Jorge Nasseh - manualdeconstrucaodebarcos.com.br · 1.Barcos - Construção - Manuais, guias, etc....

Jorge Nasseh

Rio de Janeiro, 2007

©2007 Jorge Nasseh

Todos os direitos desta edição reservados à Jorge Nasseh. P.O.Box 5214, Rio de Janeiro, RJ, CEP 22072-970, Rio de Janeiro.

www.barracudatec.com.br

Texto e CoordenaçãoJorge Nasseh

Edição GeralCecilia Veiga

Projeto de CapaBárbara Cotta

Isis Karol

DiagramaçãoBárbara CottaCecilia Veiga

Isis Karol

IlustraçõesJorge Nasseh

RevisãoCélio AlbuquerqueMaria Elisa Nunes

Catalogação de Livros na Fonte

Nasseh, Jorge. Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites / Jorge Nasseh.- Rio de Janeiro. 2007. 1.Barcos - Construção - Manuais, guias, etc. I. Título.

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SUMÁRIO

SPrefácio

1 Introdução

2 Considerações do Projeto e MateriaisIntroduçãoConsiderações IniciaisPesoDistribuição de PesoTeor de FibrasPropriedades Direcionais das FibrasRelação Tensão x DeformaçãoCisalhamento InterlaminarPropriedades Dinâmicas de FadigaResinasResina PoliésterResinas EstervinílicasResinas EpoxyMecanismos de CuraFatores que Influenciam a Reação de CuraMétodos de Teste e Controle de ResinasPromotores e AceleradoresIniciadores e CatalisadoresDosagem RecomendadaComo Medir a Cura de um LaminadoGrau de CuraTemperatura de Transição Vítrea (Tg)Temperatura de Distorção Térmica (HDT)Pós-CuraPerfil de Temperatura Durante a CuraO Processo de Pós CuraBinômio Tempo x TemperaturaComo Fazer a Pós-CuraA Pós-Cura por Exposição ao SolAgentes de CuraMateriais SandwichTipos de Materiais SandwichNúcleos de MadeiraNúcleos de Espuma de PVC

Espuma de PVC Renicell E Espuma de PVC Tipo HDEspuma de PVC Tipo H

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Sumário Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites

Fibras de Vidro Tipo R e SFibras Aramidas Tipo Kevlar e TwaronFibras de CarbonoTipos de ReforçoTecidosTipos de TramaTrama PlanaTrama Twill e SatinTrama UnidirecionalTrama MultiaxialTrama Híbrida

Materiais de Núcleo Tipo Colméia - Honeycomb

Fibras de ReforçoFibras de Vidro Tipo E

Espuma de PVC Tipo HCP E Espuma de PVC Tipo HPEspuma de PVC Tipo HT

Honeycomb Tipo NomexHoneycomb Tipo Aramida (Kevlar)Honeycomb de Alumínio

3 Construção em Strip PlankingHistórico do MétodoDesenhando Planos para Construção em Strip PlankingConvertendo Planos para uso do Strip PlankingFerramentasSeleção das Espumas para os StripsTipos de Resinas para Construção em Strip PlankingTipos de ReforçosO Problema dos OverlapsLaminação Longitudinal x Laminação TransversalConstrução da Base ou PicadeiroCorte das Cavernas - Desconto das EspessurasMontagem das CavernasAjuste das Cavernas no Nível VerticalStrip de Apoio na Linha de Centro e BordaCorte dos Strips e Definição das LargurasEmenda LongitudinalDesmoldante sobre as CavernasColocação do Strip Inicial e Fixação com ParafusosColocação do Segundo StripMassa de Colagem dos StripsMontagem dos StripsConstruindo um Bordo de cada vezFechamento na Linha de Centro e Roda de Proa

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Jorge Nasseh Sumário

Removendo Pregos e ArruelasLixando a SuperfíciePreparando o Início da LaminaçãoMaterial Descartável para LaminaçãoLaminação Mista de Strip Planking e Panel Planking

Virando o CascoLaminação InternaConstrução com Placa Plana

Laminação do Convés

4 Construção a VácuoProjeto de Construção e Escolha do Método ConstrutivoVantagens do Vacuum Bag x Hand layupAutoclave x Vacuum BagCálculo de Fração em Volume e Fração em PesoCusto Hand Layup x VácuoTeoria do Processo a VácuoMaterial Descartável

Filmes de VácuoFilmes PerfuradosPeel PlyBreather

Chapeamento do FundoRipa do ChineForração do CostadoLixando a SuperfícieLaminação ExternaMassa e Acabamento

Laminação do Fundo e CostadoLaminação

Montando as BalisasPlacas e RipasLateral da CabineAcabamentos e Detalhes FinaisLaminação ExternaLaminação Interna

Laminação de Peças SimplesColagem do Core ou 100% Laminação a VácuoSkin Coat - Molde Macho ou One-OffConstruindo em uma EtapaLaminação do Convés

Quantidade de Vácuo - Block FilmMontagem da Rede de Vácuo - Tomadas de Vácuo

Tacky TapeConexões e Válvulas

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Espessura do FundoEspessura da QuilhaOverlap no ChineEspessura dos TecidosNúmeros de Reforços Longitudinais e TransversaisDimensões Padrão das Estruturas do Fundo

5 Construção pelo Método de InfusãoEscolha do Método ConstrutivoHistóriaFundamentos da InfusãoVantagens do Processo de InfusãoResistência x Teor de FibrasFração em Peso e Fração em Volume

Infusão com uma Linha PrincipalModelo Matemático de Fluxo - Flow ModelMeio de Escoamento da Resina - Tipos de Fibra, Resina e CoreInfusão com Linhas SeqüenciaisPropriedades da Matriz de ResinaMontagem das Linhas, Bolsa de Vácuo e TrapsTeste de Integridade do Molde e Leak DetectorAspectos Cosméticos da Infusão - Skin CoatLaminação das Estruturas InternasCheck ListInfusão com Múltiplas Linhas de ResinaLinhas de Vácuo em SérieLinhas Principais e Secundárias de ResinaCompressibilidade de Laminados SólidosEspessuras de Reforços no Processo de InfusãoInfusão com Laminados SólidosInfusão de ConvesesInfusão com Múltiplas Linhas de Resina e VácuoInfusão por PartesPreparação da Resina

6 Determinação de Espessuras

Alinhamento e Compactação das FibrasTeoria do Processo

Calculando Detalhes EstruturaisGráficos de Espessuras - Cálculo PráticoNúmero EstruturalEspessura do Costado

Laminação por PartesLaminação InternaLaminação Interior - Open Carbono

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Jorge Nasseh Sumário

7 Detalhes Estruturais

Tabelas de Conversão

Agradecimentos

Anotações

Quantidade de Anteparas e EspessurasColagem das AnteparasConstrução em SandwichConstrução do ConvésConstrução do CostadoConstrução do FundoMódulo de Seção

IntroduçãoDetalhe de Montagem entre Casco e Convés

Detalhe de Passagem de Longarinas e AnteparasDetalhe de Reforços em L e TDetalhe de Construção entre Fundo e CostadoDetalhe de Construção de SprayrailsDetalhe da Construção de Quinas no CostadoDetalhe da Montagem de Pisos e ConvésDetalhe de Montagem na Borda Detalhe de Montagem de Saídas de CascoDetalhes de Fixação de FerragensDetalhe de Fixação da Quilha

Detalhe de Montagem de Anteparas

Detalhe de Construção de ConvésDetalhe de Gaiutas e Tampas

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1INTRODUÇÃO

Foram vários os motivos que me levaram a escrever este novo livro, mas o primeiro foi, com certeza, o sucesso que o livro Manual de Construção de Barcos obteve até agora. Eu sempre achei que um livro que ensinasse o que demorei anos para aprender fosse ser de grande valia, mas nunca imaginei que um livro escrito em português fosse ser vendido em todo o mundo.

