Estudo Das des Termicas e Mecanicas de Diferentes Formulacoes Resina Epoxi Para Uso Em SMA

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Estudo de Propriedades Térmicas e Mecânicas de Diferentes Formulações Epóxi

para uso em Compósitos Ativos Autor: Thiago Moraes Siqueira/20411393 Orientador: Prof. Dr. Carlos José de Araújo Prof. Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Junior

Campina Grande, 19 de abril de 2012.

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para uso em Compósitos Ativos Autor: Thiago Moraes Siqueira/20411393 Orientador: Prof. Dr. Carlos José de Araújo Prof. Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Junior Curso: Graduação em Engenharia Mecânica Área de Concentração do TCC: Materiais Trabalho de Conclusão de Curso TCC, apresentado, como requisito para a obtenção do título de Graduado Pleno em Engenharia Mecânica.

Campina Grande, 19 de abril de 2012. PB - Brasil

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TCC – TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO


para uso em Compósitos Ativos Monografia aprovada ____________________________________________________ Prof. Carlos José de Araújo, DSc - Orientador de TCC Universidade Federal Campina Grande ____________________________________________________ Prof. Wanderley Ferreira de Amorim Junior, DSc – Orientador de TCC Universidade Federal Campina Grande ____________________________________________________ Prof. João Baptista da Costa Agra Melo, MSc - Avaliador Universidade Federal Campina Grande

Campina Grande, 19 de abril de 2012. PB - Brasil

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Dedico este trabalho primeiramente a Deus, pois sem Ele, nada seria possível e não estaríamos aqui reunidos, desfrutando, juntos, destes momentos que nos são tão importantes.

Aos meus pais Marciano e Tatiana; pelo esforço, dedicação e compreensão, em todos os momentos desta e de outras caminhadas, em momentos felizes e tristes.

A minha irmã que sempre me compreende, apóia e incentiva.

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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Marciano e Tatiana, pela base e apoio que me deram para a construção do conhecimento.

A minha irmã Pollyana, pelo apoio e incentivo. Aos meus avós, José Antonio, Maria de Fátima, Elza Siqueira, aos meus tios e tias,

Janaína, Gabriela, Márcia, Marcio e Marconi. A Prof. Dra. Suedna, por sua ajuda e comprometimento com a pesquisa. Ao Prof. Dr. Carlos José de Araújo, pelos seus ensinamentos e ceder o Laboratório

Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas – LaMMEA, para que este trabalho fosse possível.

Ao Prof. Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Junior, pelos seus ensinamentos e fornecer

o material necessário para que a pesquisa fosse desenvolvida. Aos integrantes do Laboratório Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas –

LaMMEA, Rômulo, Niedson, Luis Fernando, Zoroastro e Jackson, pelo acompanhamento e amizade durante o período da pesquisa.

A Rômulo e Niedson por acompanhar o trabalho, sempre instruindo as diretrizes do

trabalho, e pela suas ajudas nos ensaios realizados. Aos meus amigos, Luiz Augusto, Yuri Teles, Michell Liberal, Marcelo Batista, Leylson

Costa, Mariaugusta Mota, Guaíra Melo, Paulo Bertrand, Igor Rocha, Williams e Fonseca Filho, pela sua valiosa contribuição neste trabalho.

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SUMÁRIO INTRODUÇÃO 13

REVISÃO DA LITERATURA 15

2.1 Polímeros 15

2.2 Forma e estrutura molecular 16

2.3 Cristalinidade 17

2.4 Aditivos utilizados em polímeros 18

2.5 Fenômenos da transição vítrea. 19

2.5.1 Transição vítrea 19

2.6 Comportamento viscoelástico dos polímeros 21

2.6.1 – Fatores que influenciam na temperatura de transição vítrea 25

2.7 Resinas epóxi 27

MATERIAIS E MÉTODOS 33

3.1 Materiais 33

3.2 Fabricação dos moldes 37

3.3 Fabricação dos corpos de prova 39

3.4 Ensaio de flexão de três pontos 42

3.5 Ensaio dinâmico-mecânico, DMA 43

RESULTADOS E DISCUSSÕES 45

4.1 Resultado da Analise Térmica Dínamo-Mecânica – DMA 45

4.2 Resistência à Flexão 53

4.3 Comparação entre os ensaios realizados 57

CONCLUSÕES E SUGESTÕES 58

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 59

ANEXOS 62

vii

ANEXO 01 – PRANCHA PARA CONFECÇÃO DO MOLDE 63

ANEXO 02 – CÁLCULOS DAS PROPORÇÕES EM MASSA DOS

SISTEMAS EPOXÍDICOS 65

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RESUMO

A introdução de ligas com memória de forma (LMF) em compósitos poliméricos origina estruturas com baixa massa específica aliada a alta resistência mecânica, além da possibilidade de monitoramento de integridade e de ativação. Tais propriedades são requeridas nas indústria nuclear, aeronáutica, automobilística e de equipamentos de entretenimento. Essas LMF, quando introduzidas em compósitos com matriz polimérica, são aquecidas por efeito Joule, ocasionando o aquecimento da liga e da matriz, de modo que a temperatura se aproxima da temperatura de transição vítrea da resina. Assim, o objetivo principal desse trabalho é selecionar uma matriz polimérica, a resina a base de epóxi, e, caracterizar este material quanto a sua temperatura de transição vítrea, para diferentes formulações com cura a frio e uma formulação com cura a quente. Os resultados indicam que o sistema epoxídico com cura a quente apresenta o maior valor da temperatura de transição vítrea, de modo que poderá ser escolhido para futuros trabalhos de pesquisa. Palavras Chave: Ligas de memória de forma, resina epóxi, viscoelasticidade, temperatura de transição vítrea, polímeros.

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Representação esquemática das estruturas moleculares (a) lineares, (b)

ramificadas, (c) com ligações cruzadas e (d) em rede. 17 Figura 2 – (a) Carga aplicada durante um período de tempo, (b) comportamento de um polímero totalmente elástico, (c) viscoelástico e (d) viscoso. 22 Figura 3 – Curvas logarítmicas do módulo de relaxação em função do tempo do polimetil metacrilato (acrílico) nas temperaturas de 40 e 135°. 24 Figura 4 – Curvas logarítmicas do módulo de relaxação em função da temperatura para o poliestireno amorfo. 25 Figura 5 – Grupo Glicida. 28 Figura 6- Molécula da Resina Epóxi vendida comercialmente (Diglicidil Éter de Bisfenol A – DGEBA). 28 Figura 7 – Reação de Epoxidação da epicloridrina com bisfenol A. 29 Figura 8 – Molécula da resina epóxi à base de Bisfenol F e/ou Novolac. 30 Figura 9 – Molécula da resina epóxi bromada. 31 Figura 10 – Molécula da resina epóxi flexível. 31 Figura 11 – Resina Epóxi SQ 2001 34 Figura 12 – Endurecedor SQ 3131 35 Figura 13 – Endurecedor SQ 3181 36 Figura 14 – Projeto do molde. 37 Figura 15 – Construção do molde, abertura dos furos. 38 Figura 16 – Molde (a) desmontado e (b) montado. 38

