colaboradores. Esta técnica é amplamente utilizada nas pesquisas
envolvendo fibras naturais em compósitos de matriz polimérica (MARTIN, 2001;
MWAIKAMBO et al., 2002; FERREIRA, et al., 2003). As FIG. 4.29 e FIG. 4.30
mostram os difratogramas de fibras de malva não tratadas e fibras tratadas com os
parâmetros de CP4 (S/A), onde confirma-se a ampliação do Ic inicial de controle
(fibras não tratadas) de 82,64% para Ic = 84,49%.
TAB. 4.32 Índices de cristalinidade obtidos após combinações dos parâmetros: concentração de
NaOH, tempo de imersão e agitação da solução.
Parâmetros
de controle Tempo de imersão NaOH
Concentração
NaOH 3h 24h 48h
5% CP1 (S/A) – 82,24% CP4 (S/A) – 84,49% CP7 (S/A) – 82,04%
CP1 (C/A) – 81,43% CP4 (C/A) – 82,63% CP7 (C/A) – 83,14%
10% CP2 (S/A) – 78,67% CP5 (S/A) – 74,00% CP8 (S/A) – 79,33%
CP2 (C/A) – 77,56% CP5 (C/A) – 78,95% CP8 (C/A) – 75,00%
20% CP3 (S/A) – 75,71% CP6 (S/A) – 72,84% CP9 (S/A) – 73,43%
CP3 (C/A) – 69,75% CP6 (C/A) – 71,30% CP9 (C/A) – 69,12%
S/A – sem agitação
C/A – com agitação
*Ic inicial de controle (fibras não tratadas) – 82,64%
151
FIG. 4.29 Difratograma de fibras de malva não tratadas.
FIG. 4.30 Difratograma de fibras de malva tratadas com NaOH a 5%, por 24h e sem agitação -
CP4(S/A).
4.9 CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC)
A FIG. 4.31 mostra o comportamento dos seguintes grupos submetidos ao
ensaio DSC: fibras de malva, tecidos híbridos malva/juta (70%/30%), malva/juta
(50%/50%) e um tecido 100% juta. O objetivo foi identificar diferenças no
comportamento térmico das fibras em função dos percentuais distintos de malva e
juta. No entanto, a curva obtida mostra bastante semelhança entre os grupos
supramencionados, talvez pela origem e similaridade existente entre a malva e juta,
as quais são plantadas em sistema de consórcio em várzea alta e várzea baixa,
respectivamente, nos Estados do Amazonas e Pará (MARGEM, 2013). Na FIG. 4.32
é mostrado o comportamento térmico apenas da fibra de malva não tratada. Nota-se
um pico endotérmico em torno de 450C provavelmente associado ao início da perda
de umidade, apesar deste fenômeno ocorrer em temperaturas em torno de 750C
(MARTIN et al., 2009). Um pico exotérmico apresenta-se a 700C, talvez associado
ao início da degradação da hemicelulose, fato que também deve ser melhor
investigado em função dos resultados em dissonância com a literatura, que
menciona início da degradação em torno de 1590C (MONTEIRO et al., 2012). Por
152
fim é evidenciado um pico endotérmico em torno de 3700C provavelmente associado
a uma degradação da celulose.
FIG. 4.31 – Curva DSC para as fibras de malva, tecidos híbridos malva/juta nas proporções
70%/30%, 50%/50% e tecido 100% juta.
FIG. 4.32 – Curva DSC e DDSC para as fibras de malva não tratadas.
153
Também foram obtidos resultados da curva DSC para fibras de malva
mercerizadas com NaOH a 5% (FIG. 4.33). A curva mostra um aspecto mais regular
e conforme previsto pela literatura. Neste caso, provavelmente a mercerização tenha
promovido a limpeza de graxas e heterogeneidades que poderiam mascarar a
análise térmica. No gráfico da FIG. 4.33 percebe-se claramente um pico endotérmico
na temperatura em torno de 700C associado a perda de umidade da fibra. No
entanto, o pico exotérmico ainda ocorre a temperaturas em torno de 3700C, o que
mostra que o tratamento não influenciou na estabilidade térmica da fibra,
transformando celulose tipo I em celulose tipo II, a qual seria termodinamicamente
mais estável (MARTIN et al., 2009).
