PGMEC

PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE PÓS-

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ESCOLA DE ENGENHARIA

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

Dissertação de Mestrado

EFEITOS DA COMBINAÇÃO ENTRE

VELOCIDADE DE CARREGAMENTO E

TEMPERATURA NAS PROPRIEDADES

MECÂNICAS DE COMPÓSITOS “PRFV”

JOÃO LUIZ VAZ COELHO

MAIO DE 2012

ii

ii

JOÃO LUIZ VAZ COELHO

EFEITOS DA COMBINAÇÃO ENTRE VELOCIDADE DE CARREGAMENTO E TEMPERATURA NAS PROPRIEDADES

MECÂNICAS DE COMPÓSITOS “PRFV”

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa

Francisco Eduardo Mourão Saboya de Pós-

Graduação em Engenharia Mecânica da UFF como

parte dos requisitos para a obtenção do título de

Mestre em Ciências em Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. João Marciano Laredo dos Reis (UFF)

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 17 DE MAIO DE 2012

iii

iii

EFEITOS DA COMBINAÇÃO ENTRE VELOCIDADE DE CARREGAMENTO E TEMPERATURA NAS PROPRIEDADES

MECÂNICAS DE COMPÓSITOS “PRFV”

Esta Dissertação é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

Área de concentração: Mecânica dos Sólidos

Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores:

Prof. João Marciano Laredo dos Reis, Ph.D.

Universidade Federal Fluminense - UFF

(Orientador)

Prof. Heraldo Silva da Costa Mattos, D.Sc.

Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Silvio Romero de Barros, D.Sc.

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca

CEFET/RJ

iv

iv

A minha esposa e filhos.

v

v

Agradecimentos

À Deus, que está ao meu lado sempre.

À minha família, pela oportunidade de compartilharmos nossas vitórias e derrotas, por me apoiar

e por me fazer compreender que todos os obstáculos podem ser superados se estivermos juntos.

À Cíntia Paramos Rodrigues, minha esposa e companheira, pelo apoio, compreensão e amor dado

todos os dias.

Aos nossos amigos, pelo apoio, compreensão e amizade em todas as horas, por incentivar a fazer

o que era certo e o errado também.

Aos amigos Jonatas Antônio Santos de Freitas, Pedro Henrique Campos Soares de Mello e Diogo

Oliveira Emerick, pelo apoio e amizade.

Ao meu orientador Prof. João Marciano Laredo dos Reis (D.Sc.) por todo o aprendizado,

confiança e paciência nesta caminhada dentro e fora da Universidade.

Aos professores Heraldo Costa Matos e Luiz Carlos da Silva Nunes, por todo auxílio e

aprendizado, passado dentro e fora da sala de aula.

Ao LMTA/UFF pelo fornecimento de materiais, disponibilização de equipamentos e por todo o

auxílio que me foi prestado.

Ao Engenheiro Lênin Valério Mena por ter acreditado em mim.

As instituições FAPERJ, CNPq e CAPES, gostaria de agradecer pelo apoio financeiro.

Obrigado a todos que direta ou indiretamente participaram desta jornada.

vi

vi

RESUMO

A utilização de materiais compósitos do tipo Polímero Reforçado com Fibras de Vidro,

“PRFV”, na fabricação de produtos em substituição aos tradicionais materiais utilizados na

indústria, tais como ligas metálicas, vem se tornando uma realidade cada vez maior nos últimos

anos.

O “PRFV” é versátil, resistente e barato, características indispensáveis para a viabilização

do uso deste material em escala industrial.

Contudo, o conhecimento sobre o comportamento mecânico deste tipo de compósito ainda

pode ser considerado insuficiente devido aos poucos estudos realizados em torno do assunto.

Baseado num estudo de aplicação de diferentes taxas de deformação e temperaturas no

“PRFV”, por meio de ensaios de tração, este trabalho objetiva-se à avaliar e evidenciar o seu

comportamento mecânico.

Pode ser observado que o compósito apresenta um comportamento elasto-viscoplástico a

taxa de dependência ocorre apenas para níveis de carregamentos acima de um limite de

elasticidade dado. Foi evidenciado que a taxa de deformação afeta fortemente a resistência à

tração. Por outro lado, quase não impacta o módulo de elasticidade que é mais sensível a

variações de temperatura.

Expressões analíticas para prever as características mecânicas em função da temperatura e

da velocidade de carregamento (taxa de deformação inicial) são propostas e comparadas com

dados experimentais que mostram uma boa concordância.

.

vii

vii

ABSTRACT

The use of composites materials of the type of glass fiber reinforced polymer, “GFRP”, to

replace traditional materials employed in industry, such as steel alloys, has become an increasing

reality in recent years.

The “GFRP” is versatile, resistant and cheap. Those are indispensables characteristics for the

production of this material in an industrial scale. However, information about the mechanical

behavior of this type of composite can still be considered insufficient, since only few studies have

been conducted around this subject.

This research investigated the mechanical behavior of the GFRP by subjecting different

specimen on a tensile test through different strain rates and temperatures. It was observed that the

composite presents an elasto-viscoplastic behavior, where the dependency rate occurs only when

loading level overcomes the yield strength data. It was shown that the strain rate strongly impacts

on the tensile strength value. On the other hand, it barely impacts the elastic modulus (E), which

is more sensitive to temperature variations.

Analytical solutions to predict the mechanics characteristics in function of the temperature

and different loading rate (initial strain rates) are proposed and compared with experimental data,

showing good agreement.

viii

SUMÁRIO

Lista de Figuras ............................................................................................................................. x

Lista de Tabelas ............................................................................................................................ xi

Lista de Símbolos ......................................................................................................................... xii

Capítulo 1 - INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 14

Capítulo 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. .............................................................................. 16

2.1 Polímeros. ........................................................................................................................... 16

2.2 Compósitos. ........................................................................................................................ 17

2.3 Polímero Reforçado com Fibra de Vidro – “PRFV”...................................................... 18

2.3.1 Resinas. ......................................................................................................................... 18

2.3.2 Reforços. ....................................................................................................................... 20

2.3.3 Utilização Industrial. .................................................................................................... 22

2.4 Estudos e Pesquisas. .......................................................................................................... 24

Capítulo 3. MATERIAIS E MÉTODOS. .................................................................................. 27

3.1 Materiais. ............................................................................................................................ 28

3.2 Métodos. ............................................................................................................................. 30

3.3 Ensaio Mecânico. ............................................................................................................... 33

ix

ix

Capítulo 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO. ............................................................................ 36

4.1 Análises Térmicas. ............................................................................................................. 36

4.1.1 Dependência da Temperatura. ...................................................................................... 47

4.1.2 Dependência da Resistência de Tração Máxima na Taxa de Deformação Inicial em

Diferentes Temperaturas........................................................................................................ 48

Capítulo 5. CONCLUSÕES. ....................................................................................................... 52

Capítulo 6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS. ................................................ 54

Referências Bibliográficas. ......................................................................................................... 55

ANEXO 1 – Artigos Publicados. ................................................................................................ 58

x

x

Lista de Figuras

Figura 1 – Diferentes formas de fibras (vidro como exemplo); Mantas reforçadoras, a) filamentos

contínuos; b) de superfície; c) de filamentos curtos; d) cordão; e) tecido; f) roving; g) tecido de

roving; h) flocos; e i) cortadas. ...................................................................................................... 21

Figura 2 – a) Exemplo de terminação; b) Riser enrolado. ............................................................. 23

