Compósitos - Nova Gerção

7/25/2019 Compsitos - Nova Gero

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UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIORCincias da Sade

Estudo da degradao das propriedadesmecnicas de materiais compsitos pelo efeito da

esterilizao por autoclave

Gonalo Nuno Nogueira Elsio

Dissertao para obteno do Grau de Mestre emCincias Biomdicas

(2 ciclo de estudos)

Orientador: Prof. Doutor Paulo Nobre Balbis dos Reis

Covilh, Outubro de 2013


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ii

Agradecimentos

Durante a realizao desta dissertao foram recebidos vrios apoios que auxiliaram e

estimularam a sua elaborao. O autor deseja expressar os seus agradecimentos a todas as

pessoas e instituies que possibilitaram a realizao deste trabalho, nomeadamente:

-Ao orientador cientfico, Professor Paulo Nobre Balbis dos Reis, por toda a

disponibilidade, colaborao e dedicao demonstrada ao longo deste trabalho.

-Ao Professor Ildio Correia pelo apoio e s tcnicas do CICS pela disponibilidade nos

trabalhos de esterilizao que permitiram a realizao deste estudo.

-Ao Professor Mrio Santos, do Departamento de Engenharia Electrotcnica e de

Computadores da Universidade de Coimbra, pelo apoio dado na anlise de danos dos

laminados.

-Ao Engenheiro Carlos Coelho, do Instituto Politcnico de Abrantes, por todo o apoio

e disponibilidade na realizao dos ensaios de impacto.

- Universidade da Beira Interior por todas as facilidades concedidas para a

realizao deste trabalho.

- Faculdade de Cincias da Sade e ao Departamento de Engenharia

Electromecnica da Universidade da Beira Interior pelo apoio e colaborao

prestada ao longo da execuo desta dissertao.-Aos meus PAIS pelo incentivo e apoio incondicional.

-Um especial obrigado Anastasia,

, .

.

,

. ,

, .

-Para as minhas amigas Ieva, Margarita e Alma, Noriu visiems padkoti u didel

param, motyvacij ir paskatinim vis laik. U pagalb, suteikt man kiekvien

dien, kuri visada man dav daugiau noro dirbti ir pabaigti. Ai, kad buvote kartu

su manimi iame gyvenimo etape ir tikiuosi, kad js bsite dar daug kart su

manimi.

-Roberto, Ftima Neto, Ricardo Conceio, Larissa, Jay, Rodrigo, Lenny, Netter,

Opticas, Matias, Trindade, David e tantos outros, que estando mesmo alguns bem

longe, me deram um grande apoio e motivao.


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iii

Resumo

A aplicao dos materiais compsitos tem vindo a crescer dia aps dia nos mais variados

campos, incluindo o campo mdico. Neste caso particular, o desenvolvimento de novas

tcnicas cirrgicas, implantes ou tratamentos com maior eficincia s so possveis com um

maior conhecimento dos biomateriais existentes, ao nvel do seu desempenho em servio, ou

ento com o desenvolvimento de novos biomateriais. Contudo, para o seu desempenho em

servio torna-se muitas vezes necessrio serem sujeitos a processos de

esterilizao/desinfeo. O vapor quente sob presso revela-se, neste caso, o mtodo mais

eficaz na esterilizao de materiais mdico-hospitalares do tipo crtico, devido sua no

toxicidade e de baixo custo. Vulgarmente este tipo de processo realizado com recurso aosautoclaves.

Neste contexto, o presente trabalho estuda o efeito da esterilizao por autoclave na

resistncia ao impacto de um compsito hibrido carbono/Kevlar/resina epxi, uma vez que

este tipo de carregamento promove redues significativas da resistncia residual trao,

compresso e flexo. O benefcio do uso de uma resina reforada por nanoclays tambm foi

estudado.

Verificou-se que, independentemente do laminado, a esterilizao por autoclave diminui aresistncia ao impacto destes laminados. A degradao resulta da ao conjunta

temperatura/humidade. No entanto, a resina reforada com nanoclays promove benefcios ao

nvel da energia restituda e da vida de fadiga. Finalmente estabeleceu-se modelos de

previso com base nas curvas obtidas.

Palavras-chave

Compsitos hbridos; Nanoclays, Propriedades mecnicas; Esterilizao por autoclave.


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iv

Abstract

The application of composite materials has been growing day by day in various fields,

including the medical field. In this particular case, the development of new surgical

techniques, implants or treatments with high efficiency are possible only with a better

understanding of existing biomaterials, the level of their performance in service, or to the

development of new biomaterials. However, for your service performance becomes often

necessary to undergo the sterilization processes/disinfection. The hot steam under pressure

reveals itself, in this case, the most effective method to sterilize medical and hospital-type

critical due to its non-toxicity and low cost. Commonly this kind of process is performed with

use of autoclaves.

In this context, the present study examines the effect of sterilization by autoclaving in the

impact strength of a composite hybrid carbon/Kevlar/epoxy resin, since this type of loading

promotes significant reductions in residual resistance to traction, compression and bending.

The benefit of using a resin reinforced with nanoclays was also studied.

It was observed that, regardless of the laminate sterilization by autoclave decreases the

impact resistance of these laminates. The degradation results from the action joint

temperature / humidity. However, the resin reinforced with nanoclays promotes benefits interms of energy restored and fatigue life. Finally settled forecasting models based on the

curves obtained.

Keywords

Hybrid composites; Nanoclays, Mechanical properties; Sterilization by autoclave.


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v

ndice

Introduo 1

1 Enquadramento terico 3

1.1 Biomateriais na Ortopedia 3

1.2 Biomateriais Cermicos 5

1.3 Biomateriais Metlicos 7

1.4 Biomateriais Polimricos 8

1.4.1 Biopolmeros Sintticos 10

1.4.2 Biopolmeros Naturais 11

1.5 - Materiais Compsitos 121.6 Nanocompsitos 17

1.7 Impacto em Materiais Compsitos 19

2 Material e Procedimento Experimental 21

2.1 Processo de Fabrico dos Laminados 21

2.2 Provetes 21

2.3 Equipamento 22

2.4 Procedimento Experimental 24

3 Anlise e Discusso de Resultados 25

3.1 Introduo 25

3.2 Anlise e Discusso de Resultados 27

4 Concluses Finais e Recomendaes para Trabalhos Futuros 35

4.1 Concluses Gerais 35

4.2 Recomendaes para Trabalhos Futuros 36

Bibliografia 37


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vi

Lista de Figuras

Figura 1.1 Diferentes tipos de superfcies e classificaes de biomateriais 5

Figura 1.2 Esquema representativo dos biomateriais na ortopedia 6

Figura 1.3 Aplicao tpica de um biocermico em odontologia 7

Figura 1.4 Aplicao tpica dos biomateriais metlicos na artroplastia do joelho 7

Figura 1.5 Aplicao tpica de diferentes biomateriais na prtese do quadril 8

Figura 1.6 Utilizao dos polmeros no corpo humano 9

Figura 1.7 Formao capsular fibrosa por rotura de prtese mamria de PDMS 10

Figura 1.8 Sistema prtese-cimento-osso 11

Figura 1.9 Tipos de reforo utilizados nos materiais compsitos 13Figura 1.10 Comparao de algumas das propriedades mecnicas dos compsitos com

as dos materiais tradicionais incluindo os ossos 15

Figura 1.11 Aplicao de materiais compsitos na ortopedia 16

Figura 1.12 Aplicao de materiais compsitos na estrutura ssea 16

Figura 1.13 Comparao entre a escala micro e nano em termos de elementos

biolgicos 17

Figura 1.14 Geometria das nanopartculas 18

Figura 1.15 Estrutura da montmorilonita 18

Figura 1.16 Diferentes tipos de disperso dos clays 19

Figura 2.1 Geometria dos provetes usados nos ensaios de impacto 22

Figura 2.2 Mquina de impacto IMATEK-IM10 23

Figura 2.3 Autoclave AJC Uniclave 88 utilizado na esterilizao 24

Figura 3.1 Curvas tpicas para laminados com resina pura e resina nanoreforada: a)

Provetes de controlo; b) Aps esterilizao - 25 ciclos 28

Figura 3.2 Efeito da esterilizao na carga mxima, mximo deslocamento erecuperao elstica, em termos de valores mdios 29

Figura 3.3 Imagens do dano ocorrido para: a) Laminados com resina pura; b)