FIG. 4.33 - Curva DSC e DDSC para as fibras de malva tratadas com NaOH a 5% por 24h.
Também foram determinados os parâmetros cinéticos de cura para a resina
epóxi DGEBA-TETA, bem como para o compósito de epóxi reforçado com 20%v/v
de fibras de malva, conforme o previsto na ASTM E698. As FIG. 4.34 e FIG. 4.35
mostram os gráficos de temperatura (°C) x fluxo de calor (mW) para as taxas de 5,
7,5 e 10°C/min utilizados na determinação dos parâmetros cinéticos de cura para os
materiais supracitados.
154
FIG. 4.34 - Curvas DSC para resina epóxi DGEBA-TETA nas taxas de aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min
para determinação de parâmetros cinéticos de cura.
FIG. 4.35 - Curvas DSC para o compósito epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva nas
taxas de aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min para determinação de parâmetros cinéticos de cura.
A TAB. 4.33 mostra os resultados obtidos para a energia de ativação “E”
(kJ/mol), fator pré-exponencial “Z” (min-1) e o tempo médio para alcançar 50% de
cura “t1/2” , segundo a norma ASTM E698, para o epóxi puro e o compósito reforçado
por fibras de malva, em temperaturas variando na faixa de 25ºC a 100ºC.
155
TAB. 4.33 Parâmetros cinéticos de cura para resina epóxi DGEBA-TETA e compósito de epóxi
reforçado com 20%v/v de fibras de malva.
Materiais
ensaiados
Energia
de
ativação
(kJ/mol)
Fator pré-
exponencial
"Z"
(1/min)*105
Temperaturas
(°C)
Taxa
constante
“k” (1/min)
Tempo
médio para
alcançar
50% de cura
"t1/2" (min)
Resina epóxi
DGEBA-TETA 58,971 1080
25 0,004997 138,68
50 0,031536 21,98
80 0,203849 3,4
100 0,598709 1,16
Compósito de
epóxi reforçado
com 20%v/v de
fibras de malva
44,536 8,036
25 0,012540 55,26
50 0,050412 13,75
80 0,206369 3,36
100 0,465602 1,49
Os resultados mostram que a medida que a temperatura cresce, em ambos os
casos, o tempo médio para alcançar 50% de cura é reduzido. Este resultado já era
esperado por se tratar de processos termicamente ativados, modelados pela
equação de Arrhenius (CALLISTER e RETHWISCH, 2012). No entanto,
comparativamente entre os materiais ensaiados, percebe-se que para as mesmas
temperaturas o compósito de epóxi reforçado com fibras de malva apresentou
redução no tempo médio para alcançar 50% de cura. Fato este que pode ser
justificado, já que as fibras funcionam como sítios nucleadores do processo de cura
do compósito (WELLEN, 2007). No entanto, conforme a ASTM E698 e alguns
autores que estudaram a cinética de cura de resinas poliméricas (COSTA et al.,
1997; COSTA et al., 1999; D’ALMEIDA e MONTEIRO, 1996), o processo é
modelado como um resfriamento homogêneo e o expoente da equação de Avrami
“n” foi considerado com valor unitário (AVRAMI, 1939). A EQ. 4.5 mostra a relação
completa de Avrami.
1 − 𝑋𝑡𝑟𝑎𝑛𝑓. = 𝑒−𝑘𝑡𝑛 EQ. 4.5
Sendo:
Xtransf. = Fração transformada;
k = taxa constante para cada temperatura (min-1);
156
t = tempo de transformação (cura) em minutos;
n = expoente de Avrami (n=1 para ASTM E698).
Com isso, foi monitorada a cura em tempo real através de DSC na temperatura
fixa de 25°C para a resina epóxi e para o compósito reforçado com fibras de malva,
com o objetivo de verificar qual o valor real do expoente da equação de Avrami. As
FIG. 4.36 e FIG. 4.37 mostram as curvas obtidas.
FIG. 4.36 – Curva isotérmica de DSC a 25°C para a resina epóxi DGEBA-TETA.
FIG. 4.37 – Curva isotérmica de DSC a 25°C para o compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de
fibras de malva.