Alguns anos se passaram depois da primeira edição do Manual de Construção de Barcos, por isto mesmo vários barcos já foram construídos com a ajuda dele e dos engenheiros e técnicos que tra-balham comigo. Lembro quando comecei meu trabalho na Barracuda, e como foi difícil convencer os construtores a utilizar um novo processo de construção que focasse no uso de materiais leves e resistentes ao invés de materiais convencionais como fibra de vidro, resina poliéster e madeira.

Atualmente milhares de barcos construídos com esta tecnologia em todo mundo comprovam que o esforço feito neste sentido levou a indústria de barcos do Brasil a um estágio de importância mundial. Temos hoje vários estaleiros produzindo barcos com padrões globais e exportando para boa parte do restante do mundo. Muitos dos construtores e laminadores que estão chefiando os maiores estaleiros do país foram treinados por engenheiros com os quais tive o prazer de trabalhar. O melhor deste trabalho é que muitos deles têm uma boa noção sobre como construir qualquer barco de alta performance usando as técnicas mais avançadas disponíveis, mas ainda conhecem pouco da teoria que está por trás destas inovações. E é este conhecimento que possibilita ousar, ter confiança e experiência na arte de construir barcos.

Nos últimos tempos todos os construtores de barcos têm passado por uma série de desafios para minimizar o consumo de materiais, reduzir a quantidade de horas de construção, criar um ambien-te limpo para os funcionários e, finalmente, gerar lucro para suas empresas. Isto não é fácil para qualquer tipo de indústria, mas é terrivelmente penoso para quem trabalha com produtos ligados ao segmento de lazer. Construir bem e gerar lucro é matéria das mais difíceis quando o produto em questão se chama barco.

No estágio em que nos encontramos, tenho pelo menos 20 outros engenheiros e experts em cons-trução de barcos ao redor do mundo trabalhando comigo 24 horas por dia que permite trocar experiências e aprender com os acertos e principalmente com os nossos erros. Ninguém, nem o maior dos maiores está livre de falhar, mas avaliar e saber corrigir o que deu de errado torna um construtor experimentado e competente.

Há três meses quando decidi a escrever este novo livro, e o intitulei como Barcos – Métodos Avan-çados de Construção em Composites, tinha em mente passar a informação que muitos construtores me requisitavam. Existem hoje poucos estaleiros que conseguem ser lucrativos usando técnicas de construção derivadas daquelas dos primórdios da construção em fibra de vidro. Todos sabem que os dias estão contados para processos amadores que envolvem horas e horas de trabalho artesanal sem qualificação. Procurar tecnologias e processos que possibilitem o bem-estar dos funcionários, lucratividade para as empresas sem prejuízo para o meio ambiente é o dever de todo empresário, construtor amador ou semi-profissional.

Este livro tem a intenção de mostrar algumas das técnicas mais empregadas por construtores pro-fissionais, mas também mostra os passos fundamentais de uma técnica de construção que pode ser

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Introdução Métodos Avançados de Construção em Composites

utilizada por amadores, e torna possível construir um barco em pequeno espaço de tempo com uma grande margem de sucesso.

O primeiro capítulo do livro, sobre engenharia de materiais, é uma extensão do Manual de Cons-trução de Barcos, mas adiciona vários tópicos interessantes sobre as propriedades mecânicas de laminados construídos no sistema a vácuo e pós-curados com resina epoxy. Boa parte do capítulo refere-se ao uso de fibras de carbono e seus compostos laminados no sistema a vácuo ou infusão. Cada vez mais eu acredito que os dias dos laminados manuais estão no fim e que o uso da fibra de vidro vai ficar cada vez mais restrito às aplicações de baixa tecnologia ou onde fibras de carbono não têm espaço devido ao custo.

Barcos construídos com fibras de carbono ou fibras aramidas têm um desempenho extremamente superior ao dos barcos construídos com resina poliéster e fibra de vidro. Quem utiliza um barco com uma tecnologia mais avançada feito de materiais com maior grau de engenharia não retorna para laminados de fibra de vidro, infelizmente. O capítulo sobre materiais ainda detalha o uso de vários tipos de tecidos de carbono, aramida e vidro com resinas epoxy laminadas a vácuo e pós--curadas em alta temperatura, o que indica uma tendência de uso de procedimentos aeronáuticos na maior parte das aplicações em barcos.

Também foi dada grande atenção para as diversas configurações de materiais sandwich, principalmente espumas de PVC utilizadas hoje em barcos de produção seriada e que se encaixam perfeitamente no processo de laminação por infusão. O avanço na fabricação das espumas de PVC permitiu que os barcos passassem para um estágio superior de performance. É difícil achar um barco produzido que não possua em seu casco a tecnologia de construção em sandwich. Tanto a tecnologia de fabri-cação destas espumas, quanto a sua utilização em processos que permitem fabricar partes com o padrão aeronáutico, têm permitido que estaleiros profissionais em todo o mundo possam processar laminados com menor quantidade de trabalho. Laminados fabricados com fibras como carbono e aramida associadas ao uso de resinas epoxy apresentam metade do peso e uma fração do trabalho de um barco produzido em laminado convencional de fibra de vidro.

As exceções ficam por conta de laminados de tecidos biaxiais com resina poliéster ou estervinílica laminados por infusão e curados com alta temperatura. Mesmo utilizando uma técnica avançada com materiais econômicos, é possível associar materiais simples com um extraordinário ganho de performance. Cada vez mais construtores profissionais têm notado que o uso de pressão e tempe-ratura sobre os laminados podem torná-los bem mais resistentes e leves que os padrões usuais de construção. Neste livro tento sempre mostrar a possibilidade de usar pressão e temperatura como variáveis simples e econômicas para produzir barcos melhores.

Nos capítulos sobre fabricação, eu decidi focar um processo por vez, pois fico mais confiante no resultado desta forma de abordagem para construtores semiprofissionais e amadores. O pro-cesso de fabricação em strip planking ou panel planking é realmente uma das formas mais rápidas e eficientes de se construir um barco ou um protótipo que possa gerar uma série de bem-sucedidos cascos. Durante os últimos anos participei de uma série de projetos que usavam ou adaptavam a técnica que acabei herdando de um grande construtor, e pelo que entendo foi quem a introduziu em escala profissional. Depois de fabricar alguns barcos com este processo e ver bons construtores profissionais adaptando o seu uso me convenci de que existe uma série de variações sobre o tema que pode ser explorado na direção de se construir rápido e barato com materiais nobres. Com certeza nos próximos anos vamos acabar descobrindo possibilidades que irão ajudar construtores de diversas qualificações a utilizar este sistema na construção de barcos de todos os tipos.Como informação direta para os fabricantes que primam por uma construção de classe, inseri um capítulo exclusivo sobre construções a vácuo que explora o uso desta técnica na construção de

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Jorge Nasseh Introdução

barcos a motor e a vela. Não resta nenhuma dúvida que este tipo de laminação pode proporcionar uma resistência superior aos laminados fabricados atualmente e gerar um consumo de material extremamente baixo quando se utilizam fibras de alto módulo de elasticidade. Tanto casco como convés, assim como anteparas e reforços estruturais podem ser fabricados utilizando a pressão atmosférica para se obter laminados com metade do peso daqueles fabricados manualmente.