x

Figura 17 – (a) Balança analítica, (b) Montagem do agitador, becker e suporte universal. (c) Desmoldante Polidesmo 13. 40 Figura 18 – (a) Cura a Frio. (b) Cura a Quente 41 Figura 19 – (a) Equipamento Instron® SFL modelo 5582. (b) Corpo de prova submetido ao ensaio de flexão. 42 Figura 20 – (a) Equipamento DMA. (b) Clamp para ensaio com amostra. 44 Figura 21 – Curvas dinâmico-mecânicas com o módulo de armazenamento (E’) e tan delta (E’’/E’) para o sistema com cura a frio, (a) 10% de endurecedor, (b) 20% de endurecedor, (c) 27% de endurecedor e (d) 30% de endurecedor. 47 Figura 22 – Temperatura de Transição Vítrea (Tg) para os sistemas com cura a frio, (a) 10% de endurecedor, (b) 20% de endurecedor, (c) 27% de endurecedor e (d) 30% de endurecedor. 49 Figura 23 – Curvas dinâmico-mecânicas com o módulo de armazenamento (E’) e tan delta (E’’/E’) para o sistema com cura a quente. 51 Figura 24 – Temperatura de Transição Vítrea para o sistema com cura a quente. 51 Figura 25– Resistência à flexão do sistema epoxídico com cura a frio com 10% de endurecedor 53 Figura 26 – Resistência à flexão do sistema epoxídico com cura a frio com 20% de endurecedor 54 Figura 27 – Resistência à flexão do sistema epoxídico com cura a frio com 27% de endurecedor 54 Figura 28 – Resistência à flexão do sistema epoxídico com cura a frio com 10% de endurecedor 55 Figura 29 – Resistência à flexão dos sistemas epoxídicos com cura a quente. 56 Figura 30 – Comparativo da resistência à flexão para os diferentes sistemas epoxídicos. 56

xi

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 – Temperatura de transição vítrea para alguns materiais poliméricos. 20 Tabela 3.1 – Propriedades da Resina Epóxi SQ 2001 34 Tabela 3.2 – Propriedades do Endurecedor SQ 3131 35 Tabela 3.3 – Propriedades do Endurecedor SQ 3181 36 Tabela 3.4 – Formulações para o sistema com cura a frio 39 Tabela 3.5 – Formulação para o sistema com cura a quente 40 Tabela 3.6 – Tipos de Ensaios e quantidade de corpos de provas produzidos para cada

ensaio. 44

Tabela 4.1 – Valores do módulo de armazenamento, E’ e da temperatura de transição vítrea (ºC), obtidos em termogramas de DMA. 52 Tabela 4.2 – Comparação do módulo de armazenamento e a resistência à flexão. 57

xii

NOMENCLATURA Letras Latinas T Temperatura [°C] Tg Temperatura de Transição Vítrea [°C] Tf Temperatura de Fusão [°C] E Resistência ã Flexão [MPa, Pa, N/m2 e Kgf/mm2] E’ Módulo de Armazenamento [MPa] Letras Gregas

)(tσ Tensão aplicada durante o tempo Abreviações PVC-P Polyvinyl Cloride, plasticized PE-LD Polyethylene, low density PE-HD Polyethylene, high density PP Polypropylene PA12 Polyamide 12 PA6 Polyamide 6 PA66 Polyamide 66 PS Polystyrene PAN Polyacrylonitrile PTFE Polytetrafluorethylene PEI Polyetherimide Siglas UAEM Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica UFCG Universidade Federal de Campina Grande ASTM American Standards for Testing and Materials ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas DMA Analise Dinâmico-Mecânica LMF Liga de Memória de Forma

xiii

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

A introdução de ligas com memória de forma (LMF) em compósitos poliméricos origina

estruturas com baixa massa específica aliada a alta resistência mecânica além da possibilidade

de monitoramento de integridade e de ativação, facilitando a sua manutenção e prevenção.

Neste conceito, esses materiais não só podem ser capazes de identificar danos na estrutura

como também comunicam o fato a uma central de monitoramento que pode emitir ordens

fazendo com que a estrutura responda e tente controlar esse dano. Essas qualidades são muito

bem vindas na área náutica, automobilística e principalmente na aeroespacial, onde tem

recebido um interesse especial, devido às possibilidades de aplicação, por exemplo, na

aerodinâmica, podendo levar a uma diminuição da vibração das asas dos aviões (Paiva et al;

2003).

Essas LMF, quando introduzidas em compósitos com matriz polimérica, são aquecidas

por efeito Joule, ocasionando o aquecimento também da matriz. Assim sendo, este

aquecimento pode chegar a temperaturas próximas a temperatura de transição vítrea, em que

os polímeros perdem a sua rigidez.

A partir disto, surge a necessidade de se conhecer o comportamento mecânico e

termomecânico dos materiais poliméricos, já que suas propriedades variam de acordo com a

xiv

mudança de temperatura, ou seja, para uma diferente temperatura, o material apresentará

valores diferentes das propriedades analisadas.

A resina epóxi é o principal polímero termorígido para aplicações de engenharia de

compósitos poliméricos devido à baixa retração durante a cura, excelente adesão a uma

variedade de superfícies, boa estabilidade dimensional, baixa absorção de umidade, boas

propriedades térmicas e elétricas, excelente resistência química e a intempéries com alta

relação resistência/peso. Devido às propriedades superiores, estas resinas são freqüentemente

usadas com fibras de alto desempenho, como a fibra de carbono, (MURPHY, 1998),

(LAKSHMI, SRIVIDHYA, REDDY, et. al. 2003), (FRIGIONE, MASCIA, ACIERNO, et. al.

2003).

O presente trabalho tem como objetivo avaliar a temperatura de transição vítrea (Tg), de

diferentes sistemas epóxi de cura a frio e de cura a quente.

xv

CAPÍTULO 02

REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Polímeros

Os polímeros são moléculas longas, compostas por entidades estruturais conhecidas por

unidades mero, que se repetem sucessivamente ao longo da cadeia. A partir disto, nomeou-se

estes materiais formados por diversos meros de polímeros (do grego, poli – muito; mono –

um; mero – parte). Dentro de cada molécula os átomos estão ligados entre si através de

ligações interatômicas covalentes.

Os polímeros podem ser naturais ou sintéticos. Segundo DIAS (2004), os polímeros

naturais são moléculas de grande peso molecular encontradas na natureza. Em sua grande

maioria de origem orgânica, tendo feito parte da estrutura de algum ser vivo, quer seja uma

planta, bactéria ou animais superiores. Seu uso pelo homem esta descrito em pinturas

rupestres de milhões de anos, na pele animal que servia de proteção ao frio ou no

desenvolvimento de ferramentas, utensílios e abrigo. Dentre os vários polímeros naturais

podemos citar a borracha; os polissacarídeos, como celulose, amido e glicogênio; e as

proteínas (caseína – proteína do leite).

xvi

Os polímeros sintéticos são sintetizados quimicamente, em geral, a partir de produtos

derivados de petróleo. Eles podem oferecer uma infinidade de estruturas possíveis. São

“costurados” pela cadeia da molécula para atender cada aplicação requerida. O tamanho e

composição química podem ser manipulados a fim de criar propriedades para quase todas as

funções dos fluidos. São exemplos de polímeros sintéticos o policloreto de vinila (PVC), o

Náilon e acrílico.

Tais materiais estão sendo muito utilizados na atualidade, substituindo principalmente os

materiais metálicos e cerâmicos.