Figura 3 - Reparos realizados com “PRFV” em a) Riser / Duto; b) Equipamentos. ..................... 24

Figura 4 - Placas laminadas – “PRFV”. ........................................................................................ 29

Figura 5 - Dimensões dos corpos de prova.................................................................................... 30

Figura 6 - a) CP pronto para ensaio; b) CP sendo ensaiado. ......................................................... 32

Figura 7 – Resultados da “DTA” e “TGA”. .................................................................................. 36

Figura 8 – Resultado da “DSC”. .................................................................................................... 38

Figura 9 – Resultados de todos os ensaios. ................................................................................... 39

Figura 10 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 20ºC. ......................................................................... 41

Figura 11 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 40ºC. ......................................................................... 41

Figura 12 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 60ºC. ......................................................................... 42

Figura 13 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 80ºC. ......................................................................... 42

Figura 14 - Resistência a tração (σt) x Temperatura. .................................................................... 44

Figura 15 – Delaminação. .............................................................................................................. 45

Figura 16 - Módulo de elasticidade x Temperatura. ...................................................................... 47

Figura 17 - Módulo de elasticidade x Temperatura. ...................................................................... 49

Figura 18 - Módulo de elasticidade x Temperatura. ...................................................................... 50

xi

xi

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Comparação de propriedades entre resinas termofixas. .............................................. 19

Tabela 2 - Propriedades da Matriz e Reforço. ............................................................................... 28

Tabela 3 – Parâmetros dos ensaios de Tração. .............................................................................. 31

Tabela 4 - Módulo de elasticidade em diferentes temperaturas. ................................................... 39

Tabela 5 - Resistências Máximas (MPa) em diferentes temperaturas e taxas de deformação

iniciais ............................................................................................................................................ 43

Tabela 6 - Testes univariados de importância para a tração (propagação) parametrização Sigma-

restrito - Hipótese de Decomposição Efetiva. ............................................................................... 46

Tabela 7 - Comparação entre o modelo proposto e os resultados experimentais .......................... 51

xii

xii

Lista de Símbolos

ε Deformação

.

Taxa de Deformação

.

i Taxa de Deformação Inicial

v Velocidade de Carregamento

σ Tensão

E Módulo de Elasticidade

Δt Variações de Temperatura

σt Resistência à Tração

σf Resistência à Flexão

σtd Resistência à Tração Dinâmica

σte Resistência à Tração Estática

Ed Módulo de Elasticidade Dinâmico

Ee Módulo de Elasticidade Estático

η Coeficiente de Poisson

ρ Densidade

θ Coeficiente Angular

MPa Mega Pascal

GPa Giga Pascal

°C graus Celsius

°C/min graus Celsius por minuto

g/cm³ grama por centimetro cúbico

mg miligramas

kg quilogramas

mm milímetros

m metro

xiii

xiii

mm/min milímetros por minuto

ml/min milílitros por minuto

s-¹ Segundo elevado a menos Um

% Porcentagem

mW Mega Watts

K Função de Temperatura

N Fator Constante

PVC Policloreto de Polivinila

PRFV Polimero Reforçado com Fibra de Vidro

GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer

TGA Thermogravimetric Analysis

DTA Differential Thermal Analysis

DSC Differential Scanning Calorimetry

HDT Heat Deflection Temperature

α Grau de Confiabilidade

SS Square Sum / Soma de Quadrados

MS Mean Square / Quadrado Médio

P Probabilidade

ANOVA Analysis of Variance / Análise de Variância

F Força

mW miliwatt

14

Capítulo 1 - INTRODUÇÃO

O estudo de materiais compósitos para utilização industrial vem crescendo de

maneira acentuada nas últimas décadas, principalmente de compósitos à base de matriz

polimérica, que estão sendo freqüentemente utilizadas atualmente, em diversas áreas da

engenharia, tais como, aeromodelismo, estruturas aeroespaciais, indústria automotiva e

petroquímica. Produtos fabricados com compósitos, tais como, vasos de pressão,

tubulações de gás e óleo, containeres e componentes de aeronaves tornaram-se aceitáveis e

populares pela maioria dos engenheiros.

Existem vários tipos de materiais compósitos, que compreendem materiais híbridos

metal /compósitos, concretos estruturais e polímeros reforçados com fibras [1]. Dentre os

polímeros reforçados o mais comum é o que tem como base a fibra de vidro, sendo este

material compósito, denominado de polímero reforçado com fibra de vidro, “PRFV”.

O conhecimento sobre as propriedades mecânicas do material e as condições as

quais este será submetido são fatores importantes para se projetar componentes mecânicos.

Por se tratarem de materiais relativamente novos na engenharia, o comportamento

mecânico dos compósitos ainda não é tão difundido, quando comparado com o aço por

exemplo. Portanto, torna-se fundamental o estudo de suas propriedades mecânicas, visando

garantir de forma segura e eficiente à utilização do material em todos os campos

tecnológicos da engenharia e indústria.

Pesquisas relacionadas com o “PRFV” foram realizadas, algumas onde o compósito

foi submetido a taxas de deformação variadas (velocidades de carregamento) e outras onde

15

15

o material foi submetido a diferentes condições de temperatura. Todos, estudos realizados

com o propósito de conhecer suas propriedades mecânicas e poder aplicar o “PRFV” da

melhor maneira possível no desenvolvimento industrial. Como na vida real, nem sempre se

pode garantir que o componente desenvolvido será submetido somente a uma das condições

citadas acima, faz-se necessário realizar uma pesquisa mais aprofundada, onde exista a

relação de diferentes taxas de deformação e temperaturas de maneira combinada, sendo este

estudo de grande relevância.

Nesta pesquisa, propõe-se o estudo do “PRFV” com diferentes velocidades de

carregamento (taxa de deformação inicial) e diferentes temperaturas, realizando a

combinação entre estas duas hipóteses, sabendo-se que ainda não foi realizado um estudo

que relacione tais condições.

Os resultados experimentais obtidos nos ensaios de tração realizados serão

apresentados. Os dados experimentais para determinar a resposta dinâmica de um

compósito carregado em diferentes taxas de deformação são limitados pela gama de taxas

de deformação que na prática pode ser aplicada para um método de ensaio particular. É

conveniente obter informações sobre taxas de deformação fora do intervalo que pode ser

alcançado experimentalmente a fim de prever o comportamento do material sobre tempos

de carregamento muito longos, sendo este o caso estudado.

Propõem-se equações características que possam descrever o comportamento

mecânico do compósito em estudo.

A comparação dos resultados experimentais e dos resultados obtidos com os

modelos analíticos será apresentada, afim de, validar os modelos analíticos.

Durante a confecção e concretização desta pesquisa foram publicados 2 artigos em

congressos, sendo estes o Mechanics of Solids in Brazil 2011 e o 21st International

Congress of Mechanical Engineering - COBEM 2011, e 1 artigo em revista, sendo esta a

Elsevier Editorial System for Composites Part B: Engineering.

16

16

Capítulo 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.

2.1 Polímeros.

A palavra polímero é originária do grego “poli” que significa “muitos” e “meros”

que significa “partes”. Polímeros são compostos químicos de elevada massa

molecular relativa, e a polimerização é o processo químico que consiste em realizar a

ligação destes compostos.

Trata-se de macromoléculas formadas a partir de unidades estruturais menores (os

monômeros). O número de unidades estruturais repetidas numa macromolécula é chamado

grau de polimerização. Em geral, os polímeros contêm os mesmos elementos nas mesmas

proporções relativas que seus monômeros, mas em maior quantidade absoluta [2].