Tentei sempre dentro do escopo do livro mostrar fotos que possibilitem o acesso a vários tópicos complexos e verificar a sua aplicação por meio de construções realizadas pela equipe de engenha-ria da Barracuda. Tenho certeza que a seqüência de fotos publicadas neste livro é única entre os manuais de construção espalhados por muitos países e publicados em diversas línguas, tornando a leitura ainda mais compreensível. Verificar os detalhes nas fotos permite que os construtores aprendam e desenvolvam suas próprias soluções em construções futuras. Eu sempre acreditei que existem diversas possibilidades de se construir a mesma peça utilizando técnicas, seqüência e detalhes diferentes de construção. Mesmo onde trabalho, cada um dos engenheiros decide como e onde utilizar determinado material e processo, o que não necessariamente coincide com minhas idéias. Certamente os leitores não devem tomar minha opinião como palavra final sobre qualquer assunto, e eu ficaria feliz se pelo menos as transcritas neste livro levassem os construtores a desen-volver suas próprias soluções.

No decorrer dos capítulos sempre tento mostrar o lado econômico das soluções de engenharia de modo que seja possível construir um barco de qualidade superior sem as penalidades do custo excessivo, contudo cada um deve julgar o valor de pensar e detalhar antecipadamente cada passo da construção, e nunca imaginar que pode fazer tudo sozinho. A ajuda de um bom projetista de linhas ou um expert estrutural pode modificar o padrão de construção de um barco e proporcionar um ganho em tecnologia inigualável.

O capítulo sobre infusão trata de uma tecnologia cada vez mais consagrada e aplicada por constru-tores profissionais, talvez em um futuro próximo a maioria dos barcos seja construída deste modo. Durante os últimos anos acabei construindo ou participando da construção de uma centena de barcos por infusão de tamanhos que variam entre 25 e 120 pés, todos com tremendo sucesso. O time de engenheiros da empresa em que trabalho hoje pode ser considerado como um dos melho-res do mundo e com vários recordes em área de infusão. A partir do treinamento que recebemos, conseguimos gerar um excelente nível de tecnologia que garantiu nossa participação em projetos em vários outros países com extraordinário índice de sucesso.

Detalhamos ainda no capítulo o processo de infusão e a tecnologia desenvolvida pela Barracuda em barcos que variam entre 25 e 400 m2 de área com tempo de infusão menor que uma hora, o que mostra uma enorme redução em termos de força de trabalho, tempo e consumo de matéria-prima.

Os dois últimos capítulos do livro são diretamente ligados ao uso de técnicas de construção e dimensionamento de estruturas em composite, preferencialmente em sandwich onde tento mostrar as possibilidades de cálculo estrutural simplificado para a maioria dos barcos em questão. O leitor deve entretanto estar atento para que nenhum destes cálculos seja tomado como resultado final, e sim como uma aproximação inicial para futuros desenvolvimentos junto com projetistas, construtores e engenheiros.

Aproveitei a oportunidade para adicionar alguns desenhos feitos à mão. Durante anos como cons-trutor profissional acabei produzindo e guardando para mostrar aos laminadores minha forma de realizar junções e detalhes estruturais. Eu entendo que hoje em dia a possibilidade de gerar estes desenhos em computador talvez fosse melhor, mas eu não poderia deixar de listar os problemas e soluções que vários dos meus colaboradores nesta jornada utilizaram, concordaram e discordaram.

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Introdução Métodos Avançados de Construção em Composites

Espero que a leitura deste livro possa mostrar várias situações com que me deparei durante a minha vida profissional de construtor e como presidente da empresa Barracuda Advanced Composites. Tenho certeza que muitos vão utilizar estas notas, adaptar novas soluções e mesmo criar outras mais bem-sucedidas. Para todos que chegarem lá eu espero ter ajudado a construir melhor, mais leve e mais rápido.

Boa sorte,

Jorge NassehBarracuda Advanced Composites

Rio de Janeiro, BrasilAbril/2007

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2CONSIDERAÇÕES DO PROJETO E MATERIAIS

Introdução Escolher o tipo de material para construir determinado barco muitas vezes não é uma tarefa fácil, devido à variedade de opções existentes, como aço, alumínio, madeira, fibra ou mesmo a combi-nação de todos eles. Apesar da maior parte desses materiais estar no mercado há várias décadas e não incluírem modificações substanciais em sua formulação básica ou no seu manuseio, é surpre-endente notar que a maior parte das pessoas não possui um conhecimento correto sobre o uso de cada um deles.

Geralmente, para a construção de um barco, ou talvez de uma pequena série, existe um número enorme de opções, embora, dentre todas, a fibra de vidro seja a mais popular. Não existe nada de errado em construir barcos de madeira, aço ou alumínio, até mesmo ferro-cimento ou outro material alternativo. No entanto, do ponto de vista econômico, existem poucas opções que possam superar barcos fabricados em fibra de vidro e, no que se refere ao investimento e valor de revenda, barcos construídos em fibra têm, certamente, a menor depreciação ao longo do tempo.

Na realidade, qualquer tipo de construção é segura, quando todos os elementos e etapas do processo são planejados. Não existem materiais bons ou ruins, seguros ou não, mas sim projetos e construção bem-feitos ou malfeitos.

Na hora de decidir a respeito da utilização de determinado material, é comum considerar o projeto, tipo de construção e matérias-primas de uma forma global. Seria muito difícil separar tais variáveis e, freqüentemente, cada projeto tem um número limitado de opções disponíveis. O construtor deve sempre considerar que a diferença entre o custo de fazer bem-feito e malfeito é muito pequena. Um bom planejamento e uma boa supervisão podem tornar a construção muito mais eficiente. Não levar em conta o custo de mão-de-obra, ainda que em muitos locais os salários sejam baixos,

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Capítulo 2 Barcos - Métodos Avançados de Construção em Composites

é um erro básico, pois o tempo consumido e o custo da mão-de-obra podem ser superiores ao custo do material.

Nos últimos anos, os materiais compostos têm encontrado um lugar importante como material de engenharia para várias aplicações em diversos tipos de indústrias. Dentre elas, a construção de barcos tem sido uma das mais importantes. O sucesso da utilização de materiais compostos para fabricação de barcos é devido a um grande número de vantagens que esses materiais têm quando comparados a outros tipos.

AramidaBBCBCBABBABAAAC

CarbonoAAAAAACAABACCAC

VidroBCBCBCBAACCABAA

FIBRAS DE REFORÇO - PROPRIEDADES COMPARATIVAS

Alta Resit. a TraçãoMódulo de TraçãoResistência a CompressãoMódulo de CompressãoResistência a FlexãoMódulo de FlexãoResistência ao ImpactoResist. Interlaminar ao CisalhamentoResistência ao CisalhamentoDensidadeResistência a FadigaResistência ao FogoIsolamento TérmicoExpansão TérmicaCusto

A = Excelente B = Aceitável C = Baixo

Uma das principais vantagens sobre materiais como aço e alumínio é a variedade de estruturas que pode ser conseguida combinando materiais básicos. Entretanto, a grande diferença em relação a outros tipos de materiais se deve à ortotropia, que significa que o material pode resistir de forma diferente quando submetido a cargas em diferentes direções. É possível, então, construir uma em-barcação mais leve e resistente, colocando fibras apenas nas direções onde existam forças atuando. Essa característica oferece tanto ao projetista como ao construtor a oportunidade de ajustar os materiais às especificações de cada peça e ao tipo de processo de moldagem, além de fazer uma combinação que seja mais resistente para o barco. Os materiais compostos ainda possuem outras grandes vantagens quando comparados com outros produtos para construção de embarcações. Podem ser citadas, por exemplo, a excelente resistência e relativa rigidez para sua densidade; são fáceis de utilizar, são muito leves, fáceis de reparar, têm uma boa resistência à corrosão e às intem-péries e têm também uma grande resistência à abrasão.

