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ESTUDO DO COMPORTAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE COMPÓSITOS

POLIMÉRICOS PULTRUDADOS REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO

SOB DIFERENTESCONDIÇÕES AMBIENTAIS

CAROLINA MATTEDI CÓ

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO

CAMPOS DOS GOYTACAZES

JULHO - 2011

ii

ESTUDO DO COMPORTAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS PULTRUDADOS REFORÇADOS COM

FIBRA DE VIDRO SOB DIFERENTESCONDIÇÕES AMBIENTAIS


“Dissertação de mestrado

apresentada ao Centro de Ciência e

Tecnologia, da Universidade Estadual do

Norte Fluminense Darcy Ribeiro, como

parte das exigências para obtenção do

título de Mestre em Engenharia Civil.”

Orientador: Prof. Guilherme Chagas Cordeiro

Campos dos Goytacazes

Julho - 2011

iii

ESTUDO DO COMPORTAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE

COMPÓSITOS POLIMÉRICOS PULTRUDADOS REFORÇADOS COM

FIBRA DE VIDRO SOB DIFERENTESCONDIÇÕES AMBIENTAIS


“Dissertação de mestrado

apresentada ao Centro de Ciência e

Tecnologia, da Universidade Estadual do

Norte Fluminense Darcy Ribeiro, como

parte das exigências para obtenção do

título de Mestre em Engenharia Civil.”

Aprovado em 15 de julho de 2011.

Comissão Examinadora:

Prof. José Roberto Moraes D'Almeida (PUC-Rio), D.Sc.

Profa. Janine Domingos Vieira (UFF), D.Sc.

Prof. Marcelo Filgueira (UENF), D.Sc.

Prof. Guilherme Chagas Cordeiro (UENF), D.Sc. – Orientado

iv

AAggrraaddeecciimmeennttooss

Agradeço a Deus por me iluminar e guiar meus caminhos e sempre ter

colocado pessoas maravilhosas na minha vida.

Aos meus pais Márcia e Sérgio e ao meu irmão, Gabriel, pelo constante

carinho, amor e incentivo durante todo período de minha graduação e pós-

graduação.

Aos meus familiares (avós, tias, tio e primos) por todo carinho, em especial a

tia Valéria por sempre me hospedar na sua casa.

Ao Diego, pelo constante amor, carinho, paciência, incentivo, dedicação e

apoio, principalmente nas horas mais difíceis.

Ao professor Guilherme Chagas Cordeiro, meu orientador, por sua amizade,

paciência, grande ajuda e compreensão.

À professora Janine Vieira pela contribuição e empenho para que este

trabalho fosse concluído da melhor forma possível.

Aos técnicos e funcionários que foram de grande importância para o

desenvolvimento do programa experimental: Milton, José Renato, André, Wallace,

Vanuza, Jô e Phelipe, do Laboratório de Engenharia Civil da UENF; Carlan e

Luciana, do Laboratório de Materiais Avançados da UENF, Robson, do Programa de

Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE/UFRJ; e João, do Laboratório de

Estruturas da COPPE/UFRJ.

Ao Laboratório de Produtos Florestais (LPF/ IBAMA), em cooperação com a

Universidade de Brasília (UnB), principalmente ao professor José Arlete e à Patrícia.

Aos meus amigos de Campos: Ana Bia, Carol, Davi, Fabio, Felipinho,

Fernando, Gabriel, Gabriel Mello, Gaúcho, Iolanda, Jair, Josimar, Marconi, Meline,

Noelço, Sérgio Raphael, Sérgio, Thaís, Wagner.

À Marcella e ao Mateus, minha família em Campos, pela amizade,

compreensão, apoio em todos os momentos que precisei.

Aos professores da UFV, José Luiz, Gustavo Veríssimo e Márcio Sampaio,

por todo apoio e conselhos para o ingresso na pós-graduação.

Aos amigos de Viçosa, que mesmo distante, sempre me ajudaram.

À FAPERJ e à UENF pelo suporte financeiro.

Por fim, a todos àqueles que, de forma direta ou indireta, participaram para

tornar esta dissertação possível.

v

RReessuummoo

O estudo do comportamento estrutural de compósitos poliméricos e da

degradação dos mesmos é imprescindível para que se possa avaliar o desempenho

desses materiais quando expostos a diferentes condições ambientais. O presente

trabalho propõe um programa experimental para verificar alterações em

propriedades físico-mecânicas, como variação de massa, resistência à tração e

mudança de cor, de compósitos pultrudados (matrizes éster vinílica e fenólica)

submetidos a três diferentes ambientes de degradação. A primeira condição

consistiu de ciclos contínuos de exposição à radiação ultravioleta (UV) seguida de

condensação. No segundo ambiente, os corpos-de-prova foram expostos a névoa

salina com temperatura constante de 40°C. Por fim, os compósitos foram mantidos

em soluções alcalinas com temperatura constante de 40 °C. Os resultados indicaram

que os compósitos submetidos à exposição aos ciclos de UV/condensação

apresentaram uma pequena variação de massa e mudanças cromáticas

consideráveis para os dois compósitos. Neste caso, entretanto, não foram

observadas variações expressivas nas propriedades mecânicas de ambos os

compósitos. A exposição em névoa salina não acarretou variação significante de

massa, de cor e de resistência mecânica para os compósitos éster vinílico e fenólico

quando comparados com os de referência. Por fim, os corpos de prova mantidos em

solução alcalina apresentaram redução considerável de resistência e ganho de

massa, principalmente o fenólico, e suas cores originais foram expressivamente

alteradas.

vi

AAbbssttrraacctt

The study of the structural behavior of polymer composites and their

degradation is essential to evaluate the performance of these materials when

exposed to different environmental conditions. This study proposes an experimental

program to verify changes in physical-mechanical properties such as mass change,

tensile strength and color change of pultruded composites (vinyl ester and phenolic

matrices) submitted to tree different degradation environments. The first condition

consisted of the continuous cycles of exposure to ultraviolet radiation followed by

water condensation. In the second environment the specimens were exposed to salt

spray at a constant temperature of 40°C. Finally, the composites were exposed to

alkaline solution at a constant temperature of 40°C. The results indicated that the

composites were submitted to continuous cycles of exposure to UV / condensation

showed a small mass variation and considerable color changes for the two

composites. In this case, however, there were no significant variations in the

mechanical properties of both. The exposure to salt spray showed no significant

variation of mass, color and strength for the vinyl ester and phenolic composites

when compared with the reference. Finally, the specimens immersed in the alkaline

solution showed considerable reduction of strength and mass gains mainly phenolic,

and their original colors were changed significantly.

vii

ÍÍnnddiiccee

1. INTRODUÇÃO .................................................................................. 1

1.1. Justificativa ................................................................................. 6

1.2. Motivação ................................................................................... 6

1.3. Objetivos .................................................................................... 8

1.4. Organização do Trabalho ........................................................... 8

2. MATERIAIS COMPÓSITOS ............................................................. 9

2.1. Considerações Gerais sobre Materiais Compósitos .................. 9

2.2. Matriz ....................................................................................... 11

2.3. Reforços para Compósitos ....................................................... 14

2.4. Processo de Fabricação de Compósitos .................................. 17

2.5. Degradação de Compósitos ..................................................... 18

2.6. Ligações em Compósitos ......................................................... 23

2.6.1. Estudos de Ligações em Compósitos ................................... 25

3. PROGRAMA EXPERIMENTAL ...................................................... 27

3.1. Materiais................................................................................... 27

3.1.1. Compósitos Poliméricos ....................................................... 27

3.1.2. Reagentes Químicos ............................................................ 29

3.2. Metodologia de Ensaios ........................................................... 31

3.2.1. Caracterização das Matrizes ................................................ 31

3.2.2. Caracterização da Fibra de Vidro ......................................... 32

3.2.3. Caracterização dos Compósitos ........................................... 33

3.2.4. Ambientes de Exposição ...................................................... 47

4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ............... 55

4.1. Caracterização das Matrizes .................................................... 55

viii

4.2. Caracterização da Fibra de Vidro ............................................. 57

4.3. Caracterização dos Compósitos de Referência ....................... 60

4.3.1. Avaliação dos Compósitos Expostos a Ciclos de Radiação

Ultravioleta- Condensação ............................................................................. 65

4.3.2. Avaliação dos Compósitos Expostos em Névoa Salina ........ 74

4.3.3. Avaliação dos Compósitos Expostos em Solução Alcalina... 83

5. CONCLUSÃO ................................................................................. 97

ix

LLiissttaa ddee FFiigguurraass

Capítulo 1

Figura 1.1. Perfis retos, barras, tubos de geometria variada (DURA COMPOSITE,

2011). .......................................................................................................................... 2

Figura 1.2. Passarela Pontresina, Suíça, 1997 (TEIXEIRA, 2007). ............................. 3

Figura 1.3. Passarela Kolding, Dinamarca, 1997 (FIBERLINE, 2011). ....................... 3

Figura 1.4 - Passarela em Lleida, Espanha, 2001 (CORREIA et al. 2006). ................ 4

Figura 1.5 - Aplicações de perfis pultrudados em plataformas industriais, como (a)

grade de piso; (b) guarda corpo (COGUMELO, 2009). ............................................... 5

Figura 1.6. Plataforma off-shore na Bacia de Campos (PETROBRAS, 2011). ........... 7

Capítulo 2

Figura 2.1. Classificação dos materiais compósitos. Adaptado de Daniel e Isha

(1994). ....................................................................................................................... 10

Figura 2.2. Tipos de matrizes utilizadas em materiais compósitos: (a) cimentícia, (b)

metálicas (SCIENCE 20, 2011); (c) cerâmicas (GLENN RESEARCH CENTER,

2011); e (d) poliméricas (INTERGLOBAL, 2011). ..................................................... 12

Figura 2.3. Estrutura molecular de resinas (a) éster vinílica e (b) fenólica (LEVY

NETO e PARDINI, 2006). .......................................................................................... 14

Figura 2.4. Alguns tipos de fibras utilizados como reforço: (a) sisal, (b) boro, (c)

kevlar, (d) carbono; (e) fibra de vidro em fio contínuo e; (f) manta de fibra de vidro

(LEVY NETO e PARDINI, 2006). .............................................................................. 15

Figura 2.5. Processo de pultrusão para obtenção de perfis de compósitos

poliméricos reforçado com fibras de vidro (COMPOSITE BUILDING STRUCTURE,

2010). ........................................................................................................................ 18

Figura 2.6. Perfis compósitos de diferentes formas e cores (COGUMELO, 2010). ... 18

Capítulo 3

Figura 3.1. Perfis pultrudados reforçados com fibra de vidro: (a) retangulares e; (b)

tipo cantoneira. .......................................................................................................... 28

Figura 3.2. Fotos das (a) fibras de vidro e da (b) manta de vidro. ............................. 29

x

Figura 3.3. Equipamentos: (a) picnômetro a gás (Hélio) e (b) equipamento de

Tg/DSC do Laboratório de Estruturas da COPPE/UFRJ. .......................................... 32

Figura 3.4: (a) Máquina universal de ensaios Shimadzu; (b) molde de papel para

realização do ensaio; e (c) detalhe dos cortes feito no molde de papel. ................... 33

Figura 3.5. Microscópio eletrônico de varredura (MEV) do LAMAV/UENF................ 33

Figura 3.6. (a) Determinação da massa do cadinho Pesagem do cadinho, (b), da

amostra e (c) a amostra pronta para a queima. ........................................................ 34

Figura 3.7. Confecção dos corpos-de-prova pela central de usinagem .................... 35

Figura 3.8. (a) Vista em planta e (b) lateral dos corpos de prova (medidas em mm).

.................................................................................................................................. 35

Figura 3.9. (a) Máquina universal de ensaios EMIC do PEMM/COPPE e (b) detalhe

do extensômetro utilizado.......................................................................................... 36

Figura 3.10. Modos de ruptura de ligações sob esforços de tensão, (a) tração; (b)

esmagamento; (c) cisalhamento; e (d) clivagem de acordo com Cooper e Turvey

(1995). ....................................................................................................................... 37

Figura 3.11. Geometria da peça de ligação para realização do ensaio à tração. ...... 37

Figura 3.12. Corpos de provas isoftálicos com diâmetros variados (10, 15 e 19 mm)

após de ensaio de tração .......................................................................................... 38

Figura 3.13. Vistas (a) em planta e (b) lateral do aparato de aço utilizado nos ensaios

de tração dos elementos de ligação e (c) vista lateral do pino metálico de ligação do

aparato com o corpo de prova. Medidas em mm. ..................................................... 39

Figura 3.14. Foto do aparato de aço utilizados nos ensaios de tração dos elementos

de ligação. ................................................................................................................. 39

Figura 3.15. (a) Máquina universal de ensaios; e (b) detalhe do aparato de aço

utilizado para realizar o ensaio. ................................................................................. 40

Figura 3.16. Diagrama de força atuante no pino durante o ensaio de tração. ........... 40

Figura 3.17. (a) Equipamento utilizado para fazer os furos nos corpos de prova; (b)

detalhe de como foi realizado o furo e (c) corpo de prova pronto para ensaio. ......... 42

Figura 3.18. Sistema CIE La*b*: (a) sólido de cores; e (b) corte central (CAMARGOS

e GONÇALEZ, 2001)................................................................................................. 44

Figura 3.19. Diferença de cores no Sistema CIE La*b* de 1976 (CAMARGOS e

GONÇALEZ, 2001). .................................................................................................. 45

Figura 3.20. Espectrofotocolorímetro Coloreye XTH do Laboratório de Tecnologia do

Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília. ....................... 46

xi

Figura 3.21. Sistema acelerado de envelhecimento para não metálicos com radiação

ultravioleta “B”/condensação do LECIV/UENF. ......................................................... 49

Figura 3.22. (a) Posicionamento e (b) detalhe dos corpos de prova no sistema

acelerado de envelhecimento. ................................................................................... 50

Figura 3.23. Câmara para teste de corrosão salt spray do LAMAV/UENF. ............... 51

Figura 3.24. Detalhe da disposição dos corpos de prova na câmara salina.............. 51

Figura 3.25. (a) Os corpos de prova dispostos no recipiente contendo solução

alcalina; e (b) Controle do pH. ................................................................................... 53

Figura 3.26. Monitoramento da temperatura da estufa com multímetro. ................... 53

Capítulo 4

Figura 4.1.Análise termogravimétrica (TG) da resina éster vinílica. .......................... 56

Figura 4.2. Análise de calorimetria diferencial exploratória (DSC) da resina éster

vinílica. ...................................................................................................................... 56

Figura 4.3. Análise termogravimétrica (TG) de resina fenólica. ................................. 57

Figura 4.4. Análise de calorimetria diferencial exploratória (DSC) da resina fenólica.

.................................................................................................................................. 57

Figura 4.5. Curva tensão de tração versus deformação da fibra de vidro estudada. 58

Figura 4.6. Morfologia das fibras: (a) vista lateral da fibra com seu respectivo

diâmetro; (b) aspecto de um conjunto de fibras; (c) vista superior das fibras e (d)

detalhe da extremidade de uma fibra. As imagens foram obtidas por MEV. ............. 59

Figura 4.7. Fotomicrografias em MEV que mostram a morfologia da manta: (a)

aspectos da forma da manta; (b) detalhes das fibras que compõem a manta. ......... 60

Figura 4.8. Curvas tensão versus deformação dos compósitos éster vinílico e

fenólico. ..................................................................................................................... 61

Figura 4.9. Curvas típicas força versus deslocamento em ensaios à tração nos

elementos de ligação dos compósitos estudados. .................................................... 62

Figura 4.10. Compósito éster vinílico (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.

.................................................................................................................................. 62

Figura 4.11. Compósito fenólico (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura. ...... 63

Figura 4.12. Fotomicrografias em MEV: (a) superfície do compósito éster vinílico de

referência, (b) superfície do compósito fenólico de referência, (c) fibra do compósito

éster vinílico de referência, (d) fibra do compósito fenólico de referência, (e) modo de

xii

ruptura por tração do compósito éster vinílico e (f) modo de ruptura por compressão

do compósito fenólico. ............................................................................................... 64

Figura 4.13. Variação de massa dos compósitos éster vinílico e fenólico durante o

período de exposição na câmara UV/condensação. ................................................. 65

Figura 4.14. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de

referência e submetidos aos ciclos UV/condensação. .............................................. 66

Figura 4.15. Curvas força versus deslocamento dos elementos de ligação dos

compósitos éster vinílicos de referência e expostos na câmara UV/condensação

ensaiados à tração. ................................................................................................... 67

Figura 4.16. Compósitos éster vinílicos expostos em ambientes UV/condenação

após 320 ciclos: (a) rompido por tração e (b) detalhe do modo de ruptura e após 480

ciclos: (c) rompido por esmagamento e (d) detalhe do modo de ruptura. ................. 67

Figura 4.17. Curvas força versus deslocamento de ensaio à tração nos elementos de

ligação dos compósitos fenólico de referência e expostos em ambiente

UV/condensação. ...................................................................................................... 68

Figura 4.18. Compósito fenólico exposto em ambientes UV/condenação após 320

ciclos: (a) rompido por esmagamento e (b) detalhe do modo de ruptura .................. 68

Figura 4.19. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos (a)

éster vinílicos e (b) fenólicos de referência e os expostos em câmara

UV/condensação. ...................................................................................................... 69

Figura 4.20. Reflectância das cores dos compósitos éster vinílicos em função do

comprimento de onda. ............................................................................................... 70

Figura 4.21. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílico de referência, (b) éster

vinílico após 460 ciclos exposto na câmara de UV/condensação. ............................ 71

Figura 4.22. Reflectância das cores dos compósitos fenólicos em função do


Figura 4.23. Fotos dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após

460 ciclos exposto na câmara de UV/condensação. ................................................. 72

Figura 4.24. Variação total da cor (∆E*) dos compósitos éster vinílicos e fenólicos

após exposição UV/condensação por 160, 320 e 480 ciclos. ................................... 73

Figura 4.25. Superfície dos compósitos (a) éster vinílico, (b) fenólico após 480 ciclos

na câmara UV/condensação e fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos (c)

éster vinílico e (d) fenólico expostos a raios UV/condensação.................................. 74

xiii

Figura 4.26. Variação de massa dos compósitos éster vinílico e fenólicos durante o

período de exposição na câmara de névoa salina. ................................................... 75


referência e expostos em ambiente salino. ............................................................... 76

Figura 4.28. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos

de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência e submetidos à névoa salina.