157
As citadas figuras mostram um tempo real de cura a 25°C de 600 min para a
resina epóxi e 500 min para o compósito de epóxi reforçado com fibras de malva.
Com isso, recalculou-se o expoente “n” na EQ. 4.5 obtendo-se n=0,87 para resina
epóxi DGEBA-TETA e n=0,73 para o compósito de epóxi reforçado com fibras de
malva. A TAB. 4.34 mostra os valores de tempo médio para alcançar 50% de cura,
recalculados a partir dos novos expoentes de Avrami. Cabe ressaltar que para as
temperaturas mais elevadas (> 80°C) não houve diferença entre os valores de tempo
previstos pelas TAB. 4.33 e TAB. 4.34, provavelmente em função da cinética de
grande velocidade envolvida no processo de cura.
TAB. 4.34 Tempos médios de cura recalculados a partir dos expoentes de Avrami obtidos da
curva real a 25°C da resina epóxi e do compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva.
Materiais
ensaiados
Coeficientes da
equação de
Avrami
(recalculados)
Temperaturas
(°C)
Taxa
constante
“k” (1/min)
Tempo médio
para alcançar
50% de cura
"t1/2" (min)
Resina epóxi
DGEBA-TETA 0,87
25 0,004997 289,79
50 0,031536 34,87
80 0,203849 4,08
100 0,598709 1,18
Compósito de
epóxi reforçado
com 20%v/v de
fibras de malva
0,73
25 0,012540 243,72
50 0,050412 36,24
80 0,206369 5,26
100 0,465602 1,72
158
4.10 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA)
Foram obtidas as curvas de TGA para a resina epóxi, fibras de malva não
tratadas e compósito epóxi reforçado com 30%v/v de fibras de malva. As FIG. 4.38,
FIG. 4.39 e FIG. 4.40 mostram as curvas obtidas respectivamente para cada
componente.
FIG. 4.38 – Curva TGA para a resina epóxi DGEBA-TETA.
Na FIG. 4.38 percebe-se a perda de massa quase desprezível (em torno de 2%
em peso) até aproximadamente 200°C. Normalmente esta perda está associada a
baixa umidade presente nas resinas poliméricas sintéticas, como é o caso da resina
epóxi DGEBA-TETA utilizada no estudo. O início da grande perda de massa ocorre
em 331,91°C (Tonset), e a máxima taxa em 357,16°C. Ambas estão associadas a
ruptura e degradação das cadeias poliméricas.
159
FIG. 4.39 – Curva TGA para as fibras de malva não tratadas.
Na FIG. 4.39 tem-se uma perda de massa em torno de 6%, o que é coerente
com a perda de umidade em torno de 700C. A grande degradação ocorre a partir de
2000C até em torno de 6000C, correspondendo a uma perda de massa em torno de
99%, associada provavelmente a processos como a quebra de grupos hidroxila,
desidratação e despolimerização da celulose (MARTIN et al., 2009). Em torno de
350°C inicia-se uma rampa de perda associada a componentes estruturais da fibra
de malva; a lignina, hemicelulose e a própria celulose, conforme descrito por
Monteiro e colaboradores (2012). Por fim, há um teor de 0,88% de cinzas,
remanescente a altas temperaturas em atmosfera de nitrogênio.
160
FIG. 4.40 – Curva TGA para o compósito epóxi reforçado com 30%v/v de fibras de malva.
Na FIG. 4.40 referente ao compósito percebe-se uma perda de massa inferior
comparativamente às fibras isoladas, na mesma temperatura (em torno de 70°C). A
temperatura de início de degradação (Tonset – 319,25°C) e as que representam a
máxima taxa de perda de massa para a resina epóxi e fibras de malva, também
apresentaram um leve aumento (393,62°C e 350,17°C, respectivamente). Esta
alteração pode ser devido ao aumento de estabilidade do compósito em relação a
resina epóxi ou as fibras de malva, quando analisados separadamente. O teor
remanescente de cinzas ficou em torno de 12,7%, provavelmente associado a
componentes que não foram degradados a altas temperaturas. No entanto, o início
da degradação continua na temperatura em torno de 200°C, portanto, sendo
considerada como a temperatura máxima de trabalho para o compósito. Este fato
também foi observado por outros autores em trabalhos anteriores de análise térmica
em compósitos reforçados por fibras naturais (MONTEIRO et al., 2012; MONTEIRO
et al., 2012b).