2.2 Forma e estrutura molecular

Os polímeros podem ainda variar a sua forma, as cadeias podem se dobrar, espiralar e se

contorcer, levando a um entrelace e embaraço entre as moléculas de cadeias vizinhas. Tais

entrelaces e embaraços são os responsáveis pelas características dos polímeros. Algumas das

propriedades mecânicas e térmicas dos polímeros variam em função da habilidade dos

segmentos da cadeia em experimentar uma rotação em resposta a aplicações de tensões ou a

vibrações térmicas. Quando temos uma dupla ligação (C=C), temos que este tipo de ligação é

rotacionalmente rígida. E a presença de um átomo volumoso nas suas redondezas pode

restringir o movimento de rotação.

Porém as características físicas dos polímeros não são totalmente dependentes apenas do

peso molecular e de sua forma. São dependentes também da estrutura das cadeias moleculares,

as quais na atualidade podem ser facilmente controladas. Os polímeros podem apresentar as

seguintes estruturas: polímeros lineares, polímeros ramificados, polímeros com ligações

cruzadas e polímeros em rede.

Os polímeros lineares (Figura 1 – a) são aqueles em que suas unidades mero estão

unidas ponta a ponta em cadeias únicas. Estas cadeias são flexíveis e as ligações existentes

entre as cadeias são do tipo van der Waals. Alguns exemplos de polímeros com este tipo de

estrutura são: o polietileno, o cloreto de polivinila, o poliestireno, o polimetil metacrilato, o

náilon e os fluorocarbonos. Os polímeros ramificados (Figura 1 – b) são os que possuem

cadeias de ramificações laterais, ligadas às cadeias principais. Com esta formação das

xvii

ramificações os polímeros ficam mais compactos, o que reduz a sua densidade. Outro tipo de

estrutura presentes nos polímeros são as ligações cruzadas (Figura 1 – c), nas quais as cadeias

lineares adjacentes estão ligadas umas as outras em varias posições através de ligações

covalentes. O processo de formação de ligações cruzadas é atingido ou durante a síntese do

polímero ou através de uma reação química não reversível que é realizada a uma elevada

temperatura. O processo de vulcanização é um exemplo. Os polímeros em rede (Figura 1 – d)

são os que possuem unidades mero trifuncionais, e possuem três ligações ativas, formando

assim redes tridimensionais. São polímeros que possuem muitas ligações cruzadas. Estes

materiais possuem propriedades mecânicas e térmicas distintas. Os materiais epóxi e a base de

fenolformaldeído pertencem a este grupo.

(a) (b) (c) (d)

Figura 1 – Representação esquemática das estruturas moleculares (a) lineares, (b) ramificadas,

(c) com ligações cruzadas e (d) em rede.

Fonte: CALLISTER (2002)

2.3 Cristalinidade

Segundo CALLISTER (2002), o estado cristalino pode existir nos materiais poliméricos.

Entretanto, como este estado envolve moléculas em vez de apenas átomos ou íons, como

ocorrem com os materiais metálicos e cerâmicos, os arranjos atômicos são mais complexos no

caso dos polímeros.

A cristalinidade dos polímeros é imaginada como sendo o empacotamento de cadeias

moleculares de modo que possa produzir uma matriz atômica ordenada. As estruturas

cristalinas podem ser especificadas em termos de células unitárias com freqüências bastante

complexas. Assim, as moléculas dos polímeros são apenas parcialmente cristalinas (ou

semicristalinas) possuindo regiões cristalinas que se encontram dispersas no interior do

material amorfo restante. Qualquer desordem ou falta de alinhamento na cadeia produzirá uma

xviii

região amorfa. O grau de cristalinidade pode variar desde completamente amorfo até

totalmente cristalino.

O grau de cristalinidade de um polímero depende da taxa de resfriamento durante a

solidificação bem como da configuração da cadeia. Durante a cristalização no resfriamento

através da temperatura de fusão, as cadeias, que são altamente randômicas e emaranhadas no

líquido viscoso, devem assumir uma configuração ordenada. Para isto ocorrer, um

determinado tempo deve ser permitido para que as cadeias se movam e se alinhem. Numa

certa extensão, as propriedades físicas de materiais poliméricos são influenciadas pelo grau de

cristalinidade. Polímeros cristalinos são usualmente mais fortes e mais resistentes à dissolução

e amolecimento por calor.

2.4 Aditivos utilizados em polímeros

Sabe-se que cada polímero tem suas propriedades, algumas destas propriedades estão

relacionadas com a estrutura molecular e são controladas por ela, já outras propriedades não se

consegue modificar apenas alterando a estrutura molecular, são as propriedades químicas,

físicas e mecânicas. A partir deste fato, faz-se o uso de substancias que não fazem parte da

estrutura do polímero que se deseja modificar, essas substancias são conhecidas como

aditivos. E estes aditivos são adicionados intencionalmente no polímero, a fim de melhorar

e/ou modificar algumas destas propriedades, tornando assim o polímero em questão apto para

uma determinada tarefa.

Os aditivos mais utilizados são os materiais de enchimento ou carga, os agentes

plasticizantes, os estabilizadores, os corantes e os retardadores de chama. Existem ainda

outros tipos de aditivos, tais como os aceleradores, que ativam a policondensação dos

termofixos; os inibidores, que retardam a policondensação; os solventes, que são utilizados

para conceder a resina uma mobilidade temporária, permitindo assim o processo de trefilação;

e os aditivos diversos, tais como os desodorantes, os antiestáticos, os lubrificantes, os agentes

espumantes e os fungicidas.

xix

2.5 Fenômenos da transição vítrea

As propriedades mecânicas dos polímeros são muito sensíveis às mudanças de

temperatura. A cristalização é o processo em que, mediante resfriamento, uma fase sólida

ordenada é produzida a partir de um liquido fundido que possui uma estrutura molecular

altamente aleatória. A transformação por fusão ocorre quando um polímero é aquecido e o

fenômeno da transição vítrea ocorre com polímeros amorfos ou que não sejam cristalizáveis,

os quais, quando resfriados a partir de um líquido fundido, tornam-se sólidos rígidos, com

estrutura molecular desordenada característica do estado liquido, conseqüentemente, eles

podem ser considerados como se fossem líquidos congelados CALLISTER (2002).

2.5.1 Transição vítrea

A temperatura de transição vítrea (Tg) é um importante parâmetro térmico que pode ser

utilizado para a caracterização de plásticos e outros materiais amorfos ou semicristalinos. A

Tg é a temperatura da passagem do estado vítreo para um estado “maleável”, ou seja, um

material com capacidade de deformação plástica, sem ocorrência de uma mudança estrutural.

As alterações registradas na temperatura de transição vítrea ocorrem na parte amorfa do

material (parte onde as cadeias moleculares estão desordenadas). Na Tabela 2.1 pode-se ver a

temperatura de transição vítrea para diferentes tipos de materiais poliméricos. Abaixo da

temperatura de transição vítrea (Tg), o material não tem energia interna suficiente para

permitir deslocamento de uma cadeia com relação à outra por mudanças conformacionais.

Assim, temos que, quanto mais cristalino for o material, menor será a representatividade da

transição vítrea. Ela permite prever o comportamento de um determinado material numa

determinada temperatura, assim como designa indiretamente certas propriedades do material

como propriedades mecânicas, resistência à temperatura, etc.

xx

Tabela 2.1 – Temperatura de transição vítrea para alguns materiais poliméricos Polímero Símbolo Tg(°C)

Polyvinyl Cloride, plasticized PVC-P – 40 a 10 Polyethylene, low density PE-LD – 100 Polyethylene, high density PE-HD – 70

Polypropylene PP – 30 Polyamide 12 PA12 40

Polyamide 6 PA6 40

Polyamide 66 PA66 50

Polystyrene PS 90 a 100

Polyacrylonitrile PAN 100

Polytetrafluorethylene PTFE – 20

Polyetherimide PEI 220

Fonte: MANO, 1991

Alguns fatores que influenciam na variação da temperatura de transição vítrea (Tg) para

um determinado polímero são listados a seguir:

� Massa Molar (peso molecular): A massa molar dos polímeros, o tamanho das cadeias,

afeta decisivamente a temperatura de transição vítrea (Tg), visto que cadeias menores

apresentam maior mobilidade que as cadeias maiores.