Existe uma grande quantidade de tipos de polímeros, que são derivados de

diferentes compostos químicos e cada um destes é mais indicado para uma ou mais

aplicações dependendo de suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e óticas. São

exemplos de polímeros mais conhecidos e encontrados no mercado o PVC e o Nylon.

De acordo com as propriedades termomecânicas, os polímeros podem ser

classificados em [3]:

17

17

a) Termoplástico, um dos tipos de polímeros mais encontrados no mercado.

Podem ser fundidos diversas vezes, alguns podem até dissolver-se em vários

solventes. Logo, sua reciclagem é possível, característica bastante desejável

atualmente;

b) Termofixo, este tipo de polímero é rígido e frágil, sendo muito estável a

variações de temperatura. Uma vez pronto, não mais se funde. O

aquecimento do polímero acabado promove decomposição do material antes

de sua fusão, tornando sua reciclagem complicada;

c) Elastômero, classe intermediária entre os termoplásticos e os termorrígidos,

não são fusíveis, mas apresentam alta elasticidade, não sendo rígidos como

os termofixos. A reutilização é complicada pela incapacidade de fusão. Um

exemplo deste material é o policloropreno (Borracha sintética).

2.2 Compósitos.

A definição básica de material compósito é a combinação, de pelo menos dois

materiais diferentes (metal/cerâmica ou fibras/polímero), resultando em um material com

características e comportamentos mecânicos diferentes dos apresentados pelos materiais de

origem isoladamente. Normalmente, o desempenho das propriedades mecânicas dos

compósitos é superior aos dos materiais separadamente, em termos de resistência e rigidez.

Estes materiais se dividem, no geral, em no mínimo duas fases distintas,

denominadas matriz e reforço. A fase definida como matriz é responsável por estabilizar,

aglutinar e proteger a fase ou fases de reforço que por sua vez tem a função de conferir alta

rigidez e resistência ao compósito [3].

São dois tipos de compósitos, os particulados e os fibrosos, sendo este com maior

aplicação na engenharia, onde a fase de reforço é fibrosa. O desempenho destes materiais

depende do seu processo de fabricação bem como da sua microestrutura, ou seja, fração de

cada fase, distribuição de tamanho, forma, defeitos, dentre outros [1].

18

18

A versatilidade destes materiais que permitem a manufatura do compósito dotado de

propriedades ajustadas à necessidade de projeto e seu baixo custo são seus principais

atrativos, quando comparados com materiais isotrópicos tradicionalmente utilizados (aços,

por exemplo), que apresentam propriedades bem definidas e previsíveis. Essa versatilidade

é permitida pela imensa gama de combinações possíveis de matrizes e reforços existentes,

além da possibilidade de combiná-los em proporções mássicas e volumétricas diversas e da

influência causada pela variação da orientação das fibras. Mas, se por um lado a liberdade

de ajustar o material a um requisito específico de projeto é extremante vantajoso, por outro,

torna a modelagem matemática e a caracterização de suas propriedades mecânica mais

difícil e trabalhosa [3, 4 e 5].

2.3 Polímero Reforçado com Fibra de Vidro – “PRFV”.

Uma das formas mais utilizadas de materiais compósitos é constituída por um

reforço de fibras de vidro e de uma matriz polimérica (resina epóxi), que são agregados

físico-quimicamente após um processo de cura, transformando-se no compósito

erroneamente e popularmente conhecido como fibra de vidro, mas na verdade a definição

correta é PRFV, ou seja, Polímero Reforçado com Fibra de Vidro (em inglês - GFRP –

Glass Fiber Reinforced Polimer).

2.3.1 Resinas.

Resinas estão classificadas como polímeros termofixos. Pode-se dizer que,

geralmente, as resinas na forma em que são utilizadas para processamento, aparecem como

uma mistura de dois ou três componentes (resina, acelerador e catalisador). Quando os

referidos componentes são misturados na quantidade adequada provocam a polimerização.

Algumas resinas requerem à aplicação adicional de calor e pressão para se efetuar a

polimerização, mas uma das mais utilizadas, a resina epóxi, tem, normalmente, uma cura a

frio.

Os principais sistemas de resinas termofixas, usados na fabricação de compósitos

são poliésteres, epóxidos, fenólicos, silicones, melaminas, furânicos, viniléster, Friedel-

19

19

Crafts e poliimidas. A Tabela 1 apresenta, de forma simplificada, algumas características

comparativas dos diferentes sistemas [6].

Tabela 1 – Comparação de propriedades entre resinas termofixas.

PROPRIEDADES

RESINAS

POLIÉSTER EPÓXI FENÓLICA FURÂNICA MELAMINA SILICONE

Pressões de

moldação

Muito Baixa /

Média

Muito

Baixa /

Média

Baixa/Alta Baixa/Alta Média/Muito

Alta Baixa/Alta

Possibilidade de

cores Muito Boa Boa Limitada

Muito

Limitada Muito Boa Boa

Propriedades

Mecânicas Muito Boa Excelente Muito Boa Boa Muito Boa Razoável

Propriedades

Elétricas Excelente Excelente Boa Boa Excelente Excelente

Resistência Ao

Calor Boa

Razoável /

Boa Excelente Excelente Excelente Excelente

Resistência a

Água Muito boa Excelente Muito boa Muito boa Razoável Boa

Flamabilidade Arde

Lentamente

Arde

Lentamente

Auto-

extinguível Muito boa

Auto-

extinguível Nula

Preço Médio /

Baixo Alto Baixo

Médio /

Baixo Médio / Alto Alto

Maiores

Limitações

Contração de

Cura Custo Alto

Limitações

de cor;

Precisa calor

e pressão

para cura

Cor muito

limitada;

Cura difícil

de controlar

Custo

eleveado;

Altas

pressões de

cura

Custo muito

elevado

Maiores

Vantagens

Pode ter cura

sem calor ou

pressão

Boa

contração

de calor;

Resistência

a fadiga

Boas

propriedades

gerais;

Resistência

ao calor

Boa

resistência

química e ao

calor

Muito boa

resistência ao

arco elétrico

Resistência

ao calor;

Elevadas

propriedades

elétricas

As resinas epóxi são sintetizadas a partir de um difenol (geralmente o bisfenol) e da

epicloridina do glicol. Podem ser curadas com endurecedores apropriados os quais são

aminas alifáticas, aminas aromáticas, poliamidas ou anidridos de ácidos.

As propriedades das resinas curadas dependem do tipo de endurecedor, temperatura

de cura e programa de cura.

20

20

Resinas epóxi apresentam excelentes propriedades mecânicas, estabilidade

dimensional, boa resistência química, baixa absorção de água, auto-extinguíveis (quando

halogenadas), baixa contração, boa resistência à abrasão e muito boas propriedades de

adesão [6].

2.3.2 Reforços.

A designação “Plásticos Reforçados” dá a idéia de serem materiais plásticos que,

por determinados processos, se tomam mais “fortes”.

O termo “reforçado” indica que algumas (ou a maior parte) das propriedades

mecânicas de um material (homogêneo) são melhoradas; por exemplo, a resistência à tração

e à flexão.

Para ser possível reforçar outro material, as fibras de reforço devem apresentar as

seguintes características:

a) Um módulo de elasticidade consideravelmente mais elevado que o material

plástico a ser reforçado (2 á 3 vezes maior, pelo menos);

b) Uma tensão limite de elasticidade mais elevada;

c) Estar numa forma conveniente para ser combinado com o plástico;

d) Produzir a melhor adesão possível com a matriz (resina) base;

e) Ser resistente ao plástico e/ou a outros constituintes químicos presentes no

compósito.