Laminados com resina nanoreforadas 30

Figura 3.4 Nmero de impactos at perfurao versus nmero de ciclos deesterilizao 32

Figura 3.5 Evoluo da carga (P/Pi) com N/Nr 32

Figura 3.6 Evoluo do deslocamento mximo (mx/mx,i) com N/Nr 33

Figura 3.7 Evoluo da energia restituda (Erest/Erest,i) com N/Nr 34


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vii

Lista de Tabelas

Tabela 1.1 Propriedades mecnicas de alguns polmeros biocompatveis 9

Tabela 1.2 Propriedades desejveis para materiais utilizados como matrizes 13

Tabela 1.3 Vantagens e desvantagens da fibra de vidro 14

Tabela 1.4 Vantagens e desvantagens da fibra de carbono 14

Tabela 1.5 Vantagens e desvantagens da fibra de aramida 14

Tabela 1.6 Tcnicas para avaliao de defeitos em materiais compsitos 20


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viii

Lista de Acrnimos

CF Fibra de carbono

GF Fibra de VidroHDPE Polietileno de elevado peso molecular

LCP Polmero lquido cristalino

MMT Montmorilonita

OMS Organizao Mundial de Sade

PA12 Poliamida12

PCL Policaprolactona

PDMS Poli dimetil siloxano

PE PolietilenoPEEK Poli-ter-ter-catano

PET Polister

PGA cido poligliclico

PHB cido polihidroxibutirato

PLA cido poliltico

PMMA Polimetilmetacrilato

PP Polipropileno

PS PoliestirenoPSU Polysulfone

PTFE Politetrafluoretano

PU Poliuretano

SR Silicone

UHMWPE Polietileno de ultra elevado peso molecular

UV Ultravioleta


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ix

Notao

Caracteres Latinos

Eres Energia restituda em cada instante

Erest,i Energia restituda no primeiro impacto

N Nmero de ciclos em cada instante

Nr Nmero de ciclos para o qual se deu a perfurao total

P Valor da carga em cada instante

Pi Valor da carga no primeiro impacto

Pmx Carga mxima

Tg Temperatura de transio vtrea

Smbolos Gregos

mx Valor do deslocamento mximo em cada instante

mx,i Valor do deslocamento mximo no primeiro impacto


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1

Introduo

A aplicao dos materiais compsitos tem vindo a crescer dia aps dia cobrindo, atualmente,

reas que vo do campo da engenharia ao desporto e lazer, incluindo o campo mdico. Estatendncia para se manter como resultado da sua elevada resistncia e rigidez especfica,

bom desempenho fadiga e boa resistncia corroso. No entanto, durante as suas

atividades operacionais ou de manuteno ocorrem incidentes de impacto a baixa velocidade

induzindo, neste caso, danos que afetam significativamente as suas propriedades mecnicas.

Delaminaes, roturas de fibra, fendas na matriz e separao fibra/matriz so danos tpicos,

os quais se tornam muito perigosos porque no so facilmente detetados visualmente.

Por outro lado, o aumento significativo da populao idosa conduz a um crescimento

proporcional dos casos de traumatologia ortopdica revelando, assim, a necessidade de

maiores investimentos no domnio da pesquisa e desenvolvimento de novas solues para

garantir uma melhor qualidade de vida. Novas tcnicas cirrgicas, implantes ou tratamentos

com maior eficincia s so possveis com um maior conhecimento dos biomateriais

existentes, ao nvel do seu desempenho em servio, ou ento com o desenvolvimento de

novos biomateriais.

Neste contexto, reconhecido o enorme interesse pelos materiais compsitos, devido sua

potencialidade em combinar diferentes constituintes. Todavia, para o seu bom desempenho

em servio torna-se muitas vezes necessrio serem sujeitos a processos de

esterilizao/desinfeo. No campo mais extremo temos a esterilizao, que consiste na

eliminao ou destruio completa de todas as formas de vida microbiana, e pode ser

efetuada atravs de mtodos fsicos ou mtodos qumicos. O calor hmido, por exemplo,

destri os microrganismos por coagulao e desnaturao irreversveis das suas enzimas e

protenas estruturais. Neste caso, o vapor quente sob presso revela-se como sendo o mtodo

mais eficaz na esterilizao de materiais mdico-hospitalares do tipo crtico, devido a no ser

txico e de baixo custo. Vulgarmente este tipo de processo realizado com recurso aos

autoclaves.

Assim, este trabalho pretende estudar o efeito da esterilizao por autoclave nas

propriedades mecnicas de um compsito hibrido carbono/Kevlar/resina epxi. Especial

enfoque ser dado resistncia ao impacto a baixa velocidade, uma vez que este tipo de

carregamento promove redues significativas da resistncia residual trao, compresso e

flexo neste tipo de materiais. O benefcio do uso de uma resina reforada por nanoclays

tambm foi estudado. Visando melhorar a disperso e a adeso da interface

matriz/nanoclays, as nanopartculas foram previamente sujeitas a um tratamento base de

silano apropriado ao tipo de resina usado.


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2

Para tal, esta dissertao encontra-se organizada em 4 captulos sendo, no primeiro, feito um

enquadramento terico sobre os principais temas abordados neste estudo. Consideraes

sobre biomateriais, com especial incidncia nos materiais compsitos, nanotecnologia e

impacto a baixa velocidade fizeram parte desta contextualizao. O captulo 2 descreve as

tcnicas experimentais utilizadas no trabalho, a manufatura dos laminados utilizados nosensaios experimentais, a geometria dos provetes e os equipamentos utilizados. No captulo 3

feita a apresentao dos resultados experimentais e sua discusso. Finalmente, o captulo 4

apresenta as concluses finais e algumas sugestes para trabalhos futuros.


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3

Captulo 1

Enquadramento terico

De uma forma sucinta sero apresentados, neste captulo, alguns conceitos fundamentais que

esto inerentes ao estudo efetuado. Inicialmente sero introduzidos os diferentes tipos de

biomateriais na ortopedia. De entre os cermicos, metlicos, polimricos, sintticos e

naturais especial enfoque ser dado aos materiais compsitos uma vez que so alvo de estudo

do presente trabalho. Finalmente introduz-se o impacto a baixa velocidade dado que os danos

induzidos afetam significativamente a resistncia e rigidez dos materiais compsitos.

Delaminaes, roturas de fibra, fendas na matriz e separao fibra/matriz so danos tpicos,

os quais se tornam muito perigosos porque no so facilmente detetados visualmente.

1.1 Biomateriais na Ortopedia

Nos ltimos dez anos, milhares de pessoas foram afetadas por problemas traumticos,

envelhecimento, degeneraes e outras patologias relacionadas com o sistema msculo-

esqueltico. Assim, a ltima dcada (2000-2010) foi declarada pela Organizao Mundial deSade (OMS) como a dcada dos ossos e articulaes [1]. Neste contexto no de estranhar

que os biomateriais ortopdicos representassem, j em 2002, US $ 14 bilhes e a sua taxa de

crescimento ronde os 7% a 9% ao ano [2].

Os biomateriais tiveram origem h milhares de anos, como foi comprovado pelos arquelogos,

ao descobrirem que implantes dentrios de metal haviam sido usados em 200 dC. Alguns

biomateriais implantveis nessa era eram feitos de matria vinda da natureza, como:

madeira, zinco, ouro, ferro. No entanto, os biomateriais estiveram em destaque aps a

Segunda Guerra Mundial, com um desenvolvimento significativo na aplicao dos mesmos [3].Os biomateriais, tambm conhecidos como materiais biomdicos, atualmente so definidos

como qualquer substncia (exceto as drogas) ou combinao de substncias de origem

sinttica ou natural, que pode ser usado por qualquer perodo de tempo, como um todo ou

como uma parte de um sistema, o qual trata, melhora ou substitui qualquer tecido, rgo ou

funo do corpo [4].

O desenvolvimento e desempenho dos biomateriais esto ligados a fatores como a

bioadaptabilidade, a biofuncionalidade e a biocompatibilidade [5, 6]. Bioadaptabilidade pode

ser considerada como a habilidade do material se integrar, de um ponto de vista histolgico a


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4

um tecido, na sua implementao e adaptar-se a solicitaes especficas como, por exemplo,

em termos de desempenho mecnico. Por sua vez, biofuncionalidade trata-se da habilidade

do biomaterial assegurar determinadas propriedades mecnicas, do ponto de vista esttico

e/ou dinmico, no lugar desejado de um dado sistema biolgico [7]. Finalmente,

biocompatibilidade significa que o material e seus produtos de degradao devem obter umaboa resposta pelos tecidos envolventes e no devem causar efeitos indesejados ao organismo

a curto e longo prazo. Para que um material tenha aplicao ortopdica, por exemplo, tem

que verificar as seguintes propriedades [8, 9]:

Boa absoro de protenas, ou seja, facilidade das protenas revestirem a superfcie

do material;

Boa qualidade do material para minimizar a sua degradao: Pequenas partculas

podem soltar-se por ao qumica ou mecnica promovendo, neste caso, efeitos

indesejados no sistema biolgico;Boa resposta do sistema biolgico ao material, desde o processo inflamatrio nos

tecidos sua estabilizao.

