UNIVERSIDADE SO FRANCISCO CAMPINAS

CURSO SUPERIOR EM ENGENHARIA MECNICA

PROCESSOS MECNICOS DE FABRICAO Professor Osmar Roberto Bagnato

PROCESSO DE FABRICAO PULTRUSO

CAMPINAS, NOVEMBRO DE 2013

Nome R.A. Elton Rodrigues Luciano 004.2012.00052 Henrique dos Santos Guilherme 004.2012.00772 Joel de Godoy Bernal 004.2012.00050 Odemar Alvarez Junior 004.2012.00893 Renato Junior Freitas Belinello 004.2012.00146

SUMRIO

PGINA

FIGURA 1. Linha de fabricao de perfis de GFRP atravs do processo de pultruso .................................2FIGURA 2. Partes da mquina de fabricao de perfis GFRP ..................................................................2FIGURA 3. Carretis com as fibras de vidro ...................................................................................................3FIGURA 4. Banheira com a resina ................................................................................................... 3FIGURA 5. Pr-molde ....................................................................................................................................3FIGURA 6. Molde .....................................................................................................................................................................3FIGURA 7. Perfil sendo pultrudado ................................................................................................... 3FIGURA 8. Puxador ....................................................................................................................................3FIGURA 9. Disposio das cadas num compsito pultrudido ..................................................................3

FIGURA 10. Comparao das propriedades mecnicas dos perfis de GFRP e outros materiais .................................6FIGURA 11. Leitos e eletrocalhas ....................................................................................................................................7FIGURA 12. Escada marinheiro ....................................................................................................................................8FIGURA 13. Madeira plstica ....................................................................................................................................8FIGURA 14. Grades para piso ....................................................................................................................................8FIGURA 15. Coguletes e eletrodutos ....................................................................................................................................8FIGURA 16. Plataformas e estruturas ................................................................................................... 9FIGURA 17. Escadas ....................................................................................................................................9FIGURA 18. Guarda-corpo ....................................................................................................................................9FIGURA 19. Casa pultrudada ....................................................................................................................................10FIGURA 20. Ponte fabricada de Perfil Pultrudado de GFRP montada na Holanda ..................................................................11

PGINA

TABELA 1. Propriedades mecnicas e fsicas comparadas com outros materiais .................................6TABELA 2. Propriedades mecnicas tpicas dos perfis de GFRP ..................................................... 7TABELA 3. Desempenho dos cinco materiais estruturais para a ponte analisada .................................11TABELA 4. Comparativo dos pesos entre as pontes ...............................................................................................12

PGINA

1. Resumo ....................................................................................................................................12. Introduo ....................................................................................................................................13. Caracteristicas de um material pultrudado ...................................................................................................34. Resinas .....................................................................................................................................................................55. Vantagens e desvantagens ....................................................................................................................................66. Aplicaes ....................................................................................................................................77. Sustentabilidade e custos comparados com outros materiais estruturais ................................108. Concluso ....................................................................................................................................139. Bibliografia ....................................................................................................................................13

INDICE DE FIGURA

INDICE DE TABELA

INDICE DE TPICOS

1. RESUMO

A Pultruso um processo utilizado para fabricao de perfis de geometria contnua, no qual fios de fibra de vidro, aramida ou carbono so impregnados em um reservatrio com resina aditivada (especialmente preparada para cada aplicao), sendo tracionados por um puxador, fazendo com que esses fios impregnados passem por um molde aquecido; tal temperatura reage com a resina e seus aditivos, ocasionando o "endurecimento" (polimerizao, cura) do perfil na geometria definida pelo molde, resultando num produto contnuo e com excelente acabamento superficial.

2. INTRODUO

Inicialmente desenvolvidos na dcada de 1940 pelas industrias aeroespacial e naval, os materiais FRP, do ingls Fibre Reinforced Polymer, comearam a ter um nmero crescente de aplicaes no setor da construo a partir de 1980.

O perfil pultrudado tambm conhecido como GFRP que do ingls Glass Fibre Reinforced Polymer (traduo livre Fibra de Vidro Reforada com Polmero) possui vrias vantagens, mas no entanto existem alguns obstculos que tem atrasado a aceitao dos perfis de GFRP. Uma das dificuldades o custo de produo e ainda existem algumas questes que tem de ser resolvidas antes que a comunidade tcnica possa projetar e construir com confiana estruturas constitudas por este material.

A palavra pultruso origina-se do ingls Pull Thru cujo significado Puxar Atravs.