� Volume livre presente nos polímeros: O volume livre em polímeros é o espaço não

ocupado pelas moléculas. Quanto maior o volume livre presente em um polímero

menor será a temperatura de transição vítrea, já que maior será a facilidade das cadeias

de se deslocarem umas em relação às outras.

� Tipo de força atrativa entre as cadeias poliméricas: As transições que ocorrem durante

a temperatura de transição vítrea são resultados da habilidade das cadeias de se

deslocarem com a quantidade de energia fornecida nessa específica faixa de

temperatura. Quanto maior a magnitude das ligações entre cadeias, maior será a

quantidade de energia necessária a permitir que as cadeias se tornem livres para efetuar

as transições. Dessa forma, polímeros que apresentam ligações mais fortes entre

cadeias, possuem temperaturas de transição vítrea maiores.

xxi

� Mobilidade intrínseca das cadeias poliméricas: A arquitetura química das cadeias

poliméricas contribui decisivamente para a definição do comportamento dessas frente

a introdução de energia e as correspondentes transições. Grupos químicos, inseridos

nas cadeias poliméricas principais, cujas ligações com o resto da cadeia apresentem

reduzidas energias para movimentos de rotação, proporcionam temperaturas de

transição vítrea menores. Quanto menor a energia necessária para rotação de ligações,

maior facilidade as cadeias apresentarão de se desentrelaçar e mover umas em relação

às outras.

A temperatura de transição vítrea varia conforme a compatibilidade das misturas.

Segundo SÁNCHEZ et. al. (2001), em seus estudos sobre a compatibilidade de misturas de

ULDPE (ultra low-density polyethylene) e PA 6 (polyamide 6), através de análises realizadas

no DSC, foi concluído que a utilização de um agente compatibilizante DEM (diethylmaleate)

fez com que a temperatura de transição vítrea (Tg) sofresse uma diminuição no seu valor.

A diminuição na Tg, faz com que cristais mais perfeitos se formem, pois as cadeias irão

possuir mobilidade até temperaturas mais baixas, facilitando assim a acomodação das cadeias

em uma forma mais ordenada.

2.6 Comportamento viscoelástico dos polímeros

Um polímero amorfo pode se comportar como um vidro em baixas temperaturas, como

um sólido com características de borracha em temperaturas intermediárias (acima da

temperatura de transição vítrea) e como um liquido viscoso à medida que a temperatura é mais

elevada. No caso de se comportar como um sólido, ou seja, nas baixas temperaturas, o

comportamento mecânico é governado pela lei de Hooke. E nas temperaturas mais elevadas, o

polímero se comporta como um líquido viscoso. Já nas temperaturas intermediárias, o

polímero se encontra num estado sólido, com características de uma borracha, no qual

apresentam características destes dois extremos, este fenômeno é conhecido como

viscoelasticidade.

Na Figura 2 são mostrados alguns gráficos, onde se pode ver como se comporta um

polímero, quando se aplica uma carga durante um determinado período de tempo (gráfico a),

xxii

para um polímero com comportamentos totalmente elástico (gráfico b), viscoelástico (gráfico

c) e viscoso (gráfico d).

(a) (b) (c) (d)

Figura 2 – (a) Carga aplicada durante um período de tempo, (b) comportamento de um

polímero totalmente elástico, (c) viscoelástico e (d) viscoso.

Fonte: CALLISTER (2002).

Os materiais viscoelásticos são caracterizados por apresentar uma resposta de

deformação em função do tempo para uma determinada tensão aplicada, e por este motivo

também são conhecidos como materiais dependentes do tempo. A denominação de

viscoelasticidade aplica-se aos materiais que apresentam um comportamento elástico, através

de uma deformação imediata, combinando o comportamento viscoso, que apresenta ao longo

do tempo para uma tensão constante aplicada. O termo viscoelasticidade é uma denominação

genérica para os conceitos de fluência, deformação lenta, relaxação e reversibilidade da

fluência.

Segundo KRISHNAMACHARI (1993) o termo viscoelasticidade sempre está associado

a variável tempo, em resposta a uma tensão ou deformação constante aplicada. A resposta dos

materiais viscoelásticos pode ser dividida em três grupos: fluência ou deformação lenta,

relaxação e reversibilidade. A fluência caracteriza-se pelo acréscimo da deformação em

função do tempo para uma tensão constante, a relaxação pela variação da tensão em função do

tempo para uma deformação constante e a reversibilidade pela tentativa de recuperação das

deformações após a retirada da tensão aplicada.

Algumas referências que descrevem o comportamento viscoelástico apresentam

modelos mecânicos como mola, amortecedor em série ou em paralelo, fazendo dessa maneira

uma analogia ao comportamento da viscoelasticidade. Estes modelos também são conhecidos

como representação diferencial da viscoelasticidade. (TRANTINA e NIMMER, 1994).

ε ε ε ε

xxiii

O comportamento da fluência nos polímeros depende do tipo de material. Porém outros

fatores como a temperatura, o meio atmosférico, o envelhecimento, a cristalinidade, o peso

molecular, a historia térmica e mecânica, a utilização de cargas minerais no composto e as

taxas de deformação podem também influenciar de maneira significativa no comportamento

viscoelástico dos materiais poliméricos (NICHOLSON et al., 2001); (KLOMPEN, 2005);

(KHAN & ZHANG, 2001). Verifica-se na prática que a fluência depende da interligação de

vários fatores relacionados, sendo que o estudo deste comportamento pode ser muito

complexo.

A temperatura é um fator fundamental nas propriedades viscoelasticas dos polímeros,

pois tanto os elastômeros, quanto os polímeros (termoplásticos e termofixos) sofrem

alterações em suas propriedades mecânicas com a variação da temperatura. Uma dessas

propriedades é o modulo de relaxação, que é definido pela equação (1).

0

)()(

∈= t

tE r

σ; (1)

Onde, )(tσ é a tensão aplicada durante o tempo, e 0∈ representa o nível de deformação,

o qual é mantido constante.

Segundo CALLISTER (2002), a magnitude do modulo de relaxação é uma função da

temperatura, e para caracterizar mais completamente o comportamento viscoelástico de um

polímero, devem ser conduzidas medições de relaxação de tensões isotérmicas ao longo de

uma faixa de temperatura. Na figura 3, se pode observar a variação do logaritmo do módulo

de relaxação em função do módulo do tempo, para o polimetil metracrilato (acrílico), em uma

faixa de temperaturas entre 40 e 135 °C. Nesse caso, nota-se que: (1) com o decorrer do tempo

ocorre uma redução do módulo de relaxação e que (2) para temperaturas maiores, há uma

queda brusca no valor desse módulo.