.................................................................................................................................. 77

Figura 4.29. Compósito éster vinílico após 24 ciclos na câmara de névoa salina (a)

rompido e (b) detalhe do modo de ruptura. ............................................................... 77


de ligação dos compósitos fenólico de referência e submetidos à névoa salina. ...... 78

Figura 4.31. Compósito fenólico após 24 ciclos na câmara de névoa salina (a)


Figura 4.32. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos de

referência e condicionados em câmara de névoa salina: (a) éster vinílicos e (b)

fenólicos. ................................................................................................................... 79



Figura 4.34. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílico de referência e (b) éster

vinílico após 24 ciclos de exposição em névoa salina. .............................................. 80



Figura 4.36. Foto dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após

24 ciclos de exposição em névoa salina. .................................................................. 81


condicionados em câmara de névoa salina por 8,16 e 24 ciclos. .............................. 82

Figura 4.38. Superfície dos compósitos após exposição em ambiente salino (a) éster

vinílico, (b) fenólico, fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos após

expostos em névoa salina (c) éster vinílico e (d) fenólico. ........................................ 83

Figura 4.39. Valores de ganho de massa dos corpos de prova versus raiz quadrada

do tempo de exposição em solução alcalina. ............................................................ 84

Figura 4.40. Delaminação dos corpos de prova após exposição em ambiente

alcalino: (a) largura e (b) espessura. ......................................................................... 85

xiv


referência e expostos em ambiente alcalino. ............................................................ 86


de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência e imersos em solução

alcalina. ..................................................................................................................... 87

Figura 4.43. Compósito éster vinílico após 120 dias em imersão em solução alcalina

(a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura. .......................................................... 87


de ligação dos compósitos fenólico de referência e imersos em solução alcalina. ... 88

Figura 4.45. Compósito fenólico após 120 dias em imersão em solução alcalina: (a)


Figura 4.46. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos de

referência e os imersos em solução alcalina: (a) éster vinílicos e (b) fenólicos. ....... 89

Figura 4.47. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílicos de referência e (b) éster

vinílicos após 120 dias em solução alcalina. ............................................................. 90



Figura 4.49. Fotos dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após

120 dias em solução alcalina. ................................................................................... 91




imersos em solução alcalina após 60, 90 e 120 dias. ............................................... 92

Figura 4.52. Superfície dos compósitos (a) éster vinílico e (b) fenólico após imersão

em solução alcalina e de fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos (c) éster

vinílico e (d) fenólico após imersão em solução alcalina. .......................................... 93

Figura 4.53. Curvas força versus deslocamento de ensaio à tração nos elementos de

ligação dos compósitos éster vinílicos de referência, imersos em solução alcalina e

em estufa a 40°C. ...................................................................................................... 94


de ligação dos compósitos fenólicos de referência, imersos em solução alcalina e em

estufa a 40°C. ............................................................................................................ 95

xv

Figura 4.55. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos (a)

éster vinílicos e (b) fenólicos de referência, dos imersos em solução alcalina e dos

mantidos em estufa a 40°C. ...................................................................................... 96

xvi

LLiissttaa ddee TTaabbeellaass

Capítulo 2

Tabela 2.1. Propriedades mecânicas das matrizes, segundo o Eurocomp (VIEIRA,

2008). ........................................................................................................................ 13

Tabela 2.2. Propriedades típicas de fibras (BENTUR e MINDESS, 1990). ............... 15

Tabela 2.3. Composição química aproximada de tipos de fibras de vidro (% em

massa) – CHAWLA (1987). ....................................................................................... 16

Tabela 2.4. Propriedades dos tipos de fibras de vidro utilizadas como reforço em

compósitos (LEVY NETO e PARDINI, 2006). ........................................................... 17

Capítulo 3

Tabela 3.1. Especificações do cloreto de sódio ........................................................ 29

Tabela 3.2. Especificações do hidróxido de sódio. .................................................... 30

Tabela 3.3. Especificações do hidróxido de potássio. ............................................... 30

Tabela 3.4. Especificações do hidróxido de cálcio. ................................................... 31

Tabela 3.5. Nomenclatura e classificação dos aços estruturais disponível no

mercado (VILABOL, 2010). ....................................................................................... 41

Tabela 3.6. Nomenclatura dos compósitos utilizados neste trabalho. ....................... 48

Capítulo 4

Tabela 4.1. Valores médios de massa específica das matrizes éster vinílica e

fenólica. ..................................................................................................................... 55

Tabela 4.2. Valores de fração mássica de fibra de vidro e de massa específica média

dos compósitos éster vinílicos e fenólicos. Os valores de desvio padrão de cada

resultado estão indicados entre parênteses. ............................................................. 60

Tabela 4.3. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos

compósitos de referência. Os valores de entre parênteses representam o desvio-

padrão. ...................................................................................................................... 61

Tabela 4.4. Valores da força máxima nas juntas de ligação e o desvio padrão. ....... 62


compósitos submetidos aos ciclos de UV/condensação. Os valores entre parênteses

representam o desvio-padrão. ................................................................................... 66

xvii

Tabela 4.6. Parâmetros colorimétricos dos compósitos éster vinílicos e fenólicos

antes e após exposição em câmara de UV/condensação, conforme o sistema

CIELAB 1976. ............................................................................................................ 73


compósitos expostos em ambiente salino. Os valores entre parênteses representam

o desvio-padrão. ........................................................................................................ 76


antes e após em névoa salina, conforme o sistema CIELAB 1976. .......................... 82


compósitos expostos em ambiente alcalino. Os valores entre parênteses

representam o desvio-padrão. ................................................................................... 85


antes e após degradação em solução alcalina, conforme o sistema CIELAB 1976. . 92

xviii

LLiissttaa ddee SSíímmbboollooss ee AAbbrreevviiaattuurraass

AA – Exposição ao ambiente alcalino;

Ab – Área efetiva do pino

Dcal – Diâmetro calculado do pino

DSC – Calorimetria exploratória diferencial

E – Módulo de elasticidade secante

Ei – Espessura inicial do corpo de prova.

Ester – Compósito éster vinílico;

Et – Espessura do corpo de prova seco no tempo t;

Ev – Variação percentual da espessura;

F – Máxima força de tração adotada

Fenol – Compósito fenólico;

fub – Resistência à ruptura do material do pino metálico

Li – Largura inicial do corpo de prova.

Lt – Largura do corpo de prova seco no tempo t;

Lv – Variação percentual da largura

MEV – Microscopia eletrônica de varredura

Mi – Massa inicial do corpo de prova

Mt – Massa seca do corpo de prova no tempo t;

Mv – Variação percentual de massa

NS – Exposição ao ambiente de névoa salina;

REF – Compósito de referência;

TC – Exposição ao ambiente de temperatura constante

UV – Raio ultravioleta

TG – Análise termogravimétrica

xix

UV – Exposição ao ambiente de UV/condensação;

Δa* – Variação das coordenadas cromáticas no eixo x

Δb* – Variação das coordenadas cromáticas no eixo y

∆E* – Variação total da cor

ΔL* – Variação da luminosidade

ε1 – Deformação correspondente à tensão σ1

ε2 – Deformação correspondente à tensão σ2

σ1 – Tensão correspondente à 10% da tensão máxima

σ2 – Tensão correspondente à 40% da tensão máxima

Υa2 – Valor do coeficiente de ponderação da resistência

1

CCaappííttuulloo 11

11.. IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO

Atualmente, na Engenharia Civil tem-se buscado o desenvolvimento de

novos materiais e novas concepções estruturais em face de obras cada vez mais

arrojadas. É nesse cenário que surgem os materiais compósitos com matrizes

poliméricas reforçadas com fibras. Pesquisas atuais mostram que estes materiais

apresentam baixo peso específico, baixa condutividade elétrica (isolante) e alta

resistência à corrosão quando comparados ao aço, por exemplo, além de

propriedades mecânicas adequadas ao uso na Engenharia (CHAWLA, 1987).

Desde a década de 60, os materiais compósitos de alto desempenho foram

incorporados à indústria aeroespacial. A utilização do carbono como reforço permitiu

que houvesse uma redução significativa do peso das aeronaves, assim como

melhorias nas resistências à corrosão e à fadiga. Durante décadas, o uso desse

material ficou restrito a alguns setores industriais devido ao seu alto custo. Na

construção civil, a utilização desses materiais consistia, basicamente, de reparos de

pontes e edificações. No entanto, com o desenvolvimento de novos processos de

fabricação do material uma maior produtividade foi alcançada, o que possibilitou a

produção de compósitos de excelente qualidade a custos competitivos (REZENDE e

BOTELHO, 2000).

A competitividade de preço de materiais compósitos no mercado da

construção civil está associada, principalmente, ao seu processo de fabricação, que

corresponde de 50 a 60% do custo total. Desta forma, o processo de fabricação é

considerado uma das etapas mais importantes na produção de materiais

compósitos. Dentre os diferentes processos de produção se destaca a pultrusão,

que é um processo produtivo contínuo e altamente automatizado (LEVY NETO e

PARDINI, 2006). Além disso, o consumo de energia utilizada na produção de perfis

pultrudados é baixo, aproximadamente 25% menor em comparação com os perfis

estruturais de aço (FIBERLINE, 2011). O processo de pultrusão ocorre por meio da

2

impregnação do reforço com resina que, em seguida, passa através de um molde

aquecido, na forma da seção desejada. Esse processo permitiu o uso de compósitos

poliméricos em diversos setores industriais como, por exemplo, em artefatos

esportivos como tacos de basebol, de hóquei, varas de pescar, esqui, pesças de

bicicletas, além de perfis pultrudados, que podem ser obtidos com geometrias

bastante variadas (LEVY NETO e PARDINI, 2006), como barras, tubos e perfis

retos, exemplificados na Figura 1.1, dentre outros (DURA COMPOSITE, 2011).

Figura 1.1. Perfis retos, barras, tubos de geometria variada (DURA COMPOSITE, 2011).

Os compósitos quando utilizados para fins estruturais têm vantagens de

combinar propriedades mecânicas que normalmente não são encontrados

individualmente nos materiais convencionais da engenharia, além da possibilidade

de ser especificados e concebidos para um determinado tipo de carga. Isso implica

no aumento do emprego de perfis compósitos em áreas onde há predominância por

materiais metálicos e à base de cimento Portland, como é o caso da Construção

Civil (VIEIRA, 2008). Existem vários projetos estruturais em andamento, ou já

elaborados em materiais compósitos. Os tipos de projetos mais comuns são aqueles

nos quais os compósitos substituem os materiais convencionais (aço, concreto),

mantendo-se a concepção estrutural inicial. Entretanto, nos dias atuais é crescente o

número de projetos concebidos de modo a aproveitar melhor as propriedades dos

materiais compósitos (TEIXEIRA, 2007).

As Figura 1.2, 1.3 e 1.4 mostram passarelas construídas com materiais

compósitos nos elementos estruturais principais na Suíça, Dinamarca e Espanha,

3

respectivamente. As superestruturas foram projetadas com vigas retas e treliçadas

cujos seus perfis foram moldados através do processo de pultrusão. Os perfis de

compósitos adotados foram semelhantes aos usualmente utilizados em estruturas

de aço, e os tipos de ligações adotadas foram parafusados para maioria das

superestruturas, com exceção a ponte de Pontresina (Figura 1.3), que utilizou

ligações coladas (TEIXEIRA, 2007). A opção da construção das passarelas em

perfis compósitos ocorreu pelas suas características, pois esses materiais

apresentam excelente resistência aos ciclos gelo/degelo, comuns na Europa, e

também à corrosão no ambiente marinho da região. Além disso, a rapidez e a

facilidade de execução foram outros aspectos considerados na escolha do material

(FIBERLINE, 2011).

Figura 1.2. Passarela Pontresina, Suíça, 1997 (TEIXEIRA, 2007).

Figura 1.3. Passarela Kolding, Dinamarca, 1997 (FIBERLINE, 2011).

4

Figura 1.4 - Passarela em Lleida, Espanha, 2001 (CORREIA et al. 2006).

Ao contrário dos países europeus e dos Estados Unidos, onde se têm uma

utilização intensa de perfis compósitos, no Brasil, ainda observa-se um uso pequeno

desse material. O emprego desses perfis é observado principalmente em estruturas

secundárias, como grades de pisos, guarda-corpos, dutos e escadas de incêndio.

Entretanto, há uma expectativa da utilização desses perfis em estruturas principais

como passarelas de pedestres, pontes, estruturas de telecomunicações e edifícios

em virtude de suas propriedades (VIEIRA, 2008). A Figura 1.5 mostra a aplicação de

perfis compósitos em guarda corpo e em grade de pisos, no Brasil.

5

(a)

(b)

Figura 1.5 - Aplicações de perfis pultrudados em plataformas industriais, como (a) grade de piso; (b) guarda corpo (COGUMELO, 2009).

Paradoxalmente a todas as vantagens citadas anteriormente, um dos fatores

que retarda a aceitação generalizada de perfis de compósitos na Engenharia Civil é

a falta de garantia sobre sua durabilidade, principalmente quando expostos em

ambientes agressivos, como exposição a raios ultravioleta (UV), imersão em água,

exposição a ambientes salinos, entre outros (CORREIA et al., 2006). Segundo

D‟Almeida et al. (2008), algumas propriedades dos materiais poliméricos podem

sofrer alterações quando sujeitos a imersão em água. Os autores destacam que este

ambiente pode permitir que a matriz polimérica sofra plastificação, que ocorra a

redução da temperatura de transição vítrea da resina e que a resistência da interface

fibra-matriz seja reduzida. Segundo Correia et al. (2006), a exposição a raios UV

pode causar variação de cor, brilho e massa, além de redução nas propriedades

Guarda

Corpo

Grade

de piso

Grade de

Piso

Guarda

Corpo

6

mecânicas. Ainda neste sentido, Dejke (2001) destaca que misturas alcalinas podem

degradar perfis compósitos, devido à ação dos hidróxidos e da lixiviação. Por isso, é

importante avaliar o desempenho e a durabilidade de estruturas de compósitos

pultrudados em longo prazo sob ambientes de degradação, a fim de mensurar o

limite de utilização deste material.

11..11.. JJuussttiiffiiccaattiivvaa

Diante da fundamentação apresentada é de extrema importância um estudo

de durabilidade dos materiais compósitos expostos às intempéries, para analisar sua

integridade por longos períodos de exposição, pois suas propriedades podem ser

afetadas, em particular devido períodos de imersão em soluções aquosas, à

exposição UV, condensação e a ambiente salino. A escolha das resinas utilizadas

neste trabalho ocorreu pela sua grande aplicação no mercado nacional. Observou-

se, ainda, uma carência nos estudos em juntas de ligações parafusadas, que é um

ponto merecedor de atenção de qualquer estrutura, pois é onde há concentração de

tensão, devido aos furos. Além disso, os furos podem permitir a entrada de umidade

e outros agentes químicos se não forem bem vedados, causando a degradação do

material.

11..22.. MMoottiivvaaççããoo

Os materiais compósitos apresentam um histórico muito interessante, visto

que a sua utilização tem crescido bastante ultimamente. No entanto, ainda são

necessários estudos adicionais para aprimorar o conhecimento sobre o desempenho

destes materiais ao longo de sua vida útil, principalmente quando expostos a

intempérie por um amplo período de tempo.

No Brasil, os perfis compósitos são utilizados, principalmente, em estruturas

oceânicas e em instalações industriais em geral, onde a corrosão ataca os materiais

metálicos. A escolha de materiais compósitos para esses determinados ambientes

ocorre devido às suas propriedades, que já foram citadas anteriormente. Porém, há

alguns desafios, no qual os esses perfis devem atender algumas exigências severas

de resistência à propagação de chama, limitação da emissão de fumaça e de gases

tóxicos, e de resistência às intempéries. Para qualificação de produtos estruturais,

recentemente, foram criadas normas técnicas pela Associação Brasileira de Normas

7

Técnicas (ABNT) para indústria do petróleo e gás natural em perfis pultrudados

como, por exemplo: NBR 15708-1 (2011), que estabelece os requisitos dos

materiais, métodos de ensaio, tolerâncias dimensionais; NBR 15708-2 (2011) para

utilização de compósitos em guarda-corpos; NBR 15708-3 (2011) para grades de

piso em compósitos; e NBR 15708-4 (2011) para o sistema de bandejamento

(ABMACO, 2009).

A Bacia de Campos, que é considerada a maior reserva petrolífera da

plataforma continental brasileira, tem cerca de 100 mil quilômetros quadrados. A

exploração de petróleo na Bacia de Campos tem crescido muito nos últimos anos,

sendo, atualmente, responsável por mais de 80% da produção nacional de petróleo.

A Petrobrás é a maior responsável pela exploração de óleo na Bacia de Campos,

possui e 55 campos, que se dividem em plataformas fixas, semi-submersíveis e os

navios adaptados (PETROBRAS, 2011). A Figura 1.6 mostra uma plataforma da

Bacia de Campos.

Figura 1.6. Plataforma off-shore na Bacia de Campos (PETROBRAS, 2011).

Com o avanço da extração de petróleo, há uma tendência de aumento no

número de plataformas, levando a um possível crescimento do uso de perfis

pultrudados. Além disso, há também o crescente emprego de compósitos, como

elementos estruturais, em plantas industriais. Portanto, cresce também a

preocupação do comportamento destes materiais perante a ação das intempéries,

como por exemplo, ação de ambientes salinos, ácidos e alcalinos, de radiação

ultravioleta (UV) e de ambientes com umidade e temperatura elevadas. Diante

desses problemas surgiu a motivação de se realizar um estudo de degradação nos

perfis compósitos, considerando tais exposições ambientais.

8

11..33.. OObbjjeettiivvooss

Com base no que foi apresentado, este trabalho tem como objetivo geral o

estudo do comportamento físico e mecânico de compósitos pultrudados,

confeccionados com diferentes tipos de resinas (éster vinílica e fenólica) reforçadas

com fibra de vidro (E-glass), expostos em diferentes condições ambientais: câmara

de radiação UV/condensação, câmara de névoa salina e solução alcalina.

Como objetivos específicos do programa experimental que foi desenvolvido,

pode-se destacar: (i) avaliação da resistência mecânica dos compósitos, através de

ensaios à tração e carga de ruptura das juntas de ligação, que representam a parte

mais suscetível a problemas em uma estrutura submetida a condições de

carregamento e ambientais severas; (ii) avaliação microestrutural dos compósitos

submetidos aos ambientes de degradação com análise de microscopia; (iii)

avaliação da variação de cor dos compósitos ao longo do tempo de exposição aos

diferentes ambientes com ensaios de espectrofotometria.

11..44.. OOrrggaanniizzaaççããoo ddoo TTrraabbaallhhoo

No capítulo 2 deste trabalho está apresentada uma revisão bibliográfica

sobre materiais compósitos, matrizes e fibras. Também estão descritos alguns

processos de fabricação, com ênfase no processo de pultrusão, além de estudos de

degradação com compósitos pultrudados. Segue uma apresentação de conceitos

importantes de ligações estruturais, com ênfase nos tipos de ligações existentes,

mostrando as vantagens e desvantagens de cada uma delas e trabalhos em juntas

de ligações realizados em perfis compósitos.

O capítulo 3 apresenta todos os materiais utilizados na pesquisa, incluindo

os perfis utilizados para a confecção dos corpos de prova. Além disso, estão

descritos os métodos de ensaios aplicados no presente estudo.

No capítulo 4 estão apresentados os resultados dos ensaios experimentais e

as análises realizadas nas matrizes, nas fibras e nos compósitos antes e após o

período de degradação, que são confrontados entre si.

O capítulo 5 apresenta as conclusões obtidas e sugestões para trabalhos

futuros.

O trabalho contém, ainda, no capítulo 6 todas as referências bibliográficas

citadas no texto.

9


22.. MMAATTEERRIIAAIISS CCOOMMPPÓÓSSIITTOOSS

Este capítulo apresenta uma revisão bibliográfica sobre os principais temas

relacionados com este trabalho, tais como: considerações gerais sobre materiais

compósitos, matrizes, reforços, processos de fabricação, degradação de compósitos

e juntas de ligações em material compósitos.

22..11.. CCoonnssiiddeerraaççõõeess GGeerraaiiss ssoobbrree MMaatteerriiaaiiss CCoommppóóssiittooss

Os materiais compósitos são definidos, a nível macroscópico, como a

combinação de no mínimo duas fases, denominadas matriz e reforço. Essas fases,

quando combinadas, apresentam desempenho e propriedades mecânicas

superiores ao efeito de cada componente individualmente. O compósito, em uma

classificação generalizada, pode ser dividido em dois grupos: natural e sintético.

Dentre estes, deve-se enfatizar os sintéticos, pois são os materiais estudados na

presente pesquisa. Dentre os compósitos sintéticos, eles ainda podem ter outras

classificações, dependendo do tipo de material a ser utilizado. Por exemplo, os

compósitos podem ter os seguintes tipos de matrizes: pastas, argamassas ou

concretos a base de cimento Portland, polímeros termoplásticos e termorrígidos,

metais ou cerâmicas; e os reforços podem ser formados por carbono, aramida, boro,

aço, alumínio e, mais frequentemente, por de fibras de vidro (BANK, 2006).

Compósitos podem ser divididos em duas fases, as quais são classificadas

em três categorias dependendo do tipo, geometria e orientação do reforço. A Figura

2.1 mostra uma classificação dos tipos de materiais compósitos, adaptada de Daniel

e Isha (1994). Neste caso, compósito particulado consiste de partículas de vários

tamanhos e formas aleatoriamente dispersar dentro da matriz. Essas partículas

podem ser metálicas ou não-metálicas em combinações com matrizes também

metálicas e não-metálicas.

10

O compósito descontínuo contém fibras pequenas e descontínuas, porém,

quando comparadas com o tamanho do diâmetro das mesmas, podem ser

consideradas longas. Suas fibras podem ter dois tipos de orientação: todas voltadas

para a mesma direção (compósito unidirecional com fibras descontínuas) ou

orientação aleatória (compósito com fibras randômicas descontínuas).

Os compósitos de fibras contínuas são reforçados com fibras longas e

contínuas e são mais eficientes quando se considera a rigidez e resistência do

material. As fibras contínuas podem ser posicionadas todas em paralelo (compósito

unidirecional com fibras de vidro); ou formando ângulos retos umas com as outras

(compósito com fibras bidirecionais contínuas); ou, ainda, podem ser orientadas em

várias direções (compósito com fibras multidirecionais contínuas), de acordo com

Daniel e Isha (1994).