A pultruso um processo de fabricao contnua de perfis constitudos por fibras e resinas termoendurecidas. Este processo consiste em "puxar" as fibras embebidas de resina em uma matriz polimrica atravs de um molde aquecido.

O perfil pultrudado um tipo de material comumente composto por resina e fibra de vidro, onde ambos combinados permitem que o material disponha de grande resistncia transversal.

Isso associado a sua excelente propriedade anticorrosiva o torna extremamente eficaz em locais onde preciso grande resistncia mecnica e corrosiva com peso reduzido.

O aquecimento do molde provoca a polimerizao (cura) da resina durante a passagem no seu interior. Este processo, cuja aplicao frequente nas indstrias permite a produo de grandes sries de perfis com seco constante de polmeros reforados com fibras longas.

A variedade das resinas que podem ser aplicadas, determinam suas propriedades frente corroso, raios UV, como tambm o retardamento chamas e temperaturas elevadas.

As propriedades relacionadas ao processo de pultruso fazem com que o material apresente um maior custo benefcio quando comparado com as alternativas tradicionais (ao, alumnio e inox) que exijam alto desempenho.

O material pultrudado indicado para ambientes com alta agressividade, alm disso, o material tem um baixo peso especifico possibilitando projetos mais leves e resistentes.

Figura 1. Linha de fabricao de perfis de GFRP atravs do processo de pultruso

Figura 2. Partes da mquina de fabricao de perfis de GFRP

Figura 3. Carretis com as fibras de vidro

Figura 4. Banheira com a resina Figura 5. Pr-molde

Figura 6. Molde Figura 7. Perfil sendo pultrudado Figura 8. Puxador

Figura 9. Disposio tpica das camadas num compsito pultrudido

3. CARACTERISTICAS DE UM MATERIAL PULTRUDADO

As propriedades dos perfis pultrudados permitem solues inovadoras na indstria moderna e em evoluo. Ele atende a requisitos que, sem ele, no conseguiriam ser supridos. imune corroso, resistente a ataques qumicos e a altas temperaturas, bom isolante eltrico, trmico e acstico, impermevel, tem boa absoro de impactos, e bem mais leve que materiais convencionais. Assim, esse perfil estrutural pode ser utilizado para substituir com vantagem materiais tradicionais como ao, alumnio, madeira e concreto, em sistemas estruturais pequenos, mdios e grandes. Tambm indicado como material alternativo para fabricao de componentes de diversas reas.

Os perfis so tubulares ou macios e podem ser de vrios formatos, permitindo solues tcnicas adequadas s necessidades de cada projeto, desde os mais simples at os mais desafiadores.

Atualmente, os principais mercados beneficiados pelo uso do perfil pultrudado so: Corroso, Manuteno, Papel e Celulose, Saneamento, Energia Eltrica, Transportes, Nutica, Petroqumica, Qumica, leo e Gs, Offshore, Alimentos, Construo Civil, Arquitetura, entre outros.

Segue abaixo algumas das qualidades do material pultrudado:

Alta resistncia mecnica: comparvel ao ao, podendo substituir com vantagem materiais metlicos, madeira e concreto em estruturas e em componentes industriais.

Imune corroso: por no ser metlico, no sofre corroso por oxidao.

Alta resistncia qumica: no desgasta em ambientes agressivos quimicamente e ambientalmente.

Isolante eltrico: possui resistncia dieltrica considervel, o que o torna ideal para aplicaes na rea eltrica.

Resistncia trmica: produzido com resinas termofixas, pode ser especificado para uma infinidade de produtos que so expostos a altas temperaturas.

Baixo peso: composto com fibras muito leves (vidro, carbono e aramida), o perfil pultrudado 75% mais leve que o ao e 30% mais que o alumnio.

Resistente aos raios UV: formulao especial e pintura de alto desempenho tornam o perfil resistente ao ataque da radiao ultravioleta.

Durabilidade: tem longa vida til e tintas poliuretnicas do sobrevida de dcadas ao produto.

Grande estabilidade dimensional: tem baixo coeficiente de expanso trmica para uma grande variedade de temperaturas.

Radiotransparente: permite a passagem de radiofrequncia.

No metlico: ideal para ambientes sensveis ao magntica.

Absoro de impactos: resistente a impactos, no rompendo com facilidade.

Bom acabamento superficial: a superfcie lisa com aspecto homogneo, sendo livre de bolhas, rachaduras, fissuras e outros defeitos.