O teste de citotoxidade a etapa inicial para testar a biocompatibilidade de um material com

potencial para aplicaes mdicas. feito com um intuito de pr-seleo e pretende,

basicamente, determinar se o material provoca (ou no) a morte das clulas ou apresenta

outros efeitos negativos nas funes celulares. Para identificar estes efeitos indesejados

utilizam-se tcnicas in vitro, que se dividem em: mtodos de contacto direto e mtodos de

contacto indireto. No primeiro, as clulas so colocadas diretamente em contacto com o

material, sendo normalmente semeadas na forma de uma suspenso celular. No caso do

mtodo indireto o material separado das clulas por uma barreira de difuso (gar ou

agarose) ou ento as substncias so extradas do material, atravs de um solvente, e

colocadas em contacto com as clulas [10].

No entanto, atendendo evoluo dos materiais, os conceitos de biocompatibilidade e

biodegradabilidade fazem parte de uma segunda gerao de biomateriais. Se na primeira

gerao foram desenvolvidos os biomateriais considerados bioinertes, cuja enfase era de no

provocar reao adversa no organismo [11], a terceira gerao j inclui os materiais com

habilidade de induzir respostas celulares especficas a nvel molecular [12]. Estas trs

geraes so interpretadas de forma conceitual e no cronolgica, visto que cada uma delas

representa uma evoluo nas propriedades dos materiais tendo em conta as necessidades e

exigncias [13].

Os biomateriais tambm podem ser classificados de acordo com o seu comportamento

fisiolgico em [1, 13-15]:


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5

Biotolerveis: materiais tolerados pelo sistema biolgico, sendo isolados dos tecidos

adjacentes pela formao de uma camada de tecido fibroso. Quanto maior a

espessura de tecido fibroso formado, menor a tolerabilidade dos tecidos ao material.

Bioinertes: materiais que, aps um determinado perodo de tempo, estabelecem

contacto direto com o osso (cermicas e titnio).

Bioativos: materiais que estabelecem ligaes qumicas com o tecido sseo

(osteointegrao). Em funo da similaridade qumica, os tecidos sseos ligam-se a

estes materiais, permitindo a osteoconduo.

Bioabsorvveis: materiais que durante o contacto com os tecidos se degradam,

solubilizam ou fagocitam pelo organismo. Estes materiais so interessantes para

aplicaes clnicas onde se pretenda inviabilizar uma nova interveno cirrgica para

a sua remoo.

Figura 1.1 - Diferentes tipos de superfcies e classificaes de biomateriais [16].

1.2 - Biomateriais Cermicos

As cermicas podem ser sintticas ou naturais e possuem diversas vantagens, comobiomateriais, na substituio do tecido sseo. de realar a sua semelhana estrutural do

componente inorgnico do osso, serem biocompatveis, osteocondutivas e como no

apresentam protenas na sua composio proporcionam ausncia de resposta imunolgica.

Apresentam uma degradao bastante demorada in vivo permitindo, assim, a remodelao

ssea no lugar do implante [17]. As suas limitaes esto essencialmente relacionadas com o

facto de no poderem ser utilizadas em regies de grande esforo mecnico e o risco de

fraturas, devido sua natureza porosa [18]. Aplicam-se na ortopedia e odontologia em

implantes ortopdicos e dentrios [19]. A figura 1.3 ilustra uma aplicao tpica dos

biocermicos em odontologia.


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6

Figura 1.2 - Esquema representativo dos biomateriais na ortopedia.

Os materiais cermicos so classificados em bioinerte e bioativo. No primeiro caso,

praticamente no existe interao com o tecido vivo. Por sua vez, as cermicas bioativas tm

a capacidade de promover a adeso ao tecido sseo vivo [20]. As principais cermicas

disponveis comercialmente e utilizadas para reparao/substituio do tecido sseo so a

hidroxiapatita, o b-Triclcio fosfato, a alumina e a zircnia [21-23]. A utilizao do fosfato de

clcio deve-se sobretudo sua biocompatibilidade e a hidroxiapatita devido a ser um material

que se degradada lentamente [24]. Embora as cermicas inorgnicas no demonstrem uma

capacidade osteoindutora, elas ligam-se diretamente ao osso e possuem capacidadesosteocondutoras [25, 26].

Biomateriais

na ortopedia

CermicasMetais Compsitos

Polmeros


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7

Figura 1.3 Aplicao tpica de um biocermico em odontologia [27].

1.3 - Biomateriais MetlicosOs elementos metlicos esto presentes no corpo humano de uma forma natural. O ferro

encontra-se essencialmente no sangue, em funes celulares, e o cobalto na sntese da

vitamina B-12, mas esto limitados a pequenas quantidades no organismo [28]. A

biocompatibilidade do implante metlico deve ser tida em conta [29], os primeiros

biomateriais metlicos utilizados para ajudar a reparao ssea surgiram em meados do

sculo XX e foram o ao inoxidvel e as ligas de cobalto e crmio [30]. Para alm da sua

elevada resistncia corroso in vivo tambm apresentam boa resistncia mecnica e

fadiga, bem como, baixo custo e facilidade de fabricao. Atualmente o ao inoxidvel omais utilizado nas fixaes internas [31, 32]. No entanto, alguns elementos metlicos tm

demonstrado ao txica no ambiente in vivo, como o Vandio e o Nquel [33-35], pelo que

novas variantes de ao inoxidvel e novas ligas metlicas (como as de titnio) tm surgido

[36,37]. A figura 1.4 ilustra uma aplicao tpica dos biomateriais metlicos na artroplastia do

joelho.

Figura 1.4 aplicao tpica dos biomateriais metlicos na artroplastia do joelho [38].


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8

Por outro lado, os biomateriais metlicos quando esto em contacto direto sofrem desgaste e,

consequentemente, a sua interao com o tecido adjacente ocasiona a libertao de ies

metlicos por dissoluo, desgaste ou corroso [39]. De forma a prevenir este fenmeno,

usual revestir estas superfcies com materiais polimricos, permitindo, assim, o contacto

adequado em regies de grande atrito como o caso das prteses do quadril. Esta associaominimiza a libertao de ies metlicos por interao do biomaterial com os fluidos

fisiolgicos [40-42]. A figura 1.5 ilustra uma aplicao tpica de diferentes biomateriais na

prtese do quadril.

Figura 1.5 aplicao tpica de diferentes biomateriais na prtese do quadril [43].

1.4 - Biomateriais Polimricos

Os polmeros so macromolculas constitudas por unidades de repetio chamadas de meros.

A origem deste material deriva do grego poli, que significa muitos, adicionado ao sufixo

mero, que significa parte [44-46]. Quando um polmero apresenta biocompatibilidade,

biofuncionalidade e bioadaptabilidade, revela-se um material vivel para aplicao clnica e

denominado vulgarmente por biopolmero [47]. Dependendo da procedncia, os polmeros

podem ser classificados em naturais ou sintticos [44]. Os polmeros sintticos so geralmente

degradados por hidrlise simples, enquanto, os polmeros naturais so principalmente

degradados enzimaticamente [48]. Ambos os polmeros tm sido utilizados pela engenharia

dos tecidos para o desenvolvimento de moldes (scaffolds) tridimensionais para cartilagens,

ligamentos, meniscos e discos intervertebrais [13]. Os polmeros tm sido largamente

utilizados na ortopedia e tambm como dispositivos para a libertao de frmacos [49]. Na

figura 1.6 encontram-se alguns exemplos tpicos de aplicao dos polmeros no campo clinico

e na tabela 1.1 as propriedades mecnicas de alguns destes materiais.


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9

Figura 1.6 - Utilizao dos polmeros no corpo humano [50].

Tabela 1.1 Propriedades mecnicas de alguns polmeros biocompatveis [51-53].

Material Polimrico Tenso de Rotura [MPa] Mdulo de Elasticidade [GPa]

Polietileno de elevado pesomolecular (HDPE) 40 1,8

Polietileno de ultra elevadopeso molecular (UHMWPE)

21 1

Poliacetal (PA) 65 2,1

Poliestireno (PS) 75 2,65

Polietileno (PE) 35 0,88

Poliuretano (PU) 35 0,02

Silicone (SR) 8 0,008

Polietereteracetona (PEEK) 139 8,3

Politetrafluoretano (PTFE) 28 0,4

Polister (PET) 61 2,85

Polimetilmetacrilato (PMMA) 21 4,5


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10

1.4.1 Biopolmeros Sintticos

Os polmeros sintticos so desenvolvidos industrialmente, com base em molculas de baixo

peso molecular. Na maior parte dos casos so originados a partir de monmeros com origem

em subprodutos do petrleo. Os polmeros sintticos so caraterizados pelo seu peso

molecular e comprimento da cadeia, os quais so controlados durante o processo de

polimerizao. A maior parte dos biomateriais biotolerveis so polmeros sintticos [44].