Figura 2.1. Classificação dos materiais compósitos. Adaptado de Daniel e Isha (1994).

A fim de garantir um bom desempenho ao compósito, alguns fatores devem

ser considerados. Um destes fatores é observado ao se combinar um dado arranjo

de fibras com uma matriz, isto é, a combinação fibra-matriz influencia

significativamente nas propriedades físicas, químicas e mecânicas dos compósitos,

garantindo características e propriedades únicas.

11

Outro fator importante no desempenho do compósito é a fração volumétrica

(ou mássica) de fibras que é, responsável pelas suas características mecânicas. No

entanto, é bom ressaltar que as propriedades finais do produto não dependem

somente das frações volumétricas e dos constituintes, mas também da interação

entre eles (aderência fibra-matriz) e de todo o processo de fabricação, capacitação e

conhecimento da mão-de-obra operacional, projeto do produto, matérias primas,

maquinário, dentre outros (ABMACO, 2010).

22..22.. MMaattrriizz

As principais funções da matriz consistem em proteger o reforço e garantir

seu posicionamento e sua orientação, permitindo que os esforços atuantes sejam

transferidos para os reforços. De fato, a matriz protege o reforço contra abrasão e

ataque ambiental e permite uma maior flexibilidade e amortecimento para o material,

fazendo com que este tenha uma menor amplitude de vibração mecânica (BANK,

2006).

Como citado anteriormente, as matrizes utilizadas em compósitos podem ser

cimentícias, metálicas, cerâmicas ou poliméricas (Figura 2.2). Dentre estas, a mais

utilizada é a matriz polimérica. Isso ocorre pelo fato de que esta matriz apresenta um

custo menor quando comparada a outros tipos de matrizes e tem fácil processo de

fabricação, apesar de possuir uma resistência inferior se comparada a matrizes

metálicas e cerâmicas (LEVY NETO e PARDINI, 2006).

As matrizes poliméricas podem ser classificadas como termoplásticas ou

termorrígidas. A principal diferença entre elas é a sensibilidade de suas

propriedades mecânicas quando submetidas a dadas pressões e temperaturas. As

matrizes termoplásticas podem “amolecer” quando submetidas a altas temperaturas

e pressão, e quando resfriadas retornam a sua rigidez inicial. Outra questão

importante é o fato de materiais termoplásticos serem recicláveis a partir dos

rejeitos. Isto ocorre pelo fato de se remodelarem quando submetidos a uma

combinação de pressão e temperatura. Exemplos destes tipos de polímeros são:

polietileno, polipropileno e nylon (CHAWLA, 1987). Por outro lado, as matrizes

poliméricas termorrígidas não podem ser re-processadas. Para esse tipo de

polímero a elevação da temperatura por um tempo prolongado e contínuo levará a

degradação do material antes que o mesmo modifique suas propriedades

12

mecânicas. Por isso, as matrizes poliméricas termorrígidas são materiais de difícil

reciclagem após terem adquirido seu formato final. Exemplos desse tipo de material

são poliésteres, resinas epóxi e fenólicas (TITA, 2006).

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 2.2. Tipos de matrizes utilizadas em materiais compósitos: (a) cimentícia, (b) metálicas (SCIENCE 20, 2011); (c) cerâmicas (GLENN RESEARCH CENTER,

2011); e (d) poliméricas (INTERGLOBAL, 2011).

Os polímeros termorrígidos respondem por cerca de dois terços do mercado

de materiais compósitos e, consequentemente, representam a principal classe de

polímeros para matrizes de compósitos (MAHIEUX, 2006). Entre os termorrígidos

destacam-se as resinas poliésteres que são preferencialmente reforçadas com fibras

de vidro, devido ao seu baixo custo e uma maior facilidade de sua produção.

Algumas dessas resinas são: ortoftálica, isoftálica e teraftálica. Dentre estas, a

resina isoftálica, que apresenta boas propriedades mecânicas, químicas e térmicas,

poder ser destacada (LEVY NETO e PARDINI, 2006).

13

Outra resina bastante utilizada é a fenólica, que apresenta um alto

desempenho quando exposta a altas temperaturas, isto é, conserva suas

propriedades em caso de incêndio, por exemplo. Além disso, a resina fenólica

apresenta menor refração quando comparada com as resinas poliésteres.

A resina epóxi também muito utilizada por apresentar alta resistência à

umidade e a altas temperaturas, boa adesão com as fibras de vidro e baixa retração,

quando comparada com as resinas poliéster e éster vinílicas. O processo de cura da

resina epóxi pode ocorrer em temperatura ambiente ou em temperaturas elevadas

(VIEIRA, 2008).

Por fim, tem-se a resina éster vinílica derivada do componente da resina

epóxi. O compósito fabricado com resinas éster vinílicas tem, em geral um

desempenho melhor que as resinas poliéster isoftálicas, pois apresenta uma maior

resistência mecânica quando exposto a altas temperaturas. Além disso, a resina

éster vinílica possui uma boa resistência a ataques químicos e é um material de alta

dureza (VIEIRA, 2008). A seguir, na Tabela 2.1, estão apresentadas algumas

propriedades mecânicas importantes das resinas citadas anteriormente.

Tabela 2.1. Propriedades mecânicas das matrizes, segundo o Eurocomp (VIEIRA, 2008).

Propriedades

Resinas

Poliéster

Isoftálica Éster vinílica Fenólica

Resistência à tração

(MPa) 55 – 65 68 – 82 24 – 40

Módulo de elasticidade

na tração (GPa) 3,7 – 4,1 3,5 1,5 – 2,5

Resistência a flexão

(MPa) 100 – 125 125 – 131 60 – 80


na flexão (GPa) 3,7 – –

Alongamento na ruptura

(%) 1,5 – 2,5 3 – 6 1,8

A Figura 2.3 apresenta a estrutura química das resinas utilizadas nos dois

principais tipos de compósitos empregados neste trabalho: resina éster vinílica (a) e

resina fenólica (b).

14

(a)

(b)

Figura 2.3. Estrutura molecular de resinas (a) éster vinílica e (b) fenólica (LEVY NETO e PARDINI, 2006).

22..33.. RReeffoorrççooss ppaarraa CCoommppóóssiittooss

Os reforços utilizados, em materiais compósitos têm a finalidade aumentar

sua resistência ao impacto, à tração e à flexão, ou seja, aumentar a resistência

mecânica do material. Eles podem ser encontrados, basicamente, em duas formas:

fibras ou partículas. Os reforços em fibras são os mais frequentemente encontrados.

As fibras podem ser naturais como, por exemplo, algodão, linho, juta e sisal, ou

sintéticas, como boro, aço, aramida, carbono, vidro, entre outras (LEVY NETO e

PARDINI, 2006). A Figura 2.4 mostra alguns tipos de reforços citados.

15

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 2.4. Alguns tipos de fibras utilizados como reforço: (a) sisal, (b) boro, (c) kevlar, (d) carbono; (e) fibra de vidro em fio contínuo e; (f) manta de fibra de vidro

(LEVY NETO e PARDINI, 2006).

Na Tabela 2.2 estão listadas as propriedade típicas de algumas fibras mais

utilizadas em materiais compósitos.

Tabela 2.2. Propriedades típicas de fibras (BENTUR e MINDESS, 1990).

Fibra

Massa

específica

(g/cm³)

Módulo de

elasticidade

(GPa)

Resistência à

tração (GPa)

Alongamento

(%)

Aço 7,84 200 0,5-2,0 0,5-3,5

Vidro 2,60 70-80 2-4 2-3,5

Amianto - Crocidolita 3,4 196 3,5 2,0-3,0

Polipropileno fibrilada 0,9 5-77 0,5-0,75 8,0

Aramida (Kevlar) 1,45 65-133 3,6 2,1-4,0

Carbono 1,90 230 2,6 1,0

Nylon 1,1 4,0 0,9 13,0-15,0

Celulose 1,2 10 0,3-0,5 -

Acrílico 1,18 14-19,5 0,4-1,0 3

Polietileno 0,95 0,3 0,7x10-3 10

Fibra de madeira 1,5 71,0 0,9 -

Sisal 1,50 - 0,8 3,0

16

Dentre os tipos de reforços citados anteriormente, o mais usado em

compósitos poliméricos é a fibra de vidro. Isto ocorre pelo fato de a fibra de vidro

proporcionar baixo custo, alta resistência, alta rigidez e baixa densidade. Pode-se

encontrar uma variedade de fibras de vidro no mercado, apenas variando a

porcentagem de seus componentes como, por exemplo, E-glass, C-glass e S-glass

(CHAWLA, 1987), cada uma possuindo características diferentes, que estão

descritas a seguir:

E-glass – bom isolante elétrico, além de possuir uma boa resistência e um

razoável módulo de elasticidade;

C-glass – apresenta maior resistência à corrosão química;

S-glass – é capaz de resistir a temperaturas mais altas do que outros vidros.

A Tabela 2.3 mostra a diferença em termos de composição química entre as

três fibras de vidro citadas anteriormente.

Tabela 2.3. Composição química aproximada de tipos de fibras de vidro (% em massa) – CHAWLA (1987).

Composto E-glass C-glass S-glass

SiO2

Al2O2

CaO

MgO

Na2O

K2O

B2O3

55,2

8,0

18,7

4,6

0,3

0,2

7,3

65,0

4,0

14,0

3,0

8,5

–

5,0

65,0

25,0

–

10,0

0,3

–

–

As fibras de vidro, por apresentarem alta resistência mecânica e baixo custo,

são bastante utilizadas em compósitos. Entretanto, na maioria das vezes, são

aplicadas em estruturas secundárias de baixo a médio desempenho. Essa limitação

em aplicação de compósitos com fibras de vidro na construção civil ocorre devido à

rigidez relativamente baixa, baixa resistência à fadiga e rápida degradação de suas

propriedades quando expostas em condições ambientais severas (DANIEL e ISHAI,

1994). As fibras de vidro sofrem um processo de degradação geralmente lento em

solução aquosa neutra, porém quando acrescentado soluções ácidas ou alcalinas o

processo se torna extremamente rápido (MAHIEUX, 2006), por isso precisam ser

bem protegidas pelas resinas. A Tabela 2.4 mostra algumas propriedades

mecânicas das fibras de vidro.

17

Tabela 2.4. Propriedades dos tipos de fibras de vidro utilizadas como reforço em compósitos (LEVY NETO e PARDINI, 2006).

Característica E-glass S-glass C-glass

Massa específica (g/cm³) 2,54 2,55 2,70

Módulo de elasticidade (GPa) 70 86 75

Resistência à tração (MPa) 2,40 2,80 1,70

22..44.. PPrroocceessssoo ddee FFaabbrriiccaaççããoo ddee CCoommppóóssiittooss

Os processos de moldagem dos perfis de compósitos podem ser manuais ou

automatizados. A escolha adequada do processo é determinada, basicamente, pelas

matrizes e reforços a serem utilizados, além da forma geométrica do perfil que se

pretende obter (LEVY NETO e PARDINI, 2006). A produção de materiais compósitos

poliméricos tem um custo relativamente menor se comparado aos compósitos com

matrizes metálicas e cerâmicas. Essa diferença se deve ao fato de as matrizes

poliméricas não necessitarem de altas pressões na moldagem e apresentarem

temperaturas menores quando comparadas aos outros processos de fabricação

(TITA, 2007). Dentre os métodos existentes para a produção de materiais

compósitos fibrosos, especialmente os de matriz polimérica, se destaca o processo

de pultrusão, que apresenta melhores resultados em termos industriais (LEVY NETO

e PARDINI, 2006).

A pultrusão é um mecanismo automatizado e contínuo, cujos rolos de fibras

contínuas são impregnadas por uma resina termofixa, a qual se pretende utilizar. Os

reforços impregnados dirigem-se às cavidades do molde aquecido, passando por

reações químicas para acelerar o processo de cura. A resina sofre polimerização e

adquire em conjunto com reforço, a forma desejada. O perfil endurecido é tracionado

(“puxado”) em um processo contínuo e um dispositivo de corte dimensiona o

comprimento dos perfis, que é limitado apenas pelo transporte (LEVY NETO e

PARDINI, 2006). A Figura 2.5 mostra o esquema do processo de pultrusão.

18

Figura 2.5. Processo de pultrusão para obtenção de perfis de compósitos poliméricos reforçado com fibras de vidro (COMPOSITE BUILDING STRUCTURE,

2010).

Os materiais compósitos pultrudados podem ser aplicados para diversas

finalidades por apresentarem uma variedade de materiais que os compõem. Essa

diversificação vai além dos tamanhos e geometria diferenciados, pois os compósitos

podem ser produzidos com cores, tamanhos e propriedades específicas para a

aplicação desejada (ABMACO, 2009). A Figura 2.6 mostra compósitos pultrudados

com diferentes seções e cores.

Figura 2.6. Perfis compósitos de diferentes formas e cores (COGUMELO, 2010).

22..55.. DDeeggrraaddaaççããoo ddee CCoommppóóssiittooss

O interesse pelo estudo da degradação de compósitos poliméricos é

recente. Um dos primeiros trabalhos a tratar deste tema foi apresentado por Liao et

al. (1999), que investigaram as propriedades de flexão (resistência e módulo de

elasticidade) de compósitos pultrudados reforçados com fibra de vidro com matriz

éster vinílica expostos a diferentes condições ambientais. Os ambientes de

19

degradação estudados foram imersão em água à 25°C e 75°C e imersão em solução

salina com duas concentrações de NaCl, 5% e 10%. Os autores notaram que os

corpos de prova se degradaram, ou seja, houve redução da resistência à flexão e do

módulo de elasticidade. No entanto, os autores também observaram que a

concentração de sal pareceu não afetar as propriedades mecânicas de uma forma

notável.

Cunha (2004) avaliou o efeito combinado do condicionamento higrotérmico

(em câmara de climatização) e o condicionamento em névoa salina (em câmara de

salt spray) com a temperatura nos compósitos poliméricos de fibra de carbono com

matriz de resina epóxi. O autor observou possíveis mudanças na sua resistência

mecânica por meio de ensaios de cisalhamento interlaminar, resistência à

compressão, resistência à tração transversal e longitudinal, em temperaturas

ambiente (22C) e elevada (82C). A pesquisa concluiu que os compósitos

condicionados em câmara de climatização obtiveram um ganho de massa maior do

que os condicionados em névoa salina e que a matriz polimérica de epóxi foi mais

afetada em altas temperaturas.

O objetivo principal do estudo conduzido por Miyano et al. (2004) foi

desenvolver uma nova metodologia para efetuar um teste acelerado de degradação

física em perfis pultrudados de compósitos de matriz éster vinílica reforçada com

fibra de vidro. Foram utilizadas elevadas temperaturas e diferentes condições de

carga para acelerar o mecanismo de degradação. A metodologia proposta consistiu

de efeitos combinados do tempo e da temperatura sobre a resistência e a vida útil de

compósitos poliméricos. Isso pode ser confirmado após a caracterização dos

compósitos laminados através dos resultados de ensaios de resistência à fadiga e à

flexão, que diminuiram muito com o aumento do tempo e da temperatura, assim

como o número de ciclos de carga até a ruptura.

Kim et al. (2006) estudaram, em um curto período de tempo, a durabilidade

de um compósito de matriz éster vinílica reforçada com fibra de vidro exposto em

seis diferentes condições ambientais. A principal finalidade foi verificar a influência

que a degradação dos perfis de compósitos pultrudados pode ter na resistência à

tração dos mesmos. Os corpos de provas foram expostos a diferentes ambientes de

degradação, como imersão em água deionizada à 20°C e à 80°C, solução alcalina à

20°C e à 80°C, solução salina, ciclo de molhagem e secagem, exposição a

temperatura de 60°C e solução para simular a ação de degelo. A fim de avaliar a

20

degradação das amostras foi medido o ganho de massa no tempo e a microestrutura

dos compósitos foi investigada por microscopia eletrônica de varredura. Também,

foram realizados ensaios de resistência à tração nas amostras. Os resultados

mostraram que a redução na resistência à tração foi significativa devido à

degradação dos perfis de compósitos pultrudados sob as condições ambientais

consideradas. Dentre os ambientes de degradação utilizados na pesquisa, o

ambiente alcalino proporcionou a maior redução na resistência à tração após 150

dias de exposição.

Correia et al. (2006) apresentaram os resultados de uma pesquisa sobre

alterações físicas, químicas, mecânicas e estéticas sofridas em perfis pultrudados de

matriz polimérica isoftálica reforçada com fibra de vidro com ensaios de

envelhecimento acelerado. Os perfis foram submetidos a quatro diferentes

exposições ambientais: câmara de imersão em água, câmara de condensação,

aceleração dos efeitos do tempo através do equipamento de radiação ultravioleta

(UV) e degradação acelerada em arco de xenônio. Os parâmetros avaliados foram:

mudança de massa, absorção de água, resistência à tração e à flexão, cor e brilho.

As alterações químicas foram investigadas por espectroscopia de infravermelho.

Consideráveis mudanças cromáticas foram observadas, principalmente devido à

radiação UV. Embora tenha sido observada redução nas propriedades mecânicas,

em particular na imersão e na câmara de condensação, os testes revelaram que os

compósitos isoftálicos foram duráveis, independente das condições de exposição.

Chen et al. (2007) avaliaram a durabilidade de polímeros reforçados com

fibras de vidro e de aço, que foram expostos em 5 diferentes soluções: água, dois

tipos de solução alcalina, solução salina e combinação de solução alcalina com íons

de cloreto. Foram usadas temperaturas elevadas (40 a 60 °C) para acelerar o

envelhecimento. Além disso, na pesquisa ciclos de molhagem e secagem, e

congelamento e descongelamento foram combinados com algumas soluções para

simular os efeitos de ligação do material em condições de campo. As resistências à

tração e ao cisalhamento das fibras de vidro foram determinadas antes e após a

exposição, e foram consideradas como medidas padrão da durabilidade das

amostras. Além disso, foram realizados ensaios de arrancamento para verificar a

resistência de ligação entre as barras de fibra de vidro e concreto sob os efeitos da

exposição acelerada. Os resultados mostraram que, quando expostos aos

ambientes estudados, a perda de resistência foi significativa para ambas as barras,

21

especialmente para soluções a 60°C. Para o polímero reforçado com fibra de

carbono, a imersão contínua resultou em maior degradação. Os ciclos de

congelamento e descongelamento combinados com soluções tiveram pouco efeito

da degradação sobre as barras de fibra de vidro.

Rodrigues (2007) avaliou o comportamento mecânico (resistências à tração

e à flexão e rigidez) e o mecanismo de fratura de compósitos poliméricos, sendo um

reforçado com fibras de vidro-E e o outro híbrido (quando dois ou mais tipos de

reforços são usados em dois ou mais tipos de resina) reforçado com fibras vegetais

de curauá e fibra de vidro-E, ambos de matriz poliéster ortoftálica, submetidos aos

ensaios de tração uniaxial e flexão em três pontos sob condições de envelhecimento

ambiental. Este envelhecimento ambiental foi avaliado pela exposição à radiação UV

e umidade (vapor de água aquecido a 60°C, com variação de ±3°C) em uma

“câmara de envelhecimento”. Como conclusão, o autor observou que o compósito

híbrido, comparado ao compósito polimérico reforçado com fibra de vidro,

apresentou maior deterioração para todas as propriedades mecânicas estudadas.

Esse fato foi consequência da presença da fibra natural, que por ser orgânica teve a

degradação intensificada de acordo com a intensidade e tempo de exposição aos

raios UV e vapor d‟água.

D‟Almeida et al. (2008) realizaram um estudo para verificar os efeitos da

absorção de água sobre o desempenho mecânico de tubos de resina éster vinílica

reforçados com fibras de vidro. Períodos de imersão em água variaram entre 25 e

270 dias neste estudo. Segundo os autores, a plastificação da resina e o

descolamento da interface fibra-matriz foram os responsáveis pela significante

redução da rigidez evidenciada nos resultados. No entanto, os autores observaram

que a resistência à tração e a pressão associada à classe dos tubos não foram

afetadas.

Dantas et al. (2008) analisaram as propriedades mecânicas de tração uniaxial e

de flexão de um compósito poliéster. Neste caso, os compósitos foram

confeccionados em laboratório com resina poliéster e fibra de vidro (E-glass) e foram

imersos em petróleo por um período de 120 dias. Ao término desse período foram

ensaiados à tração e flexão. Os autores observaram que o desempenho do material

imerso em petróleo não foi alterado em relação ao compósito de controle (sem

exposição). Assim, os autores concluíram que as propriedades mecânicas avaliadas

de tração e flexão permaneceram constantes.

