Propriedades de materiais comp sitos - Interface entre ... · Corresponde à região da microestrutura de um compósito onde se efetua a transição entre os meios distintos que são

Propriedades de materiais Propriedades de materiais Propriedades de materiais Propriedades de materiais

compósitos: Interface entre fasescompósitos: Interface entre fasescompósitos: Interface entre fasescompósitos: Interface entre fases

Prof. Otávio Bianchi

[email protected]

Natureza de superfícies sólidas (características gerais):

Além de irregularidades, uma superfície sólida consiste de várias zonas com propriedades físico-químicas peculiares a do volume do material

Rugosidades com alturas que excedem distâncias da ordem do espaçamento

atômico

Camada de adsorção

Camada de deformação

Camada reativa

Camada gerada por desgaste

Em um compósito: A carga aplicada à matriz tem que ser transferida ao reforço via interface

Se a interface é forte ↑E, ↑TS, ↓Resistência à fratura (material frágil) – A tensão máxima que pode ser

transferida é igual ao ponto de escoamento em cisalhamento da matriz (τm) ou igual à resistência ao

cisalhamento da matriz (matriz frágil).

Se a interface é fraca ↓E, ↓TS, ↑Resistência à fratura – A tensão máxima transmitida da matriz para a

fibra na interface será menor que τm e igual à resistência da adesão.

Interface em compósitos:

Corresponde à região da microestrutura de um compósito onde se efetua a transição entre os meios distintos que são a matriz e o reforço:

Alinhamento simples de ligações entre átomos de ambos os constituintes

Camada de espessura finita formada pelos produtos de uma reação entre a matriz e o reforço (ou um revestimento deste)

Requisitos de uma interface ideal:

Molhabilidade perfeita entre matriz e reforço;

Estabilidade térmica;

Extensão simplificada de uma eventual zona de reação;

Coeficientes de dilatação térmica da matriz e do reforço devem ser próximos.

Em materiais compósitos o volume, a distribuição uniforme e a molhabilidade do

reforço pela matriz são requisitos importantes para o controle das propriedades mecânicas destes materiais.

A boa adesão interfacial aumenta a eficiência da transferência de tensão ou deformação entre a matriz e o reforço, aumentando o desempenho mecânico do compósito, adequando a rigidez, ductilidade, resistência mecânica, ...

Caso não haja uma boa interação:

material sujeito a falhas catastróficas.

ex.: propagação de trincas em maior escala

Fato influencia na escolha das fases reforço/matriz

A natureza da adesão em compósitos está relacionada a:

Presença de grupos funcionais superficiais do reforço produzida por algum tratamento superficial.

Morfologia do reforço (orientação, arranjo atômico, cristalinidade propriedades químicas...)

Conformação molecular e constituição química da matriz.

Difusividade dos elementos de cada constituinte.

Arranjo geométrico do reforço.

Relação direta com energia livre superficial ou “tensão superficial” dos materiais.

As moléculas da superfície de sólidos ou líquidos estão mais suscetíveis a interação que as moléculas do interior destes.

Cada sistema reforço/matriz vai possuir uma característica interfacial específica e esta interação superficial é usada para caracterizar o composto.

Ângulo de contato

Força de adesão

Energia livre de superfície

Mecanismos de adesão:

Interdifusão

- para haver adesão, a solubilidade dos materiais devem ser próximos.

formação de entrelaçamento eligações secundárias entre asmoléculas da superfície.

polaridade, peso molecular, ramificações e temperatura

é função

Ex. ligação entre superfícies políméricas

Tamanho da região de transição

Ligação química

Atração eletrostática

- adesão inicialmente por forças de eletrostáticas

difusão entre as fases ocorre sob ação da temperatura e tempo.

- forma de adesão mais eficiente, dada por agentes de acoplamento agindo como ponte entre reforço/matriz

grupos polares presentes em cadeias

n ligações químicas

ρ

Sinterização reativa

Adesão mecânica

- adesão em compósitos MMC por técnicas de infiltração por metal fundido envolvendo interdifusão.

vai depender do par reforço/compósito

- não há ligações químicas entre reforço/matriz. Junção ocorre pela penetração por adesivo em poros, fissuras e rugosidades.

após evaporação do solvente, ou da reação, há um aumento na adesão.

Adsorção e molhamento

- molhamento eficiente remove o ar e recobre toda a superfície do reforço pela matriz.

vai depender das tensões superficiais (energia) dos componentes.

Razão área superficial / volume de uma partícula cilíndrica em função da razão de aspecto

partícula deformato esférico

( l/d )

A utilidade da fase reforço neste caso depende da resistência da ligação interfacial entre o reforço e a matriz.

PMC reforçado com fibra de vidro

Exemplo:

Fraca aderência entre as fibras e a matriz

Boa aderência entre fibras e matriz

Fibras modificadas quimicamente

fibras tanto na forma contínua quanto picotadas

fibras isotrópicas possuindo mesmo módulo elástico tanto axial quanto transversal

após a fiação as fibras são recobertas por uma solução aquosa decompostos geralmente orgânicos (encimagem).

