INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA - Exército Brasileiro

MINISTÉRIO DA DEFESA

EXÉRCITO BRASILEIRO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CURSO DE DOUTORADO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS

CARACTERIZAÇÃO DO COMPÓSITO EPÓXI-FIBRA DE MALVA

PARA EMPREGO EM BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA

Maj QEM LUCIO FABIO CASSIANO NASCIMENTO

Rio de Janeiro

2017


Maj QEM LUCIO FABIO CASSIANO NASCIMENTO

CARACTERIZAÇÃO DO COMPÓSITO EPÓXI-FIBRA DE MALVA

PARA EMPREGO EM BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA

Tese de doutorado apresentada ao Curso de Doutorado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Ciências em Ciência dos Materiais. Orientadores: Profº Luís Henrique Leme Louro – Ph.D.

Profº Sérgio Neves Monteiro – Ph.D.

Rio de Janeiro

2017

2

c2017


Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha

Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270

Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-

lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer

forma de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre

bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que

esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações,

desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica

completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e

do(s) orientador(es).

620.1

Nascimento, Lucio Fabio Cassiano

N244c Caracterização do compósito epóxi-fibra de malva para emprego em blindagem balística multicamada / Lucio Fabio Cassiano Nascimento; orientado por Luís Henrique Leme Louro; Sérgio Neves Monteiro – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2017. 178p.: il. Tese (Doutorado) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2017. 1. Curso de Ciência dos Materiais – teses e dissertações. 2. Balística. 3. Compósitos. 4. Fibras Naturais. I. Louro, Luís Henrique Leme. II. Monteiro, Sérgio Neves. III. Título. IV. Instituto Militar de Engenharia.

3

4

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, agradeço a Deus, por todas as bênçãos que tenho recebido e

pela força nos momentos mais difíceis desta caminhada.

A meus pais Lucio e Jussara pelas orações, amizade e carinho durante toda

minha vida. Obrigado por tudo! Amo vocês!

A minha amada esposa Ana Paula e aos meus filhos Lucio Henrique e Paulo

Eduardo, por preencherem minha vida com alegria e amor. Vocês foram o fôlego

que eu recebia diariamente nos diversos momentos desta jornada. Amo muito

vocês, hoje e sempre!

Ao meu irmão Rafael, pela amizade e carinho, pois mesmo fisicamente distante,

em função do trabalho, sempre esteve comigo nesta e em outras caminhadas. Valeu

irmão!

A toda minha família do Rio de Janeiro e Juiz de Fora: avós, tios(as), primos(as),

sogra, cunhados(as), pela amizade e por sempre acreditarem nos meus estudos.

Obrigado!

Aos meus orientadores, Luis Henrique e Sérgio Neves, por todas as discussões

científicas, congressos que pude participar, artigos publicados, conhecimento e

experiência passados, mas principalmente pela amizade, compreensão e por todo o

apoio e estímulo. Muito obrigado!

Aos demais professores membros da banca: André Ben-Hur, Rubens Marçal,

Igor Margem, Maria Aparecida e Luís Carlos, pelas sugestões e apoio na realização

da tese.

Aos professores do programa de pós-graduação em Ciência dos Materiais do

IME, pelo carinho no meu retorno a esta casa e pelos ensinamentos de ontem e

hoje. Obrigado!

Aos amigos de longa data da IMBEL/FJF e do IME: Motta, Milanezi e Aline, pela

amizade, cafezinhos e ótimos momentos desde os tempos de Juiz de Fora. Meu

muito obrigado!

Aos amigos civis e militares que conheci no IME: José Celestino, Jesus, Gaspar,

Alberto, Simão, Édio, Rubens, Daniel, Jheison, Camila, Gisele, Renato e Bruna,

dentre outros, que foram fundamentais pelo apoio, companheirismo e risadas

diárias. Minha eterna gratidão!

5

Aos amigos do grupo de fibras naturais: Fernanda, Fábio, Foluke, Arthur e Noan,

pela amizade, congressos, artigos e discussões sempre produtivas sobre os

trabalhos do grupo. Valeu muito por tudo!

Aos amigos Joel, Flávio, Leonardo, Irani e Anderson, do IME e Filipe da UFRJ:

pela ajuda na microscopia eletrônica, nos ensaios mecânicos e nos mais diversos

problemas do dia-a-dia.

Ao amigo Ten Montez do IME: por toda amizade, conhecimento e apoio nas

diversas situações administrativas que pareciam insolúveis, mas que foram

resolvidas, facilmente, graças à sua intervenção. Você é um exemplo de profissional.

Muito obrigado!

Ao CAEx (Centro de Avaliações do Exército), em especial ao TC Malizia,

Capitão D’megeon e à equipe da linha IV, por toda boa vontade e disponibilidade na

realização dos ensaios balísticos.

Ao IMA/UFRJ (Instituto de Macromoléculas), em especial a Dalva e ao Bruno

pelo apoio nos ensaios de DMA. Muito obrigado!

Ao IPqM (Instituto de Pesquisas da Marinha), especialmente à Cida, Jairo e

Arnaldo, pela ajuda nos ensaios de ultrassom e TGA.

Ao IEN (Instituto de Engenharia Nuclear), em especial ao Mantovano, pelos

ensaios de DRX e todo apoio nas análises.

A CAPES (Coordenação de Apoio à Pessoal de Ensino Superior), pelo suporte

financeiro deste projeto.

6

SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES.................................................................................... 9

LISTA DE TABELAS............................................................................................. 17

LISTA DE ABREVIATURAS................................................................................. 21

1. INTRODUÇÃO.................................................................................... 24

1.1 Considerações Gerais........................................................................ 24

1.2 Justificativa do Trabalho..................................................................... 27

1.3 Objetivo do Estudo.............................................................................. 28

1.3.1 Objetivo Geral..................................................................................... 28

1.3.2 Objetivos Específicos.......................................................................... 29

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................................. 31

2.1 Sistemas de Blindagem Balística........................................................ 31

2.2 Materiais Poliméricos.......................................................................... 34

2.2.1 Conceitos Gerais................................................................................. 34

2.2.2 Resina Epóxi e sua Aplicação em Compósitos................................... 37

2.2.3 Fibras Naturais Lignocelulósicas (FNLs)............................................. 39

2.2.3.1 A Fibra de Malva................................................................................. 43

2.3 Materiais Cerâmicos............................................................................ 47


2.3.2 Alumina (Al2O3) Aditivada com Nióbia (Nb2O5)................................... 49

2.3.3 Processamento Cerâmico................................................................... 49

2.4 Materiais Compósitos.......................................................................... 51


2.4.2 Compósitos Poliméricos Reforçados com Fibras de Malva................ 54

2.5 Mecanismos de Fratura de Compósitos Poliméricos Reforçados

com Fibras........................................................................................... 57

2.6 Comportamento Dinâmico dos Materiais............................................ 57

2.7 Interação e Reflexão de Ondas de Choque........................................ 62

3. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................. 67

3.1 Aspectos Gerais.................................................................................. 67

7

3.2 Materiais Utilizados............................................................................. 68

3.2.1 Alumina (Al2O3) e Nióbia (Nb2O5)........................................................ 68

3.2.2 Polietileno Glicol (PEG)....................................................................... 68

3.2.3 Fibras de Malva................................................................................... 69

3.2.4 Resina Epóxi....................................................................................... 71

3.2.5 Placas de Liga de Alumínio (Al 5052 H34).......................................... 71

3.3 Métodos Propostos............................................................................. 72

3.3.1 Preparação dos Corpos Cerâmicos.................................................... 72

3.3.1.1 Medições dos Corpos Cerâmicos....................................................... 76

3.3.2 Fabricação dos Compósitos de Epóxi-Malva...................................... 77

3.3.3 Montagem da Blindagem Multicamadas............................................. 79

3.3.4 Ensaios Balísticos............................................................................... 80

3.3.5 Picnometria Gasosa............................................................................ 84

3.3.6 Ensaio de Impacto Charpy e Izod....................................................... 86

3.3.7 Ensaio de Tração................................................................................ 88

3.3.8 Ensaio de Flexão................................................................................. 91

3.3.9 Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)...................................... 92

3.3.10 Análise Termogravimétrica (TGA)....................................................... 93

3.3.11 Análise Dinâmico-Mecânica (DMA)..................................................... 93

3.3.12 Análise por Técnica de Excitação por Impulso................................... 94

3.3.13 Difração de Raios X (DRX)................................................................. 95

3.3.14 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)....................................... 96

3.3.15 Análise Estatística............................................................................... 97

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES........................................................ 100

4.1 Ensaios Balísticos............................................................................... 100

4.1.1 Camada Frontal Cerâmica.................................................................. 100

4.1.2 Camada Intermediária Compósita....................................................... 101

4.1.3 Ensaios Balísticos sobre a Plastilina................................................... 102

4.1.4 Ensaios Balísticos de Velocidade Residual........................................ 110

4.2 Interações das Ondas de Choque nas Blindagens Multicamadas...... 118

4.3 Picnometria Gasosa............................................................................ 124

4.4 Ensaios de Impacto Charpy e Izod..................................................... 125

4.4.1 Ensaio de Impacto Charpy.................................................................. 125

8

4.4.2 Ensaio de Impacto Izod....................................................................... 131

4.5 Ensaio de Tração................................................................................ 136

4.6 Ensaio de Flexão................................................................................. 143

4.7 Análise por Técnica de Excitação por Impulso................................... 148

4.8 Difração de Raios X (DRX)................................................................. 149

4.9 Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)...................................... 151

4.10 Análise Termogravimétrica (TGA)....................................................... 158

4.11 Análise Dinâmico-Mecânica (DMA)..................................................... 161

5. CONCLUSÕES................................................................................... 165

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS................................. 170

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................... 171

9

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIG. 1.1 Esquemático de SBMs (Adaptado de LUZ, 2014).......................... 26

FIG. 2.1 Trauma do projétil medido por indentação no material de

referência (plastilina). Fonte: Adaptado da NIJ 0101.06 (2008) e

BRAGA, 2015................................................................................. 33

FIG. 2.2 Esquema de classificação para as moléculas poliméricas

(CALLISTER e RETHWISCH, 2012).............................................. 35

FIG. 2.3 Reação de produção da resina epóxi (RODRIGUES, 1991)

(adaptado)...................................................................................... 38

FIG. 2.4 Representação esquemática de uma fibra (JOHN e THOMAS,

2008) (adaptado)............................................................................ 40

FIG. 2.5 (a) Hastes de feixe de fibras de malva, (b) Aplicação em sacaria

de café, (c) Fibras e produtos de malva prontos para

comercialização (MARGEM, 2013) (adaptado).............................. 43

FIG. 2.6 (a) Fibra de vidro e (b) Fibra de malva (MARGEM, 2013)............. 44

FIG. 2.7 Feixes de malva em solução de hidróxido de sódio (MESQUITA,

2013) (adaptado)............................................................................ 45

FIG. 2.8 Processamento das fibras de malva. (a) Corte das hastes, (b)

Descorticagem, (c) Maceração, (d) Secagem, (e) Enfardamento

e (f) Fiação e tecelagem................................................................. 46

FIG. 2.9 Classificação dos materiais cerâmicos com base na sua

aplicação (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).............................. 48

FIG. 2.10 Etapas básicas do processamento cerâmico................................. 50

FIG. 2.11 Corpos cerâmicos produzidos no IME para fins de testes

balísticos ........................................................................................ 51

FIG. 2.12 Esquema de classificação para os vários tipos de compósitos

(CALLISTER e RETHWISCH, 2012).............................................. 53

FIG. 2.13 Ruptura de compósitos de matriz poliéster com diferentes

frações volumétricas de fibras de malva após ensaio de impacto

(MARGEM, 2013)...........................................................................

55

FIG. 2.14 Fratura por impacto de corpo de prova com 30% em volume de

fibras de malva (MARGEM, 2013)..................................................

56

10

FIG. 2.15 Diferentes tipos de arranjo de fibras: (a) simples; (b) sarja; (c)

cetim; (d) cesta; e (e) leno (JOHN e THOMAS, 2008)................... 56

FIG. 2.16 Mecanismos de falha em materiais compósitos reforçados por

fibras (ANDERSON, 1995)............................................................. 57

FIG. 2.17 Curva tensão (σ) versus deformação (ε) (MEYERS, 1994)........... 59

FIG. 2.18 Esquema para modelar matematicamente a propagação de

ondas de choque: (a) Antes do choque; (b) Após um tempo t1; (c)

Após um tempo t2 > t1 (MEYERS, 1994) (adaptado)...................... 60

FIG. 2.19 Sequência de etapas (a) antes, (b) durante e (c) após o choque

entre as superfícies em estudo (MEYERS, 1994) (adaptado)....... 63

FIG. 2.20 Transferência de onda de choque de um meio de baixa

impedância para outro de alta impedância. a) Gráfico de Pressão

versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão nos

materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994)

(adaptado)...................................................................................... 65

FIG. 2.21

FIG. 3.1

Transferência de onda de choque de um meio de alta

impedância para outro de baixa impedância. a) Gráfico de

Pressão versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão

nos materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994)

(adaptado)......................................................................................

Fibras de malva: a) “in natura” e b) na forma de tecido.................

66

70

FIG. 3.2 Fibras de malva submetidas ao tratamento de mercerização........ 71

FIG. 3.3 Placa de alumínio utilizada no SBMs............................................. 71

FIG. 3.4a Balança de precisão GEHAKA, modelo BK300............................. 72

FIG. 3.4b Moinho de bolas de alumina, modelo MA-500 e bolas de

moagem de alumina....................................................................... 72

FIG. 3.5 Estufa da marca ELKA................................................................... 73

FIG. 3.6 Almofariz e pistilo para maceração................................................ 73

FIG. 3.7 Agitador para areias finas............................................................... 73

FIG. 3.8 Conjunto pistão-matriz camisa flutuante........................................ 74

FIG. 3.9 Prensa hidráulica motorizada, NOWAK (LUZ, 2014)..................... 74

FIG. 3.10 Forno INTI FE1700 utilizado para sinterização do "corpo verde"... 75

FIG. 3.11 Corpos cerâmicos obtidos após processo de sinterização............ 75

11

FIG. 3.12 Matriz metálica para confecção de placas compósitas.................. 78

FIG. 3.13 Prensa SKAY de 30 ton.................................................................. 78

FIG. 3.14 Placas compósitas com percentuais de fibras "in natura" de 0 a

30% s/ tratamento e 30% c/ tratamento (Mercerização - 5%

NaOH, 24 h e sem agitação).......................................................... 79

FIG. 3.15 Sistema de blindagem multicamadas (SBMs) montado................. 79

FIG. 3.16 Esquemático dos SBMs montados sobre a plastilina (LUZ, 2014)

(adaptado)......................................................................................

80

FIG. 3.17 Armação do suporte de tiro preenchido com plastilina................... 81

FIG. 3.18 Sistema de blindagem multicamadas apoiado na plastilina........... 81

FIG. 3.19 Medida do trauma (indentação) na plastilina.................................. 81

FIG. 3.20 (a) Aparato para medição da velocidade residual; (b) Radar

dopller, modelo SL-520P do CAEX (LUZ, 2014) (adaptado).......... 83

FIG. 3.21 Munição 7,62 mm M1..................................................................... 83

FIG. 3.22 (a) Provete calibre 7,62 mm com mira laser; e (b) Esquema do

sistema utilizado com barreira óptica modelo B471 da HPI (DA

SILVA, 2014; LUZ, 2014)............................................................... 83

FIG. 3.23 Picnômetro de hélio ULTRAPYCNOMETER 1000 pertencente ao

Instituto Nacional de Tecnologia (INT)........................................... 85

FIG. 3.24 (a) Pêndulo PANTEC, Modelo XC-50, 1 x 220 V x 60 Hz,

pertencente ao LAMAV/UENF; (b) Pêndulo PANTEC, Modelo

CH/IZ-25, 220 V x 60 Hz e (c) Brochadeira manual PANTEC,

pertencentes ao IME...................................................................... 87

FIG. 3.25 Corpos de prova de compósito de epóxi reforçado com fibras de

malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0 a 30%v/v. a)

Ensaio Charpy; b) Ensaio Izod....................................................... 87

FIG. 3.26 a) Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao

LME/IME; b) Máquina universal de ensaios INSTRON 3365

pertencente ao LNDC/UFRJ........................................................... 88

FIG. 3.27 (a) Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva

contínuas e alinhadas; (b) Moldes de silicone utilizados para

confecção de corpos de prova para ensaio de tração....................

89

12

FIG. 3.28

(a) Máquina de corte a laser LC 1390, da G-WEIKE, pertencente

ao LNDC/UFRJ; (b) Detalhe da ferramenta de corte a laser e um

grupo de amostras produzidas para ensaio de tração...................

89

FIG. 3.29 Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva nos

percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v cortados a laser para ensaio

de tração.........................................................................................

89

FIG. 3.30 Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao

LNDC/UFRJ.................................................................................... 91

FIG. 3.31 Corpos de prova de compósitos epoxídicos reforçados com 0,

10, 20 e 30%v/v de fibras de malva contínuas e alinhadas para

ensaio de flexão em três pontos.....................................................

92

FIG. 3.32 Equipamento Netzsch modelo DSC 404 F1 Pegasus,

pertencente ao IME........................................................................ 92

FIG. 3.33 Equipamento Shimadzu modelo DTG-60, pertencente ao IPqM... 93

FIG. 3.34 Equipamento TA Instruments, modelo DMA Q800, pertencente

ao IMA/UFRJ.................................................................................. 94

FIG. 3.35 Analisador de excitação por impulso Sonelastic® pertencente ao

GTM/IPqM...................................................................................... 95

FIG. 3.36 (a) Difratômetro Shimadzu, modelo XRD-6000, pertencente ao

IEN/UFRJ; (b) Detalhe interno do difratômetro.............................. 96

FIG. 3.37 a) Microscópio eletrônico de varredura, modelo Quanta FEG

250, da FEI; b) Microscópio eletrônico de varredura, modelo

JSM-5800LV, da JEOL................................................................... 97

FIG. 3.38 a) Sistema de deposição de alto vácuo, LEICA, modelo EM

ACE600 (LUZ, 2014); b) Detalhe de amostras após recobrimento

de ouro........................................................................................... 97

FIG. 4.1 MEV da superfície de fratura cerâmica após ensaio balístico

(aumento de 10000x)..................................................................... 101

FIG. 4.2 Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido

de malva (30%v/v de fibras). (a) Antes do impacto; (b) Após o

impacto...........................................................................................

104

13

FIG. 4.3 Blindagem multicamadas com compósito reforçado com fibras

de malva contínuas e alinhadas (30%v/v de fibras). (a) Antes do

impacto; (b) Após o impacto...........................................................

104


híbrido malva/juta (70%/30%p) – (30%v/v de fibras). a) Antes do

impacto; b) Após o impacto............................................................ 105


híbrido malva/juta (50%/50%p) – (30%v/v de fibras). a) Antes do

impacto; b) Após o impacto............................................................ 105

FIG. 4.6 (a) Partículas cerâmicas aderidas ao compósito de epóxi

reforçado com tecido híbrido malva/juta (50%/50%p); (b)

Microscopia eletrônica de varredura da FIG. 4.6(a)....................... 106

FIG. 4.7 Espectroscopia de energia dispersiva da FIG. 4.6......................... 106

FIG. 4.8 (a) Compósito 100% epóxi (400x); (b) Compósito epóxi reforçado

com tecido de malva (30%v/v de fibras) (500x); (c) Compósito

epóxi reforçado com fibras de malva (30%v/v de fibras) (400x);

(d) Compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido híbrido

malva/juta (70%/30%p) (300x); (e) Compósito epóxi reforçado

com 30%v/v de tecido híbrido malva/juta (50%/50%p) (500x).......

107

FIG. 4.9 Gráfico de pontos experimentais do compósito epóxi reforçado

com 30%v/v de tecido 100% malva................................................

111

FIG. 4.10 Gráfico do casamento de impedâncias na blindagem

multicamadas com compósito epóxi-malva como camada

intermediária................................................................................... 120

FIG. 4.11 Energia de impacto Charpy versus percentuais de fibras de

malva.............................................................................................. 127

FIG. 4.12 Corpos de prova fraturados após ensaio de impacto Charpy. (a)

0%v/v de fibras; (b) 10%v/v de fibras; (c) 20%v/v de fibras; (d)

30%v/v de fibras sem tratamento; (e) 30%v/v de fibras tratadas

com NaOH a 5%, 24h e sem agitação (CP4).................................

127

FIG. 4.13 (a) Compósito epóxi com 0% de fibras de malva (90x); (b)

Compósito com 10% de fibras de malva (400x).............................

128

14

FIG. 4.14 (a) Compósito epóxi com 20% de fibras de malva (400x); (b)

Detalhe da fibra de malva no compósito com 20% de fibras

(2065x)...........................................................................................

129

FIG. 4.15 (a) Compósito epóxi reforçado com 30% de fibras de malva não

tratadas (100x); (b) Compósito epóxi reforçado com 30% de

fibras de malva mercerizadas (NaOH a 5%, 24h e sem agitação)

(400x)............................................................................................. 129

FIG. 4.16 Energia de impacto Izod versus percentuais de fibra de

malva.............................................................................................. 133

FIG. 4.17 Corpos de prova nos percentuais de reforço de fibras de malva

de 0%, 10%, 20% e 30%v/v fraturados após ensaio de impacto

Izod................................................................................................. 133

FIG. 4.18 Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura

dos compósitos reforçados com fibras de malva após ensaio de

impacto Izod (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20%; (d) 30%v/v de

fibras............................................................................................... 134

FIG. 4.19 Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de

malva atuando como reforço em compósitos de matriz epoxídica

produzidos a partir de moldes de silicone......................................

137

FIG. 4.20 Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de

malva atuando como reforço em compósitos de matriz epoxídica

produzidos a partir de placas de compósitos................................. 138

FIG. 4.21 Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com

fibras de malva, produzidos a partir de moldes de silicone, após

ensaio de tração.............................................................................. 139


fibras de malva, produzidos a partir de placas compósitas, após

ensaio de tração.............................................................................. 139


dos corpos de prova produzidos a partir de placas compósitas

cortadas a laser, após ensaio de tração (500x). (a) 0%; (b) 10%;

(c) 20% e (d) 30%v/v de fibras........................................................

140

15

FIG. 4.24 Variação da resistência à flexão com percentuais de fibras de

malva atuando como reforço em compósitos de matriz

epoxídica.........................................................................................

143

FIG. 4.25 Variação do módulo de elasticidade com percentuais de fibras de

malva atuando como reforço em compósitos de matriz

epoxídica.........................................................................................

144


fibras de malva nos percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v,

após ensaio de flexão em 3 pontos................................................ 144


dos compósitos reforçados com fibras de malva, após ensaio de

flexão (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de fibras......

145

FIG. 4.28 Variação do módulo de elasticidade longitudinal com os

percentuais de fibras de malva atuando como reforço em

compósitos de matriz epoxídica...................................................... 149

FIG. 4.29 Difratograma de fibras de malva não tratadas................................ 151

FIG. 4.30 Difratograma de fibras de malva tratadas com NaOH a 5%, por

24h e sem agitação – CP4(S/A)...................................................... 151

FIG. 4.31 Curva DSC para as fibras de malva, tecidos híbridos malva/juta

nas proporções 70%/30%, 50%/50% e tecido 100% juta............... 152

FIG. 4.32 Curva DSC e DDSC para as fibras de malva não tratadas............ 152

FIG. 4.33 Curva DSC e DDSC para as fibras de malva tratadas com NaOH

a 5% por 24h................................................................................... 153

FIG. 4.34 Curvas DSC para resina epóxi DGEBA-TETA nas taxas de

aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min para determinação de parâmetros

cinéticos de cura............................................................................. 154

FIG. 4.35 Curvas DSC para o compósito epóxi reforçado com 20%v/v de

fibras de malva nas taxas de aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min para

determinação de parâmetros cinéticos de cura.............................. 154

FIG. 4.36 Curva isotérmica de DSC a 25°C para a resina epóxi DGEBA-

TETA............................................................................................... 156

FIG. 4.37 Curva isotérmica de DSC a 25°C para o compósito de epóxi

reforçado com 20%v/v de fibras de malva......................................

156

16

FIG. 4.38 Curva TGA para a resina epóxi DGEBA-TETA .............................. 158

FIG. 4.39 Curva TGA para as fibras de malva não tratadas........................... 159

FIG. 4.40 Curva TGA para o compósito epóxi reforçado com 30%v/v de

fibras de malva................................................................................

160

FIG. 4.41 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo

de perda (E’’) e tanδ para amostra com 0%v/v de fibras de

malva...............................................................................................

161



malva............................................................................................... 162



malva............................................................................................... 163



malva............................................................................................... 164

17

LISTA DE TABELAS

TAB. 2.1 Classificação dos níveis de proteção em blindagens balísticas....... 32

TAB. 2.2 Características e aplicações de alguns polímeros termoplásticos e

termofixos (CALLISTER e RETHWISCH, 2012) (adaptado)............ 37

TAB. 2.3 Propriedades das resinas epoxídicas............................................... 39

TAB. 2.4 Propriedades mecânicas de algumas FNLs..................................... 42

TAB. 2.5 Propriedades físicas e mecânicas das fibras de malva.................. 44

TAB. 2.6 Comparativo da resistência ao impacto e absorção de umidade

para compósitos fabricados com fibras de malva com e sem

tratamento com anidrido maleico..................................................... 46

TAB. 2.7 Valores de tenacidade ao impacto de compósitos reforçados com

FNLs................................................................................................. 55

TAB. 3.1 Análise química da alumina.............................................................. 68

TAB. 3.2 Análise química da nióbia................................................................. 68

TAB. 3.3 Tipos de amostras produzidas pela variação dos parâmetros de

mercerização.................................................................................... 70

TAB. 3.4 Especificações da placa de alumínio............................................... 72

TAB. 3.5 Características e objetivos dos compósitos de epóxi-fibras de

malva................................................................................................ 78

TAB. 3.6 Grupos propostos para ensaios balísticos (indentação na

plastilina).......................................................................................... 81

TAB. 3.7 Grupos propostos para ensaios balísticos (velocidade residual)..... 82

TAB. 3.8 Grupos propostos para ensaios Charpy e Izod................................ 86

TAB. 3.9 Características dos grupos de amostras para ensaio de tração...... 90

TAB. 3.10 Parâmetros estatísticos utilizados na análise de variância

(ANOVA)........................................................................................... 98

TAB. 4.1 Propriedades das amostras cerâmicas à base de alumina/nióbia

sinterizadas...................................................................................... 100

TAB. 4.2 Massa específica dos compósitos e das fibras obtidos

geometricamente e por regra das misturas...................................... 102

18

TAB. 4.3 Resultados de testes balísticos para medição do trauma sobre a

plastilina............................................................................................

103

TAB. 4.4 Análise de variância das profundidades médias produzidas na

plastilina pelo impacto de projétil 7,62mm nos SBMs da TAB. 4.3.. 107

TAB. 4.5 Avaliação do peso e do custo dos diferentes SBMs........................ 109

TAB. 4.6 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia

absorvida e velocidade limite para cada componente do sistema

de blindagem multicamadas............................................................. 112

TAB. 4.7 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia

absorvida e velocidade limite para cada componente do sistema

de blindagem multicamadas obtidos por outros autores.................. 113

TAB. 4.8 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os

compósitos epoxídicos reforçados com tecido de malva ou híbrido

com juta............................................................................................ 115

TAB. 4.9 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os

compósitos epoxídicos reforçados com fibras de malva contínuas

e alinhadas....................................................................................... 116

TAB. 4.10 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da

energia absorvida (Eabs), pelos compósitos reforçados com fibras

de malva de 0 a 30%v/v e tecido de aramida (16 camadas), após

ensaio balístico de velocidade residual e aplicação do teste de

Tukey................................................................................................ 117

TAB. 4.11 Valores tabelados da velocidade da onda de choque e dos

parâmetros característicos dos materiais utilizados nos SBMs....... 119

TAB. 4.12 Valores da massa específica, módulo de elasticidade e da onda

elástica dos compósitos epóxi-malva e híbridos epóxi-

malva/juta......................................................................................... 119

TAB. 4.13 Valores da velocidade de partícula (Up), pressão nas interfaces

(P), velocidade de onda de choque (Us) e a natureza da onda de

choque ao longo dos SBMs.............................................................. 121

TAB. 4.14 Valores de massa específica, velocidade de onda (Us) e

impedância média de choque nas interfaces da blindagem

multicamadas................................................................................... 122

19

TAB. 4.15 Porosidade aberta e teor de celulose das fibras naturais de malva,

hemp, sisal, juta e kapok.................................................................. 125

TAB. 4.16 Resultados dos ensaios de impacto Charpy para os compósitos

de matriz epóxi reforçados com fibras de malva contínuas e

alinhadas..........................................................................................

126

TAB. 4.17 Análise de variância da energia de impacto Charpy para os

compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v

sem tratamento e 30%v/v com fibras de malva tratadas com

NaOH a 5%, 24h e sem agitação.....................................................

130

TAB. 4.18 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da

energia de impacto Charpy nas frações volumétricas de fibras de

malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey...................... 131

TAB. 4.19 Resultados do ensaio de impacto Izod para os compósitos de

matriz epóxi reforçados com fibras de malva contínuas e

alinhadas.......................................................................................... 132

TAB. 4.20 Análise de variância da energia de impacto Izod para os


com fibras de malva......................................................................... 135

TAB. 4.21 Resultados obtidos para as diferenças (d.m.s.) entre os valores

médios da energia de impacto Izod, nas frações volumétricas de

fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de

Tukey................................................................................................ 136

TAB. 4.22 Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados

com fibras de malva a partir de moldes de silicone.......................... 137

TAB. 4.23 Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados

com fibras de malva a partir de placas compósitas cortadas a

laser.................................................................................................. 138

TAB. 4.24 Análise de variância da resistência mecânica para os compósitos

epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v com fibras de

malva................................................................................................ 141

TAB. 4.25 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de

resistência mecânica nas frações volumétricas de fibras de malva

de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey................................ 142

20

TAB. 4.26 Resultados para o ensaio de flexão em 3 pontos de compósitos

reforçados com fibras de malva nos percentuais de 0%, 10%,

20% e 30%v/v...................................................................................

143

TAB. 4.27 Análise de variância da resistência à flexão para os compósitos

epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v com fibras de

malva................................................................................................

146

TAB. 4.28 Análise de variância do módulo de elasticidade para os


com fibras de malva......................................................................... 146


resistência à flexão nas frações volumétricas de fibras de malva

de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey................................ 147


módulo de elasticidade nas frações volumétricas de fibras de

malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste Tukey...................... 147

TAB. 4.31 Propriedades elásticas medidas através da técnica de excitação

por impulso....................................................................................... 148

TAB. 4.32 Índices de cristalinidade obtidos após combinações dos

parâmetros: concentração de NaOH, tempo de imersão e

agitação da solução.......................................................................... 150

TAB. 4.33 Parâmetros cinéticos de cura para resina epóxi DGEBA-TETA e

compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva....... 155

TAB. 4.34 Tempos médios de cura recalculados a partir dos expoentes de

Avrami obtidos da curva real a 25°C da resina epóxi e do

compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva....... 157

21

LISTA DE ABREVIATURAS

ABREVIATURAS

SBMs - Sistemas de Blindagem Multicamadas

NIJ - Instituto Nacional de Justiça (National Institute of Justice)

FNLs - Fibras Naturais Lignocelulósicas

CFNLs - Compósitos Reforçados com Fibras Naturais Lignocelulósicas

CGEE - Centro de Gestão de Estudos Estratégicos

IME - Instituto Militar de Engenharia

DSC - Calorimetria Diferencial de Varredura

TGA - Análise Termogravimétrica

FTIR - Infravermelho por Transformada de Fourier

UENF - Universidade Estadual do Norte Fluminense

MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura

DRX - Difração de Raios-X

DGEBA - Diglicidil Éter do Bisfenol A

CAEx - Centro de Avaliações do Exército

CTEx - Centro Tecnológico do Exército

ASTM - American Society for Testing of Materials

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

CBPF - Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

IEN - Instituto de Engenharia Nuclear

UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro

22

RESUMO

Neste cenário mundial de grandes evoluções e incertezas, o desenvolvimento de sistemas de blindagem balística, cada vez mais eficientes, torna-se fundamental para garantir a segurança pessoal e veicular, tanto a nível civil quanto militar. Um equilíbrio formado pela mobilidade, resistência à penetração e capacidade de absorção da energia de impacto, é fundamental para tornar uma blindagem balística eficiente. Neste contexto, as blindagens com componentes cerâmicos aliados a outros materiais, como compósitos poliméricos, são empregadas quando se deseja uma boa relação peso/proteção balística. São os chamados sistemas de blindagem multicamadas (SBMs). O objetivo não é apenas absorver o impacto, mas também evitar a penetração de fragmentos. No presente trabalho foram utilizadas fibras naturais lignocelulósicas (FNLs) de malva (Urena Lobata, Linn), na forma de tecidos, puros e híbridos com fibras de juta (Corchorus Capsularis) para aplicação final em compósitos de matriz epoxídica dentro de SBMs. Foi avaliada a eficiência balística destes SBMs, através da medição do trauma (indentação) na plastilina, bem como pela medição da velocidade residual e energia absorvida, após impacto de munição 7,62 mm. Um dos objetivos desta pesquisa foi comparar os resultados obtidos com trabalhos similares que utilizaram outras FNLs e materiais tradicionais utilizados em coletes para proteção individual. Também foram realizados ensaios de caracterização mecânica e térmica nas fibras de malva não tratadas (“in natura”) e mercerizadas com NaOH, além de um estudo cinético de cura da resina epóxi e dos compósitos reforçados com fibras de malva. Os resultados mostraram através de análise macroscópica e por microscopia eletrônica de varredura (MEV) que os principais mecanismos de ruptura atuante nos compósitos foram a delaminação de camadas, a ruptura de fibras e o efeito de arrancamento “pull-out”. Verificou-se que o aumento da fração volumétrica de fibras presentes no compósito estava intimamente ligado à ampliação de propriedades como a resistência mecânica e o módulo de elasticidade, bem como o aumento da própria estabilidade térmica do compósito. Em todos os grupos testados a indentação na plastilina foi inferior a 44 mm, que é o valor previsto como letal ao ser humano pela norma internacional NIJ 0101.06. Para a análise da profundidade do trauma na plastilina e da energia absorvida por cada componente do SBMs foi aplicada a análise de variância (ANOVA) e o Teste de Tukey, a partir do qual pôde-se afirmar, com um nível de confiança de 95%, que não houve diferença de desempenho entre os SBMs montados com compósitos epoxídicos reforçados com 30% em volume de tecidos híbridos malva/juta ou 100% malva em relação àqueles montados a partir dos materiais tradicionais utilizados para proteção individual contra munição 7,62 mm. No entanto, através de um balanço de peso, custos e valores de propriedades mecânicas e térmicas, constatou-se o grande potencial dos compósitos reforçados com fibras de malva nas aplicações de engenharia, principalmente aquelas ligadas à proteção balística.