22

Vieira (2008) investigou o desempenho estrutural dos perfis pultrudados de

seção “H” por meio de ensaios de flexão simples e de compressão centrada a

diferentes temperaturas (entre 25 e 90°C). Especificamente, dois tipos de

compósitos com fibras de vidro longas e unidirecionais foram estudados: com matriz

de resina de poliéster isoftálica e com matriz de resina éster vinílica. Os resultados

indicaram que os perfis pultrudados para uso estrutural devem ser avaliados levando

em conta a temperatura de serviço na qual o material será mantido. Isso porque o

estudo revelou considerável a variação nas propriedades mecânicas sob a ação da

temperatura, sobretudo para compósitos mantidos em temperaturas acima de 60°C.

Alawsi et al. (2009) estudaram o impacto da exposição à alta umidade

relativa do ar (98%), que simulou as condições ao ar livre na região do Golfo

Pérsico, na durabilidade de compósitos de resina reforçada com fibras de vidro

dispostas de forma simétrica e assimétrica. Observou-se a absorção de umidade, os

mecanismos de degradação e as propriedades mecânicas das camadas de

orientação simétricas e assimétricas. Concluiu-se que as amostras de compósitos de

matriz polimérica absorvem instantaneamente umidade superficial quando expostas

ao ambiente úmido, seguida por difusão através da matriz. Além disso, os resultados

mostraram que em ambiente úmido a resistência à flexão das amostras diminuiu.

Arun et al. (2010) estudaram compósitos híbridos reforçados com fibras de

vidro e tecido de vidro em condições normais e em ambientes de água do mar. Os

fatores de intensidade de tensão crítica, a força de cisalhamento interlaminar e a

resistência ao impacto foram avaliadas, tanto nas direções interlaminares quanto

nas translaminares. Os resultados revelaram que os danos em compósitos híbridos

com diferentes proporções de fibras e tecido de vidro em ambiente de água do mar

são completamente diferentes entre si. Os parâmetros de caracterização mostraram

mudanças em suas magnitudes com a variação do tempo de imersão. Foi analisada

a natureza da fratura em função do volume de reforço, de carga e das condições

ambientais com o auxílio de microscopia eletrônica de varredura. Essa análise

mostrou que as fibras foram arrancadas, as matrizes fissuraram e a natureza do

crescimento da fissura também foi diferente no ambiente de água do mar em relação

à amostra de controle. Fraturas de fibras individuais também foram identificadas.

23

22..66.. LLiiggaaççõõeess eemm CCoommppóóssiittooss

Na engenharia de estruturas, os elementos de ligação são definidos como

componentes que possibilitam a união entre dois elementos estruturais, ou um

elemento de ligação com partes estruturais que se almeja conectar (CBCA, 2004).

As ligações coladas, parafusadas ou ligações combinadas são algumas formas

utilizadas para esse fim. Apesar da facilidade de obtenção de formas e tamanhos

variados, o emprego de perfis pultrudados requer ligações entre eles. Essa ligação é

importante para que ocorra transferência de cargas entre diferentes partes da

estrutura. Sendo assim, as estruturas devem ser bem concebidas e dimensionadas,

assim como suas ligações.

As propriedades favoráveis de compósitos podem ser ofuscadas se as

características das articulações associadas não são devidamente previstas. Para

garantir um bom funcionamento da estrutura é conveniente que os deslocamentos e

rotações se comportem como desejados. Para que isto ocorra, a rigidez das

ligações, ou seja, a capacidade de impedir a rotação relativa local das peças ligadas

tem como responsabilidade reger o comportamento no que diz respeito aos

deslocamentos da estrutura (BANK, 2006).

As ligações podem ser classificadas segundo alguns critérios. Um desses

critérios baseia-se no grau de impedimento das rotações relativas de suas partes.

Neste caso, as ligações são divididas em rígidas, flexíveis e semi-rígidas (CBCA,

2004), conforme descrição a seguir:

Ligações rígidas – ocorre quando o ângulo das ligações estruturais não

sofre uma rotação significante após aplicarmos uma carga sob a

estrutura.

Ligações flexíveis – neste caso, a restrição à rotação é praticamente nula.

Teoricamente, nenhum momento é transmitido entre as ligações.

Ligação semi-rígida – é um caso intermediário de ligações, onde o

momento transmitido será resultante da rotação relativa entre os

elementos de ligação.

As ligações também podem ser classificadas segundo os esforços atuantes

na estrutura. Os esforços podem ser de tração centrada, cisalhamento centrado,

cisalhamento excêntrico ou tração com cisalhamento (CBCA, 2004).

24

Outra forma das ligações serem classificadas é através do meio de conexão,

podendo ser coladas ou parafusadas. Segundo Bank (2006), a maioria das ligações

utilizadas em perfis compósitos é parafusada. Isto se aplica, particularmente, a

ligações de compósitos pultrudados nos quais normalmente se utiliza parafusos de

aço. As ligações coladas não são normalmente usadas como ligação principal; elas

são encontradas, geralmente, como auxiliar em ligações parafusadas. Estão listadas

abaixo algumas vantagens e desvantagens das ligações coladas e parafusadas dos

materiais compósitos, segundo Bank (2006):

Para a ligação parafusada a fabricação de perfis e parafusos é mais simples,

tornando-as mais fácil;

As ligações parafusadas são de fácil montagem no campo e não precisam de

preparação especial na superfície como em ligações coladas;

Ligações parafusadas depois de montadas são de fácil inspeção;

Ao contrário das ligações coladas, as parafusadas podem ser montadas

rapidamente e alcançam sua resistência total e rigidez imediatamente;

Diferentes do que ocorre nas ligações soladas, as parafusadas podem ser

desmontadas com facilidade;

As ligações parafusadas apresentam um custo mais baixo quando

comparadas com ligações coladas, até mesmo quando somadas a fabricação

do material e a mão de obra;

As ligações parafusadas aceitam pequenos ajustes devido ao tamanho do

furo do parafuso usando simples ferramentas de mão;

As ligações parafusadas apresentam uma concentração de tensão em volta

dos furos dos parafusos, reduzindo a seção dos materiais utilizados e assim

diminuindo a eficiência do mesmo. Já isso não ocorre nas ligações coladas;

Ao contrário das ligações coladas que são contínuas, as ligações parafusadas

se tornam descontínuas devido aos furos os elementos de ligações, criando

concentrações de tensões em alguns lugares;

O material pultrudado deve ser perfurado com uma ferramenta especial

adiamantada, preferencialmente. Essas peças não podem ser perfuradas com

peças de aço, devido às propriedades dos materiais pultrudados;

Os furos nos materiais pultrudados em ligações parafusadas abrem caminhos

para a entrada de umidade e outros agentes químicos que podem degradar o

material. Portanto, todos os furos em perfis compósitos pultrudados devem

25

ser selados com uma camada fina de resina epóxi. Isto é feito normalmente

na fabrica, logo após das peças serem perfuradas.

Com base nestas observações, optou-se no presente trabalho por ensaios

de tração em elementos que simulam ligações parafusadas, como está descrito no

item 3.2.3.4.

22..66..11.. EEssttuuddooss ddee LLiiggaaççõõeess eemm CCoommppóóssiittooss

A seguir estão apresentados alguns estudos de ligações em perfis

compósitos reforçados com fibra de vidro. Cooper e Turvey (1995) investigaram

experimentalmente juntas de ligações parafusadas em perfis de compósitos

pultrudados com 6,35 milímetros de espessura e reforçados com fibra de vidro. A

configuração da ligação (relação entre a distância do limite da peça ao diâmetro do

parafuso, E/D, e largura da corpo de prova pelo diâmetro, W/D) variou e foram

investigados os efeitos de torque dos parafusos de fixação. As cargas de ruptura, as

distâncias finais críticas e as larguras críticas foram determinadas para aumentar o

torque de aperto do parafuso. Ao iniciar o ensaio foi observado, através da curva

força versus deslocamento, um comportamento linear até o momento em que as

ligações romperam ou a rigidez reduziu significativamente. A carga para a qual a

rigidez da ligação reduziu significativamente foi chamada de carga de ruptura. Os

resultados mostraram que o carregamento de ruptura diminuiu em 45 e 80% para os

pinos ligeiramente apertados e totalmente apertados, respectivamente. Uma análise

estatística foi realizada nas cargas de ruptura, nas quais foram determinados, para

os níveis de confiança estabelecidos, as cargas de ruptura nas juntas de ligações

simples.

Teixeira (2007) propôs uma nova concepção de ponte desmontável. O autor

utilizou perfis pultrudados em material compósito com resina poliéster reforçados

fibra de vidro e de seções circulares. Foi construída uma ponte com 30 metros de

vão com um tabuleiro central apoiado em vigas treliçadas protendidas, formadas por

perfis tubulares pultrudados e nós de ligação em aço. Para realizar os ensaios

experimentais e avaliar o comportamento estrutural da viga treliçada até a ruptura foi

determinado um modelo reduzido na escala 1:2,3, montado no Laboratório de

Estruturas da COPPE/UFRJ. Posteriormente foi simulado por um modelo numérico

considerando todos os componentes estruturais e suas ligações. Os resultados

26

experimentais demonstraram a viabilidade da nova concepção e indicaram possíveis

melhorias no projeto.

Guimarães (2007) mostrou a potencialidade de perfis poliméricos reforçados

com fibra de vidro na construção de treliça para uma estrutura de cobertura. O

estudo baseou-se na confecção de três séries de treliças, variando o tipo de ligação

das peças estruturais. Na primeira série foram analisadas treliças usando adesivo

epóxi nas ligações estruturais. Na segunda série foi usado rebite nas ligações

estruturais, e na última série foram usados adesivo epóxi e rebite, em conjunto, nas

ligações estruturais. As vigas em questão (treliças de cordas paralelas) foram

construídas com treliças com 3 m de vão livre e 23 cm de altura. Foram realizados

ensaios de flexão e constatou-se que a treliça com ligações coladas pode ser usada

em coberturas de edificações residenciais, comercias e industriais, sem restrições.

Ligações somente com rebite não devem ser usadas em qualquer lugar,

principalmente em ambientes industriais, pois pode haver uma reação química,

enfraquecendo o rebite. A treliça com ligação mista, por sua vez, mostrou-se

apropriada para o suporte da cobertura, além de resistir também a algumas cargas

extras.

Turvey e Wang (2007) estudaram os efeitos de degradação causados pelas

condições quentes e úmidas em juntas de ligações parafusadas simples de perfis de

compósitos pultrudados. Para isso foram selecionadas três temperaturas (20, 60 e

80°C) e dois períodos de imersão em água (6,5 e 13 semanas) a fim de analisar os

efeitos combinados de umidade e temperatura sob o carregamento último e modo de

ruptura das ligações tracionadas. Foram escolhidas duas geometrias diferentes para

análises, correspondentes ao modo de esmagamento das peças e ao modo ruptura

por tração. As reduções na capacidade de carga das ligações devido às condições

quentes e de umidade foram muito relevantes. Por exemplo, verificou-se que as

juntas de ligação reduziram mais de 60% da capacidade de carregamento após um

período de imersão em água de 6,5 semanas à 60ºC.

Diante da fundamentação apresentada, este trabalho propõe o estudo do

comportamento físico e mecânico de perfis de compósito pultrudados em juntas de

ligações tracionadas quando expostos a diferentes condições ambientais, o que se

traduz em avanço ao estado da arte atual, uma vez que há pouco material disponível

na literatura sobre este tema.

27

Capítulo 3

33.. PPRROOGGRRAAMMAA EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL

Neste capítulo estão descritos os materiais e os métodos que foram

utilizados neste trabalho. A primeira parte descreve os materiais utilizados:

compósitos poliméricos, fibras de vidro, matrizes poliméricas e reagentes usados na

solução de degradação. Na segunda parte são detalhados os métodos aplicados

para o desenvolvimento do trabalho: ensaios de caracterização dos compósitos

antes e após os períodos de degradação e os ensaios à tração.

33..11.. MMaatteerriiaaiiss

33..11..11.. CCoommppóóssiittooss PPoolliimméérriiccooss

Para a realização do trabalho foram adquiridos 40 perfis retangulares com

600 mm de comprimento e 30 mm de largura e espessura de 5 mm e 8 perfis tipo

cantoneira com abas de 50 mm, espessura de 6 mm e 500 mm de comprimento de

compósitos pultrudados reforçados com fibras longas de vidro (E-glass). Foram

adquiridos perfis compósitos de matrizes poliéster éster vinílico e fenólica. Esses

compósitos foram utilizados nos ensaios de degradação e à tração nas juntas de

ligação. Para caracterizar e definir o diâmetro dos corpos de prova para os ensaios à

tração nas ligações foram usados perfis de compósito isoftálico. A Figura 3.1 (a)

mostra os perfis pultrudados com os três tipos de matrizes e a Figura 3.1 (b) mostra

os perfis tipo cantoneira usados na caracterização. A compra dos perfis foi realizada

junto à empresa Enmac – Engenharia de Materiais Compósitos1, localizada na

cidade de São Paulo/SP.

1 A referência à empresa não representa endossamento dos seus produtos.

28

(a)

(b)

Figura 3.1. Perfis pultrudados reforçados com fibra de vidro: (a) retangulares e; (b) tipo cantoneira.

As amostras utilizadas na caracterização de cada tipo de resina (éster

vinílica e fenólica) foram cedidas pela Enmac. As amostras para análise foram

moldadas em laboratório, ou seja, as resinas e os catalisadores foram dosados,

misturados e curados de acordo com a orientação dos fornecedores. A fibra e manta

de vidro (Figura 3.2) que são utilizadas como reforços nos compósitos na presente

pesquisa foram também fornecidas pela Enmac.

29

(a)

(b)

Figura 3.2. Fotos das (a) fibras de vidro e da (b) manta de vidro.

33..11..22.. RReeaaggeenntteess QQuuíímmiiccooss

Para reprodução do ambiente alcalino foram usados água destilada e os

seguintes reagentes químicos P.A.: hidróxido de potássio (KOH), hidróxido de sódio

(NaOH) e hidróxido de cálcio [Ca(OH)2]. Para o ensaio de névoa salina utilizou-se

água filtrada e cloreto de sódio (NaCl). As Tabela 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4 apresentam as

especificações do cloreto de sódio, do hidróxido de sódio, do hidróxido de potássio e

do hidróxido de cálcio, respectivamente, segundo seus fabricantes.

Tabela 3.1. Especificações do cloreto de sódio

Cloreto de sódio (P.A.-A.C.S.) - NaCl – fornecedor : Synth

Especificações

Teor mínimo NaCl 95,0%

Máximo de impurezas

Bário (Ba)

Brometo (Br)

Clorato e nitrato (como NO3)

Compostos nitrogenados (N)

Ferro (Fe)

Fosfato (PO4)

Materiais insolúveis

Iodeto (I)

Metais pesados (como Pb)

Potássio (K)

Precipitados de Ca, Mg e R2O3

Sulfatos (SO4)

0,001%

0,01%

0,003%

0,001%

2 ppm

5 ppm

0,005%

0,002%

5 ppm

0,005%

0,005%

0,004%

30

Tabela 3.2. Especificações do hidróxido de sódio.

Hidróxido de sódio (P.A.) - NaOH – fornecedor : Synth

Especificações

Teor mínimo de NaOH 97,0%


Carbonato de sódio (Na2CO3)

Cloreto (Cl-)

Compostos nitrogenados (como N)

Ferro (Fe)

Fosfato (PO4)

Mercúrio (Hg)

Metais pesados (como Ag)

Níquel (Ni)

Potássio (K+)

Precipitados por NH4OH

Sulfatos (SO4)

1,0%

0,01%

0,001%

0,001%

0,001%

0,002%

0,002%

0,001%

0,3%

0,02%

0,01%

Tabela 3.3. Especificações do hidróxido de potássio.

Hidróxido de potássio (P.A.) – KOH – fornecedor : Synth

Especificações

Teor mínimo KOH 85,0%


Carbonato de Potássio (K2CO3)

Cloreto (Cl-)

Compostos nitrogenados (como N)

Ferro (Fe)

Fosfato (PO4)

Metais pesados (como Ag)

Precipitados por NH4OH

Sódio (Na)

Sulfatos (SO4)

2,0%

0,02%

0,005%

0,001%

0,001%

0,001%

0,02%

0,3%

0,005%

31

Tabela 3.4. Especificações do hidróxido de cálcio.

Hidróxido de cálcio (P.A.) - Ca(OH)2 – fornecedor : Synth

Especificações

Teor mínimo de Ca(OH)2 95,0%



Carbonato de cálcio (CaCO3)

Insoluvél em HCl

Cloreto (Cl)

Compostos sulfurados (como SO4)

Metais pesados (como Pb)

Ferro (Fe)

Magnésio e sais básicos (como SO4)

3,0%

0,1%

0,03%

0,1%

0,003%

0,05%

1,0%

33..22.. MMeettooddoollooggiiaa ddee EEnnssaaiiooss

33..22..11.. CCaarraacctteerriizzaaççããoo ddaass MMaattrriizzeess

Para a caracterização das matrizes foram realizados ensaios de massa

específica, análise termogravimétrica (TG) e de calorimetria exploratória diferencial

(DSC). Para a determinação dos valores de massa específica das matrizes foram

realizados ensaios em picnômetro a gás (hélio) modelo Accupyc 1340 Micromeritics

(Figura 3.3). O método de picnometria a hélio determina o volume de uma massa

conhecida de amostra (com massa pré-determinada) através da variação de pressão

do gás em um volume calibrado. As análises foram realizadas no Laboratório de

Estruturas (LABEST) do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ.

As análises de TG e de DSC foram realizadas em equipamento Q600, da TA

Instruments do LABEST/COPPE (Figura 3.3 (b)). Foram utilizadas as seguintes

condições experimentais: taxa de aquecimento de 10°C/min da temperatura

ambiente até 600°C, vazão de 100 ml/min de nitrogênio e massa da amostra entre 3

e 5 mg.

32

(a)

(b)

Figura 3.3. Equipamentos: (a) picnômetro a gás (Hélio) e (b) equipamento de Tg/DSC do Laboratório de Estruturas da COPPE/UFRJ.

33..22..22.. CCaarraacctteerriizzaaççããoo ddaa FFiibbrraa ddee VViiddrroo

A resistência à tração axial da fibra de vidro foi determinada utilizando uma

máquina universal de ensaios Shimadzu AZX (Figura 3.4 (a)) equipada com uma

célula de carga de 1 kN. A Figura 3.4 (b) mostra a fibra de vidro posicionada,

individualmente, em um molde de papel com formato retangular (50 mm de

comprimento e 30 mm de largura). Para fixar a fibra foram utilizadas cola e fita

adesiva em dois pontos a uma distância igual a 50 mm. A Figura 3.4 (c) mostra os

locais de corte nos moldes que foram feitos antes da realização do ensaio à tração

para não interferir no valor de resistência à tração das fibras. Foram ensaiadas 27

amostras com velocidade de ensaio de 0,1 mm/min.

Para o cálculo da resistência à tração foi necessário medir o diâmetro de

cada amostra. Esse procedimento foi realizado com análises de microscopia

eletrônica de varredura (MEV). A Figura 3.5 mostra o microscópio eletrônico

Superscan SSX 560 Shimadzu, do Laboratório de Materiais Avançados da UENF

(LAMAV/UENF). As amostras foram aderidas com fita dupla face no porta-amostra e

recobertas com uma camada de ouro para garantir uma condução elétrica durante

as análises.

33

(a)

(b)

(c)

Figura 3.4: (a) Máquina universal de ensaios Shimadzu; (b) molde de papel para realização do ensaio; e (c) detalhe dos cortes feito no molde de papel.

O método para a determinação da massa específica (em picnômetro a gás)

da fibra foi o mesmo utilizado na caracterização das matrizes, descrito anteriormente

no item 1.2.1.

Figura 3.5. Microscópio eletrônico de varredura (MEV) do LAMAV/UENF.

33..22..33.. CCaarraacctteerriizzaaççããoo ddooss CCoommppóóssiittooss

A seguir estão descritos os ensaios realizados para a caracterização dos

compósitos, os quais foram realizados antes da exposição aos diferentes ambientes

de degradação.

34

3.2.3.1. Massa Específica

A metodologia aplicada para determinar a massa específica dos compósitos

foi a mesma descrita para as matrizes no item 2.2.1.