161
4.11 ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA (DMA)
Foram realizadas análises dinâmico-mecânicas nos compósitos com 0%, 10%,
20% e 30%v/v de fibras de malva. Para cada uma das composições analisou-se as
curvas de módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e tan δ. As FIG.
4.41, FIG. 4.42, FIG. 4.43 e FIG. 4.44 mostram os resultados obtidos
respectivamente para cada percentual de fibras supracitado.
FIG. 4.41 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e tan δ para
amostra com 0%v/v de fibras de malva.
Apesar da literatura não possuir consenso sobre a partir de qual curva a
temperatura de transição vítrea (Tg) possa ser mais adequadamente determinada
nos gráficos de DMA (NETO, 2014), optou-se por utilizar a abordagem prevista na
ASTM E1640, a qual estabelece a Tg pelo maior pico evidenciado pela curva Tanδ.
Deste modo verifica-se pela FIG. 4.41 que a Tg para a resina epóxi pura ocorreu a
94,80°C. Outro ponto interessante seria o módulo de armazenamento, que consiste
na energia mecânica que o material pode armazenar na forma de energia elástica ou
potencial (CANDIDO, 2014). Para a temperatura de 25°C foi encontrado um valor
em torno de 1750 MPa, o qual possui a mesma ordem de grandeza do módulo de
elasticidade longitudinal tradicionalmente encontrado na literatura (CALLISTER e
RETHWISCH, 2012).
162
FIG. 4.42 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e tan δ para
amostra com 10%v/v de fibras de malva.
Na FIG. 4.42 para o compósito de epóxi reforçado com 10%v/v de fibras de
malva a Tg encontrada foi de 94,88°C. Este valor é praticamente o mesmo do
compósito 100% epóxi, o que pode significar que a fração volumétrica de 10% de
fibras não foi suficiente para modificar o ponto que caracteriza a principal transição
viscoelástica do compósito. No entanto, houve aumento no módulo de
armazenamento para 2500 MPa, o que revela o reforço proporcionado pelas fibras
de malva, mesmo em um percentual relativamente baixo. Da mesma forma que o
módulo de perda, que representa a rigidez viscosa do material (MOHANTY et al.,
2006) também foi ampliado em torno de 50 MPa no pico máximo da curva.
163
FIG. 4.43 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e tan δ para
amostra com 20%v/v de fibras de malva.
A FIG. 4.43 mostra o gráfico DMA para o compósito reforçado com 20%v/v de
fibras de malva. A Tg encontrada foi 96,42°C, ou seja, praticamente os mesmos
pontos encontrados para o compósito reforçado com 0% e 10%v/v de fibras de
malva. Por outro lado tanto o módulo de armazenamento, quanto o módulo de perda
tiveram seus valores máximos ampliados para 3750 MPa e 550 MPa
respectivamente. Isto revelou ter havido um ganho significativo em termos de
propriedades viscoelásticas a partir de 20%v/v de reforço de fibras. Fato semelhante
foi previsto por outros autores em análises térmicas similares (MARGEM, 2013;
CANDIDO, 2014).
164
FIG. 4.44 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e tan δ para
amostra com 30%v/v de fibras de malva.
A FIG. 4.44 mostra o gráfico DMA para o compósito reforçado com 30%v/v de
fibras de malva. A Tg encontrada foi 96,91°C, e conforme já discutido anteriormente,
no mesmo patamar que os demais compósitos. O módulo de armazenamento
alcançou cerca de 4300 MPa a temperatura de 25°C e o módulo de perda em torno
de 600 MPa no seu ponto máximo. O pico de relaxação (α), o qual é representado
pelo ponto máximo da curva do módulo de perda, variou entre 78°C e 85°C.