23

ABSTRACT

In this current world scenario of great evolutions and uncertainties, the development of ballistic armour systems, increasingly efficient, becomes fundamental to guarantee personal and vehicular security, both civil and military. A balance formed by the mobility, resistance to penetration and absorption capacity of the impact energy, is fundamental to make an effective ballistic armour. In this context, the armours with ceramic components allied to other materials, such as polymeric composites, are used when a good weight / ballistic protection ratio is desired. These are called multilayer armouring systems (MAS). The goal is not only to absorb the impact energy, but also to avoid the penetration of fragments. In the present work, natural fibers lignocellulosic (NFLs) of malva (Urena Lobata, Linn) were used as fabric, pure and hybrid with jute fibers (Corchorus Capsularis) for final application in epoxy matrix composites within MAS. The ballistic efficiency of these MAS was evaluated by measuring the trauma (indentation) in the clay witness, as well as by measuring the residual velocity and absorbed energy, after ammunition impact 7.62 mm. One of the objectives was to compare the results obtained with similar work that used other NFLs and traditional materials used in individual protection vests. Mechanical and thermal characterization tests were also carried out on the untreated ("in natura") and mercerized with NaOH fibers, as well as a kinetic study of the epoxy resin and the reinforced composites with malva fibers. The results showed by macroscopy analysis and scanning electron microscopy (SEM) that the main mechanisms of rupture acting in the composites were the delamination of layers, the rupture of fibers and the pull-out effect. It could be verified that the increase in the volumetric fraction of fibers present in the composite was closely linked to the magnification of properties such as mechanical strength and modulus of elasticity as well as the increase of the thermal stability of the composite itself. In all groups tested the indentation in the clay witness was less than 44 mm, which is the predicted limit value as lethal to humans by the international standard NIJ 0101.06. In order to analyze the depth of the trauma in the clay witness and the energy absorbed by each component of the MAS, one applied the analysis of variance (ANOVA) and the Tukey's test, from which it could be stated, with a confidence level of 95%, that there was no difference in performance between MAS mounted with epoxy composites reinforced with 30% by volume of malva / jute or 100% malva hybrid fabrics compared to those assembled from the traditional materials used for individual protection against 7.62 mm ammunition. However, through a balance of weight, costs and values of mechanical and thermal properties, the great potential of the composites reinforced with malva fibers in engineering applications, especially those related to ballistic protection, was verified.

24

1 INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS

O desenvolvimento armamentista experimentado pelas diversas nações nas

últimas décadas, principalmente após o término da Segunda Grande Guerra (1939-

1945), serviu para impulsionar as economias mundiais. Elas foram estimuladas pelo

forte sentimento nacionalista que as indústrias ligadas a este seguimento sugerem,

estimulando um desejo popular que clama por proteção enquanto aguarda uma

possível guerra iminente. Por outro lado, grupos extremistas, com frequência,

desafiam os mais competentes exércitos e polícias, praticando atos bárbaros e

covardes. Para tal, utilizam armas e munições extremamente evoluídas e letais,

modificando o próprio conceito tradicional de Guerra, no qual, segundo Sun Tzu, na

sua obra clássica “A Arte da Guerra” (513 a.c.) afirma que o objetivo final de toda

guerra é a conquista. No entanto, atualmente o medo e a intolerância estão também

sendo considerados como finalidades precípuas.

Neste cenário mundial atual, de grandes evoluções e incertezas, o

desenvolvimento de sistemas de blindagem balística, cada vez mais eficientes,

surge como elemento fundamental para garantir a segurança pessoal e veicular,

tanto a nível civil quanto militar.

Portanto, um tripé formado pela mobilidade, resistência à penetração e alta

absorção de impacto constituem os principais fatores que tornam uma blindagem

balística eficiente. No entanto, a melhoria em um desses fatores, muitas vezes,

influencia negativamente a de outro. Por exemplo, um aumento na resistência à

penetração pode causar uma redução na mobilidade, em função do necessário

aumento de espessura e, por conseguinte, de peso, no caso de blindagens

monolíticas feitas de aço (BORVIK et al., 1999). Com isso, torna-se necessário

buscar novas soluções de engenharia para melhorar a proteção dos alvos. Nesse

contexto, blindagens constituídas por componentes cerâmicos associados a outros

materiais, como compósitos poliméricos, são então empregadas para favorecer uma

boa relação peso/proteção balística (LUZ, 2014). São os chamados sistemas de

blindagem multicamadas (SBMs).

25

Os SBMs exploram o aproveitamento sinergético de materiais específicos para

promover a proteção adequada contra diversas ameaças, sem prejuízo da

mobilidade da estrutura, ou seja, possibilitando alcançar massa específicas iguais ou

inferiores àquelas alcançadas pelas blindagens monolíticas. O objetivo agora não é

apenas absorver o impacto, mas também evitar a penetração de fragmentos

(BROWN, 2013).

Nos SBMs normalmente a camada inicial frontal (aquela que primeiro interage

com o projétil) é constituída por um cerâmico duro e frágil, de elevada resistência à

compressão cuja função é absorver a maior parte da energia cinética do projétil,

destruindo e quebrando a sua ponta (MEDVEDOVSKI, 2010).

A camada seguinte, normalmente, é formada por um material mais leve que o

cerâmico de menor impedância de choque, cuja finalidade é de absorver uma

parcela significativa da energia cinética produzida pelos estilhaços, tanto do

cerâmico quanto do projétil. Nesta camada utiliza-se materiais compósitos, como por

exemplo: compósitos de fibras de vidro (CHOU et al., 1998), fibras de carbono

(HOSUR et al., 2004), tecidos de aramida Kevlar™ e Twaron™ (LEE, WETZEL e

WAGNER, 2003) e as fibras de polietileno de ultra-alto peso molecular, como

Spectra™ e Dyneema™ (MORYE et al., 2000). Tais compósitos absorvem a energia

proveniente dos estilhaços do cerâmico e do projétil através de mecanismos como,

ruptura de fibras, descolamento da fibra ou tecido da matriz e estiramento ou

deformação das fibras. Em resumo, tais compósitos cumprem a sua finalidade que é

promover a retenção de fragmentos.

Nos SBMs costuma-se ainda adicionar uma terceira camada constituída por um

metal dúctil, de baixa massa específica, que restringe a penetração tanto do projétil

quanto dos fragmentos gerados, por meio da ativação de mecanismos de

deformação plástica. A Norma Internacional de Resistência Balística Corporal (NIJ

0101.06, 2008) prevê que uma blindagem balística mostra-se eficiente quando a

profundidade do trauma (indentação) produzido em um material, que simula a

consistência do corpo humano (plastilina), for inferior a 44 mm.

No entanto, os materiais sintéticos que compõem o compósito da camada

intermediária possuem inconvenientes, tais como elevado custo de aquisição e

processamento, além de danos ambientais, em função, por exemplo, da sua

degradação com o tempo, após o término da sua vida útil. Com isso, esforços

26

constantes de pesquisa buscam por novos materiais alternativos que possam

substituir eficientemente os sintéticos e que sejam ambientalmente corretos. Nesse

contexto, as fibras naturais lignocelulósicas (FNLs) podem exercer esse papel, pois

possuem inúmeras vantagens, como: boas propriedades específicas (baixa massa

específica), baixa toxicidade, biodegradabilidade, baixo custo, etc. Além disso,

possibilitam fomentar o desenvolvimento econômico e tecnológico de regiões menos

favorecidas do Brasil, tais como as regiões norte e nordeste, que são grandes

produtoras de fibras naturais. Segundo o Centro de Gestão de Estudos Estratégicos

(CGEE, 2010), o mercado interno de fibras naturais cresce 5,5% ao ano,

substituindo as fibras sintéticas por novas aplicações e já se transformando em fator

determinante para o sucesso de algumas áreas, ligadas principalmente ao setor

automotivo. Na FIG. 1.1 é mostrado esquematicamente um SBMs (A+B+C), no qual

a camada intermediária pode ser formada por tecido de aramida ou um compósito

de epóxi com fibras de juta, tanto na forma de tecido quanto de manta.

FIG. 1.1 – Esquemático de SBMs (Adaptado de LUZ, 2014).

Neste trabalho, propõe-se utilizar as FNLs de Malva (Urena lobata linn) na forma

de fibras, tecidos puros e híbridos com FNLs de Juta (Corchorus capsularis) para

aplicação final em compósitos de matriz epoxídica, como camada intermediária,

dentro de SBMs. Também se propõe a realizar ensaios para caracterizar as fibras

utilizadas quanto as suas propriedades térmicas e mecânicas. Isto contribuirá para o

27

enriquecimento de informações relativas a fibra natural de malva e dos seus

compósitos, os quais ainda são pouco investigados, bem como vislumbrar

aplicações futuras, não apenas restritiva a área de blindagem balística.

1.2 JUSTIFICATIVA DO TRABALHO

No atual cenário mundial, de violência tanto interna quanto externa, estudos

voltados para o desenvolvimento de novos materiais que possam ser utilizados em

SBMs (e que sejam ecologicamente corretos) são fundamentais para o Exército

Brasileiro. Seguindo este enfoque, a Seção de Engenharia Mecânica e de Materiais

do IME já vem há anos investindo recursos, tempo e pessoal na tarefa de construir

SBMs cada vez mais eficientes e com uma relação custo-benefício mais favorável.

Nesse contexto, as fibras naturais podem satisfazer tais objetivos, além de

possibilitar o desenvolvimento de regiões menos favorecidas economicamente.

Objetiva-se dar continuidade ao desenvolvimento de novas abordagens tecnológicas

que atendam aos requisitos operacionais estabelecidos pela Força, priorizando a

utilização de matéria prima nacional, bem como caracterizar um novo material na

forma de fibra e tecido, contribuindo assim para o desenvolvimento estratégico e

sustentável, não só da engenharia militar brasileira, mas de outras áreas que

possam utilizar as FNLs em aplicações convencionais ou estruturais.

O ineditismo deste estudo proposto consiste na aplicação das fibras naturais de

malva em sistemas de blindagem multicamadas (SBMs), tanto na forma de fibras

quanto na de tecido, por meio da fabricação de compósitos à base de resina

epoxídica. A caracterização de propriedades e a investigação dos mecanismos

dinâmicos que ocorrem nas interfaces dos componentes dos SBMs também surgem

como contribuições originais deste trabalho para o estado da arte no campo de

blindagens balísticas.

28

1.3 OBJETIVO DO ESTUDO

1.3.1 OBJETIVO GERAL

Neste estudo, foi avaliada a eficiência balística de um SBMs envolvendo fibras

de malva na camada intermediária, por meio da medição do trauma (indentação)

causado na plastilina. Também foram medidas as energias cinéticas absorvidas

pelas placas compósitas investigadas nas diversas formas e composições,

objetivando comparar com outros trabalhos similares que utilizaram outras FNLs e

materiais tradicionais empregados em coletes para proteção individual, como é o

caso da aramida Kevlar™. Paralelamente foi realizada a análise da blindagem com

relação as suas propriedades dinâmicas, com ênfase nos mecanismos e nas

superfícies de fratura produzidas nos ensaios destrutivos revelados por meio da

observação das microestruturas por Microscopia Eletrônica de Varredura.

Adicionalmente também foi realizado o tratamento de mercerização, com o objetivo

de melhorar a estabilidade térmica das fibras e a compatibilidade na interface entre

as fibras de malva, naturalmente hidrofílicas, e a matriz epoxídica, normalmente

hidrofóbica.

Por fim, objetivou-se realizar vários ensaios mecânicos e térmicos para

caracterizar as propriedades do compósito epóxi-fibras de malva. Dentre os ensaios

realizados destacam-se: Ensaio de impacto Charpy e Izod, Ensaio de Tração,

Ensaio de Flexão, Picnometria Gasosa, Excitação por impulso, Calorimetria

Diferencial de Varredura (DSC), Análise Termogravimétrica (TGA), Análise Dinâmico

Mecânica (DMA), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Difração de Raios X

(DRX).

29

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Os objetivos específicos deste trabalho foram os seguintes:

1) Investigar se os compósitos de epóxi-malva puros ou híbridos, nas configurações

30%v/v em fibras, tecidos puros ou híbridos com fibras de juta, testados como

camada intermediária nos SBMs, atendem aos requisitos da norma internacional NIJ

0101.06 (2008);

2) Comparar o desempenho balístico dos compósitos de epóxi-fibras de malva com

outros compósitos utilizados como camada intermediária em SBMs, bem como

analisar comparativamente o peso e os custos dos materiais envolvidos nesta

pesquisa com materiais usados em outras blindagens multicamadas;

3) Analisar as superfícies de fratura dos compósitos produzidas após os ensaios

balísticos, através de microscopia eletrônica de varredura, a fim de verificar os

mecanismos de absorção de energia envolvidos;

4) Comparar as velocidades residuais individuais de cada componente da

blindagem, verificando também posteriormente a sinergia do conjunto, associando-a

com o desempenho balístico dos SBMs;

5) Comparar o desempenho individual dos compósitos de epóxi reforçados com

fibras, tecidos puros, híbridos malva/juta e aramida através da velocidade limite(VL) e

da energia absorvida (Eabs);

6) Comparar e associar o desempenho balístico com a impedância de choque dos

compósitos de epóxi reforçados com fibras, tecidos puros, híbridos malva/juta e

aramida;

7) Calcular a massa específica absoluta das fibras de malva pela técnica de

picnometria gasosa, bem como estimar o teor de celulose e a porosidade aberta das

fibras;

8) Calcular a energia de impacto Charpy e Izod absorvida pelos CFLNs, mostrando a

relação desta energia obtida com a fração volumétrica de fibras de malva;

9) Verificar a eficiência do tratamento de mercerização nas fibras de malva, em

termos de aumento de cristalinidade e energia de impacto, nas concentrações de 5,

10 e 20% de NaOH, em tempos de imersão de 3, 24 e 48h, com e sem agitação,

através de análise por difração de raios X das fibras e da energia absorvida no

30

ensaio de impacto para compósitos de epóxi reforçados com 30%v/v de fibras de

malva;

10) Calcular e comparar a resistência a tração de corpos de prova confeccionados a

partir de moldes de silicone, bem como a partir de placas compósitas cortadas a

laser;

11) Calcular o módulo de elasticidade longitudinal pela técnica de excitação por

impulso e a partir daí estimar o módulo de elasticidade transversal (G) e o

coeficiente de Poisson (ʋ) para os CFLNs nas frações volumétricas de 0%, 10%,

20% e 30%;

12) Calcular a resistência à flexão e o módulo de elasticidade por flexão, mostrando

a relação dos valores obtidos com a fração volumétrica de fibras de malva;

13) Analisar através de DSC as fibras de malva não tratadas, mercerizadas e fibras

de juta, evidenciando similaridades e diferenças nos eventos térmicos associados;

14) Realizar estudo cinético de cura da resina epóxi e do compósito de epóxi

reforçado com fibras de malva;

15) Realizar análise por TGA e DTG da resina epóxi, fibras de malva e do compósito

de epóxi reforçado com fibras de malva;

16) Calcular através de curvas de DMA a temperatura de transição vítrea (Tg) dos

compósitos de epóxi reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras de malva,

bem como os módulos de armazenamento (E’), módulo de perda (E”) e tangente

delta (Tanδ);

31

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 SISTEMAS DE BLINDAGEM BALÍSTICA

Os estudos de materiais apropriados para utilização em blindagem balística são

fundamentais não só para o Exército Brasileiro, mas de suma importância para o

desenvolvimento tecnológico do país. Diversos estudos já foram conduzidos nesta

área por outros pesquisadores (GOMES, 2004; CHAGAS, 2014; BRAGA, 2015), os

quais também contribuíram para o conhecimento de alguns destes materiais em

outras áreas, como por exemplo, na indústria automotiva. No entanto, um único

material não é capaz de condensar todas as propriedades desejáveis em um

sistema de proteção e ainda assim manter a adequada mobilidade do veículo ou do

combatente, bem como controlar os custos. Com isso, atualmente, quando se

deseja projetar um sistema de blindagem é importante não só ter o conhecimento

individual de cada componente da blindagem, mas principalmente compreender o

efeito sinergético do conjunto, objetivando extrair o melhor das propriedades de cada

material. Além disso, ao analisar o desempenho do conjunto, verifica-se que o

resultado final produzirá um efeito superior em relação àquele inerente a soma

individual das partes, em termos de eficiência contra ameaças (MILANEZI, 2015).

Dentro desse contexto, em sistemas de proteção contra projéteis de alta

velocidade (>800 m/s) a camada frontal inicial é normalmente constituída por uma

cerâmica avançada. Como exemplo, tem-se o óxido de alumínio ou alumina (Al2O3),

o carbeto de silício e o carbeto de boro, dentre outros. Tais materiais possuem

elevada dureza e resistência à compressão. A alumina costuma ser mais utilizada,

em função da sua boa relação custo-benefício, além de possuir um processo de

produção cujo processamento já está bastante consolidado (MEDVEDOVSKI, 2010).

A função principal da camada cerâmica é quebrar a ponta do projétil e absorver a

maior parte da energia de impacto por intermédio de mecanismos de dissipação de

energia que incluem a nucleação, crescimento e coalescimento de trincas e demais

defeitos como, por exemplo, a formação dinâmica de discordâncias na alumina por

choque.

A camada intermediária é constituída por um material que tem a função de

absorver parte remanescente da energia de impacto, bem como reter os estilhaços

32

da camada cerâmica frontal e do projétil (DA SILVA, 2014; LUZ, 2014; MILANEZI,

2015; BRAGA, 2015).

Normalmente há uma terceira camada constituída por um metal dúctil, a fim de

absorver a energia residual por meio de deformação plástica.

A norma NIJ 0101.06 (2008) estabelece padrões internacionais seguidos pelo

Exército Brasileiro e Forças Auxiliares para avaliação do desempenho de blindagens

balísticas, assim como mostra a classificação da blindagem em diferentes níveis.

Na TAB. 2.1 são mostrados os níveis de proteção em função da massa, calibre e

velocidade mínima do projétil.

TAB. 2.1 – Classificação dos níveis de proteção em blindagens balísticas.

Fonte: Adaptado da NIJ 0101.06 (2008).

Para verificação da eficácia do sistema de blindagem balística existem alguns

métodos previstos pela NIJ 0101.06 (2008). O mais imediato e simples consiste na

verificação do trauma (indentação) causado na plastilina após a execução de

ensaios balísticos com munição 7,62 mm. O trauma não pode ser superior a 44 mm,

caso contrário o dano pode ser considerado como letal para o corpo humano em

uma ocorrência real. Deve-se observar que a plastilina consiste de um material

33

semelhante a uma massa de modelar que mimetiza o material que compõe o corpo

humano.

Na FIG. 2.1 são mostrados os pontos de referência utilizados para medição do

trauma na plastilina, de acordo com a blindagem utilizada, conforme a NIJ 0101.06

(2008).

FIG. 2.1 - Trauma do projétil medido por indentação no material de referência (plastilina).

Fonte: Adaptado da NIJ 0101.06 (2008) e BRAGA, 2015.

Outro método para avaliar a eficiência da blindagem refere-se ao cálculo da

velocidade limite (VL), definida como a velocidade a partir da qual o projétil consegue

perfurar a blindagem. O principal estimador da velocidade limite é o limite balístico

(V50), que caracteriza a velocidade na qual a probabilidade de perfuração seria 50%

(SILVA, 2014; WANG et al., 2014). No entanto, para o caso de projéteis de alta

velocidade (>800 m/s), não é possível calcular a V50, pois seriam necessários pelo

menos 3 impactos que não perfurassem o alvo (WANG et al., 2014). O objetivo seria

realizar uma média de todos os impactos para calcular o limite balístico. Como

alternativa pode-se estimar a velocidade limite por meio da energia absorvida pelo

alvo perfurado por um projétil. Com isso, a energia absorvida (Eabs) pode ser

calculada pela diferença de energia cinética, conforme a EQ. 2.1.

34

𝐸𝑎𝑏𝑠 =𝑀(𝑉0

2−𝑉𝑅2)

2 EQ. 2.1

Sendo:

M – massa do projétil;

V0 – Velocidade do projétil imediatamente antes do impacto;

VR – Velocidade residual do projétil após perfurar o alvo.

Quando a velocidade residual (VR) for nula tem-se uma estimativa do valor da

velocidade limite (VL), e manipulando a equação EQ.2.1 obtém-se,

𝑉𝐿 = √2𝐸𝑎𝑏𝑠

𝑀 EQ. 2.2

2.2 MATERIAIS POLIMÉRICOS

2.2.1 CONCEITOS GERAIS

Os materiais poliméricos podem ser encontrados de forma natural, como por

exemplo, os derivados de plantas e animais (lã, couro, madeira, borracha, etc.) ou

produzidos sinteticamente, normalmente com finalidade industrial, para substituir

metais e cerâmicos em diversas aplicações. Os polímeros sintéticos podem ser

produzidos a baixos custos, e suas propriedades podem ser moldadas a valores

bem superiores a seus análogos naturais (CALLISTER e RETHWISCH, 2012); são

produzidos por reações químicas que consistem na união de pequenas unidades de

repetição, chamadas monômeros, para formar macromoléculas. Estas reações de

formação são chamadas de polimerização.

Para classificar essas macromoléculas, frequentemente orgânicas, diversas

metodologias podem ser utilizadas, como por exemplo: quanto ao tipo de unidade

repetida (homopolímero ou copolímero), quanto ao tamanho ou massa molar, quanto

à forma (torção, emaranhado, etc.), quanto à estrutura molecular (polímeros

lineares, ramificados, com ligações cruzadas ou em rede), quanto aos

35

estereoisômeros (polímeros atáticos, sindiotáticos ou isotáticos) ou quanto à

isomeria geométrica (polímeros cis ou trans) (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).

A FIG. 2.2 mostra as possíveis classificações mencionadas. Deve-se ressaltar

que as classificações não são excludentes e que muitas vezes um determinado

polímero enquadra-se em mais de uma classificação.

FIG. 2.2 – Esquema de classificação para as moléculas poliméricas (CALLISTER e RETHWISCH,

2012).

A resposta de um polímero a forças mecânicas, quando se varia a temperatura,

depende da sua estrutura molecular e sugere um esquema de classificação para

esses materiais de acordo com o seu comportamento frente a uma elevação de

temperatura (CALLISTER e RETHWISCH, 2012). Os termoplásticos amolecem

quando são aquecidos e endurecem quando são resfriados em reações

completamente reversíveis. Comumente são polímeros lineares ou com algumas

estruturas ramificadas. São relativamente macios. Alguns exemplos de polímeros

termoplásticos são o polietileno (PE), o policloreto de vinila (PVC), o polipropileno

36

(PP), poliestireno (PS), e a poliamida (PA, ou náilon), entre outros (ASKELAND e

PHULÉ, 2008).

Os polímeros termofixos são configurados em rede. Eles se tornam

permanentemente rígidos durante sua formação e não amolecem sob aquecimento.

Os polimeros em rede apresentam ligações cruzadas covalentes entre as cadeias

moleculares adjacentes. Durante os tratamentos térmicos, essas ligações prendem

as cadeias umas as outras para resistirem aos movimentos de vibração e rotação

quando são submetidas a temperaturas elevadas. Dessa forma, os materiais não

amolecem quando aquecidos. A massa específica de ligações cruzadas é

geralmente elevada, tal que entre 10% e 50% das unidades repetidas na cadeia tem

ligações cruzadas. Apenas um aquecimento até temperaturas excessivas causará o

rompimento dessas ligações cruzadas e a degradação do polimero. Os polimeros

termofixos são, em geral, mais duros e mais resistentes que os termoplásticos e

possuem melhor estabilidade dimensional. A maioria dos polimeros com ligações

cruzadas e em rede, os quais incluem as borrachas vulcanizadas, os epóxis, as

resinas fenólicas e algumas resinas poliéster, são termofixos (CALLISTER e

RETHWISCH, 2012).

Outra classe importante de polímeros a ser citada são os elastômeros. Possuem

como principal característica a capacidade de sofrerem altos percentuais de

deformação no regime elástico, comportamento esse já observado na borracha

natural, que pode chegar a 800%. Pode-se citar como exemplos destes materiais,

além da borracha natural (poli-isopreno natural), o Neoprene (cloropreno) e o

Silicone (polissiloxano).

A TAB. 2.2 mostra alguns polímeros termoplásticos e termofixos, bem como

algumas características e aplicações comerciais e industriais.

37

TAB. 2.2 – Características e aplicações de alguns polímeros termoplásticos e termofixos (CALLISTER

e RETHWISCH, 2012) (adaptado).

2.2.2 RESINA EPÓXI E SUA APLICAÇÃO EM COMPÓSITOS

As resinas epoxídicas são polímeros termofixos caracterizados pela presença de

grupos glicidila em sua molécula. Através da reação do grupo glicidila com um

agente reticulante adequado (endurecedor), uma estrutura tridimensional é formada.

A epicloridrina (1-cloro-2,3 – epóxi – propano) é o agente universal portador do

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

bisfenol A – é a espécie química mais comum que possui esses hidrogênios ativos.

Na FIG. 2.3 ilustra-se a reação de produção da resina epóxi mais comum, o diglicidil

éter do bisfenol A (DGEBA). As resinas epoxídicas podem, entre outras aplicações,

ser utilizadas como adesivos, as quais são polímeros usados para unir outros

polímeros, metais, cerâmicos ou compósitos, e, neste caso, organizam-se em

adesivos quimicamente reativos. Como este tipo de adesivo, os epóxis constituem-

se em sistemas de dois componentes, os quais passam pelo processo de cura

quando tais resinas são misturadas (ASKELAND e PHULÉ, 2008).

38

FIG. 2.3 – Reação de produção da resina epóxi (RODRIGUES, 1991) (adaptado).

Entre as suas características principais, pode-se citar: ótima combinação de

propriedades mecânicas; boas propriedades elétricas; estáveis em termos

dimensionais; adesão eficiente; excelente resistência à corrosão; e baixo custo.

Entre as suas aplicações típicas, tem-se: adesivos, moldes elétricos, componentes

para os setores automotivo e aeroespacial, revestimentos de proteção, artigos

esportivos e matrizes para compósitos com reforço de fibras (ASKELAND e PHULÉ,

2008).

Esta última aplicação típica foi a que inspirou o uso do epóxi no presente estudo

como material da matriz para o compósito polímero-fibra natural. Na TAB. 2.3 são

mostrados os valores fornecidos por Callister e Rethwisch (2012) para algumas

propriedades das resinas epoxídicas.

39

TAB. 2.3 – Propriedades das resinas epoxídicas.

Massa

Específica

(g/cm3)

Módulo de

Elasticidade

(GPa)

Limite de

Resistência a

Tração (MPa)

Alongamento

Percentual

(%)

Tenacidade a

Fratura

(MPa.m1/2)

1,10 a 1,40 2,41 27,6 a 90,0 3 a 6 0,6

FONTE: (CALLISTER e RETHWISCH, 2012) (adaptado).

A matriz polimérica possui vital importância na produção de compósitos

utilizados na proteção balística. Dentre suas funções estão: a ligação e a

transmissão da carga para as fibras, a proteção das mesmas contra danos

superficiais, e a função de servir como barreira a propagação de trincas. A região de

interface entre a matriz e as fibras é crítica para definição da capacidade de

absorção de energia pelo compósito, bem como o mecanismo de fratura dominante

nas solicitações mecânicas.

2.2.3 FIBRAS NATURAIS LIGNOCELULÓSICAS (FNLs)

Em diversos setores da indústria, é crescente a tendência de substituição de

fibras sintéticas por fibras naturais lignocelulósicas (FNLs). Isto se deve ao fato delas

apresentarem um custo relativamente baixo, baixa massa específica e provenientes

de fontes renováveis e biodegradáveis. Um exemplo de aplicação está na indústria

automotiva, a qual vem utilizando diferentes tipos de FNLs na fabricação de alguns

componentes internos dos carros. A Mercedes Benz utiliza fibras de banana no

modelo Classe A (JOHN e THOMAS, 2008).

As fibras podem ser classificadas de várias maneiras, sendo as principais: fibras

naturais e sintéticas. Pode-se agrupá-las de acordo com sua origem; seja vegetal

(lignocelulósica), animal ou mineral. Além disso, podem-se separar as fibras naturais

lignocelulósicas (FNLs) conforme a sua localização no interior da planta, seja:

semente, fruto, caule, folha e cana.

Uma única fibra de uma planta é um composto natural complexo constituído por

várias células (BLEDZKI e GASSAN, 1999; MONTEIRO et al., 2011). Essas fibras

consistem basicamente em fibrilas de celulose semicristalina incorporadas em uma

matriz de hemicelulose e lignina (JOHN e THOMAS, 2008). Uma rede tridimensional

40

é formada pelas ligações de pontes de hidrogênio entre a matriz de hemicelulose e

as fibrilas. Na FIG. 2.4 ilustra-se o esquema de uma fibra.

FIG. 2.4 - Representação esquemática de uma fibra (JOHN e THOMAS, 2008) (adaptado).

Nela, observa-se que a fibra possui uma estrutura complexa, constituída de

parede primária e secundária, sendo a parede secundária subdividida em três

camadas (S1, S2 e S3), nas quais as microfibrilas estão arranjadas de forma

helicoidal. O ângulo helicoidal formado entre o eixo da fibra e as microfibrilas é

chamado de ângulo microfibrilar (JOHN e THOMAS, 2008) e varia de uma fibra para

outra, assim como, a razão entre celulose e lignina/hemicelulose. Por isso, cada FNL

apresenta propriedades distintas. Portanto, suas propriedades mecânicas são

determinadas e dependentes das configurações destes parâmetros estruturais.

A lignina é um ligante amorfo, hidrofóbico, de alto grau de polimerização, que

compreende compostos aromáticos e alifáticos e pode ser diluída em soluções

alcalinas. Ela é responsável por conferir rigidez às plantas. Por outro lado a

hemicelulose é hidrofílica e consiste em polissacarídeos que são facilmente

hidrolisados em ácidos e permanecem associados com a celulose, mesmo depois

da remoção da lignina (BLEDZKI e GASSAN, 1999; MONTEIRO et al., 2011).

Ao contrário das fibras sintéticas, as fibras naturais não possuem propriedades

uniformes. Elas são microestruturalmente heterogêneas e têm limitação dimensional.

Uma mesma espécie de fibra pode ter suas propriedades afetadas

41

consideravelmente dependendo da sua origem, qualidade e idade da planta,

diâmetro da fibra, razão de aspecto e seu pré-condicionamento (MOHANTY et al.,

2000).

Outra diferença entre a FNL e a sintética é a interação com a água. Devido à

presença de grupos hidroxila as FNLs são hidrofílicas e apresentam grande

afinidade com a umidade ambiente. Esse teor de umidade pode variar entre 5% e

10% (SAHED et al., 1999).

A água sobre a superfície da fibra age como um agente de separação na

interface de uma matriz polimérica hidrofóbica, que é o caso da maioria das resinas

empregadas nos compósitos. Ainda, devido à evaporação da água, podem aparecer

vazios na matriz, gerando perda de propriedades mecânicas. Soluções para reduzir

o teor de umidade e melhorar a adesão interfacial são a secagem da FNL

(MOHANTY et al., 2000) e o pré-tratamento das fibras, através de modificação

química da superfície das mesmas (BLEDZKI e GASSAN., 1999; MOHANTY et al.,

2000; MONTEIRO et al., 2011).

O pré-tratamento pode aumentar a rugosidade da superfície, o que contribui

para uma melhor adesão na matriz polimérica. Porém, algumas FNLs já apresentam

uma rugosidade considerável sem tratamento e, neste caso, o pré-tratamento pode

degradar a fibra e prejudicar o reforço da matriz (MONTEIRO et al., 2011; KALIA et

al., 2011). Dentre as diversas técnicas de pré-tratamento e modificação de superfície

de FNLs, uma das mais utilizadas é o tratamento alcalino (mercerização), o qual

remove tanto as ceras e graxas quanto uma parcela de hemicelulose e de lignina.

Assim, melhora-se o empacotamento das moléculas de celulose e aumenta-se a

cristalinidade das fibras, resultando em uma superfície mais rugosa, com maior

superfície de contato, auxiliando no ancoramento mecânico e promovendo um

aumento tanto no módulo de elasticidade quanto na resistência à tração das fibras.

Embora as FNLs apresentem alguns inconvenientes, elas oferecem vantagens

como: o custo relativamente baixo, baixa massa específica, maior flexibilidade e não

são abrasivas, que ao contrário das fibras sintéticas, danificam o equipamento de

processamento. Além disso, as FNLs auxiliam nas questões socioambientais, pois

são provenientes de recursos renováveis, são biodegradáveis e uma fonte de renda

de regiões em desenvolvimento (MONTEIRO et al., 2011). Em aplicações ligadas a

blindagem balística, na forma de reforço de compósitos de matriz polimérica, pode-

42

se substituir ou produzir compostos híbridos com materiais sintéticos como o

Kevlar™, a fibra de vidro e o polietileno de ultra-alto peso molecular, reduzindo

custos conforme documentado em alguns trabalhos e melhorando a eficiência do

SBMs (DA CRUZ, 2015; LUZ, 2014; DE ARAÚJO, 2015; MILANEZI, 2015; BRAGA,

2015; MONTEIRO et al., 2014).

Na TAB. 2.4 são mostradas propriedades mecânicas de algumas fibras naturais

atualmente pesquisadas.

TAB. 2.4 – Propriedades mecânicas de algumas FNLs.