Como reforços mais importantes podem-se destacar fibras de vidro, carbono, boro,

aramídica (Kevlar), asbestos, sisal, fibras de abacaxi e fibras metálicas. A Figura 1

apresenta as formas destes reforços.

21

21

Figura 1 – Diferentes formas de fibras (vidro como exemplo); Mantas reforçadoras, a)

filamentos contínuos; b) de superfície; c) de filamentos curtos; d) cordão; e) tecido; f)

roving; g) tecido de roving; h) flocos; e i) cortadas.

22

22

Por definição, a fibra, é um material composto da aglomeração de finíssimos

filamentos altamente flexíveis.

Fibras de vidro são as principais formas de reforços utilizados para plásticos, tendo

em vista que oferecem uma boa combinação de rigidez, força e preço [6].

As fibras de vidro podem ser produzidas com diversos tipos de vidro, o mais

largamente usado é o tipo “E” que é um vidro de borosilicato com baixa percentagem de

compostos alcalinos, produzindo boas propriedades elétricas e mecânicas bem como boa

resistência química.

O vidro tipo “A”, que em dada altura era extremamente usado, já não existe em

produção comercial. Os outros tipos de vidro existem também transformados em fibras,

mas em pequenas quantidades. O vidro “C” é um tipo com especial resistência química.

Para certas aplicações (por exemplo, aeroespaciais) são usados os vidros de alta resistência

a tração tipo “R” e “S”. Vidros de elevado modo de elasticidade foram desenvolvidos, mas

estão gradualmente desaparecendo devido a problemas tóxicos associados com o óxido de

berílio.

Embora existam diversos métodos de produção de fibras de vidro, a técnica mais

comum é o estiramento de vidro fundido em filamentos finos e contínuos. O vidro fundido

passa através de orifícios de dimensões muito precisas, numa fieira em liga de platina. Uma

alimentação constante de vidro é mantida sob temperatura rigorosamente controlada de

modo que os filamentos, ao serem enrolados num mandril a alta velocidade (3000-4000

m/min), produzem fios com o diâmetro pretendido dentro de tolerâncias muito apertadas.

2.3.3 Utilização Industrial.

Diversos tipos destes materiais estão sendo utilizados industrialmente, como por

exemplo, destaca-se a aplicação do “PRFV” na indústria de petróleo e gás, que está em alta

no momento. Gasodutos fabricados com camadas deste compósito estão modernizando e

trazendo uma ótima opção para o mercado. Inúmeras empresas estão investindo pesado

neste tipo de material. A Figura 2 mostra uma terminação típica utilizada na indústria de

petróleo e gás e uma linha flexível com revestimento externo de “PRFV”.

23

23

Figura 2 – a) Exemplo de terminação; b) Riser enrolado.

24

24

Tubos danificados com perda de pressão e vazamentos são reparados de forma

simples, barata e eficaz com a utilização deste compósito.

A Figura 3 mostra alguns exemplos de reparos com “PRFV”, sendo utilizados na

indústria de óleo e gás.

Figura 3 - Reparos realizados com “PRFV” em a) Riser / Duto; b) Equipamentos.

2.4 Estudos e Pesquisas.

Fatores como temperatura, estabilidade dimensional, propriedades mecânicas da

matriz e do reforço, resistência a intempéries, resistência química, processamento,

carregamento e custo, são fundamentais para se empregar um material compósito na

indústria. Tendo conhecimento da importância destes fatores na caracterização de

25

25

compósitos, vários estudos foram realizados, com a intenção de se conhecer as

propriedades mecânicas dos mesmos.

O comportamento mecânico de compósitos poliméricos reforçados é sensível as

taxas de deformação e as temperaturas a que estão sendo submetidos segundo Daniel IM e

Ishai (1994) [9].

Ao contrário dos metais, que têm sido estudados extensivamente sobre uma ampla

gama de taxas de deformação (.

) e temperaturas, apenas uma quantidade limitada de

informação está disponível sobre os efeitos da taxa de deformação e da temperatura sobre a

resposta de compósitos fibrosos.

Rotem e Lifshitz (1971) [10] investigaram o comportamento da tração unidirecional

no “PRFV” em uma ampla faixa de taxas de deformação, e descobriram que a resistência a

tração dinâmica (σtd) é três vezes maior do que a resistência a tração estática (σte) e o

módulo de elasticidade dinâmico (Ed) é cerca de 50% superior ao módulo de elasticidade

estático (Ed). No entanto, ao investigar o ângulo das camadas das placas laminadas de vidro

/ epóxi, (1976) [11] verificaram que o módulo de elasticidade (E) e a resistência a tração

(σt) eram independentes sobre a taxa de deformação e que a resistência a tração dinâmica

(σtd) só foi cerca de 20 a 30% maior do que a resistência a tração estática (σte).

Okoli e Smith (1995 e 2000) [12 e 13] realizaram ensaios de tração em laminados

de vidro e epoxy em diferentes taxas de deformação para determinar os efeitos causados

sobre o coeficiente de Poisson (η - relação de tensão transversal a tensão axial

correspondente abaixo do limite de proporcionalidade) do material. As conclusões a partir

dos resultados experimentais sugerem que o coeficiente de Poisson não é sensível à taxa de

deformação. Além disso, foi sugerido que a ausência de sensibilidade dos laminados

testados é devido à presença de fibras nos compósitos.

É de conhecimento que a temperatura afeta a resistência e a rigidez das estruturas de

compósitos de matriz polimérica. O desempenho mecânico de materiais compósitos sob

temperatura elevada é caracterizado por uma diminuição significativa da rigidez e

resistência quando a temperatura de transição vítrea da resina é abordada e ultrapassada

[14, 15, 16 e 17]. No entanto, a sensibilidade da taxa de deformação é ainda um assunto

controverso.

26

26

Alguns estudos relataram que a taxa de deformação não afetou significativamente o

comportamento à tração [12, 13, 14, 15 e 16], enquanto outros afirmam que a taxa de

deformação influencia a resposta mecânica deste tipo de compósito [10, 11, 17, 18 e 19].

Algumas inconsistências são reportadas, alguns pesquisadores [10,11, 20 e 21]

descreveram que a resistência a tração e o módulo de elasticidade aumentam pelo

acréscimo da taxa de deformação e outros relataram que qualquer aumento na velocidade

do ensaio diminui a resistência à tração e a rigidez de compósitos [17 e 19].

Como visto, muitos pesquisadores vêem estudando o comportamento de compósitos

poliméricos há algumas décadas e não houve uma completa concordância entre os estudos.

Essas diferenças podem ser explicadas pelos materiais utilizados como reforço e

matriz, pelas condições de ensaio, pelos tipos de amostras, pelo método de fabricação,

pelos procedimentos experimentais e equipamentos, tendo em vista que todos estes fatores

podem influenciar no comportamento destes materiais.

Para controlar o desempenho do compósito deve-se observar a disposição das fibras

do laminado. Deve ser prevista a orientação das fibras, pois as propriedades obtidas no

material variam conforme sua disposição. Além disto, é necessário que as proporções

estabelecidas no projeto de fabricação do material, sejam rigorosamente respeitadas a fim

de evitar flutuações entre as propriedades calculadas e as obtidas.

27

27

Capítulo 3. MATERIAIS E MÉTODOS.

Basicamente foi utilizado o ensaio mecânico de tração e análises térmicas para

realização dos estudos.