Cor: a colorao uniforme, podendo ser pigmentado na formulao ou pintado depois de pronto.

Autoextinguvel: com o uso de resina fenlica no propaga as chamas, sendo aprovado no teste do IPEI UL94 Grau V0.

Impermevel: No absorve gua, podendo ser instalado dentro de ambientes aquticos (piscina, mar).

Isolamento trmico e acstico: ambientes revestidos com chapas pultrudadas tm boa proteo trmica e acstica.

Ecolgico: no causa danos ao meio ambiente.

Fcil instalao e usinagem: no requer equipamento especial na manufatura (serra eltrica e furadeira so as mais usadas) e a instalao fcil em funo da leveza do material pultrudado e por usar basicamente parafusos e adesivos.

Semicondutibilidade eltrica: com o uso de formulao especial pode adquirir propriedades de semicondutibilidade eltrica.

4. RESINAS

A resistncia de uma pea em GFRP ditada pelos reforos de fibra de vidro dentro desta matriz polimrica (ver figura 9), essa matriz basicamente uma resina aditivada que mantm os reforos coesos, proporcionando a devida rigidez.

Segue abaixo as resinas mais utilizadas no processo de pultruso:

Resina Acrlica: Indicada para ambientes agressivos e confinados, devido a sua baixa emisso de

gases txicos e fumaa. Homologada pela Norma Petrobrs, esta resina tem a vantagem de ser pigmentada durante o processo de fabricao, sem a necessidade de pintura.

Resina Estr-vinlica: Indicada para ambientes aonde a isoftlica no atende, usada geralmente em indstrias

onde h a presena de salinidade. Indicada para ambientes de agressividade qumica elevada.

Resina Fenlica: Desenvolvida para ambientes martimos (on-shore), buscando atender a aplicaes

crticas em que a resistncia a propagao de chamas (incndio), toxidade e efeitos de temperatura exijam desempenho superior ao proporcionado pelas outras resinas. Indicada para plataformas martimas.

Resina Isoftlica Indicada para ambientes menos agressivos; aditivada com componentes para proteo

a raios UV, tem excelentes propriedades de isolamento trmico e eltrico, anti-chama (Autoextinguvel), baixo peso, pigmentada na cor desejada, excelente resistncia ao intemperismo.

Resina Offshore

Indicada para aplicaes em plataforma martimas e flutuantes, onde sua alta resistncia a corroso e elevada resistncia mecnica e a raios UV, so fundamentais para utilizao neste tipo de aplicao.

5. VANTAGENS E DESVANTAGENS

Vrios produtos se valem das vantagens dos perfis pultrudados. O material usado em estruturas para telhados, lajes para piso e teto e nas barras de reforo para substituio do ao existente na composio do concreto.

Outra aplicao interessante na estrutura de pontes, principalmente pela leveza dos pultrudados. Tneis, perfis de juntas de dilatao, caixilhas, batentes de portas e tarugos so outros exemplos de produtos fabricados com os perfis.

A sua alta resistncia corroso faz com que sejam usados como pisos pelo setor qumico. J tirantes se valem da sua resistncia estrutural. Prdios tambm podem ser estruturados com o material.

Europeus e norte-americanos utilizam com frequncia perfis pultrudados. Esquadrias podem ser feitas com esses perfis, em substituio madeira. O material possui menor dilatao que o ao, por exemplo, e tem funo estrutural.

Tabela 1. Propriedades mecnicas e fsicas comparada com outros materiais

Figura 10. Comparao das propriedades mecnicas dos perfis de GFRP e outros materiais.

GFRP Ao Comum Ao Inox Alumnio

Alongamento (%) 2 38 55 35

Peso especfico (g/cm) 1.4 a 1.8 7.87 7.92 2.71

Resistncia a compresso (kgf/cm) 1.8 1.95 2.1 -

Resistncia a flexo (kgf/cm) 2 1.95 2.45 1.4

Tendo em conta as inmeras possibilidade de combinao dos tipos de fibras de reforo e da matriz polimrica, da orientao e teor das fibras, possvel apenas referir intervalos de valores tpicos para as propriedades mecnicas dos perfis de GFRP. Na tabela 2 temos os intervalos de valores usuais para as principais propriedades mecnicas dos perfis de GFRP produzidos pelos maiores fabricantes.

Tabela 2. Propriedades mecnicas tpicas dos perfis de GFRP.