FNL

Massa

específica

ρ (g/cm3)

Resistência à

tração σ (MPa)

Módulo de

Young (GPa)

Máx. σ/ρ

(MPa.cm3/g)

Bambu

(Bambusa vulgaris) 1,03 – 1,21 106 - 204 - 198

Banana

(Musa sapientum) 0,67 – 1,50 700 - 800 27 - 32 1194

Coco

(Cocos nucifera) 1,15 – 1,52 95 - 220 4 - 6 191

Cânhamo

(Cannabis sativa) 1,07 389 - 690 35 649

Curauá

(Ananas erectifolium) 0,57 – 0,92 117 - 3000 27 - 80 2193

Juta

(Corchorus capsularis) 1,30 – 1,45 393 - 800 13 - 27 615

Malva

(Urena lobata) 1,37 – 1,41 160 17,4 117

Linho

(Linum usitatissimum) 1,30 - 1,50 344 - 1035 26 - 28 496

Rami

(Boehmeria nivea) 1,5 400 - 1620 61 - 128 1080

Sisal

(Agave sisalana) 1,26 – 1,50 287 - 913 9 - 28 725

Vidro E 2,50 – 2,58 2000 - 3450 70 - 73 1380

Carbono 1,78 – 1,81 2500 - 6350 230 - 400 3567

Aramida 1,44 3000 - 4100 63 - 131 2847

FONTE: MONTEIRO et al., 2011; BRAGA, 2015 (adaptado)

43

2.2.3.1 A FIBRA DE MALVA

Dentre as FNLs destaca-se a malva (Urena lobata linn), pertencente à família

das malváceas. É uma planta anual, herbácea e bem adaptada às condições de

várzea, cultivada nos estados do Amazonas e Pará desde os anos 30. As fibras

extraídas desta planta nativa são utilizadas na fabricação de papel, vestuário,

tecidos para estofados e tapetes e, principalmente na confecção de sacaria para

acondicionar produtos como açúcar, café, castanha de caju e cacau, bem como

apresenta grande potencial de utilização na construção civil (SAVASTANO Jr.,

2000).

A malva origina uma fibra de resistência tão alta quanto a produzida pela juta,

porém menos sedosa e brilhante. São plantadas juntas, em sistema de consórcio,

sendo que a juta em várzea baixa e a malva em várzea alta, ambas em terras muito

férteis (MARGEM, 2013). Em 2012, segundo a CONAB – Companhia Nacional de

Abastecimento, a produção de malva atingiu 15.700 ton/ano, a um custo de US$900

/ ton de fibra seca. A principal característica, que chama a atenção, na fibra de

malva é o seu reduzido valor econômico, quando comparada às fibras sintéticas,

como as de vidro e aramida, chegando a ter um valor dez vezes menor (SHIHONG,

et al. 1994). Outras características importantes são: menor abrasividade aos

equipamentos de processamento, sua biodegradabilidade e baixo peso específico

(em torno de 1,40 g/cm3). Seu cultivo é fundamental como fonte de renda para as

populações ribeirinhas dos Estados do Pará e Amazonas. Na FIG. 2.5 mostram-se

feixes de fibras de malva e algumas das suas aplicações tradicionais.

(a) (b) (c)

FIG. 2.5 - (a) Hastes de feixes de fibras de malva, (b) Aplicação em sacaria de café, (c) Fibras e

produtos de malva prontos para comercialização (MARGEM, 2013)(adaptado).

44

Embora muito utilizada para a confecção de cordoaria em geral, tapetes, papel

moeda, artesanato e outras várias finalidades, a fibra de malva ainda não possui

grande utilização como componente de reforço em produtos industrializados. No

entanto, suas propriedades físicas e mecânicas como resistência à tração, módulo

de elasticidade e massa específica, demonstram um grande potencial na utilização

destas fibras como reforço em compósitos de matriz polimérica. Na TAB. 2.5 são

mostradas algumas propriedades das fibras de malva.

TAB. 2.5 – Propriedades físicas e mecânicas das fibras de malva.

Fibra

natural

Diâmetro

(µm)

Comp.

(mm)

Massa

específica

(kg/m3)

Resistência

a tração

(MPa)

Along. a

ruptura

(%)

Módulo de

elasticidade

(GPa)

Malva 42,6 23,8 1374 160 5,2 17,4

Fonte: Adaptado MARGEM, 2013.

Outras características que influenciam positivamente nas propriedades

mecânicas da malva são o baixo ângulo microfibrilar, em torno de 8º, e um razoável

teor de celulose, por volta de 76% (SAVASTANO Jr. et al., 1997). O ângulo

microfibrilar e o teor de celulose possuem respectivamente relação inversa e direta

com a resistência mecânica da fibra. O que comparativamente a outras fibras

naturais, como por exemplo, as fibras de sisal (10-22º e 78,6%) e coco (30-49º e

53%) representam vantagens em aplicações de engenharia. No entanto, a fibra de

malva, assim como a maioria das FNLs, possui heterogeneidades microestruturais, o

que limita algumas aplicações de responsabilidade, mas por outro lado incentiva

inúmeros estudos no sentido de minimizar essas variações. Na FIG. 2.6 são

mostradas imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura de uma fibra de

malva e de vidro.

FIG. 2.6 – (a) Fibra de vidro e (b) Fibra de malva (MARGEM, 2013).

45

Mesquita (2013) realizou tratamento em diversas fibras lignocelulósicas, dentre

elas feixes de fibras de malva, com o intuito de reduzir sua hidrofilicidade e melhorar

a compatibilidade com uma matriz de poliéster utilizada para fabricação de

compósitos. O pré-tratamento inicial utilizado foi o tratamento alcalino

(mercerização) com NaOH (pH=12) por 2 horas (FIG. 2.7). Posteriormente, os feixes

de malva foram tratados com anidrido maleico (esterificação da celulose), com o

intuito de aumentar a tensão superficial das fibras e, por conseguinte, sua

molhabilidade. No entanto, os resultados mostraram queda de algumas

propriedades mecânicas dos compósitos fabricados, em relação àqueles fabricados

com fibras não tratadas como, por exemplo, a resistência ao impacto que

apresentou queda em torno de 30%. Por outro lado, houve uma redução de mais de

30% na absorção de umidade para as fibras de malva tratadas com anidrido

maleico, demostrando que as modificações na superfície das fibras lignocelulósicas

são fundamentais. Contudo, de acordo com o autor devem ser analisados quais são

os parâmetros mais adequados (tempo, temperatura, concentração, etc.), bem como

os tratamentos que proporcionarão o ganho esperado nas propriedades que estarão

diretamente relacionadas com a aplicação desejada. Na TAB. 2.6 são mostrados

alguns dados obtidos pelo trabalho supracitado.

FIG. 2.7 – Feixes de malva em solução de hidróxido de sódio (MESQUITA, 2013) (adaptado).

46

TAB. 2.6 – Comparativo da resistência ao impacto e absorção de umidade para compósitos

fabricados com fibras de malva com e sem tratamento com anidrido maleico.

FONTE: Adaptado MESQUITA, 2013.

No caso das fibras de malva (Urena lobata linn) e juta (Corchorus capsularis), as

quais são produzidas no sistema de consórcio (MARGEM, 2013), o processamento

das fibras consiste basicamente em duas etapas: a de campo e a industrial. A etapa

campestre inclui sequencialmente: corte das hastes, descorticagem, maceração

(afogamento das fibras em água de 8 a 10 dias), desfibramento, secagem e

enfardamento. A etapa industrial consiste basicamente na separação e classificação

das fibras, limpeza para retirar cascas e sujeiras, fiação e tecelagem (dependendo

da aplicação). Na FIG. 2.8 são mostradas algumas etapas do processamento das

fibras de malva.

FIG. 2.8 – Processamento das fibras de malva. (a) Corte das hastes, (b) Descorticagem, (c)

Maceração, (d) Secagem, (e) Enfardamento e (f) Fiação e tecelagem.

Material Resistência ao impacto

(kJ/m2) Absorção de umidade (%)

Malva (sem tratamento) 13,87±3,17 4,51±0,65

Malva (com tratamento) 9,52±2,68 2,91±0,65

47

No entanto, uma das limitações das fibras naturais lignocelulósicas é o seu

comprimento. Para solucionar esta limitação uma das alternativas é produzir fios

contínuos que podem ser enrolados em bobinas. Assim, essas FNLs poderão ser

distribuídas de forma uniforme em compósitos de matriz polimérica (CMP) e

fabricadas automaticamente por processos de pultrusão, prepreg, enrolamento

filamentar, dentre outros (MONTEIRO et al., 2009; CALLISTER e RETHWISCH,

2012).

2.3 MATERIAIS CERÂMICOS


A maioria das cerâmicas são compostos formados por elementos metálicos e

não metálicos, para os quais as ligações interatomicas são predominantemente

iônicas, ou covalentes. O termo ceramica vem da palavra grega keramikos, que

significa “matéria queimada”, indicando que as propriedades desejáveis desses

materiais são obtidas normalmente por meio de um processo de tratamento térmico

conduzido a alta temperatura (CALLISTER e RETHWISCH, 2012).

Há cerca de 60 anos, os materiais mais importantes nessa categoria eram

denominados “ceramicas tradicionais” tendo como matéria-prima principal a argila;

os principais produtos derivados das ceramicas tradicionais são a porcelana (usada

em louças), tijolos, telhas, bem como vidros e ceramicas refratárias. Recentemente,

foi realizado um progresso significativo em relação a compreensão da natureza

fundamental desses materiais e dos fenomenos que neles ocorrem, responsáveis

por suas propriedades únicas. Consequentemente, uma nova geração desses

materiais foi desenvolvida, e o termo ceramica tornou-se muito mais abrangente.

Surgiram as cerâmicas avançadas. Em um grau ou outro, esses novos materiais

vêm causando um efeito consideravelmente drástico e positivo sobre nossas vidas,

como nas industrias de componentes eletrônicos, de computadores, de

comunicação e aeroespacial (CALLISTER e RETHWISCH, 2012). No presente

estudo, endereça-se uma ligação intrínseca com a produção de blindagens

48

balísticas, para fins de desenvolvimento de proteção pessoal (coletes) ou veicular,

explorando a elevada dureza dos cerâmicos.

Uma classificação bastante usual dos materiais cerâmicos é aquela ligada a sua

aplicação. Neste contexto, podem ser citados os vidros, produtos à base de argila,

refratários, abrasivos, cimentos e as cerâmicas avançadas, nas quais são

enquadrados os materiais utilizados nos sistemas de blindagem balística. Na FIG.

2.9 está ilustrada a classificação mencionada.

FIG. 2.9 – Classificação dos materiais cerâmicos com base na sua aplicação (CALLISTER e

RETHWISCH, 2012).

Dentre as propriedades dos materiais cerâmicos de interesse para blindagens

balísticas pode-se citar alta resistência mecânica, rigidez, dureza e resistência à

compressão. No entanto, em função da sua fragilidade são necessários outros

materiais no SBMs para resultar em um efeito sinergético eficiente. Nos SBMs o

componente cerâmico é responsável pela absorção de um percentual significativo,

em torno de 55%, da energia cinética inicial do projétil (DA SILVA, 2014; LUZ, 2014).

Dentre os principais materiais cerâmicos utilizados em blindagens balísticas pode-se

citar o carbeto de silício, carbeto de boro, nitreto de silício e o mais utilizado

atualmente, em função da sua ótima relação custo-benefício, o óxido de alumínio ou

alumina (Al2O3), normalmente aditivada com nióbia (Nb2O5). Diversos estudos foram

conduzidos no desenvolvimento de blindagens balísticas utilizando estes materiais,

com aditivos ou não e sob diferentes formas (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012;

CHAGAS, 2014), buscando ampliar cada vez mais a eficiência das blindagens

balísticas.

49

2.3.2 ALUMINA (Al2O3) ADITIVADA COM NIÓBIA (Nb2O5)

Conforme citado, a alumina é um dos materiais cerâmicos mais utilizados em

blindagens balísticas. O seu processo de produção é bastante conhecido e

controlado, possibilitando obter uma boa relação custo-benefício na sua utilização

frente a outros materiais apropriados para blindagem, como por exemplo, o carbeto

de silício (SiC). No entanto, diversos estudos foram desenvolvidos para melhorar as

propriedades mecânicas da alumina e reduzir seu custo, através do uso de aditivos,

a fim de utilizar em aplicações militares (GOMES, 2004). Dentre esses aditivos, a

nióbia (Nb2O5) vem sendo utilizada com sucesso em diversos trabalhos, melhorando

a densificação da alumina e possibilitando reduzir sua temperatura de sinterização

de 16000C para algo em torno de 14000C (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012;

CHAGAS, 2014), com expressiva redução de custo de fabricação.

A nióbia é encontrada na natureza no estado sólido e possui boa estabilidade

química. Tem aparência branca, não é solúvel na água e é inerte (CHAGAS, 2014).

Como aditivo de sinterização, a nióbia permanece nos contornos dos grãos de

alumina, favorecendo o seu crescimento e intensificando a eliminação de poros ao

longo dessas fronteiras, o que, como resultado, incrementa a massa específica das

amostras pós-sinterização. A presença de nióbia gera precipitados como uma

segunda fase nos contornos de grãos da alumina, aumentando a área superficial a

ser percorrida pelas trincas produzidas pelo impacto balístico, e por conseguinte, a

absorção de energia durante o impacto, devido ao fato da modificação do modo de

fratura transgranular para intergranular na fragmentação. A presença de nióbia

também aumenta a dureza do corpo cerâmico, o que contribui para erodir a ponta do

projétil de forma mais eficiente (LOURO; GOMES; COSTA, 2001).

2.3.3 PROCESSAMENTO CERÂMICO

O processamento cerâmico envolve uma sequência de operações, a partir do pó

cerâmico, para se obter um produto cerâmico com as propriedades desejadas. O

fluxograma da FIG. 2.10 resume as operações normalmente realizadas para cada

fase do processamento. A aditivação refere-se à presença da nióbia e de outros

aditivos, com intuito de melhorar as propriedades mecânicas do cerâmico. Nesta

50

fase, utiliza-se também um ligante molecular para manter as partículas cerâmicas

unidas, realizando a moagem para homogeneizar a mistura, além de reduzir o

tamanho médio das partículas e contribuir para um formato mais esférico das

mesmas. Normalmente, utiliza-se como ligante o PEG (polietileno glicol). O PEG é

um óxido etileno polimérico com a estrutura HO – [CH2 – CH2 – O]n – H. As faixas

de peso molecular nos quais é encontrado comercialmente variam de 200 a 8000

g/mol. Os ligantes PEG são solúveis em água e muito puros, e em uma ampla faixa

de solventes, possuem uma solubilidade limitada (REED, 1995). Após a

homogeneização ocorre a etapa de produção do “corpo verde”, chamada

conformação, o que confere uma pré-forma ao produto desejado. Alguns exemplos

dos possíveis processos de conformação incluem a prensagem uniaxial, prensagem

a quente, prensagem isostática e a colagem por barbotina.

FIG. 2.10 – Etapas básicas do processamento cerâmico.

Após a obtenção do corpo verde, o corpo cerâmico já possui o formato e

dimensões preliminares, porém com propriedades mecânicas muito abaixo dos

valores desejados, realiza-se a principal etapa do processamento cerâmico, a

sinterização.

A sinterização é o processo pelo qual um compacto de pó é transformado em

um corpo cerâmico denso e resistente por aquecimento. Trata-se de um processo

51

termicamente ativado, ou seja, necessita de tempo e temperatura para que ocorra a

difusão, caracterizada em três estágios que apresentam as seguintes

características: Estágio Inicial (1) – formação de “pescoços”, densificação de 60 a

65%, ocorre na superfície e a temperaturas mais baixas; Estágio Intermediário (2) –

formação de canais porosos contínuos, densificação de 65 a 90%, ocorre a

chamada “consolidação” do produto, na qual, ao longo do material, as particulas se

juntarão mais, formando um agregado, obtendo maior resistência mecânica; e

Estágio Final (3) – crescimento de grão e posterior resfriamento, até atingir a

temperatura ambiente (REED, 1995). No estágio final da sinterização os poros

tornam-se isolados.

Por fim, ainda podem existir etapas de acabamento visando a obtenção do

produto final, o qual será caracterizado quanto à forma, dimensões e propriedades.

A FIG. 2.11 mostra um exemplo de corpos cerâmicos, após processamento, que

foram utilizados em testes de blindagem balística no IME.

FIG. 2.11 – Corpos cerâmicos produzidos no IME para fins de testes balísticos.

2.4 MATERIAIS COMPÓSITOS


Os compósitos surgiram da necessidade de melhorar as propriedades dos

materiais convencionais como metais, cerâmicos e polímeros. Em função do

crescente avanço tecnológico, cada vez mais surgem aplicações que contrapõem

52

propriedades ditas antagônicas, como por exemplo, combinar uma alta resistência

com uma ductilidade e tenacidade apreciáveis.

Neste contexto, entende-se por compósito um material multifásico, produzido de

forma artificial e “engenheirada”. Ou seja, pode-se obter um material que apresente

uma mistura de fases quimicamente diferentes, de forma bem específica e com a

presença de uma interface distinta. Com isso, através do princípio da ação

combinada ou regra das misturas, o material compósito exibe uma proporção

significativa de ambas as fases constituintes. Assim, é possível obter uma gama

praticamente infinita de combinações de propriedades, as quais seriam impossíveis

de serem alcançadas, isoladamente, nos materiais monolíticos (CALLISTER e

RETHWISCH, 2012).

De uma maneira geral, os compósitos são formados por uma fase contínua

denominada matriz, que pode ser metálica (CMM), cerâmica (CMC) ou ainda

polimérica (CMP), como por exemplo, uma matriz epoxídica conforme utilizada no

presente estudo. Dentre as funções da matriz estão a ligação entre fibras e a

proteção das mesmas contra danos superficiais, bem como servir como barreira a

propagação de trincas. A matriz polimérica é a mais comum de todas, normalmente

a base de poliésteres e epóxis, podendo ser reforçada com fibras de vidro, carbono,

aramidas ou fibras naturais, por exemplo. As matrizes metálicas e cerâmicas são

usadas em temperaturas de serviço mais elevadas e possuem maior resistência à

degradação.

As propriedades obtidas nestes compósitos são funções das seguintes variáveis:

a) Propriedades das fases constituintes;

b) Quantidades relativas;

c) Geometria da fase dispersa (forma, tamanho, distribuição e orientação).

Os compósitos podem ser divididos em três grandes grupos: reforçados com

partículas, reforçados com fibras e estruturais. Na FIG.2.12 estão ilustradas as

subdivisões dos materiais compósitos.

53

FIG. 2.12 – Esquema de classificação para os vários tipos de compósitos (CALLISTER e

RETHWISCH, 2012).

Dentre esses grupos, os compósitos reforçados com fibras são os mais

importantes devido à possibilidade de projetar materiais com alto módulo de

elasticidade e resistência específica, os quais possibilitam inúmeras aplicações

tecnológicas. Nestes compósitos a fase dispersa encontra-se na forma de fibra,

devido ao seu volume reduzido, o que diminui a probabilidade de ocorrer defeito

superficial crítico, tornando-os muito mais resistentes que um material volumétrico. A

EQ. 2.3 representa a regra das misturas para o módulo de elasticidade longitudinal

para um compósito reforçado por fibras.

Ecomp. = Em. Vm + Ef. Vf EQ. 2.3

Sendo:

Ecomp. – Módulo de elasticidade do compósito;

Em – Módulo de elasticidade da matriz;

Vm – Fração volumétrica da matriz;

Ef – Módulo de elasticidade da fibra;

Vf – Fração volumétrica da fibra.

As propriedades finais deste compósito não dependem apenas das propriedades

da fibra, mas também da ligação interfacial entre fibra e matriz. Por isso, para que o

reforço seja efetivo é necessário que a fibra tenha uma interface com boa aderência

à matriz e certo comprimento crítico (lc), o qual depende do diâmetro, do limite de

54

resistência à tração da fibra e da tensão de escoamento ao cisalhamento da matriz.

Na EQ. 2.4 mostra-se a relação entre os parâmetros que definem o comprimento

crítico da fibra.

𝑙𝑐 =𝜎𝑓.𝑑

2.𝜏 EQ. 2.4

Sendo:

lc - Comprimento crítico da fibra;

σf - Limite de resistência à tração da fibra;

d - Diâmetro da fibra;

𝜏 - Tensão de escoamento ao cisalhamento da matriz.

As fibras de comprimento 15 vezes maior do que o comprimento crítico são

consideradas contínuas, caso contrário são chamadas descontínuas ou curtas.

Como as fibras são anisotrópicas, diversos fatores podem influenciar diretamente no

comportamento do compósito, como por exemplo, se elas estão alinhadas ou

orientadas aleatoriamente, assim como sua fração volumétrica e a direção na qual a

carga é aplicada (longitudinal ou transversal à direção de alinhamento). Além disso,

as fibras podem ser divididas em três classes, de acordo com o diâmetro e a

natureza das mesmas: A primeira classe, whiskers, são monocristais com diâmetros

entre 0,1 μm e 10 μm. Já as fibras, são policristalinas ou amorfas com diametros

entre 10 μm e 100 μm, e pertencem a segunda classe. Os materiais da terceira

classe, chamados de arames, e são aqueles com diâmetros entre 100 μm e 1000

μm.

2.4.2 COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE MALVA

A utilização das fibras de malva (Urena lobata linn) como reforço em CFNLs

constitui um campo de pesquisa relativamente novo. No entanto, têm-se alguns

relatos principalmente ligados a construção civil, nos quais verificou-se que a

incorporação de 2% de fibras de malva em matriz de cimento Portland foi capaz de

aumentar a ductilidade do compósito produzido, mantendo os níveis de resistência

55

dentro de valores adequados às normas (SAVASTANO Jr., 1997). O pesquisador

Margem (2013) mostrou também em seu trabalho, que a tenacidade ao impacto dos

compósitos com fibras de malva possui lugar de destaque, comparativamente a

energia absorvida por outros CFNLs, o que mostra haver um grande potencial dos

compósitos fabricados com esta fibra, no que se refere a aplicações dinâmicas, em

função do tipo de fratura que ocorre na interface fibra-matriz. Outro ponto a ressaltar,

diz respeito à ligação direta entre o aumento da fração volumétrica de fibras com o

aumento da tenacidade ao impacto. Na TAB. 2.7 são mostrados alguns resultados

obtidos e nas FIG. 2.13 e 2.14 são observados, respectivamente, corpos de prova

de compósitos reforçados com fibras de malva com frações volumétricas variando

de 0 a 30% e a imagem em MEV de um compósito reforçado com fibras de malva

após a fratura, ressaltando o mecanismo de descolamento de fibras da matriz

(MARGEM, 2013).

TAB. 2.7 – Valores de tenacidade ao impacto de compósitos reforçados com FNLs.

FONTE: MARGEM, 2013.

FIG. 2.13 – Ruptura de compósitos de matriz poliéster com diferentes frações volumétricas de fibras

de malva após ensaio de impacto (MARGEM, 2013).

56

FIG. 2.14 – Fratura por impacto de corpo de prova com 30% em volume de fibras de malva

(MARGEM, 2013).

Os compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de malva possuem

aplicações promissoras no campo da blindagem balística, em função da sua alta

tenacidade ao impacto, comparativamente aos compósitos reforçados por outras

FNLs. Com isso, torna-se fundamental caracterizar estes compósitos e testá-los em

um SBMs, tanto na condição de reforço por fibras, mas principalmente utilizando

tecido de malva, pois alguns trabalhos já desenvolvidos mostraram que a eficiência

da blindagem, em termos de redução na profundidade de impacto, é maior em

tecidos e mantas, mesmo em trama simples, do que nas fibras em arranjo

unidirecional, pois há uma melhor distribuição de tensões e deformações

(MILANEZI, 2015). A FIG. 2.15 ilustra alguns dos possíveis arranjos de tecidos

disponíveis no mercado têxtil. A trama simples é a mais utilizada, em função da

facilidade de confecção e boa relação entre as propriedades mecânicas e custos

associados.

FIG. 2.15 - Diferentes tipos de arranjos de fibras: (a)simples; (b)sarja; (c)cetim; (d)cesta; e (e)leno

(JOHN e THOMAS, 2008).

57

2.5 MECANISMOS DE FRATURA DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

REFORÇADOS COM FIBRAS

O entendimento dos mecanismos de falha associados aos compósitos

poliméricos é de fundamental importância para melhorar esses materiais,

principalmente no caso de aplicações de responsabilidade, como na utilização em

blindagem balística. De maneira geral, a fratura não ocorre de modo catastrófico,

mas de acordo com o percentual de fibras que reforçam o compósito. Em torno de

20% v/v de fibras naturais já é possível verificar que a falha tende a ser progressiva,

e o compósito passa a falhar por meio de uma combinação de mecanismos de

fratura.

A FIG. 2.16 ilustra alguns dos vários mecanismos de falhas que podem ocorrer

em compósitos reforçados por fibras.

FIG. 2.16 – Mecanismos de falha em materiais compósitos reforçados por fibras (ANDERSON, 1995).

Os mecanismos de falha que podem ocorrer nos compósitos reforçados por

fibras são: arrancamento de fibras (“pull-out”), ponte de fibras (“fiber bridging”),

descolamento fibra/matriz, ruptura das fibras, trincamento da matriz e a

delaminação, que ocorre normalmente em compósitos reforçados por tecidos.

2.6 COMPORTAMENTO DINÂMICO DOS MATERIAIS

Os processos a que os corpos estão sujeitos, quando são submetidos a

carregamentos que variam rapidamente, podem ser significativamente diferentes

daqueles que ocorrem em situações estáticas ou quase estáticas (MEYERS, 1994).

58

A aplicação de força externa a um corpo, por definição, é um processo dinâmico.

Contudo, quando a taxa de variação da força aplicada é baixa, pode-se considerar o

processo como uma sequência de etapas para as quais o corpo está em equilíbrio

estático. No entanto, para altas taxas de deformação, as tensões (e deformações)

associadas variam de seção para seção. A nível atômico visualiza-se uma onda que

opera como se fosse uma sucessão de impactos entre átomos adjacentes. Estas

ondas possuem velocidade característica, que pode ser medida ou estimada com

boa aproximação (MEYERS, 1994).

O comportamento balístico de um material pode ser definido como a resposta

dinâmica, em virtude das altas taxas de deformações causadas pelo impacto do

projétil. Além disso, conforme o comportamento do material, em virtude da

magnitude da solicitação externa, podem ser geradas ondas elásticas, plásticas ou

de choque.

Nas ondas elásticas as tensões transmitidas estão abaixo da tensão de

escoamento do material, e sua velocidade (VE) em um meio contínuo depende do

módulo de elasticidade do material (E) e da sua massa específica (ρ). Na EQ. 2.5

mostra-se a relação entre os parâmetros (MEYERS, 1994).

𝑉𝐸 = √𝐸

𝜌 EQ. 2.5

Nas ondas plásticas as tensões transmitidas ultrapassam o limite de

escoamento, e o material se deforma plasticamente. Com isso, ocorre a

decomposição da onda de tensão em uma componente elástica mais rápida e outra

plástica. A velocidade da onda plástica pode ser definida pela EQ. 2.6 (MEYERS,

1994).

𝑉𝑃 = √𝑑𝜎

𝑑𝜀⁄

𝜌 EQ. 2.6

Sendo:

VP – velocidade da onda plástica;

𝑑𝜎𝑑𝜀⁄ - inclinação da curva tensão (σ) versus deformação (ε) mostrada na FIG. 2.17;

ρ – massa específica do material.

59

A FIG. 2.17 mostra que a relação 𝑑𝜎𝑑𝜀⁄ é constante e igual ao módulo de

elasticidade (E) no regime elástico. Já no regime plástico a inclinação 𝑑𝜎𝑑𝜀⁄ é

reduzida, o que significa que as ondas plásticas propagam-se a uma velocidade

menor do que as ondas elásticas.

FIG. 2.17 – Curva tensão (σ) versus deformação (ε) (MEYERS, 1994).

Já quando as ondas de tensão excedem, em muito, o limite de escoamento

dinâmico do material, as tensões cisalhantes podem ser desprezadas, e o material

se comporta como um fluido podendo ser modelado através da equação dos gases

perfeitos definida pela EQ. 2.7 (MEYERS, 1994).

𝑑𝑃

𝑑𝑉= −𝛾.

𝑃

𝑉 EQ. 2.7

Sendo:

P – pressão;

V – volume específico;

Ɣ – índice adiabático.

Essas ondas são chamadas ondas de choque e podem ser modeladas

matematicamente pelas equações de Rankine-Hugoniot. O conceito de onda de

choque, bem como as equações de conservação envolvidas (massa, momento e

energia), podem ser entendidos por meio de um modelo representado por um pistão

que percorre um cilindro com gás. Na FIG. 2.18 são ilustradas as etapas do

processo.

60

FIG. 2.18 – Esquema para modelar matematicamente a propagação de ondas de choque: (a) Antes

do choque; (b) Após um tempo t1; (c) Após um tempo t2>t1 (MEYERS, 1994) (adaptado).

No tempo t0=0, FIG. 2.18(a), o pistão está em repouso e o gás no seu interior

possui massa específica ρ=ρ0, pressão P=P0, energia interna E=E0 e velocidade

U0=0. Após um tempo t1, FIG. 2.18(b), o pistão é acelerado até a velocidade UP, e

cria-se uma frente de choque que se move com velocidade Us, ou seja, um plano

que separa o fluido em movimento daquele ainda estacionário. O pistão desloca-se

Up.t1 e a frente de choque Us.t1. O gás no interior da região comprimida possui

parametros P, ρ e E diferentes da região não comprimida. Na FIG. 2.18(c), para um

tempo t2>t1, o fenômeno é idêntico ao que ocorre em t1. No entanto, como a

velocidade Us>UP, a região comprimida torna-se cada vez maior (MEYERS, 1994).

Como regiões de maior amplitude de onda de tensão movem-se com velocidade

superior àquelas de menor magnitude, define-se onda de choque como uma

descontinuidade na pressão, temperatura (energia interna) e massa específica.

As equações de conservação de Rankine-Hugoniot expressas pelas EQs. 2.8,

2.9 e 2.10 modelam matematicamente a propagação das ondas de choque.

61

a) Conservação de massa: 𝜌0. 𝑈𝑆 = 𝜌. (𝑈𝑆 − 𝑈𝑃) EQ. 2.8

b) Conservação de momento: (𝑃 − 𝑃0) = 𝜌0. 𝑈𝑆. 𝑈𝑃 EQ. 2.9

c) Conservação de energia: 𝐸 − 𝐸0 = 12⁄ . (𝑃 + 𝑃0). (𝑉0 − 𝑉) EQ. 2.10

As relações supracitadas assumem as seguintes premissas:

a) O choque é uma superfície descontínua sem espessura aparente;

b) O módulo de cisalhamento é considerado zero (comporta-se como um fluido);

c) Forças de corpo (p.ex. forças gravitacionais) e a condução de calor na frente

de choque são desprezíveis (processo adiabático);

d) Não há comportamento elastoplástico;

e) O material não sofre transformações de fase.

As EQs. 2.8, 2.9 e 2.10 possuem cinco variáveis: massa específica (ρ) ou volume

específico (V), pressão (P), energia (E), velocidade da partícula (UP) e velocidade de

choque (US). Portanto, torna-se necessário encontrar uma quarta equação para que

as variáveis de interesse possam ser calculadas. Esta quarta equação (EQ. 2.11)

chama-se equação de estado do material que mostra uma relação obtida

experimentalmente entre as velocidades UP e US.

𝑈𝑆 = 𝐶0 + 𝑆1. 𝑈𝑃 + 𝑆2. 𝑈𝑃2+ ⋯ + 𝑆𝑛. 𝑈𝑃𝑛

EQ. 2.11

Sendo:

C0 – a velocidade do som no material à pressão zero (C0 e VE são numericamente

iguais);

S1, S2,..., Sn – Parâmetros empíricos;

Para a maioria dos materiais, S2 e demais termos de S de ordem superior são

iguais a zero. Com isso, tem-se uma equação linear simplificada (EQ. 2.12) entre US

e UP, que descreve razoavelmente a resposta ao choque de materiais que não

experimentaram transformações de fase.

62

𝑈𝑆 = 𝐶0 + 𝑆1. 𝑈𝑃 EQ. 2.12

Os valores de C0 e S1 normalmente são tabelados e encontrados na literatura.

De posse das citadas quatro equações torna-se possível calcular uma série de

relações, duas a duas, como por exemplo, P-UP (Pressão – Velocidade de partícula),

P-(V / V0) (Pressão – Volume específico) e E-Us (Energia – Velocidade da onda de

choque).

2.7 INTERAÇÃO E REFLEXÃO DE ONDAS DE CHOQUE

Para analisar os parâmetros de choque oriundos das diversas interações entre

as camadas de um sistema de blindagem, cujas ondas de choque são produzidas

após o impacto de um projétil, adota-se o método gráfico denominado casamento de

impedâncias. A impedância de choque de um material consiste no produto entre a

sua massa específica (ρ) multiplicado pela velocidade da frente de onda (US). Na

falta deste parâmetro pode-se utilizar a velocidade da onda sônica (C0). Ou seja,

quanto maior a massa específica ou a velocidade da onda sônica, maior será a

impedância de choque do material. A impedância de choque possibilitará o cálculo

da pressão que será gerada da interface de choque para uma determinada

velocidade de partícula (UP). Para aplicação deste método algumas considerações

devem ser feitas, a saber:

a) Impacto planar – envolve duas superfícies planas;

b) Superfícies paralelas;

c) Impacto normal – a direção de movimento do projétil deverá ser perpendicular

a sua superfície.

Na FIG. 2.19 mostra-se esquematicamente a sequência de etapas antes (a),

durante (b) e após (c) o choque entre as superfícies (projétil e alvo) em estudo,

segundo um observador externo.

63

FIG. 2.19 – Sequência de etapas (a) antes, (b) durante e (c) após o choque entre as superfícies em

estudo (MEYERS, 1994) (adaptado).

Antes do impacto na situação (a), o projétil (1) move-se a velocidade V e o alvo

(2) encontra-se em repouso. Após o impacto duas ondas compressivas são geradas,

uma com velocidade US2 viaja para dentro do alvo, enquanto outra com velocidade

US1 viaja para dentro do projétil. A porção não comprimida do projétil ainda viaja a

velocidade V, enquanto a porção não comprimida do alvo ainda está em repouso.

Existem duas condições que devem ser estabelecidas para que a pressão

gerada tanto no alvo quanto no projétil possa ser calculada (MEYERS, 1994).

a) O material tem que ser contínuo através da interface de impacto, o que impõe

mesma velocidade de partícula na região comprimida (região hachurada). Se

as velocidades de partícula fossem diferentes haveria vazios ou regiões de

superalta massa específica, itens que não acontecem. Logo UP1 = UP2;

b) A pressão tem que ser a mesma, pois caso contrário formar-se-ia outro pulso.

Logo P1 = P2.

Para se estabelecer as igualdades através da equação de conservação de

momento de Rankine-Hugoniot e equação de estado do material (EQs. 2.9 e 2.12)

deve-se atentar para o sistema de referência. Como a superfície de contato move-se

em relação ao observador externo, para manter a pressão constante, a velocidade

UP1 deve ser medida em relação ao referencial móvel lagrangeano (EQ. 2.13).

UP1 = V – UP2 EQ. 2.13

64

Duas situações distintas são analisadas através do método do casamento de

impedâncias:

1) Transferência de onda de choque de um meio de baixa impedância (A) para

outro de alta impedância (B);

2) Transferência de onda de choque de um meio de alta impedância (A) para

outro de baixa impedância (B).