Os materiais compostos têm sido utilizados para a construção do casco, convés e outras peças do interior. Na maioria das vezes, peças fabricadas com materiais compostos são produzidas com au-xílio de moldes, por isto várias formas complicadas podem ser desenvolvidas, e seria praticamente impossível, ou melhor, dificilmente seria possível moldá-las com qualquer outro tipo de material. Isso dá uma vantagem e uma liberdade adicional para o projetista explorar um grande número de formas possíveis.

Atualmente, a maior dificuldade quando se começa a construir um novo projeto em composites é a variedade de produtos e técnicas disponíveis para o construtor. Seja ele profissional ou amador, a diversidade de opções é mais um problema que uma solução. É bem verdade que ao se comprar um projeto detalhado a maioria das informações sobre especificações, propriedades mecânicas,

Considerações Iniciais

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Jorge Nasseh Considerações do Projetos e Materiais

materiais, direção de laminação, quantidade de fibra, resina e espessuras já vem listada nos desenhos fornecidos pelo projetista. Mas é sempre aconselhável conhecer as principais variáveis de enge-nharia dos componentes envolvidos na construção de um barco fabricado em material composto. Mesmo que o entendimento dos materiais separadamente seja importante, é necessário também considerar como eles se complementam, afetam uns aos outros e como o processo de construção pode determinar a qualidade final do produto.

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Um dos requisitos mais óbvios em um projeto é garantir que o barco seja suficientemente forte e seguro para suportar os vários esforços a que estará sujeito durante o seu uso, seja um pequeno barco de passeio com motor de popa ou um veleiro para dar a volta ao mundo disputando uma regata. Em todos os casos, o construtor deve observar que a segurança vem em primeiro lugar. É verdade que barcos de recreio têm requisitos diferentes dos requisitos dos barcos comerciais e mesmos dos barcos militares. Nos dois últimos o tempo de vida da estrutura e mesmo a segurança dos passageiros têm um peso diferente. Barcos comerciais de passageiros devem proporcionar total segurança em termos estruturas, navegabilidade e principalmente resistência ao fogo para a tripulação e passageiros. Barcos militares têm outras prioridades. Mas, acima de tudo não se pode deixar a segurança ficar em segundo plano quando se considera somente o custo de construção.

Muito se fala na resistência dos materiais em termos individuais, o que é um absurdo quando o construtor tem que mixar diversos materiais dentro de uma estrutura complexa. Na prática, não é a tensão final de ruptura de determinado material que cria os maiores problemas em um projeto, mas a necessidade de rigidez que algumas vezes é difícil de ser alcançada. Construções em material composto não falham de uma hora para outra, a não ser sob fortes impactos. O modo mais comum de falha é um decréscimo de propriedades mecânicas ao longo do tempo, devido à baixa qualidade de fabricação e dos materiais utilizados. Assim, é certo que os efeitos desta baixa qualidade só serão identificados algum tempo após o início do uso da embarcação.

Existem dois tipos de rigidez que devem interessar a quem projeta ou fabrica barcos. A primeira é a individual, refere-se a cada painel do casco ou do convés, que precisa resistir aos esforços locais de flexão. A outra é a rigidez do casco e do convés como um todo, que devem suportar o carre-

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gamento global de cargas. Na maioria dos casos a primeira é a mais importante visto que somente em barcos de comprimento acima de 20 metros é necessário fazer uma análise global da estrutura. O termo que utilizamos para medir a rigidez em um material é chamado de módulo de elasticidade. Módulo de flexão diz respeito à resistência à flexão e módulo de tração e compressão diz respeito à capacidade do material de resistir aos esforços de tração e compressão.

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A rigidez local à flexão dos painéis do casco é importante em qualquer barco. Caso os esforços externos e pressões deformem o casco a ponto de alterar significativamente suas características hidrodinâmicas, a performance do caso será alterada e possivelmente sua estrutura estará sujeita a níveis de stress não calculados, podendo induzir vibrações e ruídos indesejáveis na estrutura. Caso isto aconteça, a superfície suave das linhas do casco estará sendo alterada a todo o momento em que este passe por uma onda. É lógico que esta deformação não é visível, mas é certo que existe uma energia sendo desperdiçada para deformar o casco em vez de impulsioná-lo para frente.

Importante ressaltar, que a rigidez, ou resistência à flexão de um painel, depende das suas dimen-sões, área, espaçamento entre apoios, da espessura e módulo de flexão do material. Dessa forma, a variação da rigidez do painel pode ser alcançada com a mudança de qualquer um desses fatores. Em adição a todos estes fatores, o uso de fibras de alto módulo, menor quantidade de espaços vazios no laminado, melhor compactação e índice de cura apropriado fazem com que os painéis da estrutura tenham propriedades acima do nível apresentado pela maioria dos barcos de produção convencional.

A outra variável envolvida no dimensionamento de um barco, e de difícil previsão, é a quantidade de carregamento, distribuído ou concentrado, atuando em cada parte do casco. Normalmente se usam teorias aproximadas para obtenção destes valores, são levados em conta o estado de mar, altura de onda e algumas características de operação da embarcação. Velocidade é também um fator determinante nos níveis de pressão na estrutura. Obviamente, quanto mais rápido um barco navega, maior será a energia de impacto gerada pelas ondas.

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Hoje em dia a maior parte das teorias de avaliação de pressão e aceleração vertical experimentadas por uma estrutura estão disponíveis para projetistas e construtores. Porém, o uso destas ferramentas exige experiência. Caso contrário, podem levar a respostas erradas para problemas mal formulados. Muitos programas de geração de superfícies e linhas oferecem estimativas do cálculo de pressões em ondas, embora seu enfoque seja meramente qualitativo. Uma boa análise de cargas e pressões necessita de um conhecimento dos níveis de aceleração vertical aplicados nestas estruturas. É difícil quantificar este dimensionamento sem o auxílio de medidores fixados na estrutura do barco. Pode-mos tomar como exemplo as estruturas de monocascos ou catamarans a vela sujeitos a velocidades acima de 30 nós. Há muitos anos seria impossível construir barcos com estas características devido à falta de conhecimento sobre como agem as pressões em cada ponto da estrutura. Mesmo que se tenha a possibilidade de avaliar a carga local em qualquer painel, não se deve considerar estes valores de modo absoluto. O maior nível de pressão, ou o pico de pressão, somente age em pequena área do laminado e assim mesmo em uma pequena fração de segundos.

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Projetistas e construtores de barcos de alta performance estão, normalmente, voltados para a ne-cessidade constante de rigidez nos painéis, projetando e construindo dentro dos limites do material. Fatores de segurança e probabilidade de falha são os grandes aliados para se projetar uma estrutura eficiente. Embora nunca se deva desprezar a utilidade dos fatores de segurança comprovados para cargas estáticas, dinâmicas, de alta freqüência e fadiga, o uso de teoria probabilística oferece maior flexibilidade para o dimensionamento de estruturas mais leves.

A razão básica de transversais e longitudinais serem colocadas em um barco é reduzir a área livre dos painéis entre seus apoios e assim minimizar o nível de deflexões. Existe uma infinidade de opções para se construir a parte estrutural ou chassi de um barco. Esta estrutura pode ser feita ou moldada sobre perfis pré-fabricados em composites ou pode ser feita a partir de estruturas sandwich montadas de forma a criar uma estrutura monobloco e leve de proa a popa. É claro que quanto mais robusta for a estrutura, seu projeto e sua construção maior peso estará sendo imposto à estrutura do casco e menor eficiência terá a embarcação. Do outro lado, o uso de laminados leves e de alta rigidez pode proporcionar maior eficiência na construção, menos espaço desperdiçado, melhor arranjo para tanques e motorização e finalmente menor peso.