Em um ensaio de tração, um corpo de prova é submetido a um esforço que tende a

alongá-lo até a ruptura. Trata-se de um ensaio amplamente utilizado na indústria de

componentes mecânicos, devido às vantagens de fornecer dados quantitativos das

características mecânicas dos materiais. O corpo de prova é fixado numa máquina de

ensaios que aplica esforços crescentes na sua direção axial, sendo medidas as deformações

correspondentes [22].

Análise Térmica é um termo que abrange um grupo de técnicas nas quais uma

propriedade física ou química de uma substância, ou de seus produtos de reação, é

monitorada em função do tempo ou temperatura, enquanto a temperatura da amostra, sob

uma atmosfera específica, é submetida a uma programação controlada [22]. Três tipos de

analises térmicas foram realizadas, cada uma destas análises, assim como suas devidas

descrições, seguem abaixo:

a) Termogravimétrica “TGA” – Thermogravimetric Analysis – é a técnica na qual

a mudança da massa de uma substância é medida em função da temperatura

enquanto esta é submetida a uma programação controlada;

28

28

b) Térmica Diferencial “DTA” – Differential Thermal Analysis - é a técnica na

qual a diferença de temperatura entre uma substância e um material de

referência é medida em função da temperatura enquanto a substância e o

material de referência são submetidos a uma programação controlada de

temperatura;

c) Calorimetria Diferencial de Varredura “DSC” – Differential Scanning

Calorimetry – esta técnica foi desenvolvida com o intuito de evitar as

dificuldades encontradas no “DTA” ou compensá-las, criando um equipamento

capaz de quantificar a energia envolvida nas reações, mede a temperatura e

fluxo de calor associados com transições dos materiais em função do tempo e

temperatura. Ela determina as temperaturas de transição, de fusão e

cristalização, e capacidade de calor.

3.1 Materiais.

Para composição e confecção do material compósito, foram utilizados tecidos de

fibra de vidro classe E, 326g/m² e resina epóxi RR 515 de SILAEX® com base em um éter

diglicidílico bisfenol A e um endurecedor de amina alifática, a ser processado com uma

relação de mistura máximo de 4:1 (com baixa viscosidade). A Tabela 2 apresenta as

propriedades mecânicas dos materiais utilizados de acordo com seus fornecedores.

Tabela 2 - Propriedades da Matriz e Reforço.

FIBRA DE VIDRO CLASSE E RESINA EPÓXI RR 515+

Fornecedor Maxepoxi Fornecedor Tenax

t [MPa] 200 t [MPa] 73

η 0,3 HDT [°C] 50

E [GPa] 72 E [GPa] 5

- - [g/cm³] 1,16

- - f[MPa] 60

29

29

O módulo de elasticidade da fibra de vidro pode ser considerado o mesmo em todas

as direções, pois a fibra de vidro utilizada é proveniente de uma manta simetricamente

cruzada a 90°.

Foram laminadas pelo processo de moldação manual, quatro placas com dimensões

aproximadas de 700 x 500 mm, na proporção de 70% com 8 camadas de fibra de vidro

classe E, 30% de resina epóxi (esta relação esta em função do peso).

Figura 4 - Placas laminadas – “PRFV”.

As placas laminadas deram origem aos corpos de prova, que foram cortados em

uma fresadora horizontal, com o as dimensões padronizadas em 250(a)x25(b)x 2,5(c) mm,

o comprimento útil demarcado foi definido em 200 mm, conforme a Figura 5.

30

30

Figura 5 - Dimensões dos corpos de prova.

3.2 Métodos.

As propriedades relativas ao compósito foram obtidas de acordo com a norma

ASTM D3039 referência [23]. Este método de ensaio determina as propriedades no plano

de tração de compósitos de matriz polimérica reforçados por fibras de alto módulo, neste

caso o vidro.

31

31

Com a confecção dos corpos de prova terminados, foram realizados os ensaios de

tração na máquina de ensaio estática Shimadzu AG-X 100 kN, anexando uma câmara

termostática para estabelecer o ambiente adequado, para assim, realizar os ensaios com

taxas de deslocamento e de temperaturas variando, conforme mostrado na Tabela 3:

Tabela 3 – Parâmetros dos ensaios de Tração.

VELOCIDADE DE

CARREGAMENTO

(v)

TAXA DE

DEFORMAÇÃO

INICIAL

(.

)

TEMPERATURAS

mm/min s-¹ °C

0,2 1,60E-05

20 (Ambiente) 40 60 80 100 2 1,60E-04

20 1,60E-03

Os corpos de prova foram montados um de cada vez nas “garras” da máquina de

ensaios mecânicos e monotonicamente carregados de tensão durante à aplicação da força.

Cinco ensaios para velocidade de carregamento e temperaturas diferentes foram

realizados, totalizando um número de 75 ensaios. A Figura 6 mostra um corpo de prova

montado na máquina de ensaio anexada à câmara termostática.

32

32

Figura 6 - a) CP pronto para ensaio; b) CP sendo ensaiado.

33

33

Além dos ensaios de tração realizados nos corpos de prova, foram realizadas

Análises Termogravimétricas e Térmicas Diferenciais na resina epóxi, através de um

instrumento de análise de alta resolução TGA 2950 conectado a um instrumento

controlador TA 2000.

A análise de Calorimetria Diferencial de Varredura foi realizada em um

equipamento DSC-60A Shimadzu, a uma taxa de aquecimento de 20° C/min em atmosfera

de nitrogênio.

Ambas as análises foram realizadas com amostras de 10 a 12 mg aquecidas a 600°C

em CC com uma taxa de aquecimento de 10º C/min sob atmosfera de nitrogênio ou ar a

uma vazão de 60 ml/min.

3.3 Ensaio Mecânico.

Os dados obtidos a partir dos ensaios mecânicos realizados nos corpos de prova

foram processados a partir de diversas metodologias estatísticas, com o objetivo de

comparar os resultados obtidos entre os grupos.

A primeira etapa do tratamento de dados baseou-se na análise do perfil do gráfico

tensão versus deformação ou, equivalentemente, da curva força versus deslocamento obtida

nos ensaios mecânicos.

A seguir são apresentadas as definições das principais técnicas de processamento

estatístico utilizadas neste trabalho.

A análise estatística dos ensaios de tração foi realizada utilizando o software

STATISTICA 8.0, da Statsoft.

Para análise de comparação múltipla dos valores de tensão e força na ruptura entre

os grupos propostos nas seções subseqüentes, primeiro terão de serem verificados dois

aspectos do conjunto de dados:

a) Normalidade: o pressuposto de normalidade é a chave para toda a estatística

paramétrica, por essa razão sempre se deve checar a validade do mesmo. Em

estatística, os testes de normalidade são usados para determinar se um conjunto

de dados de uma dada variável aleatória, é bem modelada por uma distribuição

34

34

normal ou não, ou para calcular a probabilidade da variável aleatória subjacente

estar normalmente distribuída. Mais precisamente, os testes são uma forma de

seleção de modelos, e podem ser interpretados de várias maneiras, dependendo

de como cada um interpreta as probabilidades;

A normalidade dos resultados da amostragem ensaiada foi verificada a partir da

análise da distribuição dos resíduos da variável de resposta sob estudo.