No primeiro caso o material (A) possui massa específica menor do que o

material (B), pois como já mencionado, a impedância de choque é diretamente

proporcional à massa específica do material e a velocidade da frente de choque ou

da onda sônica (elástica). Na FIG. 2.20(a) e (b) está ilustrado o processo e mostra a

variação de pressão em função das velocidades das partículas nos materiais (A) e

(B). A linha pontilhada representa a reta de Rayleigh, a qual representa a

descontinuidade na pressão, pois a mesma não percorre a curva Hugoniot

continuamente, conforme a evolução do processo. A inclinação da reta de Rayleigh

é o produto da massa específica (ρ0) pela velocidade da frente de choque (US).

Na FIG. 2.20(a) o material (A) representa o projétil e o material (B) o alvo. Na

interface entre os materiais A e B, ocorrerá a mudança da pressão P1 para que o

equilíbrio seja atingido. Essa mudança pode ser calculada através do casamento de

impedâncias, como apresentado esquematicamente na FIG.2.20(a). Nota-se que o

material (A) de menor impedância possui inclinação menor, em relação ao eixo

horizontal, do que o material (B) de maior impedância. Para determinar graficamente

os valores de UP1 e P1 desenha-se a curva Hugoniot inversa do material (A),

chamada de (AR), e o ponto de encontro com a curva Hugoniot (A) direta serão os

pontos UP1 e P1 na abscissa e ordenada respectivamente. Após o choque a pressão

passa de P1 para P2 na interface. A velocidade de partícula é reduzida de V para

UP2, e o ponto de coordenadas (UP2, P2) é determinado graficamente pelo

cruzamento da curva Hugoniot do material (B) com a Hugoniot inversa do material

(A). Neste momento, a onda é decomposta e uma frente de pressão propaga-se

para (A) e (B), conforme FIG. 2.20(b). Esta frente de pressão retorna como uma

onda compressiva e seu valor reduz para P2 – P1 dentro do material (A), ilustrado

pela FIG. 2.20(b). O pulso continua sua propagação para a esquerda e a velocidade

de partícula UP2 se mantem a mesma na região de alta pressão, em A e B. Desse

65

modo, é assegurada a continuidade de pressão e de velocidade de partícula

(MEYERS, 1994).

FIG. 2.20 – Transferência de onda de choque de um meio de baixa impedância para outro de alta

impedância. a) Gráfico de Pressão versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão nos

materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994) (adaptado).

66

No segundo caso a transferência da onda de choque ocorreu de um material de

alta impedância para outro de baixa impedância. A FIG. 2.21 ilustra o referido

processo.

FIG. 2.21 – Transferência de onda de choque de um meio de alta impedância para outro de baixa

impedância. a) Gráfico de Pressão versus Velocidade da partícula; b) Evolução da pressão nos

materiais (A) e (B) ao longo do tempo (MEYERS, 1994) (adaptado).

Na determinação da pressão e da velocidade de partícula após o choque, a

curva Hugoniot do material (A) é invertida (curva AR) no ponto de pressão P1. No

cruzamento desta curva com a Hugoniot direta do material (B) tem-se o ponto de

coordenadas (UP2, P2) que representa a velocidade de partícula e pressão na

interface (A) e (B). Neste exemplo a pressão P2 é menor do que P1. Com isso, esta

pressão libera um pulso que se propagará para dentro do material (A). Como

admite-se que os materiais (A) e (B) são semi-infinitos, o pulso de tensão viajará

livremente até encontrar o pulso primário. O encontro ocorrerá no tempo t4,

conforme a FIG. 2.21(b), e será gerado um pulso trativo que se propagará tanto para

o material (A) quanto para (B). Caso a amplitude da onda trativa seja

suficientemente alta ocorrerá estilhaçamento do material (MEYERS, 1994).

67

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 ASPECTOS GERAIS

Este trabalho consistiu, basicamente, de quatro etapas. A primeira delas foi a

fabricação dos corpos de prova cerâmicos e compósitos nos laboratórios do IME. A

segunda etapa dedicou-se à caracterização mecânica e térmica dos corpos de prova

compósitos. A terceira realizou a avaliação balística dos SBMs, os quais possuíam

as placas compósitas reforçadas por fibras de malva como camada intermediária, e

a quarta etapa efetuou a análise dos resultados balísticos de acordo com as

características dos compósitos de epóxi-fibras de malva.

Os corpos cerâmicos foram fabricados seguindo a metodologia já aplicada em

outros trabalhos com SBMs (LUZ, 2014; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015).

Os corpos de prova (CPs) compósitos foram fabricados com fibras de malva

para caracterização mecânica nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras. Para

os ensaios balísticos os corpos foram fabricados com 30%v/v de fibras na forma de

tecido 100% malva, ou híbrido com a fibra de juta. De acordo a literatura (FARUK,

2012), 30%v/v de fibras seria o percentual que possibilitaria a obtenção de

resultados satisfatórios em termos de propriedades mecânicas. As placas que

produziram os diversos CPs foram fabricadas através de prensagem uniaxial em

matriz metálica apropriada, com resina epóxi e fibras de malva (fibras soltas

alinhadas e tecido) nas dimensões 150 x 120 mm.

Na terceira e quarta etapas realizou-se ensaios balísticos no Centro de

Avaliações do Exército (CAEx). Nessas etapas, analisou-se o desempenho balístico

das placas, bem como os resultados dos diversos ensaios mecânicos e térmicos.

O foco do trabalho foi a realização de ensaios balísticos em compósitos

epoxídicos reforçados por tecidos 100% malva, híbridos com juta e por fibras de

malva contínuas e alinhadas. Comparou-se os resultados obtidos com outros

compósitos à base de fibras naturais (CFNLs) bem como com materiais tradicionais

empregados em sistemas de blindagem, como o Kevlar™.

68

3.2 MATERIAIS UTILIZADOS

3.2.1 ALUMINA (Al2O3) E NIÓBIA (Nb2O5)

As TABs. 3.1 e 3.2 apresentam as análises químicas da alumina e da nióbia que

foram utilizadas, conforme informação obtida dos fornecedores. A alumina (Al2O3) foi

fornecida pela empresa Treibacher Schleifmittel Brasil Ltda. A nióbia (Nb2O5)

utilizada como aditivo na alumina foi fornecida pela Companhia Brasileira de

Metalurgia e Mineração (CBMM).

TAB. 3.1 - Análise química da alumina.

ELEMENTO ANÁLISE ESPECIFICAÇÃO

Al2O3 (%) 99,4 mín. 99,1

SiO2 (%) 0,04 máx. 0,06

Fe2O3 (%) 0,04 máx. 0,06

Na2O (%) 0,11 máx. 0,15

umidade a 300º C (%) 0,2 máx. 0,5 FONTE: Adaptado de TRINDADE, 2012.

TAB. 3.2 - Análise química da nióbia.

ELEMENTO ANÁLISE

Nb2O5 (%) 99,5

Ta (ppm) 745

Ti (ppm) 240

Fe (ppm) 136

Si (ppm) 66

Sn (ppm) 95 FONTE: Adaptado de TRINDADE, 2012.

3.2.2 POLIETILENO GLICOL (PEG)

Para possibilitar o manuseio dos “corpos verdes” durante o processamento

cerâmico, antes da etapa de sinterização, foi utilizado o ligante orgânico polietileno

glicol (PEG) fornecido pela Vetec Química Fina Ltda.

69

3.2.3 FIBRAS DE MALVA

As fibras de malva na forma “in natura” e como tecido hibrido malva/juta nas

proporções 70%/30% (em peso) e 50%/50% (em peso) foram fornecidas pela

Companhia Têxtil Castanhal do Pará. O tecido 70%/30% (329 g/m2) seguiu uma

trama simples enquanto que o tecido 50%/50% (704 g/m2) foi preparado na trama do

tipo arraiolo. Também foram doadas fibras de malva “in natura” pela Universidade

Estadual do Norte Fluminense (UENF). A FIG. 3.1 mostra as fibras de malva como

recebidas. O tecido 100% malva (329 g/m2) foi confeccionado manualmente, na

trama simples, por comunidades indígenas da região do Pará. As fibras de malva

foram limpas, cortadas, no comprimento de 150 mm, e secas em estufa por 24 h. Os

tecidos 100% malva e híbridos foram cortados nas dimensões 150 x 120 mm e

utilizaram o mesmo procedimento de limpeza e secagem adotado para as fibras “in

natura”.

Além da utilização das fibras de malva “in natura” sem tratamento, foram

também realizados tratamentos químicos de mercerização em NaOH combinando os

seguintes parâmetros:

a) Concentração de NaOH (5%, 10% e 20%);

b) Tempo de imersão (3h, 24h e 48h);

c) Agitação ou não da solução.

Foram realizadas 18 combinações de tratamento, além do grupo de controle,

representado pelas fibras de malva não tratadas. O objetivo do tratamento por

mercerização foi aumentar a cristalinidade das fibras, melhorar as suas propriedades

mecânicas, bem como promover uma melhor adesão das fibras com a matriz

polimérica, através do aumento de rugosidade interfacial, quando da confecção do

compósito com resina epóxi. A TAB. 3.3 mostra os tipos de amostras produzidas

variando-se os parâmetros de mercerização. A análise da cristalinidade original e

das fibras tratadas foi realizada por DRX.

70

TAB. 3.3 - Tipos de amostras produzidas pela variação dos parâmetros de mercerização.

Parâmetros de controle Tempo de imersão NaOH

Concentração NaOH 3h 24h 48h

5% CP1 CP4 CP7

10% CP2 CP5 CP8

20% CP3 CP6 CP9

Após o procedimento descrito, foram submetidas ao tratamento de mercerização

aproximadamente 100 g de fibras de malva “in natura”, que proporcionou uma maior

cristalinidade nas fibras de malva (CP4) para confecção de placa compósita com

resina epóxi e 30%v/v de fibras. Nesta condição, as placas foram submetidas a

avaliação mecânica através do ensaio de impacto Charpy. O tratamento de

mercerização consistiu em mergulhar as fibras de malva em solução de NaOH a 5%

por 24 h, sem agitação. Após este período as fibras foram lavadas e imersas em

água destilada por 48h, com troca de água a cada 24 h. O pH foi monitorado até

alcançar valores próximos de 7,0 após o procedimento de lavagem. Na FIG. 3.2 são

mostradas as fibras de malva mergulhadas em solução de NaOH a 5% por 24 h,

para este tratamento.

FIG. 3.1 – Fibras de malva: a) “in natura” e b) na forma de tecido.

71

FIG. 3.2 – Fibras de malva submetidas ao tratamento de mercerização.

3.2.4 RESINA EPÓXI

O polímero utilizado como material da matriz da placa compósita foi a resina

epóxi comercial do tipo éter, diglicidílico do bisfenol A (DGEBA), endurecida com

trietileno tetramina (TETA), utilizando-se a proporção estequiométrica de 13 partes

de endurecedor para 100 partes de resina. A empresa fabricante da resina foi a Dow

Chemical do Brasil e fornecida pela distribuidora RESINPOXY Ltda.

3.2.5 PLACAS DE LIGA DE ALUMÍNIO (Al 5052 H34)

As placas de liga de alumínio 5052 H34 utilizadas foram fornecidas pela

empresa Metalak Comércio Indústria de Metais Ltda., nas dimensões 120 x 150 mm,

com espessura de 5 mm (FIG. 3.3). Os valores fornecidos pelo fabricante, e as

especificações de resistencia a tração (σT), limite de escoamento (σe), deformação

por alongamento (ΔL/L0) da liga são mostrados na TAB. 3.4 (BRAGA, 2015)

(adaptado).

FIG. 3.3 – Placa de alumínio utilizada no SBMs.

72

TAB. 3.4 – Especificações da placa de alumínio.

Material

Massa

específica

(g/cm3)

Limite de

resistência à

tração (MPa)

Limite de

escoamento

(MPa)

Alongamento

(%)

Alumínio 5052

H34 2,7 249 205 10

FONTE: Adaptado de BRAGA, 2015.

3.3 MÉTODOS PROPOSTOS

3.3.1 PREPARAÇÃO DOS CORPOS CERÂMICOS

A primeira etapa do processamento cerâmico consistiu na mistura dos pós

cerâmicos na proporção previamente investigada que resultou nos melhores

resultados em testes balísticos (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012). Os pós foram

pesados em balança de precisão GEHAKA, modelo BK300, com precisão de 0,001

g. Assim, foram adicionados os pós de alumina (700 g – 94,5%p), nióbia (29,15 g –

3,94%p) e o ligante líquido PEG (11,3 g – 1,53%). O PEG foi aquecido a 700C para

facilitar a mistura com os demais componentes (GOMES, 2004). Os componentes

da mistura foram submetidos a um processo de moagem e homogeneização em

moinho com bolas de alumina, modelo MA 500, por um período de 8 horas. Na FIG

3.4 são mostrados a balança e o moinho utilizados no referido processamento,

pertencentes ao Laboratório de Materiais Cerâmicos do IME.

FIG. 3.4b – Moinho de bolas de alumina, modelo

MA-500 e bolas de moagem de alumina.

FIG. 3.4a – Balança de precisão

GEHAKA, modelo BK300.

73

Após a moagem e homogeneização a mistura foi colocada em estufa, da marca

ELKA, a 700C, por 48 horas, para fins de secagem. Em seguida, a massa cerâmica

obtida foi macerada com auxílio de almofariz e pistilo. Na sequência, após a

maceração, a mistura foi peneirada com a utilização de um agitador de peneiras

empilhadas até a peneira com abertura de 0,355 mm (42 Mesh).

Nas FIGs. 3.5, 3.6 e 3.7 mostram-se os equipamentos e acessórios utilizados

durante o processamento cerâmico.

FIG. 3.5 – Estufa da marca ELKA. FIG. 3.6 – Almofariz e pistilo para maceração.

FIG. 3.7 – Agitador para areias finas.

Após peneiramento, a mistura cerâmica foi submetida a um processo de

prensagem para obtenção do “corpo verde”. Foi utilizado um conjunto constituído por

dois punções e uma matriz de camisa flutuante. Para cada corpo pesou-se 100 g da

74

massa cerâmica na balança da FIG. 3.4a e utilizou-se uma prensa hidráulica

motorizada de 30 toneladas, da marca NOWAK, para realização do processo de

prensagem. Aplicou-se uma carga de 12 toneladas, equivalente a uma pressão de

30 MPa.

Nas FIGs 3.8 e 3.9 são mostrados o conjunto pistão-matriz camisa flutuante,

bem como a prensa hidráulica utilizada.

FIG. 3.8 – Conjunto pistão-matriz camisa flutuante.

A última etapa do processamento cerâmico foi a condução do processo de

sinterização, na qual o “corpo verde” tornou-se um corpo cerâmico sinterizado com

as propriedades mecânicas desejadas para aplicação balística. A rota de

sinterização utilizada foi a mesma aplicada em trabalhos anteriores, que também

tinham como objetivo fabricar materiais para proteção balística (TRINDADE,

GOMES e LOURO, 2013). A etapa de sinterização do processamento cerâmico foi

conduzida em um forno INTI, modelo FE 1700, nas seguintes condições:

i) Aquecimento de 25°C até 158°C, utilizando uma taxa de 1°C/min;

ii) Patamar de aquecimento de 158°C por 1h;

iii) Aquecimento de 158°C até 375°C a uma taxa de 1°C/min;

iv) Aquecimento de 375°C até 1000°C a uma taxa de 8°C/min;

v) Aquecimento de 1000°C até 1400°C a uma taxa de 5°C/min;

vi) Patamar de sinterização a 1400°C por 3h;

vii) Resfriamento de 1400°C até 1000°C a uma taxa de 5°C/min;

viii) Resfriamento de 1000°C até 700°C a uma taxa de 3°C/min;

FIG. 3.9 – Prensa hidráulica motorizada,

NOWAK. (LUZ, 2014).

75

ix) Resfriamento de 700°C até 25°C através da inércia do forno após o seu

desligamento;

As três primeiras etapas foram mais lentas e destinadas a evaporação do ligante

orgânico, quando então, a composição do material resultante tornou-se 96% de

alumina e 4% de nióbia. As FIGs. 3.10 e 3.11 mostram o forno INTI e os corpos

sinterizados após o processo descrito. Neste trabalho foram produzidos e

sinterizados 60 corpos cerâmicos destinados aos diversos SBMs investigados.

FIG. 3.10 – Forno INTI FE1700 utilizado para sinterização do “corpo verde”.

FIG. 3.11 – Corpos cerâmicos obtidos após processo de sinterização.

76

3.3.1.1 CARACTERIZAÇÕES DOS CORPOS CERÂMICOS

A determinação da massa específica dos corpos cerâmicos sinterizados foi feita

através do cálculo da razão massa/volume (EQ. 3.1), e também da densificação

(EQ. 3.2) obtida em termos percentuais em relação a massa específica teórica da

mistura (Al2O3 + Nb2O5). A massa específica teórica foi calculada pela regra das

misturas a qual considera a fração de cada componente presente na mistura

resultando em 4,0049 g/cm3 (LUZ, 2014).

𝜌𝑠𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =𝑚

𝑉 EQ. 3.1

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎çã𝑜 = (𝜌𝑠𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

𝜌) × 100% EQ. 3.2

Sendo:

ρ: massa específica teórica;

ρsinterizado: massa específica do corpo cerâmico sinterizado;

m: massa da amostra (g);

V: volume da amostra (cm3).

Como a dimensão de maior relevância é a espessura do corpo cerâmico, o

cálculo de retração linear (RL) foi feito apenas nessa dimensão, conforme a EQ. 3.3.

𝑅𝐿 =𝑒𝑣𝑒𝑟𝑑𝑒−𝑒𝑠𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑒𝑣𝑒𝑟𝑑𝑒× 100% EQ. 3.3

Sendo:

everde: espessura do corpo verde;

esinterizado: espessura da amostra sinterizada.

Os corpos cerâmicos resultantes deste processamento utilizaram matérias

primas dos mesmos fornecedores, e já tinham sido caracterizados por outros

autores (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012). Eles apresentaram uma densificação

média de 88,1% na sinterização, e massa específica média do sinterizado de 3,53

77

g/cm³. A retração linear destas peças na dimensão da espessura foi avaliada por

Luz (2014), e o valor obtido foi 12,6 ±1,4%.

3.3.2 FABRICAÇÃO DOS COMPÓSITOS DE EPÓXI-MALVA

Os compósitos de epóxi-malva foram fabricados na forma epóxi-fibras e epóxi-

tecido (100% malva e híbrido malva+juta). Os compósitos reforçados por fibras

foram utilizados em ensaios mecânicos, térmicos e balísticos; e os compósitos

reforçados por tecidos 100% malva e híbridos com juta foram utilizados apenas em

ensaios balísticos. Foram fabricados 75 corpos de prova de compósitos de matriz

epoxídica reforçados com fibras, tecidos ou 100% epóxi.

Para os compósitos a base de fibras “in natura” foi utilizada uma matriz metálica

(FIG. 3.12) com volume interno de 214,2 cm3 (dimensões 15 x 12 x 1,19cm). As

placas foram produzidas em uma prensa SKAY de 30 toneladas (FIG. 3.13). Foi

utilizada uma carga de 5 toneladas durante 24 horas para fabricação dos corpos

compósitos (LUZ, 2014; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015). Foi utilizada para as fibras

de malva como referência inicial a massa específica de 1,40 g/cm3 (AGOPYAN,

1997; OLIVEIRA, 1998) e para a resina epóxi (DGEBA-TETA) o valor de 1,15 g/cm3

(SILVA, 2014). Foram também produzidas placas compósitas com fibras

mercerizadas, em função do aumento da cristalinidade proporcionado pelo referido

tratamento (CP4). As fibras foram colocadas manualmente na matriz, alinhadas,

distribuídas e molhadas com a resina epóxi.

Quanto aos compósitos na forma epóxi-tecido foram fabricados três grupos,

todos na proporção de 30%v/v para o reforço, destinados ao teste balístico:

a) Compósitos de epóxi – tecido 100% malva (trama simples);

b) Compósitos de epóxi – tecido híbrido 70% malva / 30% juta (trama simples);

c) Compósitos de epóxi – tecido híbrido 50% malva / 50% juta (trama arraiolo).

Os compósitos reforçados com fibras contínuas e alinhadas foram fabricados

nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras para a realização de ensaios

mecânicos, térmicos e balísticos.

Na TAB. 3.5 encontram-se resumidas as principais características e objetivos

para os compósitos fabricados com diversos percentuais de fibras e tecidos de

malva. Na FIG. 3.14 são mostradas placas compósitas com percentuais de fibras

78

contínuas e alinhadas de 0 a 30%v/v sem tratamento e 30%v/v mercerizadas

conforme os parâmetros de CP4.

TAB. 3.5 – Características e objetivos dos compósitos de epóxi-fibras de malva.

Percentuais

de fibras (v/v)

Fibras (F) ou

Tecido (T)

Massa de

fibras (g)

No de placas

compósitas Objetivos

0% - - 13 a) Testes balísticos

(indentação na plastilina e

velocidade residual);

b) Ensaios de impacto

Charpy e Izod;

c) Ensaio de flexão;

d) Ensaio de tração;

e) Ensaio DMA.

f) Ensaio DSC.

g) Ensaio TGA.

h) Técnica de excitação por

impulso.

10% F 30 6

20% F 60 6

30% F 90 13

30%T*

(5% por 24h) F 90 1 Ensaio de impacto Charpy

30% T 90

9 – tecido

híbrido 70/30;

9 – tecido

híbrido 50/50;

9 – tecido

100% malva.

Testes balísticos (indentação

na plastilina e velocidade

residual)

T*(concentração e tempo de imersão em NaOH) - Fibras tratadas (mercerizadas).

FIG. 3.12 – Matriz metálica para

confecção de placas compósitas.

FIG. 3.13 – Prensa SKAY de 30 ton.

79

FIG. 3.14 – Placas compósitas com percentuais de fibras “in natura” de 0 a 30% sem tratamento e

30% com tratamento (Mercerização – 5% NaOH, 24h e sem agitação).

3.3.3 MONTAGEM DA BLINDAGEM MULTICAMADAS

Os corpos para blindagem multicamadas foram montados em sequência com o

corpo cerâmico como camada frontal, logo após o compósito epóxi-fibra de malva, e

por fim a placa de alumínio 5052 H34. Na FIG. 3.15 mostra-se o SBMs montado com

os componentes supracitados. Para junção dos componentes foi utilizada uma fina

camada de cola à base de poliuretano, da marca ULTRAFLEX. Trabalhos anteriores

relatam que a cola empregada não influenciou nos resultados dos testes balísticos

(LUZ, 2014; MILANEZI, 2015).

FIG. 3.15 – Sistema de blindagem multicamadas (SBMs) montado.

80

3.3.4 ENSAIOS BALÍSTICOS

Os ensaios balísticos objetivaram verificar a capacidade de absorção da energia

cinética de um projétil em movimento por um sistema de blindagem multicamadas ou

por materiais isolados aplicados em proteção balística. No presente trabalho dois

tipos de ensaios balísticos foram realizados. No primeiro tipo os diversos sistemas

de blindagem (FIG. 3.16) foram apoiados em um bloco de plastilina (CORFIX™) com

50 mm de espessura, a qual possui consistência semelhante a do corpo humano e

massa específica aproximada de 1,7 g/cm3 (FIG. 3.17). O objetivo foi medir o trauma

(indentação) provocado na plastilina após o impacto do projétil de munição de

calibre 7,62 mm no SBMs (FIG. 3.18). De acordo com a NIJ 0101.06 a blindagem

balística será eficiente se o trauma provocado for igual ou inferior a 44 mm. As

medições foram realizadas com um sensor à laser digital modelo Q4X Banner (FIG.

3.19).

FIG. 3.16 – Esquemático dos SBMs montados sobre a plastilina (LUZ, 2014) (adaptado).

81

FIG. 3.19 – Medida do trauma (indentação) na plastilina.

Os ensaios foram divididos em grupos conforme a formulação do material

compósito da camada intermediária. Na TAB. 3.6 estão relacionados os grupos

propostos para ensaios.

TAB. 3.6 – Grupos propostos para ensaios balísticos (indentação na plastilina).

Grupo Camada intermediária Número de placas

1 100% Epóxi.

7 placas para cada

grupo proposto.

2 Epóxi – reforçado com 30%v/v fibras

de malva contínuas e alinhadas.

3 Epóxi – reforçado com 30%v/v tecido

de malva pura.


híbrido (70%p malva / 30%p juta).



FIG. 3.17 – Armação do suporte de tiro

preenchido com plastilina.

FIG. 3.18 – Sistema de blindagem

multicamadas apoiado na plastilina.

82

O segundo tipo de ensaio balístico teve por objetivo medir a energia absorvida

pela camada intermediária da blindagem, por meio da medição da velocidade

residual após o impacto do projétil 7,62 mm (FIG. 3.20a), com a utilização de um

radar Doppler WEIBEL SL-520P (FIG. 3.20b) pertencente ao Centro de Avaliações

do Exército (CAEx). De posse dos dados fornecidos pelo radar Doppler foi possível

calcular a velocidade limite definida pelas EQs. 2.1 e 2.2. Para avaliação da

velocidade residual realizou-se 8 disparos para cada grupo constante da TAB. 3.7.

TAB. 3.7 – Grupos propostos para ensaios balísticos (velocidade residual).

Grupo Camada intermediária Número de placas

1 100% Epóxi.

8 placas para cada

grupo proposto.








de malva pura.





Os testes balísticos foram realizados nas seguintes condições:

i) Munição: Calibre 7,62 mm M1 (FIG. 3.21), conforme e fornecida comercialmente

ao Exercito; com projétil de massa de 9,7 gramas;

ii) Dispositivo: Provete calibre 7,62 mm (FIG. 3.22a) e um dispositivo de fixação do

alvo;

iii) Distância do alvo: 15 metros, conforme previsto na norma NIJ 0101.06 para as

munições 7,62 mm (FIG. 3.22b);

iv) Ângulo de incidência no alvo: 90°;

83

v) Quantidade de tiros para cada situação especifica: 7 (sete) disparos por grupo

– verificação do trauma na plastilina e 8 (oito) disparos por grupo – medição da

velocidade residual;

vi) Local: Centro de Avaliações do Exército - CAEx.

FIG. 3.20 – (a) Aparato para medição da velocidade residual; (b) Radar doppler, modelo SL-520P do

CAEx (LUZ, 2014) (adaptado).

FIG. 3.21 – Munição 7,62mm M1.

FIG. 3.22 – (a) Provete calibre 7,62 mm com mira laser; e (b) Esquema do sistema utilizado com

barreira óptica modelo B471 da HPI (DA SILVA, 2014; LUZ, 2014).

84

Foram também avaliadas as interações das ondas de choque nas interfaces dos

componentes dos SBMs através do método de casamento de impedâncias de

choque, levando em consideração as premissas e as equações de conservação de

Rankine-Hugoniot, anteriormente descritas.

3.3.5 PICNOMETRIA GASOSA

O picnômetro de gás possibilita determinar o volume verdadeiro de um sólido,

mesmo que poroso, por variação da pressão de gás numa câmara de volume

conhecido (WEBB e ORR, 1997). Normalmente, utiliza-se hélio porque este gás,

além de inerte, penetra facilmente nos poros (acessíveis) da amostra, devido ao

pequeno tamanho dos seus átomos, permitindo, assim, determinar o volume do

sólido com maior precisão.

O picnômetro de hélio é constituído por duas câmaras de volumes conhecidos

por calibração prévia: a câmara onde se coloca a amostra e a câmara de expansão,

ligadas por uma válvula (válvula de expansão).

Depois de levado todo o sistema à pressão atmosférica, isola-se a câmara de

expansão, fechando a válvula de expansão e pressuriza-se a câmara que contém a

amostra até uma pressão P1

(cerca de 17 psi ≈ 1,16 atm). Em seguida, a válvula de

expansão é aberta e a pressão é reduzida para um valor P2. Com isso, mediante a

equação 3.4 pode-se calcular o volume do sólido (SMITH, 1996):

𝑃1(𝑉𝑎 − 𝑉𝑠) = 𝑃2(𝑉𝑎 − 𝑉𝑠 + 𝑉𝑒) EQ. 3.4

Sendo:

Va – volume da câmara da amostra;

Ve – volume da câmara de expansão;

Vs – volume do sólido;

P1 – Pressão inicial de pressurização;

P2 – Pressão final após abertura da válvula de expansão.

85

Remanejando a EQ. 3.4 obtém-se o volume do sólido dado pela EQ. 3.5. A

massa específica será calculada automaticamente, pois a massa do sólido é

introduzida como dado de entrada.

𝑉𝑠 = 𝑉𝑎 −𝑉𝑒

𝑃1𝑃2

−1 EQ. 3.5

A principal vantagem deste método reside na sua capacidade de medir apenas o

volume da substância lenhosa, ou seja, desconta do volume total da amostra todos

os poros abertos (excetuando aqueles fechados ou inacessíveis ao gás).

A FIG. 3.23 mostra o picnômetro de hélio, ULTRAPYCNOMETER 1000 da

Quantachrome Instruments, pertencente ao Instituto Nacional de Tecnologia (INT), o

qual foi utilizado para medir a massa específica real das fibras de malva. As normas

utilizadas foram a ASTM D4892 e D5550.

FIG. 3.23 – Picnômetro de hélio ULTRAPYCNOMETER 1000 pertencente ao Instituto Nacional de

Tecnologia (INT).

86

3.3.6 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY E IZOD

Os ensaios de impacto Charpy e Izod foram realizados, respectivamente,

conforme as normas ASTM D6110 e ASTM D256, os quais diferem por fatores

ligados principalmente a metodologia e as dimensões do corpo de prova. No

entanto, o objetivo em ambos os ensaios foi obter a energia de fratura em Joules por

metro (J/m). Os ensaios foram realizados nos compósitos de epóxi, reforçados com

fibras de malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v.

Também foi realizado ensaio Charpy em compósitos de epóxi, reforçados com fibras

de malva mercerizadas com os parâmetros que proporcionaram aumento na

cristalinidade original da fibra (CP4), conforme mostrado na TAB. 3.8.

TAB. 3.8 – Grupos propostos para ensaios Charpy e Izod.

Grupos Tipo Percentual de

fibras (malva pura)

Quantidade de

amostras

1 Charpy

0%

9 amostras para cada

percentual de fibras de

malva

10%

20%

30% s/tratamento

30% c/tratamento*

2 Izod

0% 9 amostras para cada

percentual de fibras de

malva

10%

20%

30%

*Mercerização com NaOH a 5%, 24h e sem agitação.

Os ensaios Charpy foram realizados em um pêndulo da Pantec, Modelo XC-50,

1x 220 V x 60 Hz, pertencente ao LAMAV/UENF. Os ensaios Izod foram realizados

em um pêndulo da Pantec, Modelo CH/IZ-25, 220 V x 60 Hz, pertencente ao IME. O

entalhe foi feito utilizando-se uma brochadeira manual Pantec, disponível no

Laboratório de Ensaios Mecânicos do IME. A FIG. 3.24 mostra os equipamentos

supracitados.

87

FIG. 3.24 – (a) Pêndulo Pantec, Modelo XC-50, 1 x 220 V x 60 Hz, pertencente ao LAMAV/UENF; (b)

Pêndulo Pantec, Modelo CH/IZ-25, 220 V x 60 Hz e (c) Brochadeira manual Pantec, pertencentes ao

IME.

A FIG. 3.25a mostra alguns corpos de prova compósitos de epóxi reforçados

com 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras de malva sem tratamento e 30%v/v de fibras

mercerizadas, preparados para realização de ensaio Charpy. Já a FIG. 3.25b mostra

corpos de prova reforçados com os mesmos percentuais de reforço supracitados,

sem tratamento, preparados para ensaio Izod. Os corpos para ensaio Charpy foram

fabricados nas dimensões 127 x 12,7 x 10 mm e para o ensaio Izod nas dimensões

62,5 x 12,7 x 10 mm, conforme as normas já referenciadas.

FIG. 3.25 – Corpos de prova de compósito de epóxi reforçado com fibras de malva contínuas e

alinhadas nos percentuais de 0 a 30%v/v. a) Ensaio Charpy; b) Ensaio Izod.

88

3.3.7 ENSAIO DE TRAÇÃO

O ensaio de tração foi realizado em duas máquinas universais: EMIC DL10000 e

INSTRON 3365. Em ambos os equipamentos a velocidade de ensaio foi de 2 mm /

min, conforme a norma ASTM D638. Os equipamentos encontram-se disponíveis no

Laboratório de Ensaios Mecânicos (LME) do IME e no Laboratório de ensaios não

destrutivos, corrosão e soldagem (LNDC) da UFRJ. Na FIG. 3.26 são mostrados os

equipamentos descritos.

Foram produzidos dois grupos de amostras de compósitos epoxídicos

reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0, 10, 20 e

30%v/v: o primeiro grupo foi produzido a partir de moldes de silicone, conforme FIG.

3.27. E o segundo grupo foi produzido a partir de placas compósitas que foram

cortados a laser nas dimensões previstas pela norma acima referenciada. O objetivo

foi comparar os resultados, em termos de propriedades mecânicas, obtidos pelas

duas metodologias de confecção de corpos de prova. O equipamento utilizado para

o corte das amostras foi a máquina para corte a laser LC 1390, da G-WEIKE,

velocidade de deslocamento de 30 m/s e potência do laser de 70 w, pertencente ao

Centro de Tecnologia SENAI (CTS Euvaldo Lodi). As FIG. 3.28 e 3.29 mostram o

equipamento para corte a laser e as amostras produzidas respectivamente.

FIG. 3.26 – a) Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao LME/IME; b) Máquina

universal de ensaios INSTRON 3365 pertencente ao LNDC/UFRJ.

89

FIG. 3.27 – (a) Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas; (b)

Moldes de silicone utilizados para confecção de corpos de prova para ensaio de tração.

FIG. 3.28 – (a) Máquina de corte a laser LC 1390, da G-WEIKE, pertencente ao LNDC/UFRJ; (b)

Detalhe da ferramenta de corte a laser e um grupo de amostras produzidas para ensaio de tração.

FIG. 3.29 – Corpos de prova epoxídicos reforçados com fibras de malva nos percentuais de 0, 10, 20

e 30%v/v cortados a laser para ensaio de tração.

90

A TAB. 3.9 apresenta as principais características dos grupos de amostras

produzidas para realização de ensaio de tração.

TAB. 3.9 – Características dos grupos de amostras para ensaio de tração.