Assim, para o tempo de 0,1 h temos que em temperaturas baixas, ou seja, na região

vítrea o material se comporta como um sólido, sendo rígido e frágil. Nestas baixas

temperaturas, os materiais apresentam o comportamento mostrado na Figura 3, mostrada

abaixo. Com a elevação da temperatura, ou seja, quando o material polimérico está na

xxiv

temperatura de transição vítrea (Tg) o módulo de relaxação cai abruptamente, da ordem de

103. Nesta região, a deformação causada pela carga aplicada depende do tempo e não será

totalmente recuperada. Este comportamento esta representado no gráfico c da Figura 2. Nas

temperaturas elevadas, quando o polímero é aquecido gradualmente ate a sua temperatura de

fusão (Tf), observa-se uma transição para o estado de borracha e depois o comportamento de

um líquido viscoso, representado no gráfico (d) da figura 2. Quando o material se comporta

como um líquido viscoso, os valores do módulo de relaxação são baixíssimos.

Figura 3 – Curvas logarítmicas do módulo de relaxação em função do tempo do polimetil

metacrilato (acrílico) nas temperaturas de 40 e 135°. Fonte: MCLOUGHLIN e TOBOLSKY (1952).

Uma outra representação para a curva logarítmica do módulo de relaxação em função do

tempo, mostrada na Figura 4, é o gráfico mostrado a seguir, do logaritmo do módulo de

relaxação em função da temperatura, onde observa-se 5 comportamentos viscoelástico

diferentes, em que os polímeros podem apresentar durante o seu aquecimento gradual.

xxv

Figura 4 – Curvas logarítmicas do módulo de relaxação em função da temperatura para o

poliestireno amorfo.

Fonte: CALLISTER (2002).

2.6.1 – Fatores que influenciam na temperatura de transição vítrea

A Tg dos materiais poliméricos será maior quando todo e qualquer fator possa levar a

um aumento das forças intermoleculares secundárias e à rigidez da cadeia. Abaixo, podem-se

observar alguns dos fatores estruturais que podem causar tal aumento:

a) Rigidez / Flexibilidade da Cadeia Principal:

A presença de grupamentos rígidos dentro da cadeia principal promove a rigidez à

mesma, tendendo a aumentar a Tg.

b) Polaridade:

A existência de grupos polares nas macromoléculas poliméricas tende a aproximar

mais fortemente as cadeias entre si, aumentando as forças secundárias. Portanto, a

xxvi

presença de polaridade aumenta a Tg. Quanto maior a polaridade, maior a Tg. Os

grupos polares mais comuns em polímeros são aqueles que envolvem a carbonila, onde

o valor da sua polaridade será maior ou menor em função do tipo de átomo ligado

lateralmente ter a tendência de doar ou retirar elétrons.

c) Grupo Lateral:

Um grande grupo lateral tende a ancorar a cadeia polimérica, exigindo maiores níveis

de energia para que a cadeia adquira mobilidade, ou seja, aumento da Tg do polímero

proporcionalmente ao seu volume.

d) Simetria:

Se os grupos laterais forem dispostos de uma maneira simétrica em relação ao eixo da

cadeia principal, não há um grande aumento na Tg. Isso permite movimentos mais

equilibrados da molécula, não exigindo altos níveis de energia para que o estado da

mobilidade seja atingido.

e) Copolimerização:

Em copolímeros alternados e aleatórios onde existe uma forçada mistura íntima a nível

molecular das unidades monoméricas, o nível de energia exigido para que a molécula

adquira mobilidade terá uma contribuição ponderada de cada constituinte. Para esses

tipos de copolímeros, o valor da Tg se situa ponderado entre os valores das Tg’s

apresentados pelos homopolímeros individuais.

f) Massa Molecular:

Uma vez que a Tg é a temperatura onde o nível energético para a movimentação da

cadeia é atingido, o aumento da massa molecular da cadeia polimérica, ou seja,

aumento do comprimento da molécula a ser movimentada, tende a aumentar a Tg.

g) Ramificações:

A presença de ramificações implica em um aumento de pontas de cadeia gerando um

aumento do volume livre. Isto facilita a movimentação das cadeias, reduzindo o nível

energético para se atingir a mobilidade das mesmas, portanto, reduzindo a Tg.

xxvii

h) Tipo de força atrativa entre as cadeias poliméricas:

As transições que ocorrem durante a temperatura de transição vítrea são resultados da

habilidade das cadeias de se deslocarem com a quantidade de energia fornecida nessa

específica faixa de temperatura. Quanto maior a magnitude das ligações entre cadeias,

maior será a quantidade de energia necessária a permitir que as cadeias se tornem

livres para efetuar as transições. Dessa forma, polímeros que apresentam ligações mais

fortes entre cadeias, possuem temperaturas de transição vítrea maiores.

Já os fatores externos que modificam a Tg, é a presença de líquidos plastificantes,

adicionados propositalmente ou absorvidos pelo polímero. Essas moléculas normalmente são

pequenas, e quando se alojam entre as cadeias poliméricas, afastam uma cadeia das outras.

Este afastamento reduz as forças de atração intermolecular secundárias, aumentando a

mobilidade das cadeias. Isso reduz o nível energético necessário para dar mobilidade a toda

cadeia, reduzindo assim a Tg do polímero.

2.7 Resinas epóxi

As resinas epóxi são utilizadas em várias aplicações na indústria elétrica e eletrônica,

como isoladores, encapsulantes, adesivos. Essas resinas alta rigidez dielétrica, alta dureza,

excelente aderência, alta resistência química e podem ser aplicadas á temperatura ambiente

ou com cura em estufa. São extremamente versáteis. Depois de aplicadas e curadas as resinas

são extremamente resistentes e impermeáveis, ficando os componentes encapsulados

totalmente invioláveis, pois qualquer método mecânico, químico ou térmico para remover a

resina com certeza ira destruir os componentes encapsulados anteriormente.

A palavra epóxi vem do grego "EP” (sobre ou entre) e do inglês "OXI” (oxigênio).

Literalmente o termo significa oxigênio entre carbonos. Em um sentido geral, o termo refere-

se a um grupo constituído por um átomo de oxigênio ligado a dois átomos de carbono. As

resinas epoxídicas ou simplesmente resinas epóxi, são polímeros caracterizados pela presença

de grupos glicidila em sua molécula, além de outros grupos funcionais (SILAEX, 2008).

xxviii

Quando temos o sistema curado ele resulta em estrutura tridimensional através da reação

do grupo glicidila (também chamado de grupo epóxi), Figura 5, com um agente reticulante

adequado (endurecedor), (RESEPOX, 2005)

Figura 5 – Grupo Glicida,

FONTE: RESEPOX

O grupo glicidil é usado como referência do grupo epóxi terminal, sendo o nome

completado por éster, éter, amina, entre outros, de acordo com a natureza do grupo ligado ao

terceiro carbono.

A primeira resina comercial foi o produto da reação de EPICLORIDRINA e BISFENOL

A, mostrado na Figura 6, originando assim a resina mais comum conhecida como

DIGLICIDIL ÉTER DE BISFENOL A (DGEBA), (SILAEX, 2008).

Figura 6 – Molécula da Resina Epóxi vendida comercialmente (Diglicidil Éter de Bisfenol A –

DGEBA),

Fonte: SILAEX

A molécula acima é a resina epóxi antes de ser catalisada podendo, dependo do valor de

n, ser líquida a até sólida, sendo que a viscosidade aumenta conforme vai aumentando o n.

Com n ≤ 1 teremos resinas líquidas e n > 1 começará as resinas semi-sólidas e sólidas.