3.2.3.2. Fração Mássica de Fibras

A determinação da fração mássica de fibra dos corpos de prova foi obtida

através de ensaios de perda de massa realizados em um forno tipo mufla do

LABEST/COPPE. O ensaio foi realizado de acordo com a norma ASTM D 297/93

(2006). Os ensaios foram feitos após a retirada das amostras, aleatoriamente, dos

perfis utilizados. As Figura 3.6 (a) e (b) mostram a determinação da massa das

amostras e dos cadinhos de porcelana utilizados como porta-amostras. Em seguida,

as amostras foram colocadas no forno (Figura 3.6 (c)), o qual foi aplicado uma taxa

de aquecimento de 10ºC/min até alcançar a temperatura máxima de 600ºC. O

material foi mantido à 600ºC por três horas.

(a)

(b)

(c)

Figura 3.6. (a) Determinação da massa do cadinho Pesagem do cadinho, (b), da amostra e (c) a amostra pronta para a queima.

3.2.3.3. Ensaio de Tração Direta

Para obtenção da resistência à tração e do módulo de elasticidade dos

materiais, antes e após os períodos de degradação, foram realizados ensaios de

tração uniaxial. Os corpos de prova foram extraídos dos perfis pultrudados em uma

Central de Usinagem ROMI – Discovery 560 do LECIV/UENF (Figura 3.7). As

dimensões dos corpos de prova foram adotadas com base nos estudos

desenvolvidos por VIEIRA (2008) e estão indicadas na Figura 3.8.

35

Figura 3.7. Confecção dos corpos-de-prova pela central de usinagem ROMI – Discovery 560.

Figura 3.8. (a) Vista em planta e (b) lateral dos corpos de prova (medidas em mm).

Os ensaios de resistência à tração axial foram realizados em máquina EMIC

do Laboratório e propriedades mecânicas do programa de engenharia de

Metalúrgica e de Materiais da COPPE/UFRJ (Figura 3.9 (a)), com velocidade de

0,5 mm/min, com uma célula de carga com capacidade de 50 kN e com um

extensômetro mecânico (clip gage) de 50 mm de curso para a leitura dos

deslocamentos durante a tração (Figura 3.9 (b)).

36

(a)

(b)

Figura 3.9. (a) Máquina universal de ensaios EMIC do PEMM/COPPE e (b) detalhe do extensômetro utilizado.

O cálculo do módulo de elasticidade secante foi realizado de acordo com a

Equação (3.1):

(3.1)

Sendo:

E: módulo de elasticidade secante;

σ1: tensão correspondente à 10% da tensão máxima;

σ2: tensão correspondente à 40% da tensão máxima;

ε1: deformação correspondente à tensão σ1;

ε2: deformação correspondente à tensão σ2.

3.2.3.4. Tração de Elemento de Ligação

Para a definição da geometria dos corpos de prova foi realizado um estudo

com compósitos de resina isoftálica reforçados com fibra de vidro (E-glass),

semelhantes aos compósitos utilizados nesta pesquisa (éster vinílicos e fenólicos).

Os ensaios de ligações foram feitos em corpos de prova prismáticos com as

seguintes dimensões: 200 mm de comprimento, 30 mm de largura e 5 mm de

espessura. Essas dimensões foram adotadas segundo relações estabelecidas por

Cooper e Turvey (1995), que observaram que o modo de ruptura para ensaio de

37

tração das juntas de ligação de compósitos poliméricos com fibras de vidro depende

diretamente da geometria do corpo de prova. Ou seja, diferentes relações

espessura-diâmetro (E/D) e comprimento-diâmetro (L/D) possibilitam rupturas por

esmagamento, tração, cisalhamento e clivagem, como pode ser observado nas

Figuras 3.9 (a) a (d).

Figura 3.10. Modos de ruptura de ligações sob esforços de tensão, (a) tração; (b) esmagamento; (c) cisalhamento; e (d) clivagem de acordo com Cooper e Turvey

(1995).

Diante das conclusões obtidas por Copper e Turvey (1995) foram adotados

os parâmetros de dimensionamento de D, L e E (Figura 3.10) estabelecidos de

acordo com as relações E/D = 7 e L/D = 3, para o qual foram definidos os diâmetros

dos furos em 10 mm. As razões E/D e L/D foram adotadas para que a ruptura dos

corpos de prova ocorresse exclusivamente por tração. No entanto, quando foram

realizados os ensaios preliminares à tração nas juntas de ligação observou-se que

os corpos de prova romperam por esmagamento (compressão).

Figura 3.11. Geometria da peça de ligação para realização do ensaio à tração.

Devido ao diferente modo de ruptura dos corpos de prova optou-se por

avaliar os modos de ruptura dos compósitos para diferentes diâmetros. Desta forma

foram alteradas também as relações adotadas de acordo com Cooper e Turvey

(1995) com as dimensões L e E mantidas constantes. Foram testados corpos de

prova com diâmetro de 15 e 19 mm. Os corpos de prova com diâmetro de 19 mm

38

romperam exclusivamente por tração e aqueles com 15 mm de diâmetro romperam

ora por tração, ora por compressão. Com isso optou-se por utilizar diâmetro de 15

mm, pois foi o diâmetro onde ocorreu a transição do modo de ruptura. Assim, as

dimensões adotadas foram D = 15 mm, L = 30 mm e E = 70 mm. A Figura 3.12

mostra os corpos de prova isoftálicos com diferentes diâmetros após ensaios de

tração. Os compósitos de 10 e 15 mm de diâmetro romperam por esmagamento e os

de 19 mm de diâmetro romperam por tração.

Figura 3.12. Corpos de provas isoftálicos com diâmetros variados (10, 15 e 19 mm) após de ensaio de tração

É importante ressaltar que para a realização dos ensaios de tração nos

elementos de ligação foi necessário o desenvolvimento e a confecção de um aparato

(Figura 3.13) para conectar os corpos de prova às garras de tração da máquina de

ensaios. O aparato foi posicionado nas garras da máquina universal de ensaios

EMIC, equipada com uma célula de carga com capacidade de 50 kN, conforme

ilustrado na Figura 3.15. A velocidade de ensaio utilizada foi de 0,3 mm/min.

39

Figura 3.13. Vistas (a) em planta e (b) lateral do aparato de aço utilizado nos ensaios de tração dos elementos de ligação e (c) vista lateral do pino metálico de

ligação do aparato com o corpo de prova. Medidas em mm.

„

Figura 3.14. Foto do aparato de aço utilizados nos ensaios de tração dos elementos de ligação.

40

(a)

(b)

Figura 3.15. (a) Máquina universal de ensaios; e (b) detalhe do aparato de aço utilizado para realizar o ensaio.

Após a definição do diâmetro dos furos nos corpos de prova foi necessária a

verificação da capacidade da carga do pino metálico utilizado para a ligação entre o

corpo de prova e o aparato. As ligações foram dimensionadas de acordo com a

norma NBR 8800 (2008). Foram considerados, para razão de cálculo, parafusos

SAE 1045, devido a sua resistência. Suas propriedades estão descritas na Tabela

3.5 de acordo com a norma da SAE (VILABOL, 2010). A Figura 3.16 mostra o

diagrama de forças atuantes no pino metálico durante o ensaio de tração.

Figura 3.16. Diagrama de força atuante no pino durante o ensaio de tração.

41

Tabela 3.5. Nomenclatura e classificação dos aços estruturais disponível no mercado (VILABOL, 2010).

Tipo de aço

Teor de

Carbono

(%)

Limite de

Elasticidade

ƒel (GPa)

Limite de

escoamento

ƒy (MPa)

Limite de

resistência à

tração

ƒu (MPa)

Alonga-

mento

(%)

ASTM-A-36 0,25 a 0,30 200 250 400 a 500 20

comercial - ±190 ± 240 370 a 520 20

ASTM-A570 0,25 185 230 360 23

SAE 1008 0,08 135 170 305 30

SAE 1010 0,10 145 180 325 28

SAE 1020 0,20 170 210 380 25

SAE 1045 0,45 250 310 560 17

ASTM-A242 <0,22 250 290 a 350 435 a 480 18

ASTM-A441 - 220 a 275 275 a 345 415 a 485 ± 18

ASTM-A572 - 220 a 275 290 a 345 415 a 450 ± 18

ASTM-A588 - 230 a 280 290 a 350 415 a 450 ± 18

COR-TEN A/B - 275 345 480 ± 19

COR-TEN C - 330 415 550 ± 19

ABNT MR250 - 200 250 400

ABNT MR290 - 230 290 415

ABNT MR345 - 275 345 450

O diâmetro do pino metálico submetido ao esforço de cisalhamento foi

calculado seguindo o roteiro da NBR:8800 (2008).

(3.2)

(3.3)

Sendo,

F : máxima força de tração adotada (20 kN);

resistência à ruptura do material do pino metálico (560 MPa);

valor do coeficiente de ponderação da resistência (1,35);

Ab : área efetiva do pino.

O diâmetro mínimo do pino foi calculado pela Equação (3.4). Área efetiva do

parafuso, para cisalhamento, é dada pela NBR 8800 (2008)

42

(3.4)

Como o diâmetro do pino adotado no aparato (D = 15 mm) foi maior que o

diâmetro calculado (Dcal = 7,84 mm), não houve risco de ruptura durante os ensaios,

como foi observado.

Após a definição das dimensões dos corpos de prova, iniciou-se a confecção

dos mesmos. Primeiro, os corpos de prova foram cortados com 200 mm de

comprimento e 30 mm de largura. Em seguida, foram feitos furos a 70 mm das

extremidades do corpo de prova. Para a realização do furo foi utilizada uma broca

diamantada de 15 mm. A Figura 3.17 mostra a furadeira elétrica e a execução de um

furo em uma das peças. As peças foram revestidas por resina epóxi nas bordas e

em volta dos furos de forma que todo o material ficasse totalmente revestido. Este

procedimento foi feito para que não ocorresse uma degradação pontual no material

e sim uma degradação uniforme, simulando uma situação real. Toda a etapa de

preparação dos corpos de prova foi realizada no Laboratório de Engenharia Civil

(LECIV/UENF).

(a)

(b)

(c)

Figura 3.17. (a) Equipamento utilizado para fazer os furos nos corpos de prova; (b) detalhe de como foi realizado o furo e (c) corpo de prova pronto para ensaio.

43

3.2.3.5. Determinação da Cor

Para a avaliação quantitativa da variação de cor nos compósitos submetidos

às diferentes condições de exposição foi utilizado o sistema CIE L*a*b*, 1976

(Comission International de L’Eclairage ou Comissão Internacional de Iluminação). O

sistema CIE-L*a*b* é um método que define a intensidade da cor através de três

parâmetros: luminosidade ou claridade, tonalidade ou matiz e saturação ou

cromaticidade (CAMARGOS e GONÇALEZ, 2001). Neste caso, a luminosidade ou

claridade é definida pela escala cinza entre o branco e o preto e pode ser

representada, graficamente, por uma reta perpendicular a um círculo, passando pelo

seu centro, como mostra a Figura 3.18 (a). A luminosidade é expressa pela variável

“L” e assume o valor zero para o preto absoluto e 100 para o branco total. A

tonalidade é expressa pelas cores primárias: a* (representa o eixo vermelho +a e

verde -a) e b* (varia entre o eixo amarelo +b e azul -b), conforme indica a Figura

3.18 (b) em forma de um círculo cortado por duas retas perpendiculares (horizontal e

vertical) passando pelo centro. A tonalidade pode também ser dada pelo ângulo do

círculo, expresso pela variável “H”, conhecida como ângulo da tinta e derivada dos

valores de a* e b*. A saturação ou cromaticidade, que é expressa pela variável “C”, é

o desvio a partir do ponto correspondente ao cinza no eixo L. Quanto mais distante

do eixo, mais saturada será a cor. A saturação parte do ponto cinza do eixo de

luminosidade até a cor pura espectral localizada na extremidade do círculo. O valor

da saturação da cor (C) e o ângulo de tinta (H) podem variar de 0 a 60, sem

unidades de medida, e foram calculados pelas Equações (3.5) e (3.6) (CAMARGOS

e GONÇALEZ, 2001):

(3.5)

(3.6)

44

(a)

(b)

Figura 3.18. Sistema CIE La*b*: (a) sólido de cores; e (b) corte central (CAMARGOS e GONÇALEZ, 2001).

O sistema CIE-L*a*b* inclui um espectrofotômetro de reflexão que mede a

reflectância da amostra através de um branco padrão no mesmo comprimento de

onda, o que leva à porcentagem de luz refletida pelo objeto em função da amostra

padrão (COSTA, 2009).

Para determinar as alterações da cor dos compósitos, foram feitas

comparações entre a variação total de cor, indicada pela Equação (3.7), dos

compósitos de referência com os compósitos expostos aos diferentes ambientes de

degradação. Vale ressaltar que a variação total da cor (Figura 3.19), leva em conta

as diferenças das coordenadas cromáticas e de luminosidade (CAMARGOS e

GONÇALEZ, 2001):

(3.7)

Sendo:

∆E* - variação total da cor

ΔL* - variação da luminosidade (corpo de prova degradado menos de referência)

Δa* e Δb* - variação das coordenadas cromáticas (corpo de prova degradado menos

de referência).

45

Figura 3.19. Diferença de cores no Sistema CIE La*b* de 1976 (CAMARGOS e GONÇALEZ, 2001).

Para a obtenção das medidas de cor foi utilizado um espectrofotocolorímetro

Coloreye XTH (Figura 3.20) do Laboratório de Tecnologia do Departamento de

Engenharia Florestal da Universidade de Brasília, com iluminante D65 e ângulo 10°,

conectado a um computador para a aquisição de dados, no qual foi usado o

programa Color IQC da X-rite. Para a análise de cor foram utilizados cinco corpos de

prova de cada tipo de compósito em diferentes condições ambientais. Foram

realizadas três leituras de cor na face tangencial dos corpos de prova. O

equipamento foi calibrado de acordo com padrões de cores fornecido pelo fabricante

antes das medições.

46

Figura 3.20. Espectrofotocolorímetro Coloreye XTH do Laboratório de Tecnologia do Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília.

3.2.3.6. Análise Microestrutural

A microscopia eletrônica é indiscutivelmente um valioso instrumento para

analisar as condições físicas dos corpos de prova antes e após degradação. As

imagens de microscopia eletrônica de varredura confirmam os resultados de ganho

de massa e perda de resistência. Através dessa ferramenta foi possível comparar as

superfícies, as fibras e o modo de ruptura das amostras íntegras e degradadas.

A análise microestrutural dos compósitos nos pontos de ruptura foi feita a fim

de avaliar o comportamento das fibras e da matriz após os ensaios à tração nas

juntas de ligação. Essas análises foram feitas no microscópio eletrônico do

LAMAV/UENF antes e após degradação. As amostras foram preparadas da mesma

forma descrita anteriormente no item 1.2.2.

3.2.3.7. Variação de Massa

Para o cálculo da variação da massa dos compósitos, a priori, os corpos de

prova foram pesados e identificados. Em seguida, os corpos de prova foram

expostos aos diferentes ambientes de degradação. Ao final do período de

degradação, os corpos de prova ficaram em estufa a 40°C por 24 horas e foram

novamente pesados (secos). A variação de massa foi calculada de acordo com a

Equação (3.8).

Mv = 100.(Mt – Mi)/Mi [%] (3.8)

47

Sendo:

Mv a variação percentual de massa;

Mt a massa seca do corpo de prova no tempo t;

Mi a massa inicial do corpo de prova.

33..22..44.. AAmmbbiieenntteess ddee EExxppoossiiççããoo

Após a confecção dos corpos de prova, os compósitos de referência

(ambiente laboratorial 21 ± 2°C) foram prontamente caracterizados e os demais

foram submetidos aos seguintes ambientes de degradação:

Radiação ultravioleta (UV)/condensação;

Névoa salina com temperatura constante a 40°C;

Ambiente alcalino com temperatura a 40°C.

Para facilitar a compreensão das diferentes características apresentadas

neste capítulo foi criada uma nomenclatura de identificação dos materiais e

ambientes de exposição, conforme descrição a seguir:

Ester – compósito éster vinílico;

Fenol – compósito fenólico;

REF – compósito de referência;

UV – exposição ao ambiente de UV/condensação;

NS – exposição ao ambiente de névoa salina;

AA – exposição ao ambiente alcalino;

TC – exposição ao ambiente de temperatura constante.

A Tabela 3.6 apresenta as nomenclaturas utilizadas para as amostras dos

dois tipos de compósitos e das amostras dos dois tipos de compósitos expostos aos

diferentes ambientes de degradação.

48

Tabela 3.6. Nomenclatura dos compósitos utilizados neste trabalho.

Ambiente de

Exposição

Tipo de

Compósito

Período de

Exposição Nomenclatura

Referência Éster vinílico

Fenólico

-

-

Ester - REF

Fenol - REF

UV/Condensação

Éster vinílico

Fenólico

160 ciclos

320 ciclos

480 ciclos

160 ciclos

320 ciclos

480 ciclos

Ester - UV160

Ester - UV320

Ester - UV480

Fenol - UV160

Fenol - UV320

Fenol - UV480

Névoa Salina

Éster vinílico

Fenólico

8 ciclos

16 ciclos

24 ciclos

8 ciclos

16 ciclos

24 ciclos

Ester - NS8

Ester - NS16

Ester - NS24

Fenol - NS8

Fenol - NS16

Fenol - NS24

Alcalino

Éster vinílico

Fenólico

60 dias

90 dias

120 dias

60 dias

90 dias

120 dias

Ester - AA60

Ester - AA90

Ester - AA120

Fenol - AA60

Fenol - AA90

Fenol - AA120

Temperatura

Constante (40°)

Éster vinílico

Fenólico

120 dias

120 dias

Ester - TC120

Fenol - TC120

Após o período de exposição nas diferentes condições citadas foram

realizados ensaios de massa específica, variação de massa e dimensional, cor,

resistência à tração em juntas de ligação e análise microestrutural.

3.2.4.1. Exposição à Radiação Ultravioleta/Condensação

A exposição à radiação ultravioleta dos corpos de prova foi realizada em

equipamento de envelhecimento acelerado para materiais não metálicos com

radiação ultravioleta “B”/Condensação da empresa COMEXIM, mostrado na Figura

3.21. Os efeitos destrutivos da radiação solar são simulados por oito fontes de

radiação UV-B que operam a uma faixa entre 280/320 nm, com picos em 313 nm,

que reproduzem os efeitos fotoquímicos responsáveis pela degradação dos

materiais orgânicos quando sujeitos às intempéries. O sistema de aquecimento,

49

automaticamente controlado, permite a aceleração do envelhecimento para os casos

previstos no teste e a reprodução dos efeitos da natureza em menor tempo.

O sistema foi programado para realizar ciclos na seguinte sequência: cinco

horas de exposição à radiação ultravioleta; uma hora de condensação; e 10 minutos

de ventilação. Os corpos de prova foram ensaiados ao final de três períodos

diferentes: 160, 320 e 480 ciclos de cada lado dos corpos de prova e foram mantidos

a uma temperatura constante de 40 ± 2°C. Para cada período de avaliação foram

ensaiados cinco corpos de prova de cada tipo de compósito confeccionado a partir

de perfis selecionados aleatoriamente.

Figura 3.21. Sistema acelerado de envelhecimento para não metálicos com radiação ultravioleta “B”/condensação do LECIV/UENF.

Os corpos de prova foram fixados às placas do sistema acelerado de

envelhecimento com fios metálicos. A Figura 3.22 mostra o posicionamento e os

detalhes das placas com os corpos de prova no equipamento, respectivamente.

50

(a)

(b)

Figura 3.22. (a) Posicionamento e (b) detalhe dos corpos de prova no sistema acelerado de envelhecimento.

3.2.4.2. Exposição em Névoa Salina

Perfis de compósitos poliméricos são normalmente expostos de forma

contínua à água do mar e à maresia por longos períodos de tempo, principalmente

quando utilizados em estruturas de plataformas de óleo e gás. Para simular este

ambiente de degradação, corpos de prova foram mantidos em câmara de névoa

salina de cloreto de sódio, com uma temperatura constante de 40°C. A Figura 3.23

mostra o equipamento para teste de corrosão acelerada salt spray, Modelo SS 600e,

da empresa EQUILAM, do LAMAV/UENF, onde corpos de prova foram mantidos por

diferentes períodos de tempo.

51

Figura 3.23. Câmara para teste de corrosão salt spray do LAMAV/UENF.