Grupo Modo de

fabricação

Percentual de fibras de malva

contínuas e alinhadas

Quantidade de

amostras

1

A partir de

moldes de

silicone

0%

7 para cada grupo

10%

20%

30%

2

Corte a laser de

placas

compósitas

0%

10%

20%

30%

O ensaio teve por objetivo obter parametros como a tensão máxima (σmáx),

módulo de elasticidade longitudinal (E) e deformação máxima percentual (ε), bem

como o gráfico tensão-deformação. As EQs. 3.6 e 3.7 relacionam as variáveis em

análise.

𝜎𝑚á𝑥 =𝐹𝑚á𝑥

𝐴𝑜 EQ. 3.6

𝐸 =𝜎

𝜀 EQ. 3.7

Sendo:

σmáx - Tensão máxima de engenharia;

Fmáx - Carga máxima;

Ao – Área inicial da seção reta do corpo de prova;

E – módulo de elasticidade;

σ, ε – Tensão e deformação associada na região elástica.

91

3.3.8 ENSAIO DE FLEXÃO

O ensaio de flexão a três pontos foi realizado em uma máquina de ensaio

mecânico EMIC DL10000, pertencente ao LNDC/UFRJ. O equipamento é mostrado

na FIG. 3.30. Os parâmetros utilizados seguiram o previsto na norma ASTM D790.

Os corpos de prova foram confeccionados a partir de placas compósitas nas

dimensões 120 x 15 x 6 mm, a velocidade de deformação foi 2 mm / min e a

distância entre os suportes de 96 mm. A tensão máxima (σmáx) e o módulo de flexão

(E) foram calculados utilizando-se as EQs. 3.8 e 3.9.

𝜎𝑚á𝑥 =3𝐿𝑄𝑚

2𝑏𝑑2 EQ. 3.8

𝐸 =𝑄𝑚𝐿3

4𝑏𝑑3∆𝑦 EQ. 3.9

Sendo:

Qm – carga máxima;

L – a distância entre os suportes;

b; d – largura e espessura respectivamente;

Δy – a deflexão.

Foram produzidas amostras de compósitos epoxídicos reforçados por fibras de

malva nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v. O total de amostras fabricado foi de 7

para cada percentual estudado. A FIG. 3.31 mostra alguns corpos produzidos nos

diversos percentuais de reforço.

FIG. 3.30 – Máquina universal de ensaios EMIC DL10000 pertencente ao LNDC/UFRJ.

92

FIG. 3.31 – Corpos de prova de compósitos epoxídicos reforçados com 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras

de malva contínuas e alinhadas para ensaio de flexão em três pontos.

3.3.9 CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC)

Para a análise por calorimetria diferencial de varredura (DSC) as fibras de malva

foram cominuídas e colocadas em cadinho de alumínio do equipamento Netzsch

modelo DSC 404 F1 Pegasus, pertencente ao IME, operando em atmosfera de

nitrogênio com taxas de aquecimento de 5, 7,5 e 10ºC/min, em um intervalo de

temperatura de 20 a 400ºC. Foram ensaiadas fibras de malva, epóxi puro e o

compósito de epóxi reforçado com fibras de malva. O método descrito pela ASTM

E698 foi utilizado para calcular os seguintes parâmetros cinéticos de cura: Energia

de ativação “E” (kJ/mol), fator pré-exponencial “Z” (min-1), taxa “K” (min-1) constante

para cada temperatura e o tempo médio de cura “t1/2” para o epóxi puro e o

compósito reforçado por fibras de malva, em temperaturas de 25ºC a 100ºC. A FIG.

3.32 mostra o equipamento que foi utilizado na caracterização supracitada.

FIG. 3.32 – Equipamento Netzsch modelo DSC 404 F1 Pegasus, pertencente ao IME.

93

3.3.10 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA)

Da mesma forma que na análise por DSC as fibras de malva foram cominuídas e

colocadas em cadinho de platina para análise por termogravimetria (TGA). O

equipamento utilizado foi um Shimadzu modelo DTG-60H, pertencente ao Instituto

de Pesquisas da Marinha (IPqM), operando em uma atmosfera de nitrogênio com

taxa de aquecimento de 10oC/min em um intervalo de temperatura de 30 a 700oC.

Foram ensaiadas amostras de fibras de malva, epóxi puro e compósitos epoxídicos

reforçados com fibras de malva. Durante a análise foram identificadas as

temperaturas associadas com as várias etapas de degradação dos materiais em

estudo, como a perda de umidade e a degradação dos componentes estruturais das

fibras naturais. A FIG. 3.33 mostra o equipamento utilizado nesta caracterização.

FIG. 3.33 – Equipamento Shimadzu modelo DTG-60, pertencente ao IPqM.

3.3.11 ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA (DMA)

A análise dinâmico mecânica foi realizada com o intuito de identificar os

parametros de módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e a tangente

delta (Tanδ) relacionados com o comportamento viscoelástico do material, bem

como parâmetros importantes como a temperatura de transição vítrea dos

compósitos. As amostras utilizadas foram compósitos epoxídicos reforçados com

fibras de malva contínuas e alinhadas nos percentuais de 0, 10, 20 e 30%v/v. Todo o

procedimento seguiu o previsto na norma ASTM D4065 e o modo de ensaio foi a

94

flexão em três pontos para amostras fixas por uma das extremidades (“single

cantilever”). As amostras possuiam as dimensões 46 x 12 x 3 mm. O equipamento

utilizado foi um DMA Q800, da TA Instruments, pertencente ao Instituto de

Macromoléculas da UFRJ (IMA/UFRJ). A FIG. 3.34 mostra o equipamento utilizado.

FIG. 3.34 – Equipamento TA Instruments, modelo DMA Q800, pertencente ao IMA/UFRJ.

Os parâmetros utilizados nos ensaios foram os seguintes:

a) Amplitude = 20 μm;

b) Frequência = 1Hz;

c) Força estática / dinâmica = 2N;

d) Faixa de aquecimento de 20 a 200ºC;

e) Taxa de aquecimento = 3ºC/min;

f) Atmosfera = Nitrogênio.

3.3.12 ANÁLISE POR TÉCNICA DE EXCITAÇÃO POR IMPULSO

A técnica de excitação por impulso é um ensaio não destrutivo que permite

determinar através das frequências naturais de vibração os módulos elásticos do

material. Ao sofrer um leve impacto mecânico, o corpo de prova emite uma onda

sonora que depende de suas dimensões, massa e propriedades elásticas. O

equipamento utilizado foi o Sonelastic®, da ATCP Engenharia Física, pertencente ao

Grupo de Tecnologia de Materiais do Instituto de Pesquisas da Marinha

(GTM/IPqM). Os parâmetros utilizados foram: tempo de aquisição 0,683 s e filtro de

95

detecção variando de 0,5 a 20 KHz. O procedimento foi realizado conforme a ASTM

E1876. Foram determinados os módulos de elasticidade longitudinal (E), transversal

(G) e coeficiente de Poisson (ʋ) para amostras de compósitos epoxídicos reforçados

com 0, 10, 20 e 30%v/v de fibras de malva contínuas e alinhadas. Para cada grupo

foram realizadas 10 medições. A FIG. 3.35 mostra o equipamento utilizado.

FIG. 3.35 – Analisador de excitação por impulso Sonelastic® pertencente ao GTM/IPqM.

3.3.13 DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX)

A técnica de difração de raios X foi utilizada com o intuito de calcular o índice de

cristalinidade das fibras de malva não tratadas e mercerizadas com NaOH. Segundo

diversos autores o índice de cristalinidade de FNLs tem relação direta com a

resistência mecânica e o módulo de elasticidade, apesar de não ser o único fator

que determina o aumento ou redução destas propriedades (CHAND et al., 1993;

GREENBERG et al., 1989). O índice de cristalinidade (Ic) da celulose foi calculado

através da EQ. 3.10. Sendo I1 a intensidade do mínimo de difração, relacionada à

parte amorfa e I2 a intensidade do máximo de difração, relacionada à parte cristalina.

Este método foi desenvolvido por Segal, 1959 e colaboradores, e tem sido

largamente utilizado para o estudo de fibras naturais (MARTIN, 2001; MWAIKAMBO

et al., 2002; FERREIRA, et al., 2003).

𝐼𝑐 = 1 −𝐼1

𝐼2 EQ. 3.10

96

O equipamento utilizado foi um difratômetro Shimadzu, modelo XRD-6000,

anodo de Cu (cobre), detetor tipo contador de cintilação (NaI), acoplado com

monocromador de grafite, velocidade de varredura de 4o/min, potência 30 mA x 40

kV, varredura de 5o a 80o, pertencente ao Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) da

UFRJ. Na FIG. 3.36 mostra-se o equipamento utilizado. Foram obtidos 18

difratogramas conforme a TAB. 3.3 (cada corpo de prova com e sem agitação) e 1

difratograma referente as fibras de malva “in natura”, ou seja, que não sofreram

nenhum tratamento. Em todos eles foi calculado o Ic das fibras de malva.

FIG. 3.36 – (a) Difratômetro Shimadzu, modelo XRD-6000, pertencente ao IEN/UFRJ; (b) Detalhe

interno do difratômetro.

3.3.14 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)

Os diversos grupos de compósitos utilizados nos SBMs (TAB. 3.6), bem como os

corpos de prova utilizados nos ensaios mecânicos já descritos tiveram suas

superfícies de fratura analisadas por microscopia eletrônica de varredura, no intuito

de associar o comportamento mecânico e balístico à microestrutura. Foi verificada a

influência dos diferentes percentuais de reforço de fibras de malva, bem como os

mecanismos de fratura atuantes, após ensaios balísticos, nos corpos de prova

compósitos reforçados por fibras ou tecidos.

Para possibilitar a visualização das superfícies mencionadas houve a

necessidade de utilizar um recobrimento condutor de platina ou ouro. Os

equipamentos utilizados foram o MEV modelo Quanta FEG 250, da FEI e o MEV

modelo JSM-5800LV, da JEOL, ambos pertencentes ao IME. Para o recobrimento

97

de platina foi utilizado o equipamento de deposição de filme de alto vácuo da marca

LEICA, modelo EM ACE600. Nas FIG. 3.37 e 3.38 são mostrados, respectivamente,

os microscópios eletrônicos de varredura e o equipamento para deposição do filme

de platina ou ouro.

FIG. 3.37 – a) Microscópio eletrônico de varredura, modelo Quanta FEG 250, da FEI; b) Microscópio

eletrônico de varredura, modelo JSM-5800LV, da JEOL.

FIG. 3.38 – a) Sistema de deposição de alto vácuo, LEICA, modelo EM ACE600 (LUZ, 2014); b)

Detalhe de amostras após recobrimento de ouro.

3.3.15 ANÁLISE ESTATÍSTICA

Foi utilizada a análise de variância (ANOVA), através do teste F, para verificar se

existiam diferenças significativas entre as médias dos resultados obtidos para

determinadas propriedades medidas em ensaios mecânicos e balísticos, variando-se

o tipo ou a fração volumétrica de fibras ou tecido de malva em cada amostra

(tratamentos). O nível de significância utilizado para todos os testes foi de 5%. A

98

tabela 3.10 resume os parâmetros estatísticos utilizados para realização da análise

de variância. Quando o valor de F calculado foi superior ao F crítico ou tabelado

concluiu-se que a hipótese nula (Ho), de que eram iguais as médias dos resultados

obtidos para cada tipo ou fração volumétrica de fibras ou tecido de malva, não era

válida. As EQ. 3.11 e 3.12 mostram como foram obtidos os valores da soma dos

quadrados do tratamento (SQT) e da soma dos quadrados total (SQTo) para um

experimento inteiramente ao acaso com amostras do mesmo tamanho. Os demais

parâmetros estatísticos foram dados iniciais da análise de variância ou

consequência matemática das equações supracitadas.

TAB. 3.10 – Parâmetros estatísticos utilizados na análise de variância (ANOVA).

Causas de

variação GL

Soma de

quadrados

Quadrado

médio

F

calculado F crítico (tabelado)

Tratamentos k - 1 SQT QMT QMT/QMR

Tabela F

(5% de significância)

Resíduo k(r - 1) SQR QMR

Total kr - 1 SQTo

Sendo:

GL – nº de graus de liberdade;

k – nº de tratamentos (tipos ou percentuais de reforço de tecido ou fibras de malva

utilizados);

r – nº de repetições do tratamento

n – (nº de tratamentos) x (nº de repetições do tratamento);

k(r - 1) - nº de graus de liberdade do resíduo;

(kr – 1) – nº total de graus de liberdade;

SQT – Soma dos quadrados dos tratamentos;

SQT = ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜) 2

𝑟−

(∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒))2

𝑛 EQ. 3.11

SQR – Soma dos quadrados do resíduo (SQR = SQTo – SQT);

SQTo – Soma dos quadrados total;

SQTo = ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒)2 −(∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒))2

𝑛 EQ. 3.12

99

QMT – Quadrado médio dos tratamentos (QMT = SQT / (k-1));

QMR – Quadrado médio do resíduo (QMR = SQR / k(r – 1));

Neste caso: ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜) = ∑(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑𝑒).

Após a verificação da existência de diferença significativa entre as médias dos

resultados obtidos (validade da hipótese alternativa H1), para os diversos tipos e

frações volumétricas de fibras ou tecido de malva, foi utilizado o Teste de Tukey,

também conhecido como teste da diferença honestamente significativa (HSD). O

objetivo foi avaliar quantitativamente dois a dois cada um dos tipos ou percentuais

de fibras ou tecido utilizados (tratamentos). Trata-se de um teste de hipóteses, no

qual, a partir dos resultados obtidos rejeita-se ou não a hipótese de igualdade com

base na diferença mínima significativa (d.m.s), dada pela EQ. 3.13.

𝑑. 𝑚. 𝑠. = 𝑞 ∙ √𝑄𝑀𝑅

𝑟 EQ. 3.13

Sendo:

q a amplitude total estudentizada (valor tabelado), a qual é função do grau de

liberdade (GL) do resíduo e do número de tratamentos; QMR é o quadrado médio do

resíduo; e r é o número de repetições de cada tratamento.

Com isso, pôde-se verificar comparativamente a influência dos tipos e

percentuais de reforço de fibras ou tecido de malva, utilizados na matriz epoxídica,

nas diversas amostras de ensaios balísticos e mecânicos, e concluir

qualitativamente e quantitativamente, qual configuração possibilitou resultados mais

expressivos nas propriedades medidas.

100

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 ENSAIOS BALÍSTICOS

O foco do presente trabalho foi a análise do desempenho balístico da camada

intermediária (compósito) tanto individualmente, quanto dentro de um SBMs. No

entanto, tanto a camada frontal cerâmica, quanto a própria camada intermediária de

compósito foram caracterizadas, em algumas de suas propriedades, no intuito de

possibilitar a comparação de resultados com trabalhos similares que também

verificaram a eficiência de outros compósitos, pertencentes a SBMs, e que

utilizavam pastilhas cerâmicas e placas de alumínio como componentes da

blindagem (DA CRUZ, 2015; LUZ, 2014; DE ARAÚJO, 2015; MILANEZI, 2015;

BRAGA, 2015; ASSIS, 2016). Para as placas de alumínio foram utilizados os valores

referenciados na TAB. 3.4, os quais foram investigados por BRAGA (2015).

4.1.1 CAMADA FRONTAL CERÂMICA

Em todos os ensaios balísticos a camada frontal cerâmica foi completamente

destruída, sendo responsável pela absorção de aproximadamente 65% da energia

cinética do projétil que incidiu sobre o SBMs (SILVA, 2014; LUZ, 2014; MILANEZI,

2015; BRAGA, 2015; ASSIS, 2016). A TAB. 4.1 mostra os valores médios obtidos

para massa específica, espessura, densificação e retração linear para as amostras

cerâmicas.

TAB. 4.1 – Propriedades das amostras cerâmicas à base de alumina/nióbia sinterizadas.

Massa específica (g/cm3)

Espessura (mm) Densificação (%) Retração Linear (%)

3,45 ± 0,03 10,56 ± 0,10 86,20 ± 0,75 15,56 ± 0,83

Os valores exibidos na TAB. 4.1 foram coerentes e próximos daqueles obtidos

por LUZ (2014), MILANEZI (2015) e ASSIS (2016). Eles demonstraram

homogeneidade de metodologia e processamento, conforme rota previamente

estabelecida também por outros autores para obtenção dos seus melhores

resultados balísticos (GOMES, 2004; TRINDADE, 2012).

101

A fratura dinâmica das placas cerâmicas ocorreu de modo predominantemente

intergranular, o que pode ser explicado pela adição de 4%p de Nb2O5. De acordo

com GOMES (2014) a nióbia reage com a alumina e forma precipitados frágeis no

contorno de grão (AlNbO4), os quais provocam a modificação do modo de fratura de

transgranular para intergranular. Tal configuração de falha é desejável para

aplicações balísticas, pois a energia de impacto absorvida pela placa cerâmica

torna-se maior, em função do maior caminho a ser percorrido pelas trincas,

maximizando a criação de novas superfícies livres. A FIG. 4.1 mostra uma imagem

de MEV, após ensaio balístico, salientando o mecanismo intergranular descrito.

FIG. 4.1 – MEV da superfície de fratura cerâmica após ensaio balístico (aumento de 10000x).

4.1.2 CAMADA INTERMEDIÁRIA COMPÓSITA

A camada intermediária da blindagem multicamadas foi monitorada com relação

a massa específica final do compósito (determinada geometricamente) e a massa

específica das fibras utilizadas (determinada através da regra das misturas na EQ.

2.3), para fins de comparação com a literatura e controle do processo de fabricação.

Os valores obtidos estão mostrados na TAB. 4.2 e foram coerentes com a previsão

de outros autores que trabalharam com as fibras de malva e juta (LUZ, 2014; ASSIS,

2016; AGOPYAN et al., 1997), e obtiveram massa específicas entre 1,30 g/cm3 e

1,45 g/cm3.

102

TAB. 4.2 – Massa específica dos compósitos e das fibras obtidos geometricamente e por regra das

misturas.

Grupos Especificação Massa específica

do compósito (g/cm

3)

Massa específica das fibras e

tecidos (g/cm3)

1 100% Epóxi 1,15 ± 0,04 *

2 Epóxi - reforçado com 10%v/v de

fibras de malva 1,16 ± 0,02 1,36 ± 0,03


fibras de malva 1,18 ± 0,02 1,35 ± 0,04


fibras de malva 1,21 ± 0,02 1,37 ± 0,04


tecido de malva 1,18 ± 0,02 1,35 ± 0,03


tecido híbrido malva/juta (70%/30%p) 1,17 ± 0,02 1,27 ± 0,04


tecido híbrido malva/juta (50%/50%p) 1,18 ± 0,02 1,33 ± 0,02

4.1.3 ENSAIOS BALÍSTICOS SOBRE A PLASTILINA

Foram realizados ensaios balísticos de medição do trauma sobre a plastilina nos

grupos explicitados na TAB. 3.5. Em cada grupo foram utilizados 7 SBMs. Em

nenhum grupo testado houve penetração completa do SBMs pelo projétil 7,62 mm e

o trauma sobre a plastilina foi inferior a 44 mm, valor considerado letal ao ser

humano pela norma NIJ 0101.06. Os resultados obtidos estão apresentados na TAB.

4.3.

103

TAB. 4.3 – Resultados de testes balísticos para medição do trauma sobre a plastilina.

Grupos

Camada intermediária

Quantidade de

SBMs testados

em cada grupo

Valor médio do

trauma sobre a

plastilina (mm)

Referência

1 100% Epóxi.

7

23,75 ± 2,371 *PT

2

Epóxi – reforçado com

30%v/v fibras de malva

contínuas e alinhadas.

22,40 ± 1,290 *PT

3


30%v/v tecido de malva

pura.

21,41 ± 1,370 *PT

4


30%v/v tecido híbrido

(70%p malva / 30%p juta).

23,15 ± 2,359 *PT

5


30%v/v tecido híbrido

(50%p malva / 50%p juta).

23,17 ± 2,416 *PT

6

Epóxi reforçado com

30%v/v tecido de juta

pura.

10 20,67 ± 3,109 LUZ, 2014

7

Kevlar™: 18 camadas de

tecido de aramida coladas

com policloroprene.

10 22,67 ± 2,787

LUZ, 2014;

MONTEIRO

et al., 2016

*PT – Presente trabalho

Pela análise visual percebe-se nas FIG. 4.2 a FIG. 4.5 que o principal

mecanismo de falha dos compósitos dos grupos de 2 a 5 foi a delaminação de

camadas, mostrando grande absorção da energia de impacto. No entanto, foi

possível observar simultaneamente a ocorrência também de outros mecanismos

dissipadores de energia, e que influenciaram sobremaneira o desempenho balístico,

como por exemplo, a fratura das fibras (MORYE et al., 2000).

104

Analisando-se os resultados de outros autores que trabalharam com compósitos

reforçados com FNLs, com aplicações em blindagem multicamadas, percebeu-se o

grande potencial da malva (fibra e tecido) nesta área de conhecimento (LUZ, 2014;

SILVA, 2014; ASSIS, 2016), mesmo em relação a tradicional aramida.

FIG. 4.2 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido de malva (30%v/v de

fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.

FIG. 4.3 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com fibras de malva contínuas e

alinhadas (30%v/v de fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.

105

FIG. 4.4 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido híbrido malva/juta

(70%/30%p) - (30%v/v de fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.

FIG. 4.5 – Blindagem multicamadas com compósito reforçado com tecido híbrido malva/juta

(50%/50%p) - (30%v/v de fibras). a) Antes do impacto; b) Após o impacto.

Na FIG. 4.6a percebe-se a ocorrência de partículas cerâmicas aderidas ao

compósito de matriz epóxi com reforço de tecido híbrido malva/juta (50%/50%p),

após o ensaio balístico, visualizadas por MEV na FIG. 4.6b e comprovadas por

espectroscopia de energia dispersiva (EDS) na FIG. 4.7. Nas imagens supracitadas

foi possível evidenciar os mecanismos de fratura atuantes, bem como fibras

rompidas e algumas ainda íntegras após o teste balístico. Alguns trabalhos sobre

SBMs (SILVA, 2014; LUZ, 2014; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015; ASSIS, 2016)

mostraram que a camada de compósito ou Kevlar™ possui além da função de

oferecer resistência à penetração do projétil, incidindo diretamente na blindagem, o

papel de reter os minúsculos fragmentos cerâmicos gerados após a completa

106

ruptura da camada cerâmica frontal, pela atuação de ondas de tração geradas no

processo.

FIG. 4.6 – (a) Partículas cerâmicas aderidas ao compósito de epóxi reforçado com tecido híbrido

malva/juta (50%/50%p); (b) Microscopia eletrônica de varredura da FIG. 4.6(a).

FIG. 4.7 – Espectroscopia de energia dispersiva da FIG. 4.6.

Independentemente do tipo de compósito ensaiado, as imagens de MEV (FIG.

4.8b a 4.8e) evidenciaram claramente a semelhança nos principais mecanismos de

fratura atuantes no processo, para os grupos 2 a 5 da TAB. 4.3: delaminação de

camadas, fratura de fibras e arrancamento de fibras (“pull-out”). Como exceção, a

imagem da FIG. 4.8a, mostrou uma superfície de fratura da placa 100% epóxi, que

apresentou fratura completa após impacto balístico, justificando a alta absorção de

energia e, por conseguinte, o valor de trauma na plastilina compatível com os

demais grupos ensaiados. No entanto, os principais mecanismos atuantes foram

aqueles correspondentes a fratura frágil e catastrófica, tipificados pela clivagem de

planos e marcas de rio.

107

Os resultados encontrados foram compatíveis com análises balísticas realizadas

por outros autores em compósitos poliméricos reforçados com outras fibras naturais,

como por exemplo, o curauá (SILVA, 2014; BRAGA, 2015), rami (MILANEZI, 2015) e

sisal (BOLZAN, 2016).

FIG. 4.8 – (a) Compósito 100% epóxi (400x); (b) Compósito epóxi reforçado com tecido de malva

(30%v/v de fibras) (500x); (c) Compósito epóxi reforçado com fibras de malva (30%v/v de fibras)

(400x); (d) Compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido híbrido malva/juta (70%/30%p) (300x);

(e) Compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido híbrido malva/juta (50%/50%p) (500x).

Realizou-se análise de variância (ANOVA) para verificar se houve diferença

significativa entre as médias dos traumas produzidos na plastilina pelos grupos 1 a 7

da TAB. 4.3. Os resultados encontrados são mostrados na TAB. 4.4.

TAB. 4.4 Análise de variância das profundidades médias produzidas na plastilina pelo impacto de

projétil 7,62 mm nos SBMs da TAB. 4.3.

Causas de variação GL Soma de

quadrados

Quadrado

médio

F

calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 4 12,41 3,10 1,38 2,87

Resíduo 20 45,11 2,26

Total 24 57,52

108

A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.4 aceita-se a

hipótese de que as médias são iguais com nível de significância de 5%, pois pela

estatistica “F”, tem-se: F calculado < F crítico (tabelado). Portanto, não houve

diferença entre os grupos da TAB. 4.3, em relação ao trauma provocado na plastilina

após ensaio balístico.

Analisando-se o grupo 1 (100% epóxi), verificou-se que, apesar de não possuir

diferença significativa para os demais, reforçados por fibras ou tecidos 100% malva

ou híbridos, a placa foi completamente destruída após ensaio balístico. Este

comportamento torna o material 100% epóxi inadequado para utilização em proteção

individual, já que não seria possível resistir a impactos subsequentes, além do

primeiro projétil.

Quanto aos grupos de 2 a 5 foi realizada uma análise econômica para justificar a

viabilidade da fibra natural, principalmente ao compará-la com o tradicional Kevlar™,

o qual ainda está bastante presente atualmente em coletes destinados a proteção

individual. A TAB. 4.5 mostra os resultados obtidos, que também foram coerentes

com estudos econômicos realizados por outros autores, no intuito de motivar e

justificar a utilização de compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras

naturais, em blindagem balística (LUZ et al., 2015; MONTEIRO et al., 2015; ROHEN

et al., 2015; MONTEIRO et al., 2016).

109

TAB. 4.5 Avaliação do peso e do custo dos diferentes SBMs.

Componentes

da blindagem

Volume

(cm3)

Massa

específica

(g/cm3)

Peso (kgf)

Preço por kg

(US$

dólares)

Custo dos

componentes

(US$ dólares)

Pastilhas

cerâmicas de

Al2O3

225 3,72 0,837 33,00 27,62

Placas de tecido

de aramida 225 1,44 0,324 63,60 20,61

Placas de

compósito de

epóxi reforçado

com fibras ou

tecido 100%

malva

225 1,19 0,268

Fibra 9,41

(30%)

5,17 Epóxi 23,50

(70%)

Placas de

compósito de

epóxi reforçado

com tecido

híbrido 70%

malva e 30%

juta

225 1,18 0,266

Fibra 9,41

(30%)

5,13 Epóxi 23,50

(70%)

Placas de

compósito de

epóxi reforçado

com tecido

híbrido 50%

malva e 50%

juta

225 1,17 0,263

Fibra 5,57

(30%)

4,77 Epóxi 23,50

(70%)

Placa de

alumínio 5052

H34

112,5 2,70 0,304 11,24 3,42

% de redução de peso

(usando compósito

reforçado por tecido 100%

malva)

3,82

% de redução de custo

(usando compósito

reforçado por tecido

100% malva)

29,89


(usando compósito


malva e 30% juta)

3,96


(usando compósito


malva e 30% juta)

29,97


(usando compósito


malva e 50% juta)

4,16


(usando compósito


malva e 50% juta)

30,67

110

Pela TAB. 4.5 verifica-se uma redução em torno de 4% no peso da blindagem e

uma redução da ordem de 30% no custo do SBMs, comparativamente ao sistema

que utiliza o Kevlar™. Tais resultados tornam promissora a utilização de compósitos

epoxídicos reforçados com malva, na forma de fibras, tecidos puros ou híbridos com

juta. Cabe ressaltar as características e propriedades bastante semelhantes entre a

juta e a malva, verificados pelos resultados com a utilização dos tecidos híbridos e

pelos resultados obtidos por outros autores, visando proteção balística (LUZ, 2014;

ASSIS, 2016).

4.1.4 ENSAIOS BALÍSTICOS DE VELOCIDADE RESIDUAL

Com o objetivo de verificar a resistência balística individual de cada componente

do SBMs, foi realizado o ensaio de velocidade residual, sendo assim possível

estimar a energia absorvida (Eabs) e a velocidade limite (VL) de cada amostra, com o

auxílio de um radar Doppler (FIG. 3.20b) e utilizando-se as EQ 2.1 e EQ 2.2. Neste

ensaio todas as amostras foram perfuradas e atravessadas pelo projétil,

diferentemente dos testes realizados sobre a plastilina. Isto possibilitou a medição

da energia absorvida por cada componente presente na blindagem. Os grupos e as

quantidades testadas estão descritos na TAB. 3.7. A FIG. 4.9 exemplifica os pontos

experimentais obtidos a partir do espectro de radar Doppler de um corpo de prova

do compósito epóxi-tecido 100% malva (30%v/v) e a curva polinomial contínua

ajustada.

111

FIG. 4.9 - Gráfico de pontos experimentais do compósito epóxi reforçado com 30%v/v de tecido 100%

malva.

Pode-se perceber que aproximadamente a 840 m/s ocorreu uma queda abrupta

de velocidade, o que caracterizou o momento de impacto no alvo. Essa velocidade

foi definida como sendo a velocidade de impacto (Vi) e a velocidade mínima atingida

nessa queda definiu a velocidade residual (Vr). Gráficos semelhantes foram obtidos

para os demais componentes do SBMs e com base nos resultados extraídos desses

gráficos determinou-se tanto a velocidade limite (VL) quanto a energia absorvida

(Eabs). Na TAB. 4.6 são mostrados os resultados de velocidade média de impacto do

projétil (Vi), velocidade residual média (Vr), energia absorvida (Eabs) e sua

porcentagem em relação à energia total (% Eabs), bem como a estimativa da

velocidade limite (VL). Para fins comparativos também foram apresentados os dados

de outros autores que também estudaram SBMs baseados em fibras naturais na

TAB. 4.7 (LUZ, 2014; DA SILVA, 2014; DE ARAÚJO, 2015; BRAGA, 2015; ASSIS,

2016).

Momento inicial do impacto no alvo (Vi)

Momento final do impacto no alvo (Vr)

112

TAB. 4.6 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia absorvida e velocidade

limite para cada componente do sistema de blindagem multicamadas.

Componentes

da blindagem Vi (m/s) Vr (m/s) Eabs (J) % Eabs VL (m/s) **Ref.

Al2O3 +

4%Nb2O5 846,96 ± 4,15 492,59 ± 49,56 2290,45 65,87 689,39 ± 33,51 *PT

Liga de

alumínio 5052

H34

844,65 ± 6,51 813,26 ± 8,03 252,26 7,28 226,68 ± 25,11 *PT

Compósito

100% epóxi 848,08 ± 6,20 817,01 ± 8,87 250,73 7,20 227,02 ± 12,52 *PT

Compósito

100% malva

(30% v/v) -

Tecido

842,26 ± 7,06 809,56 ± 6,05 261,98 7,60 231,71 ± 18,14 *PT

Compósito

70%p malva /

30%p juta

(30% v/v) -

Tecido

845,62 ± 4,67 815,13 ± 4,86 245,59 7,08 224,40 ± 16,83 *PT

Compósito

50%p malva /

50%p juta

(30% v/v) -

Tecido

838,97 ± 4,43 806,69 ± 3,08 257,70 7,54 230,30 ± 9,85 *PT

Compósito

100% malva

(30% v/v) -

Fibras

840,00 ± 11,19 807,96 ± 11,52 256,02 7,48 229,54 ± 10,06 *PT

Compósito

100% malva

(20% v/v) -

Fibras

843,39 ± 5,33 807,07 ± 8,57 290,53 8,42 243,81 ± 21,42 *PT

Compósito

100% malva

(10% v/v) -

Fibras

845,02 ± 6,78 815,09 ± 9,78 240,72 6,95 220,92 ± 28,77 *PT


**Ref. - Referência

113

TAB. 4.7 Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia absorvida e velocidade

limite para cada componente do sistema de blindagem multicamadas obtidos por outros autores.

Componentes

da blindagem Vi (m/s) Vr (m/s) Eabs (J) % Eabs VL (m/s) **Ref.

Tecido de

aramida

(16 camadas)

862 ± 7,00 835 ± 10,00 221,00 6,10 212 ± 23 BRAGA,

2015

Compósito

epóxi - juta

(30% v/v) -

Tecido

841,45 ± 6,50 822,81 ± 6,41 150,50 4,40 176,16 LUZ,

2014

Compósito

poliéster -

juta (30% v/v)

- Tecido

839,32 ± 8,25 812,99 ± 8,65 189,45 5,37 200,00 ASSIS, 2016

Compósito

epóxi - sisal

(30% v/v) -

Tecido

844,91 ± 6,04 817,46 ± 4,82 221,33 6,40 213,62

DE

ARAÚJO,

2015

Compósito

epóxi - sisal

(30% v/v) -

Fibras

845,06 ± 3,54 823,86 ± 5,10 171,58 5,00 188,09

DE

ARAÚJO,

2015

Compósito

epóxi -

curauá (30%

v/v) - Fibras

848,30 ± 6,36 835,29 ± 6,17 106,16 3,00 147,95 DA SILVA,

2014

Compósito

poliéster -

curauá (30%

v/v) - Fibras

858,00 ± 3,00 833,00 ± 10,00 210,00 5,80 207,00 BRAGA,

2015

**Ref. - Referência

Conforme a TAB. 4.6, observa-se que o material cerâmico foi aquele que mais

dissipou energia cinética proveniente do projétil, em torno de 65%, devido a sua alta

resistência a compressão e capacidade de fragmentação, criando novas superfícies

114

livres (GOMES, 2004; DA SILVA, 2014). Através da medida da velocidade residual,

foi possível constatar que nenhum material, quando aplicado individualmente nas

dimensões utilizadas nos ensaios, seria eficiente para utilização como blindagem

nível III, contra munições de calibre 7,62 x 51 mm. No entanto, percebeu-se

claramente o efeito sinergético dos componentes de um SBMs (MILANEZI, 2015),

pois individualmente as camadas: cerâmica, compósito e alumínio, não chegam a

absorver 85% da energia do projétil. Contudo, as mesmas camadas unidas por uma

fina camada de poliuretano, propiciaram além da não perfuração da blindagem, a

absorção de energia de impacto suficiente para satisfazer o requisito de

profundidade máxima de 44 mm, nos ensaios sobre a plastilina, previstos pela NIJ

0101.06.