Os agentes de epoxidação mais comuns são os ácidos peracético e perfórmico e os óleos

vegetais epoxidados. A epicloridrina (1-cloro-2, 3 - epóxi - propano) é o agente universal

portador do grupo epóxi que irá reagir com espécies químicas que tem hidrogênios ativos. O

xxix

bisfenol A [2, 2 - bis (4'- hidroxifenil ) propano] é a espécie química mais comum que contém

esses hidrogênios ativos. A primeira resina epóxi com características similares às das atuais,

foi sintetizada na Alemanha em 1933 por Schlack a partir da reação de epicloridrina com

bisfenol A, conforme ilustra a Figura 7, (RESEPOX, 2005).

Figura 7 – Reação de Epoxidação da epicloridrina com bisfenol A.

Fonte: RESEPOX

No final da década de quarenta outras grandes companhias químicas iniciaram pesquisas

em resinas epóxi, tais como: Shell; Union Carbide; Dow Chemical e a Reicholds Chemical.

Os agentes de cura ou endurecedores formam um extenso grupo de produtos, que reagindo

com as resinas epóxi, lhe propiciam determinadas características, tais como: dureza,

resistência a impacto, rapidez na reação, exotermia, brilho, elasticidade, entre outros.

Existem três métodos através dos quais as resinas epóxi são fabricadas comercialmente:

1. Dehidrohalogenação da cloridrina obtida pela reação da epicloridrina com adequado

Di ou Polihidroxi ou qualquer outra molécula contendo hidrogênios ativos.

2. Reação de olefinas com compostos contendo oxigênio, tais como peróxidos e

perácidos.

3. Dehidrohalogenação de cloridrinas obtidas por outros mecanismos diferentes do

primeiro.

Em 1927, Mr Schade cita, nos Estados Unidos, a primeira tentativa comercial de

preparação de resinas epóxi através da epicloridrina. Entretanto o mérito dos materiais

primeiramente designados como resina epóxi, àqueles derivados de Epicloridrina e Bisfenol

A, é dividido entre o Dr. Pierre Castan da Suíça e o Dr. S.O. Greenlee dos EUA.

xxx

Em 1936, o Dr. Castan produziu uma resina de baixo ponto de amolecimento, com cor

âmbar, a qual foi reagida com anidrido ftálico para produzir um composto termofixo. Dr.

Castan trabalhando para "De Trey Freres” da Suíça, previu o uso das resinas líquidas para a

fabricação de dentaduras e artigos moldados. Os seus desenvolvimentos foram

subseqüentemente patenteados pela Ciba-Geigy.

Em 1939, o Dr. Greenlee, nos EUA, trabalhando para "Devoé-Raynolds" pesquisou a

síntese entre o Bisfenol A e Epicloridrina para a produção de resinas para "casting", as quais

não continham ligações éster sensíveis à soda caustica.

Existem atualmente quatro tipos principais de resinas epóxi comercializados, (SILAEX,

2008):

� Resinas epóxi à base de Bisfenol A: são as mais utilizadas, pois são versáteis e de

menor custo, proveniente da reação de Epicloridrina e Bisfenol A, podem ser líquidas,

semi-sólidas ou sólidas dependo do peso molecular, (Figura 06);

� Resinas epóxi à base de Bisfenol F e/ou Novolac: a troca do Bisfenol A pelo Bisfenol

F proporciona às resinas epóxi maior cruzamento de ligações e melhor desempenho

mecânico, químico e térmico, principalmente quando curado com aminas aromáticas

ou anidridos, (Figura 08);

Figura 08 – Molécula da resina epóxi à base de Bisfenol F e/ou Novolac.

Fonte: SILAEX

� Resinas epóxi Bromadas: são resinas à base de Epicloridrina, Bisfenol A e

Tetrabromobisfenol A, com essas quatro moléculas adicionais de bromo, confere às

resinas a característica de auto-extinguível, (Figura 09);

xxxi

Figura 9 – Molécula da resina epóxi bromada.

Fonte: SILAEX

� Resinas epóxi flexíveis: são resinas que possuem longas cadeias lineares substituindo

os bisfenóis por poliglicóis pouco ramificados. Possuem baixa reatividade, e

normalmente são utilizadas como flexibilizantes reativos em outras resinas

melhorando a resistência a impacto com acréscimo da flexibilidade, (Figura 10);

Figura 10 – Molécula da resina epóxi flexível.

Fonte: SILAEX

Os sistemas epóxi são usados na formulação de tintas protetivas de alto desempenho

para manutenção industrial, revestimento de alta resistência química, alta aderência, excelente

resistência à abrasão, tintas marítimas, isolamento elétrico (baixa; média; alta tensão),

adesivos diversos, brindes, laminados, pisos, ferramentaria, movimentação de cargas

químicas, modelação, construção civil, bijuterias, entre outros.

Dependendo da finalidade a que se destinam as formulações do teor de resina epóxi e do

teor do agente de cura, variam muito, sendo necessário consultar na literatura do produto a

relação de mistura entre os dois componentes.

Após a cura total, a resina com catalisador formam um produto termofixo, ou seja, um

produto irrecuperável, que não pode ser reciclável.

xxxii

Quando adicionamos o endurecedor na resina, observa-se uma reação exotérmica, que

oscila de acordo com o tamanho da peça. Para reduzir a reação exotérmica da massa de resina,

podem-se adicionar materiais de enchimento de origem mineral (cargas), possibilitando assim

a produção de peças maiores (SILAEX, 2008).

Os materiais de enchimento, cargas podem ser na forma de pós, grãos, tecidos e fibras.

� Pós: Carbonato de cálcio, aerosil, pó de alumínio, pó de ferro, pó de quartzo, calcita,

talco.

� Grãos: Grãos de alumínio, grãos de quartzo.

� Tecidos: Tecido de vidro, de carbono, híbrido (carbono + vidro), tecido kevlar (marca

registrada Dupont).

� Fibrosos: Mechas de algodão, roving - 6 mm (fibra de vidro picada), véu de superfície.

O uso de cargas minerais proporciona um menor coeficiente de dilatação térmica e um

maior módulo de elasticidade, porém reduz o alongamento na ruptura, reduz a contração e a

reação exotérmica durante a cura, melhora a condutibilidade térmica e diminui os custos de

produção.

xxxiii

CAPÍTULO 3

MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Materiais

Os materiais utilizados para o desenvolvimento deste trabalho foram:

� Resina Epóxi SQ 2001;

� Endurecedor SQ 3131;

� Endurecedor SQ 3181.

Resina Epóxi SQ 2001

Resina epóxi básica líquida, mostrada na Figura 11, da Silaex® Química. Essa resina é

formada pela reação entre a Epicloridrina e o Bisfenol A, podendo ser utilizada com vários

tipos de endurecedores resultando uma ampla gama de velocidades de cura, durezas,

flexibilidade e propriedades físico-químicas e elétricas. Sua fórmula estrutural é mostrada na

Figura 6 da seção 2.7.

xxxiv

Figura 11 – Resina Epóxi SQ 2001.

Esta resina tem uma larga aplicação na indústria, são utilizadas em adesivos,

encapsulamentos, laminados reforçados com fibras, ferramentaria, colagem e recuperação de

alvenaria e concreto, pisos industriais e decorativos, em artesanato e confecção de protótipos.

Na Tabela 3.1, são resumidas as propriedades típicas da resina epóxi SQ 2001.