Infelizmente, a laminação desses reforços é demorada, quando comparada com o processo relati-vamente rápido da laminação do casco em si, e por isso tende sempre a adicionar custos extras de mão-de-obra. Entretanto, o incremento da espessura do painel em um laminado sólido aumenta consideravelmente o peso da estrutura, resultando em um barco muito pesado. A melhor opção com certeza é a utilização de estruturas do tipo sandwich, que aumenta muito a rigidez sem gerar significativo acréscimo de peso. Tanto os projetistas quanto os construtores de barcos, especialmente os de performance ou de regata, devem estar sempre preocupados em alcançar a maior rigidez possível para os painéis com o menor peso possível. Construtores experimentados combinam a construção tipo sandwich com fibras de alta resistência, associada a um processo de fabricação que permite um controle mais rígido da espessura, resistência e peso do laminado.

O outro tipo de rigidez necessária à estrutura do barco é sua resistência global. Qualquer barco sofre uma variedade de esforços ao longo de sua vida e em alguns casos eles podem ser substan-ciais. O conjunto de cargas atuantes na estrutura de um barco é um sistema complexo de forças e condições de contorno e pode gerar danos locais à estrutura do casco. Qualquer material usado na estrutura de um barco deve ter a propriedade de se alongar até certo valor e retornar à posição original. Esta propriedade permite que os materiais possam absorver as tensões e manter a estru-tura intacta. Materiais com baixo alongamento são considerados perigosos em uma estrutura em composite, embora algumas fibras exibam baixos valores de flexibilidade mesmo quando laminadas com resinas de alto módulo.

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O projetista deve ter bastante cuidado quando aumentar a rigidez de parte da estrutura, de modo a evitar que o problema apareça em outras áreas com menor rigidez pela transferência abrupta de tensões, que geralmente pode ocorrer de forma inesperada. Um modo adequado de resolver o problema é dimensionar toda a estrutura para que ela tenha o mesmo nível de flexibilidade, o que irá proporcionar um fluxo de tensões constantes e suaves através de todo o barco. Isto pode parecer simples, mas envolve além de uma complicada teoria, o conhecimento preciso dos carregamentos aos quais está sujeita a estrutura.

Existe uma lista de vantagens que podem ser enumeradas quando se reduz o peso na estrutura de um barco, porém o mais importante é que este efeito é acumulativo. Um veleiro mais leve requer menos área vélica para navegar do que um barco semelhante mais pesado. Como resultado da eco-nomia de peso, pode-se utilizar uma mastreação menos robusta e transferir menos carga para os equipamentos de convés, o que possibilitará o uso de ferragens menores e mais leves. Da mesma forma, o diâmetro dos cabos também será reduzido e, conseqüentemente, terá menos peso. As forças agora diminuídas, atuando na estrutura devido a uma mastreação menor, podem gerar uma economia de peso também na laminação de casco e convés, pois as cargas globais na estrutura baixarão. Como resultado indireto, a utilização de equipamentos menores e mais leves e reduções de peso na estrutura diminuem a quantidade de materiais e o custo final do barco.

É lógico que isso se aplica também a barcos a motor, principalmente aqueles de maior porte, onde a idéia de supermotorizar um casco tornou-se obsessiva. Construir um barco leve, com menos motorização e combustível é a melhor solução para quem deseja ter uma embarcação rápida. Outra grande vantagem em se trabalhar em uma redução geral de pesos é poder melhorar as características de navegação do barco, otimizando a estabilidade e a manobrabilidade.

Embarcações a motor podem usar economia de peso para reduzir a potência instalada para uma determinada velocidade máxima e assim diminuir o peso total e aumentar a economia de combus-tível e autonomia. Uma das variáveis que afeta diretamente a qualidade de navegação de um barco é a aceleração vertical gerada ao longo do seu comprimento. Esta aceleração é conseqüência do desenho do casco, comprimento, velocidade, deslocamento e distribuição de peso. Um barco mais leve tem a possibilidade de romper com mais velocidade as ondas que o outro. Todavia, quanto maior for a velocidade, maior será também a aceleração vertical dentro do barco que é o fator li-mitante do conforto a bordo. Normalmente, para embarcações de passageiros se limita o valor da aceleração vertical a 1g (9,81 m/s2), todavia na prática é possível navegar com aproximadamente 3g de aceleração vertical. Valores maiores, somente sob condições de resgate ou ações militares. Barcos deste tipo são dimensionados para velocidades superiores a 50 nós e têm a capacidade de navegar com acelerações verticais de mais de 60 m/s2.

Peso

26


Não é somente o peso total do barco que interessa ao construtor. A posição de cada peso na estrutura é tão crítica quanto a performance. Qualquer barco - seja a vela ou a motor - irá caturrar quando estiver navegando em ondas, e a energia absorvida pelo caturro é energia perdida que deveria estar movendo o barco. Para reduzir este movimento, o peso da estrutura deve ser concentrado o mais próximo possível do centro de gravidade do barco, e as extremidades da embarcação mantidas o mais leve possível.

O construtor de um barco de performance tentará sempre reduzir o peso da estrutura nas extre-midades, adicionando peso, se for preciso, no centro da embarcação. O mesmo conceito e preo-cupação descritos anteriormente devem ser aplicados à distribuição vertical de peso. O peso da mastreação e quilha estão distantes do centro de gravidade vertical, o que, queira ou não, irá afetar no movimento de caturro. Na prática, isso significa que iates com mastros, velas e ferragens mais leves e com lastro carregado internamente ou próximo do topo da quilha terão uma amplitude menor desse movimento, quando comparados a outros barcos em que não se tenha prestado atenção a esses detalhes.

O teor de fibra em qualquer tipo de laminado de material composto exerce uma das maiores influências sobre a resistência e rigidez do laminado, uma vez que é a parcela de fibra dentro do laminado que produz a maior parte da resistência e rigidez. Assim, quanto mais fibra possuir o laminado, melhores serão as propriedades mecânicas. Cada tipo de reforço está associado a uma determinada fração em volume de resina, visto que existe uma quantidade mínima de resina ne-

Teor de Fibras

Distribuição do Peso

27


cessária para impregná-lo e manter todas as fibras coladas umas às outras.

Materiais em que as propriedades mecânicas são totalmente dependentes da direção são conhecidos como ortotrópicos, em contraste com materiais isotrópicos, como os metais ou um laminado de manta, que apresentam valores de rigidez e resistência independentes da direção do carregamento. Essas propriedades direcionais permitem ao projetista maximizar as propriedades do laminado em uma direção particular para absorver as tensões e fornecer um laminado mais eficiente para a estrutura. Informações apresentadas para laminados reforçados com fibras de alta performance são normalmente fornecidas em relação à orientação das fibras. Algumas vezes, entretanto, proprie-dades transversais também são fornecidas para compostos unidirecionais. Tais propriedades são, basicamente, um guia para a performance da resina e para a adesão entre fibra e resina.

Propriedades Direcionais das

Fibras

A relação tensão versus deformação é importante para entender o comportamento do material sob carregamento. Esta relação mostra o comportamento do material, como ele se alonga e falha sob um carregamento conhecido. O módulo, a tensão máxima de ruptura e a forma de falha dependerão do tipo e quantidade de fibra, da natureza da trama, seja ela unidirecional, bidirecional ou aleatória, mas dependerá também das propriedades da resina e, em particular, da sua elasticidade e adesão.