Os valores da velocidade limite (VL) e energia absorvida (Eabs), para os

compósitos de matriz epoxídica reforçados com tecido ou fibras 100% malva ou

tecidos híbridos malva/juta (70/30 e 50/50) apresentaram valores superiores aqueles

encontrados por outros autores para a aramida (BRAGA, 2015), epóxi-tecido de juta

(LUZ, 2014), poliéster-tecido de juta (ASSIS, 2016), epóxi reforçado com fibras ou

tecido de sisal (DE ARAÚJO, 2015), epóxi ou poliéster reforçados com fibras de

curauá (DA SILVA, 2014; BRAGA, 2015), em torno de 225 m/s e 250 J,

respectivamente. O fato pode ser explicado pelas boas propriedades mecânicas da

malva, conforme anteriormente demonstrado por Margem (2013). Houve dissipação

de uma maior quantidade de energia cinética do projétil através dos mecanismos de

fratura frágil da matriz epóxi, em conjunto com mecanismos dúcteis como

delaminação entre camadas, deformação elástica do compósito, cisalhamento das

camadas e tensão à ruptura das fibras (MORYE et al., 2000; LUZ, 2014). Em todos

os casos analisados por este trabalho, os parâmetros obtidos para o ensaio de

velocidade residual, foram superiores aqueles encontrados para o tecido de aramida

(212 m/s e 221 J), o que evidencia a viabilidade das fibras/tecido de malva para

utilização em aplicações balísticas. Fato este também corroborado pela favorável

análise econômica realizada na TAB. 4.5.

De maneira geral, os compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais na

configuração tecido, apresentam desempenhos balísticos superiores (DE ARAÚJO,

2015; BRAGA, 2015) quando comparados com os compósitos reforçados por fibras

contínuas e alinhadas (DA SILVA, 2014; DE ARAÚJO, 2015; BRAGA; 2015) quando

115

aplicados como camada intermediária nos sistemas de blindagem multicamadas.

Este comportamento pode ser justificado já que as fibras, na configuração tecido,

propiciaram uma melhor distribuição de tensões, nas várias frentes das trincas de

delaminação (HOSUR et al., 2004).

Foram também realizadas análises de variância (ANOVA) e o teste de Tukey

para verificação se havia diferença significativa entre os resultados obtidos para a

energia absorvida (Eabs) entre os compósitos epoxídicos reforçados com tecido de

malva ou híbrido com juta, e para verificação da influência do percentual de fibras de

malva nos casos dos compósitos reforçados com fibras contínuas e alinhadas. As

TAB. 4.8, TAB. 4.9 e TAB. 4.10 mostram os resultados obtidos.

TAB. 4.8 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os compósitos epoxídicos

reforçados com tecido de malva ou híbrido com juta.


quadrados

Quadrado

médio

F

calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 3 4641 1547 2,05 3,49

Resíduo 12 9048 754

Total 15 13689

A partir dos resultados de análise de variância da TAB. 4.8 aceita-se a hipótese

de que as médias são iguais com nível de significância de 5%, pois pela estatística

“F”, tem-se: F calculado (2,05) < F crítico ou tabelado (3,49). Portanto, pode-se

afirmar que não houve diferença significativa entre os seguintes componentes dos

SBMs presentes na TAB. 4.6, em relação à energia absorvida (Eabs) pelo compósito

após ensaio balístico de velocidade residual:

a) Compósito 100% malva (30% v/v) – Tecido;

b) Compósito 70%p malva / 30%p juta (30% v/v) – Tecido;

c) Compósito 50%p malva / 50%p juta (30% v/v) – Tecido;

d) Tecido de aramida (16 camadas).

A verificação de que as médias das energias absorvidas pelos compósitos

reforçados com tecido de malva ou híbrido com juta foram iguais a média da energia

absorvida pelo tecido de aramida, aliado a análise estatística do trauma provocado

na plastilina, após ensaio balístico desses compósitos nos SBMs e aliado a análise

116

econômica realizada na TAB. 4.5 demonstrou-se a potencialidade da aplicação da

malva com objetivo de proteção balística. Este fato também foi observado no estudo

de Monteiro et al. (2016b) no caso das fibras de curauá.

TAB. 4.9 Análise de variância da energia absorvida média (Eabs) para os compósitos epoxídicos

reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas.


quadrados

Quadrado

médio

F

calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 4 13399 3350 3,37 2,87

Resíduo 20 19859 993

Total 24 33258

A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.9 rejeita-se a


estatistica “F”, tem-se: F calculado (3,37) > F crítico ou tabelado (2,87). A diferença

média significativa (dms) encontrada foi 59,61. Portanto, a fração volumétrica de

fibras de malva nos compósitos de matriz epoxídica reforçados com fibras contínuas

e alinhadas têm efeitos diferentes na energia absorvida (Eabs) após ensaio balístico

de velocidade residual. Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey para comparação de

médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para verificar qual fração

volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores resultados em termos de

energia absorvida (Eabs) pelo compósito após ensaio balístico de velocidade residual.

Os seguintes componentes dos SBMs presentes na TAB. 4.6 foram testados:

a) Compósito epoxídico reforçado com 30% v/v de fibras de malva contínuas e

alinhadas;

b) Compósito epoxídico reforçado com 20% v/v de fibras de malva contínuas e

alinhadas;

c) Compósito epoxídico reforçado com 10% v/v de fibras de malva contínuas e

alinhadas;

d) Compósito 100% epoxídico;

e) Tecido de aramida (16 camadas).

117

TAB. 4.10 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da energia absorvida (Eabs),

pelos compósitos reforçados com fibras de malva de 0 a 30%v/v e tecido de aramida (16 camadas),

após ensaio balístico de velocidade residual e aplicação do teste de Tukey.

Fração

volumétrica de

fibras de malva e

tecido de aramida

30%

fibras de

malva

20%

fibras de

malva

10%

fibras de

malva

0% fibras

de malva

Tecido de

aramida

(16 camadas)

30% fibras de

malva 0 43,6 15,2 3,8 26,4

20% fibras de

malva 43,6 0 28,4 47,4 70

10% fibras de

malva 15,2 28,4 0 19 41,6

0% fibras de

malva 3,8 47,4 19 0 22,6

Tecido de aramida

(16 camadas) 26,4 70 41,6 22,6 0

A TAB. 4.10 mostra que houve diferença entre os valores médios de energia

absorvida (Eabs) entre o compósito epoxídico reforçado com 20%v/v de fibras de

malva (290,53 J) e o tecido de aramida com 16 camadas (221 J). Uma possível

explicação seria que os compósitos de epóxi reforçados com 20%v/v de fibras de

malva estão na transição entre os mecanismos de fratura frágil, atuantes

principalmente através da matriz epoxídica e dúctil, cada vez mais presentes a

medida que cresce a fração volumétrica de fibras. No entanto, deve-se lembrar da

maior integridade obtida nos SBMs que possuem camada intermediária com 30%v/v

de fibras/tecidos de malva, após o impacto do projétil de alta velocidade. Além da

necessidade de combinação com o ensaio de trauma na plastilina, o qual segundo

outros autores mostra claramente que o percentual de reforço de 30%v/v (fibras ou

tecido), é mais adequado aos requisitos previstos pela NIJ 0101.06 (DA SILVA,

2014; DE ARAÚJO, 2015; MILANEZI, 2015; BRAGA, 2015; ASSIS, 2016), não

excedendo a profundidade máxima de 44 mm.

118

4.2 INTERAÇÕES DAS ONDAS DE CHOQUE NAS BLINDAGENS

MULTICAMADAS

O método de casamento de impedância e as equações de conservação de

Rankine-Hugoniot (EQ. 2.8, EQ. 2.9 e EQ. 2.10) foram aplicados para análise das

interações de ondas de choque nos SBMs. Para fins de comparação dos resultados

obtidos neste estudo com trabalhos anteriores (DA SILVA, 2014, LUZ, 2014, DA

CRUZ, 2015; DE ARAÚJO, 2015; ASSIS, 2016), foi calculada a impedância de

choque, as velocidades de partículas e pressão na interface para as diferentes

configurações de blindagem multicamadas.

Como não foi possível obter, na literatura, parâmetros específicos para os

compósitos epóxi-fibras de malva, epóxi-tecido de malva e epóxi-tecido híbrido

malva/juta (70/30 e 50/50), utilizou-se a velocidade da onda elástica (VE), expressa

pela EQ. 2.5, no lugar da velocidade de onda de choque (Us), conforme sugerido por

Meyers (1994). Utilizou-se as equações da regra das misturas, para estimar o

módulo de elasticidade (EQ. 2.3) e a massa específica (EQ. 4.1) do compósito

epóxi-malva.

ρcp = ρm ∙ Vm + ρf ∙ Vf EQ. 4.1

Sendo:

ρcp → Massa específica do compósito;

ρm → Módulo de elasticidade da matriz;

ρf → Módulo de elasticidade da fibra;

Vm → Fração volumétrica da matriz;

Vf → Fração volumétrica da fibra.

Para a resina epóxi, fibras de malva e fibras de juta os valores referentes ao

módulo de elasticidade foram extraídos da literatura (CALLISTER e RETHWISH,

2012; SATYANARAYANA et al., 2007; MONTEIRO et al., 2011). Para os compósitos

combinou-se a da regra das misturas (EQ. 4.1) com a técnica de excitação por

impulso descrita na seção 3.3.13 deste trabalho. Nas TAB. 4.11 e TAB.4.12 são

mostrados os parâmetros característicos dos materiais utilizados nos sistemas de

blindagem multicamadas.

119

TAB. 4.11 Valores tabelados da velocidade da onda de choque e dos parâmetros característicos dos

materiais utilizados nos SBMs.

Material ρ

(kg/m3) C0 (m/s) S *Us (m/s) Referência

Chumbo 11300 2066 1,517 2066 + 1,517UP MEYERS,

1994

Aramida 1440 1180 2,420 1180 + 2,420UP MEYERS,

1994

Alumínio 2700 5328 1,338 5328 + 1,338UP MEYERS,

1994

Alumina 3890 7455 1,299 7455 + 1,299 UP KLEISER et

al., 2011

*Us = C0 + SUP

TAB. 4.12 Valores da massa específica, módulo de elasticidade e da onda elástica dos compósitos

epóxi-malva e híbridos epóxi-malva/juta.

Material ρ

(g/cm³)

Emín.

(GPa)

Emáx.

(GPa) C0 (mín.) (m/s) C0 (máx.) (m/s)

Malva 1,37 17,40 62,70 - -

Juta 1,30 13,00 27,00 - -

100 % Epóxi 1,15 2,41 2,41 1447,60 1447,60

Compósito Epóxi-Fibras

de malva (30%v/v) 1,22 6,91 20,50 2383,30 4105,60

Compósito Epóxi-Tecido

de malva (30%v/v) 1,22 6,91 20,50 2383,30 4105,60


híbrido 70%malva e

30%juta (30%v/v)

1,17 6,51 17,28 2358,84 3843,08


híbrido 50%malva e

50%juta (30%v/v)

1,18 6,25 15,14 2301,44 3581,97

120

A FIG. 4.10 apresenta um dos gráficos obtidos pelo método de casamento de

impedância. Nela, mostram-se as interações das ondas de choque em cada

interface do sistema de blindagem multicamadas. Neste gráfico, o sistema de

blindagem multicamadas utilizado foi aquele onde a camada intermediária foi o

compósito de matriz epóxi reforçado com 30%v/v de tecido de malva. Nos demais

SBMs estudados o perfil gráfico assemelha-se ao da FIG. 4.10. A resolução dos

cálculos nas interfaces pode ser resumida em três etapas: interface projétil

(chumbo)/alumina; interface alumina/compósito; e interface compósito/alumínio.

Também foram consideradas as interfaces alumina/aramida e aramida/alumínio para

fins comparativos. A velocidade de projétil adotada foi a mesma utilizada por LUZ

(2014), DE ARAÚJO (2015), DA CRUZ (2015) e ASSIS, 2016 de 863,63 ± 9,46 m/s,

para estabelecer uma base comparativa.

FIG. 4.10 - Gráfico do casamento de Impedâncias na blindagem multicamadas com compósito epóxi-

malva como camada intermediária.

Os valores encontrados para as interações das ondas de choque, nas interfaces

dos demais sistemas de blindagem multicamadas, estudados neste trabalho,

utilizando o método de casamento de impedância, estão mostrados na TAB. 4.13.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 162 324 486 648 810 972 1134 1296 1458

P (GPa)

Up (m/s)

Projetil(chumbo)

Alumina

AluminaInvertida

Epóxi-Malva(30%)

Epóxi-Malva(30%)Invertida

Alumínio

Up1 ; P1

Up2 ; P2

Up3; P3

Vp

121

TAB. 4.13 Valores da velocidade de partícula (Up), pressão nas interfaces (P), velocidade de onda de

choque (Us) e a natureza da onda de choque ao longo dos SBMs.

Interfaces Up

(m/s)

Pressão

(GPa) Us (m/s)

Natureza da

onda de choque

Chumbo/Alumina 420,30 13,08 8001,10 Compressiva

Alumina/100%Epóxi 770,00 2,13 2410,00 Trativa

100%Epóxi/Alumínio 236,40 3,60 5644,30 Compressiva

Alumina/Epóxi-Fibras

de malva (30%v/v)

Mín. 770,00 2,20 2380,00 Trativa

Máx. 720,00 3,60 4110,00 Trativa

Epóxi-Fibras de malva

(30%v/v)/Alumínio

Mín. 244,50 3,73 5655,10 Compressiva

Máx. 349,00 5,46 5794,90 Compressiva

Alumina/Epóxi-Tecido

de malva (30%v/v)

Mín. 770,00 2,20 2380,00 Trativa

Máx. 720,00 3,60 4110,00 Trativa

Epóxi-Tecido de malva

(30%v/v)/Alumínio

Mín. 244,50 3,73 5655,10 Compressiva

Máx. 349,00 5,46 5794,90 Compressiva


híbrido 70%malva e

30%juta (30%v/v)

Mín. 770,00 2,11 2350,00 Trativa

Máx. 730,00 3,28 3840,00 Trativa

Epóxi-Tecido híbrido

70%malva e 30%juta

(30%v/v)/Alumínio

Mín. 235,00 3,58 5642,50 Compressiva

Máx. 326,90 5,09 5765,40 Compressiva


híbrido 50%malva e

50%juta (30%v/v)

Mín. 770,00 2,09 2300,00 Trativa

Máx. 740,00 3,11 3580,00 Trativa

Epóxi-Tecido híbrido

50%malva e 50%juta

(30%v/v)/Alumínio

Mín. 232,80 3,55 5639,50 Compressiva

Máx. 314,70 4,88 5749,00 Compressiva

Alumina/Aramida 714,55 2,99 2909,21 Trativa

Aramida/Alumínio 365,84 5,75 5817,49 Compressiva

Na TAB. 4.14 são mostradas as impedâncias de choque médias dos

componentes e nas interfaces trativas da blindagem multicamadas. Neste trabalho

optou-se por enfatizar os valores médios de impedância, pois estes mostram com

122

maior clareza o comportamento médio do material/interface durante o impacto

balístico, o qual torna-se fundamental para possibilitar uma visão expandida da

aplicabilidade ou não dos materiais utilizados nos SBMs.

TAB. 4.14 Valores de massa específica, velocidade de onda (Us) e impedância média de choque nas

interfaces da blindagem multicamadas.

Interfaces

Massa

específica

(kg/m3)

Us (m/s)

Impedância

média de

choque

(kg/(m2.s))

**Ref.

Chumbo/Alumina 3890 8001,10 31,12 x 106 *PT

Aramida/Alumínio 2700 5817,49 15,85 x 106 *PT

Alumina/Aramida 1440 2909,21 4,19 x 106 *PT

Alumina/Epóxi 1150 2410,00 2,77 x 106 *PT

Alumina/Epóxi-Fibras ou

tecido de malva (30%v/v)

Min. 1220

2380,00 3,96 x 106 *PT

Máx. 4110,00


híbrido 70%malva e

30%juta (30%v/v)

Min.

1170

2350,00

3,62 x 106 *PT

Máx. 3840,00


híbrido 50%malva e

50%juta (30%v/v)

Min.

1180

2300,00

3,47 x 106 *PT

Máx. 3580,00

Alumina/Epóxi-juta (mín.) 1167 2188,03 2,97 x 106 LUZ, 2014

Alumina/Epóxi-juta (máx.) 1167 2895,94

Alumina/Epóxi-bambu (mín.) 983,4 4082,11 4,83 x 106

DA CRUZ,

2015 Alumina/Epóxi-bambu (máx.) 983,4 5372,88

Alumina/Epóxi-sisal (mín.) 1155 1948,91

2,83 x 106

DE

ARAÚJO,

2015 Alumina/Epóxi-sisal (máx.) 1155 2955,22

Alumina/Poliéster-juta (30%)

(mín.) 1160 2145,97

3,05 x 106 ASSIS,

2016 Alumina/Poliéster-juta (30%)

(máx.) 1160 3105,47


O projétil (chumbo) viaja com velocidade média de 863,63 m/s ao incidir na

camada cerâmica (Al2O3 + 4% Nb2O5), sendo capaz de gerar na interface entre os

dois materiais altas pressões (13,08 GPa) e ondas de choque com velocidade de

123

8001,10 m/s. A placa cerâmica avançada, à base de alumina, devido a sua elevada

resistência à compressão, foi capaz de erodir e deformar a ponta do projétil,

distribuindo a pressão em uma área maior (DA SILVA et al., 2014) além de reduzir a

velocidade do projétil de 863,63 m/s para 420,30 m/s, absorvendo cerca de 65% da

energia de impacto.

A onda de choque, de caráter compressivo, que se propaga através da alumina

(velocidade de 8001,10 m/s) ao incidir na interface subsequente constituída pelo

compósito epóxi-malva, terá parte do pulso transmitido e parte refletirá de volta.

Como a impedância da alumina (31,12 x 106 kg/m²s) é maior que a impedância do

material compósito da camada intermediária, a onda refletida tem caráter trativo, o

que promoveu uma intensa fragmentação da alumina. Segundo a TAB. 4.14, todos

os materiais utilizados como camada intermediária possuíam impedâncias de

choque médias menores que a alumina, ou seja, o pulso refletido sempre será de

caráter trativo.

Dos materiais utilizados como camada intermediária, o compósito epóxi-bambu-

30% possui o maior valor de impedância de choque média (4,83 x 106 kg/m²s),

seguido pela aramida (4,19 x 106 kg/m²s). Os compósitos epóxi-fibras ou tecido de

malva, bem como os compósitos híbridos epóxi-malva/juta (70/30 e 50/50)

apresentaram valores de impedância de choque bem próximos, porém abaixo da

aramida (3,96 x 106, 3,62 x 106 e 3,47 x 106 kg/m²s respectivamente). Segundo Luz

(2014), a camada intermediária transmitirá uma maior energia do pulso de

compressão para a camada metálica (alumínio 5052 H34) conforme aumenta a sua

impedância de choque. Os valores de impedância de choque e os valores médios de

profundidade de indentação na plastilina das camadas intermediárias (epóxi-malva

ou epóxi-híbrido malva/juta) foram próximos e se tratando do ensaio balístico de

blindagem multicamadas, que é um ensaio complexo, a diferença de impedância

pode ser considerada desprezível. Segundo Meyers (1994), o ensaio balístico de

multicamadas envolve diversos fenômenos dinâmicos como interações e reflexões

entre ondas, atenuações das ondas de choque e transformações de fase. Fato que,

em adição aos resultados positivos de outros ensaios balísticos, credencia a

utilização destes materiais a base de fibras de malva dentro dos SBMs.

124

4.3 PICNOMETRIA GASOSA

O resultado de picnometria gasosa para determinar a massa específica absoluta

das fibras de malva, encontrado pelo Laboratório de Tecnologia de Pós (LATEP) do

INT, foi de 1,542 g/cm3, após os ajustes necessários na preparação dos corpos de

prova para eliminar heterogeneidades e impurezas.

Para fins de cálculo de porosidade aberta (EQ. 4.2) e teor de celulose (EQ. 4.3)

presentes nas fibras de malva foram utilizados os valores de massa específica

aparente obtidos pelo grupo 4 da TAB. 4.2 (1,37 ± 0,04 g/cm3) e o valor de 1592

kg/m3 para a massa específica absoluta da celulose pura (MWAIKAMBO e ANSELL,

2001). A diferença entre as massas específicas absoluta e aparente está ligada a

presença da porosidade aberta nas fibras naturais, pois o gás hélio utilizado na

picnometria gasosa tem a capacidade de preencher o volume de poros abertos, ou

seja, calcula-se apenas a massa específica da parte lenhosa do material. Com isso,

tem-se que ρabs.(picnometria) > ρapar. (regra das misturas).

𝑃 = (1 −𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟.

𝜌𝑎𝑏𝑠.) 100 EQ. 4.2

𝑍 = [2 (𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟.

𝜌𝑎𝑏𝑠.+

𝜌𝑎𝑏𝑠.

𝜌𝑐𝑒𝑙.) −

𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟.

𝜌𝑐𝑒𝑙.− 2] 100 EQ. 4.3

Sendo:

P = Percentual de porosidade aberta das fibras de malva (%);

Z = Percentual de celulose encontrado nas fibras de malva (%);

ρabs = massa específica absoluta (g/cm3);

ρapar. = massa específica aparente (g/cm3);

ρcel. = massa específica da celulose pura (g/cm3).

A TAB. 4.15 mostra o resultado obtido para o percentual de porosidade aberta e

teor de celulose presentes nas fibras de malva, além de correlacionar com os

125

resultados obtidos por outros autores para as fibras naturais de sisal, juta e kapok

(MWAIKAMBO e ANSELL, 2001).

TAB. 4.15 Porosidade aberta e teor de celulose das fibras naturais de malva, hemp, sisal, juta e

kapok.

Fibra

natural

Massa

específica

absoluta

ρabs (g/cm3)

Massa

específica

aparente

ρapar.

(g/cm3)

Porosidade

aberta

P (%)

Teor de

celulose

Z (%)

Referência

Malva 1,542 1,370 11,15 85,35 *PT

Sisal 1,428 1,273 10,85 77,74 MWAIKAMBO

e ANSELL,

2001.

Juta 1,532 1,358 11,36 84,44

Kapok 1,474 0,384 73,95 13,16


Apesar do ângulo microfibrilar também exercer forte influência sobre as

propriedades mecânicas das fibras naturais (JOHN e THOMAS, 2008), pela TAB.

4.15 percebe-se o grande potencial que as fibras de malva e juta possuem para

reforçar materiais poliméricos, em função do alto teor de celulose presente e da

porosidade aberta em torno de 11%, fatores determinantes para a produção de

compósitos com aplicações industriais e de engenharia.

4.4 ENSAIOS DE IMPACTO CHARPY E IZOD

4.4.1 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY

Os resultados obtidos para ensaio de impacto Charpy para compósitos de matriz

epóxi reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas, nos percentuais 0%,

10%, 20%, 30% sem tratamento (s/trat.) e 30% com tratamento (c/trat.) – CP4,

demonstraram existir uma boa capacidade de absorção de energia destes materiais

comparativamente a outros compósitos reforçados com FNLs (MARGEM, 2013). Na

TAB. 4.16 são mostrados os resultados de energia absorvida em (J/m) para cada

126

grupo citado. Observou-se ter havido uma redução na energia absorvida por impacto

para o grupo com 30%v/v de fibras com tratamento (CP4). É provável que este

comportamento tenha ocorrido devido aos parâmetros de mercerização escolhidos

(NaOH a 5%, tempo de permanência na solução alcalina de 24 horas e sem

agitação), que promoveram um aumento da cristalinidade das fibras de malva, e por

conseguinte da rugosidade superficial. No entanto, a energia de impacto não foi

ampliada porque a baixa rugosidade, nesta aplicação em especial, aumentou o

caminho percorrido pela trinca, e por conseguinte, promoveu a ampliação da energia

absorvida necessária para a fratura do compósito.

TAB. 4.16 – Resultados do ensaio de impacto Charpy para os compósitos de matriz epóxi reforçados

com fibras de malva contínuas e alinhadas.

Energia absorvida (J/m) - Ensaio Charpy

CPs 0% 10% 20% 30% s/trat. 30% c/trat. – CP4

1 86,12 156,86 511,74 914,03 173,91

2 72,07 146,34 545,02 926,27 182,52

3 91,35 138,89 525,82 926,61 152,66

4 101,94 132,7 535,55 857,14 173,08

5 82,95 134,62 660,55 972,35 144,93

6 138,09 146,34 586,36 1018,52 159,42

7 100 142,89 601,9 723,5 143,54

Média 96,07 142,66 566,71 905,49 161,44

Desvio Padrão 21,15 8,23 52,54 94,56 15,33

Na FIG. 4.11 é mostrado o gráfico que relaciona a energia de impacto Charpy

com o percentual de fibras de malva. Percebe-se que da mesma forma que em

trabalhos de outros autores é nítido o aumento da energia absorvida por impacto

quando cresce o percentual de fibras utilizado no compósito (BLEDZKI E GASSAN,

1999; MARGEM, 2013).

127

FIG. 4.11 – Energia de impacto Charpy versus percentuais de fibras de malva.

Em todos os corpos ensaiados ocorreu a ruptura completa dos mesmos,

tornando válidos os resultados obtidos. Na FIG. 4.12 são mostrados os corpos de

prova fraturados após o ensaio de impacto Charpy.

FIG. 4.12 – Corpos de prova fraturados após ensaio de impacto Charpy. (a) 0%v/v de fibras; (b)

10%v/v de fibras; (c) 20%v/v de fibras; (d) 30%v/v de fibras sem tratamento; (e) 30%v/v de fibras

tratadas com NaOH a 5%, 24h e sem agitação (CP4).

0,00

200,00

400,00600,00

800,00

1000,00

0% 10% 20% 30%s/trat.

30%c/trat.

Energia de impacto (J/m)

% de fibras de malva

Energia de impacto Charpy (J/m)

128

Pela análise visual percebe-se a tendência de fratura frágil nos corpos de 0%,

10% e 30% c/trat., o que é confirmado pelos valores de energia de impacto

presentes na TAB. 4.16, a qual mostra um salto superior a 200% de 10% para 20%

de fibras de malva.

As imagens em microscopia eletrônica de varredura mostram de uma maneira

mais clara os mecanismos de fratura envolvidos no processo (FIG. 4.13, FIG. 4.14 e

FIG. 4.15).

FIG. 4.13 – (a) Compósito epóxi com 0% de fibras de malva (90x); (b) Compósito com 10% de fibras

de malva (400x).

Na imagem (FIG. 4.13(a) e (b)) percebe-se nitidamente o mecanismo de fratura

frágil, pela presença das “marcas de rio”, tanto no compósito 100% epóxi quanto

naquele com 10% de fibras, mostrando que não houve reforço efetivo com esse

percentual de fibras.

129

FIG. 4.14 – (a) Compósito epóxi com 20% de fibras de malva (400x); (b) Detalhe da fibra de malva no

compósito com 20% de fibras (2065x).

Para os compósitos com 20% percebe-se uma atuação maior das fibras no

mecanismo de fratura, evidenciando fibras rompidas, arrancadas e descoladas da

matriz (FIG. 4.14a), além da percepção do recobrimento bem efetivo da fibra

rompida pela matriz epóxi (FIG. 4.14b).

FIG. 4.15 – (a) Compósito epóxi reforçado com 30% de fibras de malva não tratadas (100x); (b)

Compósito epóxi reforçado com 30% de fibras de malva mercerizadas (NaOH a 5%, 24h e sem

agitação) (400x).

Na imagem da FIG. 4.15a percebe-se a ruptura de fibras, bem como o

arrancamento e o descolamento interfacial com a matriz epóxi. A atuação destes

mecanismos de falha propiciaram a absorção de alta energia de impacto

130

comparativamente a outros percentuais testados para fibras de malva contínuas e

alinhadas. No entanto, a imagem da FIG. 4.15b mostra a superfície de fratura dos

compósitos com fibras mercerizadas, bem parecida com os compósitos 0% e 10%

de fibras. Com isso, a fratura foi frágil e a energia absorvida foi próxima àquela

medida para reforço com 10% de fibras.

Foi também realizada análise de variância (ANOVA) para verificação se há

diferença significativa entre os resultados obtidos para a energia de impacto Charpy

entre os compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v sem

tratamento e 30%v/v com fibras de malva tratadas com NaOH a 5%, 24h e sem

agitação. A TAB. 4.17 mostra os resultados obtidos.

TAB. 4.17 Análise de variância da energia de impacto Charpy para os compósitos epoxídicos

reforçados com 0%, 10%, 20%, 30%v/v sem tratamento e 30%v/v com fibras de malva tratadas com

NaOH a 5%, 24h e sem agitação.

Causas de

variação GL

Soma de

quadrados

Quadrado

médio

F

calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 4 3468899,11 867224,78 348,18 2,69

Resíduo 30 74721,76 2490,73

Total 34 3543620,88



estatistica “F”, tem-se: F calculado (348,18) >> F crítico ou tabelado (2,69). Portanto,

a fração volumétrica de fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi, bem como

o tratamento de mercerização têm efeitos diferentes na energia de impacto Charpy.

Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey para comparação de médias utilizando-se um

nível de confiança de 95% para verificar qual fração volumétrica de fibras de malva

proporcionou melhores resultados em termos de energia de impacto Charpy. A

diferença média significativa (dms) encontrada foi 77,34. A TAB. 4.18 mostra os

resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da energia de impacto

Charpy entre as frações volumétricas de fibras de malva testadas.

131

TAB. 4.18 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios da energia de impacto

Charpy nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de

Tukey.

Fração volumétrica

de fibras de malva 0% 10% 20% 30% s/trat. 30% c/trat. (CP4)

0% 0 46,59 470,63 809,41 65,36

10% 46,59 0 424,04 762,83 18,77

20% 470,63 424,04 0 338,78 405,27

30% s/trat. 809,41 762,83 338,78 0 744,05

30% c/trat.(CP4) 65,36 18,77 405,27 744,05 0

Com base nesses resultados, têm-se que, com nível de significância de 5%, que

o compósito reforçado com 30%v/v de fibras de malva, sem tratamento, apresentou

melhor desempenho, pois exibiu maior valor de energia média de impacto Charpy

(905,49 J/m), sendo significativamente diferente dos demais, pois as diferenças

encontradas são superiores ao d.m.s (77,34). Este comportamento também foi

comprovado por outros trabalhos envolvendo energia de impacto em CFNLs

(MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014). Outro ponto importante a ressaltar é que não

há diferença significativa entre os valores de energia média de impacto Charpy entre

os percentuais de reforço de fibras de malva com 0%, 10% e 30% com tratamento,

pois as diferenças são inferiores ao d.m.s.

4.4.2 ENSAIO DE IMPACTO IZOD

Na TAB. 4.19 são mostrados os resultados de ensaio de impacto Izod para os

compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras de malva

contínuas e alinhadas.

132

TAB. 4.19 – Resultados do ensaio de impacto Izod para os compósitos de matriz epóxi reforçados

com fibras de malva contínuas e alinhadas.

Energia absorvida (J/m) - Ensaio Izod

CPs 0% 10% 20% 30%

1 10,15 102,71 342,18 547,42

2 6,84 122,10 354,19 498,58

3 4,08 137,76 346,3 526,76

4 5,46 104,07 378,6 522,35

5 5,47 103,87 381,09 466,36

6 5,37 122,22 352,89 475,62

7 6,76 99,71 371,48 454,96

Média 6,30 113,21 360,96 498,86

Desvio Padrão 2,11 14,30 15,84 34,67

Pelos resultados obtidos e apresentados na TAB. 4.19 percebe-se dois grandes

saltos na energia de impacto Izod. O primeiro de 0% para 10% e o segundo de 10%

para 20%. Em ambos os casos a variação de energia possivelmente está associada

a mudança de mecanismos de fratura. Passando de um mecanismo completamente

frágil, com baixa absorção de energia para os corpos de prova com 100% de epóxi,

até um comportamento de transição dúctil-frágil para um percentual de 20%v/v de

reforço. A explicação para esta mudança está associada a propagação transversal

da trinca no compósito com 0% de reforço, ou seja, a medida que aumenta-se a

fração volumétrica de fibras, as mesmas passam a funcionar como barreiras que

desviam a trajetória das trincas, e por conseguinte, aumentam a energia de impacto

do sistema (GOMES, 2015). Aumento também expressivo ocorreu entre 20%v/v e

30%v/v de reforço, consolidando a atuação do mecanismo de ruptura dúctil nesta

maior fração volumétrica de fibras.

Na FIG. 4.16 mostra-se o gráfico que relaciona a energia de impacto Izod com o

percentual de fibras de malva. Percebe-se nitidamente que a energia de impacto

cresceu com a fração volumétrica de fibras (BLEDZKI E GASSAN, 1999; MARGEM,

2013; CANDIDO, 2014).

133

FIG. 4.16 – Energia de impacto Izod versus percentuais de fibras de malva.

Em todos os corpos ensaiados ocorreu a ruptura completa dos mesmos,

tornando válidos os resultados obtidos. Na FIG. 4.17 são mostrados os corpos de

prova após o ensaio de impacto Izod.

FIG. 4.17 - Corpos de prova nos percentuais de reforço de fibras de malva de 0%, 10%, 20% e

30%v/v fraturados após ensaio de impacto Izod

Pela análise visual da FIG. 4.17 confirma-se a tendência de fratura frágil nos

corpos de 0% e 10%, e a evolução para uma fratura dúctil nos compósitos com

fração volumétrica de fibras de 20% e 30%. As imagens por microscopia eletrônica

de varredura na FIG. 4.18 mostram de uma maneira mais clara os mecanismos de

fratura atuantes envolvidos no processo.

0,00

200,00

400,00

600,00

0% 10% 20% 30%

Energia de impacto

(J/m)


Energia de impacto Izod (J/m)

134

FIG. 4.18 – Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura dos compósitos reforçados

com fibras de malva após ensaio de impacto Izod (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de

fibras.

Na FIG. 4.18(a) percebe-se o mecanismo de fratura completamente frágil, pela

presença de padrões tipo “marcas de rio”. A trinca propaga-se de maneira

transversal e catastrófica tanto no compósito 100% epóxi quanto naquele com 10%

de fibras (FIG. 4.18(b)), mostrando que não houve reforço efetivo com esse

percentual de fibras (CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).

Para os compósitos com 20% presentes na FIG. 4.18(c) percebe-se uma

atuação maior das fibras no mecanismo de fratura, evidenciando fibras rompidas e

descoladas da matriz (efeito “pull-out”), fato comprovado pela maior absorção de

energia de impacto (TAB. 4.19).

Na imagem da FIG. 4.18(d) percebe-se a ruptura de fibras, bem como o

descolamento interfacial com a matriz epóxi. Esta combinação de mecanismos de

135

falha propiciou a absorção de alta energia de impacto comparativamente a outras

frações volumétricas testadas. Tais resultados estão de acordo com as observações

de outros autores que também realizaram ensaios de impacto em CFNLs

(MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).