Segundo Mohanty et al. (2006), a relaxação estrutural, que acarreta esse pico, pode
ser atribuída à mobilidade das cadeias na fase cristalina do polímero da matriz
devido à reorientação de defeitos. Percebe-se que a faixa encontrada para os
compósitos reforçados com fibras de malva foi relativamente superior a encontrada,
por exemplo, por Candido (2014) para compósitos epoxídicos reforçados com
bagaço de cana-de-açúcar (60°C a 80°C). Este comportamento possivelmente pode
estar representando uma maior estabilidade térmica a temperaturas mais elevadas
para os compósitos reforçados com fibras de malva.
165
5 CONCLUSÕES
1) Todos os compósitos epóxi-malva puros ou híbridos, nas configurações
30%v/v em fibras ou tecido, testados como camada intermediária nos SBMs,
atenderam aos requisitos da norma internacional NIJ 0101.06 (2008);
2) Dentre os materiais testados, o compósito com tecido de malva apresentou
melhor desempenho balístico, com uma profundidade média de indentação de 21,41
mm. A aramida utilizada como camada comparativa alcançou uma profundidade
media de indentação de 22,67 mm. No entanto, pela análise de variância (ANOVA)
nos grupos testados como camada intermediária verificou-se, com nível de
confiança de 95%, a hipótese de não ter havido diferença significativa entre as
médias das indentações dos grupos da TAB. 4.3. Contudo, as camadas
intermediárias de epóxi reforçadas com tecido de malva ou híbrido malva/juta
(70%/30% ou 50%/50%) apresentaram maior integridade e coesão após ensaio
balístico com munição 7,62mm. Além disso, como vantagens adicionais, os SBMs
produzidos com compósito de epóxi-malva nas configurações fibras ou tecidos
apresentaram-se 4% mais leves e 30% mais baratos quando comparados com a
blindagem com tecido de aramida;
3) Pela análise por microscopia eletrônica de varredura das superfícies
fraturadas dos compósitos, verificou-se que a fibra de malva, nas configurações
fibras ou tecidos puros/híbridos contribuíram de maneira efetiva para aumentar a
resistência da matriz de epóxi através dos mecanismos de absorção de energia,
como a delaminação de camadas, descolamento e rompimento das fibras.
Observou-se, também, que para todos os materiais testados como camada
intermediaria houve a impregnação de pequenas partículas cerâmicas nas fibras ou
tecidos, indicando que todos esses materiais contribuíram para a dissipação de
energia através da captura dos fragmentos por forças de Van der Waals e/ou
eletrostáticas gerados pelo impacto do projétil (MONTEIRO et al., 2014);
4) Pelas medidas da velocidade residual, constatou-se que nenhum material,
quando aplicado individualmente nas dimensões utilizadas nos ensaios, mostrou-se
eficiente para utilização como blindagem nível III, contra munições de calibre 7,62 x
51 mm. No entanto, percebeu-se claramente o efeito sinergético dos componentes
de um SBMs (MILANEZI, 2015), pois individualmente as camadas: cerâmica,
166
compósito e alumínio, não chegam a absorver 85% da energia do projétil. Contudo,
as mesmas camadas unidas por fina camada de poliuretano, propiciaram além da
não perfuração da blindagem, a absorção de energia de impacto suficiente para
satisfazer o requisito de profundidade máxima de 44 mm, nos ensaios sobre a
plastilina, previstos pela NIJ 0101.06.
5) Os valores da velocidade limite (VL) e energia absorvida (Eabs), para os
compósitos de matriz epoxídica reforçados com tecido ou fibras 100% malva ou
tecidos híbridos malva/juta (70/30 e 50/50) apresentaram valores superiores àqueles
encontrados por outros autores para a aramida (BRAGA, 2015), epóxi-tecido de juta
(LUZ, 2014), poliéster-tecido de juta (ASSIS, 2016), epóxi reforçado com fibras ou
tecido de sisal (DE ARAÚJO, 2015), epóxi ou poliéster reforçados com fibras de
curauá (DA SILVA, 2015; BRAGA, 2015), em torno de 225 m/s e 250 J,
respectivamente. Em todos os casos analisados por este trabalho, os parâmetros
obtidos para o ensaio de velocidade residual, foram superiores aqueles encontrados
para o tecido de aramida (212 m/s e 221 J), o que mostra a viabilidade das
fibras/tecido de malva para utilização em aplicações balísticas.