Durante a exposição, os corpos de prova foram posicionados na câmara de

maneira que ficassem com uma inclinação entre 15° e 30°. Eles foram expostos a

uma solução salina, que foi preparada pela dissolução de 500 gramas de cloreto de

sódio (NaCl) em 9,6 litros de água destilada (pH na faixa de 6,5 e 7,2). Os corpos de

prova foram expostos à temperatura de 35°C, sendo que, para obter a saturação da

solução salina a temperatura é de 46 ºC e uma pressão do saturador entre 0,8 e 1

kgf/cm², conforme a NBR 8094 (1983). A Figura 3.24 mostra como os corpos de

prova foram dispostos na câmara para teste de corrosão salt spray.

Figura 3.24. Detalhe da disposição dos corpos de prova na câmara salina.

52

Os ciclos de ensaios consistiram de 120 horas na câmara de névoa salina a

40°C, seguidas de 48 horas em estufa à 40°C. Quando retirados da câmara de

névoa salina para serem colocados em estufas, os corpos de provas foram sempre

lavados em água corrente. Ao final de cada período de exposição selecionado, ou

seja, após 8, 16 e 24 ciclos de exposição na câmara de névoa salina, cinco corpos

de prova de cada compósito foram ensaiados.

3.2.4.3. Exposição em Ambiente Alcalino

De acordo com Kim et al. (2006), os perfis de compósitos poliméricos se

degradam devido a umidade e à presença de álcalis. Para simular as condições de

ambiente alcalino, os compósitos ficaram imersos em recipientes com uma solução

básica contendo concentrações mássicas de 1,4% de hidróxido de potássio (KOH),

1,0% de hidróxido de sódio (NaOH), e 0,16% de hidróxido de cálcio [Ca(OH)2], e

permaneceram em estufa a 40°C durante todo o processo de degradação. Este

método de envelhecimento acelerado é similar ao adotado por Kim et al. (2006).

As amostras de compósitos foram ensaiadas em três idades diferentes após

60, 90 e 120 dias de imersão contínua. Foram ensaiados cinco corpos de prova de

cada tipo de compósito por idade. O volume de solução alcalina foi igual ao triplo do

volume total dos corpos de prova. Além disso, foi realizado um monitoramento do pH

da solução com leituras periódicas, de 30 em 30 dias, durante o período de imersão,

para manter o pH em torno de 14. O pH foi monitorado com um pHmetro HI 16108

da Hanna Instruments. A Figura 3.25 mostra como os corpos de prova foram

dispostos no recipiente e a leitura do pH feita com o pHmetro.

53

(a)

(b)

Figura 3.25. (a) Os corpos de prova dispostos no recipiente contendo solução alcalina; e (b) Controle do pH.

Durante toda a exposição também foi realizado um monitoramento da

temperatura da estufa com dois sensores de temperatura tipo pt 100, e foi

constatado que a temperatura manteve-se constante em 40 ± 2°C. A Figura 3.23

mostra o monitoramento realizado na estufa com multímetro digital MD-6540 da Icel.

Figura 3.26. Monitoramento da temperatura da estufa com multímetro.

Na exposição alcalina dois efeitos de degradação ocorreram

concomitantemente: degradação alcalina propriamente dita e degradação térmica à

40°C. Na tentativa de separar os efeitos de degradação da solução alcalina e aos

ocasionados pela temperatura de 40°C foram colocados quatro corpos de prova de

54

cada tipo de compósito (éster vinílico e fenólico) na estufa por 120 dias (máximo de

exposição em ambiente alcalino). Após os testes de todos os corpos de prova à

tração da junta de ligação, os valores da força máxima à tração dos corpos de prova

em solução alcalina a 40°C e os que só permaneceram em estufa à 40°C por 120

dias foram comparados entre si.

55


44.. AAPPRREESSEENNTTAAÇÇÃÃOO EE DDIISSCCUUSSSSÃÃOO DDOOSS RREESSUULLTTAADDOOSS

Neste capítulo são apresentados os resultados dos ensaios de

caracterização dos materiais utilizados na pesquisa e de tração direta das juntas de

ligação. Inicialmente são expostas as características das matrizes, das fibras e dos

compósitos íntegros. Em seguida estão apresentadas as avaliações dos compósitos

após a exposição a cada tipo de ambiente de degradação.

44..11.. CCaarraacctteerriizzaaççããoo ddaass MMaattrriizzeess

Os valores de massa específica das resinas éster vinílica e fenólica estão

apresentados na Tabela 4.1. Como pode ser observado, a resina fenólica

apresentou massa específica superior ao valor obtido para a resina éster vinílica. É

importante enfatizar que os valores de massa específica podem variar, uma vez que

o processo de produção dos mesmos (pultrusão) tem influência direta sobre essa

propriedade. Neste caso, os valores de massa específica foram obtidos para

amostras moldadas sem pressão, conforme descrito no item 3.2.1. Valores similares

foram observados por Levy Neto e Pardini (2006) para uma resina fenólica.

Tabela 4.1. Valores médios de massa específica das matrizes éster vinílica e fenólica.

Matrizes Massa específica (kg/m³) Desvio padrão (kg/m³)

Éster vinílica 1219 1

Fenólica 1342 4

A partir da análise termogravimétrica (TG), pode-se observar que a resina

éster vinílica apresentou estabilidade térmica até aproximadamente 300°C. A

termodecomposição da resina, neste caso, foi alcançada em torno de 440°C, com

uma perda de massa de 82% (Figura 4.1). Esse comportamento foi confirmado na

análise por calorimetria diferencial exploratória (DSC), indicada na Figura 4.2, que

mostra picos endotérmicos e exotérmicos a partir de 300°C. Através das curvas de

56

TG e DSC, pode-se notar que o ponto de fusão do compósito éster vinílico ocorre

em torno dos 400°C. A curva de DSC indica, ainda, que a resina éster vinílica

apresenta temperatura de transição vítrea (Tg) em torno de 80°C, que está dentro da

faixa de Tg citada por Bank (2006) para resina éster vinílica. Cabe ressaltar que esta

resina apresenta grande variação nos valores de temperatura de transição vítrea

(VIEIRA, 2008).

Figura 4.1.Análise termogravimétrica (TG) da resina éster vinílica.

Figura 4.2. Análise de calorimetria diferencial exploratória (DSC) da resina éster vinílica.

A Figura 4.3 mostra a análise termogravimétrica (TG) da resina fenólica,

onde é possível observar que a partir de cerca de 260°C a resina começa a perder

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800

Massa (%

)

Temperatura ( C)

-5

0

5

10

15

20

0 200 400 600 800

Flu

xo

de c

alo

r (m

W)

Temperatura ( C)

Endo

Atmosfera: N2

Vazão: 100 ml/min

Atmosfera: N2

Vazão: 100 ml/min

Tg

57

massa. A Figura 4.4 indica a curva de DSC, onde se pode verificar que a

temperatura de transição vítrea (Tg) da resina fenólica ocorreu em torno de 60°C.

Figura 4.3. Análise termogravimétrica (TG) de resina fenólica.

Figura 4.4. Análise de calorimetria diferencial exploratória (DSC) da resina fenólica.

44..22.. CCaarraacctteerriizzaaççããoo ddaa FFiibbrraa ddee VViiddrroo

A Figura 4.5 mostra uma curva típica tensão versus deformação da fibra de

vidro tipo E-glass estudada. A partir dos resultados de tração direta foi possível

observar que as fibras de vidro alcançaram uma resistência média à tração de 1,2

GPa, com desvio padrão de 0,37 GPa, e módulo de elasticidade de 72 GPa. Apesar

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800

Massa (%

)

Temperatura ( C)

0

5

10

15

20

0 200 400 600 800

Flu

xo

de c

alo

r (m

W)

Temperatura ( C)

Endo

Atmosfera: N2

Vazão: 100 ml/min

Atmosfera: N2

Vazão: 100 ml/min

Tg

58

do valor de módulo de elasticidade determinado neste trabalho ser similar ao

descrito pela literatura, o valor de resistência à tração foi inferior ao encontrado por

diferentes autores (LEVY NETO e PARDINI, 2006; BANK, 2006; MALLICK, 2008).

Este fato pode ser atribuído aos danos na superfície causados por abrasão ou por

atrito umas nas outras e, ainda, pelo contato com equipamento no processo de

fabricação (MALLICK, 2008). Contudo, Mahieux (2008) trabalhou com fibras de vidro

E-glass com resistência à tração de 1,5 GPa. A fibra de vidro deste trabalho

apresentou massa específica de 2540 kg/m³, valor similar aos encontrados na

literatura (LEVY NETO e PARDINI, 2006).

Figura 4.5. Curva tensão de tração versus deformação da fibra de vidro estudada.

A Figura 4.6 apresenta imagens obtidas por MEV das fibras de vidro. De

acordo com as fotomicrografias, as fibras de vidro apresentaram um diâmetro médio

de aproximadamente 35 μm (Figura 4.6 (a)), valor superior ao encontrado por alguns

autores (VIEIRA, 2008; KIM et al., 2006).As fibras não apresentaram expressiva

variação entre os diâmetros analisados, o que evidencia a uniformidade do material,

como pode se visto nas Figura 4.6 (b) e (c). A Figura 4.6 (d) mostra a extremidade

de uma fibra.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Ten

são

(MP

a)

Deformação específica (%)

59

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.6. Morfologia das fibras: (a) vista lateral da fibra com seu respectivo diâmetro; (b) aspecto de um conjunto de fibras; (c) vista superior das fibras e (d)

detalhe da extremidade de uma fibra. As imagens foram obtidas por MEV.

A Figura 4.7 mostra imagens detalhadas da morfologia da manta de fibra de

vidro que fica posicionada entre as camadas de fibras contínuas dos compósitos

utilizados nesta pesquisa. As mantas são utilizadas no processo de fabricação do

material pultrudado para dar acabamento às peças, e têm por objetivo proteger a

superfície das fibras contra o desgaste.

60

(a)

(b)

Figura 4.7. Fotomicrografias em MEV que mostram a morfologia da manta: (a) aspectos da forma da manta; (b) detalhes das fibras que compõem a manta.

44..33.. CCaarraacctteerriizzaaççããoo ddooss CCoommppóóssiittooss ddee RReeffeerrêênncciiaa

A caracterização dos compósitos foi realizada em corpos de provas íntegros

por meio de ensaios de massa específica, fração mássica de fibra, resistência à

tração direta, módulo de elasticidade e carregamento último das juntas de ligação.

Na Tabela 4.2 estão apresentados os resultados de fração mássica de fibras

de vidro e os valores de massa específica dos compósitos éster vinílico e fenólico.

Pode-se observar que o compósito fenólico apresentou fração mássica de fibras de

vidro superior ao éster vinílico. Esse fato contribuiu para que a massa específica do

compósito fenólico fosse maior em comparação com o compósito éster vinílico. A

fração mássica de fibras de vidro para o compósito fenólico foi similar à encontrada

por Vieira (2008) e Correia et al. (2006). O compósito éster vinílico apresentou

fração mássica semelhante à obtida por Miyano et al. (2004) e superior ao

observado por Liao et al. (1999) e Kim et al. (2006).

Tabela 4.2. Valores de fração mássica de fibra de vidro e de massa específica média dos compósitos éster vinílicos e fenólicos. Os valores de desvio padrão de cada

resultado estão indicados entre parênteses.

Compósito Fração de fibras sem manta

(%)

Massa específica

(kg/m³)

Ester – REF 50 (± 1) 1827 (± 2)

Fenol – REF 60 (± 2) 2064 (± 5)

A Figura 4.8 mostra as curvas típicas tensão versus deformação dos

compósitos éster vinílico e fenólico. Pode-se observar que as curvas foram quase

61

perfeitamente lineares até a ruptura, que é comum em compósitos reforçados com

fibras de vidro. Todos os corpos de prova sofreram ruptura brusca, típica de

materiais frágeis. Pela Figura 4.8 e Tabela 4.3 verifica-se que o compósito com

resina éster vinílico apresentou valor médio de resistência à tração superior ao

compósito fenólico. Do mesmo modo foi observado que o valor médio de módulo de

elasticidade para os compósito éster vinílico foi maior que o observado para o

fenólico. O compósito éster vinílico apresentou resistência à tração e módulo de

elasticidade superiores quando comparados com estudos realizados por Vieira

(2008) com a mesma resina e semelhante teor de fibra de vidro.

Figura 4.8. Curvas tensão versus deformação dos compósitos éster vinílico e fenólico.

Tabela 4.3. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos de referência. Os valores de entre parênteses representam o desvio-

padrão.

Compósito Resistência à tração

(MPa)


(GPa)

Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)

Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)

A Figura 4.9 mostra curvas típicas de força versus deslocamento das juntas

de ligação simples. A força de ruptura do compósito éster vinílico foi maior que a do

fenólico, como se pode notar também pela Tabela 4.4. O compósito éster vinílico

rompeu por tração, como pode ser observado pela Figura 4.10. Segundo Turvey e

Wang (2007), não há redução da rigidez durante o processo de carregamento

0

80

160

240

320

400

0 5000 10000 15000

Tensão

de t

ração

(M

Pa)

Deformação específ ica (10-6)

Ester - REF

Fenol - REF

62

quando as juntas de ligação rompem por tração. Por isso, neste caso, a carga de

ruptura das juntas de ligação é também o seu carregamento último. O modo de

ruptura do compósito fenólico foi caracterizado unicamente por ruptura de

esmagamento. Pode-se notar, pela Figura 4.9, que a carga aplicada aumentou

linearmente até ocorrer a redução da rigidez, o que indica o início da ruptura por

compressão na interface de contato do parafuso do aparato experimental com o furo

do corpo de prova (Figura 4.11) devido às deformações das fibras ou delaminação

do material. Este comportamento foi também observado por Turvey e Wang (2007)

para os compósitos com resina poliéster.

Figura 4.9. Curvas típicas força versus deslocamento em ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos estudados.

Tabela 4.4. Valores da força máxima nas juntas de ligação e o desvio padrão.

Compósito Força máxima (kN) Deslocamento de pico (mm)

Ester – REF 14,2 (± 0,7) 2,3

Fenol – REF 2,9 (± 0,3) 0,8

(a)

(b)

Figura 4.10. Compósito éster vinílico (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.

0

3

6

9

12

15

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Ester - REF

Fenol - REF

63

(a)

(b)

Figura 4.11. Compósito fenólico (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.

A Figura 4.12 mostra as microfotografias realizadas por MEV dos

compósitos de referência éster vinílicos e fenólicos. As Figura 4.12 (a) e (b)

apresentam as superfícies íntegras dos compósitos éster vinílico e fenólico,

respectivamente. O compósito éster vinílico apresentou uma superfície lisa,

enquanto o fenólico revelou uma superfície mais áspera. As Figura 4.12 (c) e (d)

mostram as fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos éster vinílico e

fenólico, respectivamente. Aparentemente, observou-se que a resina éster vinílica

manteve-se mais aderida às fibras de vidro que para a resina fenólica. As Figura

4.12 (e) e (f), por sua vez, mostram as seções fraturadas dos compósitos éster

vinílico e fenólico, respectivamente, onde pode-se observar que o compósito éster

vinílico, que rompeu por tração, apresentou deslocamento fibra-resina, ruptura e

arrancamento de fibras. No compósito fenólico que apresentou ruptura por

compressão notou-se um esmagamento da resina e das fibras, típico para este

modo de ruptura.

64

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 4.12. Fotomicrografias em MEV: (a) superfície do compósito éster vinílico de referência, (b) superfície do compósito fenólico de referência, (c) fibra do compósito

éster vinílico de referência, (d) fibra do compósito fenólico de referência, (e) modo de ruptura por tração do compósito éster vinílico e (f) modo de ruptura por compressão

do compósito fenólico.

Fibras

65

Todos os resultados apresentados neste item serão utilizados como

referência para verificar a influência dos diferentes ambientes de degradação na

variação da resistência mecânica dos compósitos no tempo, como será discutido

nos próximos itens.

44..33..11.. AAvvaalliiaaççããoo ddooss CCoommppóóssiittooss EExxppoossttooss aa CCiiccllooss ddee RRaaddiiaaççããoo UUllttrraavviioolleettaa--

CCoonnddeennssaaççããoo

A Figura 4.13 apresenta a variação de massa pela raiz quadrada do tempo

para os compósitos éster vinílicos e fenólicos durante a exposição contínua aos

ciclos UV/condensação. É possível observar que a exposição acarreta uma ligeira

perda de massa para ambos os compósitos. Especificamente, perdas de massa

iguais a 0,3% e 0,8% foram observadas para os compósitos éster vinílicos e

fenólicos, respectivamente, após 480 ciclos de exposição. Valores similares de

variação de massa foram observados por Rodrigues (2007) em estudo sobre a

degradação por UV de um compósito com resina ortoftálica reforçada com fibras de

vidro.

Figura 4.13. Variação de massa dos compósitos éster vinílico e fenólico durante o período de exposição na câmara UV/condensação.

A Tabela 4.5 apresenta valores de resistência à tração e de módulo de

elasticidade dos compósitos submetidos aos ciclos de UV/condensação. A Figura

4.14 apresenta as curvas tensão versus deformação dos compósitos de referência e

submetidos aos ciclos UV/condensação, mostrando uma queda da resistência dos

compósitos após a degradação. Com base nos valores obtidos pode-se observar

y = -0,019xR² = 0,79

y = -0,0358xR² = 0,50

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

0 2 4 6 8 10 12

Variação

de m

assa (

%)

Tempo de exposição1/2 (dias1/2)

Éster-vinílico

Fenólico

66

uma redução de cerca de 8% dos valores de resistência para o compósito éster

vinílico e 15% para o fenólico quando comparados com os corpos de prova de

referência (Tabela 4.5). Contudo, não houve variação expressiva entre 160 e 480

ciclos completos de exposição, que são equivalentes a 960 e 2880 horas,

respectivamente. Uma redução similar foi observada por Correia et al. (2006) em

compósitos com matriz isoftálica após cerca de 2000 horas de exposição ao UV e

por Rodrigues (2007) em compósitos com matriz poliéster ortoftálica, por um período

de 1512 horas de exposição. Os compósitos éster vinílico e fenólico não

apresentaram variações expressivas nos valores de módulo de elasticidade após o

período de exposição UV/condensação.

Tabela 4.5. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos submetidos aos ciclos de UV/condensação. Os valores entre parênteses

representam o desvio-padrão.


(MPa)


(GPa)

Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)

Ester – UV160 355,6 (± 27,3) 29,9 (± 3,4)

Ester – UV320 340,9 (± 31,6) 30,4 (± 4,9)

Ester – UV480 356,1 (± 23,1) 32,2 (± 1,7)

Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)

Fenol – UV160 171,0 (± 10,9) 28,6 (± 2,2)

Fenol – UV320 189,0 (± 13,4) 30,7 (± 3,2)

Fenol – UV480 185,6 (± 24,4) 28,1 (± 1,3)

Figura 4.14. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de referência e submetidos aos ciclos UV/condensação.

0

80

160

240

320

400

480

0 5000 10000 15000

Tensão

de t

ração

(M

Pa)


Ester - REF

Ester - UV160

Ester - UV320

Ester - UV480

Fenol - REF

Fenol - UV160

Fenol - UV320

Fenol - UV480

67

A Figura 4.15 mostra curvas típicas de força versus deformação obtidas em

ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos. Neste

caso, o modo de ruptura variou entre tração e esmagamento (compressão). Essa

variação no modo de ruptura do material, que inicialmente rompeu por tração e após

480 ciclos de UV/condensação por esmagamento, pode indicar uma redução da

rigidez do material. A Figura 4.16 mostra corpos de prova rompidos e o detalhe do

modo de ruptura por tração e compressão.

Figura 4.15. Curvas força versus deslocamento dos elementos de ligação dos

compósitos éster vinílicos de referência e expostos na câmara UV/condensação ensaiados à tração.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.16. Compósitos éster vinílicos expostos em ambientes UV/condenação após 320 ciclos: (a) rompido por tração e (b) detalhe do modo de ruptura e após 480

ciclos: (c) rompido por esmagamento e (d) detalhe do modo de ruptura.

A Figura 4.17 mostra curvas típicas de forca versus deslocamento dos

corpos de prova fenólicos antes e após a exposição na câmara UV/condensação.

0

3

6

9

12

15

18

0,0 1,0 2,0 3,0

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Ester - REF

Ester - UV160

Ester - UV320

Ester - UV480

68

Nota-se que com a crescente exposição à radiação UV e condensação, os valores

da carga de ruptura aumentaram em comparação com os de referência. No entanto,

houve uma redução da carga de ruptura após 480 ciclos de exposição. O modo de

ruptura observado em todas as idades foi por exclusivamente esmagamento (Figura

4.18).