Foram obtidos os resultados dos testes de normalidade de Lilliefors e Shapiro-Wilks

para 95% de confiabilidade (α=0,05). Na realidade, o teste de Lilliefors é uma adaptação do

teste de Kolmogorov-Smirnov, usado para verificação de normalidade de um conjunto de

dados. A diferença básica entre os dois testes é que o de Kolmogorov testa a normalidade a

partir da média e desvio-padrão fornecidos, enquanto Lilliefors usa a média e o desvio-

padrão calculados a partir do próprio conjunto de dados. Atualmente, o teste mais adotado

por ser mais potente e pelo fato de poder ser utilizado em amostras tão grandes quanto 2000

ou tão pequenas quanto 3 é o teste de Shapiro-Wilks.

b) Homocedasticidade, igualdade de variâncias ou variâncias na homogeneidade:

este pressuposto exige que o nível de dispersão da variável dentro dos grupos

seja similar, ou seja, a variância de uma variável aleatória é uma medida da sua

dispersão estatística, indicando quão longe em geral os seus valores se

encontram do valor esperado;

O bom desempenho dos testes exige que as variâncias nele envolvidas sejam

homogêneas.

Da mesma forma que no teste anterior, para que a inferência estatística não se baseie

somente na verificação subjetiva de distribuição de dados, foram realizados os teste de

Cochran e Bartlett e de Levene, para α=0,05, aceitando-se a hipótese nula de

homoscedasticidade, segundo a qual não há diferença estatística entre as variâncias

analisadas para um grau de confiabilidade de, neste caso, 95%.

A metodologia ANOVA também foi utilizada com o mesmo grau de confiabilidade,

ou seja, em α = 0,05 para a análise dos efeitos de fatores na resistência à tração dos

35

35

compósitos, especialmente em relação ao efeito de interação entre a temperatura e a taxas

de deformação nas propriedades de compósitos para efeito de uso [8].

36

36

Capítulo 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.

4.1 Análises Térmicas.

Os resultados da “DTA” / “TGA” para a resina epóxi utilizada como matriz

polimérica, são mostrados na Figura 7.

Figura 7 – Resultados da “DTA” e “TGA”.

37

37

Nestes resultados, fica evidente que a degradação térmica do polímero de matriz

epóxi pode ser dividida em três fases: fase de secagem (<100ºC), palco principal de

pirólise (100 ºC -300 ºC) e carbonização (>300ºC). A primeira, entre 25 e 100ºC envolve

uma perda de massa de cerca de 3% em peso, e corresponde à vaporização de

umidade, para a evaporação de água e para a emissão possível de compostos orgânicos

voláteis.

Esta etapa inicial de perda de peso em baixas temperaturas indica a hidrofilia dos

polímeros epóxi. A degradação começa em torno de 100ºC e distribui em uma faixa mais

ampla de temperatura. A segunda etapa, entre 100 ºC e 300ºC, corresponde a uma perda de

massa de cerca de 25% em peso. Nesta fase geral pode portanto ser racionalizada para

ser um composto de dois eventos térmicos. A fase final ocorre entre aproximadamente

300ºC e 500ºC.

Este último passo é a fase principal de decomposição térmica, e as amostras

perderam um máximo de 50% acima do peso. O pico “DTA” aparece pela primeira vez a

60ºC, provavelmente resultou da evaporação de água e/ou materiais orgânicos

voláteis como foi mencionado antes. A mudança mais significativa, devido à degradação

térmica ocorre a partir do segundo pico, onde a cristalização ocorre, e continua com uma

degradação principal na última etapa, com um pico de perda de peso máximo entre 303ºC e

380ºC, derretendo a 377ºC. O primeiro e bem definido pico endotérmico a 60ºC é atribuído

à evaporação da água absorvida, e o restante reflete decomposição.

38

38

Os resultados da “DSC” são mostrados na Figura 7.

Figura 8 – Resultado da “DSC”.

O termograma DSC da amostra executado em atmosfera de nitrogênio, onde o

primeiro pico endotérmico é claramente observado a 60 º C, correspondente à TG, está em

acordo com o pico encontrado na “TGA” e “DTA”.

39

39

A Figura 9 mostra os resultados das curvas Tensão (σ) x Deformação (ε) obtida da

média de todos os ensaios realizados.

Figura 9 – Resultados de todos os ensaios.

Analisando as curvas de Tensão (σ) x Deformação (ε) apresentadas na Figura 9,

pode-se verificar que o módulo de elasticidade é fortemente afetado pela temperatura. O

aumento da temperatura diminui o módulo de elasticidade, fazendo o “PRFV” menos

rígido. Os módulos de elasticidade E, medido a 20ºC, 40ºC, 60ºC, 80ºC e 100 ºC são

apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 - Módulo de elasticidade em diferentes temperaturas.

TEMPERATURA (°C) 20 40 60 80 100

MÓDULO DE ELASTICIDADE (GPa) 70,3 66,5 45,2 32,11 26,72

40

40

De acordo com os dados mostrados na tabela, fica evidente que com o aumento da

temperatura o modulo de elasticidade diminui. Considerando para efeitos de comparação a

temperatura de 20ºC com o módulo de elasticidade padrão de 100%, verifica-se que para os

ensaios realizados aumentando a temperatura a 40ºC o módulo de elasticidade teve uma

redução de 5,4%. Elevando a temperatura a 60ºC contribui para uma maior redução do

módulo de elasticidade para 35,6%. Quando a temperatura do ensaio alcança 80ºC um

decréscimo de 54,4% é observado, e, finalmente, quando a temperatura de ensaio de

alcance 100ºC, um decréscimo de 62,0% é relatado.

Esta diminuição do módulo de elasticidade era claramente esperada, tendo em vista

que os testes de “DSC” realizados na matriz mostraram que temperatura de transição vítrea

é a 65ºC e, portanto, perda de rigidez para temperaturas acima deste nível.

As Figuras 10, 11, 12 e 13 mostram as curvas de Tensão (σ) x Deformação (ε) de

“PRFV” a 20ºC, 40ºC, 60ºC e 80ºC em todas as velocidades de carregamento consideradas

nesta pesquisa, onde 1, 2 e 3 significam as taxas de deformação de 1,6 05/10, 1.6 04/10, 1.6

03/10 s-1, respectivamente.

A maior discrepância entre os resultados analisados foi identificada para os ensaios

à temperatura de 100ºC, onde ocorreu falha por delaminação nas amostras, por causa do

amolecimento da matriz termoplástica de resina epóxi. O resultado deste fenômeno é um

acréscimo de rigidez, conforme pode ser visto nas curvas mostradas na Figura 9 e na Figura

14. Por causa desta falha e da dispersão nos ensaios com temperatura de 100°C, os

resultados não foram considerados para o estudo de caracterização das equações que regem

o comportamento deste compósito.

41

41

Figura 10 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 20ºC.

Figura 11 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 40ºC.

42

42

Figura 12 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 60ºC.

Figura 13 - Tensão (σ) x Deformação (ε) a 80ºC.

43

43

Analisando as curvas apresentadas nas figuras, fica evidenciado de forma clara que

em todas as temperaturas testadas a resistência à tração são significativamente afetadas

pelas velocidades de carregamento (taxa de deformação inicial), ou seja, altas velocidades

de carregamento, a resistência à tração final mais elevada e a menor velocidade de

carregamento contribuem para diminuir a resistência a tração. Além disso, a 80ºC, a falha

ocorre mais suave, o compósito torna-se menos frágil com o aumento da temperatura. A

Tabela 5 apresenta a resistência máxima em MPa do material em diferentes temperaturas e

taxas de deformação iniciais, sendo estas, correspondetes as velocidades de carregamento.