6) Os compósitos epóxi-fibras ou tecido de malva, bem como os compósitos
híbridos epóxi-malva/juta (70/30 e 50/50) apresentaram valores de impedância de
choque bem próximos e mais baixos que a aramida (3,96 x 106, 3,62 x 106 e 3,47 x
106 kg/m²s respectivamente e 4,19 x 106 kg/m²s para aramida).
7) A técnica de picnometria gasosa mostrou o grande potencial que as fibras de
malva possuem para reforçar materiais poliméricos, em função do alto teor de
celulose e da porosidade aberta em torno de 85% e 11% respectivamente. Tais
fatores são determinantes para a produção de compósitos para aplicações
industriais e de engenharia.
8) Os ensaios de impacto Charpy e Izod revelaram que a energia de impacto
cresceu com a fração volumétrica de fibras de malva. O valor máximo alcançado
para a energia Charpy foi de 905,49 J/m e para energia Izod de 498,86 J/m, ambos
para um percentual de reforço de 30%v/v de fibras.
9) O tratamento de mercerização com NaOH a 5%, por 24h de imersão e sem
agitação aumentou a cristalinidade das fibras de malva de 82,24% para 84,49%
(CP4) conforme medido por difração de raios X. No entanto, o aumento da
cristalinidade não aumentou a energia de impacto Charpy dos compósitos fabricados
167
com fibras mercerizadas. O valor de energia de impacto Charpy encontrado foi de
161,44 J.
10) A resistência a tração dos corpos de prova reforçados com 0% a 20%v/v de
fibras de malva e produzidos a partir de moldes de silicone foi bem semelhante
aquela dos corpos de prova confeccionados a partir de placas compósitas cortadas
a laser. Para os CPs reforçados com 30%v/v, o grupo fabricado a partir de moldes
de silicone apresentou resultados ligeiramente superiores aquele fabricado a partir
de placas compósitas (177,49 MPa e 130,70 MPa respectivamente).
11) O módulo de elasticidade longitudinal, calculado pela técnica de excitação por
impulso, aumentou linearmente com a ampliação dos percentuais volumétricos de
reforço de 0%, 10%, 20% e 30%. As outras propriedades elásticas (G e ʋ) apesar de
evidenciadas no trabalho podem fornecer valores incorretos, em função da
anisotropia natural destes compósitos reforçados por fibras contínuas e alinhadas
(MORREL, 2006).
12) Nos ensaios de resistência à flexão tanto a resistência quanto o módulo de
elasticidade aumentaram com o percentual de reforço de fibras de malva. Os valores
máximos encontrados foram de 191,27 MPa e 10,9 GPa respectivamente.
13) Os gráficos de DSC mostraram similaridade de comportamento térmico entre
as fibras de malva e juta não tratadas, talvez associada a mesma origem das plantas
(MARGEM, 2013). Foi evidenciado evento endotérmico a 70°C provavelmente
associado a perda de umidade das fibras e um pico exotérmico a temperaturas em
torno de 3700C, provavelmente associado a degradação da celulose (MONTEIRO et
al., 2012). As fibras de malva tratadas com NaOH a 5% mostraram uma linha base
da curva DSC mais regular e a mercerização provavelmente promoveu a limpeza de
graxas e heterogeneidades que poderiam mascarar a análise térmica. No entanto,
não houve variação da estabilidade térmica dos componentes da fibra, pois o pico
exotérmico associado a degradação permaneceu ocorrendo a 370°C, como nas
fibras não tratadas.
14) O estudo da cinética de cura da resina epóxi e do compósito reforçado com
20%v/v de fibras de malva com base na ASTM E698 determinou as energias de
ativação (58,971 kJ/mol e 44,536 kJ/mol), os fatores pré-exponenciais “Z” (1,08x108
min-1 e 8,04x105 min-1) e os tempos para alcançar 50% da reação de cura (t1/2) nas
temperaturas de 25°C a 100°C. Para a temperatura de 25°C foram encontrados t1/2
168
de 138,68 e 55,26 min. No entanto, como a ASTM E698 considera a constante “n”
da equação de Avrami igual a unidade, foram obtidas curvas de cura isotérmicas a
25°C e obtidos os tempos reais de cura. Com isso, os valores de “n” foram
recalculados para n=0,87 e n=0,73 para a resina epóxi e para os compósitos
reforçados com 20%v/v de fibras de malva. Os tempos finais (t1/2) a 25°C obtidos
com os novos valores de “n” foram 289,79 e 243,72 min respectivamente.