Figura 4.17. Curvas força versus deslocamento de ensaio à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólico de referência e expostos em ambiente

UV/condensação.

(a)

(b)

Figura 4.18. Compósito fenólico exposto em ambientes UV/condenação após 320 ciclos: (a) rompido por esmagamento e (b) detalhe do modo de ruptura

A Figura 4.19 compara as forças máximas obtidas nos ensaios de tração

pelos compósitos éster vinílico e fenólico antes e após o período de exposição a

raios UV/condensação. Como pode ser observado, o compósito éster vinílico

apresentou uma carga de ruptura superior ao fenólico em todos os pontos

analisados. Além disso, é possível notar que ambos os tipos de compósitos

apresentaram uma pequena redução da carga de ruptura ao final do período de

exposição. O compósito éster vinílico apresentou uma queda da carga de ruptura de

aproximadamente 3% e 7% após 160 e 480 ciclos de exposição em câmara de

UV/condensação, respectivamente, em relação à referência. Porém, aos 320 ciclos

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0 1,0 2,0 3,0

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Fenol - REF

Fenol - UV160

Fenol - UV320

Fenol - UV480

69

foi constatado aumento na carga de ruptura de cerca de 5% em relação a referência.

No compósito fenólico foram observados cargas de ruptura maiores do que a de

referência para 160 e 320 ciclos (cerca de 11% e 21%, respectivamente). Após 480

ciclos observou-se uma queda cerca de 5%, em relação à referência, no valor da

carga de ruptura. Segundo Mahieux (2006), a radiação UV pode alterar algumas

propriedades dos materiais devido à cura adicional. O autor ressalta que essas

alterações podem ser benéficas, como aumento de resistência, ou prejudiciais,

tornando o material extremamente frágil, dependendo do tipo de aplicação da carga.

(a)

(b)

Figura 4.19. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos (a) éster vinílicos e (b) fenólicos de referência e os expostos em câmara

UV/condensação.

Além das alterações mecânicas, a exposição contínua aos ciclos

UV/condensação promoveu expressivas alterações na cromaticidade dos

compósitos. A Figura 4.20 mostra mudança no formato da curva, além do aumento

14,2 13,8 14,9

13,2

0

3

6

9

12

15

18

Ester-REF Ester-UV160 Ester-UV320 Ester-UV480

Fo

rça (kN

)

Ambiente

3,0 3,3 3,62,9

0

3

6

9

12

15

18

Fenol-REF Fenol-UV160 Fenol-UV320 Fenol-UV480

Fo

rça (kN

)

Ambiente

70

do índice de reflectância, nas primeiras idades. A variação do formato da curva

comprova a mudança de cor dos corpos de prova, claramente visível a olho nu.

Houve uma alteração da tonalidade do compósito éster vinílico, que foi alterada de

cinza para um tom de amarelo. O aumento de reflectância indica que aumento de

luminosidade dos corpos de prova nas primeiras idades. Contudo, com o decorrer do

tempo de exposição a luminosidade diminuiu. A Figura 4.21 mostra claramente a

diferença de cor entre um corpo de prova íntegro (referência), ilustrada na Figura

4.21 (a), e um que sofreu degradação após 480 ciclos de UV/condensação (Figura

4.21 (b)).

Figura 4.20. Reflectância das cores dos compósitos éster vinílicos em função do comprimento de onda.

0

10

20

30

40

350 450 550 650 750 850

Refl

ectâ

ncia

(%

)

Comprimento de onda (nm)

Ester - REF

Ester - UV160

Ester - UV320

Ester - UV480

71

(a)

(b)

Figura 4.21. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílico de referência, (b) éster vinílico após 460 ciclos exposto na câmara de UV/condensação.

A Figura 4.22 mostra curvas de reflectância versus comprimento de onda

para o compósito fenólico. Através desta nota-se que com o aumento do período de

exposição houve diminuição da luminosidade, ou seja, os corpos de prova ficaram

mais escuros. Essa diferença de cor pode ser melhor observada na Figura 4.23, que

mostra o compósito de referência, com um tom marrom claro (Figura 4.23 (a)) e o

compósito após o período de exposição, com um tom marrom escuro (Figura 4.23

(b)).

Figura 4.22. Reflectância das cores dos compósitos fenólicos em função do comprimento de onda.

0

10

20

30

40

50

60

70

350 450 550 650 750 850

Refl

ectâ

ncia

(%

)


Fenol - REF

Fenol - UV160

Fenol - UV320

Fenol - UV480

72

(a)

(b)

Figura 4.23. Fotos dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após 460 ciclos exposto na câmara de UV/condensação.

A variação cromática dos compósitos éster vinílicos e fenólicos pode ser observada

na Figura 4.24, que apresenta o parâmetro de variação total de cor ∆E* (dependente

dos parâmetros ∆L*, ∆a* e ∆b*) com a evolução no tempo. A

Tabela 4.6 mostra os valores médios dos parâmetros colorimétricos dos

compósitos estudados. Foi observado que a variação cromática nos compósitos

éster vinílicos e fenólicos tendeu a se estabilizar após um longo período de

exposição. O compósito fenólico apresentou uma variação cromática superior ao

éster vinílico durante todo o periodo de exposição. Apesar da menor variação de cor,

o compósito éster vinílico, por ser mais claro, aparentou maior variação de cor pelos

raios UV. Correia et al. (2006) analisaram a variação cromática de compósito

isoftálicos expostos em câmaras de UV e obtiveram variação de cor superior ao

encontrado neste estudo para ambos os compósitos. Os autores ainda destacaram

que as variações cromáticas ocorridas pelo envelhecimento podem comprometer a

estética da estrutura, principalmente para aplicações externas. No entanto, como

pode ser observado na Figura 4.24, as maiores variações de cor ocorrem nas

primeiras idades, o que torna eventuais substituições de perfis ineficazes. Caso haja

essa preocupação, o mais indicado seria trocar o tipo de resina ou utilizar algum

revestimento.

73


após exposição UV/condensação por 160, 320 e 480 ciclos.

Tabela 4.6. Parâmetros colorimétricos dos compósitos éster vinílicos e fenólicos antes e após exposição em câmara de UV/condensação, conforme o sistema

CIELAB 1976.

L* a* b* ∆E*

Ester - REF 54,7 1,3 4,6 -

Ester – UV160 56,8 0,8 14,8 3,8

Ester – UV320 51,4 1,3 16,4 4,8

Ester – UV480 48,9 1,9 16,7 6,8

Fenol – REF 44,8 13,3 12,9 -

Fenol – UV160 37,2 14,7 16,4 6,9

Fenol – UV320 35,4 14,5 12,7 8,4

Fenol – UV480 35,4 14,5 12,7 9,5

A Figura 4.25 mostra microfotografias da superfície e de fibras de vidro

retiradas do interior dos compósitos éster vinílicos e fenólicos. Através da Figura

4.25 (a) observa-se que a superfície do compósito éster vinílico, apresenta

microfissuras, provavelmente originadas por deformações de origem térmica

promovidas durante os ciclos UV/condensação. A Figura 4.25 (b) mostra a superfície

do compósito fenólico, a qual se pode notar pequenas fissuras e desgaste da resina,

permitindo a exposição das fibras da manta de fibra de vidro. As Figura 4.25 (c) e (d)

mostram fibras de vidro dos compósitos éster vinílicos e fenólicos, respectivamente,

retiradas após os ensaios à tração das juntas. Essas fibras do interior dos

compósitos não apresentaram danos, o que evidencia que o mecanismo de

degradação por UV/condensação dos compósitos ocorreu predominantemente na

superfície.

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400 500

Var

iaçã

o T

ota

l d

e c

or

(ΔE*

)

Tempo de degradação (ciclos)

Éster vinílico

Fenólico

74

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.25. Superfície dos compósitos (a) éster vinílico, (b) fenólico após 480 ciclos na câmara UV/condensação e fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos (c)

éster vinílico e (d) fenólico expostos a raios UV/condensação.

44..33..22.. AAvvaalliiaaççããoo ddooss CCoommppóóssiittooss EExxppoossttooss eemm NNéévvooaa SSaalliinnaa

A variação de massa dos compósitos condicionados em câmara de névoa

salina foi baixa, como esperado. A Figura 4.39 mostra a variação de massa versus

raiz quadrada do tempo de exposição dos compósitos éster vinílicos e fenólicos. A

variação de massa do compósito éster vinílico foi desprezível. Para o compósito

fenólico, a curva pode ser ajustada por regressão linear. O compósito fenólico teve

um ganho de massa de aproximadamente 3,0%. Os valores de variação de massa

do compósito éster vinílico foram semelhantes ao valor encontrado por Cunha

(2004), para compósitos produzidos com resina epóxi expostos em câmara de névoa

salina. No entanto, quando comparados com os compósitos fenólicos os valores de

variação de massa de Cunha (2004) foram inferiores.

75

Figura 4.26. Variação de massa dos compósitos éster vinílico e fenólicos durante o período de exposição na câmara de névoa salina.

Os corpos de prova que foram expostos na câmara de névoa salina durante

oito ciclos (600 horas de exposição salina) não apresentaram redução expressiva na

resistência à tração para ambos os compósitos, conforme se pode observar na

Figura 4.27 e na Tabela 1.7. O mesmo foi constatado por Cunha (2004) após nove

semanas de exposição à névoa salina de compósitos de resina epóxi. O valor médio

de módulo de elasticidade permaneceu constante para o compósito éster vinílico se

comparado com o de referência. Entretanto, o compósito fenólico submetido à

exposição em névoa salina apresentou um aumento de aproximadamente 20% em

relação ao de referência (


referência e expostos em ambiente salino.

Tabela 4.7).

y = 0,0011xR² = 0,02

y = 0,2535xR² = 0,93

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14

Variação

de m

assa (

%)

Tempo de exposição1/2 (dias1/2)

Éster-vinílico

Fenólico

0

80

160

240

320

400

480

0 3000 6000 9000 12000 15000

Tensão

de t

ração

(M

Pa)


Ester - REF

Ester - NS8

Fenol - REF

Fenol - NS8

76

Figura 4.27. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de referência e expostos em ambiente salino.

Tabela 4.7. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos expostos em ambiente salino. Os valores entre parênteses representam

o desvio-padrão.

Compósito Resistência à tração (MPa) Módulo de elasticidade (GPa)

Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)

Ester – NS8 391,1 (± 43,2) 31,4 (± 4,2)

Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)

Fenol – NS8 197,1 (± 15,0) 32,7 (± 8,7)

A Figura 4.28 apresenta curvas típicas força versus deslocamento obtidas

por ensaios de tração direta nas juntas de ligação de compósitos éster vinílicos de

referência e após períodos pré-determinados em câmara de névoa salina. As curvas

são bem caracterizadas pelo seu modo de ruptura, que ocorreram por tração.

Observa-se que houve um pequeno decréscimo da carga de ruptura dos compósitos

em névoa salina em relação à referência. No entanto, não se notou uma diferença

expressiva nos períodos de exposição avaliados. Pela Figura 4.29 pode-se observar

o modo de ruptura por tração dos corpos de prova rompidos após 24 ciclos em

névoa salina e o detalhe do modo de ruptura.

0

80

160

240

320

400

480

0 3000 6000 9000 12000 15000

Tensão

de t

ração

(M

Pa)


Ester - REF

Ester - NS8

Fenol - REF

Fenol - NS8

77

Figura 4.28. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência e submetidos à névoa salina.

(a)

(b)

Figura 4.29. Compósito éster vinílico após 24 ciclos na câmara de névoa salina (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.

A Figura 4.30 mostra curvas típicas força versus deslocamento do compósito

fenólico mantido em câmara de névoa salina. Ao contrário do observado para o

compósito éster vinílico, o modo de ruptura das juntas de ligação foi exclusivamente

por esmagamento. Na Figura 4.31 é possível visualizar um corpo de prova fenólico

rompido e o detalhe do seu modo de ruptura por compressão.

0

3

6

9

12

15

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Ester - REF

Ester - NS8

Ester - NS16

Ester - NS24

78


de ligação dos compósitos fenólico de referência e submetidos à névoa salina.

(a)

(b)

Figura 4.31. Compósito fenólico após 24 ciclos na câmara de névoa salina (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.

Observou-se que os compósitos éster vinílicos e fenólicos praticamente

mantiveram a capacidade máxima de carregamento das juntas de ligação após 24

ciclos de exposição à névoa salina. O mesmo foi observado para a resistência do

material quando submetido a 8 ciclos em ambiente salino. Essa pequena variação

do valor da carga de ruptura do material pode ser confirmando pela Figura 4.32, que

compara a carga de ruptura de ambos os compósitos de referência e durante o

período de exposição em ambiente salino. Notou-se um decréscimo da carga de

ruptura do compósito éster vinílico, comparado com a referência, em todos os

período de exposição, com reduções de cerca de 13%, 4% e 8% para 8, 16 e 24

ciclos, respectivamente. O compósito fenólico apresentou uma variação muito

pequena do valor carga de ruptura máxima após 8 ciclos de exposição. Após 16

ciclos de exposição observou-se uma ligeira queda do valor da carga de ruptura

(cerca de 8%), e ao final dos 24 ciclos de exposição foi notado um ganho no valor

carga de ruptura de 9%, em relação a referência. Esse aumento de carga última

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Fenol - REF

Fenol - NS8

Fenol - NS16

Fenol - NS24

79

pode ter ocorrido devido à cura adicional do compósito fenólico. Neste caso, a

exposição dos corpos de prova em temperatura de 40°C por um período prolongado

pode ter ocasionado essa cura adicional, aumentando a resistência do material.

(a)

(b)

Figura 4.32. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos de referência e condicionados em câmara de névoa salina: (a) éster vinílicos e (b)

fenólicos.

O compósito éster vinílico apresentou uma pequena variação de cor quando

comparado com o de referência. Isso pode ser observado na Figura 4.33, que indica

aumento da reflectância com o aumento do período de exposição, ou seja, o

aumento da luminosidade. O corpo de prova éster vinílico de referência e o corpo de

prova após 24 ciclos de exposição à névoa salina, estão apresentados na Figura

4.34. Ambos apresentam cores acinzentadas muito semelhantes de difícil

comparação a olho nu.

14,2

12,1

13,913,0

0

4

8

12

16

Ester-REF Ester-NS8 Eester-NS16 Ester-NS24

Fo

rça (kN

)

Ambiente

3,0 3,0 2,8

3,3

0

4

8

12

16

Fenol-REF Fenol-NS8 Fenol-NS16 Fenol-NS24

Fo

rça (kN

)

Ambiente

80


(a)

(b)

Figura 4.34. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílico de referência e (b) éster vinílico após 24 ciclos de exposição em névoa salina.

O compósito fenólico ficou um pouco mais escuro após a exposição

prolongada em ambiente salino em comparação com o material de referência. Isso

pode ser notado na Figura 4.35, que mostra que a luz refletida diminuiu com o

aumento do tempo de exposição. Porém, conforme ilustrado na Figura 4.36, que

apresenta os compósitos de referência e os expostos a 24 ciclos à névoa salina, é

possível notar que ambos compósitos apresentaram uma tonalidade muito similar

(tons de marrom). É importante destacar que os corpos de prova mantidos na

câmara de névoa salina apresentaram algumas manchas esbranquiçadas devido ao

cloreto de sódio presente na solução.

0

10

20

30

40

350 450 550 650 750 850

Refl

ectâ

ncia

(%

)


Ester - REF

Ester - NS8

Ester - NS16

Ester - NS24

81


(a)

(b)

Figura 4.36. Foto dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após 24 ciclos de exposição em névoa salina.

A Figura 4.37 mostra a variação de cor (∆E*) para os compósitos éster

vinílicos e fenólico em função do tempo. A Tabela 4.8 apresenta os valores médios

dos parâmetros colorimétricos (∆E*, ∆L*, ∆a* e ∆b*) dos compósitos estudados. O

compósito fenólico seguiu uma tendência crescente, aparentemente linear, não

apresentando uma estabilização da variação de cor. O comportamento dos

compósitos éster vinílicos aparentou ser não linear, com tendência assintótica com o

aumento do período de exposição. A mudança de cor do compósito éster vinílico

aparentou ser maior nas primeiras idades, enquanto que para o compósito fenólico

aparentou ser gradual, ou seja, a cada ciclo analisado os corpos de prova

apresentaram uma variação semelhante ao valor medido anteriormente.

0

10

20

30

40

50

60

70

350 450 550 650 750 850

Refl

ectâ

ncia

(%

)


Fenol - REF

Fenol - NS8

Fenol - NS16

Fenol - NS24

82

Comparados com a variação total de cor após 24 ciclos de exposição a névoa

salina, o compósito fenólico apresentou uma variação de cor de 35% para 8 ciclos e

57% para 8 e 16 ciclos e o éster vinílico uma variação de cor de aproximadamente

47% e 80% após 8 e 16 ciclos de exposição a ambiente salino, respectivamente.

Figura 4.37. Variação total da cor (∆E*) dos compósitos éster vinílicos e fenólicos condicionados em câmara de névoa salina por 8,16 e 24 ciclos.

Tabela 4.8. Parâmetros colorimétricos dos compósitos éster vinílicos e fenólicos antes e após em névoa salina, conforme o sistema CIELAB 1976.

∆L* ∆a* ∆b* ∆E*

Ester - REF 54,7 1,3 4,6 -

Ester – NS8 56,8 1,1 5,0 2,2

Ester – NS16 58,3 1,2 5,9 3,7

Ester – NS24 59,3 1,0 5,3 4,6

Fenol – REF 35,5 8,2 4,5 -

Fenol – NS8 43,4 14,0 14,1 1,9

Fenol – NS16 41,7 12,8 12,2 3,2

Fenol – NS24 39,7 14,7 15,0 5,9

A Figura 4.38 mostra microfotografias das superfícies e das fibras de vidro

do interior dos compósitos éster vinílicos e fenólicos após 24 ciclos condicionados

em câmara de névoa salina. A superfície do compósito éster vinílico (Figura 4.38 (a))

apresentou desgaste e microfissuras em relação ao de referência (Figura 4.38 (a))

que estava completamente íntegro e liso. A Figura 4.38 (b) mostra a superfície do

compósito fenólico que, aparentemente, apresentou maior degradação, pois as

fibras da manta de vidro, que são utilizadas para proteger as fibras longitudinais,

ficaram mais visíveis. Além disso, observou-se microfissuras pela superfície. As

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30

Var

iaçã

o T

ota

l d

e c

or

(ΔE*

)

Tempo de degradação (ciclos)

Éster vinílico

Fenólico

83

Figura 4.38 (c) e (d) mostram as fibras de vidro do interior dos compósitos éster

vinílico e fenólico, respectivamente. Não foram observados danos nas fibras que

estavam no interior dos compósitos. Este fato pode ter ocorrido pela não

delaminação do material.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.38. Superfície dos compósitos após exposição em ambiente salino (a) éster vinílico, (b) fenólico, fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos após

expostos em névoa salina (c) éster vinílico e (d) fenólico.

44..33..33.. AAvvaalliiaaççããoo ddooss CCoommppóóssiittooss EExxppoossttooss eemm SSoolluuççããoo AAllccaalliinnaa

De acordo com Kim et al. (2006), a taxa de degradação dos compósitos

expostos em soluções alcalinas pode ser quantificada através da taxa de absorção

da solução pelo compósito. Logo, uma das maneiras de avaliar as propriedades dos

compósitos é quantificar a variação de massa no tempo. A Figura 4.39 apresenta a

variação de massa versus a raiz quadrada do tempo de exposição dos compósitos

éster vinílicos e fenólicos em solução alcalina. Observando a Figura 4.39 nota-se

que as curvas podem ser ajustadas por regressão linear e, portanto, obedecem a Lei

84

de Fick, como também foi observado por Kim et al. (2006) e Correia et al. (2006), em

estudos com compósitos isoftálicos. Como pode ser observado, as variações de

massa podem ser explicadas através do tempo de imersão. Isto pode ser observado

através dos coeficientes de determinação de 90 e 98% para os compósitos éster

vinílico e fenólico, respectivamente.

Figura 4.39. Valores de ganho de massa dos corpos de prova versus raiz quadrada

do tempo de exposição em solução alcalina.

De acordo com a Figura 4.39 nota-se que a variação da massa o compósito

fenólico foi muito superior ao éster vinílico. O compósito éster vinílico apresentou

uma variação de massa de cerca de 0,7% após 71 dias de exposição. Isso se

confirma pela equação da reta de ajuste (y = 0,068.x), onde o coeficiente angular é

muito baixo. Esse ganho de massa é semelhante ao valor encontrado por Kim et al.