No entanto, possvel apontar as seguintes dificuldades ou obstculos na utilizao estrutural de perfis de GRFP, face aos materiais tradicionais

Reduzido mdulo de elasticidade;

Comportamento frgil;

Necessidade do desenvolvimento de novas formas estruturais e sistemas de ligao;

Ausncia de regulamentao especfica;

Custos iniciais ainda pouco competitivos na maior parte das aplicaes;

6. APLICAES

Segue abaixo alguns exemplos das diversas aplicaes dos materiais pultrudados:

Figura 11. Leitos e eletrocalhas

Propriedade Unidade Direo paralelas fibrasDireo transversal

s fibrasResistncia Trao MPa 200 - 400 50 - 60Resistncia Compresso MPa 200 - 400 70 - 140Resistncia ao Corte MPaMdulo de Elasticidade GPa 20-40 5 - 9Mdulo de Distoro GPa

25 - 30

3 - 4

Figura 12. Escada marinheiro

Figura 13. Madeira plstica

Figura 14. Grades para piso

Figura 15. Coguletes e eletrodutos

Figura 16. Plataformas e estruturas

Figura 17. Escadas

Figura 18. Guarda-corpo

Uma casa construda com perfis pultrudados virou atrao em Passo de Torres, Santa Catarina, cidade onde a empresa Pultruso do Brasil desenvolve suas atividades. A casa de 58 metros quadrados tem paredes, tesouras treliadas, telhas, esquadrias, divisrias e portas feitas de material pultrudado. Ela est em fase de concluso.

A iniciativa foi da Waterglass Indstria e Comrcio de Materiais Compsitos, que uma empresa parceira da Pultruso do Brasil. Ela reaproveita os pedaos de perfis pultrudados que so descartados em funo do incio do processo de industrializao e os que sobram de projetos estruturais. Tambm recebe os perfis que ficaram abaixo da especificao. Na construo da casa pultrudada, a Waterglass utilizou pedaos de perfis que sobraram das cubas de Tratamento de Efluentes da Pultruso do Brasil.

O destino dos perfis descartados pela Pultruso do Brasil seria um lixo industrial. Na Waterglass, esse material pultrudado ganha um destino nobre e ecologicamente correto. A empresa produz lixeiras, churrasqueiras, caixas para lixo, portas, janelas e portes pultrudados, alm de outras pequenas estruturas. Assim, a Waterglass desempenha um importante papel ecolgico e social.

Figura 19. Casa pultrudada

7. SUSTENTABILIDADE E CUSTOS COMPARADOS COM OUTROS MATERIAIS ESTRUTURAIS

Os impactos ambientais dos perfis pultrudados de GFRP devem ser analisados tendo em considerao as diferentes fases do seu ciclo de vida (produo, uso e fim de vida), com isso temos algumas consideraes relativamente ao consumo energtico e poluio ambiental associados produo de fibras de vidro e de matrizes polimricas.

As resinas polimricas so coprodutos da indstria petrolfera e a quantidade necessria para a produo so relativamente insignificantes quando comparadas com combustveis fsseis utilizados atualmente, sendo assim umas das formas mais sustentveis de utilizao dos combustveis fsseis.

A produo das fibras de vidro resulta essencialmente do p de quartzo e calcrio, cujos recursos so praticamente inesgotveis, alm da reciclagem de vidro que pode ser utilizado na fabricao das fibras.

Os compsitos so constitudos por polister reforados com fibras de vidro e requerem apenas 1/4 da energia necessria para a produo do ao ou 1/8 da energia necessria para a produo do alumnio

Na Holanda em 2001, foi realizado uma parceria entre o governo e as empresas para o desenvolvimento de novas tecnologias sustentveis, e um dos casos estudos foi o desenvolvimento de uma ponte para pedestre (ver figura 20).

Figura 20. Ponte fabricada de Perfil Pultrudado de GFRP montada na Holanda

Foi realizado um estudo de custos de fabricao, custos de manuteno por um perodo de 10 anos, consumo de energia e impactos ambientais (poluio da gua e do ar) relacionados a produo desta ponte considerando cinco materiais (Ao Estrutural Pintado; Ao Inoxidvel; Perfil GFRP Pultrudado; Alumnio e Concreto Armado).

* Cotao Euro 1.00 R$3.0261 (Fonte Thomson Reuters 04/11/13) Tabela 3. Desempenho dos cinco materiais estruturais para a ponte analisada.