O silicone um polmero bastante utilizado para fins estticos, todavia, apenas um material

biotolervel. Conhecido como Poli (dimetil siloxano) (PDMS), dos materiais mais utilizados

na rea clnica, aparecendo em prteses de seios, prteses penianas, tubos, sondas, drenos,

stents traqueobrnquicos, leo/gel para controle de deslocamento de retina, entre outras

[47]. A formao de encapsulamento fibroso ao redor de implantes de silicone parte da

resposta fisiolgica ao corpo estranho presente no organismo. Fibrose capsular e contratura

so as mais comuns complicaes decorrentes da aplicao de implantes de silicone [54].

O Polietileno, por exemplo, utilizado em conformaes de ultra/alto peso molecular

(UHMWPE). Muito utilizado em prteses para artroplastia total de quadril e joelho, o UHMWPE

encontrado na estrutura acetabular dos implantes, desempenhando o papel de articulao.

Quando confecionadas em cermica ou metal, estas peas so mais caras e apresentam falhas

clnicas como rudo na articulao e reaes teciduais adversas no local do implante. No

entanto, h registos de falha do implante por fadiga do polmero, o que ocorre

principalmente em prteses de joelho [55].

Figura 1.7 - Formao capsular fibrosa por rotura de prtese mamria de PDMS [56].

O Poli (metacrilato de metila) (PMMA) um material polimerizado por adio em suspenso,

formando uma cadeia linear e resultando num polmero hidrofbico e incolor [57]. O PMMA

muito utilizado como cimento para fixao de implantes sseos. Tem como funo a

transferncia de carga da prtese para o osso e aumentar a capacidade de carga do sistemaprtese-cimento-osso. Esta aplicao, ilustrada na figura 1.8, utilizada desde 1970 e


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11

representa uma excelente relao custo/benefcio, promovendo a reduo da dor, melhora a

funo desempenhada pelas articulaes e aumenta a qualidade de vida do paciente [58].

Figura 1.8 - Sistema prtese-cimento-osso [59].

1.4.2 Biopolmeros Naturais

Polmeros naturais so os que se encontram na natureza sendo, posteriormente, modificados

ou processados [44]. Atualmente so bastante utilizados na rea mdica, pois apresentam

excelente biocompatibilidade, versatilidade, baixa toxicidade e uma grande semelhanaestrutural com os componentes dos tecidos humanos [46,60-61]. Os poliuretanos (PU) de

origem vegetal, para alm de serem materiais com origem em fontes renovveis, apresentam

flexibilidade de formulao, versatilidade e baixo custo [61,62]. Tm sido testados in vivo em

animais, nomeadamente em aplicaes de ortopedia e traumatologia [60,63]. De origem

animal pode-se referir a quitosana, obtida a partir da quitina do exosqueleto de crustceos,

com a enorme vantagem de ser biocompatvel e biodegradvel.

Visando a reparao do tecido sseo, os principais polmeros utilizados so o cido

poligliclico (PGA), o cido poliltico (PLA), o cido polihidroxibutirato (PHB) e apolicaprolactona (PCL). De fcil sntese e origem ilimitada, eles no sofrem degradao na

presena das clulas e possuem superfcie hidrofbica. Porm, estes polmeros possuem

pouca resistncia mecnica e sofrem alterao dimensional ao longo do tempo [17, 49, 64].

Por exemplo o cido poligliclico, bastante utilizado no fabrico de scaffolds, devido sua

hidrofilicidade de origem natural degrada-se rapidamente em solues aquosas ou in vivo e as

suas propriedades mecnicas so afetadas entre duas a quatro semanas [65]. No entanto, o

PLA com igual aplicao, necessita de vrios meses ou alguns anos para que as propriedades

mecnicas sejam afetadas in vitro ou in vivo [65].


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12

1.5 - Materiais Compsitos

Pode definir-se material compsito como sendo aquele que resulta da combinao de dois ou

mais materiais, que depois de misturados ainda so perfeitamente identificados na sua massa,

sendo as propriedades finais superiores dos constituintes em separado [66].

Na verdade os materiais compsitos assentam no paradigma antigo/moderno pois, se por um

lado so considerados materiais tpicos do sculo XX, j no antigo Egito, por volta de 4000

a.C., era utilizado o caule das plantas de papiro para confeo de folhas de escrever. Por seu

turno, por volta dos 1500 a.C., os egpcios j fabricavam as suas casas com paredes de barro e

rebentos de bambu [67]. No entanto, foi a partir do final da dcada de 30 que as fibras de

vidro contnuas foram produzidas comercialmente e mais tarde as denominadas fibras

avanadas: fibra de boro (final da dcada de 50), fibra de carbono (incio da dcada de 60) e

aramida (incio da dcada de 70). Por outro lado, a disponibilidade em 1936 da resina depolister insaturada e em 1938 o surgimento da resina epxi veio alargar o campo de

aplicao destes materiais. Podemos dizer que durante o ltimo quarto de sculo, as suas

aplicaes evoluram de tal forma que estes materiais se encontram associados aos

equipamentos desportivos, estruturas aeroespaciais, setor automvel e campo mdico. Ainda

hoje possvel dizer que estes materiais compsitos esto em forte expanso graas sua.

Resistncia corroso;

Rigidez;

Peso;

Resistncia fadiga;

Expanso trmica;

Propriedades eletromagnticas;

Condutibilidade trmica;

Comportamento acstico.

Ao serem constitudos por duas fases distintas, matriz e reforo, a matriz tem a

responsabilidade de proteger as fibras contra ataques qumicos e/ou danos mecnicos como o

desgaste. Desempenha tambm um papel fundamental na qualidade do acabamentosuperficial do equipamento/estrutura [68]. De uma forma geral, as propriedades desejveis

para os materiais utilizados como matriz encontram-se sintetizadas na tabela 1.2.

As matrizes polimricas, que so as mais utilizadas, podem ser dvidas em termoendurecveis

e termoplsticas. A principal diferena entre elas que a matriz termoplstica pode ser

reutilizvel, enquanto a matriz termoendurecvel, aps a cura, no poder ser reciclada. As

matrizes termoendurecveis proporcionam, entre outras propriedades, boa resistncia

mecnica, boa estabilidade trmica, boa resistncia qumica e baixa fluncia [69,70].


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13

Tabela 1.2 - Propriedades desejveis para materiais utilizados como matrizes [71].

Propriedades Mecnicas

Resistncia trao elevada

Ductilidade

Resistncia ao corte

Tenacidade

Resistncia ao impacto

Propriedades Trmicas

Resistncia a temperaturas extremas

Coeficiente de dilatao trmica, prximo da fibra

Baixa condutividade trmica

Propriedades Qumicas

Boa adeso s fibras

Resistncia degradao em ambientes qumicos

Baixa absoro de humidade

Outras propriedadesBaixo custo

Solidificao

Os reforos, por sua vez, so responsveis pelas propriedades mecnicas dos materiais

compsitos. Deste modo no ser de estranhar que os materiais escolhidos para reforo

possuam propriedades mecnicas extremamente elevadas e muitas vezes superiores s dos

metais macios de uso corrente em Engenharia [68]. No caso dos materiais compsitos

reforados com fibras, as propriedades mecnicas dependem do tipo de fibra, frao

volumtrica, orientao, dimetro e dimenso das fibras. A ttulo de exemplo, as tabelas 1.3

a 1.5 apresentam as principais vantagens/desvantagens das fibras de vidro, carbono e

aramida. Finalmente, as propriedades mecnicas de um material compsito reforado compartculas dependem de um conjunto de parmetros, tais como: comprimento, forma,

distribuio e composio das partculas de reforo [72]. Na figura 1.9 indicam-se e

exemplificam-se os diferentes reforos de um material compsito.

Figura 1.9 Tipos de reforo utilizados nos materiais compsitos [72].


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Tabela 1.3 - Vantagens e desvantagens da fibra de vidro [71].

Vantagens Desvantagens

Elevada resistncia trao Mdulo de elasticidade reduzido

Baixo custo relativamente s outras fibras Elevada massa especfica

Elevada resistncia qumica oxidao Sensibilidade abraso

Isolamento acstico, trmico e eltrico Baixa resistncia fadiga

Tabela 1.4 - Vantagens e desvantagens da fibra de carbono [71].


Elevada resistncia trao Reduzida resistncia aoimpacto

Elevado mdulo de elasticidade longitudinal Elevada condutibilidade trmica

Baixa massa especfica Fratura frgil

Elevada condutibilidade eltrica Baixa deformao antes da fratura

Elevada estabilidade dimensional Baixa resistncia compresso

Baixo coeficiente de dilatao trmica Custo elevado

Inercia qumica exceto ambientes fortementeoxidantes

Amortecimento estrutural

Tabela 1.5 - Vantagens e desvantagens da fibra de aramida [71].