Foi realizada análise de variância (ANOVA) para verificar se havia diferença

significativa entre os resultados obtidos para a energia de impacto Izod entre os

compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de

malva. A TAB. 4.20 mostra os resultados obtidos.

TAB. 4.20 Análise de variância da energia de impacto Izod para os compósitos epoxídicos reforçados

com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de malva.

Causas de

variação GL

Soma de

quadrados

Quadrado

médio

F

calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 3 1065675,77 355225,26 855,43 3,01

Resíduo 24 9966,22 415,26

Total 27 1075641,99




a fração volumétrica de fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi têm efeitos

diferentes na energia de impacto Izod. Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey para

comparação de médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para verificar

qual fração volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores resultados em

termos de energia de impacto Izod. A diferença média significativa (d.m.s)

encontrada foi 32,12. A TAB. 4.21 mostra os resultados obtidos para as diferenças

entre os valores médios da energia de impacto Izod entre as frações volumétricas de

fibras de malva testadas.

136

TAB. 4.21 Resultados obtidos para as diferenças (d.m.s) entre os valores médios da energia de

impacto Izod, nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de

Tukey.


de fibras de malva 0% 10% 20% 30%

0% 0 106,90 354,66 492,56

10% 106,90 0 247,76 385,66

20% 354,66 247,76 0 137,90

30% 492,56 385,66 137,90 0

Com base nesses resultados, têm-se que, com nível de significância de 5%, que

o compósito reforçado com 30%v/v de fibras de malva apresentou melhor

desempenho, pois exibiu maior valor de energia média de impacto Izod (498,86

J/m), e este é significativamente diferente dos demais, pois as diferenças

encontradas são superiores ao d.m.s (32,12). Fato semelhante também foi

comprovado por outros trabalhos envolvendo energia de impacto em CFNLs

(MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015). Outro ponto importante a

ressaltar é que houve diferença significativa entre os valores de energia média de

impacto Izod entre os demais percentuais de reforço de fibras de malva com 0%,

10% e 20%, comprovando, portanto, a relação direta entre o aumento da fração

volumétrica de fibras e a energia de impacto Izod.

4.5 ENSAIO DE TRAÇÃO

Foram realizados e obtidos resultados para o ensaio de tração dos compósitos

reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas fabricados a partir de moldes

de silicone (FIG. 3.27) e a partir de placas compósitas cortadas a laser conforme

norma específica (FIG. 3.28). Em ambos os grupos, e da mesma forma conduzida

por outros autores que trabalharam com CFNLs, verificou-se que a resistência

mecânica crescia com o percentual de fibras (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014;

GOMES, 2015). Os testes de tração foram realizados nos percentuais de 0%, 10%,

20% e 30%v/v de fibras e os resultados encontrados são mostrados nas TAB. 4.22 e

TAB. 4.23. Nas FIG. 4.19 e FIG. 4.20 mostra-se graficamente o crescimento da

137

resistência mecânica com o percentual de fibras, para as amostras fabricadas a

partir de moldes de silicone, e àquelas fabricadas a partir de placas compósitas. O

módulo de elasticidade foi determinado e medido dinamicamente pela técnica de

excitação por impulso, técnica que possibilitou alcançar uma precisão e

homogeneidade maior de resultados, em comparação com os valores obtidos com o

uso do extensômetro por métodos destrutivos (MORREL, 2006). Tais resultados

serão apresentados na seção 4.7 do presente estudo, juntamente com a estimativa

do módulo de elasticidade transversal (G) e o coeficiente de Poisson (ʋ).

TAB. 4.22 – Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados com fibras de malva a

partir de moldes de silicone.


Resistência a tração (MPa) Alongamento (mm)

0% 32,98 ± 14,61 1,42 ± 0,55

10% 90,01 ± 21,35 2,89 ± 0,45

20% 109,85 ± 21,70 3,12 ± 0,28

30% 177,49 ± 17,80 4,99 ± 0,49

FIG. 4.19 – Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de malva atuando como

reforço em compósitos de matriz epoxídica produzidos a partir de moldes de silicone.

0

50

100

150

200

0% 10% 20% 30%

Resistência mecânica (MPa)


Resistência mecânica *Moldes de silicone

138

TAB. 4.23 – Resultados para o ensaio de tração de compósitos reforçados com fibras de malva a

partir de placas compósitas cortadas a laser.


Resistência a tração (MPa) Alongamento (mm)

0% 51,98 ± 2,37 1,29 ± 0,15

10% 86,91 ± 17,37 1,05 ± 0,23

20% 128,27 ± 15,19 1,20 ± 0,10

30% 130,70 ± 12,95 1,43 ± 0,15

FIG. 4.20 – Variação da resistência mecânica com percentuais de fibras de malva atuando como

reforço em compósitos de matriz epoxídica produzidos a partir de placas de compósitos.

As FIG. 4.19 e FIG. 4.20, assim como as TAB. 4.22 e TAB. 4.23 mostram

valores próximos da resistência mecânica para as duas metodologias empregadas,

nos percentuais estudados de reforço entre 0% e 30%v/v. Este fato credencia o

monitoramento desta propriedade tanto através da confecção de corpos de prova

por moldes de silicone, quanto por meio do corte a laser de placas compósitas. Os

resultados também evidenciam a pequena variação do alongamento entre as

frações volumétricas estudadas, para os corpos de prova fabricados a partir de

placas compósitas, apesar do crescimento da resistência mecânica. Demonstrou-se

assim uma melhor homogeneidade entre os percentuais de reforço estudados, muito

0

20

40

60

80

100

120

140

0% 10% 20% 30%

Resistência mecânica (MPa)


Resistência mecânica *Placas de compósitos

139

provavelmente associado a precisão dimensional obtida pelo corte a laser das

placas compósitas.

Nas FIG. 4.21 e FIG. 4.22 são mostrados os corpos de prova após a realização

do ensaio de tração. Uma análise visual das superfícies de fratura mostra evidências

da atuação de um mecanismo do tipo frágil até um percentual de reforço de 10%. A

partir deste percentual percebe-se que as fibras funcionam atuando como reforço

efetivo do compósito (20% e 30%v/v), em razão da ativação de mecanismos como a

fratura de fibras e o descolamento das fibras na interface fibra-matriz.

FIG. 4.21 – Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de malva,

produzidos a partir de moldes de silicone, após ensaio de tração.

FIG. 4.22 – Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de malva,

produzidos a partir de placas compósitas, após ensaio de tração.

140

As imagens em microscopia eletrônica de varredura na FIG. 4.23 mostram de

uma maneira mais clara os mecanismos de fratura envolvidos no processo.

FIG. 4.23 – Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura dos corpos de prova

produzidos a partir de placas compósitas cortadas a laser, após ensaio de tração (500x). (a) 0%; (b)

10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de fibras.

Na FIG. 4.23(a) percebe-se o mecanismo de fratura completamente frágil,

caracterizado pela presença de padrões tipo “marcas de rio” e “marcas de praia”. Na

FIG. 4.23(b) o reforço pelas fibras ainda não é efetivo, o que torna o mecanismo de

fratura frágil ainda dominante no compósito (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014;

GOMES, 2015).

Para os compósitos com 20% presentes na FIG. 4.23(c), já percebe-se uma

atuação maior das fibras no mecanismo de fratura, evidenciado por fibras rompidas

e descoladas da matriz (efeito “pull-out”), fato corroborado pela maior resistencia

141

mecânica obtida, independentemente se o corpo de prova foi produzido a partir de

moldes de silicone ou placas compósitas (TAB. 4.22 e TAB. 4.23).

Na imagem da FIG. 4.23(d) percebe-se com maior intensidade a ruptura de

fibras, bem como o descolamento interfacial com a matriz epóxi. A atuação

combinada desses mecanismos de falha resultou em um aumento na resistência

mecânica comparativamente a outras frações volumétricas testadas. Tal resultado

está de acordo com resultados obtidos por outros autores que também realizaram

ensaio de tração em CFNLs (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).

Foi também realizada análise de variância (ANOVA) para verificar se havia

diferença significativa entre os resultados obtidos de resistência mecânica entre os

compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de

malva. Como os valores encontrados para esta propriedade foram semelhantes nas

duas metodologias aplicadas, foram escolhidos os resultados obtidos a partir de

corpos de prova confeccionados por moldes de silicone, em função da percepção de

uma variação um pouco maior entre os percentuais de reforço estudados. A TAB.

4.24 mostra os resultados obtidos.

TAB. 4.24 Análise de variância da resistência mecânica para os compósitos epoxídicos reforçados


Causas de

variação GL

Soma de

quadrados

Quadrado

médio

F

calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 3 51909,85 17303,28 97,21 3,24

Resíduo 16 2847,94 178,00

Total 19 54757,79

A partir dos resultados obtidos na análise de variância da TAB. 4.20 rejeitou-se a

hipótese de que as médias fossem iguais com nível de significância de 5%, pois pela


a fração volumétrica de fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi tiveram

efeitos diferentes na resistência mecânica. Por isso, aplicou-se o Teste de Tukey

para comparação de médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para

verificar qual fração volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores

resultados em termos de resistência mecânica. A diferença média significativa (dms)

142

encontrada foi 25,83. A TAB. 4.25 mostra os resultados obtidos no teste de Tukey

para as diferenças entre os valores médios da resistência mecânica entre as frações

volumétricas de fibras de malva testadas.

TAB. 4.25 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de resistência mecânica

nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de Tukey.



0% 0 59,552 80,854 142,506

10% 59,552 0 21,302 82,954

20% 80,854 21,302 0 61,652

30% 142,506 82,954 61,652 0

Com base nesses resultados, tem-se que, com nível de significância de 5%, que


desempenho, pois exibiu maior valor de resistência mecânica (177,49 MPa), e este é

significativamente diferente dos demais, pois as diferenças encontradas foram

superiores ao d.m.s (25,83). Fato semelhante também comprovado por outros

trabalhos envolvendo medidas da resistência mecânica em CFNLs (MARGEM,

2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015). Outro detalhe importante a ressaltar é que

não houve diferença significativa entre os valores de resistência mecânica entre os

percentuais de reforço de fibras de malva nas frações de 10% e 20%. Este

comportamento está possivelmente associado a ocorrência da transição entre um

mecanismo completamente frágil de ruptura (0% e 10%v/v) para uma fratura que já

evidencia mecanismos de ductilidade (20% e 30%v/v), ocasionando maiores valores

de resistência mecânica, em função do aumento da fração volumétrica de fibras que

reforçam o compósito conforme documentado na literatura (KU et al., 2011;

MORAES et al., 2016).

143

4.6 ENSAIO DE FLEXÃO

A TAB. 4.26 mostra os resultados obtidos para o ensaio de flexão em 3 pontos

nos compósitos reforçados com fibras de malva contínuas e alinhadas. Da mesma

forma que outros autores que também trabalharam com CFNLs constatou-se que a

resistência mecânica e o módulo de elasticidade em flexão cresceram com o

percentual de fibras (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015). Os testes

foram realizados nos percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras. Nas FIG.

4.24 e FIG. 4.25 são mostrados o crescimento da resistência mecânica e do módulo

de elasticidade com o aumento do percentual de fibras incorporado nos compósitos.

TAB. 4.26 – Resultados para o ensaio de flexão em 3 pontos de compósitos reforçados com fibras de

malva nos percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v.


Resistência à flexão (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa)

0% 36,6 ± 16,00 3,12 ± 0,28

10% 80,47 ± 5,89 6,20 ± 0,49

20% 138,84 ± 23,61 8,58 ± 1,53

30% 191,27 ± 22,68 10,9 ± 0,58

FIG. 4.24 – Variação da resistência à flexão com percentuais de fibras de malva atuando como

reforço em compósitos de matriz epoxídica.

0

50

100

150

200

250

0% 10% 20% 30%

Resistência a flexão (MPa)


Resistência à flexão

144

FIG. 4.25 – Variação do módulo de elasticidade com percentuais de fibras de malva atuando como

reforço em compósitos de matriz epoxídica.

Na FIG. 4.26 são mostrados os corpos de prova após a realização do ensaio de

flexão em 3 pontos. Uma análise visual das superfícies de fratura revelou a atuação

de mecanismos tipicamente frágeis atuando até um percentual de reforço de 10%. A

partir deste percentual percebeu-se que as fibras funcionaram como reforço efetivo

do compósito (20% e 30%v/v), em razão da atuação de mecanismos como a fratura

de fibras e o descolamento das fibras na interface fibra-matriz.

FIG. 4.26 – Corpos de prova de compósitos de matriz epóxi reforçados com fibras de malva nos

percentuais de 0%, 10%, 20% e 30%v/v, após ensaio de flexão em 3 pontos.

As imagens em microscopia eletrônica de varredura na FIG. 4.27 demostram de

uma maneira mais clara a atuação dos mecanismos de fratura envolvidos no

processo.

0

2

4

6

8

10

12

0% 10% 20% 30%

Módulo de elasticidade

(GPa)



145

FIG. 4.27 – Microscopia eletrônica de varredura das superfícies de fratura dos compósitos reforçados

com fibras de malva, após ensaio de flexão (500x). (a) 0%; (b) 10%; (c) 20% e (d) 30%v/v de fibras.

Na FIG. 4.27(a) percebe-se a atuação do mecanismo de fratura completamente

frágil, caracterizado pela presença de padrões tipo “marcas de rio” e “marcas de

praia”. Na FIG. 4.23(b) o reforço de fibras ainda não mostrou-se efetivo, o que tornou

o mecanismo de fratura frágil ainda dominante no compósito (MARGEM, 2013;

CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).

Para os compósitos com fração de 20%v/v de fibras presentes na FIG. 4.23(c)

percebeu-se uma atuação maior das fibras no mecanismo de fratura, evidenciado

por fibras rompidas e descoladas da matriz (efeito “pull-out”). Este fato foi

comprovado pelo aumento da resistência à flexão em torno de 60% e do módulo de

elasticidade em torno de 70% (TAB. 4.26), conforme já apresentado.

Na imagem da FIG. 4.23(d) percebeu-se com maior intensidade a ruptura de

fibras, bem como o efeito “pull-out”. Houve um reforço mais efetivo das fibras na

146

matriz, o que foi comprovado pela maior atuação de mecanismos de falha

associados a fratura dúctil, bem como pelo aumento nas propriedades de resistência

à flexão e módulo de elasticidade comparativamente a outras frações volumétricas

testadas. Os resultados obtidos estão coerentes com os resultados obtidos por

outros autores que também realizaram ensaio de flexão em CFNLs (MARGEM,

2013; CANDIDO, 2014; GOMES, 2015).

Foi também realizada análise de variância (ANOVA) para verificação se havia

diferença significativa entre os resultados obtidos para a resistência à flexão e

módulo de elasticidade entre os compósitos epoxídicos reforçados com 0%, 10%,

20% e 30%v/v com fibras de malva. As TAB. 4.27 e 4.28 mostram os resultados

obtidos.

TAB. 4.27 Análise de variância da resistência à flexão para os compósitos epoxídicos reforçados com

0%, 10%, 20% e 30%v/v com fibras de malva.

Causas de

variação GL

Soma de

quadrados

Quadrado

médio F calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 3 92672,28 30890,76 77,73 3,01

Resíduo 24 9537,74 397,41

Total 27 102210,02

TAB. 4.28 Análise de variância do módulo de elasticidade para os compósitos epoxídicos reforçados


Causas de

variação GL

Soma de

quadrados

Quadrado

médio F calculado

F crítico

(tabelado)

Tratamentos 3 233,05 77,68 88,82 3,01

Resíduo 24 20,99 0,87

Total 27 254,04

A partir dos resultados obtidos pela análise de variância das TAB. 4.27 e TAB.

4.28 rejeitou-se a hipótese de que as médias fossem iguais com nível de

significância de 5%, pois pela estatistica “F”, tem-se: F calculado (77,73) >> F crítico

ou tabelado (3,01) para a resistência à flexão e F calculado (88,82) >> F crítico ou

tabelado (3,01) para o módulo de elasticidade. Portanto, a fração volumétrica de

fibras de malva nos compósitos de matriz epóxi mostrou ter efeitos diferentes na

147

resistência à flexão e no módulo de elasticidade. Por isso, aplicou-se o Teste de

Tukey para comparação de médias utilizando-se um nível de confiança de 95% para

verificar qual fração volumétrica de fibras de malva proporcionou melhores

resultados em termos de propriedades mecânicas em flexão. A diferença média

significativa (d.m.s) encontrada foi de 31,42 e 1,47, respectivamente para a

resistência à flexão e módulo de elasticidade. As TAB. 4.29 e TAB. 4.30 mostram os

resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios das propriedades

estudadas em cada fração volumétrica de fibras de malva.

TAB. 4.29 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de resistência à flexão nas

frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de Tukey.



0% 0 40,86 99,24 151,67

10% 40,86 0 58,37 110,80

20% 99,24 58,37 0 52,43

30% 151,67 110,80 52,43 0

TAB. 4.30 Resultados obtidos para as diferenças entre os valores médios de módulo de elasticidade

nas frações volumétricas de fibras de malva de 0 a 30%v/v, após aplicação do teste de Tukey.



0% 0 3,08 5,47 7,78

10% 3,08 0 2,39 4,70

20% 5,47 2,39 0 2,31

30% 7,78 4,70 2,31 0

Com base nesses resultados, tem-se que, com nível de significância de 5%, que


desempenho, pois exibiu maior valor de resistência à flexão (191,27 MPa) e módulo

de elasticidade (10,9 GPa), e estes são significativamente diferentes dos demais,

pois as diferenças encontradas foram superiores ao d.m.s (31,42 e 1,47

respectivamente). Este fato também foi comprovado por outros trabalhos envolvendo

148

medidas de propriedades em flexão em CFNLs (MARGEM, 2013; CANDIDO, 2014;

GOMES, 2015).

4.7 ANÁLISE POR TÉCNICA DE EXCITAÇÃO POR IMPULSO

A TAB. 4.31 mostra os resultados obtidos para as medidas dinâmicas do módulo

de elasticidade longitudinal (E), módulo de elasticidade transversal (G) e coeficiente

de poisson (ʋ).

TAB. 4.31 Propriedades elásticas medidas através da técnica de excitação por impulso.

Percentual de

fibras de malva


longitudinal - E (GPa)


transversal - G (GPa)

Coeficiente de

poisson (ʋ)

0% 3,89 ± 0,03 1,42 ± 0,02 0,36 ± 0,02

10% 11,60 ± 0,11 5,48 ± 0,02 0,05 ± 0,02

20% 15,73 ± 0,17 6,00 ± 0,01 0,30 ± 0,01

30% 20,50 ± 0,10 6,77 ± 0,01 0,52 ± 0,01

O módulo de elasticidade longitudinal foi a propriedade mais importante obtida

pela técnica de excitação por impulso, pois representa um parâmetro estrutural

fundamental a ser definido para utilização dos compósitos em aplicações de

engenharia (MORREL, 2006). As demais propriedades presentes na TAB. 4.31,

apesar de igualmente importantes, necessitam de medições por outras metodologias

para confirmação de seus valores, como por exemplo, métodos estáticos, pois

segundo a norma ASTM E1876, a anisotropia do material compósito pode introduzir

erros na determinação do módulo de elasticidade transversal e consequentemente

no coeficiente de Poisson.

No entanto, a determinação do módulo longitudinal pelo método dinâmico

propiciou baixa dispersão de valores e a verificação do aumento do mesmo a

medida que cresce o percentual de reforço de fibras. Este fato foi comprovado por

outros autores que utilizaram métodos destrutivos para determinação destas

propriedades, porém com maior dispersão de valores e menor precisão (CANDIDO,

2014; GOMES, 2015). A FIG. 4.28 mostra o aumento do módulo de elasticidade

149

longitudinal com a fração volumétrica de fibras de malva em um comportamento

aproximadamente linear.

FIG. 4.28 – Variação do módulo de elasticidade longitudinal com os percentuais de fibras de malva

atuando como reforço em compósitos de matriz epoxídica.

4.8 DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX)

Os resultados obtidos em difração de raios X mostram a alta cristalinidade das

fibras de malva, o que tem influencia direta nas boas propriedades mecânicas que

esta FNLs apresenta, pois conforme diversos autores a cristalinidade está

relacionada com o teor de celulose que a fibra apresenta, pois é o único componente

que cristaliza-se (BISANDA et al., 1992; ROWELL et al., 2000), e consequentemente

aquele que, juntamente com outros parâmetros, como o baixo ângulo microfibrilar,

possibilitam o aumento de propriedades como a resistência mecânica. A TAB. 4.32

mostra os resultados obtidos para o índice de cristalinidade das amostras tratadas

conforme os parâmetros da TAB. 3.3. A efetividade do tratamento de mercerização

foi comprovado pelo aumento de cristalinidade através de DRX, com os parâmetros:

NaOH a 5%, por 24h de imersão e sem agitação da solução. Não foi observado a

ampliação da energia de impacto Charpy, em virtude do próprio mecanismo de

absorção de energia. A energia de impacto absorvida é ampliada, dentre outros

fatores, em função da baixa adesão superficial entre fibra e matriz, pois possibilita o

y = 53,96x + 4,836 R² = 0,9795

0

5

10

15

20

25

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%

Módulo de elasticidade longitudinal

(MPa)


Módulo de elasticidade longitudinal - método dinâmico

150

aumento do caminho a ser percorrido pela trinca (GOMES, 2015). O índice de

cristalinidade obtido para as fibras de malva sem tratamento foi 82,64%. Este valor é

bastante expressivo e está de acordo com a literatura que afirma que a celulose

derivada de plantas é altamente cristalina e pode apresentar valores superiores a

80% (ROWELL et al., 1997).

Apesar de não ter sido possível aumentar a energia de impacto Charpy através

da variação da cristalinidade das fibras, isto não significa que outros ensaios

mecânicos (tração e flexão), bem como outras propriedades não possam ser

melhoradas pelo aumento da cristalinidade (MESQUITA, 2013). Outro detalhe

importante a mencionar refere-se a aplicabilidade direta da técnica de DRX para

verificação da variação da cristalinidade, através do método desenvolvido por Segal

(1959) e colaboradores. Esta técnica é amplamente utilizada nas pesquisas

envolvendo fibras naturais em compósitos de matriz polimérica (MARTIN, 2001;

MWAIKAMBO et al., 2002; FERREIRA, et al., 2003). As FIG. 4.29 e FIG. 4.30

mostram os difratogramas de fibras de malva não tratadas e fibras tratadas com os

parâmetros de CP4 (S/A), onde confirma-se a ampliação do Ic inicial de controle

(fibras não tratadas) de 82,64% para Ic = 84,49%.

TAB. 4.32 Índices de cristalinidade obtidos após combinações dos parâmetros: concentração de

NaOH, tempo de imersão e agitação da solução.

Parâmetros

de controle Tempo de imersão NaOH

Concentração

NaOH 3h 24h 48h

5% CP1 (S/A) – 82,24% CP4 (S/A) – 84,49% CP7 (S/A) – 82,04%

CP1 (C/A) – 81,43% CP4 (C/A) – 82,63% CP7 (C/A) – 83,14%

10% CP2 (S/A) – 78,67% CP5 (S/A) – 74,00% CP8 (S/A) – 79,33%

CP2 (C/A) – 77,56% CP5 (C/A) – 78,95% CP8 (C/A) – 75,00%

20% CP3 (S/A) – 75,71% CP6 (S/A) – 72,84% CP9 (S/A) – 73,43%

CP3 (C/A) – 69,75% CP6 (C/A) – 71,30% CP9 (C/A) – 69,12%

S/A – sem agitação

C/A – com agitação

*Ic inicial de controle (fibras não tratadas) – 82,64%

151

FIG. 4.29 Difratograma de fibras de malva não tratadas.

FIG. 4.30 Difratograma de fibras de malva tratadas com NaOH a 5%, por 24h e sem agitação -

CP4(S/A).

4.9 CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC)

A FIG. 4.31 mostra o comportamento dos seguintes grupos submetidos ao

ensaio DSC: fibras de malva, tecidos híbridos malva/juta (70%/30%), malva/juta

(50%/50%) e um tecido 100% juta. O objetivo foi identificar diferenças no

comportamento térmico das fibras em função dos percentuais distintos de malva e

juta. No entanto, a curva obtida mostra bastante semelhança entre os grupos

supramencionados, talvez pela origem e similaridade existente entre a malva e juta,

as quais são plantadas em sistema de consórcio em várzea alta e várzea baixa,

respectivamente, nos Estados do Amazonas e Pará (MARGEM, 2013). Na FIG. 4.32

é mostrado o comportamento térmico apenas da fibra de malva não tratada. Nota-se

um pico endotérmico em torno de 450C provavelmente associado ao início da perda

de umidade, apesar deste fenômeno ocorrer em temperaturas em torno de 750C

(MARTIN et al., 2009). Um pico exotérmico apresenta-se a 700C, talvez associado

ao início da degradação da hemicelulose, fato que também deve ser melhor

investigado em função dos resultados em dissonância com a literatura, que

menciona início da degradação em torno de 1590C (MONTEIRO et al., 2012). Por

152

fim é evidenciado um pico endotérmico em torno de 3700C provavelmente associado

a uma degradação da celulose.

FIG. 4.31 – Curva DSC para as fibras de malva, tecidos híbridos malva/juta nas proporções

70%/30%, 50%/50% e tecido 100% juta.

FIG. 4.32 – Curva DSC e DDSC para as fibras de malva não tratadas.

153

Também foram obtidos resultados da curva DSC para fibras de malva

mercerizadas com NaOH a 5% (FIG. 4.33). A curva mostra um aspecto mais regular

e conforme previsto pela literatura. Neste caso, provavelmente a mercerização tenha

promovido a limpeza de graxas e heterogeneidades que poderiam mascarar a

análise térmica. No gráfico da FIG. 4.33 percebe-se claramente um pico endotérmico

na temperatura em torno de 700C associado a perda de umidade da fibra. No

entanto, o pico exotérmico ainda ocorre a temperaturas em torno de 3700C, o que

mostra que o tratamento não influenciou na estabilidade térmica da fibra,

transformando celulose tipo I em celulose tipo II, a qual seria termodinamicamente

mais estável (MARTIN et al., 2009).

FIG. 4.33 - Curva DSC e DDSC para as fibras de malva tratadas com NaOH a 5% por 24h.

Também foram determinados os parâmetros cinéticos de cura para a resina

epóxi DGEBA-TETA, bem como para o compósito de epóxi reforçado com 20%v/v

de fibras de malva, conforme o previsto na ASTM E698. As FIG. 4.34 e FIG. 4.35

mostram os gráficos de temperatura (°C) x fluxo de calor (mW) para as taxas de 5,

7,5 e 10°C/min utilizados na determinação dos parâmetros cinéticos de cura para os

materiais supracitados.

154

FIG. 4.34 - Curvas DSC para resina epóxi DGEBA-TETA nas taxas de aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min

para determinação de parâmetros cinéticos de cura.

FIG. 4.35 - Curvas DSC para o compósito epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva nas

taxas de aquecimento 5, 7,5 e 10°C/min para determinação de parâmetros cinéticos de cura.

A TAB. 4.33 mostra os resultados obtidos para a energia de ativação “E”

(kJ/mol), fator pré-exponencial “Z” (min-1) e o tempo médio para alcançar 50% de

cura “t1/2” , segundo a norma ASTM E698, para o epóxi puro e o compósito reforçado

por fibras de malva, em temperaturas variando na faixa de 25ºC a 100ºC.

155

TAB. 4.33 Parâmetros cinéticos de cura para resina epóxi DGEBA-TETA e compósito de epóxi

reforçado com 20%v/v de fibras de malva.

Materiais

ensaiados

Energia

de

ativação

(kJ/mol)

Fator pré-

exponencial

"Z"

(1/min)*105

Temperaturas

(°C)

Taxa

constante

“k” (1/min)

Tempo

médio para

alcançar

50% de cura

"t1/2" (min)

Resina epóxi

DGEBA-TETA 58,971 1080

25 0,004997 138,68

50 0,031536 21,98

80 0,203849 3,4

100 0,598709 1,16

Compósito de

epóxi reforçado

com 20%v/v de

fibras de malva

44,536 8,036

25 0,012540 55,26

50 0,050412 13,75

80 0,206369 3,36

100 0,465602 1,49

Os resultados mostram que a medida que a temperatura cresce, em ambos os

casos, o tempo médio para alcançar 50% de cura é reduzido. Este resultado já era

esperado por se tratar de processos termicamente ativados, modelados pela

equação de Arrhenius (CALLISTER e RETHWISCH, 2012). No entanto,

comparativamente entre os materiais ensaiados, percebe-se que para as mesmas

temperaturas o compósito de epóxi reforçado com fibras de malva apresentou

redução no tempo médio para alcançar 50% de cura. Fato este que pode ser

justificado, já que as fibras funcionam como sítios nucleadores do processo de cura

do compósito (WELLEN, 2007). No entanto, conforme a ASTM E698 e alguns

autores que estudaram a cinética de cura de resinas poliméricas (COSTA et al.,

1997; COSTA et al., 1999; D’ALMEIDA e MONTEIRO, 1996), o processo é

modelado como um resfriamento homogêneo e o expoente da equação de Avrami

“n” foi considerado com valor unitário (AVRAMI, 1939). A EQ. 4.5 mostra a relação

completa de Avrami.

1 − 𝑋𝑡𝑟𝑎𝑛𝑓. = 𝑒−𝑘𝑡𝑛 EQ. 4.5

Sendo:

Xtransf. = Fração transformada;

k = taxa constante para cada temperatura (min-1);

156

t = tempo de transformação (cura) em minutos;

n = expoente de Avrami (n=1 para ASTM E698).

Com isso, foi monitorada a cura em tempo real através de DSC na temperatura

fixa de 25°C para a resina epóxi e para o compósito reforçado com fibras de malva,

com o objetivo de verificar qual o valor real do expoente da equação de Avrami. As

FIG. 4.36 e FIG. 4.37 mostram as curvas obtidas.

FIG. 4.36 – Curva isotérmica de DSC a 25°C para a resina epóxi DGEBA-TETA.

FIG. 4.37 – Curva isotérmica de DSC a 25°C para o compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de

fibras de malva.

157

As citadas figuras mostram um tempo real de cura a 25°C de 600 min para a

resina epóxi e 500 min para o compósito de epóxi reforçado com fibras de malva.

Com isso, recalculou-se o expoente “n” na EQ. 4.5 obtendo-se n=0,87 para resina

epóxi DGEBA-TETA e n=0,73 para o compósito de epóxi reforçado com fibras de

malva. A TAB. 4.34 mostra os valores de tempo médio para alcançar 50% de cura,

recalculados a partir dos novos expoentes de Avrami. Cabe ressaltar que para as

temperaturas mais elevadas (> 80°C) não houve diferença entre os valores de tempo

previstos pelas TAB. 4.33 e TAB. 4.34, provavelmente em função da cinética de

grande velocidade envolvida no processo de cura.

TAB. 4.34 Tempos médios de cura recalculados a partir dos expoentes de Avrami obtidos da

curva real a 25°C da resina epóxi e do compósito de epóxi reforçado com 20%v/v de fibras de malva.

Materiais

ensaiados

Coeficientes da

equação de

Avrami

(recalculados)

Temperaturas

(°C)

Taxa

constante

“k” (1/min)

Tempo médio

para alcançar

50% de cura

"t1/2" (min)

Resina epóxi

DGEBA-TETA 0,87

25 0,004997 289,79

50 0,031536 34,87

80 0,203849 4,08

100 0,598709 1,18

Compósito de

epóxi reforçado

com 20%v/v de

fibras de malva

0,73

25 0,012540 243,72

50 0,050412 36,24

80 0,206369 5,26

100 0,465602 1,72

158

4.10 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA)

Foram obtidas as curvas de TGA para a resina epóxi, fibras de malva não

tratadas e compósito epóxi reforçado com 30%v/v de fibras de malva. As FIG. 4.38,

FIG. 4.39 e FIG. 4.40 mostram as curvas obtidas respectivamente para cada

componente.

FIG. 4.38 – Curva TGA para a resina epóxi DGEBA-TETA.

Na FIG. 4.38 percebe-se a perda de massa quase desprezível (em torno de 2%

em peso) até aproximadamente 200°C. Normalmente esta perda está associada a

baixa umidade presente nas resinas poliméricas sintéticas, como é o caso da resina

epóxi DGEBA-TETA utilizada no estudo. O início da grande perda de massa ocorre

em 331,91°C (Tonset), e a máxima taxa em 357,16°C. Ambas estão associadas a

ruptura e degradação das cadeias poliméricas.

159

FIG. 4.39 – Curva TGA para as fibras de malva não tratadas.

Na FIG. 4.39 tem-se uma perda de massa em torno de 6%, o que é coerente

com a perda de umidade em torno de 700C. A grande degradação ocorre a partir de

2000C até em torno de 6000C, correspondendo a uma perda de massa em torno de

99%, associada provavelmente a processos como a quebra de grupos hidroxila,

desidratação e despolimerização da celulose (MARTIN et al., 2009). Em torno de

350°C inicia-se uma rampa de perda associada a componentes estruturais da fibra

de malva; a lignina, hemicelulose e a própria celulose, conforme descrito por

Monteiro e colaboradores (2012). Por fim, há um teor de 0,88% de cinzas,

remanescente a altas temperaturas em atmosfera de nitrogênio.

160

FIG. 4.40 – Curva TGA para o compósito epóxi reforçado com 30%v/v de fibras de malva.

Na FIG. 4.40 referente ao compósito percebe-se uma perda de massa inferior

comparativamente às fibras isoladas, na mesma temperatura (em torno de 70°C). A

temperatura de início de degradação (Tonset – 319,25°C) e as que representam a

máxima taxa de perda de massa para a resina epóxi e fibras de malva, também

apresentaram um leve aumento (393,62°C e 350,17°C, respectivamente). Esta

alteração pode ser devido ao aumento de estabilidade do compósito em relação a

resina epóxi ou as fibras de malva, quando analisados separadamente. O teor

remanescente de cinzas ficou em torno de 12,7%, provavelmente associado a

componentes que não foram degradados a altas temperaturas. No entanto, o início

da degradação continua na temperatura em torno de 200°C, portanto, sendo

considerada como a temperatura máxima de trabalho para o compósito. Este fato

também foi observado por outros autores em trabalhos anteriores de análise térmica

em compósitos reforçados por fibras naturais (MONTEIRO et al., 2012; MONTEIRO

et al., 2012b).

161

4.11 ANÁLISE DINÂMICO-MECÂNICA (DMA)

Foram realizadas análises dinâmico-mecânicas nos compósitos com 0%, 10%,

20% e 30%v/v de fibras de malva. Para cada uma das composições analisou-se as

curvas de módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e tan δ. As FIG.