(2006) e Correia et al. (2006). O compósito fenólico, por sua vez, após 71 dias,

obteve uma variação de massa considerável, de aproximadamente 15% de ganho

de massa. O compósito fenólico obteve um ganho de massa muito superior se

comparado com os autores citados anteriormente. Isso ocorreu, provavelmente, pela

alta delaminação observada para o material e que será discutida a seguir.

Na Figura 4.40 pode-se verificar que ocorreu uma delaminação expressiva

no compósito fenólico, aumentando a espessura dos perfis. Basicamente, essa

delaminação provocou também o ganho de massa, pois, a medida que a

delaminação aumentou, a penetração da solução também aumentou, permitindo que

y = 0,068xR² = 0.90

y = 1,945xR² = 0.98

-3

0

3

6

9

12

15

18

0 2 4 6 8 10

Variação

de m

assa (

%)

Tempo de imersão1/2 (dias1/2)

Ester vinílico

Fenólico

85

os hidróxidos se depositassem em torno das fibras internas, como poderá ser

observado adiante.

(a)

(b)

Figura 4.40. Delaminação dos corpos de prova após exposição em ambiente alcalino: (a) largura e (b) espessura.

Para a verificação da resistência dos corpos de prova imersos em solução

alcalina foram realizados ensaios à tração direta. Observa-se que houve redução

expressiva na resistência à tração para ambos os compósitos (Tabela 4.9). Os

corpos de prova éster vinílicos apresentaram queda de resistência de cerca de 20%

e 40% após 90 e 120 dias de exposição, respectivamente. Pela análise das curvas

tensão versus deformação, observadas na Figura 4.41 nota-se que houve perda da

linearidade em cerca de 50% da carga de ruptura após a imersão em solução

alcalina. Como o módulo de elasticidade no presente trabalho foi calculado a partir

de valores de referentes à 40% da tensão máxima (trecho elástico), não foram

observadas variações expressivas para esta propriedade para os compósitos éster

vinílicos (Tabela 4.9).

Tabela 4.9. Valores de resistência à tração e de módulo de elasticidade dos compósitos expostos em ambiente alcalino. Os valores entre parênteses

representam o desvio-padrão.


(MPa)


(GPa)

Ester – REF 394,4 (± 15,7) 30,0 (± 1,5)

Ester – AA90 316,9 (± 22,2) 29,7 (± 2,5)

Ester – AA120 241,3 (± 25,4) 30,3 (± 1,7)

Fenol – REF 201,7 (± 9,5) 27,3 (± 1,4)

Fenol – AA90 34,6 (± 4,0) 19,2 (± 2,0)

Fenol –AA120 23,7 (± 5,3) 19,2 (±1,7)

Para os corpos de prova fenólicos, a redução da resistência à tração foi muito

mais expressiva (Figura 4.41 e Tabela 4.9). Neste caso, o valor médio de resistência

foi reduzido em cerca de 80% após 90 dias de imersão, e em cerca de 90% para

86

120 dias de imersão na solução alcalina. Neste caso também foi verificada queda

significativa nos valores de módulo de elasticidade para os corpos de prova

degradados, em relação à referência, como também mostra a Tabela 4.9. Kim et al.

(2006) observaram uma redução similar da resistência em compósitos reforçados

com fibras de vidro.

Figura 4.41. Curvas tensão de tração versus deformação dos compósitos de referência e expostos em ambiente alcalino.

A Figura 4.42 mostra curvas típicas força versus deslocamento obtidas

através de ensaios à tração para os compósitos éster vinílico. O modo de ruptura

dos corpos de prova éster vinílicos imersos em solução alcalina foram,

exclusivamente por tração (Figura 4.43). Essa ruptura por tração é caracterizada

pela queda brusca da força observada na Figura 4.42. Através da mesma, nota-se

que à medida que o tempo de exposição ao ambiente alcalino aumenta, o

deslocamento de pico diminui, tornado o compósito menos dúctil.

0

80

160

240

320

400

0 5000 10000 15000

Tensão

de t

ração

(M

Pa)


Ester - REF

Ester - AA90

Ester - AA120

Fenol - REF

Fenol - AA90

Fenol - AA120

87

Figura 4.42. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência e imersos em solução

alcalina.

(a)

(b)

Figura 4.43. Compósito éster vinílico após 120 dias em imersão em solução alcalina (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.

A Figura 4.44 mostra curvas típicas de força versus deslocamento de

ensaios à tração de elementos de compósitos fenólicos expostos à solução alcalina.

A ruptura desses compósitos ocorreu, exclusivamente, por compressão, como indica

a Figura 4.45. Apesar da queda da carga máxima de ruptura com o aumento do

tempo de imersão, não houve variação considerável do deslocamento de pico nos

compósitos fenólicos se comparados com os corpos de prova de referência.

0

3

6

9

12

15

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Ester - REF

Ester - AA60

Ester - AA90

Ester - AA120

88

Figura 4.44. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólico de referência e imersos em solução alcalina.

(a)

(b)

Figura 4.45. Compósito fenólico após 120 dias em imersão em solução alcalina: (a) rompido e (b) detalhe do modo de ruptura.

A Figura 4.46 compara as forças máximas obtidas através dos ensaios de

tração nas juntas de ligação para os compósitos éster vinílico e fenólico de

referência e após imersão em solução alcalina. O compósito éster vinílico

apresentou uma carga de ruptura maior que a do fenólico, como foi observado

durante todo o estudo. Para ambos os compósitos estudados foi observado uma

redução da carga de ruptura relevante quando imersos em solução alcalina. Através

da Figura 4.46 fica evidente o decréscimo da carga de ruptura para compósitos éster

vinílicos comparados com a referência em cerca de 34%, 38% e 39% após 60, 90 e

120 dias de imersão, respectivamente. Porém, não foram observadas diferenças

expressivas entre os valores de carga de ruptura dos compósitos expostos em

ambiente alcalino comparados entre si. Para os compósitos fenólicos, por sua vez, a

carga de ruptura reduziu em aproximadamente 40%, 37% e 37% para os corpos de

prova imersos em 60, 90 e 120 dias em solução alcalina, respectivamente, em

relação à referência. Neste caso foi possível observar que houve um pequeno

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Fenol - REF

Fenol - AA60

Fenol - AA90

Fenol - AA120

89

aumento nos valores de carga de ruptura máxima com o aumento do período de

imersão. Visto isso, é importante salientar que o uso de materiais compósitos

fenólico e éster vinílico em ambientes alcalinos devem ser feito com cuidado.

(a)

(b)

Figura 4.46. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos de referência e os imersos em solução alcalina: (a) éster vinílicos e (b) fenólicos.

Os compósitos éster vinílicos de referência apresentaram uma cor

acinzentada. Após a exposição em ambiente alcalino, os compósitos éster vinílicos

adquiriram tonalidades mais claras (Figura 4.47). Este fato foi confirmado pelo

ensaio de fotocolorimetria, que indicou uma crescente intensidade de luz refletida

nos corpos de prova expostos em ambiente alcalino, como pode ser observado na

Figura 4.48. Neste caso, quanto maior foi o tempo de exposição maior foi a

reflectância, ou seja, maior foi a luminosidade. Nota-se também que não ocorreu

grande variação de cor entre as idades pré-determinadas de exposição.

14,2

9,3 8,8 8,7

0

4

8

12

16

Ester-REF Ester-AA60 Ester-AA90 Ester-AA120

Fo

rça (kN

)

Ambiente

3,0

1,8 1,9 1,9

0

4

8

12

16

Fenol-REF Fenol-AA60 Fenol-AA90 Fenol-AA120

Fo

rça (kN

)

Ambiente

90

(a)

(b)

Figura 4.47. Fotos dos corpos de prova (a) éster vinílicos de referência e (b) éster vinílicos após 120 dias em solução alcalina.


O compósito fenólico de referência apresentou cor marrom, semelhante à

madeira. Após a exposição em ambiente alcalino, os corpos de prova escureceram

(Figura 4.49), e isso foi confirmado na queda na intensidade da luz refletida pelo

equipamento de espectrofotocolorimetria. A mudança de cor foi observada para

todas as idades, com escurecimento cada vez mais pronunciado com o aumento do

tempo em imersão, como pode ser observado na Figura 4.50. No entanto, não foi

observada uma variação expressiva de cor quando os corpos de prova dos

compósitos expostos por 60, 90 e 120 dias de exposição em solução alcalina são

comparados.

0

10

20

30

40

50

350 450 550 650 750 850

Refl

ectâ

ncia

(%

)


Ester - REF

Ester - AA60

Ester - AA90

Ester - AA120

91

(a)

(b)

Figura 4.49. Fotos dos corpos de prova (a) fenólico de referência e (b) fenólico após 120 dias em solução alcalina.


A Tabela 4.10 apresenta os valores médios dos parâmetros colorimétricos

dos compósitos estudados e a Figura 4.51 mostra a variação cromática total de

ambos compósitos no tempo. Foi possível identificar que as variações de cor, dos

compósitos éster vinílico e fenólico, foram similares em relação ao tempo de imersão

em solução alcalina. Observou-se que o compósito éster vinílico, apesar de

aparentar estar mais íntegro, apresentou uma diferença total de cor maior que o

fenólico. Através da Figura 4.51, nota-se que houve uma mudança rápida de cor na

superfície dos compósitos estudados durante os primeiros 60 dias. Contudo, a partir

de 90 dias de imersão a variação total de cor dos compósitos éster vinílico e fenólico

tendeu a se estabilizar, não variando muito de cor após 120 dias de imersão. O

0

10

20

30

40

50

350 450 550 650 750 850

Refl

ectâ

ncia

(%

)


Fenol - REF

Fenol - AA60

Fenol - AA90

Fenol - AA120

92

compósito éster vinílico apresentou uma variação de cor de aproximadamente 70%

do valor total aos 60 dias e de cerca de 94% do valor final aos 90 dias. Para os

fenólicos, a variação total de cor foi de aproximadamente 72% e 91% após 60 e 90

dias, respectivamente, em relação à variação observada aos 120 dias.

Tabela 4.10. Parâmetros colorimétricos dos compósitos éster vinílicos e fenólicos antes e após degradação em solução alcalina, conforme o sistema CIELAB 1976.

L* a* b* ∆E*

Ester - REF 54,7 1,3 4,6 -

Ester - AA60 63,3 1,5 4,8 8,6

Ester - AA90 66,3 1,7 5,1 11,6

Ester - AA120 67,1 1,7 5,1 12,4

Fenol - REF 35,5 8,2 4,5 -

Fenol - AA60 35,1 5,2 7,4 4,2

Fenol - AA90 31,6 4,6 4,7 5,4

Fenol - AA120 31,6 4,8 7,1 5,9

Figura 4.51. Variação total da cor (∆E*) dos compósitos éster vinílicos e fenólicos imersos em solução alcalina após 60, 90 e 120 dias.

Através de microfotografias feitas no MEV (Figura 4.52) pode-se notar a

degradação da superfície dos compósitos quando expostas a 120 dias em solução

alcalina. A Figura 4.52 (a) apresenta desgaste superficial do compósito éster vinílico,

permitindo que a fibra da manta de vidro fique exposta na superfície. Pela Figura

4.52 (b) é possível observar, além do desgaste causado pela solução alcalina,

pequenas fissuras na superfície do compósito fenólico, provavelmente em

decorrência do grande transporte de massa no material. Através das Figura 4.52 (c)

e (d) foi possível observar o aspecto de fibras do interior dos corpos de prova de

0

2

4

6

8

10

12

14

0 50 100 150

Var

iaçã

o T

ota

l d

e c

or

(ΔE*

)

Tempo de degradação (dias)

Éster vinílico

Fenólico

93

compósitos éster vinílico e fenólico, respectivamente, após os ensaios de resistência

à tração. Neste caso foi possível constatar que as fibras de vidro do compósito éster

vinílico não sofreram alteração em contraste com a fibra do compósito fenólico. No

compósito fenólico, como dito anteriormente, foi observada delaminação, que explica

os valores elevados de ganho de massa e a expressiva redução da resistência à

tração do compósito fenólico.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4.52. Superfície dos compósitos (a) éster vinílico e (b) fenólico após imersão em solução alcalina e de fibras de vidro retiradas do interior dos compósitos (c) éster

vinílico e (d) fenólico após imersão em solução alcalina.

Na tentativa de desacoplar o efeito químico, promovido pelos íons alcalinos,

do efeito térmico, durante o ataque alcalino foram realizados ensaios em compósitos

expostos continuamente a temperatura de 40°C durante 120 dias. A Figura 4.53

mostra as curvas típicas de força versus deslocamento obtidas através de ensaios à

tração para os compósitos éster vinílico de referência e expostos em ambiente

alcalino após 120 dias e mantidos em estufa a 40°C por 120 dias. Na Figura 4.53

94

nota-se que a ausência de resistência residual e a constância na rigidez da peça

indica que a ruptura dos elementos de ligação ocorreu por tração.

Figura 4.53. Curvas força versus deslocamento de ensaio à tração nos elementos de ligação dos compósitos éster vinílicos de referência, imersos em solução alcalina e

em estufa a 40°C.

A Figura 4.54 mostra curvas típicas de força versus deslocamento de

ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólicos de referência,

dos expostos por 120 dias em solução alcalina e dos mantido em estufa a 40°C por

120 dias. A forma das curvas de força versus deslocamento, que apresentam uma

resistência residual após a ruptura com a mudança na rigidez da peça, indica que a

ruptura dos elementos de ligação ocorreu por esmagamento.

0

3

6

9

12

15

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Ester - REF

Ester - AA120

Ester - TC120

95

Figura 4.54. Curvas força versus deslocamento de ensaios à tração nos elementos de ligação dos compósitos fenólicos de referência, imersos em solução alcalina e em

estufa a 40°C.

A Figura 4.55 compara as forças máximas obtidas para os compósitos éster

vinílico e fenólico, de referência, e os compósitos mantidos em imersão em solução

alcalina e após 120 dias em estufa a 40°C. A carga máxima de ruptura variou pouco

para o compósito de referência e o mantido em estufa a 40°C. Foi observada uma

redução de cerca de 39% da carga máxima de ruptura para os compósitos éster

vinílicos expostos em solução alcalina, quando comparados com o de referência.

Para os corpos de prova que foram mantidos em estufa de 40°C por 120 dias

obtiveram uma redução de aproximadamente 14%. Observa-se que o compósito

éster vinílico quando imerso em solução alcalina apresentou seu carregamento

último consideravelmente menor se comparado com os corpos de prova mantidos a

40°C fora da solução alcalina. Os compósitos fenólicos quando mantidos em estufa

a 40°C apresentaram um aumento de aproximadamente 20% da carga de ruptura

em relação aos corpos de prova de referência. No entanto, para os corpos de prova

imersos em solução alcalina foi observada uma redução de cerca de 37% se

comparados com os de referência. O ganho de resistência na exposição ao calor,

segundo o fabricante, pode ter ocorrido pela cura adicional que os corpos de prova

sofreram quando permaneceram em estufa a 40°C por 120 dias.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Fo

rça (kN

)

Deslocamento (mm)

Fenol - REF

Fenol - AA120

Fenol - TC120

96

(a)

(b)

Figura 4.55. Gráfico das forças máximas e os desvios padrão dos compósitos (a) éster vinílicos e (b) fenólicos de referência, dos imersos em solução alcalina e dos

mantidos em estufa a 40°C.

14,2

8,7

12,2

0

4

8

12

16

Ester-REF Ester-AA120 Ester-TC120

Fo

rça (kN

)

Ambiente

3,01,9

3,6

0

4

8

12

16

Fenol-REF Fenol-AA120 Fenol-TC120

Fo

rça (kN

)

Ambiente

97


55.. CCOONNCCLLUUSSÃÃOO

De acordo com o programa experimental realizado e os resultados

apresentados no capítulo anterior é possível concluir que para os compósitos de

referência, ou seja, os que não sofrerem degradação, o éster vinílico apresentou

resistência à tração superior ao fenólico para os ensaios à tração axial e nas juntas

de ligação. Ambos os compósitos apresentaram rupturas bruscas nos ensaios de

tração axial, o que caracteriza o tipo de ruptura como frágil. Observou-se, através

dos ensaios à tração nas juntas de ligação, que o compósito éster vinílico

apresentou um modo de ruptura característico por tração diferentemente do

compósito fenólico, que rompeu exclusivamente por esmagamento.

Os dois compósitos apresentaram bom desempenho frente à exposição

prolongada a ciclos de UV/condensação. Verificou-se uma pequena perda de massa

(inferior a 1%) para os compósitos éster vinílico e fenólico. Não foram observadas

reduções expressivas nas propriedades mecânicas após o período de exposição

para ambos os compósitos. Entretanto, mudanças cromáticas consideráveis foram

observadas para os dois compósitos devido à radiação UV, sendo foi mais evidente

para o compósito éster vinílico, que adquiriu um tom amarelado após ataque.

Através de análises de microscopia eletrônica de varredura ficou evidente o

desgaste superficial dos materiais.

Os compósitos éster vinílico e fenólico apresentaram pouca variação em

suas propriedades em comparação com os materiais de referência após a exposição

prolongada em câmara de névoa salina. Neste caso, o compósito fenólico

apresentou um ganho de massa de cerca de 3%, enquanto que a variação de massa

do éster vinílico foi desprezível. Os valores de resistência à tração axial e das juntas

de ligação de ambos os compósitos não apresentaram variações expressivas em

função do tempo de exposição. Ambos os compósitos mantiveram os modos de

ruptura observados nos compósitos de referência quando foram submetidos a

98

ensaios à tração nas juntas de ligação, ou seja, o éster vinílico apresentou um modo

de ruptura por tração e o fenólico por esmagamento. A variação de cor para os dois

compósitos foi muito pequena, não perceptível a olho nu. Apenas algumas manchas

esbranquiçadas foram notadas na superfície, provavelmente causadas pelo cloreto

de sódio da solução. Porém, essas não causaram danos aos corpos de prova, que

pode ser confirmado através de microfotografias. Assim como observado na

exposição à radiação UV, as fibras internas não apresentaram evidências de

degradação.

Os dois tipos de compósitos estudados apresentaram comportamento

distinto com relação à absorção da solução alcalina. O compósito éster vinílico

variou sua massa em menos de 1% e o fenólico apresentou ganho de massa de

aproximadamente 15%, com visível delaminação do compósito. A exposição durante

120 dias em ambiente alcalino proporcionou quedas de resistência para ambos os

compósitos, principalmente para o fenólico. Foi observada uma redução significativa

da resistência axial para o compósito fenólico de aproximadamente 90% e também

redução do módulo de elasticidade. Para o compósito éster vinílico a redução de

resistência axial foi de aproximadamente 40%. Para os ensaios de tração nas juntas

de ligação foi observada uma redução semelhante para ambos os compósitos (cerca

de 40%). O modo de ruptura dos compósitos éster vinílico e fenólico não foi

modificado em relação ao modo de ruptura dos corpos de prova de referência. Para

os dois tipos de compósitos estudados foi verificada uma variação de cor

considerável. Nas análises de microscopia eletrônica de varredura verificou-se

microfissuração da superfície de ambos os compósitos com deposição acentuada de

compostos alcalinos hidratados sobre as fibras de vidro.

Os compósitos éster vinílico e fenólico, quando expostos exclusivamente em

estufa a 40 °C por 120 dias, apresentaram bom comportamento mecânico,

principalmente se comparados aos perfis compósitos que foram imersos em solução

alcalina e mantidos em estufa por um mesmo período de tempo. O compósito éster

vinílico imerso em solução alcalina apresentou redução de aproximadamente 39%

da carga máxima de ruptura. Os corpos de prova que foram mantidos somente em

estufa obtiveram uma redução de cerca de 14%, em relação ao de referência. Para

o compósito fenólico observou-se uma redução da carga de ruptura de quase 38%

quando imerso em solução alcalina, enquanto os corpos de prova mantidos apenas

99

em estufa apresentaram um aumento da carga máxima em aproximadamente 20%

em relação aos corpos de prova de referência.

Dentre os ambientes de degradação avaliados, o ambiente alcalino foi o

mais severo, principalmente para o compósito fenólico. Com isso é possível concluir

que o emprego de compósitos éster-vinílico e fenólico em ambientes alcalinos

requer cuidados especiais. Para a exposição destes compósitos em ambientes com

UV/condensação e com névoa salina a preocupação é mais estética, pois não foram

observadas reduções pronunciadas nas propriedades mecânicas.

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