Baixa massa especfica Baixa resistncia compresso

Elevada resistncia trao Degradao lenta sob luz UV

Elevada resistncia ao impacto Elevada absoro de humidade

Baixa condutividade eltrica Custo elevado

Elevada resistncia abraso Elevada durabilidade

Resistncia a temperaturas elevadas

A elevada resistncia e rigidez especfica continua a ser a combinao mais desejada no

desenvolvimento dos materiais compsitos para novas reas. Por exemplo a figura 1.10

compara as propriedades mecnicas dos compsitos com as dos materiais tradicionais,

incluindo os ossos.

No campo da ortopedia, por exemplo, podemos encontrar a mais variada aplicao dos

materiais compsitos tais como em hastes intramedulares, placas de osso e parafusos,

substituio do quadril e cementao ssea. As figuras 1.11 e 1.12 ilustram algumas destasaplicaes.


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15

Figura 1.10 - Comparao de algumas das propriedades mecnicas dos compsitos com as dos materiais

tradicionais incluindo os ossos [73].


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16

Figura 1.11 - Aplicao de materiais compsitos na ortopedia [53].

Figura 1.12 Aplicao de materiais compsitos na estrutura ssea [74].


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1.7 Nanocompsitos

A nanotecnologia engloba todo o tipo de desenvolvimento tecnolgico dentro da escala

nanomtrica, em que um nanmetro equivale a um milionsimo do milmetro ou a uma

bilionsima parte do metro. Em termos prticos, se considerarmos uma praia com 1000 Km de

extenso e um gro de areia de 1 mm, este gro est para a praia como um nanmetro para o

metro. Por seu turno, a figura 1.13 compara a escala micro e nano em termos de elementos

biolgicos. Esta cincia comeou a ser discutida por volta de 1959, pelo fsico Richard

Feymann (considerado o pai da nanotecnologia), mas s teve avanos significativos a partir da

dcada de 80. Atualmente considerada por muitos autores como a nova revoluo

industrial, tanto nos pases desenvolvidos como em desenvolvimento, face aos investimentos

observados [75, 76].

Figura 1.13 Comparao entre a escala micro e nano em termos de elementos biolgicos [77].

Os nanocompsitos so uma nova classe de materiais polimricos que contm quantidades

relativamente pequenas de nanopartculas. Tal como acontece nos compsitos tradicionais,

um dos componentes a matriz, na qual os nanoreforos, com dimenses entre 1-100 nm, se

encontram dispersos. A figura 1.14 ilustra, por exemplo, os diferentes tipos de nanopartculas

usadas. Uma das principais causas das propriedades induzidas por estes materiais a sua

imensa rea superficial e, por outro lado, a sua interao com as molculas do polmero

escala molecular [78].


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18

Figura 1.14 Geometria das nanopartculas [79].

De entre as vrias nanopartculas, os nanoclays (nano argilas onde a slica e a alumina so

elementos dominantes) assumem um especial interesse devido sua relao custo/benefcio,

sendo os mais usados nos nanocompsitos a montmorilonita, a hectorite e a saponite. A

montmorilonita (MMT), por exemplo, tem uma estrutura tipo camadas 2:1, constituindo uma

camada sanduche de alumina octadrica entre duas camadas de slica tetradrica [80,81]. A

unidade bsica das camadas tetradricas externas o xido de silcio, onde os tomos de

silcio esto ligados a quatro tomos de oxignio [82-84]. O empacotamento das camadas

resulta das foras de Van der Walls, deixando entre as lamelas um espao vazio denominado

de galeria interlamelar [85]. Apresentam continuidade planar e geralmente tm uma

orientao paralela ao nvel dos planos basais (001), que confere a estrutura laminada

representada na figura 1.15.

Figura 1.15 - Estrutura da montmorilonita [83].

Dependendo do tipo de polmero, concentrao de nanoclays e mtodo de preparao, podem

ser obtidas trs estruturas diferentes conforme ilustra a figura 1.16 [86,87]. Estrutura de fase

separada ou microcompsito, quando as cadeias polimricas no esto intercaladas nos clays.

Obtm-se de uma estrutura similar dos compsitos convencionais. Estrutura intercalada,

quando o polmero no molha completamente as lamelas. As propriedades mecnicas donanocompsito refletem, neste caso, as do cermico introduzido (clays). Finalmente a


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estrutura esfoliada, quando as lamelas se dispersam completa e uniformemente na matriz.

Neste caso so obtidas melhorias significativas nas propriedades mecnicas.

Figura 1.16 Diferentes tipos de disperso dos clays [88].

1.7 Impacto em Materiais Compsitos

Qualquer estrutura e/ou componente pode estar sujeito a carregamentos que se podem

dividir em estticos, dinmicos (com variao no tempo) e por impacto (cargas de curta

durao). Se as solicitaes dinmicas que se caracterizam pelas cargas atuarem ao longo de

um determinado perodo de tempo, e cuja runa ocorre para tenses muito inferiores s

necessrias estaticamente, nas cargas de impacto a fora exercida num breve curto espao

de tempo. Neste caso, dependendo das extremidades dos objetos e das suas velocidades,poder ocorrer a penetrao de um no outro.

Do ponto de vista da velocidade, por exemplo, o impacto pode ser classificado em duas

categorias [89]: impacto de baixa velocidade ou de grande massa, associado a uma resposta

quasi-esttica, e impacto de alta velocidade ou de pequena massa (vulgarmente associado

balstica), onde a resposta tipicamente de natureza dinmica. Outras classificaes so

passveis de se encontrar na bibliografia e em especial no domnio dos materiais compsitos.

De acordo com Ruiz e Harding [90], por exemplo, existem trs categorias. Impactos na ordem

dos 300 m/s, originando perfurao e os danos so confinados a uma pequena zona em voltado ponto de impacto. Impactos com velocidades entre os 50 e os 300 m/s, onde as ondas de


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tenso com origem no ponto de coliso transmitem a carga restante estrutura. Neste caso a

anlise deve ser dinmica e deve incluir o carregamento de inrcia e a ao da onda de

tenso. Finalmente, velocidades de impacto abaixo dos 50 m/s promovem mltiplas reflexes

nas fronteiras at se atingir o equilbrio quasi-esttico.

Se o impacto a alta velocidade no se revela problemtico em termos de deteo de dano,

dado ser facilmente localizado por inspeo visual, no caso dos impactos a baixa velocidade

as pequenas quantidades de energia podem ser absorvidas atravs dos mecanismos de dano

muito localizados. Delaminaes, rotura de fibras, fissurao da matriz e separao

fibra/matriz so modos de runa tpicos, por exemplo, nos materiais compsitos [91]. Em

termos de fendas na matriz no se observa redues significativas das propriedades

mecnicas, mas promovem as delaminaes. Por outro lado as fibras afetam

significativamente a resistncia mecnica dos laminados. Em termos das delaminaes,

revelam-se o dano mais tpico dos impactos a baixa velocidade e conduzem a uma reduodrstica de resistncia e rigidez dos laminados. Em ambos os casos o dano no facilmente

detetado, tornando-se mesmo necessrio o recurso a tcnicas especificas de deteo. A

tabela 1.6 apresenta as principais tcnicas no destrutivas para avaliao de defeitos.

Tabela 1.6 Tcnicas para avaliao de defeitos em materiais compsitos 92.

Principaiscaractersticas

detetadasVantagens Limitaes

Radiografia Absoro diferencial daradiao penetrante

Imagem apresenta relatrioda inspeo, extensa basede dados

Caro, profundidade dodefeito no indicado,proteo da radiao

Topografiacomputacional

Tecnologia convencionalde raio-X comprocessamento digital

Identifica a localizao dodefeito. A visualizao daimagem controlada porcomputador

Muito caro, estruturascom paredes finas podemcausar problemas

UltrassonsMudanas na impednciaacstica J causados pordefeitos

Podem penetrar emmateriais espessos, pode serautomatizado

Necessria imerso emgua

Emisso acsticaDefeitos que geram ondasde tenso

Vigilncia remota econtnua

Exige a aplicao deestresse para deteo dedefeitos

Acsticaultrassnica

Utilizao de impulsos deultrassom paraestimulao de ondas detenso

Porttil quantitativo,automatizado, imagemgrfica

Contacto superficial,geometria da superfciecrtica

Termografia

Mapeamento dadistribuio datemperatura ao longo darea de ensaio

Rpida, medio distante.No precisa de contactocom a pea, quantitativo

Baixa resoluo paraamostras espessas

Holografia tica Imagem 3DNo exige nenhumapreparao especial dasuperfcie ou revestimento

Exige ausncia devibraes, necessriauma base forte

Correntes de

Foucault

Mudanas nas condieseltricas causado por

variaes de material

Facilmente automatizado,

custos moderados

Limitadas as condieseltricas, materiais e

profundidade depenetrao limitada


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Captulo 2

Material e Procedimento Experimental

Este captulo introduz os materiais utilizados no presente estudo, os equipamentos e o

respetivo procedimento experimental para que, deste modo, a anlise e discusso de

resultados esteja devidamente enquadrada.