4.41, FIG. 4.42, FIG. 4.43 e FIG. 4.44 mostram os resultados obtidos

respectivamente para cada percentual de fibras supracitado.

FIG. 4.41 Gráficos de DMA para o módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E’’) e tan δ para

amostra com 0%v/v de fibras de malva.

Apesar da literatura não possuir consenso sobre a partir de qual curva a

temperatura de transição vítrea (Tg) possa ser mais adequadamente determinada

nos gráficos de DMA (NETO, 2014), optou-se por utilizar a abordagem prevista na

ASTM E1640, a qual estabelece a Tg pelo maior pico evidenciado pela curva Tanδ.

Deste modo verifica-se pela FIG. 4.41 que a Tg para a resina epóxi pura ocorreu a

94,80°C. Outro ponto interessante seria o módulo de armazenamento, que consiste

na energia mecânica que o material pode armazenar na forma de energia elástica ou

potencial (CANDIDO, 2014). Para a temperatura de 25°C foi encontrado um valor

em torno de 1750 MPa, o qual possui a mesma ordem de grandeza do módulo de

elasticidade longitudinal tradicionalmente encontrado na literatura (CALLISTER e

RETHWISCH, 2012).

162



Na FIG. 4.42 para o compósito de epóxi reforçado com 10%v/v de fibras de

malva a Tg encontrada foi de 94,88°C. Este valor é praticamente o mesmo do

compósito 100% epóxi, o que pode significar que a fração volumétrica de 10% de

fibras não foi suficiente para modificar o ponto que caracteriza a principal transição

viscoelástica do compósito. No entanto, houve aumento no módulo de

armazenamento para 2500 MPa, o que revela o reforço proporcionado pelas fibras

de malva, mesmo em um percentual relativamente baixo. Da mesma forma que o

módulo de perda, que representa a rigidez viscosa do material (MOHANTY et al.,

2006) também foi ampliado em torno de 50 MPa no pico máximo da curva.

163



A FIG. 4.43 mostra o gráfico DMA para o compósito reforçado com 20%v/v de

fibras de malva. A Tg encontrada foi 96,42°C, ou seja, praticamente os mesmos

pontos encontrados para o compósito reforçado com 0% e 10%v/v de fibras de

malva. Por outro lado tanto o módulo de armazenamento, quanto o módulo de perda

tiveram seus valores máximos ampliados para 3750 MPa e 550 MPa

respectivamente. Isto revelou ter havido um ganho significativo em termos de

propriedades viscoelásticas a partir de 20%v/v de reforço de fibras. Fato semelhante

foi previsto por outros autores em análises térmicas similares (MARGEM, 2013;

CANDIDO, 2014).

164



A FIG. 4.44 mostra o gráfico DMA para o compósito reforçado com 30%v/v de

fibras de malva. A Tg encontrada foi 96,91°C, e conforme já discutido anteriormente,

no mesmo patamar que os demais compósitos. O módulo de armazenamento

alcançou cerca de 4300 MPa a temperatura de 25°C e o módulo de perda em torno

de 600 MPa no seu ponto máximo. O pico de relaxação (α), o qual é representado

pelo ponto máximo da curva do módulo de perda, variou entre 78°C e 85°C.

Segundo Mohanty et al. (2006), a relaxação estrutural, que acarreta esse pico, pode

ser atribuída à mobilidade das cadeias na fase cristalina do polímero da matriz

devido à reorientação de defeitos. Percebe-se que a faixa encontrada para os

compósitos reforçados com fibras de malva foi relativamente superior a encontrada,

por exemplo, por Candido (2014) para compósitos epoxídicos reforçados com

bagaço de cana-de-açúcar (60°C a 80°C). Este comportamento possivelmente pode

estar representando uma maior estabilidade térmica a temperaturas mais elevadas

para os compósitos reforçados com fibras de malva.

165

5 CONCLUSÕES

1) Todos os compósitos epóxi-malva puros ou híbridos, nas configurações

30%v/v em fibras ou tecido, testados como camada intermediária nos SBMs,

atenderam aos requisitos da norma internacional NIJ 0101.06 (2008);

2) Dentre os materiais testados, o compósito com tecido de malva apresentou

melhor desempenho balístico, com uma profundidade média de indentação de 21,41

mm. A aramida utilizada como camada comparativa alcançou uma profundidade

media de indentação de 22,67 mm. No entanto, pela análise de variância (ANOVA)

nos grupos testados como camada intermediária verificou-se, com nível de

confiança de 95%, a hipótese de não ter havido diferença significativa entre as

médias das indentações dos grupos da TAB. 4.3. Contudo, as camadas

intermediárias de epóxi reforçadas com tecido de malva ou híbrido malva/juta

(70%/30% ou 50%/50%) apresentaram maior integridade e coesão após ensaio

balístico com munição 7,62mm. Além disso, como vantagens adicionais, os SBMs

produzidos com compósito de epóxi-malva nas configurações fibras ou tecidos

apresentaram-se 4% mais leves e 30% mais baratos quando comparados com a

blindagem com tecido de aramida;

3) Pela análise por microscopia eletrônica de varredura das superfícies

fraturadas dos compósitos, verificou-se que a fibra de malva, nas configurações

fibras ou tecidos puros/híbridos contribuíram de maneira efetiva para aumentar a

resistência da matriz de epóxi através dos mecanismos de absorção de energia,

como a delaminação de camadas, descolamento e rompimento das fibras.

Observou-se, também, que para todos os materiais testados como camada

intermediaria houve a impregnação de pequenas partículas cerâmicas nas fibras ou

tecidos, indicando que todos esses materiais contribuíram para a dissipação de

energia através da captura dos fragmentos por forças de Van der Waals e/ou

eletrostáticas gerados pelo impacto do projétil (MONTEIRO et al., 2014);

4) Pelas medidas da velocidade residual, constatou-se que nenhum material,

quando aplicado individualmente nas dimensões utilizadas nos ensaios, mostrou-se

eficiente para utilização como blindagem nível III, contra munições de calibre 7,62 x

51 mm. No entanto, percebeu-se claramente o efeito sinergético dos componentes

de um SBMs (MILANEZI, 2015), pois individualmente as camadas: cerâmica,

166

compósito e alumínio, não chegam a absorver 85% da energia do projétil. Contudo,

as mesmas camadas unidas por fina camada de poliuretano, propiciaram além da

não perfuração da blindagem, a absorção de energia de impacto suficiente para

satisfazer o requisito de profundidade máxima de 44 mm, nos ensaios sobre a

plastilina, previstos pela NIJ 0101.06.

5) Os valores da velocidade limite (VL) e energia absorvida (Eabs), para os

compósitos de matriz epoxídica reforçados com tecido ou fibras 100% malva ou

tecidos híbridos malva/juta (70/30 e 50/50) apresentaram valores superiores àqueles

encontrados por outros autores para a aramida (BRAGA, 2015), epóxi-tecido de juta

(LUZ, 2014), poliéster-tecido de juta (ASSIS, 2016), epóxi reforçado com fibras ou

tecido de sisal (DE ARAÚJO, 2015), epóxi ou poliéster reforçados com fibras de

curauá (DA SILVA, 2015; BRAGA, 2015), em torno de 225 m/s e 250 J,

respectivamente. Em todos os casos analisados por este trabalho, os parâmetros

obtidos para o ensaio de velocidade residual, foram superiores aqueles encontrados

para o tecido de aramida (212 m/s e 221 J), o que mostra a viabilidade das

fibras/tecido de malva para utilização em aplicações balísticas.

6) Os compósitos epóxi-fibras ou tecido de malva, bem como os compósitos

híbridos epóxi-malva/juta (70/30 e 50/50) apresentaram valores de impedância de

choque bem próximos e mais baixos que a aramida (3,96 x 106, 3,62 x 106 e 3,47 x

106 kg/m²s respectivamente e 4,19 x 106 kg/m²s para aramida).

7) A técnica de picnometria gasosa mostrou o grande potencial que as fibras de

malva possuem para reforçar materiais poliméricos, em função do alto teor de

celulose e da porosidade aberta em torno de 85% e 11% respectivamente. Tais

fatores são determinantes para a produção de compósitos para aplicações

industriais e de engenharia.

8) Os ensaios de impacto Charpy e Izod revelaram que a energia de impacto

cresceu com a fração volumétrica de fibras de malva. O valor máximo alcançado

para a energia Charpy foi de 905,49 J/m e para energia Izod de 498,86 J/m, ambos

para um percentual de reforço de 30%v/v de fibras.

9) O tratamento de mercerização com NaOH a 5%, por 24h de imersão e sem

agitação aumentou a cristalinidade das fibras de malva de 82,24% para 84,49%

(CP4) conforme medido por difração de raios X. No entanto, o aumento da

cristalinidade não aumentou a energia de impacto Charpy dos compósitos fabricados

167

com fibras mercerizadas. O valor de energia de impacto Charpy encontrado foi de

161,44 J.

10) A resistência a tração dos corpos de prova reforçados com 0% a 20%v/v de

fibras de malva e produzidos a partir de moldes de silicone foi bem semelhante

aquela dos corpos de prova confeccionados a partir de placas compósitas cortadas

a laser. Para os CPs reforçados com 30%v/v, o grupo fabricado a partir de moldes

de silicone apresentou resultados ligeiramente superiores aquele fabricado a partir

de placas compósitas (177,49 MPa e 130,70 MPa respectivamente).

11) O módulo de elasticidade longitudinal, calculado pela técnica de excitação por

impulso, aumentou linearmente com a ampliação dos percentuais volumétricos de

reforço de 0%, 10%, 20% e 30%. As outras propriedades elásticas (G e ʋ) apesar de

evidenciadas no trabalho podem fornecer valores incorretos, em função da

anisotropia natural destes compósitos reforçados por fibras contínuas e alinhadas

(MORREL, 2006).

12) Nos ensaios de resistência à flexão tanto a resistência quanto o módulo de

elasticidade aumentaram com o percentual de reforço de fibras de malva. Os valores

máximos encontrados foram de 191,27 MPa e 10,9 GPa respectivamente.

13) Os gráficos de DSC mostraram similaridade de comportamento térmico entre

as fibras de malva e juta não tratadas, talvez associada a mesma origem das plantas

(MARGEM, 2013). Foi evidenciado evento endotérmico a 70°C provavelmente

associado a perda de umidade das fibras e um pico exotérmico a temperaturas em

torno de 3700C, provavelmente associado a degradação da celulose (MONTEIRO et

al., 2012). As fibras de malva tratadas com NaOH a 5% mostraram uma linha base

da curva DSC mais regular e a mercerização provavelmente promoveu a limpeza de

graxas e heterogeneidades que poderiam mascarar a análise térmica. No entanto,

não houve variação da estabilidade térmica dos componentes da fibra, pois o pico

exotérmico associado a degradação permaneceu ocorrendo a 370°C, como nas

fibras não tratadas.

14) O estudo da cinética de cura da resina epóxi e do compósito reforçado com

20%v/v de fibras de malva com base na ASTM E698 determinou as energias de

ativação (58,971 kJ/mol e 44,536 kJ/mol), os fatores pré-exponenciais “Z” (1,08x108

min-1 e 8,04x105 min-1) e os tempos para alcançar 50% da reação de cura (t1/2) nas

temperaturas de 25°C a 100°C. Para a temperatura de 25°C foram encontrados t1/2

168

de 138,68 e 55,26 min. No entanto, como a ASTM E698 considera a constante “n”

da equação de Avrami igual a unidade, foram obtidas curvas de cura isotérmicas a

25°C e obtidos os tempos reais de cura. Com isso, os valores de “n” foram

recalculados para n=0,87 e n=0,73 para a resina epóxi e para os compósitos

reforçados com 20%v/v de fibras de malva. Os tempos finais (t1/2) a 25°C obtidos

com os novos valores de “n” foram 289,79 e 243,72 min respectivamente.

15) Análises por TGA e DTG verificaram para as fibras de malva uma perda de

massa em torno de 6%, o que é coerente com a perda de umidade em torno de

700C. A grande degradação ocorreu a partir de 2000C até em torno de 6000C, com

uma perda de massa em torno de 99%, associada provavelmente a processos como

a quebra de grupos hidroxila, desidratação e despolimerização da celulose (MARTIN

et al., 2009). Em torno de 350°C inicia-se uma rampa de perda associada a

componentes estruturais da fibra de malva; a lignina, hemicelulose e a própria

celulose, conforme descrito por Monteiro e colaboradores (2012). Por fim, há um teor

de 0,88% de cinzas, remanescente a altas temperaturas em atmosfera de nitrogênio.

Em relação ao compósito reforçado com fibras de malva percebe-se uma perda de

massa inferior comparativamente às fibras isoladas, na mesma temperatura (em

torno de 70°C). A temperatura de início de degradação (Tonset – 319,25°C) e as que

representam a máxima taxa de perda de massa para a resina epóxi e fibras de

malva, também apresentaram um leve aumento (393,62°C e 350,17°C,

respectivamente). O que pode ser visto como um aumento de estabilidade do

compósito em relação a resina epóxi ou as fibras de malva, quando analisados

separadamente. O teor remanescente de cinzas foi em torno de 12,7%,

provavelmente associado a componentes que não foram degradados a altas

temperaturas. No entanto, o início da degradação continua em torno de 200°C, o

que deve ser considerada como a temperatura máxima de trabalho para o

compósito. Fato que também foi observado por outros autores em trabalhos de

análise térmica em compósitos reforçados por fibras naturais (MONTEIRO et al.,

2012; MONTEIRO et al., 2012b).

16) A partir das curvas de DMA foi possível calcular as temperaturas de transição

vítrea (Tg) para os compósitos reforçados com 0%, 10%, 20% e 30%v/v de fibras

pelo método da ASTM 1640, tendo sido encontrados valores próximos a 95°C. Os

módulos de armazenamento e perda também cresceram com o percentual de

169

reforço. O módulo de armazenamento alcançou cerca de 4300 MPa na temperatura

de 25°C e o módulo de perda estabeleceu-se em torno de 600 MPa no seu ponto

máximo. O pico de relaxação (α), representado pelo ponto máximo da curva do

módulo de perda, variou entre 78°C e 85°C. Percebeu-se que a faixa encontrada

para os compósitos reforçados com fibras de malva foi relativamente superior a

encontrada, por exemplo, por Candido (2014) para compósitos epoxídicos

reforçados com bagaço de cana-de-açúcar (60°C a 80°C). Este fato possivelmente

pode representar maior estabilidade térmica a temperaturas mais elevadas para os

compósitos reforçados com fibras de malva.

170

6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Investigar outras frações de fibras de malva no compósito (40%, 50% e 60%),

e definir a porcentagem máxima segura, acima da qual se observa aumento do

trauma e/ou perda da coesão do compósito após o impacto balístico do SBMs;

Desenvolver protótipo otimizado de colete balístico utilizando CFNLs,

analisando as espessuras do SBMs conforme a energia absorvida individualmente

por cada componente;

Testar os compósitos reforçados com fibras de malva para proteção balística

de outros níveis, como o III A.

Avaliar e comparar o desempenho balístico do compósito polimérico reforçado

com 30%v/v de tecido e fibras de malva utilizando outro tipo de matriz, como por

exemplo, poliéster.

Investigar novos tratamentos químicos para as fibras de malva, que

possibilitem maior compatibilidade com a matriz hidrofóbica, por exemplo, a

utilização de agentes de acoplamento e a copolimerização por enxerto.

Utilizar as fibras de malva mercerizadas em outros ensaios mecânicos como

tração, por exemplo, e verificar a relação do aumento da cristalinidade com a

melhoria de propriedades como a resistência a tração e o módulo de elasticidade.

171

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AGOPYAN, V.; SAVASTANO Jr., H. Uso de materiais alternativos à base de fibras vegetais na construção civil: experiência brasileira. In: Seminário

Iberoamericano, 1997. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. D 6110 – Standard Test

Method for Determining the Charpy Impact Resistance of Notched Specimens of Plastics. Pennsylvania: ASTM, 1997.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. D 256 – Standard Test Method

for Determining the Izod Pendulum Impact Resistance of Plastics.

Pennsylvania: ASTM, 2006. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS, D 790 – Standard Test Method

for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating. ASTM, Pennsylvania: 2007.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. D 638 – Standard Test Method

for Tensile Properties of Plastics. Pennsylvania: ASTM, 2008.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. D 4065 – Standard Practice

for Plastics: Dynamic Mechanical Properties: Determination and Report of Procedures. Pennsylvania: ASTM, 2012.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. D 4892 – Standard Test

Method for Density of Solid Pitch (Helium Pycnometer Method). Pennsylvania: ASTM, 2014.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. D 5550 – Standard Test

Method for Specific Gravity of Soil Solids by Gas Pycnometer. Pennsylvania: ASTM, 2015.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. E 698 – Standard Test Method

for Kinetic Parameters for Thermally Unstable Materials Using Differential Scanning Calorimetry and the Flynn/Wall/Ozawa Method. Pennsylvania:

ASTM, 2016. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. E 1640 – Standard Test

Method for Assignment of the Glass Transition Temperature By Dynamic Mechanical Analysis. Pennsylvania: ASTM, 2013.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. E 1876 – Standard Test

Method for Dynamic Young’s Modulus, Shear Modulus, and Poisson’s Ratio by Impulse Excitation of Vibration. Pennsylvania: ASTM, 2016.

ANDERSON, T.L. Fracture mechanics – Fundamentals and Applications. 2nd. ed.

New York: CRC Press, 1995.

172

ASKELAND, D.R.; PHULÉ, P.P. Ciência e Engenharia dos Materiais, CENGAGE

Learning, 2008. ASSIS, F.S. Comportamento Balístico de Blindagem Multicamadas com

Compósitos de Poliéster Reforçados com Fibras de Juta. Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais no Instituto Militar de Engenharia. 2016.

AVRAMI, M. Kinetics of Phase Change. I. General Theory. Journal of Chemical

Physics. Vol. 7 (12), p.p 1103–1112, 1939. BISANDA, E.T.N.; ANSELL, M.P. Properties of Sisal-CNSL Composites. J. Mater.

Sci., Vol. 27(6), p.p.1690-1700, 1992. BLEDZKI, A.K.; GASSAN, J. Composites Reinforced with Cellulose Based

Fibres. Progress in Polymer Science, Vol. 4, 221-274, 1999.

BOLZAN, L.T. Avaliação do Comportamento Balístico de um Sistema de

Blindagem Multicamadas com Compósito de Poliéster Reforçado com Fibra e Tecido de Sisal. Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação

em Ciência dos Materiais no Instituto Militar de Engenharia. 2016. BORVIK, T.; LANGSETH, M.; HOPPERSTAD, O.S.; MALO, K.A. Ballistic

penetration of steel plates. International Journal of Impact Engineering, Vol. 22,

885 – 886, 1999. BRAGA, F.O. Comportamento Balístico de uma Blindagem Multicamada

utilizando Compósito Poliéster-Curauá como Camada Intermediária.

Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais no Instituto Militar de Engenharia. 2015.

BROWN, A.S. High Perform. Compos., Vol. March, pp. 23-6, 2003. CALLISTER, W.D.; RETHWISH, D.G. Materials Science and Engineering – An

Introduction. 8th edition, John Wiley & Sons, New York, NY, 2012. CANDIDO, V.S. Caracterização e propriedades de compósitos poliméricos

reforçados com fibras de bagaço de cana-de-açucar. Tese (Doutorado em

Ciências dos Materiais), Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2014. CGEE – Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, através de sua publicação

Materiais Avançados 2010-2022, Brasília-DF, 2010.

CHAGAS, C.F.M. Minimização do Efeito de Aresta em Blindagem Cerâmica à

Base de Alumina. Tese (Doutorado em Ciências dos Materiais), Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2014.

173

CHAND, N.; HASHMI, S.A.R. Mechanical properties of sisal fiber at elevated temperatures. J. Mat. Sci., Vol. 28, p.p. 6724-6728, 1993.

CHOU, S.C.; De LUCA, E.; PRIFTI, J.; BETHENEY, W. Ballistic impact damage of

S2-glass- reinforced plastic structural armor. Composites Science and

Technology, 1998. COSTA, M.L.; REZENDE, M.C.; PARDINI, L.C. “Cinética de cura de resinas epóxi

no processamento de compósitos estruturais”, in: Anais do 4o Congresso

Brasileiro de Polímeros, Salvador – BA, set/out, 1997. COSTA, M.L.; REZENDE, M.C.; PARDINI, L.C. Métodos de estudo da cinética de

cura de resinas epóxi. Polímeros, vol.9, n°2, p.p 37-44, 1999.

DA CRUZ, R.B. Avaliação do Comportamento Balístico de Blindagem

Multicamada com Compósitos de Epóxi Reforçados com Fibras de Bambu. Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais no Instituto Militar de Engenharia. 2015.

D’ALMEIDA, J.R.M.; MONTEIRO, S.N. The Effect of the Resin/Hardener Ratio on

the Compressive Behavior of an Epoxy System. Polymer testing, vol.15, p.p

329-339, 1996. DA SILVA, M.V.; STAINER, D.; AL-QURESHI, H.A.; HOTZA, D. Blindagens

Cerâmicas para Aplicações Balísticas: Uma Revisão. Cerâmica, Vol. 60, p.

323-331. 2014. DE ARAÚJO, B.M. Avaliação do Comportamento Balístico de Blindagem

Multicamada com Compósito de Epóxi Reforçado com Fibra de Sisal.

Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais no Instituto Militar de Engenharia. 2015.

FARUK, O.; BLEDZKI, A.K.; FINK, H.-P.; SAIN, M. Biocomposites reinforced with

natural fibers: 2000–2010. Progress in Polymer Science, Vol. 37, pp.1552– 1596, 2012.

FERREIRA, F.C.; CURVELO, A.A.S.; MATTOSO, L.H.C. Preparation and

characterization of benzylated sisal fibers. J. Appl. Polym. Sci., Vol. 89, p.p. 2957-2965, 2003.

GOMES, A.V. Comportamento balístico da alumina com adição de nióbia e

variação da geometria do alvo. Tese (Doutorado em Ciências dos Materiais). Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2004.

GOMES, M.A. Propriedades mecânicas de compósitos poliméricos reforçados

com fibras de folhas de abacaxizeiro (PALF)./ Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais). Universidade Estadual do Norte Fluminense, Rio de Janeiro, 2015.

174

GREENBERG, A.R.; MEHLING, A.; LEE, M.; BOCK, J.H. Tensile behavior of grass. J. Mater. Sci., Vol. 24(7), p.p. 2549-2554, 1989.

HOSUR, M.V.; VAIDYA, U.K.; ULVEN, C.; JEELANI, S. Performance of

stitched/unstitched woven carbon/epoxy composites under high velocity impact loading. Composite Structures, v.64, pp.455–466, 2004.

JOHN, M.J.; THOMAS, S. Biofibers and Biocomposites. Carbohydrate Polymers,

Vol. 71, p.p. 343-364, 2008. KALIA, S.; KAITH, B.S.; KAURS, I. Editors. Cellulose Fibers: Bio and Nano-

Polymer Composites. 1st Ed., Springer, New York, EUA, 2011. KLEISER, G.J.; CHHABILDAS, L.C.; REINHART, W.D. Comparison of Dynamic

Compression Behavior of Single Crystal Sapphire to Polycrystalline Alumina. International Journal of Impact Engineering, Vol. 38, p.p. 473-479. 2011.

KU, H., WANG, H., PATTARACHAYAKOOP, N., TRADA, M. A review on tensile

properties of natural fiber reinforced polymer composites. Compos, Part B 42, p.p. 856-873. 2011

LEÃO, A.L.; FOLLINI, E. Lignocellulose-Plastics Composites, plastic composite.

USP & UNESP (1997). LEE, Y.S.; WETZEL, E.D.; WAGNER, N.J. The Ballistic Impact Characteristic of

Kevlar Woven Fabrics Impregnated with a Colloidal Shear Thickening Fluid.

Journal of Materials Science, Vol.38, pp. 2825–33, 2003. LOURO, L.H.L.; GOMES, A. V.; COSTA, C. R. C. Dynamic fragmentation of

alumina with additions of niobia and silica under impact. 19th International

symposium of ballistics. Interlaken, Switzerland: s.n., 2001. LUZ, F.S. Avaliação do Comportamento Balístico de Blindagem Multicamada

dom Compósito de Epóxi Reforçado com Fibra de Juta. Dissertação de

Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais no Instituto Militar de Engenharia. 2014.

LUZ, F.S.; LIMA Jr., E.P.; LOURO, L.H.L.; MONTEIRO, S.N. Ballistic test of

multilayered armor with intermediate epoxy composite reinforced with jute fabric. Mater. Res., Vol. 18, p.p. 170-177, 2015.

MARGEM, J.I. Estudo das características estruturais e propriedades de

compósitos poliméricos reforçados com fibras de malva. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais). Universidade Estadual do Norte Fluminense, Rio de Janeiro, 2013.

175

MARTIN, A.R. Caracterização e modificação de fibras de sisal por plasma a frio visando aplicação em compósitos poliméricos. Tese de Doutorado, Universidade Federal de São Carlos, 2001.

MARTIN, A.R.; MARTINS, M.A.; MATTOSO, L.H.C.; SILVA, O.R.R.F.

Caracterização química e estrutural de fibra de sisal da variedade agave sisalana. Polímeros: Ciência e Tecnologia, Vol. 19, n01, p.p. 40-46, 2009.

MESQUITA, R.G.A. Inclusão de materiais lignocelulósicos na produção de

compósitos plásticos. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Madeira) - Universidade Federal de Lavras, 2013.

MEDVEDOVSKI, E. Ballistic Performance of Armour Ceramics: Influence of

Design and Structure-Part 1. Ceramics International, Vol. 36, 2103–2115, 2010.

MEYERS, M.A. Dynamic behavior of materials. John Wiley & Sons, New York,

1994. MILANEZI, T.L. Avaliação do Comportamento Balístico Sinérgico de Blindagem

Multicamadas com a Fibra de Rami. Dissertação de Mestrado do Curso de

Pós-Graduação em Ciência dos Materiais no Instituto Militar de Engenharia. 2015.

MOHANTY, A.K.; MISRA, M.; HINRICHSEN, G. Biofibres, Biodegradable

Polymers and Bio-composites: An Overview. Macromolecular Materials and Engineering, Vol. 276/277, 1–24, 2000.

MOHANTY, S.; VERMA, S.K.; NAYAK, S.K. Dynamic mechanical and thermal

properties of MAPE treated jute/HDPE composites. Compos. Sci. Technol. v.66, p. 538-547, 2006.

MONTEIRO, S.N.; LOPES, F.P.D.; FERREIRA, A.S.; NASCIMENTO, D.C.O. Natural-

Fiber Polymer-Matrix Composites: cheaper, tougher, and environmentally friendly – An overview. JOM – A Publication of The Minerals, Metals &

Materials Society; Vol. 61, nº1, pp.17-22, 2009. MONTEIRO, S.N.; LOPES, F.P.D.; BARBOSA, A.P.B.; BEVITORI, A.B.; DA SILVA,

I.L.A.; DA COSTA, L.L. Natural Lignocellulosic Fibers as Engineering Materials - An Overview. METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A. Vol. 42A, pp.2963-2974, 2011.

MONTEIRO, S.N.; CALADO, V.; RODRIGUEZ, R.J.S.; MARGEM, F.M.

Thermogravimetric behavior of natural fibers reinforced polymer composites - An overview. Materials Science & Engineering A. Vol. 557, pp.

17-28, 2012.

176

MONTEIRO, S.N.; CALADO, V.; RODRIGUEZ, R.J.S.; MARGEM, F.M. Thermogravimetric Stability of Polymer Composites Reinforced with Less Common Lignocellulosic Fibers – An Overview. Journal of Materials

Research and Technology; 1(2): pp.117-126, 2012b. MONTEIRO, S.N.; LIMA JR., E.P.; LOURO, L.H.L.; DA SILVA, L.C.; DRELICH, J.W.

Unlocking Function of Aramid Fibers in Multilayered Ballistic Armor.

Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 46A, p. 37-40. 2014. MONTEIRO, S.N.; LOURO, L.H.L.; TRINDADE, W.; ELIAS, C.N.; FERREIRA, C.L.;

LIMA, E.S.; WEBER, R.P.; SUAREZ, J.M.; FIGUEIREDO, A.B.S.; PINHEIRO, W.A.; DA SILVA, L.C.; LIMA JR., E.P. Natural curaua fiber-reinforced composites in multilayered ballistic armor. Metal. Mater. Trans. A., Vol. 46,

p.p. 4567-4577, 2015. MONTEIRO, S.N.; MILANEZI, T.L.; LOURO, L.H.L.; LIMA Jr., E.P.; BRAGA, F.O.;

GOMES, A.V.; DRELICH, J.W. Novel ballistic ramie fabric composite competing with Kevlar™ fabric in multilayered armor. Mater. Desig. , Vol. 96, pp.263-269, 2016.

MONTEIRO, S.N.; BRAGA, F.O.; LIMA Jr., E.P.; LOURO, L.H.L.; DRELICH, J.W.

Promising curaua fiber-reinforced polyester composite. Polym. Eng. Sci., doi:10.1002/pen.24471, 2016b.

MORAES, Y.M., RIBEIRO, C.G.Q., MARGEM, F.M., MONTEIRO, S.N., MARGEM, J.I. Tensile strength tests in epoxy composites with high incorporation of mallow (malva) fibers. Characterization of Minerals, Metals and Materials 2016. Hoboken, USA: John Wiley & Sons; p.p. 273-278. 2016.

MORREL, R. NPL Measurement Good Practice Guide - Elastic Module

Measurement. UK National Physical Laboratory Report, n. 98, 100 p., 2006. MORYE, S.S.; HINE, P.J.; DUCKETT, R.A.; CARR, D.J.; WARD, I.M. Modelling of

the energy absorption by polymer composites upon ballistic impact.

Compos Sci Technol, vol. 60, pp. 2631-42, 2000. MWAIKAMBO, L.Y.; ANSELL, M. P. The determination of porosity and cellulose

content of plant fibers by density methods. Journal of Materials Science

Letters. Vol. 20(2), p.p. 2095-2096, 2001. MWAIKAMBO, L.Y.; ANSELL, M. P. Chemical modification of hemp, sisal, jute,

and kapok fibers by alkalization. J. Appl. Polym. Sci. Vol. 84(12), p.p. 2222-

2234, 2002. NETO, S.C. DMA – O que é preciso saber antes de sua utilização (parte III).

Brazilian Journal of Thermal Analysis. Vol. 3, n°1 e 2, p.p. 26E-29E, 2014. N.I.J. STANDARD 0101.06. Ballistic Resistance of Personal Body Armor. U.S.

Department of Justice/Office of Justice Programs - National Institute of Justice, 2008.

177

OLIVEIRA, J.T.S. Caracterização da madeira de eucalipto para a construção

civil. 1998. 429f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo, São Paulo, 1998. REED, J.S. Principles of ceramic processing. s.l. : John Wiley and Sons, 1995. RODRIGUES, M.R.A. Estudo da reação de cura da resina epóxi (araldit F) com

anidrido ftálico e trietilamina como iniciador. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Química). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 1991. ROHEN, L.A.; MARGEM, F.M.; MONTEIRO, S.N.; VIEIRA, C.M.F.; ARAUJO, B.M.;

LIMA, E.S. Ballistic efficiency of an individual epoxy composite reinforced with sisal fibers in multilayered armor. Mater. Res., Vol. 18, p.p. 55-62, 2015.

ROWELL, R. M.; YOUNG, R. A.; ROWELL, J. K. - “Paper and Composites from

Agro-Based Resources”, Lewis Publishers, New York (1997).

ROWELL, R. M.; HAN, J. S.; ROWELL, J. S. “Natural Polymers and Agrofibers

Based Composites”, Frollini, E.; Leão, A.; Mattoso, L. H. C. (eds), IQSC/Embra-pa Instrumentação Agropecuária/UNESP, São Carlos (2000).

SAHED, D.; JOG J.P. Natural Fiber Polymer composites a review. Advances in

Polymer Technology. Vol. 18(4), p.p. 351-363, 1999. SATYANARAYANA, K.G.; GUIMARÃES, J.L.; WYPYCH, F. Studies on

lignocellulosic fibers of Brazil. Part I: Source, production, morphology, properties and applications. Composites: Part A, Vol. 38, p.p. 1694-1709, 2007.

SAVASTANO, Jr.; LUZ, P. H. C.; NOLASCO, A. M.; Seleção de Resíduos de

alguns tipos de fibras vegetal, para reforço de componentes de construção. In: Encontro Nacional Sobre Edificações e Comunidades

Sustentáveis, 1. Canela, nov Anais. Porto Alegre, Antac, 1997, P107-12. SAVASTANO Jr., H. Materiais a base de cimento reforçados com fibra vegetal:

reciclagem de resíduos para a construção de baixo custo. Tese de livre-

docência, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. São Paulo, 2000. SEGAL, L.; CREELY, J.; MARTIN JR., A. E; CONRAD, C. M. An empirical method

for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile Research Journal, Vol.29, p.p.786–794, 1959.

SHIHONG, L. ; BENLIAN, Z. ; QIYUN, Z. ; XIANRONG, B. ; A new kind of super-

hybrid composite material for civil use - ramie fibre/Al. Composites, Vol.

25(3), p.p. 225-228, 1994.

178

SILVA, L.C. Comportamento balistico do composito epoxi-curaua em blindagem multicamada. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais). Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2014.

SMITH, D., 1996. Characterization of Lactose by Helium Pycnometer. In

Stephens, K. (ed.), The Microreport: News and Ideas for Decision Makers, 2nd

Quarter, 7(2) Micro-meritics Instrument Corporation, USA. TRINDADE, W. Influência da geometria e da microestrutura no comportamento

dinâmico da alumina aditivada com nióbia. Tese (Doutorado em Ciência dos

Materiais). Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2012. TRINDADE, W.; GOMES. A. V.; LOURO, L.H.L. Elaboração de uma Nova Rota de

Eliminação de Ligante da Cerâmica De Alumina. Revista Militar de Ciência &

Tecnologia / 4º Trimestre, pp. 71-79, 2013. WANG, L.; KANESALINGAM, S.; NAYAK, R.; PADHYE, R. Recent trends in

Ballistic Protection. Textiles and Light Industrial Science and Technology (TLIST), Vol. 3. p. 37-47. 2014.

WEBB, P.A., ORR, C., 1997. Analytical Methods in Fine Particle Technology.

Micromeritics Instrument Corporation, USA, 301 pp. WELLEN, R.M.R. Cristalização a frio do PET e das blendas PET/OS e PET/SAN.

Tese (Doutorado em Engenharia de Processos). Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, 2007.

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