Relação Tensão x

Deformação

28


Um laminado típico é linearmente elástico para pequenas deformações até o limite de propor-cionalidade, quando a curva diminui sua inclinação. Mas a partir desse ponto o material passa a sofrer deformações permanentes e, após a retirada da carga, não recuperará a sua forma. Quando o laminado é testado e carregado progressivamente, a primeira fase da avaria é a delaminação da resina com as fibras em ângulo perpendicular à direção do carregamento. Com o aumento da carga, o processo de delaminação desenvolve rachaduras na resina, que levarão à perda da adesão entre as fibras e a resina. Esse é o início da delaminação e das microfissuras que causam a perda de propriedades mecânicas e definem o ponto de avaria permanente que ocorre no laminado. À medida que as rachaduras se espalham, o laminado alcança o ponto de ruptura no momento em que as fibras são totalmente partidas.

Curvas de tensão e deformação e valores de testes mecânicos para materiais isotrópicos são inde-pendentes da direção do esforço. Entretanto a maioria dos laminados são ortotrópicos e o processo de falha depende da orientação das fibras em relação à carga. Neste caso existirão diferentes curvas de tensão e deformação para cada ângulo de carregamento. Neste ponto fica claro que a tensão de ruptura interessa ao projetista, embora seja raramente utilizada como limite de projeto, uma vez que avarias sérias já terão ocorrido no laminado antes da tensão de ruptura ter sido alcançada. Além disso, boa parte do conjunto da resina e fibra irá apresentar delaminações irreversíveis.

29


Os dois critérios mais importantes, quando se considera a performance da resina, são a capacidade de adesão e o alongamento sob carregamento. Se estas propriedades não forem satisfatórias, as fibras se soltarão da matriz de resina em um nível de tensão muito baixo. A resistência do composto ficará reduzida e as rachaduras se espalharão, levando ao colapso total do laminado. A adesão da resina obviamente deve ser a mais alta possível, mas a resina também deve possuir a habilidade de defor-mar junto com as fibras para que as delaminações e microfissuras sejam adiadas o máximo possível.

O cisalhamento interlaminar é uma propriedade que depende muito da performance da resina e, outra vez, da sua resistência e poder de adesão. Ela não depende, diretamente, do tipo ou quanti-dade de reforço. A resistência ao cisalhamento interlaminar é a medida de quanto a resina adere a camadas de reforços adjacentes.

O tipo mais comum de resina utilizado na construção de barcos - a poliéster - não possui proprie-dades de adesão muito boas. Assim, para prevenir a delaminação, intercalam-se camadas de manta com um maior teor de resina entre os tecidos. Esta é a principal razão por que, normalmente, barcos de produção são construídos com tecidos biaxias combinados com mantas costuradas. As camadas de manta fornecem orientação aleatória das fibras que irão aderir em ambas as camadas de tecido, apesar das propriedades gerais do laminado serem reduzidas pelo uso de um reforço extremamente ineficiente como a manta.

As propriedades de resistência e rigidez são desenvolvidas para testes mecânicos de curta duração. Entretanto, projetistas e construtores também devem considerar propriedades ao longo do tempo, caso a embarcação seja projetada para uma longa vida útil. Propriedades geradas a partir de testes mecânicos são de interesse particular para o projetista e para a especificação de laminados de plástico reforçado que experimentam baixos níveis de tensão, mas ocasionalmente poderão ter de suportar tensões mais altas por um pequeno período de duração.

Ao se projetar um barco, deve-se considerar que a estrutura também deverá suportar carregamentos elevados de forma repetida e contínua. Quando um material composto está sujeito a carregamentos cíclicos, a deformação permanente do laminado ocorre em tensões mais baixas que os valores dos testes mecânicos produzidos em curta duração. Por menor que seja o nível de exigência e operação, a estrutura de qualquer barco sempre irá experimentar carregamentos cíclicos, por isso a resistência à fadiga do laminado deve ser considerada. Muitos materiais, que mostram uma resistência satisfatória nos testes de curta duração em laboratório, podem apresentar resultados desastrosos em testes que incluam efeitos dinâmicos.

Cisalhamento Interlaminar

Propriedades Dinâmicas de

Fadiga

30


As resinas de maneira geral são polímeros sintéticos que foram desenvolvidos nos últimos 60 anos e uma característica comum aos polímeros é ter cadeias muito longas, resultantes da união de muitos segmentos idênticos. Os polímeros sintéticos, de importância primordial como material de engenharia, geralmente têm estruturas bem simples. A molécula final do polímero pode ser formada de milhares de unidades repetidas, sendo cada unidade chamada de monômero. As propriedades físicas e mecânicas de um polímero dependem basicamente da sua estrutura.

A parte reativa do polímero pode dar origem a uma resina que misturada com um material de reforço tal como fibra de vidro, fibra de carbono ou fibra aramida é transformada em um material composto. Quando este polímero tem ligações cruzadas muito fortes para serem rompidas por aquecimento moderado eles são chamados de termofixos, e podem gerar resinas do tipo poliéster, estervinílica, epoxy ou fenólica, etc.

Resinas

Nas matrizes de resina poliéster o radical éster, o menor segmento de um poliéster, é o resultado da reação de um álcool e um ácido com eliminação de água. O poliéster, portanto, é a ligação química entre vários ésteres. Dependendo do tipo de ácido utilizado na reação, obtém-se o poliéster saturado que dá origem às fibras, tintas, etc., e o poliéster insaturado, com pontos altamente reativos que podem ser curados a frio. Este último quando reforçado, apresenta as características básicas de um material estrutural leve, durável, incrivelmente resistente, que pode ser empregado na fabricação de quase todos os tipos de produto.

Quando se projeta a fabricação de uma resina, há todo um planejamento visando obter determi-nadas propriedades finais. Tudo é planejado, desde as matérias-primas utilizadas, a tecnologia da adição, o uso de reagentes, o tempo de reação de modo a se conseguir o peso molecular adequado, a temperatura de reação e muitas outras variáveis. Uma vez escolhida a formulação com o intuito de se obter a resina com as propriedades planejadas, o polímero é produzido no reator, obtendo--se um plástico altamente viscoso que é posteriormente misturado a um solvente, tornando-se um líquido de baixa viscosidade de modo a facilitar sua utilização pelo usuário final.

A estrutura básica de um poliéster insaturado é composta de três componentes: o ácido insaturado que fornece os pontos reativos com ligações duplas, chamados pontos de insaturação, um glicol, ou bi-álcool, que proporciona o meio para aumentar a cadeia polimérica, e um ácido saturado

Resina Poliéster

31


que determina o grau de espaçamento das moléculas entre os ácidos instaurados. Este plástico é dissolvido num monômero que servirá, futuramente, pela ação do catalisador, como um agente de interligação entre seus pontos de insaturação com os pontos de insaturação presentes na cadeia do poliéster acima mencionado. Portanto, quando o construtor decide usar uma resina, no caso poliéster, ele estará especificando a utilização de um poliéster insaturado dissolvido em monômero de estireno, vulgarmente chamado de resina de poliéster insaturado ou simplesmente resina de poliéster. Geralmente a proporção resina/monômero de estireno pode variar de 70/30%, podendo chegar a 50/50% em peso.

ÁCIDOS INSATURADOS

Maleico (anidrido)Fumárico

ATRIBUTOS

Fontes de insaturação (duplas ligações que irão reagir com as duplas ligações do estireno. Obrigatório em toda resina de poliéster insaturado.