Tabela 5 - Resistências Máximas (MPa) em diferentes temperaturas e taxas de

deformação iniciais

TAXA DE

DEFORMAÇÃO

INICIAL (s-1

)

TEMPERATURA (°C)

20 40 60 80 100

0,0000167 227,46 ±

12,46

214,92 ±

12,73

113,44 ±

11,87

72,61 ±

7,06

48,67 ±

4,84

0,000167 269,23 ±

15,98

240,44 ±

14,32

141,85 ±

4,96

86,21 ±

11,23

71,54 ±

8,09

0,00167 284,95 ±

5,1

273,24 ±

5,83

153,61 ±

3,36

101,61 ±

10,39

102,64 ±

6,57

De acordo com a Tabela 5 pode-se observar que a maior taxa de deformação inicial

conduz à uma elevada resistência máxima. No ensaio realizado à temperatura ambiente,

20°C, um decréscimo de 15,5% é observado quando a taxa de deformação inicial diminui

10 vezes na relação dos ensaios realizados á 0,000167 s-¹ para 0,0000167 s-¹. Da mesma

forma que ocorre um aumento de 5,5% que é observado quando a taxa de deformação

inicial aumenta em 10 vezes na relação dos ensaios realizados a 0,00167 s-¹ para 0,000167

s-¹. Quando a taxa de deformação inicial aumenta 100 vezes na relação dos ensaios

realizados a 0,00167 s-¹ para 0,0000167 S-¹, ocorre um aumento 20,2%.

Este comportamento se propaga para os ensaios nas temperaturas de 40ºC, 60ºC,

80ºC e 100ºC, ou seja, taxa de deformação inicial crescente maior resistência final e vice-

versa.

44

44

A Figura 14 apresenta as curvas de Resistência à tração (MPa) x Temperatura (°C)

para todas as taxas de deformação.

Figura 14 - Resistência a tração (σt) x Temperatura.

45

45

A Figura 15 mostra um corpo de prova após ser ensaiado com a temperatura de

100°C.

Figura 15 – Delaminação.

Os dados estatísticos referentes ao efeito de interação de temperatura e taxas de

deformação combinadas sobre os resultados do teste de tração são mostrados na Tabela 6.

46

46

Tabela 6 - Testes univariados de importância para a tração (propagação)

parametrização Sigma-restrito - Hipótese de Decomposição Efetiva.

EFEITO SS GRAU DE

LIBERDADE MS F P

INTERCEPTAR 1979354 1 1979354 23275,8 0,000000

TEMPERATURA 315317 3 105106 1235,97 0,000000

TAXA DE

DEFORMAÇÃO 21671 2 10836 127,42 0,000000

TEMPERATURA*

TAXA DE

DEFORMAÇÃO

2107 6 351 4,13 0,002021

ERRO 4082 48 85 - -

De acordo com a análise estatística dos dados apresentados na Tabela 6, a hipótese

nula de normalidade de resíduos não foi rejeitada, considerando ambos os testes de

Shapiro-Wilks (p = 0,56> 0,05) e Lilliefors (p = 1> 0,05). Quanto à homogeneidade de

análise de variância, a hipótese nula não foi rejeitada, considerando ambos os testes de

Cochran-Bartlet (p = 0,19> 0,05) e Levene (p = 0,062> 0,05).

A tabela ANOVA foi avaliada para as análises dos fatores de efeitos sobre a

resistência à tração dos compósitos testados. Em primeiro lugar e acima de tudo, os dois

fatores avaliados parecem influenciar significativamente a resistência à tração dos

compósitos testados (p <0,05), considerando os níveis adotados. Fica evidente pelos valores

de Sum Square (SS) que a temperatura é o fator que mais influencia a resistência à tração,

seguido pela taxa de deformação. Também é possível verificar que não há um efeito de

interação significativo entre a temperatura e a taxa de deformação.

47

47

4.1.1 Dependência da Temperatura.

De acordo com os resultados dos ensaios, ver Figura 9, o módulo de elasticidade

diminui substancialmente com o aumento da temperatura, diminuindo a rigidez do

compósito “PRFV”. A Figura 16 exibe o módulo de elasticidade como função da

temperatura de teste.

Figura 16 - Módulo de elasticidade x Temperatura.

Esse tipo de comportamento pode ser previsto na seguinte função polinomial de

terceiro grau demonstrada pela Equação 1.

555.229307.3094.00006.0 23 E (1)

Onde E é o módulo de elasticidade em GPa e θ representa a temperatura de ensaio

em º C.

48

48

4.1.2 Dependência da Resistência de Tração Máxima na Taxa de Deformação Inicial em

Diferentes Temperaturas.

Os resultados experimentais mostram um maior efeito da temperatura sobre o

módulo de elasticidade do que na velocidade de carregamento, em um ensaio de tração. No

entanto, a resistência à tração é altamente sensível a variações da taxa de deformação

inicial. O principal objetivo desta seção é propor uma expressão analítica simples para

descrever a influência da taxa de deformação inicial, .

i , na resistência à tração, σu, em

diferentes temperaturas.

É proposto um modelo analítico relativamente simples que descreve a influência da

taxa de deformação inicial (.

i ) na resistência à tração (σt), em diferentes temperaturas,

(°C), conforme mostrado na equação 2.

N

Kit..

)()( (2)

Sendo K, uma função da temperatura do teste e N uma constante. Para uma dada

temperatura, K e N podem ser determinados de uma forma simples experimentalmente a

partir da curva (σt) versus log (.

i ), uma vez que log (σt) versus log (.

) = log (N

iK.

)( ) =

log K(θ) + log N(.

i ). Com esta abordagem a curva experimental é aproximada a uma linha

reta de log x log, onde N é o coeficiente angular desta linha reta e o log de (K(θ)) o ponto

do cruzamento transversal no eixo vertical (interseção), desde que log (σt) vs. log (.

i ) =

log (N

iK.

)( ) = log K(θ) + N log (.

i ).

49

49

A Figura 17apresenta K (θ) como função da temperatura.

Figura 17 - Módulo de elasticidade x Temperatura.

De acordo com a Figura 17, K(θ) pode ser previsto na sequência de uma função

polinomial de terceiro grau, exibida na Equação 3.

K(q) = 0.006q 3 - 0.9405q 2 +38.97q - 26.696 (3)

A Figura 18 apresenta os resultados experimentais (σt, .

i ), a diferentes

temperaturas de teste para N = 0,06 e K (θ) dada pela expressão (3).

50

50

Figura 18 - Módulo de elasticidade x Temperatura.

A comparação entre o modelo proposto e os resultados experimentais é apresentada

na Tabela 7.

51

51

Tabela 7 - Comparação entre o modelo proposto e os resultados experimentais

TEMPERATURA

(ºC)

TAXA DE

DEFORMAÇÃO

INICIAL (s-1

)

σt EXP

(MPa)

σt MOD

(MPa) VARIAÇÃO%

20

1,6 x 10-5

227,46 230,02 1,1

1,6 x 10-4

269,23 264,09 -1,9

1,6 x 10-3

284,95 303,22 6,4

40

1,6 x 10-5

214,92 212,53 -1,1

1,6 x 10-4

240,44 244,02 1,5

1,6 x 10-3

273,24 280,17 2,5

60

1,6 x 10-5

113,44 114,43 0,9

1,6 x 10-4

131,38 141,85 7,9

1,6 x 10-3

150,85 153,61 1,8

80

1,6 x 10-5

72,61 73,9 1,8

1,6 x 10-4

86,21 84,85 -1,6

1,6 x 10-3

97,42 101,61 4,3

De acordo com a Tabela 7 pode ser avaliado que os resultados experimentais estão

dentro ou perto das faixas analíticamente previstas para todas as temperaturas e gamas de

taxa de deformação iniciais consideradas. A variação máxima observada foi de 7,9% a 60ºC

em 0,00016s-¹.