Tabela 3.1 – Propriedades da Resina Epóxi SQ 2001

Propriedades Típicas da Resina Epóxi SQ 2001

Aparência Líquido incolor viscoso

Viscosidade (cPs, 20 ºC) 11000 a 14000

Peso Específico (g/cm³, 20 ºC) 1,16 ± 0,01

Peso epóxi equivalente (EEW*) 182 a 192

*peso equivalente em epóxi

Endurecedor SQ 3131

É um endurecedor à base de poliamina modificado, também fornecido pela Silaex®

Química, Figura 12. Esse produto promove uma boa resistência térmica, química e mecânica

com baixa exotermia, possuindo boa solubilização na resina, desde que não se varie muito a

xxxv

proporção indicada pelo fabricante, permitindo uma cura homogênea com boa velocidade e

propriedades finais bastante controláveis.

Figura 12 – Endurecedor SQ 3131

Na Tabela 3.2, são resumidas as propriedades típicas do endurecedor SQ 3131.

Tabela 3.2 – Propriedades do Endurecedor SQ 3131

Propriedades Típicas do Endurecedor SQ 3131

Aparência Líquido âmbar

Viscosidade (cPs, 20 ºC) 3000 ± 1000


Esse sistema epoxídico, com cura a frio, foi desenvolvido para atender às necessidades

de colagem, reparos de emergência e revestimentos em plástico reforçado em espessuras

inferiores a 3 mm por vez, metais, cimento, concreto ou fibrocimento. Também pode ser

utilizado na fabricação de peças ou onde se necessita de um material com baixo escorrimento

em laminações e com uma boa resistência química e mecânica.

Entre as suas vantagens tem-se: facilidade de processamento; contração mínima, não

libera subprodutos; excelentes propriedades dielétricas com alta isolação; resistência química

elevada, especialmente ao intemperismo e umidade; estabilidade aos ciclos térmicos, impactos

e ações mecânicas; boa adesão, alta dureza e resistência à abrasão; fácil impregnação na

aplicação em laminação.

xxxvi

Endurecedor SQ 3181

É um endurecedor à base de anidrido modificado, da Silaex® Química, mostrado na

Figura 13. Promove uma melhor resistência térmica, química e mecânica com baixa

exotermia, possuindo uma boa solubilização na resina com proporções não críticas,

permitindo uma cura homogênea com boa velocidade e propriedades finais bastante

controláveis.

Figura 13 – Endurecedor SQ 3181

Na Tabela 3.3, tem-se as propriedades do endurecedor SQ 3181.

Tabela 3.3 – Propriedades do Endurecedor SQ 3181

Propriedades Típicas do Endurecedor SQ 3181

Aparência Líquido âmbar

Viscosidade (cPs, 20 ºC) 200 a 400


Esse sistema epoxídico foi especialmente desenvolvido para atender às necessidades de

impregnação, preenchimento e revestimentos em plástico reforçado em sistemas de cura a

quente.

xxxvii

Entre as suas vantagens estão: facilidade de processamento; contração mínima. não

libera subprodutos; excelentes propriedades dielétricas com alta isolação; resistência química

elevada, especialmente ao intemperismo e umidade; estabilidade aos ciclos térmicos,

impactos e ações mecânicas; boa adesão, alta dureza e resistência à abrasão; fácil impregnação

na aplicação em laminação.

3.2 Fabricação dos moldes para a fabricação dos corpos de prova

Para o desenvolvimento deste estudo, primeiramente, foi necessária a construção de um

molde especifico mostrado na Figura 14 (seus desenhos encontram-se no Anexo 01). Este

molde foi construído com materiais de baixo custo, tais como:

� 1 barra chata de alumínio;

� Cantoneira de alumínio em L;

� Cantoneira de alumínio em U;

� 10 Parafusos de cabeça redonda com fenda M4;

� 10 Porcas sextavadas M4;

� 10 arruelas M4;

Figura 14 – Concepção do molde.

38

O molde foi concebido para ser construído fazendo uso apenas de uma máquina de

furar, serras manuais, limas e um esmeril. Para a construção deste, utilizou-se a Oficina

Mecânica da Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica – UAEM, da Universidade Federal

de Campina Grande – UFCG, para furar a barra chata, como mostrado na Figura 15, para que

fosse possível a montagem do molde.

Figura 15 – Construção do molde, abertura dos furos.

Na Figura 16 está representado o molde (a) desmontado e (b) montado.

(a) (b)

Figura 16 – Molde (a) desmontado e (b) montado.

39

3.3 Fabricação dos corpos de prova

Neste trabalho foram avaliados materiais poliméricos de resina epóxi, com cura a frio e a

quente. Na cura a frio foram propostas quatro formulações diferentes. Na cura a quente

utilizou-se a formulação que o fabricante recomenda.

Fabricação dos corpos de prova de resina a frio

Para a fabricação dos corpos de prova para a cura a frio, utilizou-se resina epóxi básica

líquida, SQ 2001, e endurecedor SQ 3131.

Para a cura a frio foram propostas quatro formulações, mostradas na Tabela 3.4, nela

estão as proporções em massa para a fabricação do corpo de prova (os cálculos estão no

Anexo 2).

Tabela 3.4 – Formulações para o sistema com cura a frio

RESINA SQ 2001 ENDURECEDOR SQ 3131

10% 52,2 g 5,5 g

20%* 46,4 g 11,0 g

27% 42,34 g 14,85 g

30% 40,6 g 16,5 g

*Recomendada pelo fabricante

Fabricação dos corpos de prova de resina a quente

Para a fabricação dos corpos de prova para a cura a quente, utilizou-se resina epóxi

básica líquida, SQ 2001, e endurecedor SQ 3181.

Para a cura a quente seguiu-se a proposta do fabricante, onde a proporção de mistura

entre a resina e o endurecedor é de 100:80, respectivamente. Assim sendo, tem-se uma

formulação com 44,44% de endurecedor, mostrada na Tabela 3.5 (os cálculos estão no Anexo

02).

40

Tabela 3.5 – Formulação para o sistema com cura a quente

RESINA SQ 2001 ENDURECEDOR SQ 3181

CQ* 32,2248 g 26,8862 g

*CQ – Cura a Quente (recomendada pelo fabricante)

A Figura 17 apresenta os equipamentos e materiais utilizados para a fabricação dos

corpos de prova. Utilizou-se uma balança analítica, Figura 17 – (a) com precisão de 4 casas

decimais, copos descartáveis; um agitador mecânico, um becker e um suporte universal,

Figura 17 – (b); e o desmoldante, Figura 17- (c).

(a) (b) (c)

Figura 17 – (a) Balança analítica, (b) Montagem do agitador, becker e suporte universal. (b)

Desmoldante Polidesmo 13

A balança analítica e os copos descartáveis foram utilizados para pesar os materiais

líquidos, tais como, resina e endurecedores. O agitador mecânico, o becker e o suporte

universal, foram utilizados para promover a homogeneização da resina e a mistura da resina

com o endurecedor. E o desmoldante, foi utilizado para facilitar a desmoldagem das amostras

do molde.

Pesou-se em balança analítica, as proporções referentes a cada formulação de resina e

endurecedor. A resina epóxi foi então uniformizada com o auxilio de um agitador mecânico e

41

um Becker, tal agitador estava fixado num suporte universal, e após um período de 5 minutos,

foi adicionado o endurecedor, agitando-se então a resina com o endurecedor por um período

de 2 minutos. Após a mistura feita, passou-se um líquido desmoldante a base de silicone,

Polidesmo 13, que possui resistência térmica de 400 ºC, fornecido pela Silaex® Química

LTDA., no molde, e, o líquido resultante da mistura resina/endurecedor foi vertido no molde.