GLICÓIS

Monoetilenoglicol (MEG)

Propilenoglicol (PGI)

Dietillenoglicol (DEG)

Dipropilenoglicol (Di-PGI)

Neopentilglicol (NPG)

ATRIBUTOS

Custo Baixo e Alta Rigidez

Excelente Compatibilidade com

Estireno. Boa molhabilidade.

Custo Baixo e Boa Flexibilidade.

Boa Flexibilidade e Alta Resistência

Mecânica.

Estabilidade ao UV e resistência à

Hidrólise.

ÁCIDOS SATURADOS

Ortoftálico (Anidrido)

Isoftálico

Tereftálico

Adípico

Bromados ou Clorados

(Clorêndrica)

ATRIBUTOS

Baixo Custo e Compatibilidade

com Estireno.

Boa Resistência Mecânica,

Química e à Água.

Alto HDT.

Boa Flebilidade e Alta Dureza.

Retardamento de Chama.

SOLVENTES

Estireno

Vinil Tolueno

Metacrilato de

Metila (MMA)

ATRIBUTOS

Baixo Custo.

Boa Resistência e Rigidez.

Baixa Flamabilidade e Boa

Flexibilidade.

32


O construtor ao selecionar a resina poliéster para uso no processo de laminação por infusão ou strip planking deve notar que os pontos de insaturação são duplas ligações químicas entre dois átomos de carbono adjacentes. Estas duplas ligações são instáveis e facilmente rompidas durante a reação de cura. Esta reação química se processa à temperatura ambiente pela ação de agentes aceleradores e iniciadores, conhecidos como catalisadores, adicionados à resina no momento do uso. Estas duplas ligações existem tanto no polímero propriamente dito, como também no monômero de estireno, e na presença do catalisador, que por sua vez é incentivado pelo promotor, no caso o cobalto, dispara uma reação química onde o produto final é uma resina termofixa.

Os tipos de resina poliéster disponíveis no mercado são do tipo ortoftálica, isoftálica, e tereftálica e têm suas modificações nos padrões isoftálica com NPG (neo pentil glicol), ortoftálica tereftálica, que usa PET reciclado, e ortoftálica CCPD (diciclopendadieno).

A química das resinas estervinílicas foi desenvolvida no final da década de 1950 e início de 1960, por vários pesquisadores e cada uma delas teve uma formulação diferente. As primeiras eram tão reativas que não tinham tempo de vida suficiente para serem utilizadas. É importante salientar que a resina estervinílica tem sua origem numa resina epoxy, que utiliza um radical bisfenol do tipo A e epicloridrina. As resinas estervinílicas utilizam o mesmo substrato diluído em derivados acrílicos e monômero de estireno.

Quando comparadas, as resinas de poliéster insaturado são inferiores às resinas estervinílicas. As resinas de poliéster insaturado, como seu próprio nome o diz, são formadas a partir de muitos ésteres repetidos em sua estrutura molecular. Os grupos ésteres são ligações fracas e podem ser atacadas pela água resultando em baixa resistência química e na hidrólise. Pode-se observar isso no dia a dia, onde ocorrem os problemas de blistering, que é a formação de bolhas devido à degradação da matriz de resina pela ação da água. As resinas poliéster têm uma faixa de desempenho médio, apresentando, no entanto, boa facilidade de processamento e baixo custo.

Resinas Estervinílicas

Já as resinas estervinílicas têm como base resinas epoxy, portanto, suas propriedades estão inteiramen-te ligadas às propriedades de sua base epoxy, o que resulta em um excelente desempenho mecânico, em boa resistência à hidrólise e a produtos químicos básicos. Estas resinas têm alto desempenho, entretanto seu processamento é um pouco mais difícil e seu custo é mais alto quando comparado com o das resinas de poliéster insaturado. Em suma, as resinas estervinílicas apresentam em geral melhor desempenho mecânico e dureza, maior resistência à hidrólise e melhor estabilidade térmica.

33


Da mesma forma que as resinas poliéster e estervinílicas as resinas epoxy são termofixas de alto desempenho, e contêm pelo menos dois grupos epoxy nas suas extremidades. Além das aplicações de alta performance em estruturas de barcos pelo processo de vacuum bag, infusão e prepreg, estas resinas são matérias-primas em vários setores industriais, como a indústria eletroeletrônica, de embalagem, construção civil e transporte.

Embora o uso de resinas epoxy tenha aumentado significativamente na construção de barcos, seja pela utilização no processo a vácuo ou infusão, as aplicações de maior volume ainda incluem tin-tas, recobrimento de pisos, adesivos, equipamentos para indústria química, laminados elétricos e eletrônicos. Existem apenas três grandes produtores mundiais de resina epoxy, que detêm 70% do mercado, e fornecem a resina básica para uma dezena de outras empresas que formulam resinas de alta performance para o segmento de composites, de modo que um construtor de barcos possa ter acesso à mesma tecnologia empregada em estruturas aeroespaciais.

Mesmo que boa parte das resinas utilizadas em laminação de composites seja derivada de alguma formulação de resinas básicas, elas definitivamente não conseguem desenvolver todo o potencial mecânico que uma resina de baixa viscosidade e alto HDT como as que são usadas para composites. O uso de resinas não específicas para laminação torna o laminado flexível e o deixa com baixa resistência mecânica, sendo a falta de coesão durante o processo de cura responsável pela baixa performance dos sistemas básicos usados para adesivos industrias e tintas.

Resinas Epoxy

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As resinas epoxy mais utilizadas têm como base o diglicidil, éter do bisfenol-A (DGEBA), e são sintetizadas a partir de uma reação entre a epicloidrina e o bisfenol-A.

A relação molar epiclorohidrina/bisfenol-A pode variar em um grande espectro podendo produzir resinas líquidas e sólidas. A estrutura de uma matriz de epoxy consiste de grupos epoxy terminais e de uma unidade de repetição no meio. Como as unidades de repetição, que podem ser incorpora-das à molécula, variam entre cada tipo de formulação, elas irão influenciar nas propriedades finais da matriz final de resina. A tabela abaixo mostra uma comparação de propriedades e variações na viscosidade que podem ser obtidas pela variação do valor dos vários tipos de resinas epoxy.

Resinas epoxy podem também ser obtidas com características multifuncionais, como as resinas glicidil éter de novolac, glicidil de aminas trifuncionais ou tetrafuncionais. Estas resinas apresentam alta viscosidade à temperatura ambiente, acima de 5.000 cps, e permitem obter materiais com maior grau de reticulação em relação a resinas do tipo DGEBA, fazendo com que tenham melhor de-sempenho a altas temperaturas. Estas resinas são utilizadas, na maioria dos casos, para manufatura de tecidos do tipo prepreg.