2.1 - Processo de fabrico dos Laminados

Laminados com nove camadas, todas na mesma direo, de tecido bi-direcional Kevlar 170-

1000P (170 g/m2) e tecido de carbono bi-direcional 195-1000P (195 g/m2), foram preparados

manualmente. Os compsitos hbridos foram produzidos com a sequncia de 3C+3K+3C (em

que o "nmero " representa o nmero de camadas usadas, C = fibra de carbono e K = fibra de

Kevlar) cujas dimenses globais das placas so de 330x330x2.1 [mm]. Foi usada uma resina

epxi SR 1500 e um endurecedor SD 2503, ambos fornecidos pela SICOMIN. O sistema foi

colocado dentro de um saco de vcuo e uma carga de 2,5 kN foi aplicada, durante 24 horas,com o intuito de manter a frao de volume de fibra constante e a espessura do laminado

uniforme. Durante as primeiras 10 horas o saco permaneceu ligado a uma bomba de vcuo

para eliminar as possveis bolhas de ar existentes no material. A ps-cura foi efetuada, de

acordo com a recomendao do fabricante da resina, num forno a 40 C durante 24 horas.

Os laminados nano-reforados foram obtidos pelo mesmo processo, tendo sido, neste caso, a

resina epxi aditivada com nanoclays Cloisite 30B. A fim de melhorar a disperso e a adeso

da interface matriz/nanoclays, as nanopartculas foram previamente sujeitas a um

tratamento base de silano devidamente apropriado para este tipo de resina. Mais detalhessobre o tratamento e a disperso/esfoliao dos nanoclays na matriz podem ser encontrados

em [93,94]. A quantidade de nanoclays utilizada neste trabalho foi de 3% wt, pois, de acordo

com [94], o valor mais adequado para este tipo de resina.

2.2 - Provetes

Os provetes utilizados nos ensaios experimentais apresentam uma seco quadrada de 100

mm de lado (100x100x2.1 mm) e foram obtidos a partir das placas descritas anteriormente. A


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geometria ilustrada na figura 2.1 foi conseguida com recurso a uma serra eltrica havendo, no

entanto, um cuidado especial com a velocidade de avano. Pretendia-se, deste modo, evitar

delaminaes promovidas pelo processo de corte e para evitar o aquecimento do compsito,

com as consequentes alteraes estruturais da matriz, foi utilizado ar comprimido seco.

Figura 2.1 Geometria dos provetes usados nos ensaios de impacto.

2.3 - Equipamento

Os ensaios experimentais efetuados ao longo deste estudo foram realizados numa mquina de

impacto da marca IMATEK, modelo IM10, ilustrada na figura 2.2. O seu modo de

funcionamento consiste essencialmente na queda de um peso (impactor), o qual se encontra

instrumentado com uma clula de carga piezoeltrica, permitindo, deste modo, que o sistema

de aquisio de dados possa recolher at 32000 pontos.

A energia de impacto completamente fornecida pela gravidade e controlada peloajustamento da altura de queda, at um mximo de 2.5 metros. A velocidade medida no

incio do contacto por meio de um sensor eletrnico e a fora por meio de uma clula de

carga. A dupla integrao da curva de carga em funo do tempo fornece a variao da

deflexo com a carga:

2

2

)(dt

xdmtF (2.1)


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23

onde F(t) a fora lida pela clula de carga, m a massa do impactor e d2x/dt2 a

acelerao. A partir desta equao pode ento calcular-se a velocidade pela seguinte

expresso matemtica:

0)(1)( CdttFm

tV (2.2)

onde V(t) a velocidade da clula de carga e C0 a constante de integrao e V0 a

velocidade inicial, ou seja, as condies iniciais de fronteira, onde C0= V0, para t = 0. Da

equao 2.2 podemos finalmente calcular a deflexo, usando a seguinte expresso:

tVdtdttFm

tX o

)(

1)( (2.3)

onde X(t) a deflexo em funo do tempo. Estas integraes numricas so realizadas

automaticamente pelo software Impact Verso 1.3, o qual permite ainda o armazenamento

de dados como a acelerao, o deslocamento, a energia, a fora, o tempo e a velocidade.

Figura 2.2 -Mquina de impacto IMATEK-IM10.


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2.4 - Procedimento Experimental

Os ensaios de impacto foram realizados na mquina descrita no ponto anterior, temperatura

ambiente e segundo o procedimento descrito na norma EN ISO 6603-2. Para cada condio de

ensaio foram utilizados 3 provetes, com as geometrias descritas em 2.1, tendo sido os dados

posteriormente tratados em funo dos respetivos valores mdios.

Os ensaios foram realizados com um impactor hemisfrico de 10 mm de dimetro, uma massa

total de queda de 2,903 kg e com as condies de fronteira de simplesmente apoiado. Foi

utilizado um nvel de energia igual a 3 J at ocorrer a perfurao completa. Entende-se por

perfurao completa quando o impactor atravessa completamente os provetes. Esta energia

foi previamente selecionada de modo a permitir que a rea de dano seja mensurvel, mas

sem promover a perfurao imediata dos provetes.

Com o intuito de estudar o efeito da esterilizao por autoclave na resistncia ao impacto

destes laminados, os provetes foram previamente esterilizados no equipamento AJC Uniclave

88, ilustrado na figura 2.3. Um ciclo completo de esterilizao constitui-se basicamente por

trs etapas distintas: aquecimento, esterilizao e secagem; podendo, aps a realizao das

trs etapas, dizer-se que a esterilizao ficou completa. No presente trabalho, cada srie de

trs provetes foi sujeita a 5, 10, 15, 25 e 50 ciclos completos de esterilizao,

respetivamente. Por sua vez, a etapa de esterilizao decorreu temperatura de 121 C

durante 20 minutos e a uma presso de 3-5 bar.

Figura 2.3 Autoclave AJC Uniclave 88 utilizado na esterilizao.


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Captulo 3

Anlise e Discusso de Resultados

3.1 Introduo

Os materiais compsitos tm vindo a ser utilizados nos mais diversos campos da engenharia e

da medicina, como resultado da sua elevada resistncia e rigidez especfica, bom

desempenho fadiga e resistncia corroso. No entanto, a literatura revela que a

existncia de danos nestes materiais afeta significativamente o seu comportamento

mecnico. Segundo vrios autores, a delaminao o modo de dano mais frequente nosmateriais compsitos que, para alm de afetar a resistncia residual, apresentam uma

dificuldade acrescida na sua deteo visual [95,96]. A influncia dos constituintes (fibra e

matriz) na resposta ao impacto dos materiais compsitos j foi estudada por vrios autores

[97-99]. As propriedades da fibra e da matriz, por exemplo, afetam as tenses e as energias

necessrias ao aparecimento dos diferentes modos de runa induzidos pelas cargas de impacto

[100]. Consequentemente, a resistncia residual tenso, compresso, flexo e fadiga ir

decrescer em funo do modo de dano dominante [100].

Em termos de resistncia trao, a resistncia mxima de um laminado afetada pela

presena de delaminaes devido degradao da interface fibra/matriz [101] e

concentrao de tenses promovida por estas descolagens [102, 103]. Por exemplo, Reis et al

[104] observaram em laminados carbono/epxi, com delaminaes previamente induzidas,

redues na resistncia trao da ordem dos 16%. Por sua vez, Mosallam et al [105]

obtiveram redues de 25% em laminados previamente sujeitos a impactos de 6,8 J. As

delaminaes apresentam tambm um efeito significativo na resistncia flexo dos

materiais compsitos. Estudos de Amaro et al [106], em compsitos de carbono/epxi,

revelam redues na resistncia flexo em cerca de 34% para laminados com a sequncia de[0,90,0,90]2Se de 78% para os laminados com a sequncia de [0,90]8. Estas diferenas esto

relacionadas com a rigidez flexo. Os mesmos autores estudaram a influncia da localizao

da delaminao ao longo da espessura, tendo verificado que a situao mais crtica

corresponde ao meio do provete [107]. Finalmente reconhecida a menor resistncia

compresso dos materiais compsitos face sua resistncia trao, tornando-se assim um

parmetro muito limitativo para certas aplicaes [108-112]. Este fenmeno resulta

essencialmente dos diferentes mecanismos de dano que ocorrem para cada um dos casos

[112-116]. De acordo com a literatura [110,116], inicialmente ocorre a micro-encurvadura das

fibras que esto alinhadas com a direo da carga e depois as delaminaes promovem a


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queda acentuada da resistncia compresso. De acordo com Suemasu et al[117], a principal

causa do decrscimo da resistncia compresso aps impacto a existncia de mltiplas

delaminaes que interagem durante a compresso. Para Lee e Park [118] as delaminaes

crescem rapidamente em condies de encurvadura. Neste caso a resistncia residual aps

impacto pode decrescer at 60% dos seus valores iniciais [119,120].