Para obter os corpos de prova, fez-se a montagem do molde, com o auxilio de uma chave

de fenda e uma chave de boca (na cura a quente foi colocado um tipo especial de cola

resistente à temperatura. A cola foi aplicada onde ocorria o contato mecânico entre as

esquadrias e a barra chata, ambas de alumínio, a fim de evitar o problema de vazamentos).

O molde foi cuidadosamente colocado em um local plano, onde para realizar esta

nivelação utilizaram-se calços, e esta nivelação foi aferida com um nível de bolha. Passou-se

desmoldante no molde e somente depois disto é que o sistema epoxídico foi vertido no molde.

Nos casos da cura a frio, Figura 18 – a, esperou-se a cura total por um período de 72

horas a uma temperatura de 20ºC. No caso da cura a quente, Figura 18 – b, após vertida a

mistura resina/endurecedor, o molde foi colocado em um forno elétrico, associado a este um

controlador de temperatura, onde a cura foi realizada por um período de 7 horas a uma

temperatura de 130°C. O forno elétrico foi nivelado pela sua base, com o auxilio de calços.

(a) (b)

Figura 18 – (a) Cura a Frio. (b) Cura a Quente

Após os sistemas curados desmontou-se o molde e as amostras foram retiradas, e

cortadas para os tamanhos padrões das analises.

42

3.4 Ensaio de flexão de três pontos

Os ensaios de flexão dos sistemas curados foi realizado em uma máquina universal

Instron® modelo 5582, seguindo a norma ASTM D-790. Os dados foram obtidos pelo

software Bluehill, onde se variou a temperatura, com o auxilio de uma estufa acoplada a

própria máquina de ensaio, com preciso controle da temperatura, da temperatura ambiente, até

temperaturas em que não se fosse mais possível a medição com precisão dos respectivos

valores da resistência à Flexão. Utilizou-se um “Spam” (distância entre os apoios) de 64 mm,

uma velocidade de penetração de 1,7 mm/min e uma razão de flexão de 1,5 mm/mm. Na

Figura 19, pode-se ver a (a) máquina universal Instron® modelo 5582, e (b) um corpo de

prova montado para o ensaio de flexão. Os corpos de prova têm dimensões de 140x25x4mm.

(a) (b)

Figura 19 – (a) Equipamento Instron® modelo 5582. (b) Corpo de prova submetido ao ensaio

de flexão.

43

3.5 Ensaio dinâmico-mecânico (DMA)

Neste trabalho utilizou-se a técnica de DMA, que permite avaliar o módulo complexo e

seus componentes (armazenamento e perda), bem como a região de transição vítrea. A análise

DMA, é uma das quatro técnicas de análise térmica para obtenção de propriedades térmicas e

mecânicas de materiais isotrópicos e compósitos. O equipamento utilizado para os ensaios,

consiste de um oscilador instrumentado, que se move em relação ao porta-amostra e usa um

motor de passo para determinar a posição da amostra. Na amostra pode ser aplicada uma força

estática e uma força dinâmica. A força estática impede o deslocamento livre da amostra

quando da aplicação da força dinâmica, que realmente será utilizada para medir as

propriedades viscoelásticas. A norma ASTM D4092 define alguns termos normalmente

usados pela técnica DMA e considera que a temperatura de transição vítrea (Tg) é

aproximadamente o ponto médio da faixa de temperatura na qual ocorre esta transição. A

norma ASTM E1640, que trata da medição da Tg pela técnica DMA, indica como sendo Tg o

ponto extrapolado do decaimento acentuado do módulo de armazenamento, com a variação da

temperatura, marcado pela transição entre a região vítrea e de transição vítrea Portanto, até

numa mesma norma o assunto Tg é controverso e depende do interesse específico em questão.

Quando se deseja saber onde é a região de transição vítrea, a Tg pelo ponto médio é

interessante, porém quando se deseja conhecer o limite de utilização de um material na região

vítrea, talvez seja mais interessante determinar a Tg no início da transição vítrea. (SILVA,

LIMA, FARIA e ROSSI, 2006)

Análises dinâmico-mecânicas das resinas curadas foram realizadas em modo freqüência

no equipamento DMA (modelo Q 800 – TA Instruments), usando o clamp single cantilever

com freqüência de 1 Hz e taxa de aquecimento de 5°C/min. O módulo de armazenamento

(E’), o módulo de perda (E’’) e o tan δ (E’’/E’) das amostras (35 × 10 × 3,5 mm) foram

analisados da temperatura ambiente (aproximadamente 25ºC) a 200°C. O DMA foi utilizado

para determinar a temperatura de transição vítrea (Tg), considerando os picos do módulo de

perda e tan δ, alem de fornecer dados para a observação do comportamento viscoelástico dos

sistemas curados. Na Figura 20 pode-se ver o (a) equipamento DMA, e (b) clamp para ensaio

com a amostra.

44

(a) (b)

Figura 20 – (a) Equipamento DMA. (b) Clamp para ensaio com amostra.

A priori, para o desenvolvimento desta análise dínamo mecânico dos sistemas

epoxídicos, tentou-se realizar um ensaio de flexão em três pontos, porém os resultados obtidos

não foram os esperados, o que pode ter sido ocasionado pela amostra não estar engastada,

estando solta sobre o clamp. Para solucionar este problema utilizou-se o método com o clamp

single cantilever ou o clamp dual cantilever assim como as dimensões dos corpos de prova de

35 × 10 × 3,5 mm, como também os parâmetros de ensaio. (PEREIRA, RODRIGUES,

BARCIA, SOARES, et. al. 2006).

Na Tabela 3.6, são mostrados os tipos dos ensaios realizados e a quantidade de corpos de

prova fabricados para cada tipo de ensaio.

Tabela 3.6 – Tipos de Ensaios e quantidade de corpos de provas produzidos para cada ensaio.

Amostra DMA Flexão

Cura a Frio 10% Endurecedor 1 2




Cura a Quente 1 2

45

CAPÍTULO 4

RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Resultado da analise térmica dínamo-mecânica – DMA

Sistema Epoxídico com Cura a Frio

Para o sistema epoxídico com cura a frio, foram analisadas 4 formulações diferentes, em

proporção de resina/endurecedor, de modo a determinar a temperatura de transição vítrea das

amostras, alem de observar o comportamento viscoelástico das mesmas. Na Figura 21, estão

apresentadas as curvas dinâmico-mecânicas com o módulo de armazenamento (E’) e tan δ

(E’’/E’), para as seguintes formulações: (a) 10% de endurecedor, (b) 20% de endurecedor, (c)

27% de endurecedor e (d) 30% de endurecedor. Onde o valor da temperatura de transição

vítrea (Tg) foi determinado pelo software do DMA, e estão mostrados na Figura 22 para as

respectivas formulações: (a) 10% de endurecedor, (b) 20% de endurecedor, (c) 27% de

endurecedor e (d) 30% de endurecedor .

46

(a)

(b)

47

(c)

(d)

Figura 21 – Curvas dinâmico-mecânicas com o módulo de armazenamento (E’) e tan delta

(E’’/E’) para o sistema com cura a frio, (a) 10% de endurecedor, (b) 20% de endurecedor, (c)

27% de endurecedor e (d) 30% de endurecedor.

48

(a)

(b)

Documents

Estudo Das des Termicas e Mecanicas de Diferentes Formulacoes Resina Epoxi Para Uso Em SMA