52

52

Capítulo 5. CONCLUSÕES.

Ensaios de tração foram realizados com o polímero reforçado com fibra de vidro,

“PRFV”, e a sua resposta mecânica foi mensurada experimentalmente para temperaturas

variando de 20ºC a 100ºC em três diferentes velocidades de carregamento, correspondentes

as taxas de deformação iniciais de 1,6 x 10-5

s-¹, 1,6 x 10-4

s-¹ e 1,6 x 10-3

s-¹, e com base

nas propriedades fundamentais de seus constituintes foi realizada uma previsão utilizando

uma abordagem analítica, a fim de ser conhecida de forma mais rápida e simples as suas

propriedades mecânicas e assim utilizá-las da melhor maneira possível no desenvolvimento

de peças que atendam a indústria em geral.

Estes resultados mostraram que o “PRFV” é fortemente afetado pela taxa de

deformação inicial e pela temperatura no qual é submetido. Em particular a resistência à

tração é dependente apenas da taxa de deformação inicial e a rigidez é afetada apenas pela

temperatura, especialmente sobre as temperaturas de transição vítreas (TG).

Foi observada uma boa relação nos resultados obtidos nos ensaios realizados em

comparação com os previstos de forma analítica. O modelo analítico de previsão representa

uma excelente possibilidade para estimar a curva de tensão versus deformação para

qualquer taxa de deformação constante, levando em consideração a variação de temperatura

no qual não se ultrapasse exageradamente o HDT da matriz. Assim como pode ser visto nos

resultados dos ensaios com a temperatura de 100°C onde ocorreram falhas por delaminação

53

53

em conseqüência do amolecimento de sua matriz polimérica (Resina Epóxi),

impossibilitando assim que uma previsão analítica fosse realizada com precisão.

Todos os parâmetros necessários e que aparecem nas expressões analíticas

propostas podem ser obtidas a partir de ensaios realizados em três temperaturas diferentes e

duas taxas de deformação. Portanto somente 5 ensaios de tração são necessários para se ter

acesso ao módulo de Young e a resistência final do material compósito, considerando uma

gama de temperaturas de 20°C a 80°C e qualquer taxa de deformação entre 1,6 x 10-5

s-¹,

1,6 x 10-4

s-¹ e 1,6 x 10-3

s-¹.

54

54

Capítulo 6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.

Em função da pesquisa realizada e apresentada, sugere-se para trabalhos futuros o

desenvolvimento de estudos com o “PRFV”:

- Análise em elementos finitos simulando o comportamento para as condições de

testes estudadas;

- Ensaios de flexão por 2 e 3 pontos;

- Estudo de fadiga de forma experimental e analítica;

- Estudo da influência de vórtice induzidos por vibração, “VIV”, para aplicação de

Riser’s flexíveis;

- Estudo do comportamento do compósito a temperaturas abaixo de 0°C, tendo em

vista que estes materiais podem ser submetidos a tais temperaturas quando utilizados para

instalações submarinas.

55

55

Referências Bibliográficas.

[1] Levy Neto, F. e Pardini L. C., “Compósitos Estruturais – Ciência e Tecnologia”. Editora

Edgard Blücher, São Paulo, 2006;

[2] Riande, E., Díaz-Calleja,R., Prolongo, M. G., Masegosa, R. M. e Salom C., “Polymer

Viscoelasticity – Stress and Strain in practice”. Marcel Dekker Inc., New York, 2000;

[3] Crawford, R. J., “Plastics Engineering – Third Edition”. Butterworth Heinemann,

Oxford, 1998;

[4] HULL, D. e CLYNE, T. W. “An Introduction to Composite Materials”. Cambridge

University Press, 1996;

[5] TENEK, L. t. e ARGYRIS, J., “Finite Element Analysis for composite structures”.

Kluwer Academic Publishers, London, 1998;

[6] Reis, J.M.L., “Apostila de Materiais Compósitos”. Niterói, Universidade Federal

Fluminense – UFF, 2007;

[7] Cornelisse, R. e Steuten, B., “Apresentação em conferência - Airborn the Future in

Composites”, Offshore Technology Conference, Rio de Janeiro, 2011;

[8] Silva, A. H. M. F. T., “Tese de Doutorado – Critério de Falha para Juntas Coladas

Submetidas a Carregamentos Complexos”, Niterói, UFF, 2010;

[9] Daniel I.M, Ishai, O., “Engineering mechanics of composite materials”. New York:

Oxford University Press, 1994);

[10] Rotem A, Lifshitz JM., “Longitudinal strength of unidirectional fibrous composite

under high rate of loading”, in: Proceedings of the 26th Annual Technical Conference,

56

56

Section 10-G, Soc. Plastics Industry, Reinforced Plastics/Composites Division,

Washington, DC; 1971.;

[11] Lifshitz J.M., “Impact strength of angle ply fiber reinforced materials”. Journal of

Composite Materials 1976;

[12] Okoli O.I, Smith G.F., “Overcoming Inertial Problems in the high strain rate testing of

a glass/epoxy composite”. In: Proceedings of Society of Plastics Engineers Annual

Technical Conference (ANTEC), Advanced Polymer Composites Division, 1995;

[13] Okoli O.I, Smith G.F., “The effect of strain rate and fibre content on the Poisson’s

ratio of glass/epoxy composites”. Composite Structures, 2000;

[14] Daniel IM, Liber T. “Testing fiber composites at high strain rates”. in: Proceedings of

the Second International Conference on Composite Materials (ICCM II), Toronto, 1978;

[15] Sierakowski RL, Nevill GE, Ross CA, Jones ER. “Dynamic compressive strength and

failure of steel reinforced epoxy composites”. J Compos Mater 1971;

[16] Kawata K, Hondo A, Hashimoto S, Takeda N, Chung HL. “Dynamic behavior

analysis of composite materials”. in: Proceedings of Japan–US Conference on Composite

Materials, Tokyo, 1981;

[17] Hayes SV, Adams DF. “Rate sensitive tensile impact properties of fully and partially

loaded unidirectional composites”. J Test Eval, 1982;

[18] Okoli OI. “The effects of strain rate and failure modes on the failure energy of fibre

reinforced composites”. Composites Structures, 2001;

[19] Armenakas AE, Sciammarella CA. “Response of glass-fiber-reinforced epoxy

specimens to high rates of tensile loading”. Exp. Mech., 1973;

57

57

[20] Tzeng JT, Abrahamian AS. “An experimental method for dynamic behavior of

composites laminates at strain rates of 1–100 s−1”. Dyn Resp Behav Compos ASME 46,

1995;

[21] Harding J. “Effect of strain rate and specimen geometry on the compressive strength of

woven glass reinforced epoxy laminates”. Compos 1993;

[22] Wendhausen P. A. P., Rodrigues G. V. e Marchetto O. “Análises Térmicas”.

Universidade Federal de Santa Catarina;

[23] ASTM D3039 - 08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix,

Composite Materials, 2008;

58

58

ANEXO 1 – Artigos Publicados.

59

59

60

60

61

61

62

62

63

63

64

64

65

65

66

66

67

67

68

68

69

69

70

70

71

71

72

72

73

73

74

74

75

75

76

76

77

77

78

78