Por outro lado, os materiais reforados com nanopartculas tm sido amplamente estudados e

aplicados aos mais diversos campos da cincia como resultado da sua elevada rea superficial

e interao qumica/fsica [121,122]. Em termos mecnicos assistimos a um aumento da

resistncia e rigidez, enquanto as propriedades trmicas so alteradas mesmo para baixas

concentraes de nanopartculas sem comprometer a densidade, dureza ou o processo de

fabrico [123-125]. Os nanoclays, por exemplo, tm-se mostrado eficazes no reforo de

estruturas polimricas associando o benefcio do seu baixo custo [126-133].

Neste contexto, os nanoclays so vulgarmente utilizados em compsitos polimricos

reforados com fibras, conduzindo a melhorias significativas nas propriedades mecnicas,

mesmo para concentraes muito baixas de nanoreforo. Em termos de impacto a baixa

velocidade, estudos efetuados por Hosur et al [134] revelam que o recurso aos nanoclays

traduz-se em menores danos, como resultado da maior rigidez do sistema e resistncia

progresso dos danos. Melhoria significativa na resistncia ao impacto e tolerncia ao dano

(menor rea de dano) bem como maior resistncia residual tambm foi observada por Iqbal et

al[135] em laminados contendo nanoclays. Segundo estes autores a percentagem de 3% em

peso de nanoclays mostrou-se a ideal. Por outro lado, estudos realizados por vila et al[136]

mostraram que 5% em peso de nanoclays conduzem a um aumento da energia absorvida na

ordem dos 48%. Em termos de compsitos sanduche, Hosur et al [137,138] revelam que a

presena de nanopartculas promovem cargas mais elevadas e menores reas de dano face s

sanduches fabricadas com resina pura. Para sanduches semelhantes, vila et al [139]

verificaram que a adio de 5% em peso de nanoclays conduz a alteraes do modo de dano

para alm de uma maior quantidade de energia absorvida.

Os materiais compsitos em servio esto habitualmente expostos a condies higrotrmicas,

as quais provocam uma degradao significativa das suas propriedades mecnicas. De acordo

com Aoki et al[140], estas degradaes incluem modificaes qumicas ao nvel da matriz e

descolamento na interface fibra/matriz. Uma vez no interior da matriz, a gua atua como um

agente plastificante, aumentando o espaamento entre as cadeias do polmero, levando

alterao da temperatura de transio vtrea e a um alvio das tenses internas da resina. Na

verdade, a temperatura de transio vtrea (Tg) um parmetro muito importante, porque o

Tg estabelece as condies de servio dos polmeros. De acordo com Apicella et al [141]

existem trs modos de absoro da gua, mas a taxa qual absorvida por um compsito

depende de diversas variveis como: tipo de fibra, matriz e temperatura, a diferena naconcentrao da gua dentro do compsito, meio ambiente e a forma como a gua absorvida


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reage quimicamente com a matriz [142]. No entanto, Wright [143] observou que tanto a taxa

de gua como a quantidade total de humidade absorvida depende da estrutura qumica da

resina e do seu agente de reticulao, em conjunto com a temperatura e humidade relativa.

No sentido de diminuir a permeabilidade de uma resina, a bibliografia sugere que as resinas

sejam nanoreforadas. Este fenmeno foi observado pela primeira pelos investigadores daToyota [144] em compsitos poliamida/nanoclays. Em comparao com a resina pura,

obtiveram redues de absoro de gua em cerca de 40%. Por outro lado, Messersmith et al

[145] observaram que a permeabilidade gua do poli(e-caprolactona) diminui na ordem dos

80% com a introduo dos nanoclays. Este fenmeno foi atribudo ao aumento da trajetria e

ao caminho tortuoso que as molculas de gs ou de gua tm de efetuar ao longo do processo

de difuso na resina.

Neste contexto, o objetivo deste trabalho visa estudar o efeito da esterilizao por autoclave

na resistncia ao impacto de laminados hbridos carbono/Kevlar com resina epxi reforadacom nanoclays. A anlise e discusso dos resultados obtidos experimentalmente tm base nas

representaes carga-tempo, carga-deslocamento e energia-tempo. Os modos de dano

tambm sero discutidos.

3.2 - Anlise e Discusso de Resultados

A figura 3.1 ilustra o efeito da degradao promovida pela esterilizao por autoclave atravs

das curvas tpicas carga-tempo, carga-deslocamento e energia-tempo. Para tal, comparam-se

as curvas obtidas em condies laboratoriais com as estabelecidas aps 25 ciclos de

esterilizao. Estas curvas esto de acordo com a bibliografia [93, 94, 135] e representam o

comportamento tpico de todos os laminados e condies ensaiadas. Podem-se verificar

algumas oscilaes que resultam das ondas elsticas criadas pelas vibraes dos provetes

[146].

Numa anlise mais detalhada verifica-se que a fora aumenta at a um valor mximo (Pmx)

passando, aps o pico de carga, a decrescer. Por outro lado, sendo as curvas apresentadasrepresentativas de todos os provetes ensaiados, pode-se dizer que a energia de impacto no

foi suficientemente alta para ocorrer a perfurao. O impactor embate no provete e

retrocede sempre, o que pode ser comprovado pelos grficos energia-tempo ilustrados nas

figuras 1a) e 1b). Neste caso, o patamar significa a perda de contacto impactor/amostra e,

simultaneamente, representa a energia absorvida pelo provete [135, 147].

Na figura 3.2 esto representados os valores mdios das cargas mximas (Pmx),

deslocamentos mximos e recuperao elstica em funo do nmero de ciclos de

esterilizao. A energia elstica (recuperao elstica) calculada como sendo a diferena

entre a energia absorvida


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a)

b)

Figura 3.1 Curvas tpicas para laminados com resina pura e resina nanoreforada:

a) Provetes de controlo; b) Aps esterilizao - 25 ciclos.

Car

ga[kN]

Deslocamento [mm]

Tempo [ms]

0 1 2 3 4 5

Ene

rgia[J]

Carga[kN]

Energia[J]

Deslocamento [mm]

Tempo [ms]

0 1 2 3 4 5

Resina pura

Resina nanoreforada

Resina pura

Resina nanoreforada


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e a energia ocorrida para a carga de pico [93, 94]. A evoluo destes parmetros com o

nmero de ciclos de esterilizao est indicada pelas curvas de tendncia.

Figura 3.2 Efeito da esterilizao na carga mxima, mximo deslocamento e recuperao elstica, em

termos de valores mdios.

Na referida figura os smbolos fechados indicam os resultados obtidos para os laminados com

resina pura e os smbolos abertos os resultados dos laminados com resina reforada por

nanoclays. Independentemente do tipo de laminado ocorre um decrscimo da carga mxima e

da energia restituda at ao dcimo ciclo de esterilizao, a partir do qual existe uma certa

tendncia para estes valores apresentarem a mesma ordem de grandeza. Em termos mdios

este decrscimo na ordem dos 5,4% para a carga mxima e de 23,5% para a energia

restituda. Por sua vez o deslocamento mximo apresenta o mesmo comportamento, mas coma tendncia oposta, ou seja, este parmetro aumenta at ao dcimo ciclo a partir do qual

varia segundo a linha de tendncia ilustrada. O aumento mdio, neste caso, foi na ordem dos

9,5%.

Por outro lado assiste-se a um benefcio real, nos trs parmetros representados, com a

introduo dos nanoreforos. Em termos do deslocamento mximo, e independentemente do

nmero de ciclos de esterilizao efetuados, os maiores valores mdios ocorrem nos

laminados com resina pura. Comparando os resultados obtidos com os provetes ensaiados nas

condies laboratoriais, verifica-se que os nanoclays diminuem o deslocamento mximo emcerca de 4,4% enquanto esta diferena de 3,4% entre os resultados obtidos ao fim do dcimo

Carga[kN]

30

35

40

45

50

55

60

Deslocamento[mm]

60

55

50

45

40

35

30

Energiarestituda[%]

Nmero de ciclos de esterilizao


39/56

30

ciclo de esterilizao. Esta tendncia est de acordo com os estudos desenvolvidos por Reis et

al[93, 94, 148] e pode ser interessante para sistemas que absorvem energia mas no devem

apresentar deformaes muito mais elevadas que um determinado valor pr-estabelecido. A

adio de nanoclays promove cargas de impacto mais elevadas, na ordem dos 1,3% para as

condies laboratoriais e de 2,1% para os laminados sujeitos a 10 ciclos de esterilizao. Estefenmeno resultado da matriz reforada por nanoclays apresentar maior rigidez e,

consequentemente, o seu comportamento dctil diminui [149]. Finalmente em termos de

energia restituda, a mesma comparao conduz a resultados 4,4% e 6,8%, respetivamente,

mais altos com a introduo dos nanoreforos. Estas diferenas observadas ao nvel de

energia restituda, revelando o benefcio dos nanoclays, so justificadas atravs dos danos

ocorridos nos laminados [93, 94].