Viscosidade da Resina, cpsViscosidade do Endurecedor, cpsViscosidade da Mistura, cpsProporção da Mistura (Peso)Proporção da Mistura (Vol.)Gel Time, 25°C, 150g, min.DurezaResistência a Tração, psiAlongamento, %Resistência a Compressão, psiResistência a FlexãoMódulo da FlexãoHDT, Room Temp. Cure, °CHDT, Post Cure, °CImpacto Izod, ft-lb/inContração, in/in

AR600

AH90

6,000

30

1,500

100A:33B

3A:1B

180

81D

11,600

3.9

19,600

16,800

516,000

65

85

1.24

<0.002

AR600

AH150

6,000

15

950

100A:33B

3A:1B

600

83D

9,900

6.9

25,000

15,700

511,000

60

85

1.05

<0.002

SISTEMAS DE LAMINAÇÃO EPOXYAR600

AH30

6,000

30

2,250

100A:33B

3A:1B

30

81D

11,900

3.2

21,900

14,700

542,000

60

85

1.22

<0.002

AR500

AH150

5,000

15

350

100AD:33B

3A:1B

600

80D

9,800

6.9

25,000

15,700

459,000

60

85

1.05

<0.002

AR500

AH90

5,000

30

600

100A:33B

3A:1B

180

81D

11,200

3.9

19,600

16,800

479,000

65

85

1.22

<0.002

AR500

AH30

5,000

50

900

100A:33B

3A:1B

30

81D

11,900

3.2

21,900

14,700

542,000

60

85

1.28

<0.002

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Geralmente para o uso de resinas poliéster, que contenham um poliéster insaturado dissolvido em monômero de estireno, ela são aditivadas com inibidores para dar maior estabilidade de armazena-mento, evitando que o monômero e a parte polimérica reajam entre si antes da adição do catalisador. Além disso, essas resinas também podem ou não ser aditivadas com promotores ou aceleradores pelo próprio fabricante. O exemplo mais conhecido de promotor é o octoato de cobalto, ou somente cobalto. Quando as resinas contêm promotores são chamadas de promovidas ou pré-aceleradas.

A simples adição de um catalisador numa resina não acelerada ou promovida, pode fazê-la reagir. Mas demoraria muito tempo e o resultado seria altamente duvidoso. Assim, as resinas formuladas para curarem à temperatura ambiente devem conter promotores para poder ativar e acelerar o catalisador. Os promotores agem com a finalidade de acelerar o peróxido para formar os radicais livres. A quantidade de promotor e de catalisador à base de um peróxido deve ser tal que ele forneça ao construtor tempo suficiente de trabalho, mas também tempo de cura reduzido para tornar o processo economicamente interessante.

O gel e a cura da solução de resina de poliéster ou estervinílica acontecem através de uma reação onde há liberação de radicais livres. Para tanto, usa-se um catalisador do tipo peróxido. O iniciador de peróxido se quebra formando radicais livres altamente energizados, acabando por atacar os pontos insaturados do polímero e do monômero. Assim, a reação se propaga começando a juntar as partes através de uma reação de ligação cruzada e tridimensional.

Mecanismos de Cura

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Nesta reação cada radical livre irá imediatamente buscar uma dupla ligação para reagir, podendo encontrar tanto o monômero de estireno, quanto um polímero de poliéster insaturado. Pela lei da probabilidade o encontro com o monômero de estireno será muito maior, já que a mobilidade e o peso molecular dele será menor quando comparado ao polímero. Quando a reação cruzada começa, o movimento da solução se torna restrito depois de determi-nado tempo, saindo do estado líquido para o estado de gel. Esse tempo é chamado de gel time, que é efetivamente o tempo que se tem para trabalhar a resina. Nessa reação cruzada (cross-link), as cadeias de polímeros começam a se ligar ao monômero de estireno, e este a outros pontos com duplas ligações, e assim sucessivamente, formando um sólido, uma massa compacta que não irá se fundir mesmo com a exposição à temperatura, por isto ele é chamado de termofixo.

Nesta reação o estireno é consumido durante o cross-link, servindo de ponte molecular entre as cadeias de polímeros. Pode haver até oito moléculas de estireno formando essas pontes, mas o normal, numa boa distribuição, oscila entre duas e três moléculas. Geralmente, quando se processa uma laminação ou infusão, com grau de catalisação correto, chega-se a um grau de ligação de cerca de 80-90%, incluindo o tempo até a desmoldagem da peça. Isto significa que somente 80-90% das ligações duplas contidas na solução reagem entre si, havendo liberação de calor, reação conhecida como exotermia. Em temperaturas ambientes por volta de 25ºC, com o passar do tempo, dentro de dois a quatro meses, a peça alcançará por si só um grau de cura de até 95%. Para alcançar o ideal, perto de 100% de cura, há necessidade de submeter o laminado a uma fonte de calor externo tal como uma estufa ou uma manta térmica. Este processo é chamado de pós-cura.

Dentro do polímero líquido os inibidores são usados para retardar essa reação enquanto a resina estiver armazenada, e também enquanto não se adiciona o catalisador ou iniciador. Após a adição do iniciador, os inibidores são responsáveis por reagir primeiramente com os radicais livres, dan-do um tempo para que o usuário possa trabalhar com a resina no estado líquido, até o ponto que chamamos de gel time, ou tempo de gelificação. Uma vez atingido o ponto de gel, a resina inicia seu processo de cura, desenvolvendo a formação de cadeias tridimensionais. A partir daí não há mais condições de trabalho, por isto é importante estocar a resina de poliéster ou epoxy estervinílica em lugares frescos e escuros. Os radicais livres aparecem mais rapidamente se as resinas de poliéster ou epoxy estervinílica forem expostas ao calor, à luz do sol ou estiverem contaminadas por metais ou outros materiais aceleradores.

37


A cura de uma resina está diretamente ligada ao calor, seja ele fornecido por uma fonte externa, como uma estufa, lâmpadas de aquecimento infravermelho, moldes aquecidos, ou então por uma fonte interna, a exotermia, ou seja, o próprio calor liberado pela resina pela quebra das duplas liga-ções insaturadas, provocadas pelos radicais livres. As condições de operação do local de trabalho também são muito importantes, pois se a temperatura estiver abaixo de 15 graus C, a cura demorará mais, porém se a temperatura estiver acima de 32 graus C, o gel time e a cura serão mais rápidos.

A mesma relação é válida para a temperatura da resina propriamente dita. Reduzindo a temperatura da resina pela estocagem em ambiente refrigerado é possível estender o tempo de gelificação da resina. O primeiro passo antes do uso de uma resina é averiguar sua temperatura com um termô-metro infravermelho. Em seguida medir a temperatura do molde, pois ela também pode influenciar no desempenho da matriz polimérica.

Pode-se tomar como limite de uso as temperaturas entre 15 e 35 graus C. Em termos gerais a ve-locidade de formação do gel e de cura dobrará para cada 10 graus C de aumento da temperatura, e inversamente, reduzindo-se a temperatura em 10 graus C, a velocidade irá diminuir pela metade. Deve-se tomar como temperatura limite inferior de 15 graus C, como patamar mínimo e seguro de trabalho, porque abaixo desta faixa a resina não irá curar adequadamente.

Fatores que Influenciam a

Reação de Cura

A quantidade e a forma do laminado afetam a velocidade de cura de uma resina. Um volume grande, espesso e compacto irá curar muito mais rapidamente que um laminado fino. O laminado fino geralmente precisará de uma fonte externa de calor para ajudar na cura. A reação polimérica sempre pode ser expressa por uma relação de volume e área de dissipação de calor. Um bloco de resina fundido em forma de cubo com 10 cm de aresta terá um litro de volume e uma área de 600 cm2, que será a área de troca de calor com o meio ambiente, que irá liberar um certo número de calorias por cm2.

Agora tomemos o mesmo volume de resina, um litro, espalhados em um filme de 1 mm de espes-sura. Isto irá gerar uma área de 10.000 cm2 em apenas uma face. Incorporando a área em contato com o molde a área será de 20.000 cm2. Ou seja, 33 vezes maior que a área de transferência de calor anterior. Assim, a velocidade de dissipação de calor será muito maior.

Outro item que influencia na cura do laminado é a quantidade e o tipo de catalisador. Normalmente, os fabricantes de resina informam as condições ideais de funcionamento de suas resinas, e em geral deve-se usar uma quantidade adequada de peróxido para iniciar o processo e curar uma resina. Por questões de segurança de processo, é interessante manter este teor entre 1 e 2,5%. Este valor é suficiente parar gerar a quantidade de radicais livres necessários.

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