15) Análises por TGA e DTG verificaram para as fibras de malva uma perda de
massa em torno de 6%, o que é coerente com a perda de umidade em torno de
700C. A grande degradação ocorreu a partir de 2000C até em torno de 6000C, com
uma perda de massa em torno de 99%, associada provavelmente a processos como
a quebra de grupos hidroxila, desidratação e despolimerização da celulose (MARTIN
et al., 2009). Em torno de 350°C inicia-se uma rampa de perda associada a
componentes estruturais da fibra de malva; a lignina, hemicelulose e a própria
celulose, conforme descrito por Monteiro e colaboradores (2012). Por fim, há um teor
de 0,88% de cinzas, remanescente a altas temperaturas em atmosfera de nitrogênio.
Em relação ao compósito reforçado com fibras de malva percebe-se uma perda de
massa inferior comparativamente às fibras isoladas, na mesma temperatura (em
torno de 70°C). A temperatura de início de degradação (Tonset – 319,25°C) e as que
representam a máxima taxa de perda de massa para a resina epóxi e fibras de
malva, também apresentaram um leve aumento (393,62°C e 350,17°C,
respectivamente). O que pode ser visto como um aumento de estabilidade do
compósito em relação a resina epóxi ou as fibras de malva, quando analisados
separadamente. O teor remanescente de cinzas foi em torno de 12,7%,
provavelmente associado a componentes que não foram degradados a altas
temperaturas. No entanto, o início da degradação continua em torno de 200°C, o
que deve ser considerada como a temperatura máxima de trabalho para o
compósito. Fato que também foi observado por outros autores em trabalhos de
análise térmica em compósitos reforçados por fibras naturais (MONTEIRO et al.,
2012; MONTEIRO et al., 2012b).
16) A partir das curvas de DMA foi possível calcular as temperaturas de transição
vítrea (Tg) para os compósitos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras
pelo método da ASTM 1640, tendo sido encontrados valores próximos a 95°C. Os
módulos de armazenamento e perda também cresceram com o percentual de
169
reforço. O módulo de armazenamento alcançou cerca de 4300 MPa na temperatura
de 25°C e o módulo de perda estabeleceu-se em torno de 600 MPa no seu ponto
máximo. O pico de relaxação (α), representado pelo ponto máximo da curva do
módulo de perda, variou entre 78°C e 85°C. Percebeu-se que a faixa encontrada
para os compósitos reforçados com fibras de malva foi relativamente superior a
encontrada, por exemplo, por Candido (2014) para compósitos epoxídicos
reforçados com bagaço de cana-de-açúcar (60°C a 80°C). Este fato possivelmente
pode representar maior estabilidade térmica a temperaturas mais elevadas para os
compósitos reforçados com fibras de malva.
170
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Investigar outras frações de fibras de malva no compósito (40%, 50% e 60%),
e definir a porcentagem máxima segura, acima da qual se observa aumento do
trauma e/ou perda da coesão do compósito após o impacto balístico do SBMs;
Desenvolver protótipo otimizado de colete balístico utilizando CFNLs,
analisando as espessuras do SBMs conforme a energia absorvida individualmente
por cada componente;
Testar os compósitos reforçados com fibras de malva para proteção balística
de outros níveis, como o III A.
Avaliar e comparar o desempenho balístico do compósito polimérico reforçado
com 30%v/v de tecido e fibras de malva utilizando outro tipo de matriz, como por
exemplo, poliéster.
Investigar novos tratamentos químicos para as fibras de malva, que
possibilitem maior compatibilidade com a matriz hidrofóbica, por exemplo, a
utilização de agentes de acoplamento e a copolimerização por enxerto.
Utilizar as fibras de malva mercerizadas em outros ensaios mecânicos como
tração, por exemplo, e verificar a relação do aumento da cristalinidade com a
melhoria de propriedades como a resistência a tração e o módulo de elasticidade.
171
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