Comparando os resultados obtidos na tabela 3 temos:

Custos Iniciais Custos de Manuteno Consumo de Energia Volume Crtico de PoluioAo Estrutural

ASTM A-36 40.000,00

R$ 121.044,00 30.000,00R$ 90.783,00

294.000 MJ81.667 kWh

gua : 697 mAr : 7.090.000 m

Ao InoxidvelAISI 316L

110.000,00R$ 332.871,00

6.000,00R$ 18.156,00

329.600 MJ91.556 kWh

No Disponvel(Mas Superior ao Ao Estrutural)

Perfis de GFRP 70.000,00R$ 211.827,00 17.000,00R$ 51.443,70

120.000 MJ33.333 kWh

gua : 86 mAr : 7.920.000 m

AlumnioAlMgSi1

77.000,00R$ 233.009,70

19.000,00R$ 57.495,90

268.700 MJ74.639 kWh

gua : 565 mAr : 41.100.000 m

Concreto Armado 30.000,00R$ 90.783,00 10.000,00R$ 30.261,00

277.200 MJ77.000 kWh

gua : 342 mAr : 31.040.000 m

CritrioMaterialEstrutural

- Em termos iniciais de custos, a ponte de Ao Estrutural e a de Concreto Armado so favorveis, a ponte de Perfil de GFRP est entre os custos mximos e mnimos;

- Em termos de manuteno, a ponte de Ao Inoxidvel e a de Concreto Armado so mais em conta e novamente a ponte de Perfil de GFRP est entre os custos mximos e mnimos;

- Adicionando os custos iniciais e de manuteno, a ponte de Concreto Armado est em primeiro lugar e a de Ao Estrutural em segundo, seguido pela ponte de Perfil de GFRP;

- Se fizermos uma anlise comparando os critrios de Consumo de Energia e Poluio (gua e ar) temos a ponte de GFRP como a favorvel para a fabricao;

Temos tambm uma anlise da ponte comparando o peso se fabricada em perfil de GFRP e fabricada com outros materiais como podemos ver na tabela 4.

Tabela 4. Comparativo dos pesos entre as pontes

Analisando a tabela 4, vemos que a ponte fabricada com o perfil de GFRP o peso corresponde a 2/3 da ponte em Ao Estrutural e a 1/7 da ponte em Concreto Armado, o que reduz consideravelmente os custos com transportes e manuseio da mesma.

8. CONCLUSO

Material Estrutural Peso da PonteAo Estrutural

ASTM A-36 3.000 kgAo Inoxidvel

AISI 316L 2.800 kgPerfis de GFRP 2.000 kg

AlumnioAlMgSi1 1.600 kg

Concreto Armado 14.000 kg

Pultruso um processo de fabricao promissor, visto que seus produtos finais apresentam uma srie de caractersticas favorveis, que tornam vivel sua utilizao.

Com relao a impactos ambientes, com base no contexto apresentado, observou-se que as resinas polimricas, que so obtidas atravs de coprodutos da indstria petrolfera, possuem baixo impacto ambiental, sendo que a quantidade necessria para a produo insignificante se comparada aos combustveis fsseis utilizados atualmente.

Alm disso, a produo da fibra de vidro realizada atravs de p de quartzo e calcrio, sendo o vidro um material reciclvel, este pode ser reaproveitado para a fabricao de novas fibras.

No entanto, este processo deve passar por algumas revises, como por exemplo, se adequar s normas criando regulamentos especficos e tambm, serem realizados estudos para tornarem os custos iniciais mais competitivos, prximos do Ao Estrutural e Concreto Armado, para que este processo se insira de forma ampla no mercado.

9. BIBLIOGRAFIA

Site do fabricante acesso em 14/10/13: - www.stratusfrp.com

Site do fabricante acesso em 14/10/13: - www.pultruso.com.br

Site do fabricante acesso em 14/10/13: - www.techcomposites.com.br

Site do fabricante acesso em 14/10/13: - www.cogumelo.com.br

Site do fabricante acesso em 14/10/13: - www.pcrplasticos.com

Site do fabricante acesso em 14/10/13: - rgc.ind.br

Site do fabricante acesso em 15/10/13: - www.strongwell.com

Site do fabricante acesso em 15/10/13: - www.fiberline.com

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Daniel, R.A. (2003), Environmental Considerations to Structural Material Selection for a Bridge, Lightweight Bridge Decks Conference, European Bridge Engineering Conference, Conference Proceedings, Rotterdam, Netherlands, Brisk events.