A figura 3.3 ilustra os danos observados em ambos os laminados para os provetes ensaiados

nas condies de laboratrio, no entanto, so representativos de todos os outros. As amostrasforam inspecionados pela tcnica C-Scan numa rea quadrada de 40x40 mm, contendo a zona

de impacto. O dano pode ser detetado sem ambiguidade, onde a cor azul representa o

principal dano. Para o nvel de energia utilizada os danos so muito semelhantes, no entanto,

os laminados com resina pura revelam uma rea de dano ligeiramente superior (fugindo

geometria mais circular observada para os laminados nanoreforados) como resultado da sua

maior ductilidade.

a) b)

Figura 3.3 Imagens do dano ocorrido para: a) Laminados com resina pura; b) Laminados com resina

nanoreforada.

Os resultados anteriores podem ser explicados, por um lado, como consequncia da

degradao da interface fibra/matriz [150-154], uma vez que a sua estrutura e propriedades


40/56

31

controlam de forma significativa o comportamento mecnico dos materiais compsitos [150].

Por outro lado, os diferentes coeficientes de expanso trmica entre fibra/polmero

promovem tenses residuais na interface que conduzem a fissuras ou micro-vazios [155]. No

entanto, a introduo dos nanoclays induz benefcios uma vez que reduzem o coeficiente de

expanso trmica do polmero [156-158]. Por sua vez, de acordo com o Ray [155], a humidadepode penetrar nos materiais compsitos polimricos por processos de difuso/capilaridade e a

degradao mecnica funo da matriz. Uma vez no seu interior pode causar descolamento

da interface fibra/matriz, quer por ataque/reao qumica ou atravs da presso osmtica.

Estudos desenvolvidos por Abdel-Magid et al[151], por exemplo, mostram que a presena da

gua numa matriz epxi leva sua plasticizao e, consequentemente, menor mdulo de

elasticidade. Por outro lado, a humidade cria uma presso hidrosttica nas pontas das fendas,

o que aumenta a taxa de propagao das fendas na matriz. Para Boukhoulda et al [159] a

humidade absorvida pelas resinas e a temperatura afeta a sua absoro. Sendo a difuso um

processo ativado termicamente, qualquer aumento da temperatura conduz a um maior

coeficiente de difuso, ou seja, maior difuso. Neste sentido a introduo dos nanoclays

revela-se benfica, pois diminui a permeabilidade como resultado da maior trajetria que as

molculas de gua tm que percorrer.

O efeito do impacto repetido (fadiga por impacto) tambm foi estudado e a figura 3.4

representa o nmero de impactos necessrios para se dar a perfurao total em funo do

nmero de ciclos de esterilizao. Verifica-se que, independentemente dos laminados, a vida

de fadiga ao impacto diminui significativamente at ao dcimo ciclo, ao que, posteriormente,

o efeito da esterilizao parece ter pouca influncia na resistncia ao impacto (nmero de

ciclos perfurao muito semelhantes para cada laminado). Por outro lado, e mais uma vez,

os nanoclays conduzem a uma maior resistncia ao impacto dos laminados estudados. Em

termos mdios este aumento anda na ordem dos 71,9% para as amostras ensaiadas nas

condies laboratoriais e de 25,8% para os laminados sujeitos a 10 ciclos de esterilizao.

A figura 3.5 ilustra a evoluo da carga com o nmero de ciclos. A carga est representada

por P/Pionde P o valor da carga em cada instante e P io valor da carga do primeiro impacto

obtido em cada condio (laminado e nmero de ciclos de esterilizao). Por sua vez, a vidaest representada em funo de N/Nr onde N representa o nmero de ciclos em cada

momento e Nro nmero de ciclos para o qual se deu a perfurao total. Representados todos

os ensaios realizados, verifica-se que existe uma mancha de pontos qual se pode ajustar

razoavelmente bem, pelo mtodo dos mnimos quadrados, uma curva polinomial do segundo

grau. Esta curva pode estabelecer uma previso da carga em cada instante,

independentemente do laminado e condio de ensaio.


41/56

32

Figura 3.4 - Nmero de impactos at perfurao versus nmero de ciclos de esterilizao.

Figura 3.5 Evoluo da carga (P/Pi) com N/Nr.

Nmero de ciclos de esterilizao

Nmerodeimpactosat

perfurao

N/Nr

P/Pi


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33

A figura 3.6 ilustra a evoluo do deslocamento mximo com o nmero de ciclos. Mais uma

vez o deslocamento est representado por mx/mx,i onde mx o valor do deslocamento

mximo em cada instante e mx,i o valor do deslocamento mximo do primeiro impacto

obtido para cada condio (laminado e nmero de ciclos de esterilizao). N/N r j foi

previamente definido. Representados todos os ensaios realizados, verifica-se que existe uma

mancha de pontos qual se pode ajustar razoavelmente bem, pelo mtodo dos mnimos

quadrados, uma curva polinomial do segundo grau. Esta curva estabelece uma previso do

deslocamento mximo em cada instante, independentemente do laminado e condio de

ensaio.

Figura 3.6 Evoluo do deslocamento mximo (mx/mx,i) com N/Nr.

Finalmente a anlise proferida anteriormente para a carga e o deslocamento mximo

encontra-se agora ilustrada na figura 3.7 para a energia restituda. Neste caso a energia est

representada por Erest/Erest,ionde Erest o valor da energia em cada instante e Erest,i o valor

da energia no primeiro impacto para cada condio (laminado e nmero de ciclos de

esterilizao). N/Nr j foi previamente definido. Representados todos os ensaios realizados,

verifica-se a existncia da mancha de resultados qual se pode ajustar razoavelmente bem,

pelo mtodo dos mnimos quadrados, uma curva polinomial do terceiro grau. Mais uma vez

esta curva estabelece uma previso da energia restituda em cada instante,

independentemente do laminado e condio de ensaio.

N/Nr

mx

/mx,i


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34

Figura 3.7 Evoluo da energia restituda (Erest/Erest,i) com N/Nr.

N/Nr

Erest/

Erest,i


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Captulo 4

Concluses Finais e Recomendaes para

Trabalhos Futuros

De acordo com os objetivos estabelecidos, esta tese apresentou uma anlise e discusso de

resultados que conduziu a algumas concluses. Neste captulo sero abordadas apenas as que

se julguem serem mais importantes.

Numa fase seguinte apresentam-se algumas sugestes para trabalhos futuros.

4.1 Concluses Gerais

1 - Independentemente do laminado, a carga mxima de impacto e a energia restituda

decresce significativamente at ao dcimo ciclo de esterilizao seguindo-se uma certa

tendncia para a estabilizao deste valores. Por sua vez o deslocamento mximo

pauta-se por um comportamento muito semelhante mas com a tendncia inversa.

2 - A degradao dos laminados deveu-se ao conjunta temperatura/humidade e,consequentemente, menor resistncia ao impacto foi observada.

3 - O uso de uma resina reforada com nanoclays traz benefcios em termos de maior

energia restituda e menores deslocamentos mximos. Esta diferena encontra-se

associada aos modos de runa ocorridos nos diferentes laminados.

4 - Apesar de no ser muito evidente, para o nvel de energia utilizado, o dano nos

laminados com resina pura ligeiramente superior ao observado nos laminados com

resina reforada por nanoclays.

5 - Os laminados com nanoclays promovem maiores vidas de fadiga ao impacto apesar de,independentemente do laminado, se verificar uma diminuio significativa da vida at

ao dcimo ciclo de esterilizao. Para valores superiores no aparente um efeito

significativo dos ciclos de esterilizao na vida de fadiga.

6 - A evoluo da carga mxima, deslocamento mximo e energia restituda variam ao

longo da vida de fadiga ao impacto. Foram estabelecidas equaes para modelar o

comportamento observado, as quais servem tambm de previso dos referidos

parmetros em funo da vida de fadiga.


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36

4.2 Recomendaes para Trabalhos Futuros

Na sequncia do presente trabalho surgiram alguns aspetos que se revelaram interessantes

para uma abordagem mais detalhada. De seguida, so referidos sumariamente aqueles que

podero vir a ser alvo de estudo:

1 - Estender o presente estudo para maiores nmeros de ciclos de esterilizao.

2 - Efetuar um estudo mais detalhado aos mecanismos de dano.

3 - Estudar a resistncia residual dos laminados ( trao, compresso e flexo) em funo

do nmero de ciclos de esterilizao.

4 - Comparar diferentes nanoreforos na resistncia ao impacto de laminados sujeitos a

esterilizao por autoclave.

5 - Estudar o efeito de outros tipos de esterilizao/desinfeo na resistncia ao impacto

de laminados compsitos.


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Compósitos - Nova Gerção