- material lubrificante (tecelagem)

- agentes ligantes (melhorar adesão com a matriz). Ex. organossilanos

Y-(CH2)-Si-(X)3

grupos de afinidade

orgânica inorgânica

aminaepóxi

estireno

metóxietóxi

glicidoxipropiltrimetoxisilano

3-amino-propil-trimetóxi-silano

Deposição hidrolítica de silanos

RSi(OMe)3

3H2O

3MeOH

RSi(OH)3

Hidrólise

2RSi(OH)3

2H2O

Condensação

HORSi O

OH

RSi O

RSi

OH OH

OH

+

OH OH OH

Substrato

HORSi O

O

RSi O

RSi

O O

OH

O O O

H H H H H H

2H2O

Ligação de hidrogênio

OHRSi O

RSi O

RSi OH

O O O

Formação da ligação

A espessura de uma camada de poli-siloxano é também determinada pelaconcentração da solução de siloxano. Embora uma monocamada é geralmentedesejada, normalmente resulta em de adsorção de multicamadas. Ex: Calcula-se que a deposição de uma solução de silano de 0,25% na fibra de vidro poderesultar em 3-8 camadas moleculares.

A é removida aquecendo a 120ºC durante30-90 min ou utilizando vácuo por 2-6 horas.

q

Summary of the various modified Porod law models for pinhole collimation.

Kim

Volume 37 | Part 4 | August 2004 | Pages 643–651 | 10.1107/S0021889804013196

Geralmente há uma descontinuidade de natureza química,de estrutura molecular e cristalina, e de propriedades(mecânicas, etc.). As características da interface sãodeterminadas pela descontinuidade (mudança abrupta) depropriedades e portanto são específicas para cada parmatriz/reforço.

-Bianchi, O. et al Viscoelastic properties of PS-POSS hybrid materials prepared by reactive processing. Polymer Testing, v. 54, p. 159-167, 2016.-BIANCHI, O. et al Reactive melt blending of PS-POSS hybrid nanocomposites. Journal of Applied Polymer Science (Print), v. 128, p. 811-827, 2013.

Exemplo de reação entre partículas e polímero

Sem estireno Com 2% de estireno

Melhoria de interface resulta em fluidos mais homogêneos

-Bianchi, O. et al Viscoelastic properties of PS-POSS hybrid materials prepared by reactive processing. Polymer Testing, v. 54, p. 159-167, 2016.-Bianchi, O. et al Reactive melt blending of PS-POSS hybrid nanocomposites. Journal of Applied Polymer Science (Print), v. 128, p. 811-827, 2013.

Exemplo de reação entre partículas-polímero

Wanke C. H. et al Effects of POSS vertex group on structure, thermal and mechanical properties of PMMA/POSS hybrid materials, Polymer Testing 54 (2016) 214-222

0 1 2 3 4 5

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

Ela

stic

mod

ulu

s (M

Pa

)

POSS content (wt.%)

MI-POSS

MP-POSS

Halpin-Tsai-POSS filler with zero modulus

Halpin-Tsai-POSS filler with literature modulus

Wanke C. H. et al Effects of POSS vertex group on structure, thermal and mechanical properties of PMMA/POSS hybrid materials, Polymer Testing 54 (2016) 214-222

Exemplo de sistema entre polímero-polímero

Estado sólido

Bondan et al Influence of dynamic crosslinking on the morphology, crystallization, and dynamic mechanical properties of PA6,12/EVA blends , J. APPL. POLYM. SCI. 2016.


200ºC



11

9

(0) 1c

T

Tγ γ

= −

Eq. de Guggenheim

12 1 2 1 2 1 22 2d d p pγ γ γ γ γ γ γ= + − −

Eq. de Owens-Wendt

12 4,62 mN / mγ = 200ºC



Amaral et al Effect of the Partially Hydrolyzed EVA-h Content on the Morphology, Rheology, and Mechanical Properties of PA12/EVA Blends , POLYM. ENG. SCI 2018.


* * * ** *

* * * *

2( ( ) / ) 3 ( ) 3 ( ( ) / ( ))( ) ( )

2( ( ) / ) 3 ( ) 2 ( ( ) / ( ))

d v m d d v mb m

d v m d d v m

G R G G R GG G

G R G G R G

ω ω ϕ ω ωω ω

ω ω ϕ ω ω+ Γ + + + Γ −

=+ Γ + − + Γ − Eq. Palierne


nDvD /v nD D/v

RΓΓ

A interface entre os materiais não é perfeita;

Existência de uma zona de transição entre os materiais;

É possível utilizar reações químicas para alterar essa zona de transição;

Tanto em sistemas polímero-partícula quanto polímero-polímero é possível

identificar a região de transição;

Reduzir a zona de transição auxilia no projeto de novos materiais e na

previsão de falhas futuras.

Pontos importantes !

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